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1、发明创新设计与实践课程结课论文 发明创新设计与实践 结 课 作 业 姓名：* 学号：* 编号：691.问题：中国3D打印技术的发展前景已够完美？2.描述：近年来，3D打印技术作为一项前沿性的先进制造技术，逐渐成为热门词汇。据世界3D打印技术产业联盟秘书长罗军介绍，从上世纪80年代开始，3D打印技术走过了30年的历程，在技术研发和生产方面已初具规模，同时也逐步打开了市场。3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加

2、工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品相比，3D打印大大降低了制造的复杂度。美国时代周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”，英国经济学人则认为其将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。世界3D打印技术产业联盟的数据显示，2012年，世界3D打印业的产值是120亿130亿元，国内约为10亿元；2013年，世界3D打印业产值30多亿美元，国内3亿美元；今年全球规模有望突破60亿美元，国内产值达6亿美元。预计2016年，全球规模将突破100亿美元，国内100亿元。2020年前，3D打印技术将全面实现产业化。与会专家普遍认为，3D打印虽不能替代传统制造业，却是传统制造业的有益补

3、充。中国早已成为全球制造业第一大国，但制造业长期积累的深层次矛盾日益突出。3D打印被誉为开启第三次工业革命的重要组成部分，是高端制造业实现的手段之一。3D打印技术的不断成熟，能够推进中国产业结构调整的步伐，提升制造业水平。目前，3D打印技术已在工业设计、模具制造等诸多领域得到广泛应用，也正朝着消费品制造、功能零部件制造、组织与结构一体化制造等领域加速发展，展现出广阔的应用前景。3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，可以有效地大幅降低产品原型成本，缩短周期。此外，3D打印能够帮助企业更好、更快的生产结构复杂的产品，能够提升产品价值并实现整体成本的下降。3.国内外研究情况及发展情况分析

4、一国外3D 打印技术的产业化应用现状美国、德国等发达国家高度重视并积极推广3D打印技术。2012年8月，美国总统奥巴马拨款3000万美元，在俄亥俄州建立了国家级3D打印工业研究中心，并计划第一步投入5亿美元用于3D打印技术的研发。德国联邦教研部（BMBF）早在20年前针对3D打印技术提出长期的发展计划，2011年5月推出的“德国光子学研究”计划也涉及到对3D打印技术研究的资助支持，柏林工业大学3D实验室在3D技术的研究应用方面也取得了一系列的显著成绩。（一）国外3D打印机产业化发展现状 在全球3D 打印机行业中美国3D Systems、Stratasys 两家公司的产品占据了绝大多数的市场份额

5、。在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的FabHome、Shapeways，英国的Reprap等。3D Systems 公司是全世界最大的快速成型设备开发公司，于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D 打印领域的龙头地位。Stratasys 公司2010 年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机，2012年4月又与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。在美国，这个领

6、域已经开始吸引风险资本的注意，在打印了超过100万件3D物体之后，3D打印公司Shapeways 获得了620万美元的风险投资。（二）国外3D打印技术产业应用现状 与传统制造技术相比，3D 打印具有制造成本低、生产周期短等明显优势，是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”，英国经济学人杂志认为3D 打印技术“与其他数字化生产模式一起，推动实现第三次工业革命”。美国时代周刊将其列为“ 美国十大增长最快的工业”。目前，3D打印技术已广泛应用于工业设计、艺术创作、珠宝、建筑、服装、生物工程等多领域。在制造工业中，点击鼠标取代了锤子、钉子和工人，创意和智慧取代了劳动力成本，因此成为许多商品制造商的关注

7、重点。有专家认为3D打印技术正在重塑全球制造业竞争格局。在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另一3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。2009年以来，3D打印市场在北美和欧洲急剧增长。根据Stratasys 公司2011年财务报告，其八成左右的收入即来源于欧美市场。国际快速制造行业

