关键词：3D打印；应用现状；教学领域
1 引言
3D打印，又称为增材制造，是快速成型技术的一种，被誉为 “第三次工业革命的重要标志”，以其 “制造灵活”和“节约原材料”的特点在制造业掀起了一股浪潮。近年来，随着3D打印技术的逐步成熟、精确，打印材料种类的增加，打印价格的降低，3D打印得到了快速发展，应用领域不断增加，不仅在机械制造、国防军工、建筑等领域得到广泛应用，也逐渐进入了公众视野，走进学校、家庭、医院等大众熟悉的场所，在教育、生物医疗、玩具等行业也得到了广泛关注及应用，作为教育工作者，本文将在介绍3D打印的原理、优势、应用现状的基础上，重点探讨3D打印在教育领域的角色及应用模式。
2 3D打印概述
2.1 3D打印原理
3D打印（3D printing，又称三维打印），是利用设计好的3D模型，通过3D打印机逐层增加塑料、粉末状金属等材料来制造三维产品的技术[1]。一般来说，通过3D打印获得物品需要经历建模、分割、打印、后期处理等四个环节[2]，其中3D虚拟模型，可以是利用扫描设备获取物品的三维数据，并以数字化方式生成三维模型，或者是利用AutoCAD等工程或设计软件创建的3D模型，有些应用程序甚至可以使用普通的数码照片来制作3D模型，比如123D Catch[3]。
2.2 3D打印的优势
与传统制造技术相比，3D打印不需事先制模，也不必铸造原型，大大缩短了产品的设计周期，减少了产品从研发到应用的时间，降低了企业因开模不当可能导致的高成本风险，使得特殊和复杂结构的模型的制作也变得相对简单，产品也更能凸显个性化。另外，3D打印是增材制造，使用金属粉或其他材料，使部件从无到有制造出来，大大减少了原材料和能源的消耗，生产上实行了结构优化。
2.3 3D打印的应用现状
近年来，3D打印得到了快速发展，几乎应用于各个领域。在模具加工和机械制造领域，使用3D打印相对快速地进行模具的设计与定制，打印复杂形状的各种零件，打印具有足够强度的个性化几何造型的物件。在航空航天、国防军工领域，3D打印应用于外形验证、关键零部件的原型制造、直接产品制造等方面。如空客公司从打印飞机小部件开始，逐步发展，计划在2050年左右打印出整架飞机。生物医疗领域，医学工作者利用3D打印技术打印出患者的心脏模型，缺损下颌骨模型，患者外伤性脑内血肿颅脑模型等，用于辅助诊断并制定术前手术方案，降低了手术难度，减少了手术时间，为患者带来了精准化的治疗。人工椎体和人体气管软骨的打印让人体器官的3D打印成为可能。3D打印的处方药产品SPRITAM（左乙拉西坦）片剂可用于各种癫痫疾病的治疗。建筑工程领域，3D打印建筑不需使用模板，打印的建筑物重量轻，强度大，时间短，产生的建筑垃圾及建筑粉尘少，且可以循环使用，绿色环保。3D打印在首饰、食品、玩具和日常用品的设计和生产中也有广泛应用，可以很好地彰显用户的个性化特点和需求。3D打印在太阳能电池板和特殊材料的制造方面的应用也有突破。
3 3D打印在教学领域的应用
3D打印在教学方面的探索性活动也已经展开，并应用在数学、航空、电子、设计、机电工程、生物医学、天文等大部分学科中，取得了良好的教学效果。基于3D打印的快速生成能力，使得数字化模型能快速转化为立体实物，借助立体实物的生成过程及使用可以提高教学效果，增强学生合作、设计、创新等能力。
3.1打印三维教具学具辅助教学
在课程教学中，借助于多媒体教学手段，一些抽象的图像可以相对直观的显示出来，但针对的是群体，形成的是暂时的视觉感受，印象并不是很深刻，也不易理解。借助3D打印，可以把数字化的图像转化成实物的教具和学具，每个同学都有机会亲手感受，而且还可以亲自设计、策划，无疑对知识点的理解，知识的掌握及应用有很大的促进作用。比如：数学课可以打印出几何曲面、剖面立体实物；动画设计可以打印出3D人物，动物角色模型，且可以根据实效及时修改；语文课可以把要讲解的地域打印出来，如北京的胡同，同学们可以拿着模型理解胡同的特点，体验胡同文化，讲述胡同的来龙去脉；机械制造课可以根据课程内容打印相关的零件、齿轮、连杆等。
3.2 实习实践过程中辅助创新设计
职业学校实习实践教学活动较多，钳工实习、数控机床实习、电子电工实习、动画设计、物联网设计等，都需要借助相应的模型，并设计出一定的模型。借助于3D打印，同学们对需要设计的模型有一个大体的认识，然后经过集体分组的讨论、设计、修改等过程，不仅能增加学生的学习兴趣，促进学生交互学习，协作学习，且能提高学生的设计水平、思维能力和实践能力。比如在模具设计实习中，采用项目式教学法，应用3D打印，学生分组设计、分组打印，学生在亲眼目睹自己的设计零件打印成型的过程及成品后，学习兴趣大增，多次讨论修改的过程也大大提升学生的设计水平。在CAD课程实践环节中，使用3D打印机，可以根据教学需要来设计教学内容，对学生的设计作品3D打印出来进行评比并组装，不仅使学生熟练掌握设计软件建模的基本思路和流程，而且对如何从设计作品到具体的实物的生成有一个明确的认识，有利于日后学生进一步的学习和发展。
3.3 就业创业指导
近年来，大学毕业生人数急剧增加，就业压力增大，国家大力提倡大学生创业，整个社会也兴起了一股自主创业的热潮。对于职业学校的学生来说，有一定的专业知识，有较强的动手操作能力，有创业的热情与激情。借助于3D打印设备，创业指导老师可以指导学生创办创意设计3D打印工作室，利用所学的专业知识，设计出相关产品并打印出来进行销售，同时也可为社会客户提供DIY服务，收取一定的培训费和制作费，也可以在校企合作的基础上为合作企业提供设计和3D打印服务。通过3D打印的上述创业实践活动，加深学生对专业知识的巩固、对设计过程的了解，并培养创新创业意识和能力。
