研究性學(xué)習(xí)——3D打印

1、北京市景山學(xué)校遠(yuǎn)洋分校研究性學(xué)習(xí)課程結(jié)題報告課題名稱 3D打印技術(shù)在生活與教學(xué)中的運用課題組組長姜璇指導(dǎo)教師盥二管理教師亶立研究領(lǐng)域3D打印2015年2月3D打印 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1、研究背景 1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2、研究目的 1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 發(fā)展3D打印的意義 1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 3D打印的類型

2、 2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 3、研究方法 6 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 調(diào)查問卷 64、研究內(nèi)容3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀人們對3D打印的認(rèn)識，3D 打印的成本與制做3D 打印的應(yīng)用范圍3D 打印的優(yōu)勢劣勢一3D 打印的產(chǎn)品使用效果3D 打印技術(shù)的發(fā)展前景3D打印3D打印技術(shù)摘要3D打印機這個名稱是近年該產(chǎn)品來針對民用市場而出現(xiàn)的一個新詞，其實在專業(yè)領(lǐng)域他有另一個名稱“快速成形技術(shù)”，即利用三維CAD的數(shù)據(jù)，用激光熔融的方法將材料逐 層堆積得到實體原型。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、

3、建筑、工程和施工（AEC、車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育等方面均得到了廣泛運用。我們6人小組對3D打印技術(shù)在生活中和教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。 通過發(fā)放調(diào)查問卷，了解了當(dāng)前日常社會中對3D 打印的了解，知道了 3D打印技術(shù)施行的方法，懂得了 3D打印技術(shù)在生活中、教學(xué)中的便 利，研發(fā)了在生活和教學(xué)中可以利用此項技術(shù)的提供方便的商品。關(guān)鍵詞：3D打印 便利生活 快速成形技術(shù)1、研究背景3D打印技術(shù)是指由計算機輔助設(shè)計模型（CAD直接驅(qū)動的，運用金屬、塑料、陶瓷、 樹脂、蠟、紙、砂等材料，在快速成形設(shè)備里分層制造任何復(fù)雜形狀的物理實體的技術(shù)。 基本流程是，先用計算機軟件設(shè)計三維模型，然后把三維數(shù)

4、字模型離散為面、線和點，再 通過3D打印設(shè)備分層堆積，最后變成一個三維的實物。3D打印技術(shù)在如今的生活中得到 廣泛利用，此項技術(shù)也走進(jìn)普通百姓的家中。 3D打印技術(shù)也變得更加服務(wù)百姓。生活中、 教學(xué)中總會有些不便，例如：塑料袋在承擔(dān)重物時會過于勒手，一些由于缺少一個小小的 零件就無法正常工作的機械，某些課程中由于需要要進(jìn)行試驗卻沒有試驗儀器,此研究性學(xué)習(xí)是基于3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)在生活和教學(xué)中可以利用此項技術(shù)的提供方便 的商品。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng) 域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零 部件。該

5、技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、工程和施工、汽車，航空航天、牙科和醫(yī) 療產(chǎn)業(yè)、教育、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。2、研究目的發(fā)展3D打印的意義全球工業(yè)正在經(jīng)歷第三次工業(yè)革命，與以往不同，本次革命對制造業(yè)的發(fā)展也會帶來 巨大影響，其中一類最重要的新技術(shù)就是快速成型技術(shù)。今天的 3D技術(shù)，主要特指基于 電和互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化立體技術(shù)，是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置，把計算機3D打印上藍(lán)圖變成實物，在成本、速度和精確度上都遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)制造技術(shù)，具工作原理是將一項 設(shè)計物品轉(zhuǎn)化為3D數(shù)據(jù)，然后采用分層加工、疊加成形，即通過逐層增加材料來“打印” 成3D實體。與傳統(tǒng)的材料加工技術(shù)完全不同

