時間：2023-10-11 10:08:16
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原本以為打印只可能印在紙張等平面上的，又何來3d打印之說呢?其實，3D打印機跟傳統打印機―樣，是一種連接電腦并把電腦中信息輸出的設備(其工作方式與噴墨打印機也有些許相似)；最大的不同是，3D打印機輸出的是真實的物體模型。因此，人們形象地將其稱為“3D打印”。
3D打印對于普通商務用戶來說用處不大，但在工業設計或3D模型設計等特殊領域都能夠發揮極大的作用。我們知道，一款產品從設計到投產之前會多次修改，而階段性的設計成果通常會被制成模型來確定效果。這時，再好的設計圖紙也不如一個真實的成品模型更有說服力。可惜的是，傳統的模型制作方法成本高昂、耗時耗力且精度不高，因此快速成型技術成為設計行業的迫切需要。3D打印則是其中極具發展潛力的快速成型技術之一。現在，讓我們從3D打印的發展說起，逐漸了解這一方興未艾的新技術，并設想它會給我們帶來什么樣的變化吧。
“快速成型”的迅猛發展催生“3D打印”
雖然在多數人看來3D打印還是一個新生事物，其實在二十年前3D打印設想已開始醞釀。
設計領域許多人都知道3D CAD(3D計算機輔助設計)。從70年代誕生到現在，3D CAD經歷了幾十年的發展，已經成為廣大設計人員的有力工具之一和很多設計領域的重要標準。而快速成型(RapidPrototyping，簡稱RP)技術幾乎與3D CAD的發展同步。換言之，前者其實就是后者發展的寫照，因為人們從使用3D CAD的那天起就希望方便地將設計“轉化”為實物。
快速成型技術是一種由CAD數據通過成型設備以材料累加的方式制成實物模型的技術。這一成型過程不再需要傳統的刀具、夾具和機床就可以打造出任意形狀。它可以自動、快速、直接和精確地將計算機中的設計轉化為模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效地縮短產品研發周期、提高產品質量并縮減生產成本。
RP在多年的發展中形成了多種流派，如SL(Stereo Lithography，立體光造型)、SLS(Selected Laser Sintering，選擇性激光燒結)、3DP(Three Dimensional Printing，三維打印)及FDM(Fused DepositionModeling，熔融沉積制造)等。前兩種是基于激光或其它光源的成型技術，設備造價和制作模型成本都比較高昂，因此只在一些特殊領域有所應用；而3DP~FDM則是基于原料噴射成型的技術，不需要昂貴的激光器，成本低了不少，因此成為RP行業中“最親民”的技術，近幾年大有普及之勢(由于都有近似噴墨打印機的工作方式，因此人們將它們稱為“3D打印機”)。下面我們就與3D打印機來一個近距離接觸。
好用不貴的3D打印
之前，3D打印離我們還很遙遠，主要是受到以下三個因素影響：
成本太高，這是阻礙3D打印普及的最主要因素
太慢的3D打印速度
較低的打印精度
現在，這樣的局面即將被打破――基于快速成型技術的3D打印有了長足進步，早先只有某些行業用戶用得起的3D打印機越來越多地出現在各種民用領域中。那么，3D打印機到底是如何實現的呢?
3D打印機是這樣工作的
傳統的加工手法與雕塑相似，通常是一整塊材料按照設計去除無用的部分，剩下的才是精華。而3D打印機采用分層加工、疊加成形方式來“造型”，會將設計品分為若干薄層，每次用原材料生成一個薄層，再通過逐層疊加獲得3D實體。從這點來看，它與噴墨打印機工作方法十分類似，3DP是一層層地印，而噴墨打印機是一條直線一條直線地噴，通過若干直線的疊加形成圖像，因此“3D打印機”的稱呼也就顯得十分貼切了口當然原理相仿的3DP與FDM在實現細節上還是存在較大差別，最終導致了產品的性質和用途各不相同。
3DP
提到3DP，幾乎就是美國z Corporation司的代稱。早在1994年，幾個來自MIT(麻省理工學院)的科研和技術專家就發明了3DP技術并申請了專利。1997年，為了將3DP技術推向市場，Z Corporation公司正式成立。從那時起，Z Corporation就一直占據著3D打印機市場的半壁江山。
3DP工藝的原理是先由儲存桶送出一定量的原材料粉末，再用滾筒將粉末在加工平臺上推成薄薄一層，接著打印頭會噴出一種特殊膠水(黏著劑)，依照電腦模型切片后獲得的二維切片形狀黏著粉末并使其迅速固化。每噴完一層，加工平臺就會自動下降―點，按照剛才的順序做幾次循環直到完成。這時只要掃除松散的外層粉末便可得到想要的實體模型。
這種技術的特點是成型速度快，制作成本低。它目前可以達到每小時25mm垂直高度的成型速度，每層厚度為0.089～0.203mm，最高分辨率600dpi。層厚度越薄分辨率越高，實體模型的精細度當然就越高。而且，它能夠使用多種原材料(陶瓷顆粒都可以使用)可成型出具有軟質PVC特性的模型。如果使用彩色原料，它甚至可以加工出24位彩色模型來。Z Corporadon的3D打印機也是目前唯一能夠打印彩色零件的快速成型設備。但3DP工藝制作出來的模型強度不高，主要用于外觀概念模型。
FDM
成立于1990年的美國Stratasys公司率先推出了基于FDM技術的快速成型機，并很快了基于FDM的Dimension系列3D打印機。由于’FDM技術有其得天獨厚的優勢。適合汽車、家電、電動工具、機械加工、精密鑄造及工藝品制作等領域使用，因此Stratasys的FDM快速成型機目前在全球RP市場已占有近半的比例。那么，FDM的優勢何在呢?看完下文你就會對它有一個簡單的認識。基于FDM的3D打印機是這樣工作的
