3d打印先進(jìn)技術(shù)論文
3D打印(Three Dimensional Printing)始于上世紀(jì)90年代，是快速成型技術(shù)的一種。學(xué)習(xí)啦小編整理了3d打印先進(jìn)技術(shù)論文，有興趣的親可以來(lái)閱讀一下!
3d打印先進(jìn)技術(shù)論文篇一
3D打印技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究
摘 要：目前，3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展勢(shì)不可擋，但在教學(xué)中的應(yīng)用仍處于探索階段。本文在分析3D打印技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，深入剖析了3D打印技術(shù)在教育中的作用，并構(gòu)建了基于3D打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用模式，以期為進(jìn)一步研究3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞：3D打印;教育應(yīng)用;模式構(gòu)建
中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7503(2014)11-0016-04
3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字形式從三維立體模型快速構(gòu)造物理對(duì)象的新型快速成型技術(shù)。該技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)、骨骼打印、文物打印、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車零件制造、航天和國(guó)防、教育、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。眾多研究者認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)將引領(lǐng)制造業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，甚至被譽(yù)為2012年10大發(fā)明之一。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)逐漸與各個(gè)領(lǐng)域深度交融，成為各個(gè)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的有力助推器。那么，3D打印技術(shù)與教育領(lǐng)域的深度融合又將給教育界帶來(lái)哪些革命性的變化呢?
新媒體聯(lián)盟(New Media Consortium，NMC)在2013年地平線報(bào)告中首次將3D打印技術(shù)列為教育領(lǐng)域未來(lái)4-5年內(nèi)待普及應(yīng)用的創(chuàng)新型技術(shù)。鑒于3D打印技術(shù)在教育改革與創(chuàng)新層面的無(wú)限潛力，本文將從介紹3D打印原理切入，深入分析3D打印技術(shù)在教育中的作用，并構(gòu)建基于3D打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用模式。
一、3D打印的原理
3D打印是快速成型工業(yè)形式的桌面級(jí)替代方案。圍繞3D打印機(jī)的很多討論源于制造者文化，即由設(shè)計(jì)者、程序員及其他對(duì)科學(xué)和工程嘗試使用DIY(自己動(dòng)手做)方法的人群形成的興趣共同體。其獨(dú)特之處在于無(wú)需機(jī)械加工和模具作為輔助，只需設(shè)計(jì)者根據(jù)用戶的個(gè)性化需求，通過(guò)3D建模軟件進(jìn)行模型設(shè)計(jì)與構(gòu)建，然后打印機(jī)讀取模型數(shù)據(jù)進(jìn)行打印輸出即可。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)打印技術(shù)的區(qū)別主要有兩個(gè)方面：其一，3D打印首先需要進(jìn)行數(shù)字化三維模型構(gòu)建，傳統(tǒng)打印技術(shù)并不需要構(gòu)建數(shù)字化三維模型;其二，傳統(tǒng)打印使用墨水進(jìn)行打印，而3D打印利用實(shí)實(shí)在在的原材料制作實(shí)物模型。以制作過(guò)程為視角，3D打印需要經(jīng)歷物理對(duì)象的設(shè)計(jì)與構(gòu)建、打印輸出、后期處理三個(gè)主要階段。具體打印流程如圖1所示。
[計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)][三維建模][計(jì)算機(jī)輔助斷層掃描][三維掃描][數(shù)據(jù)傳輸][模型分切][剖面信息讀取][打印介質(zhì)][支撐物][材料匹配][切片粘合][切片打印][固化處理][剝離][修整][上色][表面打磨][物理對(duì)象的設(shè)計(jì)與構(gòu)建][成品][打印輸出][后期處理]
圖1 3D打印基本流程
(一)物理對(duì)象的設(shè)計(jì)與構(gòu)建