8、权威报告Wohlers Report 2011发布的调查结果显示，全球3D打印产业产值在1988年到2010年间保持着26.2%的年均增长速度。报告预期，到2016年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元，将会成为下一个具有宽广前景的朝阳产业。（三）3D打印技术未来产业化发展趋势 随着科技的迅猛发展，各行各业在学科和技术中的交叉融合日益凸显，而3D打印技术能够超越众多的行业领域和应用技术，这正是其潜力令人瞩目的原因。航空航天、汽车制造、医疗和消费类产品等行业的发展推动3D打印技术的进步，而这些行业大量的研究和投入又会推动3D打印技术达到新的高度。军用、

9、牙科、珠宝、游戏模型、建筑、家具、玩具等其他行业，在3D打印技术产业化应用中也将扮演重要角色。1.航空航天：航空航天界希望获得重量轻、强度高、甚至可以导电的部件。据美国一家军用飞机制造公司介绍，该公司的军用飞机可能将有1400种零部件采用3D打印技术来生产。有关专家认为3D打印生产的各种金属部件将在2-3年内开始用在飞机上，10年之后将普及使用。不仅是飞行器，包括喷气动力船、路基发电机都蕴含着3D打印技术的发展机遇。2.军事：美国许多军用产品均为高价值的复杂产品，且生产数量相对较少，其中有一些是定制的，需要持续更换零件，如无人驾驶飞行器、士兵轻型装备和盔甲、地面机器人及传统零部件等，这些都将最

10、有机会转换为由3D打印制造。3.电子产品：美国桑迪亚国家实验室和德克萨斯大学埃尔帕索分校制造的3D打印电路已经证明可以实现传统印刷电路板的类似功能。这种环绕在电子产品外围的3D电路结构，有助于实现设计产品的最佳造型。4.生物医疗：目前，两家意大利的公司已经采用3D制造技术生产了超过10000个金属髋关节植入物，其中大部分已成功植入人体。使用3D打印技术生产的牙科产品市场以爆炸性的速度急速增长，很多牙科实验室使用来自德国的3D打印公司EOS生产的牙冠和牙桥顶盖。5.汽车和摩托车：3D打印制造技术在车辆零部件的生产领域中有着广阔的应用空间。由于高端的专业级汽车生产数量相对较少，因此，其产品的零部件

11、可以采用3D打印制造技术进行生产。同样，包括汽车和摩托车竞赛项目在内的赛车行业将及大地受益于3D打印的个性化设计。6.游戏模型：在风靡世界的电脑游戏中，成千上万的模型产品均可采用3D打印技术进行生产，相信在未来，视频游戏可以推动3D打印技术快速发展。7.玩具：预计不久的将来会出现专为儿童设计的消费类3D打印机。到时很多网站会提供无限量的生物、人物、机器零部件等三维模型，孩子们可以根据自己的意愿和想象进行设计和修改，制作3D数字化的发明实物。8.教育：预计在未来10-12年内，学校将普遍开设一些有关3D打印的课程，包括讲解如何利用3D打印技术设计生产零部件，研究机构也会研究开发新的产品设计方法等

12、。三.国外3D打印技术产业化的先进经验和启示 近二十年来，3D打印技术已发展成为在功能上切实可行、在技术上更加先进的一种替代方法。特别是对一些使用传统方法难以加工的材料且功能复杂的产品制造，怎样让这些独特的优点应用于产业化中却并不是一件轻而易举的事情，现总结国外3D打印技术产业化中的先进经验，希望对我国及广东3D打印制造产业化发展有所启发。(一) 从国家层面加强重视，做好3D打印制造技术产业化发展的顶层设计和统筹规划。1998年，美国国家制造科学中心（NCMS）完成了侧重于3D打印技术产业化应用的路线图，2009年再次探讨制定未来10-12年内3D打印技术在相关领域的路线图。力促企业、学术界以