CAD生成的模型數據先導入3D打印機的控制軟件，再經其處理自動生成支撐材料和加熱噴頭運動路徑。這時，加熱噴頭會在計算機的控制下根據產品零件的截面輪廓信息作平面運動，而熱塑性絲狀材料由供絲機構送至加熱噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態后擠壓出來涂覆在相應工作平臺上。待到快速冷卻后平臺上就會形成一層約0.1mm厚的薄片輪廓。這僅僅是完成了一層截面成型，接著工作臺會下降一定高度再進行下一層的熔覆，通過周而復始地多層堆迭來形成三維實體。
這樣工作是不是看起來很慢?好在Stratasys公司的FDM打印機可以采用兩個噴頭同時造型，所以制作速度得到了大大提高。而且FDM工藝完成的模型“很干凈”――不會有產生毒氣和化學污染的危險，使它可以安全地運用于辦公環境。
FDM可以采用ABS(由丙烯腈、丁二 烯和苯乙烯三種化學單體合成)或PC(聚碳酸酯)等材料進行制作。目前，FDM工藝在汽車、機械制造等行業中應用最為廣泛，其主要原因在于FDM是唯一運用工程材料快速成型的模型工藝。
主流3D打印機
在目前的3 D打印機行業中，ZCorporation和Stratasys兩家公司的產品占有絕大多數市場份額。
Z corporation的產品主要有ZPrinter310 Plus、ZPrinter 450和SpectrumZ510三種。除第一款為黑白打印機以外，其它兩款都具有彩色打印功能。而且Z Corporation的3D打印機能使用多種原材料，無需支撐結構，但需要做浸洗等后期處理。
Dimension系列3D打印機是美國STRTASY公司的產品，分別是BST768、BST1200、SST768、SST1200以及Hite(Elite為該系列最新機型，精度最高，可以實現0.127mm層厚)。其中BST采用了剝離式技術，即手動剝離成型后的支撐材料；而SST和Elite為水溶式技術，即模型上的支撐材料可用專門的溶液溶解掉，非常適合成型復雜模型。五款機型除了成型精度、成型尺寸圾支撐材料去除方式不同，其它性能基本相同。
3D打印在中國
我國XCRP技術也同樣有十分強烈的需求。自90年代初國內就有多所高校開始自主知識產權的RP技術研發。清華大學主要研究RP方面的現代成型學理論、SSM分層實體制造、FDM工藝，并開展了基于SL工藝金屬模具的研究；華中科技大學研究LOM(分層實體制造)工藝，推出了HRP系列成型機和成型材料，西安交通大學開發出LPS和CPS系列的光固化成型系統及相應樹脂，CPS系統采用紫外燈為光源，成型精度0.2mm。
但是相比RP技術領先的美國、日本等國家，國內還沒有一款達到國際水平的3D打印機推向市場，只有部分有實力的企業和科研院到專業的RP或3D打印服務商那里租用3D打印機或者訂制模型。國內RP技術在研究隊伍、資金投入和普及范圍等多方面還有很長的路要走。比較而言，港臺地區RP技術應用更為廣泛。港臺地區相比內地RP技術起步較早――很多高校、企業都有自己的3D打印設備。只不過，港臺地區RP技術的重點是應用與推廣而并非自主研發。
3D打印的將來：另一場制造業革命?
現在我們已經發現，要想3D打印全面普及，成本、打印精度、速度和原材料的多樣性等等都是現在的3D打印機必須不斷完善的項目。
第一，成本方面，在不久的將來3D打印機的價格會有大幅下降。一些較小規模的3D打印機制造商已經開始推出―萬美元以下的3D打印機，例如Desktop Factory的4995美元打印機。還有一些愛好者從2006年開始也在研制“開源”的3D打印機。他們的目的是希望大家都來參與改良3D打印機，并最終促成低價3D打印機的誕生和普及。第二，開發更為多樣的3D打印材料。如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質材料及其他方法難以制作的復合材料等。當然還有金屬材料，直接金屬成型技術將會成為今后研究與應用的又一個熱點。第三，提高3D打印的速度和效率。開拓并行、多材料制造的工藝方法，以便能夠直接面向產品制造。改善3D打印系統的可靠性、生產率和制作大件能力，尤其是提高成型件的精度、表面質量、力學和物理性能。除此之外，還有許多新的成型方法與工藝會在未來應用于3D打印機中。
在未來，3D打印機有可能走進千家萬戶。有了它，你可以做許多現在看起來匪夷所思的事情，因為從某種角度來說，許多你想到的東西都能直接打印得到。
3D打印機將使工業設計人員可以隨時制作設計品的高度仿真模型，交給生產部門或用戶，然后根據反饋意見進行進一步修改。家居裝飾公司可以根據設計圖紙呈現數個逼真、縮小的新家模型供你挑選。整形醫師采用特殊材料訂制整形所用的不同形狀的人造骨骼。這一切用3D打印機只需要很短時間就能完成。
關鍵詞：3D打印技術 簡介 工作原理 優勢 展望
3D打印技術以前主要用來制造一些比較小型的東西。時至今日，一些大型制造商已經開始準備將其用來制造更大的物件。一些3D打印設備的制造商認為，隨著這種技術的成熟，將來一些汽車零部件的庫存只需要保留電子文檔，而無需制造出來存在倉庫。一旦有需要，直接打印即可。
一、3D打印技術簡介