3.4 图书馆应用
图书馆引入3D打印服务是图书馆从文献服务走向创新服务的途径。国外很多图书馆都开展3D打印服务，国内的综合图书馆，如上海图书馆、苏州图书馆也开展3D打印服务，高校中的上海交通大学图书馆也开展3D打印服务，并且通过举办3D打印设计大赛积极推广此项服务，通过比赛普及3D打印知识，让同学们了解3D打印前沿科技，启发学生们用创新思维发现问题、智慧解决问题。学校图书馆可以配备一两台3D打印机，并在保证健康和安全的基础上，充分考虑费用、提交步骤、等待和筛选时间等、制定详细的3D打印制度或政策，并鼓励学生打印原创作品，以发挥学生的专业特长，激发学生的创造力和想象力。
4 结束语
3D打印正从工业领域，走向各个应用领域。不久的将来，也会像电脑、手机、互联网一样进入我们的社会和每个家庭。教育工作者应积极利用这项新技术，促进教学模式和教学活动的创新，更好地提高教学质量和教学效果，提高学生的实践能力和创新水平。
参考文献
【关键词】3D打印技术 原理 发展
近来，3D打印技术在发达国家兴起，前不久在网上流传的3D打印手枪，引来许多网友围观。3D打印现在已不再只是概念产物，全球已有不少公司推出了个人3D打印机，它已在平常生活中开始普及。3D打印技术将与其他数字化生产模式一起，推动第三次工业革命的实现。传统制造技术是“减材制造技术”，3D打印则是“增材制造技术”，它具有制造成本低、生产周期短等明显优势。
一、3D打印技术简介
3D打印技术是通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造。作为一种综合性应用技术，3D打印技术综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。
目前，3D打印技术主要应用于产品原型、模具制造，以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。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，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。
二、3D打印技术所依托的关键技术
3D打印技术需要依托多个学科领域的尖端技术，主要包括以下方面：信息技术，即要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向；精密机械，即3D打印技术以“每层的叠加”为加工方式，产品的生产要求高精度，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求；材料科学，即用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。
三、我国3D打印技术发展现状
近年来，我国积极探索3D打印技术的研发，初步取得成效。自20世纪90年代初以来，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校，在3D打印设备制造技术、3D打印材料技术、3D设计与成型软件开发、3D打印工业应用研究等方面，开展了积极的探索，已用部分技术处于世界先进水平。其中，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备制造；生物细胞3D打印技术取得显著进展，已可以制造立体的模拟生物组织，为我国生物、医学领域尖端科学研究提供了关键的技术支撑。
在家用电器、汽车配件、通信技术、航天、军工等领域，3D打印技术被越来越多应用到产品研发和生产中。在医疗领域，国内高水平的医院使用3D打印技术，为患者提供定制的牙齿和骨骼替代物以及具有仿生性能的体内植入物。在教育领域，我国有很多高校购买了3D打印设备，开展多个学科的教育和研究工作。目前，中国已成为美国、日本、德国之后的3D打印设备拥有国。
四、3D打印技术发展前景
近年来，3D打印技术持续发展，成本的大幅降低使其已经从研发的小众空间向主流市场进军，发展势头不可阻挡，已经成为社会广泛关注、民用市场迅速崛起的新领域。3D打印制作的模型、礼品、纪念品乃至工艺品的应用，极大吸引了社会关注和投入，发展加速，市场开始呈现量与质的双飞跃。据预测，2020年3D打印成品将占产品生产总量的50%。
随着3D打印技术的不断突破，新材料的日益改善，3D打印的速度、尺寸在不断提高，其技术在不断优化，应用领域在不断扩展，特别是图形艺术领域的潜力，三维的概念模型能更好地传达制作者的想法或解决方案，一张图可以胜过几百甚至上千个文字的描述。专业人士坚信个性化或定制化的3D打印可以将一个所想象的三维模型即时摆在眼前，能够快速改进产品，增长幅度将超过想象，将会改变社会各种应用的未来。
3D打印技术将淘汰传统生产线，缩短制作周期，大大减少生产废料，所需原材料用量将减少到原来的几分之一。3D打印不仅节约成本，提高制作精度，也将弥补传统制造的不足，并将在民用市场迅速崛起，从而开启制造业的新纪元，为印刷工业带来新的机遇。
五、结语
随着3D打印技术的日趋成熟和3D打印材料的扩充，我们相信3D打印将会带给我们更多的惊喜和冲击，3D产品将会在我们的生活中触手可及。
参考文献：
[1]刘欣灵.3D打印机及其工作原理[J].网络与信息，2012，（2）.
