北京市景山学校远洋分校
研究性学习课程
结题报告
课题名称3D打印技术在生活与教学中的运用
课题组组长姜璇
指导教师曹宁
管理教师曹宁
研究领域3D打印
2015年2月
目录
1、研究背景 (1)
2、研究目的 (1)
2.1发展3D打印的意义 (1)
2.2 3D打印的类型 (2)
3、研究方法 (6)
3.1调查问卷 (6)
4、研究内容………………………………………………………
4.1 3D打印技术的现状……………………………………
4.1.1 人们对3D打印的认识……………………………………
4.1.2 3D打印的成本与制做……………………………………
4.1.3 3D打印的应用范围………………………………………………
4.1.4 3D打印的优势劣势………………………………………………
4.2 3D打印的产品使用效果………………………………………………
4.3 3D打印技术的发展前景………………………………………………
3D打印技术
摘要
3D打印机这个名称是近年该产品来针对民用市场而出现的一个新词，其实在专业领域他有另一个名称“快速成形技术”，即利用三维CAD的数据，用激光熔融的方法将材料逐层堆积得到实体原型。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、车，航空航天、牙科和医疗产业、教育等方面均得到了广泛运用。我们6人小组对3D打印技术在生活中和教学中的应用进行了研究。通过发放调查问卷，了解了当前日常社会中对3D 打印的了解，知道了3D打印技术施行的方法，懂得了3D打印技术在生活中、教学中的便利，研发了在生活和教学中可以利用此项技术的提供方便的商品。
关键词：3D打印便利生活快速成形技术
1、研究背景
3D打印技术是指由计算机辅助设计模型（CAD）直接驱动的，运用金属、塑料、陶瓷、树脂、蜡、纸、砂等材料，在快速成形设备里分层制造任何复杂形状的物理实体的技术。基本流程是，先用计算机软件设计三维模型，然后把三维数字模型离散为面、线和点，再通过3D打印设备分层堆积，最后变成一个三维的实物。3D打印技术在如今的生活中得到广泛利用，此项技术也走进普通百姓的家中。3D打印技术也变得更加服务百姓。生活中、教学中总会有些不便，例如：塑料袋在承担重物时会过于勒手，一些由于缺少一个小小的零件就无法正常工作的机械，某些课程中由于需要要进行试验却没有试验仪器……此研究性学习是基于3D打印技术的基础上，研发在生活和教学中可以利用此项技术的提供方便的商品。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
2、研究目的
2.1发展3D打印的意义
全球工业正在经历第三次工业革命，与以往不同，本次革命对制造业的发展也会带来巨大影响，其中一类最重要的新技术就是快速成型技术。今天的3D技术，主要特指基于电和互联网的数字化立体技术，是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置，把计算机
上蓝图变成实物，在成本、速度和精确度上都远胜于传统制造技术，其工作原理是将一项设计物品转化为3D数据，然后采用分层加工、叠加成形，即通过逐层增加材料来“打印”成3D实体。与传统的材料加工技术完全不同，3D打印具有仿真性强、速度快，价格便宜，高易用性等优点，是对传统制造业的颠覆性变革。有人甚至将3D打印机看成是第三次工业革命的影子，与蒸汽机和电力相提并论。
发展3D打印产业，可以在提升我国工业领域的产品开发水平的同时有助于攻克技术难关，并且易形成新的经济增长点，促进就业。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、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，推动我国由“工业大国”向“工业强国”的转变。