3D打印技術是指通過連續的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術，與傳統的去除材料加工技術不同，因此又稱為添加制造（AM，Additive Manufacturing）。作為一種綜合性應用技術，3D打印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術知識，具有很高的科技含量。3D打印機是3D打印的核心裝備。它是集機械、控制及計算機技術等為一體的復雜機電一體化系統，主要由高精度機械系統、數控系統、噴射系統和成型環境等子系統組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設計與控制軟件等也是3D打印技術體系的重要組成部分。
目前，3D打印技術主要被應用于產品原型、模具制造以及藝術創作、珠寶制作等領域，替代這些領域傳統依賴的精細加工工藝。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程與醫學、建筑、服裝等領域，3D打印技術的引入也為創新開拓了廣闊的空間。如2010年澳大利亞Invetech公司和美國Organovo公司合作，嘗試以活體細胞為“墨水”打印人體的組織和器官，是醫學領域具有重大意義的創新。
二、3D打印機的工作原理
3D打印機的工作原理其實很簡單，通俗地說，首先在電腦上設計一個完整的三維立體模型（也成為計算機輔設計），然后把膠體或粉末等“打印材料”裝入打印機，再將打印機與電腦相連接，就可以通過電腦控制把“打印材料”和三維立體模型一層層地疊加，最終把計算機上的藍圖變成實物。這種通過連續的物理層創建出三維對象的3D打印技術是疊加式制造工序的一種形式，與傳統的疊加式制造工序相比，其具有速度快、價格便宜等優點。
在Windows網絡或工作站上運行的打印設備軟件可以讀取大部分的3D文件格式計算機輔助設計繪圖數據。
這種軟件的作用就是將數據傳輸至3D打印設備，從而控制印刷頭的移動與材料輸出。在3D打印設備工作時，塑性模型材料細絲與可溶性支撐材料將被加熱至半液體狀態，然后通過擠壓頭輸出，精確地沉積成極其細微的分層。分層的厚度范圍在0.005英寸至0.013英寸（即0.127毫米至0.33毫米），具體數值取決于打印設備性能。
印刷頭只沿水平方向或垂直方向移動，模型與支撐材料將自低而上地構造，壓盤根據實際情況上下移動。在構造模型時，有了支撐材料（圖中褐色部分物件）的承托，模型的懸掛部分能夠順利完成材料沉積，此外，支撐材料還有助于構造結構復雜的模型，如嵌套結構，以及具有移動部件的多重組件。打印工作完成后，可以將模型置于水中，支撐材料將會自行溶解，如果需要，還可以為模型涂上顏料，或者進行其它處理。
三、使用3D打印技術，加快設計周期
一項產品停留在設計周期的時間越長，推向市場的時間也會越漫長，這意味著企業的潛在利潤將會越來越少。某項調查表明，產品的上市時間是受訪者最關心的日常問題。受訪者同樣表示，在17%的產品中，產品原型制作消耗相當長的時間，是縮短上市時間的最大障礙。
業界普遍認為產品應該更加快速地推向市場。隨著縮短上市時間的重要性越來越大，在設計的概念階段，企業不得不縮減決策時間，同時又必須確保所作決定的準確性。這些決定會影響大部分的成本因素，如材料選擇、制造技術以及設計壽命。通過快速制作產品模型進行測試，加快設計迭代速度，3D打印技術可以優化設計流程，為企業最大化潛在利潤。
例如為專業領域生產噴漆和紋理設備的Graco公司，該公司的工程師使用一臺3D打印設備去測試各種噴漆槍和噴管組合，設計出最合理的噴流形式和試驗出最精確的噴射量，而生產出的新型噴射紋理槍是由3D打印設備制作的ABS塑料功能原型。3D打印技術可以幫助減少產品開發時間，Graco公司估計減少的最大幅度可達75%。從一個絕妙的創意，到一項成功的產品，中間充滿著重重困難。GregStevens和James Burley在他們經常被引用的新產品開發分析報告《3000個原始創意=1次商業成功》中指出，除了3000個原始創意，一項成功的創新還需要125個小規模計劃，4項大型開發和 1.7個產品。在評估創意是否值得投放開發資源時，3D打印技術能夠助企業一臂之力，縮短傳統評估所需要用的時間，提高效率。
四、3D打印技術未來發展的主要趨勢
隨著智能制造的進一步發展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到制造領域，3D打印技術也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術的發展將體現出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。
提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質量、力學和物理性能，以實現直接面向產品的制造；開發更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質材料及復合材料等，特別是金屬材料直接成型技術有可能成為今后研究與應用的又一個熱點；3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便，更加適應分布化生產、設計與制造一體化的需求以及家庭日常應用的需求；軟件集成化，實現CAD/CAPP/RP的一體化，使設計軟件和生產控制軟件能夠無縫對接，實現設計者直接聯網控制的遠程在線制造；拓展3D打印技術在生物醫學、建筑、車輛、服裝等更多行業領域的創造性應用。
3D打印技術提供了一種極具成本效益的方式去完成多次設計迭代，在關鍵的開發過程初始階段，獲取產品設計的即時反饋信息。對于產品設計幾乎即時的修改，不僅有助于降低成本，而且能夠加快產品上市時間。對于在設計流程中采用3D打印技術的企業來說，無疑增加了明顯的競爭優勢。
