3D打印快速成型技术及其应用（精选9篇）
3D打印快速成型技术及其应用
摘要：本文介绍了3D打印技术的基本原理及其制造流程。通过一些实例说明了3D打印的应用主要是说明在现代军事方面的应用。
一．引言
3D打印（3D PRINTING）即3D打印技术，又3D打印制造是20世纪80年代才兴起的一门新兴的技术，是21世纪制造业最具影响的技术之一。随着计算机与网络技术的发展，信息高速公路加快了科技传播的速度，产品的生命周期越来越短，企业之间的竞争不再只是质量和成本上的竞争，而更重要的是产品上市时间的竞争。因此，通过计算机仿真和3D打印增加产品的信息量，以便更快的完成设计及其制造过程，将产品设计和制造过程的时间周期尽量缩短，防止投产后发现问题造成不可挽回的损失。
3D打印技术是由CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状的三维实体的技术总称。简单的讲，3D打印制造技术就是快速制造新产品首版样件的技术，它可以在没有任何刀具、模具及工装夹具的情况下，快速直接的实现零件的单件生产。该技术突破了制造业的传统模式，特别适合于新产品的开发、单件或少批量产品试制等。它是机械工程、计算机CAD、电子技术、数控技术、激光 技术、材料科学等多学科相互渗透与交叉的产物。它可快速，准确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或零件，以便进行快速评估，修改及功能测试，从而大大缩短产品的研制周期，减少开发费用，加快新产品推向市场的进程。
自从美国3D公司在1987年推出世界上
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二．3D打印技术的简介
2.1 3D打印系统的工作原理和制造工艺
3D打印技术是一种逐层制造技术，它采用离散/堆积成型原理，其过程是：先得到所需零件的计算机三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，将原来的三维模型变成二维平面信息，即离散过程；再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码；在微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地连续加工出每个薄层，并使它们自动粘接而成型，从而制造出所需产品的实物样件或成品，这就是材料的堆积过程。已知自由曲面CAD模型，如果使用传统的方法和数控机床进行加工，那么复杂的自由曲面，成本高，效率低。近年来，3D打印即广泛的被运用于工业生产中。各种3D打印技术的过程都包括CAD模型建立、生成STL文件格式、3D打印制作、模型分层切片和后置处理五个步骤，其制造过程如图1所示
（1）利用激光固化树脂材料的光造型法（Stereolithography）。光造型装置一直以美国3DSYSTEMS公司的ＳＬＡ型产品独占鳌头,并形成垄断市场。其工作原理如下：由激光器发出的紫外光,经光学系统汇集成一支细光束,该光束在计算机控制下有选择的扫描液体光敏树脂表面,利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理,一层一层固化光敏树脂,每固化一层后,工作台下降一精确距离,并按新一层表面几何信息使激光扫描器对液面进行扫描,使新一层树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上,如此反复,直至制作生成零件实体模型。激光立体造型制造精度目
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前可达±0.1ｍｍ,主要用作为产品提供样品和实验模型。此外,日本的帝人制机开发的SOLIFORM可直接制作注射成型模具和真空注塑模具。
（2）纸张叠层造型法。纸张叠层造型法目前以HELISYS公司开发的LOM装置应用最广。该装置采用专用滚筒纸,由加热辊筒使纸张加热联接,然后用激光将纸切断,待加热辊筒自动离开后,再由激光将纸张裁切成层面要求形状。
（3）熔融造型法熔融造型法（FDM）。以美国STRATASYS公司开发的产品FDM(FUSED DEPOSITION MODELLING)应用最为广泛。工作时,直接由计算机控制。喷头挤出热塑材料并按照层面几何信息逐层由下而上制作出实体模型。ＦＤＭ技术的最大特点是速度快(一般模型仅需几小时即可成型)、无污染,在原型开发和精铸蜡模等方面得到广泛应用。FDM生产可选成型材料种类较多，原材料费用低，因而的到广泛的应用。但是FDM也有其固有的缺点。精度低，热融制造中很难控制精度，难以制造结构复杂的构件，且材料的制造是处于熔点附近，因而构件的强度小，也不适合制造大型的制件，这些特点都限制了FDM的应用范围。
（4）热可塑造型法（SLS）。以DTM公司开发的选择性激光烧结即SLS(SELECTIVE LASER SINTERING)应用较多。该方法是用CO2激光熔融烧结树脂粉末的方式制作样件。工作时,由CO2激光器发出的光束在计算机控制下,根据几何形体各层横截面的几何信息对材料粉末进行扫描,激光扫描处粉末熔化并凝固在一起。然后,铺上一层新粉末,再用激光扫描烧结,如此反复,直至制成所需样件。
2.2 3D打印制造的优点
3D打印技术的加工特点:3D打印技术突破了“毛坯→切削→加工品”传统的零件加工模式,开创了不用刀具制作零件的先河,是一种利用的薄层叠加的加工方法。与传统的切削加工方法相比,3D打印加工至少具有以下优点:(1)可迅速制造出具有自由曲面和更为复杂形态的零件,如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，这些利用传统工艺很难加工的,从而大大降低了新产品的开发成本和开发周期。在时间尤其重要的今天，它可以为企业节省大量的研发时间。
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(2)它属于非接触加工,不需要切削加工所必需的刀具和夹具,无刀具磨损和切削力影响。只需要一套特定的设备，工序简单，没有传统加工的烦琐的工序。传统的加工中每一个工序都需要机床等复杂加工设备，且加工过程复杂，对操作人员的技术要求很高。
(3)无振动、噪声和切削废料。可以为企业节省宝贵的试制原料，简化生产。传统的制造中由于多是机械制造，噪音较大。且加工时边角料多。造成资源的浪费。
(4)可实现完全自动化生产。操作可以由电脑控制，无需人的过多干预。真正实现了自动化。
(5)加工效率高,能快速制作出产品实体模型及模具。精度高，生产的产品质量好。
(6)3D打印技术在产品开发中的关键作用和重要意义是很明显的，它不受复杂形状的限制，可迅速地将示于计算机屏幕上的设计变为进一步评估的实物。根据原型，可对设计的正确性、造型的合理性、可装配性和干涉性，进行具体的检验。通过原型的检验可使开发产品中的风险减到最底的限度。
三．3D打印技术在军事方面的应用
当前，3D打印技术在军事领域的应用主要是武器装备受损部件的维修和复杂结构件的生产。
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3D打印成型技术打印出的手枪及零部件
4．1武器装备受损部件维修
美国国防部曾采用激光近净成型进行受损零件现场维修，以及专用零件的小批量生产。安妮斯顿陆军基地采用激光近净成型成功维修M1艾布拉姆斯坦克的燃气涡轮。美国海军水下作战中心（NUWC）实施了快速制造与维修（RMR)计划，该计划采用选择性激光烧结，直接金属激光烧结、熔融堆积成型以及电子束。4．2武器装备复杂结构件生产
红石兵工厂的美国陆军航空与导弹研究开发与工程中心（AMRDEC）通过立体光刻成型技术、熔融沉积建模、分层制造、激光近净成型、选择性激光烧结等技术，进行设计验证和最优化研究。为了评估人机工程特性与性能，AMEDEC 采用立体光刻成型技术制造导弹控制操纵杆，避免了传统生产设备所需花费的大量时间和设备成本，降低了总生产成本，缩短了开发周期。美国国防部与工业界联合实施了采用类似立体光刻成型的方法合金结构件快速生产的项目，其生产效率比传统的铁合金加工工艺高80%。F-15猎鹰喷气式战斗机铁合金外挂架冀肋备件采用激光3D打印工艺，使零件的需求能够在2个月内得到快速满足，并最大限度保持飞机的可用性。正是由于这些优点，选择性激光烧结工艺被授予2003 年国防制造技术成就奖。使用3D打印技术制造UH-60直升机门把手，相比传统