发展3D打印产业，可以提升我国工业领域的产品开发水平，提高工业设计能力传统的工业产品开发方法，往往是先开磨具，然后再做出样品，而运用3D打印技术，无需开磨具，可以把制造时间降低为以前的1/10到1/5，费用降低到1/3以下。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，短时间内制造出来，从而极大地促进了产品的创新设计，有效克服我国工业设计能力薄弱的问题。
发展3D打印产业，可以生产出复杂、特殊、个性化产品，有助于攻克技术难关3D
打印可以为基础科学技术的研究提供重要的技术支持。在航天、航空、大型武器等装备制造业，零部件种类多、性能要求高，需要进行反复测试。运用3D打印，除了在研制速度上具有优势外，还可以直接加工出特殊、复杂的形状，简化装备的结构设计，化解技术难题，实现关键性能的赶超。
发展3D打印产业，可以形成新的经济增长点，促进就业随着3D打印的普及，“大批量的个性化定制”将成为重要的生产模式。3D打印与现代服务业的紧密结合，将衍生出新的细分产业、新的商业模式，创造出新的经济增长点。如自主创业者可以通过购置或者租赁低成本的3D打印设备（一些3D打印设备已低于1万元），利用电子商务等平台提供服务，为大量消费者定制生活用品、文体器具、工艺装饰品等各类中小产品，激发个性化需求，形成一个数百亿甚至数千亿元规模的文化创意制造产业，并增加社会就业。
鉴于这一技术的现有的发展成果及其广阔的发展前景，我们确立了我们的课题，即针对这一技术做出相对较为深入的研究，通过对这一技术的了解，学习掌握相关知识。我们试图通过对3D打印技术的研究，全方位的认识，理解这种技术。初步掌握与3D打印有关
的理论知识在这个基础上，我们可以对比国内外的研究成果，指出国内3D 打印研究的不足并提出建议，预测3D 打印技术的未来发展方向。
2.2 3D 打印的类型
3、研究方法
3.1调查问卷
4、研究内容
4.1 3D 打印技术的现状
4.1.1人们对3D 打印的认识 通过调查问卷，显示出大家通过电视与网络对3D 打印技术都有一定了解。但是，人们都普遍表示3D 打印的生活中的用处小，甚至表示除非专业学科没有应用的必要。此
类型
累积技术 基本材料 挤压
熔融沉积式 (FDM ） 热塑型材料，共晶系统金属、可食用材料 线 电子束自由成形制造(EBF)
几乎任何合金 粒状 直接金属激光烧结（DMLS ） 几乎任何合金
电子束熔化成型（EBM ） 钛合金 选择性激光熔化成型(SLM)
钛合金，钴铬合金，不锈钢，铝 选择性热烧结（SHS ）
热塑性粉末 选择性激光烧结（SLS ）
热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末 粉末层喷头3D 打印
石膏3D 打印 (PP) 石膏 层压
分层实体制造（LOM ） 纸、金属膜、塑料薄膜 光聚合 立体平板印刷（SLA ）
光硬化树脂 数字光处理 (DLP) 光硬化树脂[6]
外大家也都表示3D打印的花费较高，而且打印时间很慢，就算是有使用需要也会稍作考虑。
4.1.2 3D打印的成本与制作
3D打印制作过程简单快速，无需刀具、模具及复杂工艺，只需设计出三维模型，把零件的三维数据输入电脑，便可以直接打印整体成型。并且，由于不需要生产线，所以3D打印降低了生产成本，也极大地减少了材料的浪费。同时，他还能够制造特殊形状、难加工的物品，而传统方法却很难做到。有对比才有差距，与手工或是批量生产相比，不论是成本还是生产效率都是3D打印更胜一筹。
我们的研究小组也使用3D打印技术制作了戒指与购物袋挂钩。
制作戒指比较简单，研究小组内每个人都做了一个戒指并用3D打印机打印出来，也发现了3D打印的不足。3D打印机在打印时，物品悬空的地方需要有材料支撑，若是戒指比较薄或者细的话，就容易在拆卸材料支撑时把戒指弄断。而且与想象中的成品相比美观度还有很大差距。有了打印戒指的经验，在设计购物袋挂钩时就着力避免过薄、易断的部分，打印出成品以后比较满意，尝试可以使用。
图1:小组成员合照
图2:观看打印过程图3:上课
图4:挑选方案
图5:挑选方案
4.1.3 3D打印的应用范围