6、，3D打印具有仿真性強、速度快，價格便宜， 高易用性等優(yōu)點，是對傳統(tǒng)制造業(yè)的顛覆性變革。有人甚至將3D打印機看成是第三次工業(yè)革命的影子，與蒸汽機和電力相提并論。發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，可以在提升我國工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)水平的同時有助于攻克技術(shù) 難關(guān)，并且易形成新的經(jīng)濟增長點，促進(jìn)就業(yè)。當(dāng)前，全球正在興起新一輪數(shù)字化制造浪 潮。發(fā) 達(dá)國家面對近年來制造業(yè)競爭力的下降，大力倡導(dǎo)“再工業(yè)化、再制造化”戰(zhàn)略， 提出智能機器人、人工智能、3D打印是實現(xiàn)數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)，并希望通過這三大數(shù)字化制造技術(shù)的突破，鞏固和提升制造業(yè)的主導(dǎo)權(quán)，加快3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動我國由“工業(yè)大國”向“工業(yè)強國”的轉(zhuǎn)變。發(fā)展3D打

7、印產(chǎn)業(yè)，可以提升我國工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)水平，提高工業(yè)設(shè)計能力傳統(tǒng) 的工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)方法，往往是先開磨具，然后再做出樣品，而運用3D打印技術(shù)，無需開磨具，可以把制造時間降低為以前的1/10到1/5,費用降低到1/3以下。一些好的設(shè)計理 念，無論其結(jié)構(gòu)和工藝多么復(fù)雜，均可利用 3D打印技 術(shù)，短時間內(nèi)制造出來，從而極大 地促進(jìn)了產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計，有效克服我國工業(yè)設(shè)計能力薄弱的問題。發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，可以生產(chǎn)出復(fù)雜、特殊、個性化產(chǎn)品，有助于攻克技術(shù)難關(guān)3D打印可以為基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)的研究提供重要的技術(shù)支持。在航天、航空、大型武器等裝備制造業(yè)，零部件種類多、性能要求高，需要進(jìn)行反復(fù)測試。運用 3D打印，除了在

8、研制速 度上具有優(yōu)勢外，還可以直接加工出特殊、復(fù)雜的形狀，簡化裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計，化解技術(shù) 難題，實現(xiàn)關(guān)鍵性能的趕超。發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，可以形成新的經(jīng)濟增長點，促進(jìn)就業(yè)隨著3D打印的普及，“大批量的個性化定制”將成為重要的生產(chǎn)模式。3D打印與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的緊密結(jié)合，將衍生出 新的細(xì)分產(chǎn)業(yè)、新的商業(yè)模式，創(chuàng)造出新的經(jīng)濟增長點。如自主創(chuàng)業(yè)者可以通過購置或者 租賃低成本的3D打印設(shè)備（一些3D打印設(shè)備已低于1萬 元），利用電子商務(wù)等平臺提供 服務(wù)，為大量消費者定制生活用品、文體器具、工藝裝飾品等各類中小產(chǎn)品，激發(fā)個性化 需求，形成一個數(shù)百億甚至數(shù)千億元規(guī)模的文化創(chuàng)意制造產(chǎn)業(yè)，并增加社會就業(yè)。鑒于這一技術(shù)的

9、現(xiàn)有的發(fā)展成果及其廣闊的發(fā)展前景，我們確立了我們的課題，即針 對這一技術(shù)做出相對較為深入的研究，通過對這一技術(shù)的了解，學(xué)習(xí)掌握相關(guān)知識。我們 試圖通過對3D打印技術(shù)的研究，全方位的認(rèn)識，理解這種技術(shù)。初步掌握與3D打印有關(guān)3D打印的理論知識在這個基礎(chǔ)上，我們可以對比國內(nèi)外的研究成果，指出國內(nèi)3D打印研究的不足并提出建議，預(yù)測3D打印技術(shù)的未來發(fā)展方向。3D打印的類型類型累積技術(shù)擠壓熔融沉積式（FDM）線電子束自由成形制造（EBF）直接金屬激光燒結(jié)（DML$ 電子束熔化成型（EBM粒狀選擇性激光熔化成型（SLM）選擇性熱燒結(jié)（SHS 選擇性激光燒結(jié)（SLS）粉MD石膏3D打?。≒P）3D了斗層壓

