時間：2023-10-02 09:07:35
導(dǎo)語：在3d打印技術(shù)的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
2012年，英國教育部選取 21所小學(xué)作為試點學(xué)校，讓他們嘗試在科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和設(shè)計的課堂中教授和使用3d 打印技術(shù)。一旦試點成功，3D打印技術(shù)項目將推廣至更多學(xué)校。目前，在我國教育領(lǐng)域，特別是基礎(chǔ)教育階段，3D 打印技術(shù)的應(yīng)用還是一個嶄新的領(lǐng)域。3D打印為學(xué)校開展STEAM教育提供了讓創(chuàng)意靈活物化的技術(shù)支持，于是我們把3D打印技術(shù)引入學(xué)科教學(xué)中。不僅為學(xué)科教學(xué)增添了活力，更主要的是，學(xué)生在利用3D打印技術(shù)進行創(chuàng)作的過程中，激發(fā)了想象力，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力，提高了動手實踐能力。
3D打印技術(shù)進入課堂的實踐意義
我國科學(xué)技術(shù)與國際先進水平尚有差距的一個主要原因是“創(chuàng)新不夠”。而STEAM教育旨在培養(yǎng)具有科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)、工程學(xué)素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)的綜合型人才。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為學(xué)校推行STEAM教育注入了一針強心劑。3D打印技術(shù)作為開展STEAM教育的輔助工具，滲透到學(xué)科教學(xué)中，使枯燥乏味的課堂更生動有趣，大大提高了學(xué)生的活動參與度；使學(xué)習(xí)內(nèi)容也不再單一、刻板，呈現(xiàn)出了更多的姿態(tài)。
經(jīng)過一年多的實踐研究，筆者發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)在教學(xué)活動中具備以下優(yōu)勢。
1. 有利于提高可視化教具的使用效果
在原來的教學(xué)環(huán)境中，教師大多使用語言或者圖片來描述教學(xué)內(nèi)容。當(dāng)遇到復(fù)雜的事物時，學(xué)生的思維空間就會受到很大的影響。3D 打印技術(shù)可以在理論和現(xiàn)實之間架起橋梁，將教具進行3D打印并在課堂上展示。學(xué)生通過觀察、觸摸獲得“觀察的經(jīng)驗”，對教學(xué)內(nèi)容有了更加直觀的認識。通過這種方式教學(xué)效果顯然要比原來更好。例如，蘇教版小學(xué)五年級《黃山奇松》一課的教學(xué)，如果學(xué)生只通過圖片或視頻來了解黃山奇松的奇，學(xué)生感受并不深刻。我們用3D 打印機打印出各種奇松的模型，學(xué)生就可以很直觀地觀察、欣賞奇松。
2. 有利于呈現(xiàn)新穎的教學(xué)內(nèi)容
STEAM 教育常常涉及語文、數(shù)學(xué)、美術(shù)、科學(xué)等多學(xué)科內(nèi)容的整合，而 3D 打印為這些知識的整合提供了機會。STEAM 教育有別于傳統(tǒng)教育體系中學(xué)科界限分明的做法，著重于培養(yǎng)具備綜合能力的工程師精神。3D打印技術(shù)的應(yīng)用使得很多以往難以實現(xiàn)的“動手做”類型的課程設(shè)計成為可能，激發(fā)了學(xué)生投身于技術(shù)和工程領(lǐng)域的熱情。
3. 有利于營造更愉快的學(xué)習(xí)體驗
我們利用3D 打印技術(shù)，最主要的是能夠幫助學(xué)生將虛擬快速變成可觸摸的實物模型。獨特的實物模型給學(xué)生提供了切身感受，使他們從另一個角度對事物增進了解，幫助他們愉快地記憶，避免遺忘。此外，還能激發(fā)學(xué)生的靈感，給予他們更多的想象空間。學(xué)生通過自身的經(jīng)驗對模型進行二次設(shè)計，這將使他們更愿意投入到自己設(shè)計、自己生產(chǎn)作品的過程中，從中獲取對學(xué)習(xí)的滿足感。
4. 有利于培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力
解決問題是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力的重要途徑，而3D打印技術(shù)用一種非常有意義的設(shè)計理念去支持問題的發(fā)現(xiàn)、分析與解決。設(shè)計3D作品時，首先要根據(jù)內(nèi)心所想的物體進行系統(tǒng)規(guī)劃，然后對各個部位進行分析，提出解決方案，再通過嘗試?yán)L制草圖逐步去實現(xiàn)。在這一過程中，學(xué)生經(jīng)歷了提出問題、分析對象、嘗試設(shè)計、反復(fù)修改、最終解決問題的過程。學(xué)生在創(chuàng)造的過程中始終處于提出問題、分析問題和解決問題的動態(tài)過程中。例如，我校六（5）班學(xué)生在整理筆盒時，發(fā)現(xiàn)測量工具有很多，于是就想制作一把多功能的尺。他將這個想法告訴數(shù)學(xué)老師后，老師覺得這個想法不錯，就著手讓大家分組設(shè)計自己的多功能尺。學(xué)生們經(jīng)歷了多次的討論、分析、設(shè)計，最后成功地將多功能尺打印出來了。教師在其中扮演咨詢者、輔導(dǎo)者和學(xué)習(xí)動機激發(fā)者的角色。 這些開放式的交互活動不僅有趣，培養(yǎng)了學(xué)生解決問題的能力，而且還培養(yǎng)了學(xué)生的合作精神和協(xié)作能力。
3D打印課程的教學(xué)實踐
由我校教師主編的教材《一起玩3D打印》正式進入六年級的信息技術(shù)課堂。3D打印技術(shù)教學(xué)，讓學(xué)生有了更多的思考、創(chuàng)造空間。通過不斷地教學(xué)研討，教師們也逐步摸索出了3D打印技術(shù)的教學(xué)方法，對各個學(xué)齡段學(xué)生的學(xué)情、學(xué)習(xí)能力有了了解，對哪些內(nèi)容可以讓學(xué)生自己探究、哪些內(nèi)容需要教師搭建學(xué)習(xí)的支架、如何設(shè)計學(xué)習(xí)活動、如何在玩中滲透三維設(shè)計的思想，教師們做到了心中有數(shù)。學(xué)生通過一系列活動項目的創(chuàng)作，在不斷嘗試的過程中獲取經(jīng)驗、掌握方法、提升能力。
下面就以“花盆很實用”為例分享教學(xué)實施的過程。
“路徑跟隨”是草圖大師Sketchup 中繪制一些不規(guī)則的形狀時用到的工具命令，比如繪制彎曲的圓柱體等。通過“花盆很實用”一課的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解了“路徑跟隨”在三維設(shè)計中的作用。
1. 教學(xué)目標(biāo)
（1）學(xué)會運用Sketchup設(shè)計軟件構(gòu)建出自己想象中的花盆的三維模型。
（2）了解花盆的結(jié)構(gòu)，思考自己將會如何設(shè)計。
（3）培養(yǎng)學(xué)生細心觀察身邊事物的習(xí)慣，體驗設(shè)計、創(chuàng)造的樂趣。
2. 教學(xué)過程
（1）導(dǎo)入。教師引導(dǎo)學(xué)生留心觀察身邊花盆的形狀，提出自己想設(shè)計怎樣的花盆。
（2）教師演示“路徑跟隨”工具的使用方法。
（3）討論設(shè)計草圖。學(xué)生相互討論，并在紙上繪制草圖。
（4）三維建模，創(chuàng)意設(shè)計。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生運用Sketchup設(shè)計軟件設(shè)計花盆。
（5）展示交流，創(chuàng)意表達。作品展示交流，要求學(xué)生介紹自己的作品，同桌之間、同學(xué)之間也可以相互欣賞，評價。
（6）打印實物。選出比較好的作品進行打印，讓學(xué)生體驗3D打印的過程，了解3D打印機的操作方式。
3D打印課程進入課堂的思考