物理對(duì)象的設(shè)計(jì)與構(gòu)建階段涉及兩個(gè)方面：三維建模和三維掃描。3D打印的關(guān)鍵階段是模型設(shè)計(jì)與構(gòu)建，這直接決定作品比例是否協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)是否殘缺，結(jié)構(gòu)是否合理，亦或是否符合心中期望。三維建模和可視化對(duì)物理實(shí)體的最終打印效果也有重要影響，可以使用與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)建模相關(guān)的三維建模軟件來(lái)設(shè)計(jì)和構(gòu)建欲打印的物理實(shí)體的三維模型，例如：AutoCAD、3D Max、SketchUp等。也可利用計(jì)算機(jī)輔助斷層掃描通過(guò)對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描以獲取物體空間坐標(biāo)繼而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，直接生成三維模型，亦或直接使用或是修改已有的模型作品。
(二)打印輸出
在打印輸出階段經(jīng)歷的步驟有：數(shù)據(jù)傳輸、模型分切、剖面信息讀取、材料匹配、切片打印以及切片粘合。首先將三維模型數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D打印機(jī)，然后，通過(guò)打印機(jī)配備的專業(yè)軟件將模型薄片化，形成多個(gè)剖面。每層切片的厚度則由模型形狀、打印介質(zhì)和打印機(jī)規(guī)格決定。其次，選擇與成品匹配的液體狀、粉狀、片狀等的打印介質(zhì)和易于祛除的支撐物。最后，采集所有切片的剖面數(shù)據(jù)，構(gòu)建每一層三維模型切片，逐層將這些切片打印出來(lái)，然后，將所有切片堆疊起來(lái)，以各種方式粘合成一個(gè)完整的物理實(shí)體。
(三)后期處理
由于3D打印機(jī)規(guī)格、打印材質(zhì)、打印精度的不同，可能出現(xiàn)成品截面粗糙或有毛刺的現(xiàn)象，這時(shí)就需要對(duì)打印出來(lái)的模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的后期處理，如：表面打磨、剝離、上色、固化處理等。
二、3D打印技術(shù)在教育中的作用
3D打印技術(shù)對(duì)于教育的重要價(jià)值之一，在于它能夠創(chuàng)造對(duì)事物更真實(shí)可靠的探索機(jī)會(huì)，而這樣的機(jī)會(huì)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)可能非常難得。同時(shí)，對(duì)3D打印技術(shù)從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)過(guò)程的探索以及實(shí)物教學(xué)和參與性學(xué)習(xí)的發(fā)展需要，為學(xué)習(xí)活動(dòng)的開(kāi)展提供了新的可能。下文分別從教師和學(xué)習(xí)者視角分析3D打印技術(shù)在教育中的助推器作用。
(一)促進(jìn)教學(xué)效果的效能工具
教師在教學(xué)過(guò)程中利用3D打印制作的教學(xué)用具，可以擴(kuò)展學(xué)習(xí)者的感覺(jué)和知覺(jué)，增強(qiáng)觸覺(jué)體驗(yàn)，彌補(bǔ)常態(tài)課堂直接經(jīng)驗(yàn)不足的劣勢(shì)。同時(shí)，教師也將隱性知識(shí)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)顯性化，使學(xué)習(xí)資料由抽象化轉(zhuǎn)變成為具體化，具體化轉(zhuǎn)變成為形象化，視覺(jué)復(fù)雜化轉(zhuǎn)變成為認(rèn)知簡(jiǎn)單化。由此增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的思路清晰度，提高學(xué)習(xí)者的邏輯思維能力和理解能力，改善教師教學(xué)效果，提高學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效率。
(二)促進(jìn)學(xué)習(xí)效果的認(rèn)知工具
3D打印可以作為小組協(xié)作探究環(huán)境的一部分，承擔(dān)對(duì)創(chuàng)意和技術(shù)方案進(jìn)行快速驗(yàn)證的任務(wù)，促進(jìn)學(xué)習(xí)者的社會(huì)性認(rèn)知。由于3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域較廣，建筑、機(jī)械、生物、醫(yī)學(xué)、考古等學(xué)科都可以通過(guò)3D打印制作相關(guān)模型。學(xué)習(xí)者通過(guò)真實(shí)的模型可以深化感性認(rèn)識(shí)，獲取強(qiáng)烈、真實(shí)的認(rèn)知體驗(yàn)，進(jìn)入深度學(xué)習(xí)的狀態(tài)。例如：針對(duì)小學(xué)五年級(jí)《趙州橋》的學(xué)習(xí)，3D打印能便捷地打印出趙州橋的微型化模型，學(xué)習(xí)者可以在課堂上對(duì)趙州橋的整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特點(diǎn)有一個(gè)直觀的觀察和認(rèn)識(shí)。進(jìn)而加深學(xué)習(xí)者對(duì)趙州橋的社會(huì)性認(rèn)知體驗(yàn)，最終達(dá)到促進(jìn)學(xué)習(xí)效果的目的。