13、及政府机构中的权威专家资源网络化，实现协同增效，为3D打印技术的产业化制定全面、系统的近期与中期研究规划。建议我国政府部门也应建立协同推进机制，制定3D打印制造技术路线图和中长期发展战略，明确这一产业的阶段目标、技术路线、重点任务和政策措施，为我国3D打印制造产业化发展做好顶层设计和统筹规划，推动产业的可持续健康发展。(二) 建立用于研究和教育的公共平台基地，为3D打印的研发和应用示范做好配套保障。由于目前的3D打印机器设备价格高昂，有关专家建议成立一个国家实验平台中心，保证每台设备的充分利用。2012年8月，美国政府宣布，将在俄亥俄州建立一所由政府部门和私营部门共同出资的制造业创新研究所研发

14、3D打印技术。美国国防部、能源部等5家政府部门将共同出资4500万美元；俄亥俄州等三州的企业、学校和非营利性组织组成的联合团体将出资4000万美元。通过建立这样的创新研究所有助于联合高校、企业和政府部门的力量投资于发展尖端科技和培养制造业技能，推进产业化发展。建议国内也应加大对3D打印制造技术的研发和产业化支持力度，建立相关的应用示范基地。(三) 为促进3D打印技术的推广应用，建立相关的技术标准。 随着3D打印产业化应用日臻成熟，可重复的系统将会越来越多，健全的标准对未来3D打印技术的发展具有重要意义。具体而言，符合国际公认标准的产品、工艺与材料认证将会极大地促进3D打印技术的推广应用。近期，

15、美国试验材料学会F42标委会已确立建立3D打印制造技术标准，该计划得到了全体3D打印制造技术同行的大力支持。（四) 通过加大对与3D打印相关的材料研究来推动产业化发展。设备、软件、材料是发展3D打印产业化不可或缺的关键环节，现在业界主要研究的是设备和软件，而材料和维护成本被视作推广3D打印技术的一大障碍。加强对智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等方面的研究与应用已成国外很多研发单位的重点关注内容。如美国国防部高级研究计划局（DARPA）针对材料的定向组装制定纳米制造规则，同时建立第三方的检验和改进材料协会验证材料的可行性来提高公众认可度。(五) 加强3D打印技术的宣传，向普

16、通群众普及3D打印技术应用方面的知识，为其产业化发展营造良好的社会舆论环境。 3D打印技术的应用对于推动环境友好型、经济有利型社会的建设和可持续发展具有重要意义。通过对群众普及知识，有助于形成一股社会“拉力”，有利于3D打印技术的应用与发展。目前美国已通过博物馆展览、影视广告植入、新产品创意广告等方式来宣传3D打印技术。(六) 教育将成为推动3D打印技术在高校以及行业领域中应用的一个关键因素。 如果对3D打印技术没有深入的了解，人们对这一技术的接受将会是一个缓慢的过程。良好的教育和宣传将会打破偏见陈规，大幅度地推广3D打印技术的使用。通过在本科与研究生层次开设相关课程，并编写教学材料以及制定课

17、程规划；向行业从业人员开发培训课程，可颁发专业学术团体或机构（如美国制造工程师学会、美国机械工程师学会等）授予的毕业证书，向管理层或其他非技术人员推广相关知识。二国内3D打印技术的现状与发展 随着工业现代化的不断发展，传统的加工工艺已无法满足现代工业部件的加工需求，许多异形结构利用传统加工（包括五轴加工中心）很难加工或根本不能加工。随即3D打印机应运而生3D打印机看似复杂，却很简单，也许你会为它神奇的能力而震撼，也许你会为它的高科技而惊呆，其实从1916年爱因斯坦提出激光原理时，已经为1986年第一台3D打印机的出现奠定了坚实的理论基础。说起3D打印机的原理其实一点也不复杂。3D打印就是断层激