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工艺节省了140万美元，从而验证了3D打印技术在成本方面具有一定优势。除了美国，欧洲宇航防务集团（EADS）的一个科研小组也致力于使用3D打印技术制造飞机的整个机翼。截止2011年3月研究者已使用该技术制造出了飞机起落架的支架和其它飞机零件。
四．结束语
最近两年，3D打印技术概念引起了国内外政府、军方、企业的高度重视，但其实3D打印技术已经发展有30余年。美国著名智库高德纳（Gartner）公司2012《高德纳新兴IT技术显示度周期特别报告》认为，3D打印技术正处于高循环曲线显示度顶点。预计该技术在未来2～5年内到达生产力成熟期。然而，通过分析发现，3D打印技术却很难取代传统制造工艺，在军事领域的应用主要集中在对受损部件的修复、复杂结构部件的生产以及小批量部件生产等方面，与传统制造工艺形成了较好的互补关系。例如，美国计划使用3D打印技术在太空空间站上制造空间站部件备件。因此，未来3D打印技术可能会在武器装备制造、航空航天中的一些特定领域有所应用，但大面积，全方位的替代传统工艺的可能性不大。
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参考文献
3D打印技术是一种快速成型技术, 它以数字模型文件作为基础, 运用可粘合材料, 通过逐层打印的方式构造物体[1]。当前3D打印技术主要应用于艺术创作、珠宝制作等领域。然而随着技术的发展, 生物工程、医学、建筑等领域也越来越多的使用3D打印技术, 为科技创新添加了新的活力。
与传统的工业制造业相比, 3D打印技术有着无可替代的优势, 这使得在当前高科技产业日新月异的今天, 3D打印技术能在信息化社会中占有一席之地。3D打印技术有着以下特点: (1) 生产效率极高。3D打印技术通过材料的层层推挤与叠加, 在电脑数据的操控下堆砌成需要生产的物品, 这与传统工业对原材料的剪裁制造完全不同。不仅省去了繁重的修整零部件工序, 该大大增加了原材料的利用率, 大幅降低生产成本, 提高生产效率; (2) 复杂零件可一次成型。传统工业在生产的过程中, 需要经过模具设计、生产、修整等阶段, 并在制作过程中对原材料进行锻造、打磨等加工, 最终制作成复杂的产品。其生产周期长, 生产工序繁琐, 人力资源消耗大。而3D打印技术缩短了所有中间过程, 它的模具通过电脑制作, 产品根据电脑生成的设计图纸直接一次性打印完成, 能够更加便捷、准确的制作出复杂产品, 极大缩短了生产和设计周期。 (3) 可以满足不同消费者需要。传统工业注重批量化生产, 3D打印技术则更能激发人的想象力, 满足产品设计者和消费者的个性化需求。3D打印技术生产的产品不再千篇一律, 而是独一无二。这将开创传统工业从批量制造到批量定制的华丽转变。
2 3D打印技术的发展现状
尽管3D打印技术将对传统制造业产生翻天覆地的影响, 但我们还是应当注意, 目前3D打印技术的发展仍受到许多因素的制约。具体问题有: (1) 3D打印技术对打印材料的要求较高。3D打印技术特殊的产品制造手段, 成为了其发展的双刃剑[2]。一方面高效的生产方式促进了效率的提高, 另一方面则对生产材料有着很高的要求。3D打印所使用的材料不仅要能够被“打印”, 而且“打印”出的产品必须满足技术要求。因此在现阶段, 3D打印技术可供选择的材料较少, 这成为了制约3D打印技术发展的主要原因。以目前的材料科学发展情况, 可成为3D打印技术的材料主要为工程塑料、部分金属材料等, 然而这些材料都是专门为3D打印技术所研发, 与传统工业的生产材料还有着较大差距。 (2) 3D打印技术受支撑技术限制。3D打印缺乏支撑性技术, 是制约自身进一步发展的另一个重要原因。举例来说, 包括打印产品速度过慢, 打印出的产品精度不高等。这都从侧面反映出当前3D打印技术的发展仍处于较低的水平。 (3) 3D打印技术缺乏严格的技术规范。由于3D打印技术才刚刚起步, 行业内部缺乏明确的、可执行的、有效地条款, 造成了目前3D打印技术在打印材料的选择上缺乏统一规范, 这也阻碍了3D打印技术的进一步发展。 (4) 3D打印技术在短时间内仍难以取代传统制造业。虽然相较于传统制造业, 3D打印技术有着无可比拟的优势, 然而在大规模批量制造及成本控制方面, 目前3D打印技术由于各方面的限制, 难以匹敌传统制造业; (5) 国内3D打印材料不足。我国目前3D打印技术还远未形成完善的产业链, 因此仅有少数企业能提供高质量的3D打印材料, 难以满足当前国内3D打印技术发展的需要。大量的原料需要依靠进口, 导致我国3D打印技术在推广和应用领域受到诸多限制。
3 促进我国3D打印技术发展的对策
与欧美等发达国家相比, 我国的3D打印技术仍有着一定的差距, 而要在全球的科技发展浪潮中缩短与国外的差距, 这绝非易事。除了政府要在政策面鼓励3D打印技术的发展之外, 还要做到各行业的通力协作。
3.1 加强政府对3D打印技术发展的支持力度
政府是高新技术发展的统筹与规划者。3D打印技术有着广阔的市场前景, 因此政府应当从政策完善、资金支持、人才培养、法律保护等多个方面[3]。主要包括:强化宏观调控, 制定3D打印行业规范;加大财政拨款, 为3D打印企业提供税收等财政优惠;鼓励高校设立3D打印技术专业, 培养3D打印技术方面的人才;完善相关法律法规, 保护3D打印技术的只是产权;强化社会监督, 重视对3D打印技术可能引发的社会问题, 严格控制3D打印材料的购买渠道。通过以上政策面的手段, 加大对3D打印技术发展的投入, 促进我国3D打印技术发展迈上新台阶。
3.2 增强创新能力
创新是企业乃至国家不断向前发展的动力源泉。只有强大的创新能力, 才能保证企业、社会在日益激烈的竞争漩涡中生存下来。首先, 要促进3D打印技术的理论创新。及时掌握全球3D打印技术的发展动向, 加强3D打印技术同电子、医学、物理等学科的交流, 为拓展3D打印的材料制造带来新的活力。其次, 建立3D打印技术信息交流平台, 以高校、科研所、企业研究成果作为基础, 加强高新科研机构之间的交流, 实现完美的科学研究机制。
3.3 完善3D打印技术产业链
促进我国3D打印产业技术联盟的形成, 定期开展3D打印技术产业相关研讨会, 鼓励高校、科研单位、相关企业的参与, 早日实现3D打印产业链上下流资源的整合。各方针对3D打印技术材料研究, 加大资金、人力的投入, 鼓励企业将非金属材料应用于3D打印技术之中。同时, 各高校与研究机构充分发挥自身技术资源优势, 通过与企业资金资源全面整合, 形成3D打印产业的产品设计, 软件开发, 材料创新、产品宣传等完整的产业链。
3.4 普及3D打印产品的应用
通过开展3D打印产品博览会作品等方式, 将3D打印技术推广到中小学校, 对少年儿童开展3D打印的教育宣传, 普及3D打印技术的知识, 激发他们对3D打印技术的兴趣。选取生物医疗、工业设计等领域, 有目的、有计划地将3D打印技术进行推广应用, 积极促进3D打印技术理论与应用的同步发展[4]。
3.5 加强国际间3D打印技术的交流
根据我国对3D打印市场的实际需要, 通过高校、研究所等平台, 积极开展通欧美发达国家的3D打印技术的国际交流, 形成高校与高校之间、研究机构与研究机构之间的合作关系, 互相吸取发展经验, 深化合作, 共同促进3D打印技术的进一步发展。
4 结束语
随着各个学科研究的不断深入, 3D打印技术的发展势必将进入新的层面。作为最具创新力的技术之一, 3D打印技术正在以自身独特的优势, 受到全世界的关注。3D打印技术当前还处于较低水平, 其内在的经济、社会等方面的价值亟待人们进一步挖掘。文章对我国3D打印技术的未来发展趋势提出了一些建议, 希望能对未来3D打印技术的推广和应用做出贡献。
摘要：3D打印技术在近几年得到了巨大发展, 备受社会各界的关注。虽然目前该技术还未能得到全面的普及推广, 但其发展前景无可限量。文章对3D打印技术的现状进行探讨, 分析目前3D打印技术发展所存在的问题。并对我国3D打印技术产业的技术发展提出一些建议。
关键词：3D打印技术,应用,发展分析
参考文献
[1]张曼.3D打印技术及其应用发展研究[J].电子世界, 2013, 13:7-8.
[2]江洪, 康学萍.3D打印技术的发展分析[J].新材料产业, 2013, 10:30-35.
[3]王博.浅谈3D打印技术的发展与应用[J].机电技术, 2014, 5:158-160.