[2]王灿才.3D打印的发展现状分析[J].丝网印刷，2012，（9）.
[3]古丽萍.蓄势待发的3D打印机及其发展[J].数码印刷，2011.
原本以为打印只可能印在纸张等平面上的，又何来3D打印之说呢?其实，3D打印机跟传统打印机―样，是一种连接电脑并把电脑中信息输出的设备(其工作方式与喷墨打印机也有些许相似)；最大的不同是，3D打印机输出的是真实的物体模型。因此，人们形象地将其称为“3D打印”。
3D打印对于普通商务用户来说用处不大，但在工业设计或3D模型设计等特殊领域都能够发挥极大的作用。我们知道，一款产品从设计到投产之前会多次修改，而阶段性的设计成果通常会被制成模型来确定效果。这时，再好的设计图纸也不如一个真实的成品模型更有说服力。可惜的是，传统的模型制作方法成本高昂、耗时耗力且精度不高，因此快速成型技术成为设计行业的迫切需要。3D打印则是其中极具发展潜力的快速成型技术之一。现在，让我们从3D打印的发展说起，逐渐了解这一方兴未艾的新技术，并设想它会给我们带来什么样的变化吧。
“快速成型”的迅猛发展催生“3D打印”
虽然在多数人看来3D打印还是一个新生事物，其实在二十年前3D打印设想已开始酝酿。
设计领域许多人都知道3D CAD(3D计算机辅助设计)。从70年代诞生到现在，3D CAD经历了几十年的发展，已经成为广大设计人员的有力工具之一和很多设计领域的重要标准。而快速成型(RapidPrototyping，简称RP)技术几乎与3D CAD的发展同步。换言之，前者其实就是后者发展的写照，因为人们从使用3D CAD的那天起就希望方便地将设计“转化”为实物。
快速成型技术是一种由CAD数据通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。这一成型过程不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状。它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短产品研发周期、提高产品质量并缩减生产成本。
RP在多年的发展中形成了多种流派，如SL(Stereo Lithography，立体光造型)、SLS(Selected Laser Sintering，选择性激光烧结)、3DP(Three Dimensional Printing，三维打印)及FDM(Fused DepositionModeling，熔融沉积制造)等。前两种是基于激光或其它光源的成型技术，设备造价和制作模型成本都比较高昂，因此只在一些特殊领域有所应用；而3DP~FDM则是基于原料喷射成型的技术，不需要昂贵的激光器，成本低了不少，因此成为RP行业中“最亲民”的技术，近几年大有普及之势(由于都有近似喷墨打印机的工作方式，因此人们将它们称为“3D打印机”)。下面我们就与3D打印机来一个近距离接触。
好用不贵的3D打印
之前，3D打印离我们还很遥远，主要是受到以下三个因素影响：
成本太高，这是阻碍3D打印普及的最主要因素
太慢的3D打印速度
较低的打印精度
现在，这样的局面即将被打破――基于快速成型技术的3D打印有了长足进步，早先只有某些行业用户用得起的3D打印机越来越多地出现在各种民用领域中。那么，3D打印机到底是如何实现的呢?
3D打印机是这样工作的
传统的加工手法与雕塑相似，通常是一整块材料按照设计去除无用的部分，剩下的才是精华。而3D打印机采用分层加工、叠加成形方式来“造型”，会将设计品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，再通过逐层叠加获得3D实体。从这点来看，它与喷墨打印机工作方法十分类似，3DP是一层层地印，而喷墨打印机是一条直线一条直线地喷，通过若干直线的叠加形成图像，因此“3D打印机”的称呼也就显得十分贴切了口当然原理相仿的3DP与FDM在实现细节上还是存在较大差别，最终导致了产品的性质和用途各不相同。
3DP
提到3DP，几乎就是美国z Corporation司的代称。早在1994年，几个来自MIT(麻省理工学院)的科研和技术专家就发明了3DP技术并申请了专利。1997年，为了将3DP技术推向市场，Z Corporation公司正式成立。从那时起，Z Corporation就一直占据着3D打印机市场的半壁江山。