毋庸置疑，3D打印技術(shù)對學(xué)校的教學(xué)發(fā)展起到了積的促進作用。3D打印激發(fā)了學(xué)生的想象力，將學(xué)生的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實，這是一種重要的學(xué)習(xí)體驗。3D打印激發(fā)了學(xué)生DIY的興趣，使學(xué)習(xí)更加生動。3D打印為學(xué)習(xí)活動開辟了新的空間，學(xué)生可以從設(shè)計、制作、展示參與等多維度融入學(xué)習(xí)過程中。同時，在整個實踐學(xué)習(xí)活動過程中，都需要學(xué)習(xí)者的實踐操作，從設(shè)計到打印，都需要他們參與完成，有效地激發(fā)了學(xué)生實踐的積極性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強了學(xué)生的動手能力、參與能力、設(shè)計能力和思維能力。這是推動創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有積極意義。當(dāng)然，不管多么先進的技術(shù)，進入課堂必須堅持以學(xué)生發(fā)展為中心，重視學(xué)生的主體地位。
1. 對教師的要求
在課堂中應(yīng)用3D 打印技術(shù)對教師和學(xué)生的信息素養(yǎng)要求較高，較強的動手能力和基本的工程素養(yǎng)是用好它的重要保證。這就需要教師既有使用設(shè)備的基本技能，更要有較高的創(chuàng)新意識和學(xué)習(xí)活動設(shè)計能力。因而，教師要從技術(shù)和教學(xué)設(shè)計等層面進行深層次的學(xué)習(xí)和提高。此外，教師的角色也需要轉(zhuǎn)變，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的合作者、參與者和促進者。其教學(xué)重點除了傳授知識經(jīng)驗，更要激勵和鼓舞學(xué)生，讓學(xué)生保有個性地愉快成長，享受學(xué)習(xí)。
2. 打破學(xué)科壁壘，整合學(xué)科資源
我們一直嘗試溝通學(xué)科之間聯(lián)系，進行各學(xué)科之間的整合。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)打破了學(xué)科之間的壁壘，如何更好地進行資源整合？我們可以和不同學(xué)科的教師一起備課，比如數(shù)學(xué)、科學(xué)、信息技術(shù)，打破教學(xué)活動中以本學(xué)科知識為主的現(xiàn)狀，結(jié)合各個學(xué)科相關(guān)的知識，通過3D打印技術(shù)進行有效的整合。
【關(guān)鍵詞】CAID；3D打印；計算機輔助設(shè)計；工業(yè)設(shè)計
引言
工業(yè)設(shè)計是在伴隨著工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的一個行業(yè)，迄今為止工業(yè)設(shè)計已經(jīng)有了一百多年的發(fā)展歷史。在工業(yè)發(fā)展的過程當(dāng)中，人們對工業(yè)產(chǎn)品的需求不斷提高，從而促使生產(chǎn)廠家必須要提高產(chǎn)品的外觀、構(gòu)造以及形態(tài)，從而促進了工業(yè)設(shè)計的誕生。工業(yè)設(shè)計最初的內(nèi)容就是對單個產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計，現(xiàn)如今工業(yè)設(shè)計已經(jīng)逐漸成為了整體性的服務(wù)與產(chǎn)品生命周期當(dāng)中的系統(tǒng)設(shè)計，其內(nèi)容被不斷的豐富與完善，這種設(shè)計方式的轉(zhuǎn)變也對人們的日常生活產(chǎn)生了較大的影響。我國的工業(yè)設(shè)計起步相對較晚，在上個世紀(jì)80年代，我國的工業(yè)設(shè)計才逐漸開始走進人們的生活當(dāng)中，同時當(dāng)時的工業(yè)設(shè)計水平相對較低，工業(yè)設(shè)計受到藝術(shù)設(shè)計的影響也相對較大，設(shè)計的內(nèi)容主要是產(chǎn)品的外觀方面[1]。隨著改革開放的不斷深入，我國的經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，到上個世紀(jì)90年代左右，經(jīng)濟的發(fā)展推動了我國制造業(yè)的發(fā)展，在這樣的背景下，我國的工業(yè)產(chǎn)品制造技術(shù)不斷趨于完善，同時工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)在社會當(dāng)中也火熱開展起來，同時在這個時期以計算機為代表的信息技術(shù)開始走向成熟，因此利用計算機進行工業(yè)設(shè)計就開始在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域當(dāng)中出現(xiàn)，從而出現(xiàn)了計算機輔助工業(yè)設(shè)計，即CAID，在CAID技術(shù)開始在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域當(dāng)中廣泛運用的同時，3D打印技術(shù)也出現(xiàn)了，但是3D打印技術(shù)在很長的一段時間內(nèi)都處于停滯不前的狀態(tài)當(dāng)中，直到2010年左右，3D打印技術(shù)才取得了突破性的進展，3D打印技術(shù)才被運用在實際生產(chǎn)當(dāng)中，尤其是在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域當(dāng)中具有非常廣泛的運用，許多設(shè)計師通過3D打印技術(shù)進行產(chǎn)品的設(shè)計，有效的縮短了產(chǎn)品研發(fā)的周期，省去了設(shè)計過程當(dāng)中的模型制造與審核的環(huán)節(jié)，極大的推動了工業(yè)設(shè)計的發(fā)展[2]。
一、CAID簡介
計算機輔助工業(yè)設(shè)計是從計算C輔助設(shè)計發(fā)展而來的一個新的概念，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，許多配套的設(shè)計軟件也逐漸成熟起來，如CAD與有限元軟件等開始出現(xiàn)，從而允許計算機被使用在設(shè)計領(lǐng)域當(dāng)中。而CAID就是計算機輔助設(shè)計的英文縮寫。從CAID的本質(zhì)上進行分析，CAID技術(shù)是在工業(yè)設(shè)計與計算機技術(shù)的支撐下系統(tǒng)形成的一種全新的技術(shù)，是與傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計存在著極大的差別的設(shè)計方法，與傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計方法相比，CAID在設(shè)計方法、 設(shè)計過程、 設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率方面都發(fā)生了顛覆性的改變，從而為工業(yè)設(shè)計的發(fā)展提供了重要的動力。CAID技術(shù)是一種包含了多種不同屬性的計算機技術(shù)，如虛擬顯示技術(shù)、模糊技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體等，同時不同的技術(shù)之間也存在著一定的交叉，由此可見CAID技術(shù)是一種綜合性的技術(shù)[3]。
在工業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)過程當(dāng)中，往往需要經(jīng)過多個環(huán)節(jié)才能使得最終的產(chǎn)品得以實現(xiàn)，首先需要對市場進行必要的調(diào)查，了解用戶對產(chǎn)品的實際需求，并設(shè)定產(chǎn)品的市場定位，再繪制草圖與效果圖，之后還需要制造出數(shù)據(jù)模型與實物模型，最終才能進行產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。在這個過程當(dāng)中產(chǎn)品的可視化過程是非常關(guān)鍵的一個部分，只有做好這部分工作才能在產(chǎn)品量產(chǎn)之前對其中所存在的不足支出與錯誤進行改進，從而促進了產(chǎn)品的完善，在進行可視化工作的過程當(dāng)中，往往需要CAID技術(shù)的支撐，例如在進行產(chǎn)品效果圖繪制的過程當(dāng)中，我們可以利用PS、Coreldraw等計算機輔助設(shè)計軟件進行二維效果圖的繪制，利用3DMax等軟件進行三維模型的設(shè)計。而在數(shù)據(jù)模型階段，CAID也具有非常廣泛的運用，例如可以使用一些工程類的軟件進行工程模型的制作，如SolidWorks與CATIA。從而為后期的產(chǎn)品生產(chǎn)做出充分的準(zhǔn)備。在進行產(chǎn)品設(shè)計的整個過程當(dāng)中使用CAID技術(shù)進行設(shè)計相比于傳統(tǒng)的使用手工效果圖與模型制作的方式極大的提高了涉及的效率，同時也使得設(shè)計的精確性得以有效的提升。當(dāng)前階段在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域當(dāng)中使用CAID技術(shù)進行工業(yè)設(shè)計的相關(guān)軟件已經(jīng)非常的豐富，尤其是在計算機硬件不斷升級的基礎(chǔ)上各種軟件的性能也得到了極大的提升，并不斷的朝著智能化與集中化的方向發(fā)展。因此，在未來計算機會完美呈現(xiàn)設(shè)計者的設(shè)計構(gòu)想， 不用去花費太多的精力和時間去學(xué)習(xí)各種軟件建模、 渲染技術(shù)。這樣是技術(shù)對設(shè)計師的一種解放， 讓設(shè)計師可以把更多的精力集中到設(shè)計創(chuàng)造階段[4]。
