時(shí)間：2023-10-02 09:07:35
導(dǎo)語(yǔ)：在3d打印技術(shù)的撰寫(xiě)旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
2012年，英國(guó)教育部選取 21所小學(xué)作為試點(diǎn)學(xué)校，讓他們嘗試在科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和設(shè)計(jì)的課堂中教授和使用3d 打印技術(shù)。一旦試點(diǎn)成功，3D打印技術(shù)項(xiàng)目將推廣至更多學(xué)校。目前，在我國(guó)教育領(lǐng)域，特別是基礎(chǔ)教育階段，3D 打印技術(shù)的應(yīng)用還是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。3D打印為學(xué)校開(kāi)展STEAM教育提供了讓創(chuàng)意靈活物化的技術(shù)支持，于是我們把3D打印技術(shù)引入學(xué)科教學(xué)中。不僅為學(xué)科教學(xué)增添了活力，更主要的是，學(xué)生在利用3D打印技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)作的過(guò)程中，激發(fā)了想象力，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力，提高了動(dòng)手實(shí)踐能力。
3D打印技術(shù)進(jìn)入課堂的實(shí)踐意義
我國(guó)科學(xué)技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平尚有差距的一個(gè)主要原因是“創(chuàng)新不夠”。而STEAM教育旨在培養(yǎng)具有科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)、工程學(xué)素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)的綜合型人才。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為學(xué)校推行STEAM教育注入了一針強(qiáng)心劑。3D打印技術(shù)作為開(kāi)展STEAM教育的輔助工具，滲透到學(xué)科教學(xué)中，使枯燥乏味的課堂更生動(dòng)有趣，大大提高了學(xué)生的活動(dòng)參與度；使學(xué)習(xí)內(nèi)容也不再單一、刻板，呈現(xiàn)出了更多的姿態(tài)。
經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)踐研究，筆者發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)在教學(xué)活動(dòng)中具備以下優(yōu)勢(shì)。
1. 有利于提高可視化教具的使用效果
在原來(lái)的教學(xué)環(huán)境中，教師大多使用語(yǔ)言或者圖片來(lái)描述教學(xué)內(nèi)容。當(dāng)遇到復(fù)雜的事物時(shí)，學(xué)生的思維空間就會(huì)受到很大的影響。3D 打印技術(shù)可以在理論和現(xiàn)實(shí)之間架起橋梁，將教具進(jìn)行3D打印并在課堂上展示。學(xué)生通過(guò)觀察、觸摸獲得“觀察的經(jīng)驗(yàn)”，對(duì)教學(xué)內(nèi)容有了更加直觀的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這種方式教學(xué)效果顯然要比原來(lái)更好。例如，蘇教版小學(xué)五年級(jí)《黃山奇松》一課的教學(xué)，如果學(xué)生只通過(guò)圖片或視頻來(lái)了解黃山奇松的奇，學(xué)生感受并不深刻。我們用3D 打印機(jī)打印出各種奇松的模型，學(xué)生就可以很直觀地觀察、欣賞奇松。
2. 有利于呈現(xiàn)新穎的教學(xué)內(nèi)容
STEAM 教育常常涉及語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、美術(shù)、科學(xué)等多學(xué)科內(nèi)容的整合，而 3D 打印為這些知識(shí)的整合提供了機(jī)會(huì)。STEAM 教育有別于傳統(tǒng)教育體系中學(xué)科界限分明的做法，著重于培養(yǎng)具備綜合能力的工程師精神。3D打印技術(shù)的應(yīng)用使得很多以往難以實(shí)現(xiàn)的“動(dòng)手做”類(lèi)型的課程設(shè)計(jì)成為可能，激發(fā)了學(xué)生投身于技術(shù)和工程領(lǐng)域的熱情。
3. 有利于營(yíng)造更愉快的學(xué)習(xí)體驗(yàn)
我們利用3D 打印技術(shù)，最主要的是能夠幫助學(xué)生將虛擬快速變成可觸摸的實(shí)物模型。獨(dú)特的實(shí)物模型給學(xué)生提供了切身感受，使他們從另一個(gè)角度對(duì)事物增進(jìn)了解，幫助他們愉快地記憶，避免遺忘。此外，還能激發(fā)學(xué)生的靈感，給予他們更多的想象空間。學(xué)生通過(guò)自身的經(jīng)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，這將使他們更愿意投入到自己設(shè)計(jì)、自己生產(chǎn)作品的過(guò)程中，從中獲取對(duì)學(xué)習(xí)的滿足感。
4. 有利于培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力
解決問(wèn)題是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力的重要途徑，而3D打印技術(shù)用一種非常有意義的設(shè)計(jì)理念去支持問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)、分析與解決。設(shè)計(jì)3D作品時(shí)，首先要根據(jù)內(nèi)心所想的物體進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，然后對(duì)各個(gè)部位進(jìn)行分析，提出解決方案，再通過(guò)嘗試?yán)L制草圖逐步去實(shí)現(xiàn)。在這一過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)歷了提出問(wèn)題、分析對(duì)象、嘗試設(shè)計(jì)、反復(fù)修改、最終解決問(wèn)題的過(guò)程。學(xué)生在創(chuàng)造的過(guò)程中始終處于提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的動(dòng)態(tài)過(guò)程中。例如，我校六（5）班學(xué)生在整理筆盒時(shí)，發(fā)現(xiàn)測(cè)量工具有很多，于是就想制作一把多功能的尺。他將這個(gè)想法告訴數(shù)學(xué)老師后，老師覺(jué)得這個(gè)想法不錯(cuò)，就著手讓大家分組設(shè)計(jì)自己的多功能尺。學(xué)生們經(jīng)歷了多次的討論、分析、設(shè)計(jì)，最后成功地將多功能尺打印出來(lái)了。教師在其中扮演咨詢(xún)者、輔導(dǎo)者和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)激發(fā)者的角色。 這些開(kāi)放式的交互活動(dòng)不僅有趣，培養(yǎng)了學(xué)生解決問(wèn)題的能力，而且還培養(yǎng)了學(xué)生的合作精神和協(xié)作能力。
3D打印課程的教學(xué)實(shí)踐
由我校教師主編的教材《一起玩3D打印》正式進(jìn)入六年級(jí)的信息技術(shù)課堂。3D打印技術(shù)教學(xué)，讓學(xué)生有了更多的思考、創(chuàng)造空間。通過(guò)不斷地教學(xué)研討，教師們也逐步摸索出了3D打印技術(shù)的教學(xué)方法，對(duì)各個(gè)學(xué)齡段學(xué)生的學(xué)情、學(xué)習(xí)能力有了了解，對(duì)哪些內(nèi)容可以讓學(xué)生自己探究、哪些內(nèi)容需要教師搭建學(xué)習(xí)的支架、如何設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)、如何在玩中滲透三維設(shè)計(jì)的思想，教師們做到了心中有數(shù)。學(xué)生通過(guò)一系列活動(dòng)項(xiàng)目的創(chuàng)作，在不斷嘗試的過(guò)程中獲取經(jīng)驗(yàn)、掌握方法、提升能力。
下面就以“花盆很實(shí)用”為例分享教學(xué)實(shí)施的過(guò)程。
“路徑跟隨”是草圖大師Sketchup 中繪制一些不規(guī)則的形狀時(shí)用到的工具命令，比如繪制彎曲的圓柱體等。通過(guò)“花盆很實(shí)用”一課的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解了“路徑跟隨”在三維設(shè)計(jì)中的作用。
1. 教學(xué)目標(biāo)
（1）學(xué)會(huì)運(yùn)用Sketchup設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建出自己想象中的花盆的三維模型。
（2）了解花盆的結(jié)構(gòu)，思考自己將會(huì)如何設(shè)計(jì)。
（3）培養(yǎng)學(xué)生細(xì)心觀察身邊事物的習(xí)慣，體驗(yàn)設(shè)計(jì)、創(chuàng)造的樂(lè)趣。
2. 教學(xué)過(guò)程
（1）導(dǎo)入。教師引導(dǎo)學(xué)生留心觀察身邊花盆的形狀，提出自己想設(shè)計(jì)怎樣的花盆。
（2）教師演示“路徑跟隨”工具的使用方法。
（3）討論設(shè)計(jì)草圖。學(xué)生相互討論，并在紙上繪制草圖。
（4）三維建模，創(chuàng)意設(shè)計(jì)。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生運(yùn)用Sketchup設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)花盆。
（5）展示交流，創(chuàng)意表達(dá)。作品展示交流，要求學(xué)生介紹自己的作品，同桌之間、同學(xué)之間也可以相互欣賞，評(píng)價(jià)。
（6）打印實(shí)物。選出比較好的作品進(jìn)行打印，讓學(xué)生體驗(yàn)3D打印的過(guò)程，了解3D打印機(jī)的操作方式。
3D打印課程進(jìn)入課堂的思考
毋庸置疑，3D打印技術(shù)對(duì)學(xué)校的教學(xué)發(fā)展起到了積的促進(jìn)作用。3D打印激發(fā)了學(xué)生的想象力，將學(xué)生的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，這是一種重要的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。3D打印激發(fā)了學(xué)生DIY的興趣，使學(xué)習(xí)更加生動(dòng)。3D打印為學(xué)習(xí)活動(dòng)開(kāi)辟了新的空間，學(xué)生可以從設(shè)計(jì)、制作、展示參與等多維度融入學(xué)習(xí)過(guò)程中。同時(shí)，在整個(gè)實(shí)踐學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程中，都需要學(xué)習(xí)者的實(shí)踐操作，從設(shè)計(jì)到打印，都需要他們參與完成，有效地激發(fā)了學(xué)生實(shí)踐的積極性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力、參與能力、設(shè)計(jì)能力和思維能力。這是推動(dòng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，對(duì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有積極意義。當(dāng)然，不管多么先進(jìn)的技術(shù)，進(jìn)入課堂必須堅(jiān)持以學(xué)生發(fā)展為中心，重視學(xué)生的主體地位。
1. 對(duì)教師的要求