隨著價格的下降，3D打印設備市場將會進一步擴大，尤其是在中小型企業和學校方面。3D打印設備耐用，打印快捷、準確，成本低廉等好處可以幫助企業縮短產品上市周期，增強企業競爭力。
參考文獻：
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新型技術 幻象成真
美國科幻作家羅伯特·希克利曾經描寫過關于“萬能制造機”的場景。這是一臺奇特的大機器，機身上雜亂地安裝著刻度盤、小燈和各種指示表。故事的主角之一阿諾爾德站在機器前，按下按鈕，對它響亮而清楚地說：“我要硬鋁螺帽，直徑為4英寸。”接到指令，機器發出低沉的轟鳴聲，燈光閃爍，閘板緩緩打開，眼前赫然出現了一顆閃光發亮已經制好的螺帽。
也許羅伯特沒有想到如今一臺3D打印機已經將他書中的幻境變為現實，那么什么是3D打印機呢？我們日常生活中使用的普通打印機可以打印電腦設計的平面物品，而所謂的3D打印機與普通打印機的工作原理基本相同，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，打印機與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設備，比如打印一個機器人、一個玩具車，打印各種模型，甚至是食物等等。
前景廣闊 問題猶存
在3D打印技術可以打印器官、汽車、飛機的今天，它還在創造無限的可能。著名的《經濟學人》雜志最近描述了3D打印技術的前景是一種新型的生產方式，能夠促成新的工業革命。3D打印技術將來會促進傳統的設計和制造模式，只是如今還沒有大范圍地推廣和應用。隨著3D打印技術的成熟和社會的發展，制造業的跨越式發展指日可待。
首先，3D打印技術可以加工傳統方法難以制造的零件。過去傳統的制造方法就是一個毛坯，把不需要的地方切除掉，是多維加工的，或者采用磨具，把金屬和塑料熔化灌進去得到這樣的零件，這樣對復雜的零部件來說，加工起來非常困難。立體打印技術對于復雜零部件而言具有極大的優勢，立體打印技術可以打印非常復雜的東西。其次，實現了首件的凈型成形，這樣后期輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數據泄密和時間跨度，尤其適合一些高保密性的行業，如軍工、核電領域。再次，由于制造準備和數據轉換的時間大幅減少，使得單件試制、小批量出產的周期和成本降低，特別適合新產品的開發和單件小批量零件的出產。
這些速度快、高易用性等優勢使得3D打印成為一種潮流，并且在很多領域得到了應用。如今3D打印機已經在建筑設計、醫療輔助、工業模型、復雜結構、零配件、動漫模型等領域都已經有了一定程度的應用。尤其在飛機、核電和火電等使用重型機械、高端精密機械的行業中，3D打印技術“打印”的產品是自然無縫連接的，結構之間的穩固性和連接強度要遠遠高于傳統方法。
成就顯赫 仍待發展
如今網絡變得非常開放，已成為獲取信息的主要途徑，電視機、廣播和紙媒等傳統媒體在其面前都黯然失色。任何只要被人們接觸到的信息立刻會被高度傳揚出去。
“解放者”是首支利用3D打印技術被廣泛制作的手槍。該型號手槍僅需使用商業3D打印機便可制造完成。制造說明由網絡衛士/無政府主義者制作，步驟非常詳細，甚至涵蓋了加入一片金屬的步驟，以避免觸犯美國的《不可探測武器法》（Undetectable Firearms Act of 1988）。無數個測試已經證實，在裝配得當的情況下該武器可以發射至少一顆點38口徑的子彈。
無須置疑3D打印機的能力，未來只要能用CAD軟件畫出的東西都可以用3D打印機制作。這種技術的潛力不可估計，同樣破壞性的潛力幾乎遍布了每個行業。從醫學領域到制造業，在增強消費者制造能力的同時也必將顛覆許多正常的自然規律。
然而，去除獲得致命武器過程中的阻力有可能會使這些功能性的手槍落在一些容易沖動的人手中。有多少次你已經達到了憤怒的狀態？那種憤怒是你覺得什么對你而言都沒有任何意義，你感覺幾乎要開始殺戮了。當殺人的想法占據著內心，而你無法將自己的怒火平息在可控范圍內時，你可能不應該擁有槍支。
在美國有許多關于嚴格控制槍支立法的討論，現在集中在禁止有犯罪記錄和精神疾病的人擁有槍支。但是應該如何對待那些平時很理性，但可能被憤怒逼得有殺人傾向的人呢？難道禁止獲得即興購買槍支的規定不是一個避免沖動想法傷害到其他人甚至引發惡性犯罪的有效途徑嗎？如果按一個按鈕、組裝幾個零部件就能夠將致命的激動情緒轉化為實實在在的犯罪行為而引發更多的犯罪情緒呢？美國國務院似乎計劃將制作“解放者”的鏈接從網絡上移除。
在南非，3D打印已經被用于為小孩制作用于替換的手部。甚至美國國家航空航天局（NASA）也已經承認了它的潛力，并且計劃制造一個零重力3D打印機，這部機器計劃在明年的某個時間帶入國際空間站。
伊恩·馬爾科姆博士表示，這種技術尚處于萌芽階段。信息自由的倡導者和槍支倡導者都主張保衛“解放者”設計圖在網上的流通，這就像是一場有關互聯網自由的戰爭，他們主張所有的信息不應該被審查，每個人都能夠輕易獲得。但是我們現在所討論的不是關閉非法提供下載資料的網站服務器，而是在談論生命和死亡。槍支只為一個理由存在—射擊。
有些人指出可以用3D打印機的高價格來限制業余槍支販賣者的數量，但是如果有利可圖的話，多么高昂的價格也不再是障礙。高額的原材料成本和設備成本并沒有阻止工廠的存在。僅僅是因為要擁有自由的權利就去支持制造致命的武器嗎？我不確定，但就個人而言，我希望能夠完善3D打印技術，將其應用于制造可替換的心臟瓣膜或是為發展中國家生產水凈化設備，而不是用于殺人。
