發(fā)布時間：2023-09-20 18:10:38
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的3d打印技術(shù)樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
新型技術(shù) 幻象成真
美國科幻作家羅伯特·希克利曾經(jīng)描寫過關(guān)于“萬能制造機(jī)”的場景。這是一臺奇特的大機(jī)器，機(jī)身上雜亂地安裝著刻度盤、小燈和各種指示表。故事的主角之一阿諾爾德站在機(jī)器前，按下按鈕，對它響亮而清楚地說：“我要硬鋁螺帽，直徑為4英寸?！苯拥街噶睿瑱C(jī)器發(fā)出低沉的轟鳴聲，燈光閃爍，閘板緩緩打開，眼前赫然出現(xiàn)了一顆閃光發(fā)亮已經(jīng)制好的螺帽。
也許羅伯特沒有想到如今一臺3d打印機(jī)已經(jīng)將他書中的幻境變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，那么什么是3D打印機(jī)呢？我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫钠胀ù蛴C(jī)可以打印電腦設(shè)計的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)與普通打印機(jī)的工作原理基本相同，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，打印機(jī)與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。通俗地說，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個機(jī)器人、一個玩具車，打印各種模型，甚至是食物等等。
前景廣闊 問題猶存
在3D打印技術(shù)可以打印器官、汽車、飛機(jī)的今天，它還在創(chuàng)造無限的可能。著名的《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志最近描述了3D打印技術(shù)的前景是一種新型的生產(chǎn)方式，能夠促成新的工業(yè)革命。3D打印技術(shù)將來會促進(jìn)傳統(tǒng)的設(shè)計和制造模式，只是如今還沒有大范圍地推廣和應(yīng)用。隨著3D打印技術(shù)的成熟和社會的發(fā)展，制造業(yè)的跨越式發(fā)展指日可待。
首先，3D打印技術(shù)可以加工傳統(tǒng)方法難以制造的零件。過去傳統(tǒng)的制造方法就是一個毛坯，把不需要的地方切除掉，是多維加工的，或者采用磨具，把金屬和塑料熔化灌進(jìn)去得到這樣的零件，這樣對復(fù)雜的零部件來說，加工起來非常困難。立體打印技術(shù)對于復(fù)雜零部件而言具有極大的優(yōu)勢，立體打印技術(shù)可以打印非常復(fù)雜的東西。其次，實(shí)現(xiàn)了首件的凈型成形，這樣后期輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數(shù)據(jù)泄密和時間跨度，尤其適合一些高保密性的行業(yè)，如軍工、核電領(lǐng)域。再次，由于制造準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時間大幅減少，使得單件試制、小批量出產(chǎn)的周期和成本降低，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的出產(chǎn)。
這些速度快、高易用性等優(yōu)勢使得3D打印成為一種潮流，并且在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。如今3D打印機(jī)已經(jīng)在建筑設(shè)計、醫(yī)療輔助、工業(yè)模型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、零配件、動漫模型等領(lǐng)域都已經(jīng)有了一定程度的應(yīng)用。尤其在飛機(jī)、核電和火電等使用重型機(jī)械、高端精密機(jī)械的行業(yè)中，3D打印技術(shù)“打印”的產(chǎn)品是自然無縫連接的，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。
成就顯赫 仍待發(fā)展
機(jī)遇與挑戰(zhàn)
3D打印技術(shù)提供了大量機(jī)遇，不僅僅體現(xiàn)在制造領(lǐng)域，還包括零售、醫(yī)療健康和其他領(lǐng)域。3D打印最本質(zhì)的經(jīng)濟(jì)問題是，打印產(chǎn)品的成本高于傳統(tǒng)制造，但工具的成本為零。對于大規(guī)模批量生產(chǎn)來說，傳統(tǒng)制造的成本更低。但是，高昂的工具成本，使得傳統(tǒng)制造的成本對于小批量生產(chǎn)來說更高。利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品的時間要短于制造工具，但單件產(chǎn)品的生產(chǎn)時間長于傳統(tǒng)制造。