3DP工艺的原理是先由储存桶送出一定量的原材料粉末，再用滚筒将粉末在加工平台上推成薄薄一层，接着打印头会喷出一种特殊胶水(黏着剂)，依照电脑模型切片后获得的二维切片形状黏着粉末并使其迅速固化。每喷完一层，加工平台就会自动下降―点，按照刚才的顺序做几次循环直到完成。这时只要扫除松散的外层粉末便可得到想要的实体模型。
这种技术的特点是成型速度快，制作成本低。它目前可以达到每小时25mm垂直高度的成型速度，每层厚度为0.089～0.203mm，最高分辨率600dpi。层厚度越薄分辨率越高，实体模型的精细度当然就越高。而且，它能够使用多种原材料(陶瓷颗粒都可以使用)可成型出具有软质PVC特性的模型。如果使用彩色原料，它甚至可以加工出24位彩色模型来。Z Corporadon的3D打印机也是目前唯一能够打印彩色零件的快速成型设备。但3DP工艺制作出来的模型强度不高，主要用于外观概念模型。
FDM
成立于1990年的美国Stratasys公司率先推出了基于FDM技术的快速成型机，并很快了基于FDM的Dimension系列3D打印机。由于’FDM技术有其得天独厚的优势。适合汽车、家电、电动工具、机械加工、精密铸造及工艺品制作等领域使用，因此Stratasys的FDM快速成型机目前在全球RP市场已占有近半的比例。那么，FDM的优势何在呢?看完下文你就会对它有一个简单的认识。基于FDM的3D打印机是这样工作的
CAD生成的模型数据先导入3D打印机的控制软件，再经其处理自动生成支撑材料和加热喷头运动路径。这时，加热喷头会在计算机的控制下根据产品零件的截面轮廓信息作平面运动，而热塑性丝状材料由供丝机构送至加热喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态后挤压出来涂覆在相应工作平台上。待到快速冷却后平台上就会形成一层约0.1mm厚的薄片轮廓。这仅仅是完成了一层截面成型，接着工作台会下降一定高度再进行下一层的熔覆，通过周而复始地多层堆迭来形成三维实体。
这样工作是不是看起来很慢?好在Stratasys公司的FDM打印机可以采用两个喷头同时造型，所以制作速度得到了大大提高。而且FDM工艺完成的模型“很干净”――不会有产生毒气和化学污染的危险，使它可以安全地运用于办公环境。
FDM可以采用ABS(由丙烯腈、丁二 烯和苯乙烯三种化学单体合成)或PC(聚碳酸酯)等材料进行制作。目前，FDM工艺在汽车、机械制造等行业中应用最为广泛，其主要原因在于FDM是唯一运用工程材料快速成型的模型工艺。
主流3D打印机
在目前的3 D打印机行业中，ZCorporation和Stratasys两家公司的产品占有绝大多数市场份额。
Z corporation的产品主要有ZPrinter310 Plus、ZPrinter 450和SpectrumZ510三种。除第一款为黑白打印机以外，其它两款都具有彩色打印功能。而且Z Corporation的3D打印机能使用多种原材料，无需支撑结构，但需要做浸洗等后期处理。
Dimension系列3D打印机是美国STRTASY公司的产品，分别是BST768、BST1200、SST768、SST1200以及Hite(Elite为该系列最新机型，精度最高，可以实现0.127mm层厚)。其中BST采用了剥离式技术，即手动剥离成型后的支撑材料；而SST和Elite为水溶式技术，即模型上的支撑材料可用专门的溶液溶解掉，非常适合成型复杂模型。五款机型除了成型精度、成型尺寸圾支撑材料去除方式不同，其它性能基本相同。
3D打印在中国
我国XCRP技术也同样有十分强烈的需求。自90年代初国内就有多所高校开始自主知识产权的RP技术研发。清华大学主要研究RP方面的现代成型学理论、SSM分层实体制造、FDM工艺，并开展了基于SL工艺金属模具的研究；华中科技大学研究LOM(分层实体制造)工艺，推出了HRP系列成型机和成型材料，西安交通大学开发出LPS和CPS系列的光固化成型系统及相应树脂，CPS系统采用紫外灯为光源，成型精度0.2mm。
但是相比RP技术领先的美国、日本等国家，国内还没有一款达到国际水平的3D打印机推向市场，只有部分有实力的企业和科研院到专业的RP或3D打印服务商那里租用3D打印机或者订制模型。国内RP技术在研究队伍、资金投入和普及范围等多方面还有很长的路要走。比较而言，港台地区RP技术应用更为广泛。港台地区相比内地RP技术起步较早――很多高校、企业都有自己的3D打印设备。只不过，港台地区RP技术的重点是应用与推广而并非自主研发。
3D打印的将来：另一场制造业革命?