关键词：三维打印；快速成形技术；系统结构；应用
三维打印快速成形技术的核心是：建立在微喷射原理基础之上，通过喷射方式自喷嘴中喷出一定的液态微滴，在此基础之上根据预先设置的路径逐层打印并成形。相对于传统意义上的立体印刷技术或者是叠层实体制造技术而言，三维打印快速成形技术有着非常确切的优势，包括对激光系统要求较低，设备投入资金较少，运行性能可靠，维护工作量少，成本低廉等多个方面。同时，三维打印快速成形技术能够在常温环境下操作，运行安全可靠，可适用的成形材料类型众多，价格均衡，有实践价值。因此，三维打印快速成形技术已成为当前整个快速成形行业中最具综合发展潜力与空间的技术手段之一，有着非常广阔的应用前景。文章即围绕三维打印快速成形技术的实现及其应用要点展开分析，望引起重视。
1.三维打印快速成形技术的实现
从喷射材料上入手，可对三维打印快速成形技术的实现方案进行分类，主要有两种类型：第一是建立在粘结成形基础之上的三维打印快速成形技术，第二是建立在直接成形基础之上的三维打印快速成形技术。具体分析如下：
1.1 粘结成形下的三维打印快速成形技术
下图（如图1）为粘结成形下三维打印快速成形技术的基本工作原理。在本技术方案实施下，首先需要在工作台上均匀铺设一层粉末状材料，然后参照零件截面形态，将粘结材料有选择性的打印至粉末层上，使实体区域内的粉末材料完全粘结起来，形成截面对应的轮廓，打印完一层后将工作台向下移动，然后重复以上操作步骤，直至完成整个工件。
1.2 直接成形下的三维打印快速成形技术
下图（如图2）为直接成形下三维打印快速成形技术的基本工作原理。在本技术方案实施下，首先需要根据待打印的零件截面形状，控制打印头在截面有实体的区域内打印光固化实体材料，同时需要在可支撑区域内对固化支撑材料进行打印，然后利用紫外灯照射技术，在光固化材料的基础之上同步进行边固化打印工作。逐层进行固化处理直至完成对整个工件的打印工作，最后将支撑材料去除掉，以得到对应的成形工件。
2.三维打印快速成形系统结构
在三维打印快速成形技术实现的过程当中，主要的工作流程为：第一步，采集粉末原料；第二步，将粉末平铺至打印区域当中；第三步，在模型横截面上对打印机喷头进行定位，同时喷涂适当的黏结剂成分；第四步，送粉活塞上升同时实体模型下降，以继续打印；第五步，重复以上操作直至模型打印作业完成；第六步，将多余粉末去除掉，对模型进行固化。建立在该技术基础之上，整个三维打印快速成型系统运行需要完成的动作流程包括：打印喷头沿X轴向以及Y轴向的扫描运动，成型腔活塞沿Z轴向运动，储粉腔活塞沿Z轴向运动，铺粉辊筒转向运动以及平向运动等。其中，喷头X轴向运动采取的是传统喷墨打印机操作系统中的字车运动系统，引入光栅技术进行检测，X轴向打印精度可以达到5670dpi单位以上。同时，喷头Y轴向扫描运动能够带动打印机沿与X轴垂直的方向匀速动作，双侧驱动方式为步进电机驱动，光栅检测，闭环控制，三维打印成形中的定位精度可以达到10.0um级别。同时，整个三维打印快速成形系统还可以通过应用步进电机的方式为涡轮减速器提供驱动作用力，以驱动丝杆螺母运动，在半闭环条件下实现对铺粉厚度的合理控制（注：铺粉电机运动仅需要控制电机的启停状态，同时配合合理设置转动速度的方式完成工作任务，即应用常规直流电机就能够满足相应的工作要求）。
3.三维打印快速成形技术的实际应用
3.1 三维打印快速成形技术在生物工程领域中的应用
生物工程领域研究中对无生物活性支架以及假体的制作一直都是备受关注的工作内容之一，传统技术手段需要对生物活性材料进行激光加热或烧结，对材料的生物活性有不良影响。而通过对三维打印快速成形技术的应用，能够将参与生命体代谢行为且可降解的组织工程材料制成内部结构具有多孔疏松特性的人工骨材料，将活性因子填充于疏松孔内，起到代替人工骨骼的目的。
3.2 三维打印快速成形技术在制药工程领域中的应用
当前口服药物制剂的制造方法主要有粉末压片以及湿法颗粒这两种类型，无论是哪种制药方法，都存在分解速度过快，难以到达血液，或短时间内血液中药物浓度过高的问题，对人体有非常不良的影响。而通过对三维打印快速成形技术的应用，则能够为药物释放可控性功能的实现提供有力的技术性支持，相信随着单药、多药复合释药性口服可控释放药片以及药物梯度控释给药系统等技术的成功研制与应用，三维打印快速成形技术的应用潜力将得到更进一步的扩大与提升。
3.3 三维打印快速成形技术在元件制造领域中的应用
通过对三维打印快速成形技术的应用，能够为产品结构设计检查工作的开展提供非常好的支持，同时，依托该技术能够快速制造产品所对应的功能原型件，从而尽早的展开对产品设计性能的检测工作，缩短设计反馈周期，提高开发有效性，降低开发成本。
4.结束语
结合本文以上分析认为：三维打印快速成形技术作为当前快速成形领域中最具发展潜力的技术手段之一，对比其他快速成形技术而言，有着众多的应用优势，其应用空间也是非常广阔的。特别是在当前快速成形领域学科不断发展与优化的背景之下，三维打印快速成形技术也势必会逐步得到更为广泛与深入的应用。且由于此种技术手段可供选择的材料范围广阔，故而在多个行业的应用价值正逐步显现出来，值得引起重视。本文即围绕三维打印快速成形技术及其应用的相关问题进行分析与探讨，希望以上引起各方人员的高度关注与重视。
参考文献：
[1]李晓燕，张曙，余灯广等.三维打印成形粉末配方的优化设计[J].机械科学与技术，2006，25（11）：1343-1346.
[2]晁艳普，白政民.金属微滴三维打印成形数据处理软件的设计开发[J].机械设计与制造，2014，（8）：236-239.
[3]庄佩，连芩，李涤尘等.仿生多材料复合增强骨软骨支架的制造及性能研究[J].机械工程学报，2014，（21）：133-139.
本次课主要讲解激光3D打印技术的应用。
教学目标是：通过本次课的学习，让你了解激光3D打印技术的应用领域。
目前，激光3D打印需求量较大的主要有航天、医疗、制造业等诸多行业，我们一一讲解：
应用1：航天航空
我国歼15在装机试车时，采用传统铸造技术研制的一个关键零件始终不合格。当时，在时间非常紧迫又缺乏相同金属材料的情况下，利用激光3D打印技术直接打印出一种性能比较接近的金属零件，最终通过了检测。
西北工业大学甚至可以利用激光直接3D打印出飞机机翼，这也是一个非常了不起的成绩。
应用2：医疗
人类是很脆弱的生物，稍不留神，身体上就会受到伤害而无法弥补。现在可以利用3D打印技术培养出人体细胞及组织，从而制造出医疗植入物将提高伤残人士的生活质量。
3D打印的人体器官有很多优势，它可以根据人体特征进行精确配型，让打印出的器官及组织在人体内更好的工作。
比如，上图利用3D打印出的血管组织，和下图3D打印的心脏，都可以根据人体特征进行精确配型。
当前，3D打印已经成功打印出人体的各器官，而且这些器官和组织已经应用于手术之中。
激光3D打印技术在医疗应用方面的研究已经涉及纳米医学、制药乃至器官制造。我们相信，3D打印技术在未来一定会使定制药物成为现实，来缓解当前器官供体短缺的、等问题。
应用3：工业设计
3D打印可以为工业设计提供优势。在设计的早期阶段，无论在功能还是创意上，实体模型都能为您提供宝贵的信息。
比如这些栩栩如生的实体模型，都是3D打印而成，实体模型是你与客户交流沟通的最有效工具，在将数据从计算机挪到生产线之前，它也是对数字模型进行测评的最佳工具，可以极大地缩短研发周期。
应用4：建筑房产
3D打印在建筑行业的应用已经很普遍。
我们可以利用3D打印直接打印出建筑模型，比如这2个建筑。
让用户对建筑的风格、样式、甚至色彩都一目了然，其真实度可以达到100%。如果用户还想进一步了解的话，我们甚至可以打印出个性家装设计及建筑户型三维实物模型。
比如这2个三维的户型以及家装设计实物模型。
应用5：制造业
3D打印离大规模应用尚存距离，但在制造领域已经先行一步，比如可以直接打印出太阳能电池。
内部多孔的，利用传统工艺不易制作的复杂零件。甚至可以直接打印出赛车的零部件。
应用6：个性饰品
随着社会的不断发展，人们的个性化需要也越来越多。3D打印正好可以满足这一需求。
比如我们可以直接打印出具有个人意愿的时尚珠宝等个性首饰。
小结一下这次课的主要内容：
本次课介绍了激光3D打印技术的主要应用行业：
主要有航天航空、医疗、工业设计、建筑房产、制造业、个性饰品等。除了这些，3D打印还在文物保护、食品制造、科学研究等多个方面也有用武之地。而且随着技术的进步，它的应用肯定会越来越广泛。
最后看一下我们的作业。