CAID在工業(yè)設(shè)計當(dāng)中的應(yīng)用也不僅僅局限于設(shè)計表現(xiàn)方面的運用，我們可以將CAID技術(shù)推向工業(yè)設(shè)計的全過程，例如，在進行工業(yè)產(chǎn)品的前期調(diào)研過程當(dāng)中，我們可以利用計算機對相關(guān)的調(diào)研數(shù)據(jù)進行充分的分析與論證，從而提高產(chǎn)品市場定位的精確性，在最近幾年發(fā)展起來的大數(shù)據(jù)技術(shù)就可以充分的使用在該領(lǐng)域當(dāng)中。還有設(shè)計過程中對產(chǎn)品的人機工程學(xué)分析， 只要有了數(shù)據(jù)模型， 我們可以通過計算機輔助設(shè)計技術(shù)， 用人體數(shù)據(jù)庫對設(shè)計進行檢驗， 提出更合理的人因工程分析數(shù)據(jù)， 幫助設(shè)計師改進設(shè)計。這些都是計算機輔助設(shè)計技術(shù)應(yīng)該發(fā)揮作用的方面[5]。
二、3D打印技術(shù)與工業(yè)設(shè)計
3D打印技術(shù)是在上個世紀(jì)90年代才出現(xiàn)的一種全新的制造技術(shù)，3D打印技術(shù)需要以存儲在計算機當(dāng)中的模型數(shù)據(jù)為基本依據(jù)，利用塑料或者粉末狀的材料通過逐層打印的方式來將實際的物體制造出來。3D打印技術(shù)在問世之后，廣受設(shè)計人員的歡迎，被廣泛的使用在設(shè)計模型的制造方面，但是隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印的應(yīng)用已經(jīng)不再僅僅局限在設(shè)計領(lǐng)域當(dāng)中，在實際生產(chǎn)當(dāng)中也具有非常廣泛的運用，一些工業(yè)零部件已經(jīng)開始采用3D打印的技術(shù)開始生產(chǎn)[6]。
但是總體來說3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用相對來說還是較多的，在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計當(dāng)中，在O計的最后階段都需要制作一個模型，用來測試和檢驗設(shè)計的可行性和合理性。一般來說一個模型的制作周期大約為1周左右，模型的成本相對來說也較大，同時通過手工制作的模型在精度方面還存在著較大的問題，如果還需要進行開模的話，模型的價格則會更高，但是如果采用3D打印技術(shù)進行模型的制作，只需要通過一臺3D打印機與制作材料在幾個小時之內(nèi)就可以將模型制作出來，同時模型的精度還非常高，這就可以使得產(chǎn)品開發(fā)的過程被極大的縮短了，同時也可以有效的降低制作成本。當(dāng)前階段3D打印機的制造技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其成本相對來說也較低，許多企業(yè)都會為設(shè)計工作配置3D打印機，甚至還有部分企業(yè)推出了家用的3D打印機[7]。
3D打印技術(shù)的出現(xiàn)對制造業(yè)與工業(yè)設(shè)計帶來了革命性的變化，當(dāng)前階段3D打印在工業(yè)設(shè)計與制造方面的應(yīng)用已經(jīng)在很大程度上改變了人們的日常生活，例如可以通過3D打印技術(shù)進行房子的制造，可以使得一些生活在極端環(huán)境下人群的居住環(huán)境得以有效的改善，通過3D打印技術(shù)還可以進行人體器官的打印，從而避免了大量的器官移植需求得不到滿足的現(xiàn)狀。
三、CAID與3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計方面的結(jié)合
CAID技術(shù)與3D打印技術(shù)本來就是兩種相輔相成的技術(shù)，3D打印技術(shù)必須要以一定的數(shù)據(jù)模型作為打印的基本依據(jù)，而3D打印技術(shù)則將虛擬的工業(yè)設(shè)計轉(zhuǎn)變成了實際的模型，因此，如果實現(xiàn)CAID與3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計方面的有效結(jié)合，則可以推動工業(yè)設(shè)計產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展，同時也會使得這兩種技術(shù)的實際運用得到一定的推廣[8]。
在下文當(dāng)中，筆者將通過一個自己實際操作的案例分析CAID與3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計方面的實際運用。在該案例當(dāng)中，需要進行一個吉祥物的設(shè)計，設(shè)計的原稿是由他人進行設(shè)計的，因此，在此僅僅討論數(shù)據(jù)模型的制作過程與3D打印的實際過程。下圖一為通過CAID技術(shù)所制作出來的二維效果圖，這兩個吉祥物分別被明明為花花與桃桃，其人物造型是以花與桃子為原型的，三維模型制作階段應(yīng)用了 McNeel公司開發(fā)的Rhinoceros 軟件和多邊形建模插件 T-spline。借助于 T-spline 的自由多邊形建模功能， 在數(shù)據(jù)模型的建構(gòu)過程當(dāng)中，首先需要構(gòu)建花花與桃桃的身體部位，再通過多邊形轉(zhuǎn) NURBS曲面的命令， 轉(zhuǎn)成 Rhinoceros軟件中可用來編輯的 NURBS曲面[9]。在完成這些工作之后還需要對人物的身體方面的細節(jié)進行充分的修飾，最后才能完善數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，數(shù)據(jù)模型的構(gòu)成如下圖二中所示。在完善數(shù)據(jù)模型的建構(gòu)之后，需要將相關(guān)的模型數(shù)據(jù)保存為STL格式，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出來，在導(dǎo)出數(shù)據(jù)之后，再將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入到與3D打印機相連的計算機當(dāng)中的打印軟件。在該案例當(dāng)中所使用的3D打印機是我國國產(chǎn)的3D打印機，打印機與打印軟件如下圖三中所示，通過定位、 打印尺寸等的設(shè)置后打印機便會執(zhí)行指令， 開始逐層打印， 直到打印完畢。最后還需要對3D打印所得出的實際模型進行簡單的人工處理，最后就可以得到模型。在該案例當(dāng)中從最開始的數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建到最后的打印完成耗時一周不到，所得到的模型效果也相對較高[10]。
四、結(jié)語
在本文當(dāng)中，筆者對CAID與3D打印進行了簡略的介紹，并以此為基礎(chǔ)分析了CAID與3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用，最后通過實例對二者之間的結(jié)合進行了分析。我們可以發(fā)現(xiàn)，將CAID與3D打印技術(shù)結(jié)合在一起可以有效的提高工業(yè)設(shè)計的效率，在提高設(shè)計速度的同時，還能提高設(shè)計的質(zhì)量，并有效降低設(shè)計成本，應(yīng)該在實際的使用過程當(dāng)中大力推廣。
參考文獻：
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關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；增材制造技術(shù)；原理；應(yīng)用
中圖分類號：TP334.8 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0203-01