在課堂中應(yīng)用3D 打印技術(shù)對(duì)教師和學(xué)生的信息素養(yǎng)要求較高，較強(qiáng)的動(dòng)手能力和基本的工程素養(yǎng)是用好它的重要保證。這就需要教師既有使用設(shè)備的基本技能，更要有較高的創(chuàng)新意識(shí)和學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)能力。因而，教師要從技術(shù)和教學(xué)設(shè)計(jì)等層面進(jìn)行深層次的學(xué)習(xí)和提高。此外，教師的角色也需要轉(zhuǎn)變，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的合作者、參與者和促進(jìn)者。其教學(xué)重點(diǎn)除了傳授知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，更要激勵(lì)和鼓舞學(xué)生，讓學(xué)生保有個(gè)性地愉快成長(zhǎng)，享受學(xué)習(xí)。
2. 打破學(xué)科壁壘，整合學(xué)科資源
我們一直嘗試溝通學(xué)科之間聯(lián)系，進(jìn)行各學(xué)科之間的整合。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)打破了學(xué)科之間的壁壘，如何更好地進(jìn)行資源整合？我們可以和不同學(xué)科的教師一起備課，比如數(shù)學(xué)、科學(xué)、信息技術(shù)，打破教學(xué)活動(dòng)中以本學(xué)科知識(shí)為主的現(xiàn)狀，結(jié)合各個(gè)學(xué)科相關(guān)的知識(shí)，通過(guò)3D打印技術(shù)進(jìn)行有效的整合。
【關(guān)鍵詞】CAID；3D打印；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；工業(yè)設(shè)計(jì)
引言
工業(yè)設(shè)計(jì)是在伴隨著工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一個(gè)行業(yè)，迄今為止工業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)有了一百多年的發(fā)展歷史。在工業(yè)發(fā)展的過(guò)程當(dāng)中，人們對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的需求不斷提高，從而促使生產(chǎn)廠家必須要提高產(chǎn)品的外觀、構(gòu)造以及形態(tài)，從而促進(jìn)了工業(yè)設(shè)計(jì)的誕生。工業(yè)設(shè)計(jì)最初的內(nèi)容就是對(duì)單個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，現(xiàn)如今工業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸成為了整體性的服務(wù)與產(chǎn)品生命周期當(dāng)中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其內(nèi)容被不斷的豐富與完善，這種設(shè)計(jì)方式的轉(zhuǎn)變也對(duì)人們的日常生活產(chǎn)生了較大的影響。我國(guó)的工業(yè)設(shè)計(jì)起步相對(duì)較晚，在上個(gè)世紀(jì)80年代，我國(guó)的工業(yè)設(shè)計(jì)才逐漸開(kāi)始走進(jìn)人們的生活當(dāng)中，同時(shí)當(dāng)時(shí)的工業(yè)設(shè)計(jì)水平相對(duì)較低，工業(yè)設(shè)計(jì)受到藝術(shù)設(shè)計(jì)的影響也相對(duì)較大，設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是產(chǎn)品的外觀方面[1]。隨著改革開(kāi)放的不斷深入，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，到上個(gè)世紀(jì)90年代左右，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展推動(dòng)了我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，在這樣的背景下，我國(guó)的工業(yè)產(chǎn)品制造技術(shù)不斷趨于完善，同時(shí)工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)在社會(huì)當(dāng)中也火熱開(kāi)展起來(lái)，同時(shí)在這個(gè)時(shí)期以計(jì)算機(jī)為代表的信息技術(shù)開(kāi)始走向成熟，因此利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)就開(kāi)始在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中出現(xiàn)，從而出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)，即CAID，在CAID技術(shù)開(kāi)始在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中廣泛運(yùn)用的同時(shí)，3D打印技術(shù)也出現(xiàn)了，但是3D打印技術(shù)在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都處于停滯不前的狀態(tài)當(dāng)中，直到2010年左右，3D打印技術(shù)才取得了突破性的進(jìn)展，3D打印技術(shù)才被運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，尤其是在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中具有非常廣泛的運(yùn)用，許多設(shè)計(jì)師通過(guò)3D打印技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，有效的縮短了產(chǎn)品研發(fā)的周期，省去了設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中的模型制造與審核的環(huán)節(jié)，極大的推動(dòng)了工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展[2]。
一、CAID簡(jiǎn)介
計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)是從計(jì)算C輔助設(shè)計(jì)發(fā)展而來(lái)的一個(gè)新的概念，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多配套的設(shè)計(jì)軟件也逐漸成熟起來(lái)，如CAD與有限元軟件等開(kāi)始出現(xiàn)，從而允許計(jì)算機(jī)被使用在設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中。而CAID就是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的英文縮寫(xiě)。從CAID的本質(zhì)上進(jìn)行分析，CAID技術(shù)是在工業(yè)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的支撐下系統(tǒng)形成的一種全新的技術(shù)，是與傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)存在著極大的差別的設(shè)計(jì)方法，與傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)方法相比，CAID在設(shè)計(jì)方法、 設(shè)計(jì)過(guò)程、 設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率方面都發(fā)生了顛覆性的改變，從而為工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展提供了重要的動(dòng)力。CAID技術(shù)是一種包含了多種不同屬性的計(jì)算機(jī)技術(shù)，如虛擬顯示技術(shù)、模糊技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體等，同時(shí)不同的技術(shù)之間也存在著一定的交叉，由此可見(jiàn)CAID技術(shù)是一種綜合性的技術(shù)[3]。
在工業(yè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中，往往需要經(jīng)過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)才能使得最終的產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)，首先需要對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行必要的調(diào)查，了解用戶對(duì)產(chǎn)品的實(shí)際需求，并設(shè)定產(chǎn)品的市場(chǎng)定位，再繪制草圖與效果圖，之后還需要制造出數(shù)據(jù)模型與實(shí)物模型，最終才能進(jìn)行產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)品的可視化過(guò)程是非常關(guān)鍵的一個(gè)部分，只有做好這部分工作才能在產(chǎn)品量產(chǎn)之前對(duì)其中所存在的不足支出與錯(cuò)誤進(jìn)行改進(jìn)，從而促進(jìn)了產(chǎn)品的完善，在進(jìn)行可視化工作的過(guò)程當(dāng)中，往往需要CAID技術(shù)的支撐，例如在進(jìn)行產(chǎn)品效果圖繪制的過(guò)程當(dāng)中，我們可以利用PS、Coreldraw等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行二維效果圖的繪制，利用3DMax等軟件進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)。而在數(shù)據(jù)模型階段，CAID也具有非常廣泛的運(yùn)用，例如可以使用一些工程類(lèi)的軟件進(jìn)行工程模型的制作，如SolidWorks與CATIA。從而為后期的產(chǎn)品生產(chǎn)做出充分的準(zhǔn)備。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程當(dāng)中使用CAID技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)相比于傳統(tǒng)的使用手工效果圖與模型制作的方式極大的提高了涉及的效率，同時(shí)也使得設(shè)計(jì)的精確性得以有效的提升。當(dāng)前階段在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中使用CAID技術(shù)進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)軟件已經(jīng)非常的豐富，尤其是在計(jì)算機(jī)硬件不斷升級(jí)的基礎(chǔ)上各種軟件的性能也得到了極大的提升，并不斷的朝著智能化與集中化的方向發(fā)展。因此，在未來(lái)計(jì)算機(jī)會(huì)完美呈現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)構(gòu)想， 不用去花費(fèi)太多的精力和時(shí)間去學(xué)習(xí)各種軟件建模、 渲染技術(shù)。這樣是技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)師的一種解放， 讓設(shè)計(jì)師可以把更多的精力集中到設(shè)計(jì)創(chuàng)造階段[4]。