摘要：随着3D打印技术的日益成熟，以及其在各行业和领域极具潜力的革命性应用，如何普及3D打印并为社会培养专业的3D打印人才是当前学校教育的一个重要课题之一。本文分析了3D打印分别在不同教学阶段的受众特点，针对大、中、小学总结出不同的教学目标和教学方法，提出了一个全过程的3D打印教学体系和培养方针。通过具体案例，本文指出可以将3D打印融入主流课程的教学实践当中，服务和提升已有课程的教学水平。最后，本文总结了3D打印在教学实践中可能面临的问题和解决方案，为有效开展3D打印在各阶段的教学提供了理论指导和实际建议。
Abstract： With the increasingly mature of 3D printing technology，as well as its application in various industries，how to popularize 3D printing and cultivate professional 3D printing talents for the society is an important task of the current school education.This paper analyzes 3D printing audience characteristics in different stages of teaching，sums up different teaching goals and teaching methods respectively for college，middle school and primary school，and puts forward a whole process of 3D printing teaching system and cultivation guidelines.Through the specific case，this paper points out that 3D printing could be included in the mainstream curriculum teaching practice to serve and enhance the level of existing teaching.Finally，this paper summarizes the problems and solutions of 3D printing teaching practice，provides theoretical guidance and practical advice for effectively carrying out 3D printing in every stage of the teaching.关键词：3D打印；技术创新；教学方法；人才培养
Key words： 3D printing；technological innovation；teaching methods；cultivation of talents
中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）32-0178-04
0 引言
发达国家已经开始探索3D打印技术对教育的影响，并成立了相关的项目用以促进3D打印技术与教育的融合，从而培养出适应现代设计、制造潮流的人才，从而提高自身的竞争力。新媒体联盟（New Media Consortium，NMC）在2013年地平线报告中提出，3D打印是未来四到五年内值得关注的新技术，它将带来教学、学习和研究领域的创新[1]。英国教育部已经选取多所小学作为试点学校，设立相关的基金，为学校购买3D打印机，并对教师进行相关培训，此外，还开设3D打印的相关课程作为学生的手工课。学生可以通过电脑建模，打印自己所喜欢的模型[2]。欧洲的一些国家也进行了3D打印的相关教学调研，如“未来教育与学习”（LIFE）项目，对欧洲7国的师生进行调研，以获得3D教学对学生课堂的专心度和学习成绩的影响[3]。希腊在两所高校开始初步试验将3D打印作为学习手段的教学方法[4]。美国STEM教育中的STARBASE Minnesota是对学生提供STEM训练的教育项目。该项目通过引入3D打印的支持，使学生能通过CAD软件自行设计相应课程的模型，并进行实际的测试和分析。该课程项目能极大地调动学生的积极性，使枯燥的数学分析亦能激发学生的兴趣[1]。此外，还有一些职业学校的项目，如PlayMaker。该项目围绕着3D打印技术这一核心的课程，学生可以设计、打印和验证模型的物理理论。
较之国外而言，国内3D打印的普及和教育仍处于起步的阶段。国家当前十分重视3D打印技术和应用的发展，例如我国科技部已将3D打印技术纳入国家863计划，各地学校也开始进行有关3D打印课程的试点。3D打印发展现状以及学校教育的可行性
目前3D打印机的成本及其打印材料、质量、时间等都是制约3D 打印在学校教育中普及的因素。解决好这些瓶颈能更好地促进教学和研究的发展，为探索教学新方向提供有效的方法。
1.1 3D打印机成本 3D打印机的成本一直是制约3D打印发展的瓶颈。3D打印机的售价从几千元到几十万元不等。为了降低3D打印机的成本，许多公司已经着手相对廉价的3D打印机的研发。据报道，有些公司已经开始抢占教育行业的市场，推销千元以下的3D打印机。随着3D打印机的成本进一步降低，其普及将不再是难题。
1.2 3D打印的材料 另一个制约3D打印普及的瓶颈是耗材。目前的3D打印可以支持多种打印材料，如热塑性塑料、尼龙、合金、金属粉末、石膏、陶瓷、可食用材料、光敏树脂等。虽然3D打印支持多种类型的材料，但不同的材料需要相应打印设备的支持，此外打印材料的价格也并不便宜。目前的教学研究中使用较为普遍的是PLA（生物降解塑料聚乳酸，Polylactic Acid）材料和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，Acrylonitrile Butadiene Styrene Acrylonitrile Butadiene Styrene）。一千克的PLA或ABS耗材的市场价格为60元左右。随着材料的进一步改进和研发，生产技术的发展和生产厂商的增加，普通耗材的价格将慢慢降至教学可接受的范围内。
1.3 3D打印的质量 在打印模型的过程中，有时会由于机器本身或环境的问题，导致打印的质量并不理想，成品率一般在30%-50%左右，甚至更低。其中廉价的3D打印机也是使成品率降低的原因。种种原因将不利于教学实践和教学研究的使用。随着3D打印技术将不断改良和创新，打印质量会随之而提高。
1.4 打印时间 打印时间长也是一个亟待解决的问题，现在的3D打印时间普遍偏长，阻碍了教学实践以及教学研究的发展。据报道，现下最新研究的3D打印技术CLIP（Continuous Liquid Interface Production）的打印速度是旧式打印的几十倍以上，其打印出的物体表面也十分光滑，完整。这项技术若能普及，将弥补3D打印时间长的缺点。3D打印在不同教育群体中的教学分析与探讨
在3D打印的教学上，学校应该在3D打印的课程进行细致、深入地规划，推行多方向、多环节的主题学习。学生通过探索、想象、实践等环节的学习后，将激发想象力以及提高学习效率与兴趣。结合不同时期学生的学习方向，学生在各阶段的进程和方向上都有所侧重，进程如图1所示。
2.1 小学教学 以“感性认识”与“培养想象力”作为小学教学的方向。这一阶段的学生，发散思维力强，想象力丰富，活泼好动，接受新鲜事物的能力强。
结合以上的特点，每个小学单位至少配备一台以上的3D打印机。设置的3D打印课程应该“浅入浅出”。所谓的“浅入”，就是用生动活泼、浅显易懂的语言对3D打印的原理和3D打印机进行简单的介绍，让学生在感性上对3D打印有初步的认识，对打印原理、设备以及应用范围有个大致的了解。“浅出”就是通过做些有趣味性、引发联想、充分结合课程的简单小实验、小制作来加深学生对3D打印的认识和理解。此外，学校不能一味地使用强制性的考试、规范化的实验对学生进行应试教育，而应使用更自由、轻松的教学方式以提高学生的兴趣，使学生产生成就感，形成教学的良性循环[5]。3D打印课程的目的是将3D打印作为学生通往兴趣爱好的一座“桥梁”，而非仅作为一门来自于课堂又终结于课堂的课程。
在教学上，可以根据学校自身的特点、专家的研究等设计小实验、小制作。课程的核心必须是以拓展学生的思维、引导想象力为主，目的是要激发学生的想象力和兴趣、培养其思维能力。