(三)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造力 可視化教具可以增加教學(xué)內(nèi)容的趣味性，顯著提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。常態(tài)教學(xué)環(huán)境下，教師一般利用多媒體技術(shù)，通過(guò)動(dòng)畫(huà)、圖片、視屏、音頻等能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者創(chuàng)建一種動(dòng)態(tài)的信息技術(shù)學(xué)習(xí)環(huán)境。但是，卻極其缺乏形象、直觀、可碰觸的立體教具，致使學(xué)習(xí)者缺少對(duì)事物更真實(shí)可靠的探索機(jī)會(huì)，這在一定程度上抑制了學(xué)習(xí)者創(chuàng)造潛力的開(kāi)發(fā)。3D打印技術(shù)則通過(guò)將數(shù)字化的設(shè)計(jì)、虛擬模型快速轉(zhuǎn)變成實(shí)物的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)打破了這一禁錮。物理實(shí)體帶來(lái)的強(qiáng)烈的現(xiàn)場(chǎng)感、真實(shí)的學(xué)習(xí)情境、近距離的觀察和觸摸體驗(yàn)，將為學(xué)習(xí)者拓展更為廣闊的創(chuàng)造空間，激發(fā)學(xué)習(xí)者的批判性思維，提高學(xué)習(xí)者創(chuàng)造性解決問(wèn)題的能力。
(四)提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)參與度和實(shí)踐能力
3D打印的打印流程包含模型設(shè)計(jì)和模型打印，這兩個(gè)階段皆需要學(xué)習(xí)者的全程參與。無(wú)形中，即使處于學(xué)習(xí)邊緣的學(xué)習(xí)者也會(huì)自主完成學(xué)習(xí)角色轉(zhuǎn)換，由邊緣角色轉(zhuǎn)變?yōu)橹行慕巧?，提高學(xué)習(xí)參與度。同時(shí)，通過(guò)完成提出創(chuàng)意、設(shè)計(jì)模型、構(gòu)建模型以及打印模型這一系列任務(wù)，將有效促進(jìn)學(xué)習(xí)者設(shè)計(jì)能力、觀察能力和實(shí)踐能力的發(fā)展。實(shí)踐是提高知識(shí)內(nèi)化和掌握程度的主要途徑，同時(shí)，實(shí)踐能力也是學(xué)習(xí)者發(fā)展研究能力和創(chuàng)新能力的基石。
(五)營(yíng)造愉快的學(xué)習(xí)體驗(yàn)及激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性
3D打印可以使加速學(xué)習(xí)者設(shè)計(jì)過(guò)程成為可能，學(xué)習(xí)者在模型設(shè)計(jì)初期就可以通過(guò)教師指導(dǎo)以及原形化發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和不足，降低設(shè)計(jì)出錯(cuò)的概率和認(rèn)知出錯(cuò)次數(shù)，減輕學(xué)習(xí)過(guò)程中的挫折感，增強(qiáng)自信，獲得愉快的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。對(duì)于3D打印無(wú)論是設(shè)計(jì)、制作還是分享使用都可能產(chǎn)生一種新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，吸引學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。只要有創(chuàng)意，就可以將構(gòu)思變?yōu)檎鎸?shí)的立體模型，使大腦中的抽象概念轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)存在。這將使學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中充滿沉浸感和成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)熱情和DIY興趣，使得學(xué)習(xí)者發(fā)展成為主動(dòng)的知識(shí)建構(gòu)者和探索者。
三、基于3D打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用模式構(gòu)建
3D打印技術(shù)有助于教師制作個(gè)性化教學(xué)模型，幫助學(xué)習(xí)者更好地形成沉浸式學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)者通過(guò)3D打印，開(kāi)拓批判性思維模式，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，提高創(chuàng)造力。3D打印是一種通用的技術(shù)，它的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋大部分學(xué)科，尤其適用于醫(yī)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等需要大量制作模型的專業(yè)。因此，構(gòu)建一種適用于應(yīng)用3D打印技術(shù)的教學(xué)模式顯得尤為必要。本文基于3D打印技術(shù)的教學(xué)實(shí)施過(guò)程，對(duì)3D打印在教學(xué)中的應(yīng)用模式進(jìn)行了初步構(gòu)建。
(一)教學(xué)實(shí)施過(guò)程概述