根据2013版的Wohlers显示，2013年全球3D打印市场规模约40亿美元，相比2012年几乎翻了一番。其大体分布概况是欧洲约10亿美元，美国约15亿美元，中国所占份额约3亿美元。面向工业的3D打印机设置台数按国家进行统计的话，美国占38%，位居第一，其次是日本占9.7%，第三位德国占9.4%，第四位中国占8.7%。
近年来，3D打印市场高速发展，个人3D打印市场也已开启。根据市场研究机构Frost&Sullivan发布的《2012年全球3D打印市场研究报告》显示，从1994年到2011年，全球3D打印机市场规模一直保持高速增长态势，复合增长率达到了17.6%。2011年全球个人3D打印设备销售量呈现爆发式增长，销售量从5987台猛增至23265台，增幅接近300%，大幅超过商用3D打印设备增速。
就企业实力来看，目前欧美较具规模的3D打印企业的年销售收入一般都在10亿元人民币左右，而国内目前仍没有一家企业收入过亿，甚至超过5000万元的企业都寥寥无几。目前，我国3D打印行业整体上发展不错，设备、材料、软件等核心领域都能够不同程度实
现自给，特别是在航天航空、医疗、建筑、运动、娱乐、汽车和个性化定制等行业。在医疗中，科学家已经利用3D打印机制造出骨骼、皮肤、肌肉和血管片段等简单的活体组织。但是，缺乏龙头企业、核心技术、成熟的商业模式，以及市场广泛应用和政策资金扶持。激光器、软件、材料等核心技术还依赖进口。
从百姓生活中来看3D打印技术逐渐走出专业领域，进入普通人民的生活，虽然并未普及但是也已经出现很多3D打印店了
4.1.43D打印的优势劣势
作为一种新兴的制造技术，3D打印技术有着其他任何制造技术无法媲美的优势，以下只列
举其中几条：
优势1：制造复杂物品不增加成本
就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3D打印机而言，制造形状复杂的物品成本不增加，制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，并改变我们计算制造
成本的方式。
优势2：产品多样化不增加成本一台3D
打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。传统的
制造设备功能较少，做出的形状种类有限。3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。
优势3：无须组装3D
打印能使部件一体化成型。传统的大规模生产建立在组装线基础上，在现代工厂，机器
生产出相同的零部件，然后由机器人或工人（甚至跨洲）组装。产品组成部件越多，组装耗
费的时间和成本就越多。3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装。省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短，染也越少。
优势4：零时间交付
3D打印机可以按需打印。即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求，所以新的商业模式将成为可能。如果人们
所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。
优势5：减少废弃副产品与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。传统金属加工的浪费量惊人，90%的金属原材料被丢弃在工厂车间里。3D打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。
当然，作为一种尚不成熟的技术，3D打印技术也不可避免得存在着诸多弊端：
劣势1：材料的限制虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持我们在日常生活中所接触到的各种各样的材料。:研究者们在多材料打印上已经取得了一定的进展，但除非这些进展达到成熟并有效，否则材料依然会是3D打印的一大障碍。