2.2 中学教学 以“想象力和实践相结合”作为中学教学的方向。这一阶段的学生，发散性思维的能力与接受新鲜事物的能力依然很强，有一定的知识基础和逻辑思维能力。在小学阶段，学生有异想天开、天马行空的想法，在中学阶段，开设的3D打印课程应该有意识地引导学生的想象力，将想象力与实践结合。在数学、地理、生物等科目可以结合3D打印课程进行科目的交叉与融合。应该让学生在已有的认识基础上，加深对三维空间的理解，并且能简单地掌握建模软件如Auto CAD的操作，能进行简单或者相对复杂的建模。
在中学教学中，学生已经学习到地理、物理、生物、化学等学科。在现阶段的中学教学中，教学道具仍然匮乏，尤其在经济不发达的地区，更是如此。教师基本无法使用道具进行演示，只能利用课件、播动画和视频来替代。学习知识不应该和活动情景分离而独立抽象存在[5]，在情境中学习，与社会实践活动结合起来的学习将有利于学习的横向拓展和纵向深入。3D打印不受图形限制，可以打印出结构复杂的教学模型，教师将内部认知结构可视化，化抽象为具体，化复杂为简单[6]。理工科的课程中，实体化、可拆卸与装配、可运动的教学道具更能激发学生的兴趣和想象力。在制作个性化、非大批量的教学道具中，可以很好地利用3D打印的打印能力。
2.2.1 3D打印在地理课程中的应用 在地理课程的学习中，应用到大量的实体模型。实体模型能培养学生视空间能力，如教师可以打印出可运动的太阳系模型（其中包含可拆卸的太阳、水星、金星和地球等模型），在不同节气改变地球的位置；可以打印出不同时间段物体或现象的标志性状态的模型；也可以打印出可拆卸的房屋模型，用以演示地震对房屋的破坏；或者打印天气现象的运动模型，用以表现气旋、冷锋、暖锋等天气现象的运动；再比如使用模型层层分离的展示方式，展示不同地带的地形地貌、山岳的形状等。
通过打印图2的恒星系统，如太阳系（组件均来自3D打印）。教师可以结合课本介绍太阳系，并且移动地球等行星，以及对节气等知识点进行介绍。还可以从系统中拆卸地球模型，取出内部的每一层结构进行细致地讲解，让学生从宏观到局部系统地了解太阳系的结构。通过实物化的可运动太阳系系统，可以使知识生动形象，加深学生的认识。
2.2.2 3D打印在物理课程的应用 在物理的课程学习中，物理的许多电路、定律皆可由3D打印模型演示。如对自由落体、胡可、弹性碰撞等定律进行验证，或是合力的箭头模型、同步卫星模型、地球模型、实验电路模型的演示以及电阻、电容、电感等模型的类比演示等。同时，制作的3D模型可以与电子电路相结合，使模型能够完成相应的演示功能，如模型的LED发光、自行水平移动、垂直移动和旋转等。
通过打印如图3设备（含打印的无盖盒子、机械结构、排液管等，除了电压表、电源以及导线外，其他结构均由3D打印而成）的零件，可以引导学生在宏观上对电容有一个深刻的认识。在盒子里倒入导电液体，与电源、电压表连成闭合电路后，旋转可移动间距的旋钮，调整盒子的间距，或者调整排液旋钮，排出一定量液体，观察电压表的电压示数变化。随后教师可以通过联系所学知识，解释实验现象。学生能调整盒子间距、导电液体的量、以及更换“电容”介质等进一步加深对电容的重要公式及相关知识的理解。3D打印类似的实验装置可以很好地应用于教学，不仅可以验证理论的正确性，还能培养学生的动手能力，激发他们的想象力和兴趣。只要有3D模型就能随时打印并组装，快捷且方便。
2.2.3 3D打印在生物课程中的应用
在生物课程的学习中，能应用到大量的实体模型。使用3D打印的技术，可以打印出可拆卸的细胞、细菌、病毒的结构模型、可拆卸的多肽链、多糖、蛋白质、核酸等大分子的化学球形结构模型或者可运动的细胞膜的结构模型。打印理解难度较大的细胞有丝和无丝分裂等模型可以很好地解决学生的理解问题。
通过打印出细胞模型，如图4所示的半截面的植物细胞模型。3D打印出层1（细胞壁）、层2（细胞液）外壳以及各种不同的细胞器（使用不同颜色材料的打印，以增加细胞器的区分度）后，再组合起来。因为打印的难度不大，整体耗材少，所以可以打印出整班的数量。教师进行相关知识的讲解前，可以把打印好的模型分发给所有的学生。学生除了能在课堂上结合老师的讲解和课本的介绍，利用细胞的立体模型对植物细胞的知识进行深入了解外，课下还可以用模型做进一步的对照复习。通过拆卸细胞模型，可充分调动学生的视觉、触觉等感官，加深其对知识的理解。
在中学阶段，除了在课堂教学上使用结合3D打印的教学用具外，可以适度举行涉及3D打印的竞赛，竞赛可以采用外观设计、组合结构、教学用具创新等形式。考虑到中学生的3D设计能力并没有良好的基础，因此学校或比赛举办方可以提供相关的模型给学生参考。如在机器人DIY竞赛中，比赛举办方提供种类繁多的3D模型包，学生可以自行设计机器人的结构图，并从模型包中取出相应的3D模型并打印，最后根据结构图组装起来。
2.3 大学教学 在目前的大学教学中，3D打印技术使用比较广泛。涉及到实物的外观、结构、机械、电路等的课程，皆可使用3D打印技术。除了在高等数学、大学物理、机械原理与设计、材料力学等基础课或专业课程的教学中使用3D打印的教学模型外，也能在实验、课程设计中使用3D打印。
随着各专业学科的交叉与融合，以及3D打印技术的日益成熟，它与各相关学科的结合会越加紧密，其作为“桥梁”性质的实现方式会越来越重要。各高校的专业设置虽涉及到3D打印，但并没有开设3D打印技术的相关课程，因此学生建模水平不高，设计出的成品与实际需求相距甚远。
3D打印本科专业建设的核心是“创新、设计、建模”。由于3D打印的接口面广，因此专业课设置要在不同方向上有所侧重。要学习的课程分为公共基础课、专业基础课、专业课以及课程设计。公共基础课包括高等数学、大学英语、大学物理、工程制图、线性代数、机械原理及设计、电工电子技术等。鉴于目前缺少适用于大学教学的3D打印教材，在此仅提供基础专业课的教学课程有：3D打印导论、3D打印原理、常规3D打印机的结构及组装、3D打印基础设计、3D建模基础与提高（使用目前流行的3DMAX、MAYA、Rhino等软件进行学习与应用）等。
学生自行选择不同行业方向的专业课，如动漫、机械、建筑、汽车、首饰等。以首饰专业课为例，它涉及到首饰设计、加工工艺、创意设计以及结构美学等课程。在选择相应的方向后，应增加该行业的相关知识的课程，以提高学生的基础。公共基础课、专业基础课作为学习基础，专业课则作为所学知识的综合运用。课程由浅至深，逐层递进和深入，最终促使学生掌握创新、应用的技能。教师在教授专业课时应注重引导学生的创新思维能力、发散思维能力，在实验、课程设计上应设计弹性大的题目。
至此，可以通过表1总结出小、中、大学不同学习阶段学生特点、教学基础、教学目标和教学内容。教学实践中的问题与建议
3D打印在本质上是多媒体技术的延伸，是虚拟现实技术的延伸，它拓展了人的感觉和知觉，促进了人的思维能力的进一步发展，它与教学的融合势在必行[7]。
目前，3D打印在教学实践中存在诸多问题或空白，拓宽教学实践的各环节将促使3D打印与教学实践进一步的融合与发展。以下提出相关的建议。
3.1 学校安装相关配套的3D打印机 目前大多数学校没有配备相关配套的3D打印机，而3D打印机是进行教学、研究的基础设备。如果教学条件允许，还可以配备相关的外围设备，如3D Camega、KinectDIY等专业3D扫描仪。此外政府可以出台相关的政策，为大中小学配备3D打印机及相关设备。据了解，我国政府计划将在两年内为全国四十万所小学安装3D打印机，用于学校的教学和研究。未来可能会在大、中学推行进一步的相关政策。
3.2 编撰规范化的教材 3D打印技术虽然不是一门新兴的技术，发展的时间也相应的比较长，但目前的教学中仍然缺少内容丰富、案例经典的教材作为教学的参考。因此可编写适合大中小学使用的3D打印技术的书籍作为教学的材料。但不强制要求各学校必须采用，学校也可以自行编写符合自身教学要求的教材。规范化教材编写的主要出发点是用于规范化的教学。
3.3 对教师进行培训 3D打印教师应该在技术和教学设计等层面进行学习和提高，做好领路人的角色。课程设计应该围绕“切合实际、拓展思维和激发想象力”的目的。在中小学教师的培训上，培训人员除了教授相应的3D打印原理、机械结构、耗材等知识外，应该将重点放在培训教师对学生的思维与想象力进行引导的方法和技巧上。培训大学和职校教师，应该使其“各习所长”，即在他们的专业方面，针对性地教授不同专业的结构、建模、耗材、支撑等方面的知识和经验，辅以典例为佳。