18、光扫描烧结的逆过程，断层扫描就是把某个三位模型“切”成无数叠加的片；3D打印就是一片一片的打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。其优势就是在于传统的加工方法是利用去除材料进行加工，而3D打印则是增加材料进行加工。这样与传统加工方式相比，3D打印机生产有材料利用率高，加工成型速度快，时间短，成型产品密度更均匀等优势，其中最大的优势在于不再受制于产品结构，只要设计师能想出的结构，3D打印机都能帮他实现。传统的工业产品开发，往往是先开模具，然后再做手板，而运用3D打印技术，无需开模，可以把制造时间减少，费用降低，对成本更好的控制。而一些好的设计理念，无论其结构和工艺多么复杂，均可利用3D打印技术，

19、短时间内制造出来，从而极大地促进了产品的创新设计，有效改善工业设计能力薄弱的问题。3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术，至少包括以下方面：信息技术：要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并且根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向。精密机械：3D打印以“每层的叠加”为加工方式。要生产高精度的产品，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求。材料科学：用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。3D打印机的应用领域及其广泛，从寻常百姓家的锅碗瓢盆，到关系到国家安全的国防事业，几

20、乎各种领域都可以有他的身影。他的应用对象可以是任何行业，只需要这些行业提供3D数据模型或原型，3D打印机均可以加工。其中这些行业中对3D打印机需求较大的包括政府、航空航天、医疗设备、高科技研发、教育业以及制造业。医疗行业：从2010年美国成功打印活体器官开始，似乎直接打印人体也并不是不可能，它更类似于克隆技术，他打印出来的活体器官不会与患者排斥。他还可以打印骨骼、牙齿等。我们可以预计在将来3D打印机的发展中，在医疗方面会引入一个全新的人体植入概念，让更多的患者看到希望。产品研发：我们可以利用3D打印技术快速制造手板模型，这样不但保留原有结构的特征，同时还可以做比例缩减，缩短加工时间短，降低生产

21、成本，减少产品改良时间，更适合产品研究开发。建筑设计：在建筑业，工程师和设计师们已经开始使用3D打印机打印建筑模型，这种方法快速、低成本、环保，同时制作精美。完全符合设计者的要求，切有节省大量的材料和时间。食品产业：没错，就是“打印”食品。研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然，到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。、汽车制造业：不是说你的车是3D打印机打印出来的（当然或许有一天这也有可能），而是说汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。配件、饰品：这是最广阔

22、的一个市场。在未来不管是你的个性笔筒，还是有你半身浮雕的手机外壳，抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指，都有可能是通过3D打印机打印出来的。甚至不用等到未来，现在就可以实现。3D技术的国内发展现状 国内3D打印技术近几年刚开始发展，企业开始了解这种加工方式但不认可，一方面是由于企业不能摆脱传统制造业的思维方式，另一方面则是由于加工成本过高，部件不宜利用3D打印机进行批量生产。而且国内打印机的发展还有以下缺陷1.缺乏教育培训和社会推广目前，企业购置3D打印设备的数量非常有限，应用范围狭窄。更有一切企业根本不知道3D打印是什么样的东西。而在教育教学方面，机械、材料、信息技术等工程学科的教学课程

23、体系中，缺乏与3D打印相关的必修环节，3D打印停留在部分学生的课外兴趣研究层面。得不到深入研究。2企业对技术研发投入不足我国虽已有几家企业能自主制造3D打印设备，但企业规模普遍较小，研发力量不足。在加工流程稳定性、工件支撑材料生成和处理、部分特种材料的制备技术等诸多具体环节，存在较大缺陷，难以完全满足产品制造的需求。3产业链缺乏统筹发展3D打印行业的发展需要完善的供应商和服务商体系、市场平台。供应商和服务商体系中，包含工业设计机构、3D数字化技术提供商、3D打印机及耗材提供商、3D打印设备经销商、3D打印服务商。市场平台包含第三方检测验证支持、金融支持、电子商务、知识产权保护等支持。而目前国内