10、分層實體制造（LOM公立體平板印刷（SLQ水口數(shù)字光處理（DLP）基本材料熱塑型材料，共晶系統(tǒng)金屬、可食用材料幾乎任何合金幾乎任何合金鈦合金鈦合金，鉆銘合金，不銹鋼，鋁熱塑性粉末熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末石膏紙、金屬膜、塑料薄膜光硬化樹脂光硬化樹脂63、研究方法調(diào)查問卷4、研究內(nèi)容3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀人們對3D打印的認(rèn)識通過調(diào)查問卷，顯示出大家通過電視與網(wǎng)絡(luò)對3D打印技術(shù)都有一定了解。但是,人們都普遍表示3D打印的生活中的用處小，甚至表示除非專業(yè)學(xué)科沒有應(yīng)用的必要。此3D打印外大家也都表示3D打印的花費較高，而且打印時間很慢，就算是有使用需要也會稍作考 慮。3D打印的成本與制作3D打印制作過

11、程簡單快速，無需刀具、模具及復(fù)雜工藝，只需設(shè)計出三維模型， 把零件的三維數(shù)據(jù)輸入電腦，便可以直接打印整體成型。并且，由于不需要生產(chǎn)線，所以 3D打印降低了生產(chǎn)成本，也極大地減少了材料的浪費。同時，他還能夠制造特殊形狀、難 加工的物品，而傳統(tǒng)方法卻很難做到。有對比才有差距，與手工或是批量生產(chǎn)相比，不論 是成本還是生產(chǎn)效率都是3D打印更勝一籌。我們的研究小組也使用3D打印技術(shù)制作了戒指與購物袋掛鉤。制作戒指比較簡單，研究小組內(nèi)每個人都做了一個戒指并用3D打印機打印出來,也發(fā)現(xiàn)了 3D打印的不足。3D打印機在打印時，物品懸空的地方需要有材料支撐，若是戒 指比較薄或者細(xì)的話，就容易在拆卸材料支撐時把戒

12、指弄斷。而且與想象中的成品相比美 觀度還有很大差距。有了打印戒指的經(jīng)驗，在設(shè)計購物袋掛鉤時就著力避免過薄、易斷的 部分，打印出成品以后比較滿意，嘗試可以使用。圖1:小組成員合照3D打印圖2:觀看打印過程圖3:上課圖4:挑選方案3D打印圖5:挑選方案3D打印的應(yīng)用范圍根據(jù)2013版的Wohlers顯示，2013年全球3D打印市場規(guī)模約40億美元，相比 2012年幾乎翻了一番。其大體分布概況是歐洲約 10億美元，美國約15億美元，中國所占 份額約3億美元。面向工業(yè)的3D打印機設(shè)置臺數(shù)按國家進(jìn)行統(tǒng)計的話，美國占 38%位居 第一,其次是日本占9.7%,第三位德國占9.4%,第四位中國占8.7%。近年

13、來，3D打印市場高速發(fā)展，個人3D打印市場也已開啟。根據(jù)市場研究機構(gòu) Frost&Sullivan 發(fā)布的2012年全球3D打印市場研究報告顯示，從1994年至U 2011年, 全球3D打印機市場規(guī)模一直保持高速增長態(tài)勢，復(fù)合增長率達(dá)到了17.6%。2011年全球個人3D打印設(shè)備銷售量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，銷售量從5987臺猛增至23265臺，增幅接近300% 大幅超過商用3D打印設(shè)備增速。就企業(yè)實力來看，目前歐美較具規(guī)模的 3D打印企業(yè)的年銷售收入一般都在10億元人 民幣左右，而國內(nèi)目前仍沒有一家企業(yè)收入過億，甚至超過5000萬元的企業(yè)都寥寥無幾。目前，我國3D打印行業(yè)整體上發(fā)展不錯，設(shè)備、材料、