现在我们已经发现，要想3D打印全面普及，成本、打印精度、速度和原材料的多样性等等都是现在的3D打印机必须不断完善的项目。
第一，成本方面，在不久的将来3D打印机的价格会有大幅下降。一些较小规模的3D打印机制造商已经开始推出―万美元以下的3D打印机，例如Desktop Factory的4995美元打印机。还有一些爱好者从2006年开始也在研制“开源”的3D打印机。他们的目的是希望大家都来参与改良3D打印机，并最终促成低价3D打印机的诞生和普及。第二，开发更为多样的3D打印材料。如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及其他方法难以制作的复合材料等。当然还有金属材料，直接金属成型技术将会成为今后研究与应用的又一个热点。第三，提高3D打印的速度和效率。开拓并行、多材料制造的工艺方法，以便能够直接面向产品制造。改善3D打印系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能。除此之外，还有许多新的成型方法与工艺会在未来应用于3D打印机中。
在未来，3D打印机有可能走进千家万户。有了它，你可以做许多现在看起来匪夷所思的事情，因为从某种角度来说，许多你想到的东西都能直接打印得到。
3D打印机将使工业设计人员可以随时制作设计品的高度仿真模型，交给生产部门或用户，然后根据反馈意见进行进一步修改。家居装饰公司可以根据设计图纸呈现数个逼真、缩小的新家模型供你挑选。整形医师采用特殊材料订制整形所用的不同形状的人造骨骼。这一切用3D打印机只需要很短时间就能完成。
3D打印（3D printing）技术又称三维打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。
自从1986年，Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机，到如今经历了将近30年的时间。在这段时间内3D打印技术迅速发展，为我们的生活和工业带来了巨大的改变。
1 3D打印技术原理
3D打印技术每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。
3D打印技术使用胶水和粉末都是经过处理的特殊材料，不仅对固化反应速度有要求，对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。
2 技术分类
（1）3DP技术
采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术，通过将液态连结体铺放在粉末薄层上，以打印横截面数据的方式逐层创建各部件，创建三维实体模型，采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上，模型样品所传递的信息较大。
FDM熔融层积成型技术：FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，直至形成整个实体造型。其成型材料种类多，成型件强度高、精度较高，主要适用于成型小塑料件。
（2）SLA立体平版印刷技术：SLA立体平版印刷技术以光敏树脂为原料，通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。该方法成型速度快，自动化程度高，可成形任意复杂形状，尺寸精度高，主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。
（3）SLS选区激光烧结技术：SLS选区激光烧结技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该方法制造工艺简单，材料选择范围广，成本较低，成型速度快，主要应用于铸造业直接制作快速模具。
（4）DLP激光成型技术：DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器（DLP）投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。
（5）UV紫外线成型技术：UV紫外线成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似类似，不同的是它利用UV紫外线照射液态光敏树脂，一层一层由下而上堆栈成型，成型的过程中没有噪音产生，在同类技术中成型的精度最高，通常应用于精度要求高的珠宝和手机外壳等行业。
3 3D打印的应用
1.工业制造：
产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证；制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品。3D 打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D 打印的家用器具模型，也被用于企业的宣传、营销活动中。
2.文化创意和数码娱乐：
形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D 打印塑造了部分角色和道具；3D 打印的小提琴接近了手工艺的水平。3D照相馆也出现在我们的生活中。随着配套产品3D扫描仪的迅速发展，我们可以把我们身边的出现的实体，通过3D打印技术为我们所有。可以通过互联网资源，利用数据库，以及开源软件，自己就可以打印自己喜欢的物体。可以促进我们灵感的发挥。
3.航空航天、国防军工：
复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、机构的直接制造。
4.生物医疗：
3D打印技术在医疗器械领域应用，它可以直接生成器官结构，人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等。打印出立体模型，医生据此判断、实施复杂的手术。患者的心脏手术非常复杂，医生需要根据需要选择适合型号的医疗器械。在术前，打印出患者的心脏模型，医生可以对患者的心脏结构有了更精确的判断，研究、选择好要放置的PDA封堵器，再加上娴熟的技术能大大提升治疗成功率，使很多原本不可能的手g成为可能。新兴的生物三维打印机也面临着诸多挑战，其中之一是其打印出的物体如何与身体其他器官尤其是大的组织更好地结合，因为任何打印出来的器官或身体组织都需要同身体的血管相连，而这可能非常难实现。一旦克服了这个技术障碍，在未来几十年内，生物打印技术将成为一项标准技术。
5.消费品：
珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY 作品的设计和制造。
6.建筑工程：
建筑模型风动试验和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模拟。2015年7月17日，一栋3D打印出来的两层精装别墅亮相西安，引起众人惊叹。据介绍，这栋别墅只花3小时就建成了，只需一台起重机将独立的客厅、卧室、厨房、卫生间等模块吊起来拼接安装，不到3个小时，这栋两层精装别墅就落成了。
7.科学研究：
美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究。
9.文物保护：博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响更多更远的人。
10.食品行业：研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然，到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。
11.个性化定制：基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。
制约发展的因素
技术因素
现在三维打印技术的精度约为0.1毫米，而且打印机本身的售价偏高，对于打印一些高精度实体，存在较大误差，由于技术原理等因素使得3D打印出的实体硬度有待于进一步考究。
耗材
限制3D打印技术发展技术的一个关键要素就是材料，材料的昂贵使得打印出来的东西没有较高的性价比，以及材料的粘度是否达到要求，都限制着3D打印技术的普及和推动。
安全与道德因素
3D打印机可制作枪支，安全问题引发争议，从网上免费下载示意图，然后在3D打印机上制作枪支，所有一切都只通过点击按钮完成。点击打印，然后走开，几小时后你就拥有一支枪了。这样制作枪支不需要接受背景调查，没有年龄限制，枪支身上也不需要刻上序列号或需要跟踪枪支去处的销售收据。所以3D打印技术带来的安全问题也是存在争议的，未来如何发展，还需进一步明确。
到目前还没有相关的法律法规对3D打印机做相关的要求，比如3D打印一定会成为趋势，不过以后会不会出现与克隆方面的道德问题，让人忧心。
3D打印需要更多的法律方面的规定，不然就有可能在非法领域进行应用。这点，新加坡做的很好，已经出台了政策。
没有实现统一标准化
一、3D打印的简介
（一）3D打印的定义
3D打印技术，学术上又称“添加制造”（additve manufacturing）技术，也称为增材制造或增量制造。3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将塑料、金属粉末、陶瓷粉末、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品的制造方法[1]。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺，不需要庞大的机床，也不需要众多的人力，直接由数字化文件生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。
（二）3D打印的过程
对于大多数人来说，提到“打印”，首先想到的是能打印文稿或照片等平面内容的普通打印机，事实上传统的喷墨打印机和某些工艺类型的3D打印在技术上确实比较接近。3D打印使用特制的设备将材料一层层地喷涂或熔结到三维空间中，最后形成所需的实体，所用设备即3D打印机。一般来说，通过3D打印获得实体需要经历建模、分层、打印和后期处理四个主要阶段。
1.三维建模
三维模型通常有两种途径获取，一是通过3D扫描仪获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型；二是使用三维建模软件从零开始建立三维数字化模型。
2.分层切割
由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入电脑中后，需要通过打印机配备的专业软件进一步处理，即将模型切分为一层层薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的精度决定。
3.打印喷涂
由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到三维空间中，根据工作原理的不同，有多种实现方法。常见的有光固化方法（SLA）、熔融沉积制造（FDM）、选择性激光烧结法（SLS）等。
4.后期处理
模型打印完成后一般都会有毛刺或粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等，才能最终完成所需要的模型的制造。
（三）3D打印的特点
数字制造：借助CAD等软件将产品结构数字化，驱动机器设备加工制造成器件；数字化文件还可借助网络进行传递，实现异地分散化制造的生产模式。
降维制造：把三维结构的物体先分解成二维层状结构，逐层累加形成三维物品。因此，原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构，而且制造过程更柔性化。
堆积制造：采用分层制造的堆积方式对实现非匀致材料、功能梯度的器件更具优势。
直接制造：任何高性能难成型的部件均可通过打印方式一次性直接制造出来，不需要通过组装拼接等过程实现。
快速制造：3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造，因此，制造更快速、更高效。
绿色制造：3D打印技术是增材制造技术，与传统减材制造相比具有较高的材料利用率，同时可以采用复杂的结构减少材料使用量，降低能源消耗，从而实现制造的绿色可持续发展。
二、3D打印常见成型工艺
现在常见的3D打印工艺有SLS、SLA、FDM。
（一）SLS（Selective Laser Sintering，选择性激光烧结）
选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层一层层叠加生成所需形状的零件。工艺原理（见图1）。该工艺通常采用金属、石蜡、陶瓷粉末等作为成型材料。成型件强度高、无须设计支撑结构，但是成型后的工件表面比较粗糙，后期处理工艺比较复杂。
（二）SLA（Stereo lithography Appearance 立体光固化成型法）