關鍵詞：3D打印；教育應用；模式構建
中圖分類號：TP37 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）34-8315-02
3D打印技術發展了短短數年，在國內外已經取得了長足的發展，不過在3D打印教學當中卻和其發展勢頭不匹配。該文在研究3D打印技術原理的基礎上，詳細的了解了3D打印技術對于教育的意義，同時構建了基于3D打印技術的教學應用模式，爭取為更深層次了解3D打印技術在教學中的應用給出具有較高價值的參考。到目前為止，3D打印技術已經被認為是即將到來的第三次工業革命的推動性技術之一，已經得到了全球多家研究機構和知名公司的認可。該文詳細介紹了 3D打印技術的諸多優勢，例如數字制造、降維制造、堆積制造、直接制造和快速制造等優點，隨后具體提出了光固化成形、材料噴射、粘結劑噴射、熔融沉積制造、選擇性激光燒結、片層壓和定向能量沉積這七類 3D打印工藝。對這七類3D打印技術的世界商業化情形以及應用的領域進行了詳細的介紹，隨后根據目前的3D打印技術的現狀對其的發展的明天做了詳細的展望。最后得出的結論：3D打印技術是一項革命性的新技術，可能會引發第三次工業革命，其必將深刻的改變傳統行業，我們有理由相信，短期內必將促進行業更好的走高科技發展之路。
1 3D打印技術與3D打印機
3D打印技術和我們熟知的3D印刷雖然看著只差一個字，給人的感覺好像差不多，但實質上卻差之千里。3D印刷僅僅是將一章圖片劃分為角度相異的紅、藍兩張圖片，隨之把上述的兩張圖片根據特定的視差距離套印在一起，然后采取帶有濾光效果的眼鏡來看出3D的視覺效果，也可以把圖片按照一定的方式處理之后，不經過加工印刷在與傳統認識不同的光柵板的上面，采取這樣的方式就可以有3D視覺效果的一種特殊的印刷手段。相比而言，3D打印技術則是指選擇三維噴墨打印的技術，利用分層加工和疊加成形互相融合的思路，每一層都進行打印來強化材料來得到3D的實體，它的工作原理能夠分成兩個大類：
1.1 基于三維打印技術的3D打印機
采用先進的三維打印技術的3D打印機首先會從儲備原料的地方向外部提供一小部分的原材料粉末，這部分原材料在加工的時候被加工成非常薄的一層，隨后打印頭會在需要加工的目標的部分推送一種不常見的黏合藥品。在這個時候，上述的原材料粉末遇到黏合劑會發生急速聚集并牢固地站在一起，相比之下未能遇到黏合劑的粉末就會跟之前的粉末狀態一致。上述的加工工序在每一層循環，每一層的加工完畢后，加工平臺就會自動下降一點，加工的時間和精度以及形狀是由切片完全確定的，直到打印出真實的物體。在整個工序都完成之后僅僅需要清除殘留的外層粉末就可以輕易得到之前想要得到的立體的物體。
1.2 基于熔融沉積制造技術的3D打印機
基于熔融沉積制造技術的3D打印機的工作原理是先在3D打印機的控制軟件中導入由CAD生成的實物數據，經處理生成支撐材料和熱噴頭的運動路徑。下一步就是熱噴頭會在電腦的精確控制下按照三維物體的截面輪廓的參數在平面上做事先規劃好的特殊的運動，同時熱塑性絲狀材料由供絲機構送至熱噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態后擠壓出，并噴涂在相應的工作平臺上。噴涂熱塑性材料快速冷卻后在平臺上形成一層厚度約0.1 mm的輪廓薄片，形成了一個3D打印截面。將這個作業過程不斷循環，承載工作臺高度隨之不斷降低，利用這樣的辦法來得到需要的物體。
2 3D打印技術的應用需求
和我們熟知的機械加工技術有著很大的差別，3D打印技術的精髓是一層層的類似于打印一張張紙最后疊加而成的三維物體， 每一層的增加原料來得到三維物體的高新技術，又被全球多位專家叫做高速成型技術，也叫做增材制造技術（AM， Additive Manufacturing）。3D打印技術可以在級大地強化制作效率以及設備精密的程度，且在歐美等發達國家已經得到了更好的發展， 3D打印技術已經初步形成了規模，可以打印的材料種類非常豐富，以生物細胞為材料甚至都可打印出人體的各種形狀的器官，或者用鋼鐵鎳鈦等金屬也可以打印飛機零件等； 以沙子為材料可打印建筑；以玻璃為材料可打印玻璃制品；以金屬為材料可打印機械零件等。到現在為止， 3D打印技術已經為國內外諸多的領域做出了突出的貢獻，為技術創新提供了良好的平臺。
到現在為止3D打印技術已經能夠成功地打印很多類型的材料，已經能夠逐步地應用到全球各行各業當中，可以說應用3D打印的領域數不勝數。若僅僅考慮到客戶得應用目的，需要使用的材料也不盡相同。3D打印機以其優異的特性，在市場上有著不可替代的位置，且該技術開發時間不長，可以有很大的潛力等待全球的科研技術工作者們進行開發。
2.1 工業應用
著名的“空氣單車”是位于美麗的布里斯托爾的著名公司選擇的3D打印機，利用3D打印技術制造出了全球首輛打印自行車。這輛特殊的自行車使用的材料其硬度和韌性都可以跟普通自行車的材料相媲美，但是它卻是一種特殊的尼龍材料，密度要遠遠小于金屬材料。更有趣的是，“空氣單車”無論是車輪、鏈條還是軸承都是一次打印出來的，無需原來先制造零件再將零件組裝在一起的總裝流程，打印結束后，自行車就能夠活動自如。這臺自行車的制造工藝就跟日常打印書本一樣容易，同時，3D打印機以其優異的自身優勢，可以打印出空間不相連的三維立體的物體。
2.2 3D打印技術在教育中的作用