14、軟件等核心領(lǐng)域都 能夠不同程度實3D打印現(xiàn)自給，特別是在航天航空、醫(yī)療、建筑、運動、娛樂、汽車和個性化定制等行業(yè)。在醫(yī)療中，科學(xué)家已經(jīng)利用3D打印機制造出骨骼、皮膚、肌肉和血管片段等簡單的活體組織。但是，缺乏龍頭企業(yè)、核心技術(shù)、成熟的商業(yè)模式，以及市場廣泛應(yīng)用和政策資金扶持。 激光器、軟件、 材料等核心技術(shù)還依賴進(jìn)口。從百姓生活中來看3D打印技術(shù)逐漸走出專業(yè)領(lǐng)域，進(jìn)入普通人民的生活，雖然并未普及 但是也已經(jīng)出現(xiàn)很多3D打印店了3D打印的優(yōu)勢劣勢作為一種新興的制造技術(shù)，3D打印技術(shù)有著其他任何制造技術(shù)無法媲美的優(yōu)勢，以下只列舉其中幾條：優(yōu)勢1:制造復(fù)雜物品不增加成本就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復(fù)雜

15、，制造成本越高。對3D打印機而言，制造形狀復(fù)雜的物品成本不增加，制造一個華麗的形狀復(fù)雜的物品并不比打印一個簡單的方塊消耗更多的 時間、技能或成本。制造復(fù)雜物品而不增加成本將打破傳統(tǒng)的定價模式，并改變我們計算 制造成本的方式。優(yōu)勢2:產(chǎn)品多樣化不增加成本一臺3D打印機可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。傳統(tǒng)的制造設(shè)備功能較少，做出的形狀種類有限。3D打印省去了培訓(xùn)機械師或購置新設(shè)備的成本，一臺3D打印機只需要不同的數(shù)字設(shè)計藍(lán)圖和一批新的原材料。優(yōu)勢3:無須組裝3D打印能使部件一體化成型。傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)建立在組裝線基礎(chǔ)上，在現(xiàn)代工廠，機器生產(chǎn)出相同的零部件，然后由機器人或

16、工人（甚至跨洲）組裝。產(chǎn)品組成部件越多，組裝耗費的時間和成本就越多。3D打印機通過分層制造可以同時打印一扇門及上面的配套錢鏈， 不需要組裝。省略組裝就縮短了供應(yīng)鏈，節(jié)省在勞動力和運輸方面的花費。供應(yīng)鏈越短， 染也越少。3D打印優(yōu)勢4:零時間交付3D打印機可以按需打印。即時生產(chǎn)減少了企業(yè)的實物庫存，企業(yè)可以根據(jù)客戶訂單使用3D打印機制造出特別的或定制的產(chǎn)品滿足客戶需求，所以新的商業(yè)模式將成為可能。如果 人們所需的物品按需就近生產(chǎn)，零時間交付式生產(chǎn)能最大限度地減少長途運輸?shù)某杀尽?yōu)勢5:減少廢棄副產(chǎn)品 與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比，3D打印機制造金屬時產(chǎn)生較少的 副產(chǎn)品。傳統(tǒng)金屬加工的浪費量驚人，90

17、%勺金屬原材料被丟棄在工廠車間里。3D打印制 造金屬時浪費量減少。隨著打印材料的進(jìn)步，“凈成形”制造可能成為更環(huán)保的加工方式。當(dāng)然，作為一種尚不成熟的技術(shù)，3D打印技術(shù)也不可避免得存在著諸多弊端：劣勢1:材料的限制 雖然高端工業(yè)印刷可以實現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但無法實現(xiàn)打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機也還沒有達(dá)到成熟的水平，無法 支持我們在日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。：研究者們在多材料打印上已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但除非這些進(jìn)展達(dá)到成熟并有效，否則材料依然會是3D打印的一大障礙。劣勢2:機器的限制3D打印技術(shù)在重建物體的幾何形狀和機能上已經(jīng)獲得了一定的水平，幾乎任何靜