立体光固化成型法是最早商用的3D打印技术，它采用的成型材料是液态光敏树脂，当特定波长与强度的激光照射到液态材料表面时，光敏树脂则会凝固为固体。激光由点到线再由线到面的依次扫描就形成一层面的成型作业，然后工作台升降一个层片的高度，在成型下一个层面，通过这种方式制造三维实体（见图2）
光固化成型法技术成熟度高、成型速度较快、表面精度较高，但是系统造价昂贵，成型件强度较低，所以还无法大范围使用。
（三）FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积制造）
熔融沉积制造是采用低熔点的丝状材料作为成型材料，通过热喷嘴把熔融的材料涂覆在工作台上，喷头作X-Y平面运动，工作台做Z向运动，然后逐层叠加成型（见图3）。这种成型工艺虽然需要设计辅助支撑结构，但是因为不需要复杂的能量束，使用维护简单，成本低，同时耗材种类相对丰富，所以该工艺使用较广泛，目前FDM系统在全球已安装快速成型系统中的份额大约为30%。
当然还有其他3D打印成型工艺，例如，分层实体制造（Laminated Object Manufactuing，LOM）、电子束选区熔化（Electron Beam Melting，EBM）、激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）。每种技术都有各自的优缺点，应根据使用场景、材料、成本等因素选择合适的成型工艺。
三、3D打印的应用及其意义
关键词：3D打印；技术与艺术；发展趋势
中图分类号：J022 文献标识码：A 文章编号：2095-4115（2014）09-103-1
近年来3D这个词出现的频率越来越高，如3D电影、3D全息投影、3D打印等。不再满足于平面事物的人们开始接受3D技术带来的感官上的新体验。世界每时每刻都在变化，而这些由科技的飞速发展引起的人们行为、观念上的改变，也给传统意义上的艺术带来了巨大的冲击。在整个艺术的发展历程中我们可以看到，医学和人体解剖学的研究，为素描、雕塑提供了重要的理论参考；几何与透视学的发展，为绘画提供了透视理论；材料化学的进步，为油画家提供了富有层次的色彩表现空间；光学研究的发展，使印象派画家遵循光学原理，分析和组织物象的各种关系，同时光学应用的研究还促成了摄影艺术的诞生。科学的每一次进步，都会对艺术领域产生巨大的影响，同时也成为艺术形式繁荣的发展动力。
在每个人的心中，都有一个设计师的梦，我们幻想可以设计生活中的每一样物品，随心所欲地过自己想要的生活。因此，当3D打印机的概念出现后，我们不断地憧憬，它到底能做什么，我们能为自己的生命设计些什么？3D打印已然成为一种潮流，并开始广泛应用在设计领域。
一、3D打印在艺术与设计领域的成果
3D打印并非多新的技术，在20世纪80年代便已产生，只是如今才进军艺术和设计市场用以制造汽车零部件、家具和珠宝等。
（一）3D打印服装
巴黎时装周上，当一位模特身着3D打印服装走上T台的一刻，科技与时尚的碰撞产生了奇妙的效果。这条简单的黑色裙子并不十分前卫，但时尚评论家对它的制作方式十分着迷。该服饰系列是与奥地利建筑师JuliaKoerne，以及一个叫Materialize的比利时公司合作的成果。3D打印机分别印制了此次服装的不同部位，这也是多种材料最终能制成一件成衣的原因：不同部位的单独印制使得硬质材料和软质材料能互相配合，最终成型。3D打印服饰重新解释了“技术服装”的定义，进而取代了精细的手工刺绣和针线活。
（二）3D打印灯具、乐器、首饰等小型产品
2012年在纽约材料联合会开幕的展览“打印/3D”的主题便是“3D打印如何改变艺术、工业和一切的未来？”。3D打印破除了设计中的障碍，标准制造和手工生产的各种约束一直是设计遭遇的挑战，而3D打印出的小型产品显得更精致，复杂的结构和花纹及生产速度也是手工生产很难达到的。
（三）3D打印建筑
荷兰阿姆斯特丹建筑大学的建筑设计师JanjaapRuijssenaars设计了全球第一座3D打印建筑物“LandscapeHouse”，特别模拟了莫比乌斯环。Ruijssenaars和数学家、艺术家RinusRoelofs共同设计了这个项目，利用3D打印机逐块打印出来，然后拼接成一个整体建筑。和打印小型物品不同，这次需要用到的3D打印机也极其庞大，是由意大利发明家EnricoDini设计出来的“D-Shape”，可以使用砂砾层、无机粘结剂打印出一幢两层小楼。
（四）3D打印房屋
据国外媒体报道，英国伦敦的一家建筑企业SoftkillDesign率先提出了3D打印房屋的新概念――原材料来自塑料，外观像蜘蛛网。这种房屋将用维可牢尼龙搭扣或类似按钮的紧固件固定在一起，而这些在传统建筑技术中则不需要。3D打印房屋这一构想是2012年伦敦3D打印展上展出的一款打印房屋原型的延伸，原型以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，在3D印刷厂中制造，这比用沙子或混凝土印制的质量更好。
二、3D打印在艺术与设计领域的瓶颈
3D打印技术在艺术设计领域也有它将会面临的困境。首先在艺术品收藏领域。3D打印让赝品制造者有了更好的工具，举例说：油画耗材的出现，只要做油画表面的精细扫描，轻易就能打印出一件艺术品。其次在设计领域。创意疲劳将很快出现，信马由缰地滥造，个性化展示反而让人们有了新的审美需求。某种程度的“审美倒退”其实是对优秀设计有了更高要求――人们将更加注重功能与巧思绝妙结合的设计。
三、3D打印在艺术与设计领域的发展趋势
随着3D打印技术的越来越成熟，它在艺术与设计领域的未来发展趋势又将是怎样的？
首先，定制化将成为常态。今后购买的设计产品将根据个人的具体信息进行定制，产品通过3D打印制造并直接送到你的家里。其次，产品创新速度将加快。由于运用3D打印的快速原型制造技术能够缩短把产品概念转化为成熟产品设计的时间，设计人员将能够专注于产品的功能。迅速降低的成本、功能得到改进的设计软件以及越来越多的打印材料，意味着设计师将更方便地使用3D打印机，他们能够在设计的初期就打印出原型产品进行修改，从而加速创新，其结果将是更好的产品以及更快的设计速度。
随着3D打印机的出现和推广，越来越多的想法和设计得以借助这种技术发展起来。3D打印技术的未来发展值得期待，它会不会是又一次新的工业革命，再一次改变人类的生产生活方式，推动人类文明向前迈进一大步，让我们拭目以待。
参考文献：
[1]刘月.3D打印机，印出新世界？！[J].印刷技术，2011，（09）.[2]王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业（中旬刊），2012，（09）.
[3]宫秀滨，刘丽华编译.用打印机“打”出你的房子来[N].计算机世界，2006.