3D打印技術發展到現在，已經取得了令人矚目的進步，在眾多的領域內都取得了輝煌的成績。對于教育行業，它的價值就在于它可以得到對事物更直觀更理性的研究機會，而恰恰是這種機會在以前可以說是一個不可能完成的任務。對于 3D 打印技術可以輕易地打印三維立體的物體這種神奇的特性來說，對其的研究為學習活動的開展提供了新的可能。下面分別從教師和學習者視角分析 3D 打印技術在教育的角色中扮演助推器角色。教師在教學過程中利用 3D 打印制作的教學用具，可以擴展學習者的感覺和知覺增強觸覺體驗，彌補常態課堂直接經驗不足的劣勢。同時，教師也將隱性知識和認知結構顯性化，使學習資料由抽象化轉變成為具體化，具體化轉變成為形象化，視覺復雜化轉變成為認知簡單化。這一就能夠強化學生的思路使之更加清晰，強化學生的邏輯思維以及理解能力，從而從根本上實現了教師教學改革，也使得學生的學習效率成倍提升。
2.3 醫學應用
對于醫學方面，選擇3D打印技術將雙光子聚合物以及生物功能材料組合生成的成毛細血管，在有著極佳的的彈性以及人體相容性意外，也可以在替換壞死的血管方面有著比較大的應用潛力。3D打印也可以和人造器官相結合，可以在藥物研發中減少動物的必要死亡，對生態環境也有著巨大的積極作用。
2.4 日常生活應用
“3D食物打印機”是由美國紐約康奈爾大學開發的專門用于制造食物的設備。這部“3D食物打印機”選擇了一種工作模式，這種模式與我們平常打印機的工作原理有異曲同工之妙，將原材料和配料放入容器內（與打印機的墨盒相似）中，一旦選擇了所需的食譜，利用其自帶的的CAD軟件就可以將美食“3D打印”出來。從這個方面來說，這種革命性的烹飪方式代表著他們能夠創作之前從來不曾想象的菜，菜品的數量也將爆炸式增長。使用“3D食物打印機”來打印食物，能夠最大程度地減少從原材料一直到成品之間的步驟，從而降低了一系列的成本。
3 3D打印技術的發展趨勢
隨著3D打印技術從無到有從弱到強，其做大做強之后成本的快速下降已經導致了3D打印技術已經真正的走進了市場，蓬勃發展，速度驚人，已經成為全社會共同關心的全新領域。應用3D打印技術打印的模型、醫療骨骼甚至是裝飾用品等的應用，都在非常大的范圍內上喚起了社會的關注。
在我國首個研發3D打印的學者是華中科技大學快速制造中心主任史玉升預計，在他的眼中，在即將到來的10年內，只需要在電腦上點擊打印，先進的3D打印機就能一步步地制造出我們需要的模型。目前部分鑄造企業已經著手開發選擇性激光燒結3D打印機的事情，希望把復雜鑄件的生產周期縮短兩個半月，效率提高89%。圖1為3D打印出的裝飾品。
社會每天都在發展， 3D打印技術多年來持續有新的突破，其制造的速度越來越快、尺寸在也越來越大，質量也越來越好。在過去，一個零件往往需要幾百甚至上千個圖紙來對其描述，而應用了3D打印技術，一張圖就可以精確描述一個零件。因此，3D打印技術，可以從根本上改變制造業的發展和設計人員的思維。
4 結論
3D打印技術是一種新興的高科技技術， 由其獨特的運作模式和巨大的作用，教育領域將是未來 3D 打印技術的下一個的重要市場。該文通過分析3D打印原理和3D打印技術在教育中的作用構建了基于3D 打印技術的教學應用模式，這樣可以為后續實際應用和深入的研究打下良好的鋪墊。盡管 3D 打印技術在教育領域具有廣闊的發展前景，但是目前其在教育機構的推廣和普及仍面臨著巨大挑戰。例如：3D 打印機仍然不是一個經濟的選擇，可制作原材料稀少，制作成本居高不下等。這也將成為全球學者們未來的重點研究的課題和方向。我們有理由相信，3D打印技術一定會淘汰傳統生產線，生產效率高出幾十倍，與此同時所需原材料用量只占傳統所需的幾分之一。
參考文獻：
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機遇與挑戰
3D打印技術提供了大量機遇，不僅僅體現在制造領域，還包括零售、醫療健康和其他領域。3D打印最本質的經濟問題是，打印產品的成本高于傳統制造，但工具的成本為零。對于大規模批量生產來說，傳統制造的成本更低。但是，高昂的工具成本，使得傳統制造的成本對于小批量生產來說更高。利用3D打印技術生產產品的時間要短于制造工具，但單件產品的生產時間長于傳統制造。
用途領域甚廣
快速制造原型產品是3D打印技術的第一大用途。傳統上，生產一件原型產品通常耗時1、2個月。利用3D打印技術，設計人員數小時就可以拿到原型產品。3D打印技術的用途遠不止生產原型產品。
夾具和卡具可能是最熱門的增長領域。在大多數工廠，技術工人通常負責制作工具，例如夾具和卡具。夾具和卡具的生產對技能要求很高，經常需要大量試驗，還難免會出錯。夾具的任何錯誤都會“被復制”在最終產品中。利用3D打印技術制造夾具和卡具通常速度更快、更方便。
小批量生產很常見，制作原型只是其中一個特例。市場空間有限的產品，可能能帶來利潤，但不值得生產、購買昂貴的工具。3D打印技術很適合小批量生產，它還適合用在需求不確定的情況下。企業可以利用3D打印技術生產少量產品，從而無需投入巨額資金購買昂貴的工具。生命周期結束的零部件也適用于3D打印技術。大量20年前購買的汽車還在使用，用戶需要備件。通過為這些過時的產品提供服務，廠商可以提高自己的品牌形象，增加現在的銷售。
大規模定制是終極版的小批量生產：一件產品只為一名客戶制造。Normal利用3D打印技術為客戶定制耳機，每副耳機都根據客戶的需求量身打造。佛羅里達州立大學制作了塑料“大腦”，供醫學專業學生實習。當前的技術能融合不同密度的材料，給學生提供最真實的手感。未來，供實習用的大腦將通過對病人進行3D掃描獲得，其中將包含模擬的腫瘤。
非標零部件也是一種潛在用途。中小批量的生產任務通常使用標準件，利用3D打印技術，設計師可以對產品進行更好的優化，而無需考慮標準件。
一、3D打印技術創新取得新突破