用途領(lǐng)域甚廣
快速制造原型產(chǎn)品是3D打印技術(shù)的第一大用途。傳統(tǒng)上，生產(chǎn)一件原型產(chǎn)品通常耗時1、2個月。利用3D打印技術(shù)，設(shè)計人員數(shù)小時就可以拿到原型產(chǎn)品。3D打印技術(shù)的用途遠(yuǎn)不止生產(chǎn)原型產(chǎn)品。
夾具和卡具可能是最熱門的增長領(lǐng)域。在大多數(shù)工廠，技術(shù)工人通常負(fù)責(zé)制作工具，例如夾具和卡具。夾具和卡具的生產(chǎn)對技能要求很高，經(jīng)常需要大量試驗，還難免會出錯。夾具的任何錯誤都會“被復(fù)制”在最終產(chǎn)品中。利用3D打印技術(shù)制造夾具和卡具通常速度更快、更方便。
小批量生產(chǎn)很常見，制作原型只是其中一個特例。市場空間有限的產(chǎn)品，可能能帶來利潤，但不值得生產(chǎn)、購買昂貴的工具。3D打印技術(shù)很適合小批量生產(chǎn)，它還適合用在需求不確定的情況下。企業(yè)可以利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)少量產(chǎn)品，從而無需投入巨額資金購買昂貴的工具。生命周期結(jié)束的零部件也適用于3D打印技術(shù)。大量20年前購買的汽車還在使用，用戶需要備件。通過為這些過時的產(chǎn)品提供服務(wù)，廠商可以提高自己的品牌形象，增加現(xiàn)在的銷售。
大規(guī)模定制是終極版的小批量生產(chǎn)：一件產(chǎn)品只為一名客戶制造。Normal利用3D打印技術(shù)為客戶定制耳機(jī)，每副耳機(jī)都根據(jù)客戶的需求量身打造。佛羅里達(dá)州立大學(xué)制作了塑料“大腦”，供醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)。當(dāng)前的技術(shù)能融合不同密度的材料，給學(xué)生提供最真實(shí)的手感。未來，供實(shí)習(xí)用的大腦將通過對病人進(jìn)行3D掃描獲得，其中將包含模擬的腫瘤。
非標(biāo)零部件也是一種潛在用途。中小批量的生產(chǎn)任務(wù)通常使用標(biāo)準(zhǔn)件，利用3D打印技術(shù)，設(shè)計師可以對產(chǎn)品進(jìn)行更好的優(yōu)化，而無需考慮標(biāo)準(zhǔn)件。
關(guān)鍵詞 3D打印 傳統(tǒng)打印 3D模具
一、過程原理
每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實(shí)體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。
二、3D打印過程
打印耗材由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉(zhuǎn)變?yōu)槟z水、粉末，當(dāng)然膠水和粉末都是經(jīng)過處理的特殊材料，不僅對固化反應(yīng)速度有要求，對于模型強(qiáng)度以及“打印”分辨率都有直接影響。3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。受到噴打印原理的限制，打印速度勢必不會很快，較先進(jìn)的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)每小時25毫米高度的垂直速率，相比早期產(chǎn)品有10倍提升，而且可以利用有色膠水實(shí)現(xiàn)彩色打印，色彩深度高達(dá)24位。
三、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，制造成本越高。對3D打印機(jī)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。
2、產(chǎn)品多樣化。不增加成本一臺3D打印機(jī)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。3D打印省去了培訓(xùn)機(jī)械師或購置新設(shè)備的成本，一臺3D打印機(jī)只需要不同的數(shù)字設(shè)計藍(lán)圖和一批新的原材料。
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)建立在組裝基礎(chǔ)上。3D打印機(jī)通過分層制造可以不需要組裝。省略組裝就縮短了供應(yīng)鏈，節(jié)省在勞動力和運(yùn)輸方面的花費(fèi)。
4、零時間交付。3D打印機(jī)可以按需打印。即時生產(chǎn)減少了企業(yè)的實(shí)物庫存，企業(yè)可以根據(jù)客戶訂單使用3D打印機(jī)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(yùn)輸?shù)某杀尽?/p>