基于3D打印技術(shù)的教學(xué)實(shí)施過(guò)程由問(wèn)題情境創(chuàng)設(shè)、三維模型設(shè)計(jì)、三維模型構(gòu)建、三維模型打印、開(kāi)展教學(xué)和教學(xué)評(píng)價(jià)六個(gè)核心模塊。教學(xué)實(shí)施過(guò)程以此六個(gè)模塊依次展開(kāi)。在創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題之后，學(xué)習(xí)者在解決問(wèn)題的任務(wù)情境之下進(jìn)行3D模型設(shè)計(jì)和模型構(gòu)建。然后，打印實(shí)物三維模型并在課堂互動(dòng)環(huán)節(jié)通過(guò)展示、探討、應(yīng)用模型的活動(dòng)對(duì)模型加以驗(yàn)證和修改，進(jìn)而解決實(shí)際問(wèn)題。最后，通過(guò)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，精細(xì)化設(shè)計(jì)技巧，完善設(shè)計(jì)思想，提高學(xué)習(xí)者設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。
(二)核心模塊分析
1.問(wèn)題情境創(chuàng)設(shè)
對(duì)于學(xué)習(xí)者而言，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境可以有力激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣。從學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)結(jié)構(gòu)以及教學(xué)內(nèi)容出發(fā)，創(chuàng)設(shè)具有趣味性、探索性、延伸性并有助于學(xué)習(xí)者個(gè)性化學(xué)習(xí)、交互合作的問(wèn)題情境將有效激發(fā)學(xué)習(xí)者強(qiáng)烈的問(wèn)題意識(shí)和探究動(dòng)機(jī)，有助于引起學(xué)習(xí)者對(duì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的深入思考、探究欲望和鉆研熱情。同時(shí)，置身于問(wèn)題情境，才有可能挖掘?qū)W習(xí)者的設(shè)計(jì)靈感，創(chuàng)作出既有價(jià)值又能讓人耳目一新的作品。對(duì)于教師而言協(xié)助學(xué)習(xí)者找到一個(gè)高質(zhì)量的問(wèn)題激發(fā)學(xué)習(xí)者的求知欲，將為后續(xù)教學(xué)活動(dòng)的順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。
2.三維模型設(shè)計(jì)
經(jīng)過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境階段，學(xué)習(xí)者在接受問(wèn)題刺激之后，其思維已被激活，處于活躍狀態(tài)。此階段是學(xué)習(xí)者最為敏感、最易出現(xiàn)創(chuàng)新思維的階段。學(xué)習(xí)者在設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下，遵循滿足學(xué)習(xí)者個(gè)性化需求和解決真實(shí)問(wèn)題的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。教師則針對(duì)學(xué)習(xí)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題實(shí)施個(gè)性化的指導(dǎo)，幫助學(xué)習(xí)者在模型構(gòu)建初期就降低設(shè)計(jì)失誤的概率。
3.三維模型構(gòu)建
在此階段學(xué)習(xí)者利用Blender、Web 3D、AutoCAD等三維建模軟件依照三維模型設(shè)計(jì)構(gòu)建數(shù)字化三維模型。學(xué)習(xí)者也可以通過(guò)在3D建模資源庫(kù)和教育資源中心等搜尋或修改符合要求的已有模型。
4.三維模型打印
模型打印主要借助3D打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，學(xué)習(xí)者只需把數(shù)字化三維模型數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D打印機(jī)，然后選擇匹配的打印介質(zhì)，根據(jù)打印要求設(shè)置打印機(jī)參數(shù)就可以輕松便捷地完成模型打印工作。
5.課堂應(yīng)用和教學(xué)評(píng)價(jià) 將打印的三維模型應(yīng)用到課堂當(dāng)中，教師通過(guò)課程設(shè)計(jì)科學(xué)合理安排模型應(yīng)用的時(shí)間和地點(diǎn)，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)一種輕松自由的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過(guò)模型展示和課堂互動(dòng)環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)者進(jìn)行充分交流和互動(dòng)以討論模型中存在的問(wèn)題。最后通過(guò)評(píng)價(jià)模塊，驗(yàn)證模型的可用性，檢驗(yàn)得出結(jié)論的正確性。教師對(duì)模型給出反饋，指導(dǎo)模型的再次修改，學(xué)習(xí)者進(jìn)行自我評(píng)估和學(xué)習(xí)者互評(píng)，不斷完善模型。