CAID在工業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用也不僅僅局限于設(shè)計(jì)表現(xiàn)方面的運(yùn)用，我們可以將CAID技術(shù)推向工業(yè)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，例如，在進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品的前期調(diào)研過(guò)程當(dāng)中，我們可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)相關(guān)的調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的分析與論證，從而提高產(chǎn)品市場(chǎng)定位的精確性，在最近幾年發(fā)展起來(lái)的大數(shù)據(jù)技術(shù)就可以充分的使用在該領(lǐng)域當(dāng)中。還有設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品的人機(jī)工程學(xué)分析， 只要有了數(shù)據(jù)模型， 我們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)， 用人體數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)， 提出更合理的人因工程分析數(shù)據(jù)， 幫助設(shè)計(jì)師改進(jìn)設(shè)計(jì)。這些都是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)該發(fā)揮作用的方面[5]。
二、3D打印技術(shù)與工業(yè)設(shè)計(jì)
3D打印技術(shù)是在上個(gè)世紀(jì)90年代才出現(xiàn)的一種全新的制造技術(shù)，3D打印技術(shù)需要以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)當(dāng)中的模型數(shù)據(jù)為基本依據(jù)，利用塑料或者粉末狀的材料通過(guò)逐層打印的方式來(lái)將實(shí)際的物體制造出來(lái)。3D打印技術(shù)在問(wèn)世之后，廣受設(shè)計(jì)人員的歡迎，被廣泛的使用在設(shè)計(jì)模型的制造方面，但是隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印的應(yīng)用已經(jīng)不再僅僅局限在設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中，在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中也具有非常廣泛的運(yùn)用，一些工業(yè)零部件已經(jīng)開(kāi)始采用3D打印的技術(shù)開(kāi)始生產(chǎn)[6]。
但是總體來(lái)說(shuō)3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)來(lái)說(shuō)還是較多的，在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中，在O計(jì)的最后階段都需要制作一個(gè)模型，用來(lái)測(cè)試和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性和合理性。一般來(lái)說(shuō)一個(gè)模型的制作周期大約為1周左右，模型的成本相對(duì)來(lái)說(shuō)也較大，同時(shí)通過(guò)手工制作的模型在精度方面還存在著較大的問(wèn)題，如果還需要進(jìn)行開(kāi)模的話，模型的價(jià)格則會(huì)更高，但是如果采用3D打印技術(shù)進(jìn)行模型的制作，只需要通過(guò)一臺(tái)3D打印機(jī)與制作材料在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)就可以將模型制作出來(lái)，同時(shí)模型的精度還非常高，這就可以使得產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程被極大的縮短了，同時(shí)也可以有效的降低制作成本。當(dāng)前階段3D打印機(jī)的制造技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其成本相對(duì)來(lái)說(shuō)也較低，許多企業(yè)都會(huì)為設(shè)計(jì)工作配置3D打印機(jī)，甚至還有部分企業(yè)推出了家用的3D打印機(jī)[7]。
3D打印技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)制造業(yè)與工業(yè)設(shè)計(jì)帶來(lái)了革命性的變化，當(dāng)前階段3D打印在工業(yè)設(shè)計(jì)與制造方面的應(yīng)用已經(jīng)在很大程度上改變了人們的日常生活，例如可以通過(guò)3D打印技術(shù)進(jìn)行房子的制造，可以使得一些生活在極端環(huán)境下人群的居住環(huán)境得以有效的改善，通過(guò)3D打印技術(shù)還可以進(jìn)行人體器官的打印，從而避免了大量的器官移植需求得不到滿足的現(xiàn)狀。
三、CAID與3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)方面的結(jié)合
CAID技術(shù)與3D打印技術(shù)本來(lái)就是兩種相輔相成的技術(shù)，3D打印技術(shù)必須要以一定的數(shù)據(jù)模型作為打印的基本依據(jù)，而3D打印技術(shù)則將虛擬的工業(yè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成了實(shí)際的模型，因此，如果實(shí)現(xiàn)CAID與3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)方面的有效結(jié)合，則可以推動(dòng)工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展，同時(shí)也會(huì)使得這兩種技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用得到一定的推廣[8]。
在下文當(dāng)中，筆者將通過(guò)一個(gè)自己實(shí)際操作的案例分析CAID與3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)方面的實(shí)際運(yùn)用。在該案例當(dāng)中，需要進(jìn)行一個(gè)吉祥物的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的原稿是由他人進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此，在此僅僅討論數(shù)據(jù)模型的制作過(guò)程與3D打印的實(shí)際過(guò)程。下圖一為通過(guò)CAID技術(shù)所制作出來(lái)的二維效果圖，這兩個(gè)吉祥物分別被明明為花花與桃桃，其人物造型是以花與桃子為原型的，三維模型制作階段應(yīng)用了 McNeel公司開(kāi)發(fā)的Rhinoceros 軟件和多邊形建模插件 T-spline。借助于 T-spline 的自由多邊形建模功能， 在數(shù)據(jù)模型的建構(gòu)過(guò)程當(dāng)中，首先需要構(gòu)建花花與桃桃的身體部位，再通過(guò)多邊形轉(zhuǎn) NURBS曲面的命令， 轉(zhuǎn)成 Rhinoceros軟件中可用來(lái)編輯的 NURBS曲面[9]。在完成這些工作之后還需要對(duì)人物的身體方面的細(xì)節(jié)進(jìn)行充分的修飾，最后才能完善數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，數(shù)據(jù)模型的構(gòu)成如下圖二中所示。在完善數(shù)據(jù)模型的建構(gòu)之后，需要將相關(guān)的模型數(shù)據(jù)保存為STL格式，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出來(lái)，在導(dǎo)出數(shù)據(jù)之后，再將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入到與3D打印機(jī)相連的計(jì)算機(jī)當(dāng)中的打印軟件。在該案例當(dāng)中所使用的3D打印機(jī)是我國(guó)國(guó)產(chǎn)的3D打印機(jī)，打印機(jī)與打印軟件如下圖三中所示，通過(guò)定位、 打印尺寸等的設(shè)置后打印機(jī)便會(huì)執(zhí)行指令， 開(kāi)始逐層打印， 直到打印完畢。最后還需要對(duì)3D打印所得出的實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的人工處理，最后就可以得到模型。在該案例當(dāng)中從最開(kāi)始的數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建到最后的打印完成耗時(shí)一周不到，所得到的模型效果也相對(duì)較高[10]。
四、結(jié)語(yǔ)
在本文當(dāng)中，筆者對(duì)CAID與3D打印進(jìn)行了簡(jiǎn)略的介紹，并以此為基礎(chǔ)分析了CAID與3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用，最后通過(guò)實(shí)例對(duì)二者之間的結(jié)合進(jìn)行了分析。我們可以發(fā)現(xiàn)，將CAID與3D打印技術(shù)結(jié)合在一起可以有效的提高工業(yè)設(shè)計(jì)的效率，在提高設(shè)計(jì)速度的同時(shí)，還能提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量，并有效降低設(shè)計(jì)成本，應(yīng)該在實(shí)際的使用過(guò)程當(dāng)中大力推廣。
參考文獻(xiàn)：
[1]吳世嘉，張輝，賈敬敦. 3D打印技術(shù)在我國(guó)食品加工中的發(fā)展前景和建議[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2015，01：1-6.
[2]劉宏偉，翁益平，張?jiān)评ぃ炷蟼ィВ醪拭? 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及電子束熔融快速成型金屬3D打印技術(shù)制備個(gè)性化股骨假體[J]. 中國(guó)修復(fù)重建外科雜志，2015，09：1088-1091.
[3]徐步光，李丹榮，寧銳劍. 3D打印技術(shù)在口腔種植領(lǐng)域的應(yīng)用及對(duì)牙科工業(yè)發(fā)展的革命性影響[J]. 中國(guó)醫(yī)療器械信息，2015，08：13-18.
[4]王靜，袁榮濤，董苻. 計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)與3D打印技術(shù)在口腔頜面部缺損修復(fù)重建中的應(yīng)用[J]. 國(guó)際口腔醫(yī)學(xué)雜志，2016，06：725-728.
[5]張楠，李飛. 3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對(duì)未來(lái)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2013，07：97-99.
[6]張瑩. 打印出一個(gè)三維世界――談3D打印的發(fā)展和工業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)系[J]. 天津美術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，02：86-87.
[7]姚強(qiáng)，王麗平. “萬(wàn)能制造機(jī)”背后的思考――知識(shí)產(chǎn)權(quán)法視野下3D打印技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)分析與對(duì)策[J]. 科技與法律，2013，02：17-21.
[8]孟慶華，汪國(guó)慶，姜的宏，汪培慶. 噴墨打印技術(shù)在3D快速成型制造中的應(yīng)用[J]. 信息記錄材料，2013，05：41-51.