3D打印，即3 Dimensional printing，其特點是能通過計算機圖形數(shù)據(jù)直接打印出任何復(fù)雜形狀的零件，從而降低成本，減小開支，被美國《時代》周刊稱為“美國十大增長最快的工業(yè)”。2012年，英國著名雜志《經(jīng)濟學(xué)人》在報告中指出，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)對正在經(jīng)歷的第三次工業(yè)革命中制造業(yè)的發(fā)展，將會產(chǎn)生巨大的影響。
1 3D打印技術(shù)的原理
3D打印技術(shù)（3 Dimensional Printing），也被稱為增材制造技術(shù)（material additive manufacturing），或者添加制造技術(shù)（additive manufacturing）。是快速成型技術(shù)的一種。它的定義為：它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或者塑料等可黏合的材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。日常生活中使用的普通打印機可以打印電腦設(shè)計的平面物體，而所謂的3D打印機其實與普通打印機工作原理相同，區(qū)別在于打印所使用的原料不同。普通打印機使用的打印材料是紙張和墨水，3D打印機使用的打印材料是粉末狀金屬、陶瓷、塑料、砂等實實在在存在的物體。當(dāng)打印機與電腦連后，通過電腦的控制，把打印材料一層層疊加在一起，將電腦設(shè)計的藍圖變成實物。
在以前，想要制作一件模型，需要先O計圖紙，尋找材料慢慢制作而成。現(xiàn)代的3D打印技術(shù)，和過去傳統(tǒng)的模型制作相比，不僅在制作時間上大大縮短，而且在制作的精密度上也遠遠超過傳統(tǒng)制作技術(shù)。所以，在現(xiàn)代生活工作中，人們更加依賴于3D打印技術(shù)。
2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用
2.1 航空、汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用
由于3D打印技術(shù)可以制作出規(guī)格小、精密度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料昂貴的零件，因此在航空和汽車制造業(yè)中獨占鰲頭。3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在直接產(chǎn)品制作、外形檢驗、精密熔具鑄造等方面。現(xiàn)如今，歐美大多數(shù)國家在航空制造業(yè)中，已經(jīng)把3D打印技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)之一。從開始運用3D打印技術(shù)至今，美國波音公司已經(jīng)利用這一先進技術(shù)成功制作300多架飛機的零部件。美國佛吉尼亞大學(xué)的一名學(xué)生通過3D打印技術(shù)成功制造出一架模型飛機并且成功試飛，這架飛機所有的零部件都是通過3D技術(shù)打印出來，如果飛機任何部件出現(xiàn)破損，都可以通過3D技術(shù)打印出來進行替換。在汽車制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)應(yīng)用在汽車零部件的制造中。全球首輛從表面到零部件全部都由3D打印機制造出來的汽車“Urbee”于今日問世，這一成果的展示無不極好的展示了3D打印技術(shù)的強大。
2.2 服飾、首飾設(shè)計、體育方面的應(yīng)用
2011年，法國巴黎時裝周上，一位荷蘭設(shè)計師所設(shè)計的3D打印技術(shù)制作的時尚服飾展示在人們眼前，震驚了世人，它所制作出來的服飾完美的解決了布料衣服難以詮釋的立體感，使得世界服裝進入了一個新的時代。首飾設(shè)計方面，發(fā)達國家也出現(xiàn)了以14K金和純銀為原材料，運用3D打印技術(shù)制作出來的名貴首飾，3D打印技術(shù)的特殊立體感也是人類手工所達不到的。另外NIKE公司是第一個將3D打印技術(shù)運用在鞋子生產(chǎn)中的企業(yè)，它所制作出來的鞋子質(zhì)量更為貼合運動員腳部，用這一技術(shù)做出的鞋子質(zhì)量只有158.7g，相當(dāng)于3個雞蛋的重量，這在當(dāng)時是絕無僅有的。
2.3 生物工程和醫(yī)學(xué)的應(yīng)用
隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，這一技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)拓展到了生物醫(yī)學(xué)方面。2009年，美國ganovo公司首次運用3D打印技術(shù)制造出人造血管。2010年，美國和澳大利亞合作，采用3D打印技術(shù)，以活體細胞為原材料，打印出人體組織和器官。美國梅約診所運用3D打印技術(shù)為病人制作了一個3D打印的髖關(guān)節(jié)，使病人可以更好的適應(yīng)植入物。在未來的發(fā)展中，隨著3D打印技術(shù)的提升，將會制作出質(zhì)量更好的3D骨骼，幫助外科醫(yī)生對病人進行骨骼損傷的修復(fù)。3D打印技術(shù)同樣適用于牙科病人，根據(jù)不同的人不同的牙齒形狀，用3D技術(shù)打印出來的人類牙齒幫助牙科醫(yī)生滿足不同病人的需求。
3 結(jié)語
隨著科學(xué)技術(shù)的逐步提升，3D打印技術(shù)也會發(fā)展的越來越好，在人們今后的生活中，會成為一項必不可缺的技術(shù)。比如在服務(wù)行業(yè)中，人們會利用3D打印技術(shù)制作出更符合個人需求，個人品味的各種各樣的物品來滿足不同人的要求，由此會產(chǎn)生出許多新興的職業(yè)，創(chuàng)造出新的經(jīng)濟增長點，對滿足個人生活需求，推動國家經(jīng)濟發(fā)展，起著至關(guān)重要的作用。特別是面對世界各地的客戶群體，遠程操控和遠程制造，銷售，對傳統(tǒng)銷售模式起到?jīng)Q定性的變化。3D打印技術(shù)，會是人類發(fā)展過程中，極其重要的組成部分之一。
參考文獻
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(一)3D打印技術(shù)的涵義
3D打印技術(shù)是一種三維立體式打印，更加接近于客觀事物，是一項新興的技術(shù)，目前在國外已經(jīng)得到一定程度的發(fā)展與應(yīng)用，取得了一定的成果，被稱為具有工業(yè)革命意義的創(chuàng)新制造技術(shù)。它的工作流程主要分兩步:首先通過先進的計算機軟件設(shè)計出理想的立體式產(chǎn)品模型，然后通過在3D打印機中添加液化﹑粉末化﹑絲化的原材料逐層打印出3D式樣的產(chǎn)品。可以看出，3D打印技術(shù)的關(guān)鍵有兩點:一是立體式模型的設(shè)計;二是原材料的制造與添加。
(二)3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的數(shù)控制造的區(qū)別
3D打印技術(shù)的主要實現(xiàn)方式是“添加型”制造，這一點與傳統(tǒng)的“去掉型”數(shù)控制造正好相反，這也顯示出了其獨特的優(yōu)勢或特點。傳統(tǒng)的“去掉型”制造方式是以原材料為基礎(chǔ)，通過切割﹑消磨和熔腐等方法，去除掉多余部分，得到各種所需要的零部件，再通過焊接和拼裝的方式組合成最終產(chǎn)品。可見這樣制造產(chǎn)品的程序相當(dāng)繁雜，產(chǎn)品研制周期長，生產(chǎn)成本高且效率低，而3D打印技術(shù)的“添加型”制造通過在3D打印機中添加原材料就可以直接制造出或打印出任何形狀的物體，使產(chǎn)品的制造程序大大簡化，產(chǎn)品的研制周期間接顯著縮短，促進了生產(chǎn)效率的提高和生產(chǎn)成本的大幅度下降，大力提高了產(chǎn)品的市場競爭力，因此可以顯著提高經(jīng)濟效益。
二、3D打印技術(shù)的調(diào)查現(xiàn)狀及分析
2013年7月份，我們對3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀進行了實地問卷調(diào)查，按照區(qū)域劃分分為東南沿海，中部地區(qū)，西部地區(qū)，和東北三省，主要選取的具有代表性的15個一線城市上海，北京，西安，哈爾濱等進行了每個城市的1000份有效問卷的調(diào)查，對調(diào)查數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)分析、加工和整理得到如下現(xiàn)狀:
(一)定性分析