四、結(jié)束語(yǔ)
3D打印技術(shù)是一種新興的學(xué)習(xí)技術(shù)，教育領(lǐng)域?qū)⑹俏磥?lái)3D打印技術(shù)推廣應(yīng)用的重要市場(chǎng)。本文通過(guò)分析3D打印原理和3D打印技術(shù)在教育中的作用構(gòu)建了基于3D打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用模式，以期為后續(xù)實(shí)際應(yīng)用和精細(xì)化研究奠定基礎(chǔ)。盡管3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，但是目前其在教育機(jī)構(gòu)的推廣和普及仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。例如：3D打印機(jī)價(jià)格昂貴，可制作原材料稀少，制作成本高等。這也將成為教育研究者未來(lái)的重點(diǎn)研究課題和方向。
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3d打印先進(jìn)技術(shù)論文篇二
3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展探究
摘要：印刷和打印技術(shù)作為信息傳播的重要方式，以平面圖文信息的形式，為人類的文明和進(jìn)步做出了重要的貢獻(xiàn)。3D(三維)打印技術(shù)是在傳統(tǒng)二維平面印刷打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)逐層二維打印的疊加，在三維立體空間內(nèi)制造出產(chǎn)品。本文主要講述3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，探索限制3D打印技術(shù)發(fā)展的瓶頸及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
Abstract： Printing technology is an important way of information transmission. It made an important contribution for human civilization and progress by the plane graphic information. Based on traditional two-dimensional graphic printing technology， 3D (three dimensional) printing technology is superposed by the 2D printing and producted in three-dimensional space. This article mainly expounds the application of 3D printing technology in all fields， explores the bottleneck of the development of 3D printing technology and its development trend in the future.
關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);印刷技術(shù);發(fā)展前景
Key words： 3D printing technology;printing technology;development prospect
中圖分類號(hào)：TS805 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311(2016)07-0166-02
0 引言
近年來(lái)，我們經(jīng)常會(huì)看到有關(guān)于3D打印技術(shù)的新聞，“3D打印房屋”、“3D打印金屬手槍”、“3D打印自行車”、“3D打印仿生耳”等等，3D打印自問(wèn)世以來(lái)就得到了廣泛的關(guān)注，其應(yīng)用更是跨越各個(gè)領(lǐng)域。2014年11月末，《時(shí)代》周刊將3D打印技術(shù)列為2014年25項(xiàng)年度最佳發(fā)明之一。全球工業(yè)分析公司(Global Industry Analysis Inc)的研究報(bào)告預(yù)測(cè)2018年全球3D打印市場(chǎng)將達(dá)到29.9億美元。但3D打印技術(shù)也面臨著如制造速度與精度、設(shè)備和材料成本、產(chǎn)品性能、操作的安全性等多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)。提升3D打印的效率和精度，開(kāi)發(fā)更為多樣的3D打印材料是未來(lái)的研究熱點(diǎn)。本文主要對(duì)3D打印技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究和探討。
1 何為3D打印