在生物打印領域，西安交通大學開展的3D打印個性化人工假體制造研究與應用獲得標志性進展，科研成果《個性化顱頷面骨替代物設計制造技術及應用》通過國家技術發明二等獎初評。西北工業大學研發的常溫直接成形生物陶瓷術前診斷模型、全骨支架模型等已經在北醫三院、第四軍醫大學臨床應用。
在非金屬打印領域，西安交通大學創新陶瓷材料3D打印成形工藝，實現了大型燃氣輪機空心渦輪葉片等復雜結構陶瓷零件的快速制造；開發了高溫熔絲成形3D打印設備，可以有效打印纖維增強樹脂基復合材料、尼龍、聚醚醚酮等耐高溫材料制品；研發了大尺寸的燒結成形工藝及樣機，可以形成多種非金屬材料粉末燒結設備。
在金屬打印領域，西北工業大學研制出達到世界先進水平的個性化金屬液滴微噴頭、壓電脈沖微噴頭及5軸聯動金屬微滴打印設備，實現了碳納米管漿料微滴的按需打印、直徑小于0.1mm的鋁均勻微滴可控噴射與打印，可快速制備超級微電容器、微電源、碳納米管晶體管以及微小復雜波導件、散熱件、嵌入式智能器件。西安光機所突破了可變焦的3D打印熔覆頭關鍵技術，研制出可用于成形中小型鈦（鋼）合金零件的同軸送粉式金屬3D打印機，可使打印效率提高3―5倍。西北有色金屬研究院成功開發了國內首臺商業化的粉床電子束3D打印設備和新一代等離子旋轉電極霧化制粉設備。
二、3D打印產業化態勢喜人
一是龍頭企業發展迅猛。截至2014年第三季度，西安鉑力特激光成形技術有限公司擁有相關發明專利達到35項，銷售收入已達1.02億元，全年銷售收入預期可達1.5億元、利潤3000多萬元，同比增長552%，成為目前國內規模最大、技術實力最雄厚的金屬增材制造綜合服務商，并一舉奪得第三屆中國創新創業大賽先進制造行業總決賽冠軍。陜西恒通智能機器有限公司進入渭南高新區開展產業化生產，實現了3種機型的研發與上市，實現銷售收入6000多萬元。
二是產業基地建設進展順利。渭南高新區建成了全國第一家占地460畝的3D打印產業培育基地、全國第一個2.3萬平米的3D打印創新創業孵化器、全國第一只總規模2.5億元的3D打印創投基金，吸引了省內外20多家相關企業和項目入駐，3D打印產業化推進格局初步形成。西安高新區規劃占地1000畝的3D打印產業園加快建設，園區主要路網的水、電、氣、道路施工已完成過半，首批700畝產業用地已逐步到位，一期2萬平米的孵化器、4.6萬平米的標準工業中試廠房已具備開工條件，已吸引10多個企業和項目入駐。
3D打印技術是數字化時代的重要產物，又被稱為“添加制造”（AdditiveManufacturing）技術，它是以三維數字模型文件為基礎，創新性地將信息、材料、生物、控制等技術融合滲透到一起，能以自身逐層添加打印的制造方式完美地實現各種材料的結合。3D打印技術自開發以來得到不斷地發展，迅速被廣泛應用于工業設計、建筑、軍事、航天、醫療等不同領域，并取得一系列實質性的突破。3D打印技術相較于傳統的大型增材制造設備來說，更加注重體現設備的小型化、智能化和個性化。3D打印技術發展到今天，已經能夠在0.01mm的單層厚度上實現600dpi的精確分辨率，。并且適用于該技術的材料豐富，比如以生物細胞為材料，能夠打印出器官、骨骼；以金屬為材料，能夠打印出機械零件；以沙子為材料，能夠打印出建筑物；以玻璃為材料，能夠打印出玻璃制品等。據不完全統計，截止到2012年年底，著名的3D打印成型公司Stratasys的產品已經發展為能支持123種不同材料進行3D打印，隨著科學技術的創新和發展，這一數字將不斷地被刷新。同時，在打印速度上，3D打印技術能實現垂直25.4mm/h以上。未來我們有理由相信，隨著智能制造的逐漸深入發展與成熟，將會有更多新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷地投入應用，3D打印技術也會在此基礎上被進一步推向更為廣闊的領域。
二、3D打印技術在產品造型設計中的應用
近年來，3D打印技術在產品造型設計上應用越來越廣泛，并且突破了以往單純的常規幾何形態，開始以更具創新性、類似于自然形態的精美造型出現在人們的日常生活中，以獨特的制造方式和時代意義賦予我們的生活空間新的活力。比如在人們熟悉的服裝領域中，著名的荷蘭時裝設計師IrisvanHerpen與Materialise在2013年初的巴黎時裝展上合作制造的3D打印時裝，給人帶來強烈的視覺盛宴，風靡一時。此外，2011年Materialise公司提供以14K金和純銀為原材料的3D打印服務，更是為珠寶制造業帶來巨大革新。由比利時公司MGX設計的分形桌子，設計師以數學特征中的自相似性為設計原理，以自然界中的分形生長為模型創造了這一作品，其成就是傳統制造方式無法企及的。以現代裝飾中的燈飾為例，2012年設計師宋波紋協同格物工作室，創新性地推出3D打印作品“十二水燈”，燈具快速成型材料為尼龍，其創作靈感來源于宋代畫家馬遠的水畫名作“十二水圖”。在該造型設計中，設計師完美地將中國傳統繪畫的意境與傳統思想中“格物致知”的觀念進行融合，通過探究事物的發展規律，尋找智慧的源頭。作品利用現代先進的制造技術向人們呈現出耳目一新的作品，并通過這種形式完成對文化的傳承。所以，可以說，3D打印技術讓產品的造型有了更為廣闊的發展空間，同時也讓產品的個性化特色更為突出。與傳統機器生產和手工制造相比，3D打印技術突破了以往制造過程中受眾多造型、材料和設備的限制，這在某種程度上促使其對產品造型的制造更加接近設計本來的要求，同時與產品造型設計隨著時代、科技和人文藝術的發展而革新的歷史使命相符。3D打印技術的應用，極大地開拓了設計師的想象思維，即使是外觀再復雜的產品都能通過3D打印技術進行制造，并能保證與設計的渾然一體。這就促使設計師將關注力放在產品形態創意和功能創新上，不斷實現超越。并且，隨著產品造型設計的多元化，設計師開始重視體現產品的美學屬性，將時尚化、個性化因素融入到產品造型的藝術化表現方式中，從而潛移默化地引導著消費者對產品造型審美觀的變化。