我們主要對當(dāng)前我國各個區(qū)域?qū)?D打印技術(shù)的需求或認可度進行了定性分析，從圖1中可以獲悉:當(dāng)前我國國內(nèi)居民對3D打印技術(shù)的需求主要分布在東南沿海和中部地區(qū)，而西部地區(qū)和東北地區(qū)的需求比重明顯過低，需求分布結(jié)構(gòu)很不合理，導(dǎo)致這樣現(xiàn)狀的直接原因是地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平不同，人們總體的收入水平和生產(chǎn)生活觀念差異很大所致，這也顯示出了當(dāng)前我國區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展很不平衡，貧富差距越來越大，這需要政府的高度重視，同時也為我國政府制定經(jīng)濟政策進行宏觀調(diào)控提供了一些有效信息。
(二)定量分析
對3D打印技術(shù)產(chǎn)品需求影響最大的是產(chǎn)品的價格，其次是學(xué)歷水平，最后是收入水平。上述信息也為我國工業(yè)企業(yè)，尤其是加工制造業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者或企業(yè)家和各級政府的經(jīng)濟政策制定者提供了一定的有用信息，當(dāng)前應(yīng)該重點關(guān)注的是產(chǎn)品的價格政策，而不是收入政策。
(三)消費者對3D打印技術(shù)產(chǎn)品的未來期望
通過我們對調(diào)查問卷的系統(tǒng)分析和總結(jié)主要得到了的消費者期望：當(dāng)前我國消費者最關(guān)心的是3D打印技術(shù)產(chǎn)品的使用價值，當(dāng)然消費者也最關(guān)心產(chǎn)品的價格，這些信息也為我們的科學(xué)技術(shù)研發(fā)者和生產(chǎn)企業(yè)提供了一個未來發(fā)展的期望或要求。
三﹑3D打印技術(shù)的經(jīng)濟優(yōu)勢分析
近十幾年來，在計算機功能迅速提高﹑電腦設(shè)計軟件的不斷出新，新物質(zhì)材料的不斷發(fā)現(xiàn)與發(fā)明，自主創(chuàng)新能力的顯著提高和互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的推動下，3D打印技術(shù)被發(fā)明且發(fā)展迅速，在其發(fā)展過程中，其經(jīng)濟優(yōu)勢充分顯示出來，這已在實踐中得到證實，主要包括以下幾個方面:
(一)在生產(chǎn)復(fù)雜產(chǎn)品或變換產(chǎn)品樣式時不增加生產(chǎn)成本
在傳統(tǒng)的“去掉型”制造方式下，如果所生產(chǎn)的產(chǎn)品越復(fù)雜越精細，會需要更多的生產(chǎn)時間、人力、財力和物力，使得制造難度就越高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本越高，在同樣的價格下會使企業(yè)的利潤下降或降低其市場競爭力。然而，在利用3D打印技術(shù)方式下，以3D打印機為例，制造一個華麗精細復(fù)雜的產(chǎn)品與制造一個簡單的方塊所消耗的時間、技能或生產(chǎn)成本一樣，只不過是一臺3D打印機需要設(shè)計不同的模型和新的原材料罷了，這種不增加成本的優(yōu)勢將會改變傳統(tǒng)的計算生產(chǎn)成本方式和定價模式。
(二)按需零時間交付式生產(chǎn)和產(chǎn)品設(shè)計空間無限
3D打印可以按照需求及時生產(chǎn)，有利于降低企業(yè)的實物庫存，生產(chǎn)廠商可以按照客戶的訂單使用3D打印機及時制造出使客戶的個性化需求得到最大限度的滿足的立體式產(chǎn)品，有利于大幅度提高消費者的效用水平，這將改變傳統(tǒng)的需要時間的商業(yè)模式，零時間交付生產(chǎn)能最大限度的降低長途運輸成本，有利于實現(xiàn)人們按需就近生產(chǎn)的目標(biāo)。此外，傳統(tǒng)的制造產(chǎn)品形狀上的能力由于受到使用工具的有限功能限制，只能生產(chǎn)出有限形狀的產(chǎn)品，而3D打印機則打破了這種局限，開辟了巨大的設(shè)計空間，可以說3D打印技術(shù)可以制造出任何形狀的產(chǎn)品，來滿足人類欲望的無限需求，有利于解決供需矛盾。
(三)有利于實現(xiàn)綠色經(jīng)濟目標(biāo)
在傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式下，人們是先生產(chǎn)所需的零部件，然后對這些零部件通過機械或人工進行組裝來生產(chǎn)物品，而3D打印技術(shù)能使生產(chǎn)的物品的各部分一體化成型，無須組裝，這就縮短了供應(yīng)鏈，節(jié)省了勞動力資源和運輸費用，供應(yīng)鏈越短，環(huán)境污染也就越少，有利于實現(xiàn)綠色生產(chǎn)，此外3D打印技術(shù)還降低了廢棄的副產(chǎn)品排放，據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計，傳統(tǒng)的加工制造業(yè)中，約有90%的金屬原材料被丟棄在工人車間里，而3D打印技術(shù)將金屬制造業(yè)的浪費大大降低，而且隨著3D打印技術(shù)水平的提高和打印材料的進步，“凈成型”制造將成為未來更環(huán)保的加工生產(chǎn)方式，有利于實現(xiàn)人類夢想的綠色經(jīng)濟時代。資料來源:維基百科英文版文獻資料。
四、3D打印技術(shù)對經(jīng)濟發(fā)展的作用
(一)3D打印技術(shù)有利于提供有效供給
近年來，隨著科技的進步，人們收入水平的提高，對生活中物品質(zhì)量的要求也越來越高，導(dǎo)致了現(xiàn)實中出現(xiàn)一種經(jīng)濟問題即一方面企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品嚴(yán)重過剩;另一方面卻是消費者買不到自己想要買的產(chǎn)品，使產(chǎn)品市場中出現(xiàn)了供求矛盾，表面上是供過于求，實際上是供不應(yīng)求，造成了稀缺資源的嚴(yán)重浪費。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上會緩解上述供求矛盾，因為3D打印技術(shù)是按照消費者的個性化需求來設(shè)計和制造產(chǎn)品的，可以有效提供消費者所偏好的獨特商品，有利于實現(xiàn)產(chǎn)品市場供求平衡的理想狀態(tài)，有利于實現(xiàn)稀缺資源的優(yōu)化配置和充分利用。
(二)3D打印技術(shù)有利于培育新的經(jīng)濟增長點
關(guān)鍵詞：光固化；快速成型；3D打印技術(shù)；液態(tài)光敏樹脂
中圖分類號：TB324；TP39 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）04-00-02
0 引 言
SLA是“Stereo Lithography Apparatus”的縮寫，即立體光固化成型法。SLA 3D打印快速成型技術(shù)是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，以液態(tài)光敏樹脂為材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。隨著社會的不斷進步，光固化快速3D打印技術(shù)在人類發(fā)展中愈加重要，其重要性可與電腦相媲美。快速3D打印技術(shù)不需要在工廠進行操作，意味著無需機械加工或者任何模具，此舉不僅提高了生產(chǎn)效率還降低了生產(chǎn)成本，在3D打印的基礎(chǔ)上，SLA光固化成型技術(shù)對其做出了更進一步的改善，成為現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展趨勢。
1 光固化3D打印技術(shù)立體光固化成型技術(shù)簡介
光固化3D打印技術(shù)立體光固化成型法利用激光照射光敏樹脂材料，使液態(tài)樹脂快速凝固成型，具備高精度、高成型質(zhì)量的特點，可以加工一些結(jié)構(gòu)外形比較復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的一些原型和模具。如今3D打印存在的問題是速度不快，費時且耗材，而SLA光固化成形3D打印技術(shù)可以更為直觀的了解產(chǎn)品形態(tài)。
SLA光固化成形3D打印技術(shù)已普遍存在，其優(yōu)勢顯而易見，如打印精度較高、復(fù)雜零件制作方便、節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)周期、人工費用降低、少量多品種需求優(yōu)勢明顯等。雖然受打印設(shè)備、打印耗材及技術(shù)方面的制約，打印出來的產(chǎn)品在精度和力學(xué)性能方面還不能完全替代傳統(tǒng)的制造業(yè)，但可與傳統(tǒng)制造業(yè)形成互補。目前國內(nèi)外廠商正在研發(fā)收縮小、固化快、強度高的光敏材料，也正是這些因素，使SLA光固化成形3D打印機在國內(nèi)的普及越來越快。