3D打印(Three Dimensional Printing)始于上世紀(jì)90年代，是快速成型技術(shù)的一種。美國(guó)3D System公司在1986年就制造了第一款3D打印設(shè)備。在傳統(tǒng)二維平面印刷打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)逐層二維打印的迭加，利用噴頭的三維運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)曲面打印，逐層增加材料來(lái)生成三維實(shí)體，其原理圖如圖1所示。其分層加工的過(guò)程與傳統(tǒng)噴墨打印十分相似，樹(shù)脂、尼龍、塑料、金屬、陶瓷、混凝土等材料經(jīng)過(guò)特殊處理都可以用做3D打印的“墨水”。3D打印機(jī)是3D打印的核心裝備。它是集機(jī)械、控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設(shè)計(jì)與控制軟件等也是3D打印技術(shù)體系的重要組成部分。
2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用
目前3D打印技術(shù)支持多種材料，可以廣泛應(yīng)用在工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、家具、航天、醫(yī)療和教育等各個(gè)領(lǐng)域，其主要具有以下應(yīng)用特點(diǎn)：
2.1 模具加工與機(jī)械制造 如今，3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械模具的設(shè)計(jì)與加工，如圖2A所示。相對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù)來(lái)說(shuō)，3D打印技術(shù)不需要任何模具或任何機(jī)械加工，既省工又省料，如美國(guó)F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)在制造過(guò)程中會(huì)大量使用鈦合金構(gòu)件，如使用傳統(tǒng)的整體鍛造方法，最大的鈦合金整體加強(qiáng)框材料利用率不到4.9%，使用3D打印利用率接近100%，幾乎不產(chǎn)生廢料，大大節(jié)省了原材料的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本。此外，也可利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性生產(chǎn)，滿足人們的少量和復(fù)雜形狀的個(gè)性化需求。如個(gè)性化藝術(shù)家具的定制和專屬個(gè)性空間的打造(如圖2B)。
在建筑行業(yè)，2014年8月，在上海青浦張江高新園區(qū)，盈創(chuàng)建筑科技有限公司用3D打印技術(shù)24小時(shí)打印了10棟房屋(如圖2C、2D)并交付使用，相關(guān)建筑指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家建筑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)啟了3D打印建筑的新篇章，將來(lái)更有望使用3D打印技術(shù)建造整棟別墅。
在航天方面，美國(guó)NASA以及國(guó)外的一些航天公司已經(jīng)就3D打印技術(shù)在航天上的應(yīng)用展開(kāi)了嘗試，2014年第一臺(tái)3D打印機(jī)在國(guó)際空間站上安裝成功，并打印出扳手等機(jī)械部件，這臺(tái)打印機(jī)由Made in Space公司設(shè)計(jì)制作，該公司是世界首家研究零重力下3D打印技術(shù)的公司。而且3D打印為按需施材，減少了材料的浪費(fèi)，從而降低了生產(chǎn)成本。
2.2 生物醫(yī)療 3D打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)的結(jié)合堪稱醫(yī)學(xué)史上的創(chuàng)造性舉動(dòng)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，已開(kāi)始被應(yīng)用于手術(shù)分析策劃、假體植入物的制造、細(xì)胞或組織打印等方面。
早在2011年，德國(guó)科學(xué)家利用3D打印技術(shù)成功研制出了一種人工血管(如圖3A)，該項(xiàng)目有望被用于人體試驗(yàn)和藥物試驗(yàn)。2014年，University College London的研究人員利用生物“墨水”打印出人造耳朵(如圖3B)，可用于外科整形。目前這種3D打印耳朵已有成功移植的案例。2015年7月，湖南省腦科醫(yī)院利用3D打印顱骨為腦積水患兒縮腦，完成全球首例“全腦縮小塑形”手術(shù)。 2.3 考古文物復(fù)制 3D打印技術(shù)在考古文物領(lǐng)域主要用于修復(fù)已經(jīng)破損的古文物。在應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行文物修復(fù)時(shí)，需要使用3D掃描儀掃描破損文物，完成數(shù)據(jù)采集，并處理數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的模型之后進(jìn)行打印。在電影《十二生肖》中，先是對(duì)獸首進(jìn)行三維掃描，再使用3D打印技術(shù)打印了獸首的復(fù)制模型，精度和相似度令人贊嘆，且不需后期加工打磨，相信在不久的將來(lái)，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展改進(jìn)，3D打印技術(shù)復(fù)制文物的精度定會(huì)上升到這個(gè)高度，將不再需要后期處理。