三、3D打印技術在產品造型設計中的問題和展望
就目前而言，雖然3D打印技術在產品設計中發揮著越來越重要的作用，應用也越來越廣泛。但是從整體上來說，3D打印技術在產品造型設計領域中的普及力度仍然比較弱。這可能是因為3D打印技術本身受自身打印機性能、打印材料、打印成本、打印精度等眾多因素的影響，而不能得到全面的普及和應用，因此也就無法促使對3D打印技術的進一步研究和創新。另外，現階段，3D打印技術的應用主要集中在服裝、家具及相關家居用品等形態比較小的產品造型設計中，還沒有廣泛應用到較大型的產品設計上。并且一些產品在空間界面上的打印要求3D打印機和相關材料都必須有較高的質量，這樣才能充分滿足其在制造過程中來自各方面的要求。盡管如此，我們仍然有理由相信，隨著科學技術的不斷發展和數字化的持續創新，未來3D打印技術必然與計算機技術、云技術、信息技術、生物技術等更加緊密地結合在一起，最大限度地實現產品設計成果的資料共享。與此同時，國家和相關部門將會更加重視設計師的設計產權知識、消費者權益責任保障、資源利用和環境保護等一系列問題，為3D技術在產品設計領域的更深層次的發展提供良好的環境氛圍。因此，在未來，3D打印技術也會在此基礎上被進一步推向更為廣闊的領域，直接影響著設計師的設計思路，不斷突破傳統的生產和制造方式，改變整個世界的面貌。
四、結語
關鍵詞 3D打印 傳統打印 3D模具
一、過程原理
每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結，而沒有膠水的區域仍保持松散狀態。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環利用。
二、3D打印過程
打印耗材由傳統的墨水、紙張轉變為膠水、粉末，當然膠水和粉末都是經過處理的特殊材料，不僅對固化反應速度有要求，對于模型強度以及“打印”分辨率都有直接影響。3D打印技術能夠實現600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。受到噴打印原理的限制，打印速度勢必不會很快，較先進的產品可以實現每小時25毫米高度的垂直速率，相比早期產品有10倍提升，而且可以利用有色膠水實現彩色打印，色彩深度高達24位。
三、優勢
1、制造復雜物品不增加成本。就傳統制造而言，物體形狀越復雜，制造成本越高。對3D打印機而言，制造形狀復雜的物品成本不增加，制造一個華麗的形狀復雜的物品并不比打印一個簡單的方塊消耗更多的時間、技能或成本。
2、產品多樣化。不增加成本一臺3D打印機可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。3D打印省去了培訓機械師或購置新設備的成本，一臺3D打印機只需要不同的數字設計藍圖和一批新的原材料。
3、無須組裝。3D打印能使部件一體化成型。傳統的大規模生產建立在組裝基礎上。3D打印機通過分層制造可以不需要組裝。省略組裝就縮短了供應鏈，節省在勞動力和運輸方面的花費。
4、零時間交付。3D打印機可以按需打印。即時生產減少了企業的實物庫存，企業可以根據客戶訂單使用3D打印機制造出特別的或定制的產品滿足客戶需求，所以新的商業模式將成為可能。如果人們所需的物品按需就近生產，零時間交付式生產能最大限度地減少長途運輸的成本。
5、設計空間無限。傳統制造技術和工匠制造的產品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如，傳統的木制車床只能制造圓形物品，軋機只能加工用銑刀組裝的部件，制模機僅能制造模鑄形狀。3D打印機可以突破這些局限，開辟巨大的設計空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。
6、減少廢棄副產品。與傳統的金屬制造技術相比，3D打印機制造金屬時產生較少的副產品。傳統金屬加工的浪費量驚人，90%的金屬原材料被丟棄在工廠車間里。3D打印制造金屬時浪費量減少。隨著打印材料的進步，“凈成形”制造可能成為更環保的加工方式。
7、材料無限組合。對當今的制造機器而言，將不同原材料結合成單一產品是件難事，因為傳統的制造機器在切割或模具成型過程中不能輕易地將多種原材料融合在一起。隨著多種材料3D打印技術的發展，我們有能力將不同原材料融合在一起。以前無法混合的原料混合后將形成新的材料，這些材料色調種類繁多，具有獨特的屬性或功能。
四、應用狀況
3D打印的應用領域也在隨著技術進步而不斷擴展。美國科學家已經研發出了能打印皮膚、軟骨、骨頭和身體其他器官的三維“生物打印機”。人們還使用3D打印來制造雕塑并修復雕塑，制造由塑料和聚合物制成的三維物體并打印出了實品。
近年來，我國也積極探索3D打印技術的研發，初步取得成效。在3D打印設備制造技術、3D打印材料技術、3D設計與成型軟件開發等研究方面，開展了積極的探索。其中，激光直接加工金屬技術發展較快，基本滿足特種零部件的機械性能要求。在傳統的戰斗機制造流程當中，飛機的3D模型設計好后，需要進行長期的投入來制造水壓成型設備，而使用3D打印制造技術后，零件的成型速度、應用速度得以大幅度提高。
參考文獻：
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