5、設(shè)計空間無限。傳統(tǒng)制造技術(shù)和工匠制造的產(chǎn)品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如，傳統(tǒng)的木制車床只能制造圓形物品，軋機(jī)只能加工用銑刀組裝的部件，制模機(jī)僅能制造模鑄形狀。3D打印機(jī)可以突破這些局限，開辟巨大的設(shè)計空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。
6、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(jī)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(fèi)量驚人，90%的金屬原材料被丟棄在工廠車間里。3D打印制造金屬時浪費(fèi)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。
7、材料無限組合。對當(dāng)今的制造機(jī)器而言，將不同原材料結(jié)合成單一產(chǎn)品是件難事，因為傳統(tǒng)的制造機(jī)器在切割或模具成型過程中不能輕易地將多種原材料融合在一起。隨著多種材料3D打印技術(shù)的發(fā)展，我們有能力將不同原材料融合在一起。以前無法混合的原料混合后將形成新的材料，這些材料色調(diào)種類繁多，具有獨(dú)特的屬性或功能。
四、應(yīng)用狀況
3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域也在隨著技術(shù)進(jìn)步而不斷擴(kuò)展。美國科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)出了能打印皮膚、軟骨、骨頭和身體其他器官的三維“生物打印機(jī)”。人們還使用3D打印來制造雕塑并修復(fù)雕塑，制造由塑料和聚合物制成的三維物體并打印出了實(shí)品。
近年來，我國也積極探索3D打印技術(shù)的研發(fā)，初步取得成效。在3D打印設(shè)備制造技術(shù)、3D打印材料技術(shù)、3D設(shè)計與成型軟件開發(fā)等研究方面，開展了積極的探索。其中，激光直接加工金屬技術(shù)發(fā)展較快，基本滿足特種零部件的機(jī)械性能要求。在傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機(jī)制造流程當(dāng)中，飛機(jī)的3D模型設(shè)計好后，需要進(jìn)行長期的投入來制造水壓成型設(shè)備，而使用3D打印制造技術(shù)后，零件的成型速度、應(yīng)用速度得以大幅度提高。
參考文獻(xiàn)：
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我國科技水平的不斷提高，為機(jī)械制造行業(yè)的快速發(fā)展提供了機(jī)會，與此同時，也增加了機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展的難度。為了推動機(jī)械制造行業(yè)持續(xù)發(fā)展，在其中應(yīng)用了3D打印技術(shù)，此技術(shù)集電氣、計算機(jī)以及光學(xué)等先進(jìn)的技術(shù)于一體，具有利用率高，并且成型速度快等特點(diǎn)，由此可以看成，3D打印技術(shù)是非常先進(jìn)的。因此，在機(jī)械制造領(lǐng)域中應(yīng)用3D打印技術(shù)，對促進(jìn)機(jī)械制造行業(yè)更好地發(fā)展有著不容忽視的作用。本文對機(jī)械制造領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了深入地研究，并闡述了自己的見解，希望可以為相關(guān)人員更好地應(yīng)用3D打印技術(shù)提供一點(diǎn)幫助。
【關(guān)鍵詞】
機(jī)械制造領(lǐng)域；3D打印技術(shù)；應(yīng)用
近些年來，我國機(jī)械制造行業(yè)迎來了發(fā)展的繁榮時期，為了推動其更好地發(fā)展，應(yīng)用了3D打印技術(shù)，由于我國應(yīng)用此技術(shù)的時間比較短，所以應(yīng)用過程中還存在一些問題，只有采取有效的措施解決問題，將3D打印技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)際情況結(jié)合在一起，才能充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的作用，推動機(jī)械制造行業(yè)穩(wěn)定的發(fā)展。
1對3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行概述