3.4 相关竞赛设计 在各类大中小学竞赛中，学生往往只能使用举办方所提供的配套组件进行组装和二次开发，这在很大的程度上阻碍和限制了学生想法的表达，不利于学生在实践中自由发挥和拓展。3D打印能很好地提供解决方案，学生可以根据自己的想法设计并打印出相应的模型，并组装在自己的参赛作品中。此外，为了使3D打印能更好地与教学、实践等融合，可以举行不同主题的比赛。竞技类型，如机器人足球、机器人篮球、机器人搏击比赛、竞速、花样飞行、抢夺比赛等；解决任务型，如智能辅助；开拓思维型，如组合联动结构。也可以举行开拓参赛团队思维的比赛，设计并打印出新颖、独特、具有创造性的机器人零部件、外壳、骨架等。鼓励比赛优秀的作品进行进一步的研发。这样的比赛除了能促进3D打印的技术更新和发展外，还能拓展学生对控制芯片的编程、机械结构、模拟电路的认识。
3.5 成立相关委员会 目前的3D打印并没有很好地纳入规范化的组织和管理中，成立相关的委员会是行之有效的方法。通过成立相关委员会，创立评选制度，可以支持大中小学的学生对感兴趣的方向进行创新。可以通过评选项目提供必要的资金，并配给相应的指导老师。再者，如果学生能够靠自身的能力切实改进了3D打印的技术，并有相应的展示方式，通过委员会的审核后，可报销其费用，并给予相应的奖励。
3.6 其他 授课老师引领学生发挥想象力，记录下他们对3D打印的想法（学习方法、技术的改进）等，将想法在大中小学校的网络共享平台上进行汇总，让不同的想法互相“碰撞”。也可以邀请相关方面的专家来校演讲，或是组织学生到政府、公司等开设的3D打印展区进行参观，使学生能接触到3D打印行业的新方向，了解3D打印的最新进展。总结
重视3D打印，就是要发挥一切积极的因素，使3D打印的课程和实践在学校教学中进行交叉与融合，不断循环发展。在3D打印教学的创新中，可以结合现在的在线教育、大数据等新技术，不断挖掘3D打印在课程教学的潜能和优势。在建设3D打印课程的体系中，需要多方协调和政策的支持，才能形成良好的教学和研究的氛围。
未来3D打印在教学、研究、设计、制造等方向的应用和实践将会进一步的深入和发展，它将以其独特的方式影响着人们生活的方方面面。
参考文献：
摘 要：随着会展行业的壮大及发展理念的革新，会展道具的创新理念与应用面向多元化发展，将3D 打印技术运用于会展道具领域，既是机遇又是挑战。基于3D打印技术和会展道具行业的发展现状，综合分析3D 打印技术应用于会展道具领域中的优势和不足。若能解决该技术现存的一些问题，与会展道具的特性相融合，更好地“以变求新”，必将助推会展道具行业的蓬勃发展。
关键词：3D打印;会展道具;应用优势;现存问题
一、概述
(一)3D打印技术简介
3D打印是指3D打印设备将完整的计算机模型，以逐层堆叠打印材料的方式来制造三维产品的技术。与传统锻造工艺相比，3D打印技术具有个性化生产、操作简单、快速成型、高精度等特点。3D打印技术的出现与发展为各行业的制作、生产、销售模式带来了巨大变革，并以迅猛的态势发展。
(二)会展道具行业发展现状
会展道具是企业形象、展品与观众之间传递信息的重要媒介。通过道具外观、组合形态，形成视觉冲击力，博得观众瞩目，提高观众的认同感和偏好感，达到印象深刻的展示效果。
目前会展行业大量采用“八棱柱系列展架”，该构件能够实现组装、拆卸快捷、可循环使用的功能，但受制于传统加工模式，致使道具形式刻板，无法满足高端项目的个性化需求。在提高会展道具重复利用率的同时，强化会展道具艺术效果、丰富会展道具使用功能，是会展道具未来的发展趋势。
二、3D打印技术在会展道具领域的应用优势
(一)实现展台造型个性化
随着会展行业规模及其影响力的不断扩大，在展会中如何使展台脱颖而出吸引更多观众驻足成为参展商亟待解决的问题。参展商对展台个性化定制的需求日益加大，成为会展道具行业的发展趋势，而3D打印技术的问世成功解决了个性化定制这一难题。受传统生产工艺限制，扭转或异形曲面结构制作复杂，难度较大，但是通过3D打印技术，只需要在计算机内设计好道具模型，配合3D打印设备任何复杂难成型的构件均可通过“打印”方式在短时间内一次成型(图1)，如同平面打印一般可以同时打出不连续的线条，实现“即想即得”。
3D打印技术能够使很多看似天马行空的设计成为可能，挣脱技术短板所带来的桎梏，最大程度地将设计师的思维展现在世人的面前，使更多的灵感和创意将会成为真实的产品[1] 。3D打印技术丰富了展台展示形式，提升了展台的审美价值，为会展行业注入更多鲜活与不竭的动力。
(二)简化会展道具制造程序、缩短制作周期
传统锻造工艺从建模、开模到出样需要两三个月之久，3D打印生产无需开模、建立专门生产线，只需一台3D打印机就可将产品直接打印成型，大幅缩短制作周期并提高新品研发效率。另外对于一些结构复杂、精细的组件，不必一一开模制作，只需通过计算机和3D打印机反复修改调整，便能减少资源成本的浪费。
(三)提高会展道具研发期沟通效率
在道具研发初期，生产商往往只能借助较为抽象的平面图纸或是计算机草模作为可视化媒介与客户进行交流，缺乏直观性。3D打印机快速成型的特性使得道具构件可在短时内生产出来，更好地展示道具造型，证明道具结构合理性，在原型测试阶段及早发现道具在性能上的设计缺陷，规避道具生产风险。
比如3D system 公司的Cube3D printer(图2)，可以打印5.5 英寸×5.5英寸×5.5英寸大小的立体模型。有了这种设备，一些小型道具，生产商和客户在各自办公室就可以直接制作出来，及时进行原型测评，该方式大幅度提高了沟通的效率，给未来会展道具研发、制造模式带来颠覆性的变革。另外，使用企业内部的3D 打印设备制作原型，避免了由于原型制作生产的外包而带来的知识产权泄露的风险[2]。
(四)降低人工成本
3D打印机可以实现零技术制造，普通人可在不通过任何专业培训的条件下，使用机器打印道具，实现现场制造。并且在打印过程中不用专人看管，只需等待产品完成，某种程度上来说道具的研发到生产只需道具设计师一人即可，大大节省了人工和运输的额外花费。
(五)打印材料多元融合，绿色低碳
大部分会展道具在撤展后不能回收利用，造成大量建筑垃圾，新型节能环保材料的探寻与新技术的开发利用是当代会展行业研究的新方向。行业发展理念的`转变，促使会展道具在设计制作上应结合多种材料属性，实现低碳、环保、可持续发展。
随着3D打印设备的不断革新，目前我们可以将多种原材料融合在一起，形成新的材料打印成品。以废弃的小麦、水稻、玉米等秸秆经过粉碎与添加化学材料的分子与功能改进制成的3D 打印材料，价格低廉，绿色环保，改善了秸秆焚烧对环境的污染，同时节约了能源，这些新材料新技术极大地开拓了设计者的设计塑造空间[3]。
三、3D打印技术在会展道具行业中遇到的阻碍
(一)道具模型颜色单一
3D打印技术可以快速制造出任何形状的道具，但3D打印机对于原件的颜色，就显得有些无能为力了。它不像普通打印机可以在平面上同时打印出各种色彩，它往往只能打印出一个颜色，成品的颜色看上去仅仅像是其原型的阴影，无法展现物件表面肌理和质感(图3)。虽然打印出的部件可以通过后期抛光、电镀、上色达到理想效果，但这无疑增加了工序，提高了成本。
(二)打印成品材质单一
材料是道具的皮肤， 如今会展道具设计推崇自然和人工材料的有机融合，将不同属性的材质组合搭配，强化会展道具功能、突显材质美感进而提升道具视觉艺术属性。目前的3D 打印技术可以做到把基本材料组合打印产生新材料，但3D打印机不能做到将不同材料焊接为一体，无法在同一时间内叠加打印多种材料，使其应用范围大大折扣。
(三)打印成本相对较高，难以普及
目前，我国3D打印原材料缺乏相关标准，国内有能力生产3D打印材料的企业很少，特别是金属材料主要依赖进口，价格高，这就造成了3D打产品成本较高，影响了其产业化的进程[4]。3D打印技术用于个性化产品制作，成本相对比较低，但如果是批量生产，价格就远高于生产线制造，并且3D打印设备价格高，小型设计公司或是自由设计师缺乏购买力，在设计行业中普及困难。
因此，当前的迫切任务就是加大3D打印材料的研发和生产，丰富色彩选择，同时不断改进3D打印技术提高打印品质，从而促进我国3D打印产业的发展和普及。
四、展望
3D打印技术的发展，为会展道具行业的发展提供了无限的可能性，拓展了道具形式自由度，参展商和生厂商不用再顾虑生产方式，而可以专注于道具形态、功能、低碳环保的创新。虽然现有的3D打印设备和打印材料价格相对较高，但随着3D打印技术的不断革新与成熟，新材料的研发与应用，打印成本下降将是未来的趋势。新技术的引进与应用促进了会展道具研发生产的创新，3D打印技术必将为会展道具设计行业带来巨大的变革，助推其发展。
参考文献：
[1]岑立，杨建琛，元斐斌.3D打印技术对建筑行业发展的影响[J].科技创新导报，，(12)：37.
