3D打印技术现状及发展趋势
3D打印（即三维打印、增材制造），也称作快速成型技术（Rapid Prototype），诞生于20世纪80年代后期，是基于材料累加原理的快速成型操作过程，将计算机中的三维模型通过向物品分层添加材料来创造出实物的一种叠层制造技术，具有不受零件复杂程度限制，完全数字化控制等特点，目前已经广泛应用于家电、汽车、工程机械、航天航空、船舶等领域。
3D打印主要分为桌面级和工业级两种。桌面级是3D打印技术的初级阶段和入门阶段，能够很直观地阐述3D打印技术的工艺原理。工业级的3D打印机主要分为快速原型制造和直接产品制造两种。
附表1 3D打印技术主要工艺类型
工艺 | 简介 | 3d打印未来发展方向主要用材 | 开发厂商 |
立体光刻 (SL) | 激光(UV Light)扫描并曝光液态光敏树脂，聚焦光斑处树脂反应固化，然后工作平台至下一深度，保持液面处于焦平面，逐层成型。 | 光敏树脂材料 | 3D Systems |
立体光固成型 | 光敏聚合物喷出后由UV Light按设定程序区域性迅速固化，可直接在前一支撑层上成型，最后将胶状支撑材料清洗除去；适合制作复杂结构。精度可达0.16 micron/layer | 光敏聚合物 | Object Geometries |
PVC塑料烫印复膜 | 切割刀根据横截面数据逐层切割并以此堆叠，最后拨除冗的PVC材料；机器价格与制作成本相对较低 | PVC | Solido |
熔融挤出成型(FDM) | 喷头延零件截面轮廓与填充轨迹运动（CAD控制路径），挤出熔化材料并迅速固化；逐层成型，后层需前层支撑与定位。可用PC/ABS等高强度材料直接铸造零件 | ABS工程塑料、石蜡 | Stratasys |
三维喷绘打印（3DP） | 软件将3D CAD文件分割为薄截面 片，截面处铺上粉末，以喷墨方式 涂上连接体，逐层打印形成三维模 型。 | 高性能复合材料(高强打印粉) | Z Corporation |
数字光处理（DLP） | 对光固化性ABS树脂表面进行曝光，每层曝光仅数秒，比激光扫描方式快 | 光固化性ABS类 树脂 | envisionTEC & Z Corporation |
附图1 3D打印制造典型流程
一、3D打印技术及应用产业发展概述
20 世纪 70 年代末到 80 年代初期，1990年前后开发了第一台商业机型LOM-1015。自从上世纪80年代中期 SLA 成型技术发展以来到 90 年代后期，出现了十几种不同的快速成型技术，
除前述几种外，典型的还有 3DP、SDM、SGC等。其中，SLA、LOM、SLS和FDM四种技术，目前仍然是3D打印技术的主流。
全球3D打印设备及服务市场规模增长迅猛。全球3D打印设备销售在2007年就已达到4930台，到2010年全球市场规模达13.25亿美元，其中服务收入6.51亿美元，预计到2015年全球市场规模将超过30亿美元。美国一直是3D打印设备的主要保有区域，2010年美国保有量占比38.3%，中国约占8.6%，比2007 年上升了2.1个百分点。
附图2,3 2010年全球3D打印设备及服务的市场规模与各地区比重
3D打印技术应用领域正逐步拓展，市场空间广阔。过去几年里，快速制造技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了广泛应用，对改善制造业
的产品设计和制造水平起到了巨大作用，在工程和教学研究等应用领域也占有了独特地位。通常应用在产品试制和试验阶段，比如功能检测和装配检测等环节应用较多。目前3D打印技术在航空器和医学及牙科领域的应用增速最快，2009至2011年的3年间，应用于航空器制造领域的设备市场份额由9.9%上升到了12.1%，医学和牙科的市场份额由13.6%上升到了15.1%。此外，在个人消费领域，3D打印技术让消费者在家里就能直接制作出想要的衣服、首饰、装饰品、玩具、乐器、自行车甚至食品。如同电脑从学院、实验室进入到家庭一样，3D打印技术也逐步改变所有人的生活。和任何其他技术类似，3D打印机迅速地变得越来越便宜，功能却越来越强大。三维打印技术，现在已经处在了人人都用得起的临界点。在美国，5年前一台标准的3D打印机的价格是25000-50000美元，而近期3D Systems和Autodesk推出了1500美元左右的个人用产品，最简单的3D打印机的价格甚至已经达到了800美元
附图3 4 2010年全球3D打印的市场应用领域（左）与功能应用（右）分类
附图5 3D打印应用实例 从左至右分别是：自行车、建筑模型、复杂结构件模型
当前以美国为代表的发达国家高度重视3D打印技术的发展。近年来奥巴马政府视人工智能、3D 打印、机器人为重振美国制造业的三大支柱，其中3D 打印是第一个得到政府扶持的产业。2012年8月美国国防部、能源部和商务部等5 家政府部门宣布共同出资4500 万美元，首笔资金为3000 万美元，由俄亥俄州、宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州的企业、学校和非营利性组织组成的联合团体出资4000 万美元，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，加强研发3D 打印技术。目前全球有两家3D 打印机制造巨头，分别Stratasys 和3D Systems，均在美国纳斯达克上市，2011 年营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元。
附表2 美国主要快速成型制造技术发展沿革
名称 | 简称 | 发展时期 | 发起公司 |
立体光固成型 | SL | 1986-1988 | 由美国3D System公司1988年开发商业化。 |
选择性激光烧结 | SLS | 1987-1992 | 由美国DTM公司1992年开发商业化，已经被3D System公司收购。 |
熔丝沉积造型 | FDM | 1988-1991 | 由美国 S. Scott Crump公司1990年开发出来。 |
三维喷绘打印 | 3DP | 1985-1997 | 由美国Soligen公司1989年开发出来。目前的知名公司是美国的Z Corporation以及以列的Objet公司。 |
3D打印技术在过去数十年里取得了重大进展，但有关材料、设备和应用的技术挑战依然存在，具体有以下几个方面：
1 材料特性。在3D打印技术能够完全过渡到提供切实可行的制造解决方案之前，需要为材料提供力学性能数据的规范性标准，也需要更详细的由这些材料性能制成零部件的规范信息。在没有充分认识材料属性之前，是无法进行相应零部件设计的。目前，世界各国已经研发了很多3D打印技术材料，因此，建立全面的规范标准需要整合研究机构以及系统与材料制造商。
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