发明创新设计与实践课程结课论文

发明创新设计与实践

结

课 作 业

姓名：胡星伟

学号：1364152221 编号：69

1.问题：中国3D打印技术的发展前景已够完美？

2.描述：近年来，3D打印技术作为一项前沿性的先进制造技术，逐渐成为热

门词汇。据世界3D打印技术产业联盟秘书长罗军介绍，从上世纪80年代开始，3D打印技术走过了30年的历程，在技术研发和生产方面已初具规模，同时也逐步打开了市场。

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、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、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。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品相比，3D打印大大降低了制造的复杂度。美国《时代》周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》则认为其将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。

世界3D打印技术产业联盟的数据显示，2012年，世界3D打印业的产值是120亿—130亿元，国内约为10亿元；2013年，世界3D打印业产值30多亿美元，国内3亿美元；今年全球规模有望突破60亿美元，国内产值达6亿美元。预计2016年，全球规模将突破100亿美元，国内100亿元。2020年前，3D打印技术将全面实现产业化。

与会专家普遍认为，3D打印虽不能替代传统制造业，却是传统制造业的有益补充。中国早已成为全球制造业第一大国，但制造业长期积累的深层次矛盾日益突出。3D打印被誉为开启第三次工业革命的重要组成部分，是高端制造业实现的手段之一。3D打印技术的不断成熟，能够推进中国产业结构调整的步伐，提升制造业水平。

目前，3D打印技术已在工业设计、模具制造等诸多领域得到广泛应用，也正朝着消费品制造、功能零部件制造、组织与结构一体化制造等领域加速发展，展现出广阔的应用前景。3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，可以有效地大幅降低产品原型成本，缩短周期。此外，3D打印能够帮助企业更好、更快的生产结构复杂的产品，能够提升产品价值并实现整体成本的下降。

3.国内外研究情况及发展情况分析

一．国外3D 打印技术的产业化应用现状

美国、德国等发达国家高度重视并积极推广3D打印技术。2012年8月，美国总统奥巴马拨款3000万美元，在俄亥俄州建立了国家级3D打印工业研究中心，并计划第一步投入5亿美元用于3D打印技术的研发。德国联邦教研部（BMBF）早在20年前针对3D打印技术提出长期的发展计划，2011年5月推出的“德国光子学研究”计划也涉及到对3D打印技术研究的资助支持，柏林工业大学3D实验室在3D技术的研究应用方面也取得了一系列的显著成绩。 （一）国外3D打印机产业化发展现状

在全球3D 打印机行业中美国3D Systems、Stratasys 两家公司的产品占据了绝大多数的市场份额。在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的Fab@Home、Shapeways，英国的Reprap等。

3D Systems 公司是全世界最大的快速成型设备开发公司，于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D 打印领域的龙头地位。Stratasys 公司2010 年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机，2012年4月又与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。在美国，这个领域已经开始吸引风险资本的注意，在打印了超过100万件3D物体之后，3D打印公司Shapeways 获得了620万美元的风险投资。 （二）国外3D打印技术产业应用现状

与传统制造技术相比，3D 打印具有制造成本低、生产周期短等明显优势，是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”，英国《经济学人》杂志认为3D 打印技术“与其他数字化生产模式一起，推动实现第三次工业革命”。美国《时代》周刊将其列为“ 美国十大增长最快的工业”。

目前，3D打印技术已广泛应用于工业设计、艺术创作、珠宝、建筑、服装、生物工程等多领域。在制造工业中，点击鼠标取代了锤子、钉子和工人，创意和智慧取代了劳动力成本，因此成为许多商品制造商的关注重点。有专家认为3D打印技术正在重塑全球制造业竞争格局。

在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另一3D打印技术获得应用的

领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。2009年以来，3D打印市场在北美和欧洲急剧增长。根据Stratasys 公司2011年财务报告，其八成左右的收入即来源于欧美市场。国际快速制造行业权威报告《Wohlers Report 2011》发布的调查结果显示，全球3D打印产业产值在1988年到2010年间保持着26.2%的年均增长速度。报告预期，到2016年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元，将会成为下一个具有宽广前景的朝阳产业。

（三）3D打印技术未来产业化发展趋势

随着科技的迅猛发展，各行各业在学科和技术中的交叉融合日益凸显，而3D打印技术能够超越众多的行业领域和应用技术，这正是其潜力令人瞩目的原因。航空航天、汽车制造、医疗和消费类产品等行业的发展推动3D打印技术的进步，而这些行业大量的研究和投入又会推动3D打印技术达到新的高度。军用、牙科、珠宝、游戏模型、建筑、家具、玩具等其他行业，在3D打印技术产业化应用中也将扮演重要角色。