關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；增材制造技術(shù)；原理；應(yīng)用
中圖分類(lèi)號(hào)：TP334.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）05-0203-01
3D打印，即3 Dimensional printing，其特點(diǎn)是能通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)直接打印出任何復(fù)雜形狀的零件，從而降低成本，減小開(kāi)支，被美國(guó)《時(shí)代》周刊稱(chēng)為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”。2012年，英國(guó)著名雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》在報(bào)告中指出，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)正在經(jīng)歷的第三次工業(yè)革命中制造業(yè)的發(fā)展，將會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。
1 3D打印技術(shù)的原理
3D打印技術(shù)（3 Dimensional Printing），也被稱(chēng)為增材制造技術(shù)（material additive manufacturing），或者添加制造技術(shù)（additive manufacturing）。是快速成型技術(shù)的一種。它的定義為：它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或者塑料等可黏合的材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。日常生活中使用的普通打印機(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面物體，而所謂的3D打印機(jī)其實(shí)與普通打印機(jī)工作原理相同，區(qū)別在于打印所使用的原料不同。普通打印機(jī)使用的打印材料是紙張和墨水，3D打印機(jī)使用的打印材料是粉末狀金屬、陶瓷、塑料、砂等實(shí)實(shí)在在存在的物體。當(dāng)打印機(jī)與電腦連后，通過(guò)電腦的控制，把打印材料一層層疊加在一起，將電腦設(shè)計(jì)的藍(lán)圖變成實(shí)物。
在以前，想要制作一件模型，需要先O計(jì)圖紙，尋找材料慢慢制作而成。現(xiàn)代的3D打印技術(shù)，和過(guò)去傳統(tǒng)的模型制作相比，不僅在制作時(shí)間上大大縮短，而且在制作的精密度上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)制作技術(shù)。所以，在現(xiàn)代生活工作中，人們更加依賴(lài)于3D打印技術(shù)。
2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用
2.1 航空、汽車(chē)制造領(lǐng)域的應(yīng)用
由于3D打印技術(shù)可以制作出規(guī)格小、精密度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料昂貴的零件，因此在航空和汽車(chē)制造業(yè)中獨(dú)占鰲頭。3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在直接產(chǎn)品制作、外形檢驗(yàn)、精密熔具鑄造等方面。現(xiàn)如今，歐美大多數(shù)國(guó)家在航空制造業(yè)中，已經(jīng)把3D打印技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)之一。從開(kāi)始運(yùn)用3D打印技術(shù)至今，美國(guó)波音公司已經(jīng)利用這一先進(jìn)技術(shù)成功制作300多架飛機(jī)的零部件。美國(guó)佛吉尼亞大學(xué)的一名學(xué)生通過(guò)3D打印技術(shù)成功制造出一架模型飛機(jī)并且成功試飛，這架飛機(jī)所有的零部件都是通過(guò)3D技術(shù)打印出來(lái)，如果飛機(jī)任何部件出現(xiàn)破損，都可以通過(guò)3D技術(shù)打印出來(lái)進(jìn)行替換。在汽車(chē)制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)應(yīng)用在汽車(chē)零部件的制造中。全球首輛從表面到零部件全部都由3D打印機(jī)制造出來(lái)的汽車(chē)“Urbee”于今日問(wèn)世，這一成果的展示無(wú)不極好的展示了3D打印技術(shù)的強(qiáng)大。
2.2 服飾、首飾設(shè)計(jì)、體育方面的應(yīng)用
2011年，法國(guó)巴黎時(shí)裝周上，一位荷蘭設(shè)計(jì)師所設(shè)計(jì)的3D打印技術(shù)制作的時(shí)尚服飾展示在人們眼前，震驚了世人，它所制作出來(lái)的服飾完美的解決了布料衣服難以詮釋的立體感，使得世界服裝進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。首飾設(shè)計(jì)方面，發(fā)達(dá)國(guó)家也出現(xiàn)了以14K金和純銀為原材料，運(yùn)用3D打印技術(shù)制作出來(lái)的名貴首飾，3D打印技術(shù)的特殊立體感也是人類(lèi)手工所達(dá)不到的。另外NIKE公司是第一個(gè)將3D打印技術(shù)運(yùn)用在鞋子生產(chǎn)中的企業(yè)，它所制作出來(lái)的鞋子質(zhì)量更為貼合運(yùn)動(dòng)員腳部，用這一技術(shù)做出的鞋子質(zhì)量只有158.7g，相當(dāng)于3個(gè)雞蛋的重量，這在當(dāng)時(shí)是絕無(wú)僅有的。
2.3 生物工程和醫(yī)學(xué)的應(yīng)用
隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，這一技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)拓展到了生物醫(yī)學(xué)方面。2009年，美國(guó)ganovo公司首次運(yùn)用3D打印技術(shù)制造出人造血管。2010年，美國(guó)和澳大利亞合作，采用3D打印技術(shù)，以活體細(xì)胞為原材料，打印出人體組織和器官。美國(guó)梅約診所運(yùn)用3D打印技術(shù)為病人制作了一個(gè)3D打印的髖關(guān)節(jié)，使病人可以更好的適應(yīng)植入物。在未來(lái)的發(fā)展中，隨著3D打印技術(shù)的提升，將會(huì)制作出質(zhì)量更好的3D骨骼，幫助外科醫(yī)生對(duì)病人進(jìn)行骨骼損傷的修復(fù)。3D打印技術(shù)同樣適用于牙科病人，根據(jù)不同的人不同的牙齒形狀，用3D技術(shù)打印出來(lái)的人類(lèi)牙齒幫助牙科醫(yī)生滿足不同病人的需求。
3 結(jié)語(yǔ)
隨著科學(xué)技術(shù)的逐步提升，3D打印技術(shù)也會(huì)發(fā)展的越來(lái)越好，在人們今后的生活中，會(huì)成為一項(xiàng)必不可缺的技術(shù)。比如在服務(wù)行業(yè)中，人們會(huì)利用3D打印技術(shù)制作出更符合個(gè)人需求，個(gè)人品味的各種各樣的物品來(lái)滿足不同人的要求，由此會(huì)產(chǎn)生出許多新興的職業(yè)，創(chuàng)造出新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，對(duì)滿足個(gè)人生活需求，推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，起著至關(guān)重要的作用。特別是面對(duì)世界各地的客戶群體，遠(yuǎn)程操控和遠(yuǎn)程制造，銷(xiāo)售，對(duì)傳統(tǒng)銷(xiāo)售模式起到?jīng)Q定性的變化。3D打印技術(shù)，會(huì)是人類(lèi)發(fā)展過(guò)程中，極其重要的組成部分之一。
參考文獻(xiàn)
[1]王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè).2012，（33）22：68-72.
[2]王燦才.3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].絲網(wǎng)印刷，2012（9）：39-43.
(一)3D打印技術(shù)的涵義
3D打印技術(shù)是一種三維立體式打印，更加接近于客觀事物，是一項(xiàng)新興的技術(shù)，目前在國(guó)外已經(jīng)得到一定程度的發(fā)展與應(yīng)用，取得了一定的成果，被稱(chēng)為具有工業(yè)革命意義的創(chuàng)新制造技術(shù)。它的工作流程主要分兩步:首先通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)出理想的立體式產(chǎn)品模型，然后通過(guò)在3D打印機(jī)中添加液化﹑粉末化﹑絲化的原材料逐層打印出3D式樣的產(chǎn)品。可以看出，3D打印技術(shù)的關(guān)鍵有兩點(diǎn):一是立體式模型的設(shè)計(jì);二是原材料的制造與添加。
(二)3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的數(shù)控制造的區(qū)別
3D打印技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)方式是“添加型”制造，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的“去掉型”數(shù)控制造正好相反，這也顯示出了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)或特點(diǎn)。傳統(tǒng)的“去掉型”制造方式是以原材料為基礎(chǔ)，通過(guò)切割﹑消磨和熔腐等方法，去除掉多余部分，得到各種所需要的零部件，再通過(guò)焊接和拼裝的方式組合成最終產(chǎn)品。可見(jiàn)這樣制造產(chǎn)品的程序相當(dāng)繁雜，產(chǎn)品研制周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高且效率低，而3D打印技術(shù)的“添加型”制造通過(guò)在3D打印機(jī)中添加原材料就可以直接制造出或打印出任何形狀的物體，使產(chǎn)品的制造程序大大簡(jiǎn)化，產(chǎn)品的研制周期間接顯著縮短，促進(jìn)了生產(chǎn)效率的提高和生產(chǎn)成本的大幅度下降，大力提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，因此可以顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。
二、3D打印技術(shù)的調(diào)查現(xiàn)狀及分析
2013年7月份，我們對(duì)3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了實(shí)地問(wèn)卷調(diào)查，按照區(qū)域劃分分為東南沿海，中部地區(qū)，西部地區(qū)，和東北三省，主要選取的具有代表性的15個(gè)一線城市上海，北京，西安，哈爾濱等進(jìn)行了每個(gè)城市的1000份有效問(wèn)卷的調(diào)查，對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析、加工和整理得到如下現(xiàn)狀:
(一)定性分析
我們主要對(duì)當(dāng)前我國(guó)各個(gè)區(qū)域?qū)?D打印技術(shù)的需求或認(rèn)可度進(jìn)行了定性分析，從圖1中可以獲悉:當(dāng)前我國(guó)國(guó)內(nèi)居民對(duì)3D打印技術(shù)的需求主要分布在東南沿海和中部地區(qū)，而西部地區(qū)和東北地區(qū)的需求比重明顯過(guò)低，需求分布結(jié)構(gòu)很不合理，導(dǎo)致這樣現(xiàn)狀的直接原因是地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同，人們總體的收入水平和生產(chǎn)生活觀念差異很大所致，這也顯示出了當(dāng)前我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展很不平衡，貧富差距越來(lái)越大，這需要政府的高度重視，同時(shí)也為我國(guó)政府制定經(jīng)濟(jì)政策進(jìn)行宏觀調(diào)控提供了一些有效信息。
(二)定量分析
對(duì)3D打印技術(shù)產(chǎn)品需求影響最大的是產(chǎn)品的價(jià)格，其次是學(xué)歷水平，最后是收入水平。上述信息也為我國(guó)工業(yè)企業(yè)，尤其是加工制造業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者或企業(yè)家和各級(jí)政府的經(jīng)濟(jì)政策制定者提供了一定的有用信息，當(dāng)前應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的是產(chǎn)品的價(jià)格政策，而不是收入政策。
(三)消費(fèi)者對(duì)3D打印技術(shù)產(chǎn)品的未來(lái)期望
通過(guò)我們對(duì)調(diào)查問(wèn)卷的系統(tǒng)分析和總結(jié)主要得到了的消費(fèi)者期望：當(dāng)前我國(guó)消費(fèi)者最關(guān)心的是3D打印技術(shù)產(chǎn)品的使用價(jià)值，當(dāng)然消費(fèi)者也最關(guān)心產(chǎn)品的價(jià)格，這些信息也為我們的科學(xué)技術(shù)研發(fā)者和生產(chǎn)企業(yè)提供了一個(gè)未來(lái)發(fā)展的期望或要求。