世界上的第一臺3D打印設(shè)備是在1984年現(xiàn)世的，在這之后，3D打印技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，在社會中的影響力越來越大。3D打印設(shè)備在1991年實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的轉(zhuǎn)變，在1996年，3D打印機(jī)成功問世。我國的第一臺3D打印設(shè)備是在1994年問世的，此設(shè)備具有知識產(chǎn)權(quán)，構(gòu)造此設(shè)備的材料主要有聚丙烯塑料以及塑料粉末狀物，其應(yīng)用范圍越來越廣泛，已經(jīng)成功的在航天產(chǎn)品、醫(yī)療器械以及汽車生產(chǎn)中應(yīng)用[1]。
2增材制造原理
3D打印技術(shù)增材制造原理就是以縱向坐標(biāo)為基礎(chǔ)，將設(shè)計出三維模型的產(chǎn)品進(jìn)行平面劃分，對其進(jìn)行劃分主要應(yīng)用的是三維仿真軟件，與此同時，還應(yīng)該應(yīng)用疊加成形以及分層加工兩者相結(jié)合的方法來生成3D實(shí)體，進(jìn)而制作出模型。3D打印機(jī)的工作原理有以下幾方面，以下是對原理的具體分析：第一，三維成形原理。此原理在3D打印機(jī)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在將適當(dāng)數(shù)量的材料粉末放置在存放桶中，然后經(jīng)由存放桶將其運(yùn)輸出去，當(dāng)粉末運(yùn)輸?shù)郊庸づ_上之后，需要使用滾筒對其進(jìn)行碾壓，使其形成薄薄的一層，在這之后，在想要進(jìn)行打印的地方噴射粘合劑。粉末和粘合劑相遇，就會非?？焖俚哪?，在這種情況下，當(dāng)打印完成一層之后，打印機(jī)自身的程序設(shè)定就會啟動，降低距離，再根據(jù)設(shè)定的值循環(huán)的進(jìn)行打印，直至打印結(jié)束[2]。第二，熔融固化技術(shù)。熔融固化技術(shù)是3D打印機(jī)的工作原理，在應(yīng)用此技術(shù)進(jìn)行工作的過程中，需要遵循以下步驟：首先，工作人員需要先將三維實(shí)體模型的相關(guān)數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)綄?D打印機(jī)進(jìn)行程序控制的計算機(jī)程序中，然后計算機(jī)控制程序就會根據(jù)已經(jīng)設(shè)定好的程序，自動設(shè)定好打印工作的具體路線。其次，3D打印機(jī)在計算機(jī)的控制下，可以按照已經(jīng)設(shè)定好的打印路線在需要進(jìn)行加工的平面上進(jìn)行剖面噴射工作，在此基礎(chǔ)上，供絲裝置需要將呈現(xiàn)出絲狀的原材料送到正在進(jìn)行打印工作的噴頭的前面，在這個時候，已經(jīng)被溶解的原材料就會被噴頭噴射出來，在工作臺上進(jìn)行凝聚。再次，在工作臺上進(jìn)行凝聚工作的已經(jīng)被溶解的材料，需要利用冷卻裝置來對其進(jìn)行冷卻，在冷卻之后，這些材料就可以形成三維實(shí)體剖面薄片，這樣就可以通過薄片看出需要進(jìn)行實(shí)體加工的剖面輪廓。最后，在計算機(jī)程序的控制下，噴射工作會持續(xù)的進(jìn)行，工作臺平面的高度可以由計算機(jī)控制程序來適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，直到三維實(shí)體模型符合計算機(jī)程序中的要求，3D打印機(jī)的打印工作才能停止[3]。
33D打印技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的具體應(yīng)用
所謂的3D打印技術(shù)，就是指增材制造，此技術(shù)就是通過將材料進(jìn)行疊加的方式來使工作臺的高度進(jìn)行調(diào)整，然后將零部件從虛擬的狀態(tài)中制作出來，使其變成實(shí)體，真實(shí)的展現(xiàn)在人們面前，此技術(shù)較零部件加工方法相比更具優(yōu)勢，因此，在機(jī)械制造領(lǐng)域中應(yīng)用3D打印技術(shù)，取得了較為顯著的效果，促進(jìn)了機(jī)械制造行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。本文對3D打印技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的具體應(yīng)用進(jìn)行了深入地分析，內(nèi)容如下：