1.航空航天：航空航天界希望获得重量轻、强度高、甚至可以导电的部件。据美国一家军用飞机制造公司介绍，该公司的军用飞机可能将有1400种零部件采用3D打印技术来生产。有关专家认为3D打印生产的各种金属部件将在2-3年内开始用在飞机上，10年之后将普及使用。不仅是飞行器，包括喷气动力船、路基发电机都蕴含着3D打印技术的发展机遇。

2.军事：美国许多军用产品均为高价值的复杂产品，且生产数量相对较少，其中有一些是定制的，需要持续更换零件，如无人驾驶飞行器、士兵轻型装备和盔甲、地面机器人及传统零部件等，这些都将最有机会转换为由3D打印制造。 3.电子产品：美国桑迪亚国家实验室和德克萨斯大学埃尔帕索分校制造的3D打印电路已经证明可以实现传统印刷电路板的类似功能。这种环绕在电子产品外围的3D电路结构，有助于实现设计产品的最佳造型。

4.生物医疗：目前，两家意大利的公司已经采用3D制造技术生产了超过10000个金属髋关节植入物，其中大部分已成功植入人体。使用3D打印技术生产的牙科产品市场以爆炸性的速度急速增长，很多牙科实验室使用来自德国的3D打印公司—EOS生产的牙冠和牙桥顶盖。

5.汽车和摩托车：3D打印制造技术在车辆零部件的生产领域中有着广阔的应用空间。由于高端的专业级汽车生产数量相对较少，因此，其产品的零部件可以采

用3D打印制造技术进行生产。同样，包括汽车和摩托车竞赛项目在内的赛车行业将及大地受益于3D打印的个性化设计。

6.游戏模型：在风靡世界的电脑游戏中，成千上万的模型产品均可采用3D打印技术进行生产，相信在未来，视频游戏可以推动3D打印技术快速发展。 7.玩具：预计不久的将来会出现专为儿童设计的消费类3D打印机。到时很多网站会提供无限量的生物、人物、机器零部件等三维模型，孩子们可以根据自己的意愿和想象进行设计和修改，制作3D数字化的发明实物。

8.教育：预计在未来10-12年内，学校将普遍开设一些有关3D打印的课程，包括讲解如何利用3D打印技术设计生产零部件，研究机构也会研究开发新的产品设计方法等。

三.国外3D打印技术产业化的先进经验和启示

近二十年来，3D打印技术已发展成为在功能上切实可行、在技术上更加先进的一种替代方法。特别是对一些使用传统方法难以加工的材料且功能复杂的产品制造，怎样让这些独特的优点应用于产业化中却并不是一件轻而易举的事情，现总结国外3D打印技术产业化中的先进经验，希望对我国及广东3D打印制造产业化发展有所启发。

(一) 从国家层面加强重视，做好3D打印制造技术产业化发展的顶层设计和统筹规划。

1998年，美国国家制造科学中心（NCMS）完成了侧重于3D打印技术产业化应用的路线图，2009年再次探讨制定未来10-12年内3D打印技术在相关领域的路线图。力促企业、学术界以及政府机构中的权威专家资源网络化，实现协同增效，为3D打印技术的产业化制定全面、系统的近期与中期研究规划。建议我国政府部门也应建立协同推进机制，制定3D打印制造技术路线图和中长期发展战略，明确这一产业的阶段目标、技术路线、重点任务和政策措施，为我国3D打印制造产业化发展做好顶层设计和统筹规划，推动产业的可持续健康发展。 (二) 建立用于研究和教育的公共平台基地，为3D打印的研发和应用示范做好配套保障。

由于目前的3D打印机器设备价格高昂，有关专家建议成立一个国家实验平台中心，保证每台设备的充分利用。2012年8月，美国政府宣布，将在俄亥俄州建立一所由政府部门和私营部门共同出资的制造业创新研究所研发3D打印技术。美国国防部、能源部等5家政府部门将共同出资4500万美元；俄亥俄州等三州的企业、学校和非营利性组织组成的联合团体将出资4000万美元。通过建立这样的创新研究所有助于联合高校、企业和政府部门的力量投资于发展尖端科技和

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