三﹑3D打印技術(shù)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)分析
近十幾年來(lái)，在計(jì)算機(jī)功能迅速提高﹑電腦設(shè)計(jì)軟件的不斷出新，新物質(zhì)材料的不斷發(fā)現(xiàn)與發(fā)明，自主創(chuàng)新能力的顯著提高和互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的推動(dòng)下，3D打印技術(shù)被發(fā)明且發(fā)展迅速，在其發(fā)展過(guò)程中，其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)充分顯示出來(lái)，這已在實(shí)踐中得到證實(shí)，主要包括以下幾個(gè)方面:
(一)在生產(chǎn)復(fù)雜產(chǎn)品或變換產(chǎn)品樣式時(shí)不增加生產(chǎn)成本
在傳統(tǒng)的“去掉型”制造方式下，如果所生產(chǎn)的產(chǎn)品越復(fù)雜越精細(xì)，會(huì)需要更多的生產(chǎn)時(shí)間、人力、財(cái)力和物力，使得制造難度就越高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本越高，在同樣的價(jià)格下會(huì)使企業(yè)的利潤(rùn)下降或降低其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。然而，在利用3D打印技術(shù)方式下，以3D打印機(jī)為例，制造一個(gè)華麗精細(xì)復(fù)雜的產(chǎn)品與制造一個(gè)簡(jiǎn)單的方塊所消耗的時(shí)間、技能或生產(chǎn)成本一樣，只不過(guò)是一臺(tái)3D打印機(jī)需要設(shè)計(jì)不同的模型和新的原材料罷了，這種不增加成本的優(yōu)勢(shì)將會(huì)改變傳統(tǒng)的計(jì)算生產(chǎn)成本方式和定價(jià)模式。
(二)按需零時(shí)間交付式生產(chǎn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)空間無(wú)限
3D打印可以按照需求及時(shí)生產(chǎn)，有利于降低企業(yè)的實(shí)物庫(kù)存，生產(chǎn)廠商可以按照客戶的訂單使用3D打印機(jī)及時(shí)制造出使客戶的個(gè)性化需求得到最大限度的滿足的立體式產(chǎn)品，有利于大幅度提高消費(fèi)者的效用水平，這將改變傳統(tǒng)的需要時(shí)間的商業(yè)模式，零時(shí)間交付生產(chǎn)能最大限度的降低長(zhǎng)途運(yùn)輸成本，有利于實(shí)現(xiàn)人們按需就近生產(chǎn)的目標(biāo)。此外，傳統(tǒng)的制造產(chǎn)品形狀上的能力由于受到使用工具的有限功能限制，只能生產(chǎn)出有限形狀的產(chǎn)品，而3D打印機(jī)則打破了這種局限，開(kāi)辟了巨大的設(shè)計(jì)空間，可以說(shuō)3D打印技術(shù)可以制造出任何形狀的產(chǎn)品，來(lái)滿足人類(lèi)欲望的無(wú)限需求，有利于解決供需矛盾。
(三)有利于實(shí)現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)目標(biāo)
在傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式下，人們是先生產(chǎn)所需的零部件，然后對(duì)這些零部件通過(guò)機(jī)械或人工進(jìn)行組裝來(lái)生產(chǎn)物品，而3D打印技術(shù)能使生產(chǎn)的物品的各部分一體化成型，無(wú)須組裝，這就縮短了供應(yīng)鏈，節(jié)省了勞動(dòng)力資源和運(yùn)輸費(fèi)用，供應(yīng)鏈越短，環(huán)境污染也就越少，有利于實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)，此外3D打印技術(shù)還降低了廢棄的副產(chǎn)品排放，據(jù)權(quán)威部門(mén)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)的加工制造業(yè)中，約有90%的金屬原材料被丟棄在工人車(chē)間里，而3D打印技術(shù)將金屬制造業(yè)的浪費(fèi)大大降低，而且隨著3D打印技術(shù)水平的提高和打印材料的進(jìn)步，“凈成型”制造將成為未來(lái)更環(huán)保的加工生產(chǎn)方式，有利于實(shí)現(xiàn)人類(lèi)夢(mèng)想的綠色經(jīng)濟(jì)時(shí)代。資料來(lái)源:維基百科英文版文獻(xiàn)資料。
四、3D打印技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的作用
(一)3D打印技術(shù)有利于提供有效供給
近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，人們收入水平的提高，對(duì)生活中物品質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，導(dǎo)致了現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)一種經(jīng)濟(jì)問(wèn)題即一方面企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品嚴(yán)重過(guò)剩;另一方面卻是消費(fèi)者買(mǎi)不到自己想要買(mǎi)的產(chǎn)品，使產(chǎn)品市場(chǎng)中出現(xiàn)了供求矛盾，表面上是供過(guò)于求，實(shí)際上是供不應(yīng)求，造成了稀缺資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上會(huì)緩解上述供求矛盾，因?yàn)?D打印技術(shù)是按照消費(fèi)者的個(gè)性化需求來(lái)設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品的，可以有效提供消費(fèi)者所偏好的獨(dú)特商品，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品市場(chǎng)供求平衡的理想狀態(tài)，有利于實(shí)現(xiàn)稀缺資源的優(yōu)化配置和充分利用。
(二)3D打印技術(shù)有利于培育新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)
關(guān)鍵詞：光固化；快速成型；3D打印技術(shù)；液態(tài)光敏樹(shù)脂
中圖分類(lèi)號(hào)：TB324；TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）04-00-02
0 引 言
SLA是“Stereo Lithography Apparatus”的縮寫(xiě)，即立體光固化成型法。SLA 3D打印快速成型技術(shù)是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，以液態(tài)光敏樹(shù)脂為材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，光固化快速3D打印技術(shù)在人類(lèi)發(fā)展中愈加重要，其重要性可與電腦相媲美。快速3D打印技術(shù)不需要在工廠進(jìn)行操作，意味著無(wú)需機(jī)械加工或者任何模具，此舉不僅提高了生產(chǎn)效率還降低了生產(chǎn)成本，在3D打印的基礎(chǔ)上，SLA光固化成型技術(shù)對(duì)其做出了更進(jìn)一步的改善，成為現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
1 光固化3D打印技術(shù)立體光固化成型技術(shù)簡(jiǎn)介
光固化3D打印技術(shù)立體光固化成型法利用激光照射光敏樹(shù)脂材料，使液態(tài)樹(shù)脂快速凝固成型，具備高精度、高成型質(zhì)量的特點(diǎn)，可以加工一些結(jié)構(gòu)外形比較復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的一些原型和模具。如今3D打印存在的問(wèn)題是速度不快，費(fèi)時(shí)且耗材，而SLA光固化成形3D打印技術(shù)可以更為直觀的了解產(chǎn)品形態(tài)。
SLA光固化成形3D打印技術(shù)已普遍存在，其優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，如打印精度較高、復(fù)雜零件制作方便、節(jié)省產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、人工費(fèi)用降低、少量多品種需求優(yōu)勢(shì)明顯等。雖然受打印設(shè)備、打印耗材及技術(shù)方面的制約，打印出來(lái)的產(chǎn)品在精度和力學(xué)性能方面還不能完全替代傳統(tǒng)的制造業(yè)，但可與傳統(tǒng)制造業(yè)形成互補(bǔ)。目前國(guó)內(nèi)外廠商正在研發(fā)收縮小、固化快、強(qiáng)度高的光敏材料，也正是這些因素，使SLA光固化成形3D打印機(jī)在國(guó)內(nèi)的普及越來(lái)越快。
研究的目的是探索光固化高精度3D打印技術(shù)SLA的原理，深入了解SLA技術(shù)，最后熟練使用SLA技術(shù)打印我們理想的模型。
2 光固化3D打印技術(shù)立體光固化成型技術(shù)原理
在液槽中充滿液態(tài)光敏樹(shù)脂，其在激光器所發(fā)射的紫外激光束照射下會(huì)快速固化。在成型開(kāi)始時(shí)，可升降工作臺(tái)處于液面以下，為一個(gè)截面層厚的高度。通過(guò)透鏡聚焦后的激光束，按照機(jī)器指令將截面輪廓沿液面進(jìn)行掃描。掃描區(qū)域的樹(shù)脂快速固化，從而完成一層截面加工過(guò)程，得到一層塑料薄片。然后工作臺(tái)下降一層截面層厚的高度，再固化另一層截面。這樣層層疊加即可建構(gòu)三維實(shí)體。打印原理如圖1所示。
3 光固化3D打印快速成型的應(yīng)用
在鑄造行業(yè)，光固化3D打印快速成型可以快速、低成本的制作壓蠟?zāi)＞撸谱鳂?shù)脂熔模以替代蠟型。在砂型T造中用樹(shù)脂模具代替木模，可有效提升復(fù)雜、薄壁、曲面等結(jié)構(gòu)鑄件的質(zhì)量和成型效率。在工程設(shè)計(jì)業(yè)，用于測(cè)試模型制作。在醫(yī)學(xué)方面，可用于三維人體及器官?gòu)?fù)制，假體的制作、復(fù)雜外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃模擬、牙齒種植導(dǎo)板制作。光固化3D打印快速成型技術(shù)為快速鑄造、小批量鑄造、復(fù)雜件鑄造等問(wèn)題提供了有效的解決方法。
4 目前SLA 3D打印裝置的問(wèn)題和解決
4.1 SLA 3D打印裝置面臨的問(wèn)題
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于SLA的3D打印機(jī)設(shè)備功能越來(lái)越強(qiáng)大，但現(xiàn)有的SLA原理的3D打印機(jī)（激光快速成型機(jī)）外形結(jié)構(gòu)比較大，一般左右兩部分呈對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，左邊為加工成型部分，右邊為顯示控制及電氣控制柜部分，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)較大，內(nèi)部空間利用率低，外形占地面積大，很小的機(jī)型也需要較大空間擺放，為設(shè)備的包裝、運(yùn)輸帶來(lái)困難，成本增加，且由于現(xiàn)有設(shè)備的長(zhǎng)寬尺寸超出常規(guī)的房間門(mén)寬尺寸，需要破壞墻體或者改門(mén)，造型亦不美觀。因此，如何設(shè)計(jì)一種基于SLA的多功能光固化3D打印裝置，成為我們當(dāng)前要解決的問(wèn)題。
4.2 解決方法
針對(duì)目前存在的問(wèn)題，提出一種實(shí)用新型基于SLA的多功能光固化3D打印裝置。該種基于SLA的多功能光固化3D打印裝置，設(shè)備主體成單體結(jié)構(gòu)狀，將LCD觸摸控制面板獨(dú)立設(shè)置，方便控制和操作，將掃描裝置置于樹(shù)脂槽上，大幅度減小設(shè)備主體的外部尺寸，設(shè)備占地空間減小，設(shè)備制造加工成本大幅度降低，也便于包裝和運(yùn)輸，以及便捷維護(hù)，而可掃描裝置的掃描面積變大，滿足了客戶對(duì)大尺寸工件打印的要求，且設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，快速成型和制造系統(tǒng)縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，相較于傳統(tǒng)工藝流程節(jié)省了大量時(shí)間和資金。
5 結(jié) 語(yǔ)
SLA光固化成形3D打印技術(shù)已進(jìn)入各行各業(yè)，在時(shí)代的發(fā)展中其重要性愈加凸顯，可以大膽的想象，在未來(lái)，我們將不再需要大規(guī)模的生產(chǎn)線，不再需要寸步不離的守候在機(jī)床旁，不再需要大量的人力物力，不再產(chǎn)生大量的工業(yè)廢物。3D打印技術(shù)將從根本上改變傳統(tǒng)制造業(yè)模式，將設(shè)計(jì)領(lǐng)域提高到一個(gè)新的高度。
參考文獻(xiàn)
[1]王廣春，袁圓，劉東旭.光固化成型技術(shù)的應(yīng)用及其進(jìn)展[J].航天制造技術(shù)，2011（6）：18-21.