其实，3D打印本来就不是什么新鲜的技术，也不是今天才出现一只不过因为出现初期的实现成本过于高昂。而随着原材料和打印成本的下降，3D打印技术终于可以走进我们的生活，现在，不仅在国外，国内也有不少公司可以提供这一服务了。
原理并不复杂
不少工业设计师认为，3D打印技术使得生产单件商品的成本变得与批量生产一样便宜，这大大削弱了规模经济效益，它可能像原来第一次工业革命那样对世界产生深远的影响。
3D打印的原理并不复杂：首先在电脑屏幕上生成产品模型，根据需要调整大小和颜色，然后相关软件会自动将产品模式按照一定的厚度进行虚拟的“切片”，并将相尖数据传输到3D打印机，打印机就把这些根薄的“切片”用塑料、松脂或金属粉末像打印彩绘图那样打印出来，然后通过可自由转动的喷嘴喷出堆接材料、强力胶水或照焦光束将其粘合成一个整体。
使用3D打印技术，小型物品可以由类似于桌面打印机的机器生产，大型物品如自行车骨架、汽车面板和飞机零件可能需要大型机器设备和更大的空间，而且无需机械加工或任何模具，直接从计算机图形数据中生成。目前的3D打印机分层打印精度在0.1毫米左右。
与常规的制造工业相比，如果不考虑因规模带来的成本下降，3D打印技术的优势还是很明显：它不需要生产线和大型设备一只要一台3D打印机，就可以在办公室制造出自己所需要的中小型产品，用户要做的只是找到一个合适的模型：同时一3D打印技术所产生的废料比起常规制造技术来说少得多：它还可以制造出常规方法有时候无法生产的奇形怪状的部件。当3D打印技术的设备价格能够下降到一个普通人都能接受的水平，生产单件商品的成本与将变得与批量生产一样低，而且还大大缩减了生产周期。在3D打印技术的发展过程中，麻省理工学院的一项发明扮演了重要的角色。1 994年，几名来自麻省理工学院的科研和技术专家发明了一种名为三维打印(Three Dimensional Printing，简称“3DP”)的技术并申请了专利。1997年，为了将三维打印技术推向市场，Z-corporation公司正式成立。Z-corporation也是最先提出把3D打印机当成办公用品的3D打印机生产厂商，这也是目前惟一一家可以支持彩色3D打印的公司。
我们能打印什么
随着成本的降低，3D打印技术正从传统的用于航天、医药和汽车行业的原型制造转而为民用服务。目前，对于1000件左右塑料物品的制造来说，3D打印技术已经非常有竞争力，而且因为每件物品都是单独制造出来而非模具，因此不需要任何额外成本就可以做到每件物品各具特色。另外一对于一些产品制造方面的设计师和创业者，则可以先少量生产自己开发的新产品，看看市场反响再进行改进。
不过，国外的设计师们玩得似乎更疯狂。
时装设计师玛丽，黄与3D模型专家詹娜，费瑟也看上了3D打印技术，他们利用Rhjno 3DCAD设计软件创造出3D打印泳衣的模型，然后通过机器“打印”出复杂的几何图形。费瑟表示，他们还运用一种称为“选择性激光烧结(SLS)”的技术，用非常纤细的绳子连结起无数圆形薄片，进而织出泳衣的“布料”，通过改变圆形薄片的大小、分布，以及连结方式，确保泳衣的受力模型保持合理。这件泳衣以尼龙作为主要制造材料，最重要的是，因为采用了3D打印技术。无需经过传统服装制造业的打版再生产，两位设计师也表示，这款泳衣将完全采取定制化生产，首先扫描消费者的体型并进行3D建模，再为其量身“打印”出一套合身的泳衣。
欧洲最大的手肮公司欧洲宇航防务集团(EADS)则致力于研究利用3D打印制造出更轻便的飞机。EADS工程师安迪，霍金斯表示，目前宇航飞机上有不少零件是用昂贵的钛金属通过机器冲压制成，如果改用钛粉打印，不仅重量更轻，而且保持了一样的坚固程度。
意大利土木工程师恩里科，迪尼(Enricodini)则玩得更加出位，他倒腾出了一台可以用沙子直接打印立体建筑的3D打印机。为了测试这台大型打印机，恩里科，迪尼为诺曼，福斯特公司在阿布扎比建造的“马斯达尔城(Masdar City)”打印了一部分建筑的骨架外墙，结果证明打印出来的外墙骨架完全可以用于正常的建设，有了这台机器，未来的建筑骨架可能不再需要搭建脚手架，也不需要工人。目前，恩里科，迪尼正与诺曼，福斯特建筑设计公司以及阿尔塔太空公司合作，研究设计一种可以使用月球尘埃打印的3D打印机，可以在月球上快速建造人类基地。和之前只能打印小型塑料部件的3D打印机相比，恩里科，迪尼所设计的打印机可以打印出厚达50毫米的分层，然后再一层一层叠加起来，通过以镁为主要原料的粘合胶将其粘合，这些粘合胶跟沙子结合，印刷机再对其施压后变成岩石。
恩里科，迪尼十分推崇建筑大师高迪的作品，他希望能用3D打印机完成高迪的未完成作品――位于西班牙巴塞罗那的“神圣家族大教堂”，而按照他的3D打印机的设计，实现高迪，设计出的那些通过传统建筑技术很难实现的弯曲建筑并不困难。
3D打印普及还需时日
目前，3D打印技术要用于民用，最大的障碍可能依然是价格，虽然相比前几年来说价格和成本已经下降不少，但是对于普通用户来说，价格依然还不到可以接受的范围――目前最便宜的3D打印机价格也在1万美元以上，如果要打印更大的部件，打印机的价格将会成倍飙升。英国巴斯大学有一项正在开发中的新设计，能用大约700美元制造一个3D打印机，未来或许能解决打印机的价格问题。
除了设备昂贵之外，3D打印机使用的打印材料多是化学聚合物，包括尼龙、金属、树脂以及各种塑料，同时在粘合过程中还使用大量的化学粘合剂，其剂量远远超过传统制造的产品。这些化学物质如果与我们朝夕相处的，后期使用成本尚在其次，材料是否安全、长时间接触是否对身体健康有所损伤将是重点需要考虑的问题。