研究的目的是探索光固化高精度3D打印技術(shù)SLA的原理，深入了解SLA技術(shù)，最后熟練使用SLA技術(shù)打印我們理想的模型。
2 光固化3D打印技術(shù)立體光固化成型技術(shù)原理
在液槽中充滿液態(tài)光敏樹脂，其在激光器所發(fā)射的紫外激光束照射下會快速固化。在成型開始時，可升降工作臺處于液面以下，為一個截面層厚的高度。通過透鏡聚焦后的激光束，按照機器指令將截面輪廓沿液面進行掃描。掃描區(qū)域的樹脂快速固化，從而完成一層截面加工過程，得到一層塑料薄片。然后工作臺下降一層截面層厚的高度，再固化另一層截面。這樣層層疊加即可建構(gòu)三維實體。打印原理如圖1所示。
3 光固化3D打印快速成型的應(yīng)用
在鑄造行業(yè)，光固化3D打印快速成型可以快速、低成本的制作壓蠟?zāi)＞撸谱鳂渲勰Ｒ蕴娲炐汀Ｔ谏靶蚑造中用樹脂模具代替木模，可有效提升復(fù)雜、薄壁、曲面等結(jié)構(gòu)鑄件的質(zhì)量和成型效率。在工程設(shè)計業(yè)，用于測試模型制作。在醫(yī)學(xué)方面，可用于三維人體及器官復(fù)制，假體的制作、復(fù)雜外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃模擬、牙齒種植導(dǎo)板制作。光固化3D打印快速成型技術(shù)為快速鑄造、小批量鑄造、復(fù)雜件鑄造等問題提供了有效的解決方法。
4 目前SLA 3D打印裝置的問題和解決
4.1 SLA 3D打印裝置面臨的問題
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于SLA的3D打印機設(shè)備功能越來越強大，但現(xiàn)有的SLA原理的3D打印機（激光快速成型機）外形結(jié)構(gòu)比較大，一般左右兩部分呈對稱結(jié)構(gòu)，左邊為加工成型部分，右邊為顯示控制及電氣控制柜部分，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)較大，內(nèi)部空間利用率低，外形占地面積大，很小的機型也需要較大空間擺放，為設(shè)備的包裝、運輸帶來困難，成本增加，且由于現(xiàn)有設(shè)備的長寬尺寸超出常規(guī)的房間門寬尺寸，需要破壞墻體或者改門，造型亦不美觀。因此，如何設(shè)計一種基于SLA的多功能光固化3D打印裝置，成為我們當(dāng)前要解決的問題。
4.2 解決方法
針對目前存在的問題，提出一種實用新型基于SLA的多功能光固化3D打印裝置。該種基于SLA的多功能光固化3D打印裝置，設(shè)備主體成單體結(jié)構(gòu)狀，將LCD觸摸控制面板獨立設(shè)置，方便控制和操作，將掃描裝置置于樹脂槽上，大幅度減小設(shè)備主體的外部尺寸，設(shè)備占地空間減小，設(shè)備制造加工成本大幅度降低，也便于包裝和運輸，以及便捷維護，而可掃描裝置的掃描面積變大，滿足了客戶對大尺寸工件打印的要求，且設(shè)備運行穩(wěn)定，快速成型和制造系統(tǒng)縮短了產(chǎn)品開發(fā)流程，相較于傳統(tǒng)工藝流程節(jié)省了大量時間和資金。
5 結(jié) 語
SLA光固化成形3D打印技術(shù)已進入各行各業(yè)，在時代的發(fā)展中其重要性愈加凸顯，可以大膽的想象，在未來，我們將不再需要大規(guī)模的生產(chǎn)線，不再需要寸步不離的守候在機床旁，不再需要大量的人力物力，不再產(chǎn)生大量的工業(yè)廢物。3D打印技術(shù)將從根本上改變傳統(tǒng)制造業(yè)模式，將設(shè)計領(lǐng)域提高到一個新的高度。
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目前，3D打印技術(shù)已在工業(yè)造型、機械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。并且隨著這一技術(shù)本身的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣埂?D打印技術(shù)的實際應(yīng)用主要集中在以下幾個方面：
產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域
在新產(chǎn)品造型設(shè)計過程中的應(yīng)用3D打印技術(shù)為工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)人員建立了一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)模式。運用3D打印技術(shù)能夠快速、直接、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的實物模型(樣件)，這不僅縮短了開發(fā)周期，而且降低了開發(fā)費用，也使企業(yè)在激烈的市場競爭中占有先機。
建筑設(shè)計領(lǐng)域
建筑模型的傳統(tǒng)制作方式，漸漸無法滿足高端設(shè)計項目的要求。全數(shù)字還原不失真的立體展示和風(fēng)洞及相關(guān)測試的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)如今眾多設(shè)計機構(gòu)的大型設(shè)施或場館都利用3D打印技術(shù)先期構(gòu)建精確建筑模型來進行效果展示與相關(guān)測試，3D打印技術(shù)所發(fā)揮的優(yōu)勢和無可比擬的逼真效果為設(shè)計師所認同。
機械制造領(lǐng)域
由于3D打印技術(shù)自身的特點，使得其在機械制造領(lǐng)域內(nèi)，獲得廣泛的應(yīng)用，多用于制造單件、小批量金屬零件的制造。有些特殊復(fù)雜制件，由于只需單件生產(chǎn)，或少于50件的小批量，一般均可用3D打印技術(shù)直接進行成型，成本低，周期短。
模具制造領(lǐng)域
例如玩具制作等傳統(tǒng)的模具制造領(lǐng)域，往往模具生產(chǎn)時間長，成本高。將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相結(jié)合，可以大大縮短模具制造的開發(fā)周期，提高生產(chǎn)率，是解決模具設(shè)計與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。3D打印技術(shù)在模具制造方面的應(yīng)用可分為直接制模和間接制模兩種，直接制模是指采用3D打印技術(shù)直接堆積制造出模具，間接制模是先制出快速成型零件，再由零件復(fù)制得到所需要的模具。
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用近幾年來，人們對3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究較多。以醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用3D打印技術(shù)制作人體器官模型，對外科手術(shù)有極大的應(yīng)用價值。
文化藝術(shù)領(lǐng)域
在文化藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，3D打印技術(shù)多用于藝術(shù)創(chuàng)作、文物復(fù)制、數(shù)字雕塑等。
航天技術(shù)領(lǐng)域
在航空航天領(lǐng)域中，空氣動力學(xué)地面模擬實驗(即風(fēng)洞實驗)是設(shè)計性能先進的天地往返系統(tǒng)(即航天飛機)所必不可少的重要環(huán)節(jié)。該實驗中所用的模型形狀復(fù)雜、精度要求高、又具有流線型特性，采用3D打印技術(shù)，根據(jù)CAD模型，由3D打印設(shè)備自動完成實體模型，能夠很好的保證模型質(zhì)量。
家電領(lǐng)域
7月12日至18日舉辦的中國科協(xié)夏季科學(xué)展，特設(shè)了一個3D打印技術(shù)展區(qū)，向大家展示這項新興科技。幾臺3D打印機可以“打印”出真實的3D物體，機器人、玩具、各種模型……想你所想，只管打印出來就行了。科學(xué)展上這個最酷的東西吸引了各個年齡段的朋友來享受這場“科技盛宴”。