[2]葉柏良.機(jī)械設(shè)計(jì)加工的應(yīng)該注意的幾個(gè)問(wèn)題[J].中國(guó)機(jī)械，2014（6）：229-230.
[3]宋志鵬.3D打印技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展研究[J].城市建設(shè)理論研究，2015，5（14）.
[4]李東方，陳繼民，袁艷萍，等.光固化快速成型技術(shù)的進(jìn)展及應(yīng)用[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，41（12）：1769-1774.
[5]唐娜，郭龍，張剛.3D打印前景分析及商業(yè)化市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)的研究與探索[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（1）：88-89.
[6]李昀蕓，吳幫平. 3D掃描及3D打印技術(shù)在定格動(dòng)畫(huà)中的新應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014，4（12）：71-72.
目前，3D打印技術(shù)已在工業(yè)造型、機(jī)械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。并且隨著這一技術(shù)本身的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣埂?D打印技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：
產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域
在新產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用3D打印技術(shù)為工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員建立了一種嶄新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式。運(yùn)用3D打印技術(shù)能夠快速、直接、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的實(shí)物模型(樣件)，這不僅縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且降低了開(kāi)發(fā)費(fèi)用，也使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有先機(jī)。
建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域
建筑模型的傳統(tǒng)制作方式，漸漸無(wú)法滿足高端設(shè)計(jì)項(xiàng)目的要求。全數(shù)字還原不失真的立體展示和風(fēng)洞及相關(guān)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)如今眾多設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的大型設(shè)施或場(chǎng)館都利用3D打印技術(shù)先期構(gòu)建精確建筑模型來(lái)進(jìn)行效果展示與相關(guān)測(cè)試，3D打印技術(shù)所發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)和無(wú)可比擬的逼真效果為設(shè)計(jì)師所認(rèn)同。
機(jī)械制造領(lǐng)域
由于3D打印技術(shù)自身的特點(diǎn)，使得其在機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)，獲得廣泛的應(yīng)用，多用于制造單件、小批量金屬零件的制造。有些特殊復(fù)雜制件，由于只需單件生產(chǎn)，或少于50件的小批量，一般均可用3D打印技術(shù)直接進(jìn)行成型，成本低，周期短。
模具制造領(lǐng)域
例如玩具制作等傳統(tǒng)的模具制造領(lǐng)域，往往模具生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，成本高。將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相結(jié)合，可以大大縮短模具制造的開(kāi)發(fā)周期，提高生產(chǎn)率，是解決模具設(shè)計(jì)與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。3D打印技術(shù)在模具制造方面的應(yīng)用可分為直接制模和間接制模兩種，直接制模是指采用3D打印技術(shù)直接堆積制造出模具，間接制模是先制出快速成型零件，再由零件復(fù)制得到所需要的模具。
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用近幾年來(lái)，人們對(duì)3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究較多。以醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用3D打印技術(shù)制作人體器官模型，對(duì)外科手術(shù)有極大的應(yīng)用價(jià)值。
文化藝術(shù)領(lǐng)域
在文化藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，3D打印技術(shù)多用于藝術(shù)創(chuàng)作、文物復(fù)制、數(shù)字雕塑等。
航天技術(shù)領(lǐng)域
在航空航天領(lǐng)域中，空氣動(dòng)力學(xué)地面模擬實(shí)驗(yàn)(即風(fēng)洞實(shí)驗(yàn))是設(shè)計(jì)性能先進(jìn)的天地往返系統(tǒng)(即航天飛機(jī))所必不可少的重要環(huán)節(jié)。該實(shí)驗(yàn)中所用的模型形狀復(fù)雜、精度要求高、又具有流線型特性，采用3D打印技術(shù)，根據(jù)CAD模型，由3D打印設(shè)備自動(dòng)完成實(shí)體模型，能夠很好的保證模型質(zhì)量。
家電領(lǐng)域
7月12日至18日舉辦的中國(guó)科協(xié)夏季科學(xué)展，特設(shè)了一個(gè)3D打印技術(shù)展區(qū)，向大家展示這項(xiàng)新興科技。幾臺(tái)3D打印機(jī)可以“打印”出真實(shí)的3D物體，機(jī)器人、玩具、各種模型……想你所想，只管打印出來(lái)就行了。科學(xué)展上這個(gè)最酷的東西吸引了各個(gè)年齡段的朋友來(lái)享受這場(chǎng)“科技盛宴”。
據(jù)展覽現(xiàn)場(chǎng)的專(zhuān)家介紹，3D打印的數(shù)據(jù)采集可通過(guò)三維掃描進(jìn)行。三維光學(xué)面掃描可快速獲取零件的曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立三維數(shù)模，達(dá)到快速設(shè)計(jì)產(chǎn)品的目的。同時(shí)，還可用于生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量控制和形位尺寸檢測(cè)，特別是復(fù)雜曲面的檢測(cè)。三維人體掃描儀則可針對(duì)人體數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，獲取的人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含人體各個(gè)部位準(zhǔn)確的三維信息。
3D打印的原型制作，可采用多種技術(shù)和設(shè)備，主要區(qū)別在于打印材料。以熱融技術(shù)為例，其可將3D模型分層解析，變成控制打印頭分層運(yùn)動(dòng)的一組命令，打印材料加熱融化后從噴頭擠出。打印頭移動(dòng)的過(guò)程中打印材料固化成為物品結(jié)構(gòu)中的一層，經(jīng)過(guò)持續(xù)操作，多層材料固化后可形成一個(gè)整體的立體物品。其實(shí)，3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料。
激光快速成型機(jī)，則采用液態(tài)光敏樹(shù)脂為原料，計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光按加工零件的分層截面信息逐層對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行掃描，使其產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，從而形成零件的一個(gè)薄層截面。當(dāng)一層固化完畢后，原先固化好的樹(shù)脂表面將再敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂以便進(jìn)行下一層掃描固化，如此重復(fù)直到整個(gè)零件原型制造完畢。
按需定制是3D打印的一大特點(diǎn)，由于采用自主設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，激光內(nèi)雕機(jī)的軟硬件操作效率高，雕刻效果精細(xì)，穩(wěn)定性好，維護(hù)量低，已廣泛應(yīng)用于個(gè)性化水晶內(nèi)雕禮品、高精度水晶制作批量加工、玻璃裝潢設(shè)計(jì)、玻璃制品防偽等業(yè)務(wù)領(lǐng)域。
我國(guó)對(duì)3D打印已有長(zhǎng)達(dá)20多年的探索和積累，經(jīng)過(guò)多方合作和技術(shù)創(chuàng)新，目前3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域已包括航空航天、建筑模型、工程機(jī)械、玩具動(dòng)漫、生物醫(yī)療、電子電器、汽車(chē)、軍工、地理信息及藝術(shù)設(shè)計(jì)等。
另外一位也認(rèn)為3D打印機(jī)的用途之廣簡(jiǎn)直難以想象，而關(guān)于3D能不能夠改變制造模式，實(shí)際上從2007年、2008年就有人在討論，只不過(guò)近兩年在升溫，3D打印能不能改變這個(gè)世界？