24、的3D打印企业还处于“单打独斗”的初步发展阶段，产业整合度较低，主导的技术标准、开发平台尚未确立，技术研发和推广应用还处于无序状态。而在国外特别是美国，3D打印技术要比在国内发展早，企业早已熟知这种可能对世界加工制造业带来革命的新技术。所以相较于国内，美国对3D打印技术的研发生产投资都远远胜于我国。当前，全球正在兴起新一轮数字化制造浪潮。发达国家面对近年来制造业竞争力的下降，大力倡导“再工业化、再制造化”战略，提出智能机器人（300024）、人工智能、3D打印是实现数字化制造的关键技术，并希望通过这三大数字化制造技术的突破，巩固和提升制造业的主导权，加快3D打印产业发展，可推动我国由“工业大国

25、”向“工业强国”的转变。3D打印的未来英国经济学人杂志在第三次工业革命一文中，将“3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一”，这充分可以看出3D打印机将来不是要取代某一个制造业，而是要取代几乎所有的制造业。未来你想要什么，只需下载图纸，按一下打印键，就可以去喝咖啡听音乐了，剩下的所有事，请统统交给打印机。未来的3D打印我们可以做什么？也许我们的房屋不在是人工建造的而是用3D打印机打印一个，我们不会受食物的匮乏而限制，想吃什么自己打；家里的常用物品不在需要购买，需要杯子自己打印一个，可以看出，3D打印会在将来给我们带来的便捷之处。3D打印机的未来或将无所不能，只需要一个想法，一些材料，一台3

26、D打印机，就能将脑中的一切转变为实体高新区3D打印技术的发展设想和对策采取财税金融政策上积极支持、积极引导建立行业协会，鼓励研发，加强教育培训等措施，进一步促进3D打印社会化推广。制定数字化制造规划，促进3D产业优先发展建议将3D打印技术定位为生产性服务业、文化创意、工业设计、先进制造、电子商务及制造业信息化工程的关键技术和共性技术，将该产业纳入优先发展产业及产品目录。在财税金融政策上，鼓励企业投资、研发、生产和应用3D打印，支持3D打印设备的进出口。加强产业联盟、行业协会建设，推动3D产业协同发展积极引导工业设计企业、3D数字化技术提供商、3D打印机及材料研发企业和机构、3D打印服务应用提供

27、商组建产业联盟，利用有关学会、协会的平台加强研讨和交流，共同推动3D打印技术研发和行业标准制定。促进3D打印技术发展的市场平台建设，包括3D打印电子商务平台、3D打印数据安全和产权保护机制、3D打印及周边项目投融资机制等，促进产业可持续发展。加大科技扶持力度，提升3D打印技术水平设立专项基金，重点推进数字化技术、软件控制、打印装置、材料技术等关键技术的研发。在研发扶持中，要注意建立公平、公正的研发绩效评估体系，鼓励各研发主体探索不同的技术路径。加强对3D打印产学研合作的支持，特别对实施产业化的企业在市场销售、社会推广上给予政策支持。加强教育培训，促进3D打印社会化推广将3D打印技术纳入相关学科建设体系，培养3D打印技术人才。依靠行业协会、博览会、论坛等组织形式进行3D打印技术和周边应用的培训。在科技馆、文化艺术中心、青少年活动中心等公共机构进行3D打印技术的展示、宣传和推广。发展3D打印服务中心，推广3D打印技术应用，为发展3D打印产业积累应用经验。四技术路线（一）提高3D打印材料的强度 优点：解决打印出来的产品的实用性缺点：技术成本高，实现有一定的难度（二）寻求更多样的3D打印材料 优点：针对打印机对材料也十分挑剔，增加除塑料以外的打印材料，满足产品多样化寻求 缺点：同时可能无法兼顾打印产品的强度和精度要求