[2]张楠，李飞.3D打印技术对产品设计理念的影响[J].机械设计，，30(07)：97-99.
[3]李文嘉.基于BID 思维的3D打印家具设计创新研究[J].美术界，2015，(01)：76-77.
此时此刻, 记者桌上有一个灰色的名片夹, 树脂质地, 结构精巧, 阳刻着“Objet”LOGO。这是个其貌不扬的名片夹, 恐难吸引身后来往同事的目光。但是, 当我告诉你, 这个名片夹是由一台型号为Objet30的打印机在7个小时之内打印出来的, 你会否怀疑自己听错?你会否忍不住拿起它细细端详?
这些模型都是被打印出来的
你没弄错, 这就是现在全球流行的3D打印成型技术, 一般应用在工业设计领域。汽车、日化、家具、电子、医疗、科研……3D打印早就渗入到你的生活, 只是你之前不知道。
设计人员的“眼见为实”
如果好友给单身的你介绍了一个女朋友, 你会只凭着一张照片就认定她合不合眼缘吗?一定不会, 结论一定是在见过真人后才下的。
设计界也一样, 若设计一台机车发动机, 一定要事先铸造出铸型, 后慢慢研究;若设计一款饮料瓶, 定会做出实体模型看实际效果。
用木材或金属加工出原型件的过程往往耗费少则几周, 多则几月。而如果嫌周期过长而跳过这一过程, 很可能会漏过设计上的缺陷, 到最后还要回过头来重新修改, 开发速度不增反降。
3 D打印成型技术诞生在20年前, 甫一出现就被认为是设计领域的革命性创新。因为, 该技术让原型件的制作过程缩短到几十或几个小时。“我们已经缩短了5到6周的临床试验设备生产时间。”Lvivi公司的首席技术官DiMino说。
因为快速, 制作高质量的仿真原型的成本也较为低廉, 意味着设计团队可以在项目过程中实现原型检测, 这在过去几乎是不可行的。
俗话说眼见为实, 但在设计人员的概念里, 眼见为实往往指的是触感。现在出现的虚拟现实等仿真技术, 通过运算可以使我们看到设计原型的3D视频, 观察角度随时更换。但是, 设计师们还是会在这之后制出原型件, 作为传达产品感观、触感及运作模式的载体。
“客户会说:‘你打出的原型是我描述的样子, 但现在看见了实物, 我想X、Y或Z的地方还是需要修改’。”Orchid Design公司的迈克劳林说在使用了3D打印机之后的经历。
“铁盒子”是怎么工作的?
Objet是一家以色列公司, 是成功喷射聚合体材料的第一家公司。Objet在2000年初推出拥有专利的PolyJetTM技术, 目前世界500强企业中很多都在用其设备。
记者在展示现场, 见到了他们生产的打印机和诸多打印出的模型。3D打印机并不神秘, 它的外形和你公司的打印机看不出太多差别, 方方正正的“铁盒子”。而这些打印机能打印出的模型之精细超越想象, 玩具人偶, 人头骨模型, 镂空花瓶, 手机模型, 汽车发动机模型, 除了材质, 几乎跟实物并无二致。
这些精细的原型是如何被“活生生”打印出的呢?想一下, 一座房子是怎么用一块块红砖砌起来的。
Objet中国区总经理汪祥艮告诉本报记者, 打印机喷头喷射出的是一种光敏树脂材料, 喷头沿X轴方向来回运动, 就好像一台行式打印机, 同时喷射出一层非常薄的树脂在工作成型托盘上。
当树脂被喷射到成型托盘上后, UV紫外线固化灯沿着喷头工作的平台射出UV紫外光, 立即成型和固化每层的光敏树脂材料, 此步骤避免了使用其他成型技术需后期另外加工固化材料的过程。
完成一层的固化工作后, 设备内置的成型托盘将会精确的下降一个高度, 打印喷头将继续喷射光敏树脂进行下一层的打印和固化。一层一层, 如此反复, 直到整个模型打印制作完成。
“打印机的喷嘴口径为42微米, 喷射出非常微小的树脂液滴, 层厚只有16微米, 目前为业界最薄。因此无论打印出的模型多么复杂, 其表面都是光滑平整。”汪祥艮说。
成型模型的过程中使用了两种不同种类的光敏树脂材料, 一种用来生成实际模型, 另一种是类明胶状的用来作为支撑。这种支撑材料由程序控制被精确地添加到复杂成型结构模型的所需位置。例如一些悬空, 空腔, 底切, 复杂细节结构和薄壁等结构。当完成整个打印成型过程后, 用内置水枪就可容易滴去除这些支撑材料, 留下光滑整洁的成型件。
它还能做些什么?
目前, 3D打印机的主要作用还是使制造商和工业设计师降低产品开发周期的成本, 并大大缩短新产品的上市时间。
但我们也可以对该技术有新的期许, 比如去年9月, 世界上第一辆“打印汽车”就曾亮相加拿大, 那辆3D“打印汽车”名叫Urbee, 是一辆三轮、双座混合动力车。它使用电池和汽油作为动力。虽然单缸发动机制动功率只有8马力, 但由于其小巧轻便, 最高时速可达112公里。
我们完全可以想象, 在未来的某天, 家里某处螺栓松了, 可是手头没有工具, 于是你用家用3D打印机打出一个多用扳手。孩子长高了, 原来的自行车有些小, 于是你打印了一辆大点的。也许你觉得有些不现实, 可是二十年前你是否做过拥有一台打印机的梦?
相关链接
3 D打印机“复制”宇宙飞船
据国外媒体报道, 美国国家航空航天局正在研究一项被称为“未来3D打印宇宙飞船”的技术, 拥有了可3D打印的各种空间飞行器是个巨大的科技突破, 美国国家航空航天局探索能否通过“打印复制”出廉价的机器人宇宙飞船, 配备上相关的电子设备对宇宙进行探索, 该想法如果成功实现, 那将是对空间探索领域革命性的突破。目前, 可打印的各种电子器件已经被大众所熟知, 它们由喷墨打印机使用特殊的液体“复制”出导电通道、晶体管、电路甚至是光伏电池, 比如Kapton薄膜就是一种聚酰亚胺薄膜, 是性能非常好的绝缘材料, 其由杜邦集团生产, 可在较大的温度变化范围内保持稳定性。
通过这个技术, 科学家就能“复制”出供机器人宇宙飞船使用的大量电子设备, 包括了在探索天体途中使用到的各种传感器, 比如科学信息收集设备、数据处理、下行传输数据链以及通信系统。根据位于加利福利亚州帕萨迪纳的美国国家航空航天局喷气推进实验室科学家坎德拉·舒尔特介绍:对于可3D打印的宇宙飞船, 较为疯狂的一点是, 即没有任何结构可言, 整艘宇宙飞船基本上就是一张纸。
世界首例3D打印下颌移植手术
据英国《每日邮报》报道, 世界上首例由3D打印技术制作的人工下颌骨移植手术细节日前公布。移植手术于去年6月在荷兰进行, 接受移植的病人是名患有骨髓炎的83岁女性。术后她的恢复状况良好, 新的下颌骨并未影响她的语言表达和进食能力。
这项新的人造骨骼3D打印技术由比利时公司LayerWise和比利时哈瑟尔特大学的科研人员共同开发研制, 而器官制作过程被称为“叠加制作法 (AM) ”。通过该方法, 技术人员可根据移植患者的具体需求来设计骨骼部件的效果图, 然后利用高精度的镭射枪来熔解钛粉, 并将它们一层层地喷涂叠加起来, 最终形成一个立体的人造骨骼部件成品。整个过程不需要任何的胶水或粘结剂。
据哈瑟尔特大学的尤勒斯·波肯斯教授介绍, 作为世界上首例“订制”人造骨骼部件, 这项先进制造技术在医学领域里的应用无疑是一项创举。因为通过该技术制作的人造骨骼不仅精准度高, 而且其设计过程中还考虑到了患者术后其他相关生理机能的恢复与发展。
“去年6月的那次下颌骨移植手术非常成功, 用时不到4小时。术后, 患者在麻醉剂药效减退后, 就已经可以张嘴说出一些简单的词汇, 并且隔天就可以正常的对话和吞咽了。一般, 类似的手术过后需要住院观察14至28天, 但这位患者由于恢复情况良好, 术后4天便出院了。”波肯斯教授说。
引言
众所周知，第一次工业革命和第二次工业革命分别以蒸汽机的发明和电气化的使用为标志，以其强大的生产力解放为基础，深刻地改变了西方资本主义国家甚至整个世界的面貌，有力地推动了世界现代化的历史进程。可以说，最新最前沿的科学技术的掌握和最早应用推广，将是未来国家间竞争的重要体现和地位分水岭。那么，当下最值得关心瞩目的科学技术是什么呢？毫无争议，3D打印技术将占一重要席位且有愈演愈烈之势。