一個(gè)3D打印機(jī)可以打印出一個(gè)杯子來(lái)，兩個(gè)抓手，它還可以打印出來(lái)四個(gè)抓手的；它可以生產(chǎn)出強(qiáng)度、韌度一樣的扳手；它可以生產(chǎn)出來(lái)齒輪的模型；可以打印出來(lái)一些動(dòng)物的玩具、動(dòng)物的形象。它和傳統(tǒng)生產(chǎn)的區(qū)別是傳統(tǒng)生產(chǎn)叫做材料去除型，剩下的材料都扔掉，革命性工作在于節(jié)省材料，這和舊的生產(chǎn)過(guò)程是不一樣的。它能夠通過(guò)加入添加劑的方式，把一個(gè)產(chǎn)品通過(guò)打印，通過(guò)激光凝固或者是燒結(jié)，然后形成某種產(chǎn)品。
現(xiàn)在3D打印可打出來(lái)汽車(chē)、自行車(chē)，還能夠打印出來(lái)有70多個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)的移動(dòng)物。意大利的一個(gè)發(fā)明家能夠打印整個(gè)立體建筑物，據(jù)說(shuō)將來(lái)可以用在地球上制造房屋用。
3D技術(shù)產(chǎn)業(yè)潛力巨大。有一家3D技術(shù)公司，屬添加劑制造業(yè)，其2010年3D打印技術(shù)收入大概13億美元，預(yù)計(jì)到2016年會(huì)達(dá)到31億美元，預(yù)計(jì)到2015年3D系統(tǒng)出貨量可達(dá)1.5萬(wàn)套。從目前來(lái)看，3D打印機(jī)的規(guī)模偏小，但是大型號(hào)的3D打印機(jī)已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)了。
大概需要十年左右的時(shí)間，或者更長(zhǎng)一點(diǎn)，3D打印一定會(huì)成為主流的生產(chǎn)方式，對(duì)我們現(xiàn)在的生產(chǎn)方式帶來(lái)巨大影響。
第一，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程有影響。傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)就會(huì)生產(chǎn)出樣品，然后做產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這個(gè)過(guò)程需要不斷調(diào)整，最后確定下來(lái)才能夠制造、分銷(xiāo)，最后銷(xiāo)售。3D打印其實(shí)就減少了這樣一個(gè)過(guò)程，產(chǎn)品設(shè)計(jì)直接到產(chǎn)品制造、產(chǎn)品分銷(xiāo)，然后是產(chǎn)品最后銷(xiāo)售。同時(shí)，在這個(gè)過(guò)程中還有產(chǎn)品銷(xiāo)售改進(jìn)，這也是廠家和顧客的互動(dòng)過(guò)程。
第二，對(duì)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的影響。傳統(tǒng)制造成本的原因，會(huì)把制造全部拿到低成本的地方，比如中國(guó)，這樣產(chǎn)品在生產(chǎn)完之后運(yùn)到本國(guó)倉(cāng)庫(kù)，再運(yùn)到經(jīng)銷(xiāo)商和顧客的手里。3D打印方式允許其在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，傳統(tǒng)過(guò)程的供應(yīng)鏈就縮短了。也就是說(shuō)，成本驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品生產(chǎn)外包會(huì)減少，本地生產(chǎn)會(huì)增加。因?yàn)槌杀掘?qū)動(dòng)的對(duì)外投資會(huì)回流，靠近消費(fèi)者生產(chǎn)。
對(duì)于國(guó)際貿(mào)易的影響，會(huì)有以下幾個(gè)方面：
第一，全球生產(chǎn)鏈縮短。因?yàn)橹虚g環(huán)節(jié)減少，這種縮短就會(huì)增加它在本地化的3D打印規(guī)模，進(jìn)而有可能導(dǎo)致貿(mào)易流量的減少，因?yàn)樗鼫p少了運(yùn)輸環(huán)節(jié)，即一方面減少了運(yùn)輸成本，另一方面，也會(huì)導(dǎo)致國(guó)際貿(mào)易運(yùn)輸量的下降。
第二，全球產(chǎn)業(yè)合作減少。也就是說(shuō)，外包更多轉(zhuǎn)為內(nèi)包，未來(lái)十幾年的趨勢(shì)是外包難以為繼。而且會(huì)導(dǎo)致去全球化的現(xiàn)象，貿(mào)易國(guó)對(duì)貿(mào)易的依存度可能會(huì)下降。
第三，發(fā)達(dá)國(guó)家依靠技術(shù)優(yōu)勢(shì)，要重新把握貿(mào)易和投資商的主動(dòng)權(quán)。未來(lái)因?yàn)槠湔驹诩夹g(shù)高地，可以來(lái)選擇貿(mào)易和投資方式。
第四，對(duì)外投資會(huì)更多針對(duì)當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)。未來(lái)可能到中國(guó)來(lái)投資，在3D打印技術(shù)成熟的時(shí)候，來(lái)到中國(guó)不是為了生產(chǎn)再拿走，或者是分銷(xiāo)到其他的市場(chǎng)，而是為了銷(xiāo)售到當(dāng)?shù)氐氖袌?chǎng)。
第五，發(fā)展中國(guó)家可能再一次陷入被動(dòng)，一方面可能會(huì)成為原料的提供者，另一方面還要面對(duì)3D打印規(guī)模化生產(chǎn)導(dǎo)致的勞動(dòng)力需求減少的困境。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，3D打印是不需要人的，勞動(dòng)力的成本因素在里面變得非常少，所以這樣的話可能會(huì)產(chǎn)生勞動(dòng)力過(guò)剩，甚至是社會(huì)不穩(wěn)定。
第六，發(fā)展中國(guó)家產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)可能會(huì)受到破壞。原來(lái)產(chǎn)業(yè)加工可能是為了向發(fā)達(dá)國(guó)家出口，但是一旦形成這樣一個(gè)格局，出口的基礎(chǔ)就不存在了，出口能力就會(huì)下降。
還有可能導(dǎo)致新一輪的世界經(jīng)濟(jì)不平衡。其實(shí)還有一些其他因素，比如說(shuō)因?yàn)檫@樣3D打印技術(shù)的發(fā)展，還會(huì)產(chǎn)生一些新的產(chǎn)業(yè)，由此也可能會(huì)產(chǎn)生新的貿(mào)易政策。
從3D打印技術(shù)對(duì)我國(guó)貿(mào)易的影響看，可能會(huì)影響我國(guó)的出口和加工貿(mào)易，因?yàn)樗a(chǎn)生替代作用。波士頓咨詢(xún)集團(tuán)預(yù)計(jì)，到2020年，我國(guó)10%～30%出口到美國(guó)的產(chǎn)品會(huì)在美國(guó)本地生產(chǎn)，美國(guó)的年產(chǎn)值會(huì)增加200億～550億。甚至也有學(xué)者說(shuō)，中國(guó)的崛起可能會(huì)因第三次工業(yè)革命而終結(jié)。具體到產(chǎn)品上：
第一，模具行業(yè)。所謂的添加劑制造，或者叫3D打印，它最初產(chǎn)生就是替代模具。所以第一個(gè)受影響的就是模具行業(yè)的出口。
第二，塑料加工設(shè)備，因?yàn)槲磥?lái)加工塑料產(chǎn)品的時(shí)候可能不需要塑料加工設(shè)備，可影響我國(guó)十幾億美元的出口。
近日，《IT時(shí)代周刊》從相關(guān)渠道獲悉，一批阻礙3D打印機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)的關(guān)鍵專(zhuān)利已經(jīng)過(guò)期，其中包括核心專(zhuān)利技術(shù)激光燒結(jié)（laser sintering）――一種3D快速成型的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)金屬和陶瓷的黏結(jié)，具有成本相對(duì)較低、產(chǎn)品接近上市成品等優(yōu)點(diǎn)。“一旦激光燒結(jié)3D打印機(jī)關(guān)鍵專(zhuān)利到期，相關(guān)設(shè)備的價(jià)格將大幅下跌。”美國(guó)3D打印公司Shapeways設(shè)計(jì)師杜安?斯科特（Duann Scott）預(yù)測(cè)說(shuō)。
長(zhǎng)期以來(lái)，3D打印相關(guān)的核心專(zhuān)利大多掌握在3D Systems等少數(shù)龍頭企業(yè)手中，多數(shù)企業(yè)必須向其支付高昂的專(zhuān)利使用費(fèi)才能推出產(chǎn)品。而當(dāng)這些專(zhuān)利到期，企業(yè)就能省去這部分支出，最終拉低3D打印機(jī)價(jià)格。
據(jù)了解，在此之前，熔融沉積成型（FDM）3D打印技術(shù)專(zhuān)利到期時(shí)，市場(chǎng)就曾迎來(lái)了開(kāi)源FDM 3D打印機(jī)的爆發(fā)。“過(guò)去，一臺(tái)FDM打印機(jī)是14000美元，現(xiàn)在是300美元。”杜安?斯科特說(shuō)。
實(shí)際上，激光燒結(jié)專(zhuān)利的過(guò)期把平面打印巨頭惠普也吸引進(jìn)了3D打印行業(yè)。在今年3月的年度股東大會(huì)中，惠普CEO 梅格?惠特曼（Meg Whitman）宣布將在6月進(jìn)軍商用3D打印市場(chǎng)。“從企業(yè)層面來(lái)講，3D打印市場(chǎng)的規(guī)模要更大。”梅格?惠特曼說(shuō)。
但是，現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上樂(lè)觀。中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟執(zhí)行理事長(zhǎng)羅軍指出，3D打印“小而散”的格局沒(méi)有改變，規(guī)模效應(yīng)上也沒(méi)實(shí)現(xiàn)真正的突破。“我們仿佛陷入了一個(gè)怪圈。3D打印技術(shù)什么都能夠做，但是，最適合做什么、最佳應(yīng)用市場(chǎng)卻都比較茫然。”在他看來(lái)，3D打印始終缺乏一個(gè)成熟的商業(yè)模式。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，今年國(guó)內(nèi)3D打印機(jī)的銷(xiāo)量最多只能達(dá)到4.4萬(wàn)臺(tái)。
喜憂參半
被譽(yù)為“引領(lǐng)第三次工業(yè)革命的新興產(chǎn)業(yè)”的3D打印正在經(jīng)歷著冰火兩重天的處境。