18、態(tài)的形狀都可以被打印出來，但是那些運動的物體和它們的清晰度就難以實現(xiàn)了。這個困難對于制造商來說也許是可以解決的，但是3D打印技術(shù)想要進(jìn)入普通家庭，每個人都能隨意打印想要的東西，那么機器的限制就必須得 到解決才行。劣勢3：知識產(chǎn)權(quán)的憂慮在過去的幾十年里，音樂、電影和電視產(chǎn)業(yè)中對知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)注變得越來越多。3D打印技術(shù)也會涉及到這一問題，因為現(xiàn)實中的很多東西都會得到更加廣泛的傳播。人們可以隨意復(fù)制任何東西，并且數(shù)量不限。如何制定3D打印的法律法規(guī)用來保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，也是我們面臨的問題之一，否則就會出現(xiàn)泛濫的現(xiàn)象。劣勢4:道德的挑戰(zhàn)3D打印道德是底線。什么樣的東西會違反道德規(guī)律是很難界定的，如果有人打

19、印出生物器官和活體組織，在不久的將來會遇到極大的道德挑戰(zhàn)。劣勢5:花費的承擔(dān)3D打印技術(shù)需要承擔(dān)的花費是高昂的。第一臺 3D打印機的售價為1萬5。如果想要普及 到大眾，降價是必須的，但又會與成本形成沖突。3D打印的產(chǎn)品使用效果從問卷調(diào)查的結(jié)果來看，對于 3D打印戒指的美觀程度普遍存在著不滿意的現(xiàn)象。主 要在于材料的光澤成都不如金屬材料，并且由于3D打印機精細(xì)程度不夠，打印出的成品細(xì)節(jié)有些粗糙，不夠精致。由于戒指較小，所有非常容易折斷損壞。3D打印購物掛鉤的使用效果非常良好，通過測驗，購物掛鉤可以承受至少20公斤的力量不損壞不折斷。并且小巧方便，相對于較小的戒指，較大的購物袋掛鉤顯得更為美觀。由

20、于設(shè)計的巧妙，購物 袋掛鉤可同時承受多個購物袋，較為方便。通過實驗證明，購物掛鉤減輕了購物袋勒手的 現(xiàn)象，在人們生活中起到了便利生活的作用。3D打印技術(shù)的發(fā)展前景首先，在國際市場中，根據(jù)2013版的Wohlers顯示，2013年全球3D打印市場規(guī)模約 40億美元，2012年全球3D打印產(chǎn)業(yè)整體的銷售規(guī)模達(dá)到 22.04億美元。2010-2012年三 年的年復(fù)合增長率達(dá)27%該機才預(yù)計2017年則將進(jìn)一步上升至50億美元，并且此后整 個市場將維持近20%曾長率。預(yù)計至2021年，3D打印市場規(guī)模將達(dá)到近110億美元。其次，在我國市場中，雖然我國3D打印技術(shù)尚處于初期發(fā)展階段，但 2013年我國產(chǎn) 值20億元。世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書長、中國 3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟執(zhí)行理事長羅 軍表示：現(xiàn)在還是3D打印技術(shù)的起步階段、產(chǎn)業(yè)化的初級階段。未來 3-5年將是3D打印 技術(shù)最為關(guān)鍵的發(fā)展機遇期，如果推進(jìn)順利，2014年同比翻一番沒有大問題，而 2015年達(dá)到80-100億，到2016年產(chǎn)值將達(dá)百億元人民幣。影響我國3D打印進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化推