3D打印技术的扼要介绍
我们有必要先搞清楚，什么是3D打印？ 3D打印（三维打印）是增材制造技术的俗称。3D打印，名为“打印”实为“制造”，结合智能数字化，更可实现“创造”！实际上，在大量的英文文献中，3D打印常被称作3D制造，这更准确的描述了3D打印的本质。与传统的“切削去除材料”的加工技术（如3D雕刻）完全不同，3D打印以经过智能化处理后的3D数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可热熔黏合材料，通过分层加工、叠加成型的方式“逐层增加材料”来生成3D实体。由于可采用各种各样的材料（液体、粉末、塑料丝、金属、沙子、纸张，甚至巧克力、人体干细胞等），而且可以自由成型，所以3D打印技术是名副其实的“万能制造机”。
3D打印技术的未来发展方向
正如很多科学前沿文章描述的3D打印技术——这是一种新型的增材制造方式，和以住触动世界的生产方式不一样，这一次预示着第三次工业革命的开始。我们可以从以下五个方面来一窥其势：
（1）目前3D打印速度和效率不高，不利于其普及应用，随着制造工艺的改进，打印速度和效率会有很大程度的改观。
（2）目前的3D打印机，以单喷头为主，一次只能打印一种材料。随着技术的成熟，材料更加多样化，也可以打印几乎所有的颜色。
（3）设备成本大幅下降。价格从数万元降到几千元，到那时，每个人都买得起，家家户户都可以拥有自己的3D打印机。
（4）打印精度更高，表面质感更好，打印出来如同工厂生产般精致，可以直接使用。
（5）使用体验更简单易用，如针对家庭等民用市场的3D打印机，会具备更家电化的外观，操作上也会更简单，就像操作微波炉、电饭煲一样方便。
3D打印技术的对于中国制造业带来的影响
3D打印技术的发展前景如此之广阔，发展势头如此之强劲，那么对现有的生产关系及模式有何影响呢？据社会科学家研究推测，3D打印技术对当代中国制造业的高速增长有着重要的革命性意义，主要体现在以下三个方面：
（1）随着3D打印的普及，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。激发个性化需要，形成一个新兴的文化创意制造产业，并增加社会就业。
（2）动用3D打印技术能够缩短产品开发时间，创新速度将大大加快，新产品将以更快的速度进入市场。
（3）利用3D打印技术，越来越多的公司将能提供3D打印服务，应用的趋势越来越个人化，这样能够极大地提高个人的创造力，将创新的能力交还给每个人，实现个性化的制造，发明家和产品设计师将大量涌现。
3D打印技术的推广应用
快速发展3D打印技术的推广应用，笔者认为，现阶段主要从以下几个方面分析研究：
其一，从历史的高度，着眼于3D打印技术的发展。从研究机构、高等学校从上至下深入研发3D打印技术以及新材料的研发，高校成为3D打印技术的实验基地，研发出新产品材料样本，建立3D打印机枝术的基础理论和体系，服务于地区发展。
其二，加强对3D打印技术的普及教育。把3D打印技术引入课堂扩大受众群体，加强产学研的沟通与交流，将研究成果应用在实际项目中，将3D打印产品推向市场。
其三，加快3D打印机技术的推广应用和试点示范。选择适合3D打印技术的高端、有潜力的行业领域进行试点应用，在此过程中探索完善3D打印运营模式，制定3D打印机应用中长期发展战略。
综上所述，3D打印技术是方兴未艾的在可预见未来的核心技术革命之一，在全世界社会大生产领域内势必将引发深刻的革命性意义，我们应高瞻远瞩，及时果断地把握好时代气息，把3D打印发挥的无限精彩。
一、教学目标
1.知识与技能
(1)扩大学生的知识面,开阔视野。(2)培养学生独立思考的能力,培养学生的发散思维。
(3)培养学生的协作精神。2.教学重点: 过程与方法
通过学生课前搜集资料,师生课堂共同介绍了解3D打印技术,学生进行讲解和展示,培养学生独立学习思考的能力,通过对3D打印技术立场的讨论,培养学生的发散思维。
3.教学难点:
如何用最简单直观的方法讲解、了解科技前沿的知识。
4教学流程
4.1利用多媒体先入为主,激发兴趣,导入内容请同学们观看电影《十二生肖》中的一段场景,(成龙戴着手套摸了一下兽首,瞬间铜像数据就被远程传输到了电脑里,随即一个一模一样的兽首铜像被“打印”了出来。)请问你认为电影中的场景实际生活中能实现么？这种技术叫3D打印技术。对大多数同学来说,这项技术是很陌生的,今天我们就通过本节课揭开3D打印的神秘面纱。
4.2教师简单介绍:3D打印的实际操作过程到底是怎样的,当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时,如何解决难题。给大家准备了两段视频,下面给大家展示一下，视频一:卡通人物打印过程。学生观看视频后讨论其打印过程,并根据自己的理解进行讲解,之后由师生总结用液体打印物体的方法。视频二:打印金属的过程。学生观看视频后讨论其打印过程,并根据自己的理解进行讲解,之后由师生总结用粉末打印金属的方法。教师的专业指导:光固化,光辐射固化技术包括紫外光、微波、红外光、激光等的辐射固化,它们利用光的波动性产生激发分子,且波长越短,穿透能力越强,固化效果越好。另一种是电子束、χ射线、γ射线等对聚合物的辐射固化,它们是利用光的粒子性,不仅产生激发分子,而且还产生电离。因此,这两类辐射固化的机理不同。目前研究最多的也是紫外光固化和电子束固化这两种方式。教师的拓展性提问:3D打印技术有望在以下几个行业中得到广泛使用:传统制造业、医疗行业、文物保护、建筑设计行业、配件饰品行业。在这些行业中你觉得可以如何使用3D打印技术？下面请同学们大胆想象展开讨论。之后由教师展示PPT。(1)3D打印的食品:面包、巧克力、蛋挞等。
(2)3D打印的房屋:英国3D打印房屋,采用纤维尼龙结构作为骨架,来代替实心的墙体。房屋组件采用激光烧结的生物塑料,这比用沙子或混凝土印制的质量更好。
(3)全球首辆3D打印汽车时速可达112公里,该款汽车并非玩具,而是真能开在路上跑的家伙。
(4)3D打印足球鞋:蒸汽激光爪(VaporLaser Talon Boot),运动品牌NIKE公司就设计出了一款3D打印的足球鞋。整双鞋只有150多克重。能提升足球运动员冲刺能力。
(5)其他方面:美国3D打印枪支、3D打印机制作钢铁侠的手套、3D打印笔。(6)医疗方面:使用3D打印出人的头骨,来替代患者原本高达75%已受损骨骼。此
外还有3D打印的肝脏组织,耳朵,骨骼,血管等人体器官。
问题思考的逐步深入:3D是否能够打印人体,讨论其可行性。说明3D打印的两面性。(1)将来的工业革命。(2)过于神话。(3)新瓶装旧酒。这个环节一定要让学生们充分的展示自己的思想,立场问题不存在答案的对与错,鼓励大家积极的开展讨论与交流。比如:3D打印的发展也会遇到他的瓶颈期,例如材料的限制,如果将纳米技术与3D打印技术结合,将会有更新的突破和发展。延伸:4D打印的思想已经诞生,第四维度指的是时间。让打印出的物体有智慧,随时间推移自我变化„„最后,通过本节课同学们的收获和感悟是什么,让大家谈谈自己的感想。学无止境,科学创造也是无止境的。希望同学们在今后的学习生活中,把你的视野放得的更宽,思路扩的更广。
5教学反思依据本节课的教学目的:扩大学生的知识面,培养学生独立思考的能力,培养学生的发散思维,培养学生的协作精神,锻炼 学生查阅资料的能力。因此，上课前对学生布置课前准备工作,要分工明确具体。例如,对3D打印的简介这种简单的问题,完全可以留给学生完成;而3D打印的展示,网络
资源丰富,可以调动学生自主查找相关图片和视频,制作PPT,并在课堂展示,这样 在个别环节采用学生的参与取代老师的讲解,充分调动学生的积极性,并且使学生在