劣势2：机器的限制3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平，几乎任何静态的形状都可以被打印出来，但是那些运动的物体和它们的清晰度就难以实现了。这个困难对于制造商来说也许是可以解决的，但是3D
打印技术想要进入普通家庭，每个人都能随意打印想要的东西，那么机器的限制就必须得到解决才行。
劣势3：知识产权的忧虑
在过去的几十年里，音乐、电影和电视产业中对知识产权的关注变得越来越多。
3D打印技术也会涉及到这一问题，因为现实中的很多东西都会得到更加广泛的传播。人们可以随意复制任何东西，并且数量不限。如何制定3D打印的法律法规用来保护知识产权，也是我们面临的问题之一，否则就会出现泛滥的现象。
劣势4：道德的挑战
道德是底线。什么样的东西会违反道德规律是很难界定的，如果有人打印出生物器官和活体组织，在不久的将来会遇到极大的道德挑战。
劣势5：花费的承担
3D打印技术需要承担的花费是高昂的。第一台3D打印机的售价为1万5。如果想要普及到大众，降价是必须的，但又会与成本形成冲突。
4.2 3D打印的产品使用效果
从问卷调查的结果来看，对于3D打印戒指的美观程度普遍存在着不满意的现象。主要在于材料的光泽成都不如金属材料，并且由于3D打印机精细程度不够，打印出的成品细节有些粗糙，不够精致。由于戒指较小，所有非常容易折断损坏。3D打印购物挂钩的使用效果非常良好，通过测验，购物挂钩可以承受至少20公斤的力量不损坏不折断。并且小巧方便，相对于较小的戒指，较大的购物袋挂钩显得更为美观。由于设计的巧妙，购物袋挂钩可同时承受多个购物袋，较为方便。通过实验证明，购物挂钩减轻了购物袋勒手的现象，在人们生活中起到了便利生活的作用。
4.3 3D打印技术的发展前景
首先，在国际市场中，根据2013版的Wohlers显示，2013年全球3D打印市场规模约40亿美元，2012年全球3D打印产业整体的销售规模达到22.04亿美元。2010-2012年三年的年复合增长率达27%。该机构预计2017年则将进一步上升至50亿美元，并且此后整个市场将维持近20%增长率。预计至2021年，3D打印市场规模将达到近110亿美元。
其次，在我国市场中，虽然我国3D打印技术尚处于初期发展阶段，但2013年我国产值20亿元。世界3D打印技术产业联盟秘书长、中国3D打印技术产业联盟执行理事长罗军表示：现在还是3D打印技术的起步阶段、产业化的初级阶段。未来3-5年将是3D打印技术最为关键的发展机遇期，如果推进顺利，2014年同比翻一番没有大问题，而2015年达到80-100亿，到2016年产值将达百亿元人民币。
影响我国3D打印进一步产业化推广的问题主要可以总结为以下几点。第一，我国尚没对3D打印行业建立统一的共性标准。由于使用3D打印技术制造产品的特点为小批量，个性化，这就凸显行业共性标准的决定性意义。而国内目前整个行业尚处于一个整合度较
低，比较无序的阶段。这大大制约了3D打印在国内的大规模商业化进程；第二，3D打印原材料供给不足已成为制约其在我国发展的障碍之一。由于增材制造技术的特殊性，耗材在整个制造过程中起到了决定性的作用。而我国3D打印耗材主要依赖于国外进口，尤其是金属材料。过高的材料成本可能成为阻碍发展的原因之一；国内机械制造产业链相对比较成熟，偏低的传统制造成本，会大大降低3D打印技术的性价比。在一定程度上削弱市场对此技术的重视程度。
国内许多企业也致力于3D打印设备的研发与制造之中。如陕西恒通于1997年研制并销售国内第一台光固化快速成型机，且如今公司已经推出售价不到7000元的个人3D打印机；北京隆源在公司设立当年便成功研制了中国第一台SLS技术的快速成型设备；盈普光电于2007年成功研制出国内首台直接制造塑胶零件的激光烧结成型3D打印系统。
最后，在生活中，从调查问卷的结果来看，很多人都对3D打印表示很期待，尤其是对于自己可以亲自设计，亲自制作一些小的物品或是零件抱有高度期望。此外，大家也表示希望3D打印在普及化以后，可以指定一个更加合理的价格，提升性价比，让人们觉得打印一次比较值得。
最近，英国一项新的发明3D打印净水器的成本只需1美元，就可以让人们随时可以喝到纯净的饮用水。以此为例，可见3D打印的成本确实不高，而且实用性也很高。