據(jù)展覽現(xiàn)場的專家介紹，3D打印的數(shù)據(jù)采集可通過三維掃描進行。三維光學(xué)面掃描可快速獲取零件的曲面點云數(shù)據(jù)，建立三維數(shù)模，達到快速設(shè)計產(chǎn)品的目的。同時，還可用于生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量控制和形位尺寸檢測，特別是復(fù)雜曲面的檢測。三維人體掃描儀則可針對人體數(shù)據(jù)進行掃描，獲取的人體點云數(shù)據(jù)包含人體各個部位準(zhǔn)確的三維信息。
3D打印的原型制作，可采用多種技術(shù)和設(shè)備，主要區(qū)別在于打印材料。以熱融技術(shù)為例，其可將3D模型分層解析，變成控制打印頭分層運動的一組命令，打印材料加熱融化后從噴頭擠出。打印頭移動的過程中打印材料固化成為物品結(jié)構(gòu)中的一層，經(jīng)過持續(xù)操作，多層材料固化后可形成一個整體的立體物品。其實，3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料。
激光快速成型機，則采用液態(tài)光敏樹脂為原料，計算機控制下的紫外激光按加工零件的分層截面信息逐層對樹脂進行掃描，使其產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，從而形成零件的一個薄層截面。當(dāng)一層固化完畢后，原先固化好的樹脂表面將再敷上一層新的液態(tài)樹脂以便進行下一層掃描固化，如此重復(fù)直到整個零件原型制造完畢。
按需定制是3D打印的一大特點，由于采用自主設(shè)計控制系統(tǒng)，激光內(nèi)雕機的軟硬件操作效率高，雕刻效果精細，穩(wěn)定性好，維護量低，已廣泛應(yīng)用于個性化水晶內(nèi)雕禮品、高精度水晶制作批量加工、玻璃裝潢設(shè)計、玻璃制品防偽等業(yè)務(wù)領(lǐng)域。
我國對3D打印已有長達20多年的探索和積累，經(jīng)過多方合作和技術(shù)創(chuàng)新，目前3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域已包括航空航天、建筑模型、工程機械、玩具動漫、生物醫(yī)療、電子電器、汽車、軍工、地理信息及藝術(shù)設(shè)計等。
另外一位也認為3D打印機的用途之廣簡直難以想象，而關(guān)于3D能不能夠改變制造模式，實際上從2007年、2008年就有人在討論，只不過近兩年在升溫，3D打印能不能改變這個世界？
一個3D打印機可以打印出一個杯子來，兩個抓手，它還可以打印出來四個抓手的；它可以生產(chǎn)出強度、韌度一樣的扳手；它可以生產(chǎn)出來齒輪的模型；可以打印出來一些動物的玩具、動物的形象。它和傳統(tǒng)生產(chǎn)的區(qū)別是傳統(tǒng)生產(chǎn)叫做材料去除型，剩下的材料都扔掉，革命性工作在于節(jié)省材料，這和舊的生產(chǎn)過程是不一樣的。它能夠通過加入添加劑的方式，把一個產(chǎn)品通過打印，通過激光凝固或者是燒結(jié)，然后形成某種產(chǎn)品。
現(xiàn)在3D打印可打出來汽車、自行車，還能夠打印出來有70多個活動關(guān)節(jié)的移動物。意大利的一個發(fā)明家能夠打印整個立體建筑物，據(jù)說將來可以用在地球上制造房屋用。
3D技術(shù)產(chǎn)業(yè)潛力巨大。有一家3D技術(shù)公司，屬添加劑制造業(yè)，其2010年3D打印技術(shù)收入大概13億美元，預(yù)計到2016年會達到31億美元，預(yù)計到2015年3D系統(tǒng)出貨量可達1.5萬套。從目前來看，3D打印機的規(guī)模偏小，但是大型號的3D打印機已經(jīng)開始出現(xiàn)了。
大概需要十年左右的時間，或者更長一點，3D打印一定會成為主流的生產(chǎn)方式，對我們現(xiàn)在的生產(chǎn)方式帶來巨大影響。
第一，對產(chǎn)品生產(chǎn)過程有影響。傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)就會生產(chǎn)出樣品，然后做產(chǎn)品設(shè)計。這個過程需要不斷調(diào)整，最后確定下來才能夠制造、分銷，最后銷售。3D打印其實就減少了這樣一個過程，產(chǎn)品設(shè)計直接到產(chǎn)品制造、產(chǎn)品分銷，然后是產(chǎn)品最后銷售。同時，在這個過程中還有產(chǎn)品銷售改進，這也是廠家和顧客的互動過程。
第二，對產(chǎn)品供應(yīng)鏈的影響。傳統(tǒng)制造成本的原因，會把制造全部拿到低成本的地方，比如中國，這樣產(chǎn)品在生產(chǎn)完之后運到本國倉庫，再運到經(jīng)銷商和顧客的手里。3D打印方式允許其在國內(nèi)生產(chǎn)，傳統(tǒng)過程的供應(yīng)鏈就縮短了。也就是說，成本驅(qū)動的產(chǎn)品生產(chǎn)外包會減少，本地生產(chǎn)會增加。因為成本驅(qū)動的對外投資會回流，靠近消費者生產(chǎn)。
對于國際貿(mào)易的影響，會有以下幾個方面：
第一，全球生產(chǎn)鏈縮短。因為中間環(huán)節(jié)減少，這種縮短就會增加它在本地化的3D打印規(guī)模，進而有可能導(dǎo)致貿(mào)易流量的減少，因為它減少了運輸環(huán)節(jié)，即一方面減少了運輸成本，另一方面，也會導(dǎo)致國際貿(mào)易運輸量的下降。
第二，全球產(chǎn)業(yè)合作減少。也就是說，外包更多轉(zhuǎn)為內(nèi)包，未來十幾年的趨勢是外包難以為繼。而且會導(dǎo)致去全球化的現(xiàn)象，貿(mào)易國對貿(mào)易的依存度可能會下降。
第三，發(fā)達國家依靠技術(shù)優(yōu)勢，要重新把握貿(mào)易和投資商的主動權(quán)。未來因為其站在技術(shù)高地，可以來選擇貿(mào)易和投資方式。
第四，對外投資會更多針對當(dāng)?shù)厥袌觥Ｎ磥砜赡艿街袊鴣硗顿Y，在3D打印技術(shù)成熟的時候，來到中國不是為了生產(chǎn)再拿走，或者是分銷到其他的市場，而是為了銷售到當(dāng)?shù)氐氖袌觥?/p>
第五，發(fā)展中國家可能再一次陷入被動，一方面可能會成為原料的提供者，另一方面還要面對3D打印規(guī)模化生產(chǎn)導(dǎo)致的勞動力需求減少的困境。在這個過程當(dāng)中，3D打印是不需要人的，勞動力的成本因素在里面變得非常少，所以這樣的話可能會產(chǎn)生勞動力過剩，甚至是社會不穩(wěn)定。
第六，發(fā)展中國家產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)可能會受到破壞。原來產(chǎn)業(yè)加工可能是為了向發(fā)達國家出口，但是一旦形成這樣一個格局，出口的基礎(chǔ)就不存在了，出口能力就會下降。
還有可能導(dǎo)致新一輪的世界經(jīng)濟不平衡。其實還有一些其他因素，比如說因為這樣3D打印技術(shù)的發(fā)展，還會產(chǎn)生一些新的產(chǎn)業(yè)，由此也可能會產(chǎn)生新的貿(mào)易政策。
從3D打印技術(shù)對我國貿(mào)易的影響看，可能會影響我國的出口和加工貿(mào)易，因為它產(chǎn)生替代作用。波士頓咨詢集團預(yù)計，到2020年，我國10%～30%出口到美國的產(chǎn)品會在美國本地生產(chǎn)，美國的年產(chǎn)值會增加200億～550億。甚至也有學(xué)者說，中國的崛起可能會因第三次工業(yè)革命而終結(jié)。具體到產(chǎn)品上：
第一，模具行業(yè)。所謂的添加劑制造，或者叫3D打印，它最初產(chǎn)生就是替代模具。所以第一個受影響的就是模具行業(yè)的出口。
第二，塑料加工設(shè)備，因為未來加工塑料產(chǎn)品的時候可能不需要塑料加工設(shè)備，可影響我國十幾億美元的出口。
近日，《IT時代周刊》從相關(guān)渠道獲悉，一批阻礙3D打印機進入市場的關(guān)鍵專利已經(jīng)過期，其中包括核心專利技術(shù)激光燒結(jié)（laser sintering）――一種3D快速成型的技術(shù)，可以實現(xiàn)高熔點金屬和陶瓷的黏結(jié)，具有成本相對較低、產(chǎn)品接近上市成品等優(yōu)點。“一旦激光燒結(jié)3D打印機關(guān)鍵專利到期，相關(guān)設(shè)備的價格將大幅下跌。”美國3D打印公司Shapeways設(shè)計師杜安?斯科特（Duann Scott）預(yù)測說。
長期以來，3D打印相關(guān)的核心專利大多掌握在3D Systems等少數(shù)龍頭企業(yè)手中，多數(shù)企業(yè)必須向其支付高昂的專利使用費才能推出產(chǎn)品。而當(dāng)這些專利到期，企業(yè)就能省去這部分支出，最終拉低3D打印機價格。
據(jù)了解，在此之前，熔融沉積成型（FDM）3D打印技術(shù)專利到期時，市場就曾迎來了開源FDM 3D打印機的爆發(fā)。“過去，一臺FDM打印機是14000美元，現(xiàn)在是300美元。”杜安?斯科特說。