2.4 教育行業(yè) 3D打印技術(shù)也為教育的發(fā)展開(kāi)啟了新的方向，許多教育機(jī)構(gòu)和組織正探索如何將3D技術(shù)應(yīng)用到教育、教學(xué)中。以高職教育為例，在高職院校中印刷技術(shù)專業(yè)、數(shù)碼印刷專業(yè)、印刷圖文信息處理以及計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)都可以考慮引入3D打印技術(shù)。
相關(guān)專業(yè)引入3D打印技術(shù)后，可以將人才培養(yǎng)的目標(biāo)范圍進(jìn)行延伸和擴(kuò)大。培養(yǎng)不僅能從事傳統(tǒng)印刷設(shè)備和數(shù)碼印刷設(shè)備的操作，還能使用3D打印機(jī);不僅能完成傳統(tǒng)印刷和數(shù)碼印刷的印前制作，還能從事3D打印需要的三維建模設(shè)計(jì);不僅能從事傳統(tǒng)印刷和數(shù)碼印刷的印刷工藝與生產(chǎn)管理、印刷營(yíng)銷與業(yè)務(wù)管理，還能從事3D打印設(shè)備的控制和生產(chǎn)管理、營(yíng)銷和業(yè)務(wù)管理的人才。學(xué)生就業(yè)面更寬廣，職業(yè)技能更新，更貼合社會(huì)發(fā)展需要，也必定會(huì)推動(dòng)3D打印設(shè)備的發(fā)展。另外，3D打印技術(shù)可以作為扶持大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的一個(gè)項(xiàng)目，支持大學(xué)生們?cè)缛諏?shí)現(xiàn)創(chuàng)業(yè)的夢(mèng)想，讓剛剛走出校園的甚至還在校內(nèi)的大學(xué)生們勇敢地站在科技發(fā)展的前沿，直觀地感受打印技術(shù)帶來(lái)的影響與進(jìn)步。
3 3D打印技術(shù)未來(lái)發(fā)展前景分析
與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D打印技術(shù)擁有諸多優(yōu)勢(shì)。美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在2014年國(guó)情咨文的演講中強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)的重要性，賦予其制造業(yè)復(fù)興的重任，提出將推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，3D打印機(jī)的研究技術(shù)已走向成熟并產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。近年來(lái)，隨著2015年《中國(guó)制造2025》規(guī)劃的實(shí)施與頒布，我國(guó)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的重視和產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)劃將進(jìn)一步加強(qiáng)。
從中長(zhǎng)期看來(lái)3D打印產(chǎn)業(yè)具有較為廣闊的發(fā)展前景，但要進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)：一是設(shè)備和耗材方面，現(xiàn)有3D打印機(jī)造價(jià)普遍較為昂貴，打印耗材的價(jià)格每公斤幾百到數(shù)萬(wàn)元不等，給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來(lái)了困難。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學(xué)聚合物、石膏等材料，成型品的物理特性較差，金屬材料直接成型技術(shù)有待發(fā)展。三是工藝方面，目前3D打印的精度及效率還遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求。四是知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面，3D打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，制造業(yè)面對(duì)的盜版風(fēng)險(xiǎn)大增，如何針對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)面臨新的挑戰(zhàn)。五是公共安全方面，如3D打印手槍，若可從網(wǎng)絡(luò)上下載手槍的三維圖紙，再擁有一臺(tái)3D打印機(jī)就可以打印并組裝手槍，這一潛在問(wèn)題需要國(guó)家從法律層面進(jìn)行規(guī)范和監(jiān)督。
4 結(jié)束語(yǔ)
3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)之一，越來(lái)越受到工業(yè)界和投資界的關(guān)注。偉大發(fā)明所能帶來(lái)的影響，在當(dāng)時(shí)那個(gè)年代都是難以預(yù)測(cè)的，1450年的印刷術(shù)如此，1969年的互聯(lián)網(wǎng)也是如此，3D打印技術(shù)更是如此。未來(lái)3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化等主要趨勢(shì)。隨著信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，制約3D打印技術(shù)發(fā)展的瓶頸將一一得到解決。3D打印技術(shù)也將被推向更高的應(yīng)用層面。
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