今年年初至今，3D打印領(lǐng)軍企業(yè)Stratasys公司的股價(jià)大幅跳水19%，另一家龍頭企業(yè)3D Systems股價(jià)暴跌40%，押寶金屬打印的ExOne下跌46%。整個(gè)3D打印市場(chǎng)陷入了前所未有的低迷。而在去年，全球大部分3D打印公司的股價(jià)漲幅超過(guò)一倍。
知名做空機(jī)構(gòu)香櫞認(rèn)為，3D打印公司股價(jià)的暴跌是因?yàn)椤?D打印技術(shù)被大肆夸大，使3D打印技術(shù)相關(guān)公司的股價(jià)出現(xiàn)嚴(yán)重泡沫。”美國(guó)投資機(jī)構(gòu)分析師韋斯頓?崔格（Weston Twigg）也指出，“如果想取代傳統(tǒng)技術(shù)，3D打印機(jī)需要變得更加快速、成本更加低廉。”
但是，資本市場(chǎng)的看淡并未澆滅企業(yè)的熱情。惠普宣布將于今年6月進(jìn)軍商用3D打印市場(chǎng)。惠普首席技術(shù)官兼實(shí)驗(yàn)室高管馬丁?芬克（Martin Fink）稱(chēng)：“惠普正探索3D打印的諸多可能，我們將在這一技術(shù)發(fā)展過(guò)程中扮演重要角色。”而梅格?惠特曼透露，該公司解決了一系列制約3D打印被廣泛采用的技術(shù)問(wèn)題。
據(jù)惠普預(yù)計(jì)，到2021年全球3D打印機(jī)和相關(guān)軟件、服務(wù)的規(guī)模將達(dá)到110億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)2012年的22億美元。另一家英國(guó)市場(chǎng)研究公司JuniperResearch也看好3D打印機(jī)的潛力，稱(chēng)2018年全球家用3D打印機(jī)的銷(xiāo)售量將超過(guò)100萬(wàn)臺(tái)。
同期，3D打印行業(yè)內(nèi)的資本運(yùn)作此起彼伏。ExOne先以約480萬(wàn)美金的現(xiàn)金收購(gòu)工業(yè)級(jí)微波企業(yè)MWT，再以500萬(wàn)美元收購(gòu)專(zhuān)業(yè)加工車(chē)間Machin-A-Mation。4月，Stratasys宣布收購(gòu)兩家3D打印企業(yè)。另外，在去年底，3D Systems已將3D打印陶瓷技術(shù)供應(yīng)商Figulo公司收歸囊中。
“被收購(gòu)企業(yè)的共同點(diǎn)是都屬于3D打印材料供應(yīng)商。”有行業(yè)人士告訴《IT時(shí)代周刊》，“這些并購(gòu)有助于3D打印公司完成垂直整合，并加快應(yīng)用的推廣。”ExOne總裁兼CEO大衛(wèi)?伯恩斯（David Burns）更將這些收購(gòu)視為“3D打印價(jià)值鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)”。
另?yè)?jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Gartner預(yù)測(cè)，2012年到2017年，3D打印設(shè)備銷(xiāo)量和銷(xiāo)售額的復(fù)合增長(zhǎng)率將分別達(dá)到95%和82%，2017年的銷(xiāo)量將達(dá)到100萬(wàn)臺(tái)，相應(yīng)的銷(xiāo)售額將達(dá)到57.32億美元。此外，在支持創(chuàng)新的美國(guó)眾籌網(wǎng)站Kickstarter上也出現(xiàn)了越來(lái)越的3D打印機(jī)產(chǎn)品。美國(guó)方面有觀點(diǎn)將此視為3D打印市場(chǎng)復(fù)蘇的一種跡象。
研產(chǎn)脫節(jié)
比起國(guó)外公司表現(xiàn)出來(lái)的一腔熱情，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)形勢(shì)則嚴(yán)峻得多。
“國(guó)內(nèi)3D打印市場(chǎng)的格局還沒(méi)有打開(kāi)。”羅軍向本刊記者直言，“這個(gè)行業(yè)外面看起來(lái)一片火熱，業(yè)內(nèi)卻比較寂寞。四處都是市場(chǎng)，看得見(jiàn)，卻摸不著。”
據(jù)了解，3D打印設(shè)備主要分為工業(yè)級(jí)和民用級(jí)兩種，前者面向航天、航空、汽車(chē)等工業(yè)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，后者則面向教育機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)單位和個(gè)人愛(ài)好者、DIY高手等。而無(wú)論工業(yè)級(jí)還是民用級(jí)，核心專(zhuān)利都掌握在國(guó)外企業(yè)手上。
受制于專(zhuān)利限制，雖然中國(guó)3D打印行業(yè)在設(shè)備、材料、軟件等核心領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了不同程度的自給，“但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。”羅軍說(shuō)，“我國(guó)3D打印仍停留在科研階段，歐美在裝備水平上明顯高于我國(guó)。”
與此同時(shí)，國(guó)外“3D打印已經(jīng)由最初的實(shí)驗(yàn)室階段發(fā)展到實(shí)戰(zhàn)階段。”英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》報(bào)道指出。據(jù)報(bào)道，通用電氣使用3D技術(shù)為下一動(dòng)機(jī)制造噴嘴，空中客車(chē)公司也制造了一些飛機(jī)部件，美國(guó)Organovo公司甚至用3D打印技術(shù)培養(yǎng)出人體肝臟組織。
應(yīng)用的普及推高了國(guó)外3D打印公司的收入。目前，美國(guó)主要3D打印公司年銷(xiāo)售額已經(jīng)達(dá)到4億到5億美元，2012年全球3D打印的市場(chǎng)規(guī)模約為21億美元。而根據(jù)中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示，2012年中國(guó)市場(chǎng)規(guī)模只有約10億元，且至今沒(méi)有銷(xiāo)售收入過(guò)億元的3D打印企業(yè)。
民用市場(chǎng)上，國(guó)內(nèi)行情同樣不容樂(lè)觀。“國(guó)內(nèi)沒(méi)有消費(fèi)能力。”國(guó)內(nèi)民用級(jí)3D打印機(jī)企業(yè)北京太爾時(shí)代科技總經(jīng)理郭戈直言，“我們的設(shè)備定價(jià)2890美金，對(duì)于海外市場(chǎng)來(lái)講，很多家庭可以接受，但國(guó)內(nèi)卻不行。”
郭戈的觀點(diǎn)從側(cè)面印證了美國(guó)獨(dú)立調(diào)查機(jī)構(gòu)Wohlers Associates公司的一項(xiàng)報(bào)告。該報(bào)告指出，價(jià)格低于5000美元的桌面級(jí)民用3D打印機(jī)市場(chǎng)上，2008年至2011年4年間，平均每年環(huán)比增長(zhǎng)高達(dá)346%。而中國(guó)民用3D打印市場(chǎng)規(guī)模幾乎可以忽略。
理清體系
在羅軍看來(lái)，國(guó)內(nèi)3D產(chǎn)業(yè)遲遲沒(méi)有打開(kāi)局面，首要因素是“沒(méi)有找準(zhǔn)市場(chǎng)定位”。他認(rèn)為，3D打印技術(shù)是傳統(tǒng)制造技術(shù)有益的補(bǔ)充，而不是要全面替代傳統(tǒng)制造技術(shù)。Stratasys亞太及日本地區(qū)總經(jīng)理喬納森?加戈隆（Jonathan Jaglom）就指出，“你需要在取得的價(jià)值和成本之間進(jìn)行一個(gè)評(píng)估。”
比如工業(yè)級(jí)市場(chǎng)上，如果需要200個(gè)零部件，傳統(tǒng)生產(chǎn)公司制造模具成本就達(dá)到50萬(wàn)美元，如果采用3D打印成本將很大程度降低。不過(guò)，如果生產(chǎn)規(guī)模很大，“比如說(shuō)100多萬(wàn)件，使用傳統(tǒng)工藝就更為劃算。”喬納森?加戈隆說(shuō)。
“我們的工業(yè)化沒(méi)有完成，導(dǎo)致我們的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)落后，人才落后，科技水平落后。”依據(jù)羅軍的介紹，美國(guó)企業(yè)和科研單位每年投入不少于3000萬(wàn)美元，而我國(guó)的整體研究投入不超過(guò)1000萬(wàn)美元。“沒(méi)有投入就沒(méi)有產(chǎn)出，這是基本規(guī)律。”
不過(guò)，“近日這批專(zhuān)利的到期有望在一定程度改變現(xiàn)在的局面。”上述3D打印行業(yè)人士告訴本刊記者。在他看來(lái)，3D Systems等打印巨頭都處于暴利模式，一旦這些專(zhuān)利失去保護(hù)，國(guó)內(nèi)企業(yè)就能做出價(jià)格低得多的機(jī)器。”
相比工業(yè)級(jí)應(yīng)用，他更看好國(guó)內(nèi)3D 打印的消費(fèi)級(jí)應(yīng)用。“工業(yè)級(jí)應(yīng)用更加偏向于價(jià)值經(jīng)濟(jì)，傳統(tǒng)制造優(yōu)勢(shì)明顯，3D 打印難以施展用武之地。消費(fèi)級(jí)應(yīng)用往往具備體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)和長(zhǎng)尾市場(chǎng)屬性的特點(diǎn)，在中國(guó)龐大市場(chǎng)的背景下更容易形成規(guī)模市場(chǎng)。”
盡管如此，國(guó)外3D打印企業(yè)仍對(duì)中國(guó)市場(chǎng)充滿信心。比利時(shí)Materialise公司認(rèn)為，“讓業(yè)界轉(zhuǎn)變思維慣性，更多地以使用3D打印而非‘開(kāi)模具、批量生產(chǎn)’的傳統(tǒng)方式解決問(wèn)題，對(duì)于3D打印在中國(guó)的普及至關(guān)重要。”Stratasys的信心則體現(xiàn)在行動(dòng)上。他們告訴本刊記者，公司在中國(guó)的首要目標(biāo)是“培育市場(chǎng)”。為此，它們已經(jīng)在上海成立分公司――這是3D打印領(lǐng)域第一家在中國(guó)成立分公司的國(guó)外企業(yè)，并在北京成立了辦公室。此外，還將全球首款彩色3D打印機(jī)的會(huì)放在了中國(guó)。