實際上，激光燒結(jié)專利的過期把平面打印巨頭惠普也吸引進了3D打印行業(yè)。在今年3月的年度股東大會中，惠普CEO 梅格?惠特曼（Meg Whitman）宣布將在6月進軍商用3D打印市場。“從企業(yè)層面來講，3D打印市場的規(guī)模要更大。”梅格?惠特曼說。
但是，現(xiàn)實遠遠談不上樂觀。中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟執(zhí)行理事長羅軍指出，3D打印“小而散”的格局沒有改變，規(guī)模效應(yīng)上也沒實現(xiàn)真正的突破。“我們仿佛陷入了一個怪圈。3D打印技術(shù)什么都能夠做，但是，最適合做什么、最佳應(yīng)用市場卻都比較茫然。”在他看來，3D打印始終缺乏一個成熟的商業(yè)模式。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，今年國內(nèi)3D打印機的銷量最多只能達到4.4萬臺。
喜憂參半
被譽為“引領(lǐng)第三次工業(yè)革命的新興產(chǎn)業(yè)”的3D打印正在經(jīng)歷著冰火兩重天的處境。
今年年初至今，3D打印領(lǐng)軍企業(yè)Stratasys公司的股價大幅跳水19%，另一家龍頭企業(yè)3D Systems股價暴跌40%，押寶金屬打印的ExOne下跌46%。整個3D打印市場陷入了前所未有的低迷。而在去年，全球大部分3D打印公司的股價漲幅超過一倍。
知名做空機構(gòu)香櫞認為，3D打印公司股價的暴跌是因為“3D打印技術(shù)被大肆夸大，使3D打印技術(shù)相關(guān)公司的股價出現(xiàn)嚴(yán)重泡沫。”美國投資機構(gòu)分析師韋斯頓?崔格（Weston Twigg）也指出，“如果想取代傳統(tǒng)技術(shù)，3D打印機需要變得更加快速、成本更加低廉。”
但是，資本市場的看淡并未澆滅企業(yè)的熱情。惠普宣布將于今年6月進軍商用3D打印市場。惠普首席技術(shù)官兼實驗室高管馬丁?芬克（Martin Fink）稱：“惠普正探索3D打印的諸多可能，我們將在這一技術(shù)發(fā)展過程中扮演重要角色。”而梅格?惠特曼透露，該公司解決了一系列制約3D打印被廣泛采用的技術(shù)問題。
據(jù)惠普預(yù)計，到2021年全球3D打印機和相關(guān)軟件、服務(wù)的規(guī)模將達到110億美元，遠遠超過2012年的22億美元。另一家英國市場研究公司JuniperResearch也看好3D打印機的潛力，稱2018年全球家用3D打印機的銷售量將超過100萬臺。
同期，3D打印行業(yè)內(nèi)的資本運作此起彼伏。ExOne先以約480萬美金的現(xiàn)金收購工業(yè)級微波企業(yè)MWT，再以500萬美元收購專業(yè)加工車間Machin-A-Mation。4月，Stratasys宣布收購兩家3D打印企業(yè)。另外，在去年底，3D Systems已將3D打印陶瓷技術(shù)供應(yīng)商Figulo公司收歸囊中。
“被收購企業(yè)的共同點是都屬于3D打印材料供應(yīng)商。”有行業(yè)人士告訴《IT時代周刊》，“這些并購有助于3D打印公司完成垂直整合，并加快應(yīng)用的推廣。”ExOne總裁兼CEO大衛(wèi)?伯恩斯（David Burns）更將這些收購視為“3D打印價值鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)”。
另據(jù)市場研究機構(gòu)Gartner預(yù)測，2012年到2017年，3D打印設(shè)備銷量和銷售額的復(fù)合增長率將分別達到95%和82%，2017年的銷量將達到100萬臺，相應(yīng)的銷售額將達到57.32億美元。此外，在支持創(chuàng)新的美國眾籌網(wǎng)站Kickstarter上也出現(xiàn)了越來越的3D打印機產(chǎn)品。美國方面有觀點將此視為3D打印市場復(fù)蘇的一種跡象。
研產(chǎn)脫節(jié)
比起國外公司表現(xiàn)出來的一腔熱情，國內(nèi)市場形勢則嚴(yán)峻得多。
“國內(nèi)3D打印市場的格局還沒有打開。”羅軍向本刊記者直言，“這個行業(yè)外面看起來一片火熱，業(yè)內(nèi)卻比較寂寞。四處都是市場，看得見，卻摸不著。”
據(jù)了解，3D打印設(shè)備主要分為工業(yè)級和民用級兩種，前者面向航天、航空、汽車等工業(yè)設(shè)計制造領(lǐng)域，后者則面向教育機構(gòu)、設(shè)計單位和個人愛好者、DIY高手等。而無論工業(yè)級還是民用級，核心專利都掌握在國外企業(yè)手上。
受制于專利限制，雖然中國3D打印行業(yè)在設(shè)備、材料、軟件等核心領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了不同程度的自給，“但這還遠遠不夠。”羅軍說，“我國3D打印仍停留在科研階段，歐美在裝備水平上明顯高于我國。”
與此同時，國外“3D打印已經(jīng)由最初的實驗室階段發(fā)展到實戰(zhàn)階段。”英國《經(jīng)濟學(xué)人》報道指出。據(jù)報道，通用電氣使用3D技術(shù)為下一動機制造噴嘴，空中客車公司也制造了一些飛機部件，美國Organovo公司甚至用3D打印技術(shù)培養(yǎng)出人體肝臟組織。
應(yīng)用的普及推高了國外3D打印公司的收入。目前，美國主要3D打印公司年銷售額已經(jīng)達到4億到5億美元，2012年全球3D打印的市場規(guī)模約為21億美元。而根據(jù)中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示，2012年中國市場規(guī)模只有約10億元，且至今沒有銷售收入過億元的3D打印企業(yè)。
民用市場上，國內(nèi)行情同樣不容樂觀。“國內(nèi)沒有消費能力。”國內(nèi)民用級3D打印機企業(yè)北京太爾時代科技總經(jīng)理郭戈直言，“我們的設(shè)備定價2890美金，對于海外市場來講，很多家庭可以接受，但國內(nèi)卻不行。”
郭戈的觀點從側(cè)面印證了美國獨立調(diào)查機構(gòu)Wohlers Associates公司的一項報告。該報告指出，價格低于5000美元的桌面級民用3D打印機市場上，2008年至2011年4年間，平均每年環(huán)比增長高達346%。而中國民用3D打印市場規(guī)模幾乎可以忽略。
理清體系
在羅軍看來，國內(nèi)3D產(chǎn)業(yè)遲遲沒有打開局面，首要因素是“沒有找準(zhǔn)市場定位”。他認為，3D打印技術(shù)是傳統(tǒng)制造技術(shù)有益的補充，而不是要全面替代傳統(tǒng)制造技術(shù)。Stratasys亞太及日本地區(qū)總經(jīng)理喬納森?加戈隆（Jonathan Jaglom）就指出，“你需要在取得的價值和成本之間進行一個評估。”
比如工業(yè)級市場上，如果需要200個零部件，傳統(tǒng)生產(chǎn)公司制造模具成本就達到50萬美元，如果采用3D打印成本將很大程度降低。不過，如果生產(chǎn)規(guī)模很大，“比如說100多萬件，使用傳統(tǒng)工藝就更為劃算。”喬納森?加戈隆說。
“我們的工業(yè)化沒有完成，導(dǎo)致我們的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)落后，人才落后，科技水平落后。”依據(jù)羅軍的介紹，美國企業(yè)和科研單位每年投入不少于3000萬美元，而我國的整體研究投入不超過1000萬美元。“沒有投入就沒有產(chǎn)出，這是基本規(guī)律。”
不過，“近日這批專利的到期有望在一定程度改變現(xiàn)在的局面。”上述3D打印行業(yè)人士告訴本刊記者。在他看來，3D Systems等打印巨頭都處于暴利模式，一旦這些專利失去保護，國內(nèi)企業(yè)就能做出價格低得多的機器。”
相比工業(yè)級應(yīng)用，他更看好國內(nèi)3D 打印的消費級應(yīng)用。“工業(yè)級應(yīng)用更加偏向于價值經(jīng)濟，傳統(tǒng)制造優(yōu)勢明顯，3D 打印難以施展用武之地。消費級應(yīng)用往往具備體驗經(jīng)濟和長尾市場屬性的特點，在中國龐大市場的背景下更容易形成規(guī)模市場。”
盡管如此，國外3D打印企業(yè)仍對中國市場充滿信心。比利時Materialise公司認為，“讓業(yè)界轉(zhuǎn)變思維慣性，更多地以使用3D打印而非‘開模具、批量生產(chǎn)’的傳統(tǒng)方式解決問題，對于3D打印在中國的普及至關(guān)重要。”Stratasys的信心則體現(xiàn)在行動上。他們告訴本刊記者，公司在中國的首要目標(biāo)是“培育市場”。為此，它們已經(jīng)在上海成立分公司――這是3D打印領(lǐng)域第一家在中國成立分公司的國外企業(yè)，并在北京成立了辦公室。此外，還將全球首款彩色3D打印機的會放在了中國。