3.1機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)速度有了明顯的提高在機(jī)械制造行業(yè)中，生產(chǎn)產(chǎn)品是非常重要的一個環(huán)節(jié)，在應(yīng)用傳統(tǒng)的零部件加工方法生產(chǎn)產(chǎn)品的時候，不僅耗費(fèi)的時間長，還需要很多的設(shè)備來進(jìn)行輔助，比如說需要工裝夾具以及機(jī)床等，而且，還需要大量的人力勞動，此種情況使得產(chǎn)品的生產(chǎn)速度很慢，而且生產(chǎn)出的產(chǎn)品有可能已經(jīng)不符合市場需求，另外，應(yīng)用傳統(tǒng)零部件方法生產(chǎn)出的產(chǎn)品，還需要進(jìn)行市場檢驗，根據(jù)檢驗的結(jié)果對產(chǎn)品進(jìn)行改正，這樣就延長了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，對機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展有著不利的影響[4]。3D打印技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)中的應(yīng)用，大大提高了產(chǎn)品的開發(fā)速度，而且應(yīng)用此技術(shù)生產(chǎn)出的產(chǎn)品，基本是符合市場需求的，不需要耗費(fèi)大量的時間對其進(jìn)行修改，其質(zhì)量是有保證的。
3．2轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的設(shè)計理念傳統(tǒng)的零部件加工方法，對機(jī)械制造企業(yè)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著較高的要求，企業(yè)必須設(shè)置很多結(jié)構(gòu)才能將產(chǎn)品生產(chǎn)出來，這樣就使得企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益下降，長此以往，企業(yè)的發(fā)展就會受到局限，甚至是破產(chǎn)。3D打印技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)中的應(yīng)用，有效的解決了此問題，3D打印技術(shù)在制造產(chǎn)品的過程中，不需要大量的人力資源，可以依靠自身完成生產(chǎn)工作，而且加工出的零部件的穩(wěn)定性和集成度有了顯著的提升，此技術(shù)的應(yīng)用，在極大程度上簡化了零部件的設(shè)計和加工過程，使企業(yè)可以獲取高額的經(jīng)濟(jì)利益。比如說：航空類零部件對產(chǎn)品的要求非常高，不僅需要其具有較高的穩(wěn)定性，還需要其小批量的生產(chǎn)，另外，航空類零部件的形狀有很多種，不同形狀對生產(chǎn)的要求不同，這些特點(diǎn)都增加了加工的難度。應(yīng)用傳統(tǒng)的零部件加工方法，需要有300多個零件組成，但應(yīng)用3D打印技術(shù)，只需要三個零件就可以完成加工工作，并且零部件的質(zhì)量和穩(wěn)定性還可以得到保障[5]。由此可以看出，在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，對推動機(jī)械制造行業(yè)的快速發(fā)展有著重要的意義。
4結(jié)束語
綜上所述，在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，可以促進(jìn)機(jī)械制造行業(yè)更好地發(fā)展。因此，相關(guān)部門還需要繼續(xù)研究3D打印技術(shù)，只有提高技術(shù)水平，在機(jī)械制造行業(yè)中更好地應(yīng)用此技術(shù)，才能充分地發(fā)揮其作用，為機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。
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關(guān)鍵詞：3D打??；傳統(tǒng)雕塑；促進(jìn)作用
3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，三維打印先通過計算機(jī)建模，再將建成的三維模型分區(qū)成切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。它與普通打印工作原理基本相同，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)裝有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、橡膠類材料。隨著技術(shù)的進(jìn)步和新型材料的出現(xiàn)，3D打印的影響范圍越來越大，目前，已在航空航天、醫(yī)療、建筑、汽車、雕塑等行業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用，而且發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，僅從雕塑來說，3D打印技術(shù)已極大的促進(jìn)了雕塑藝術(shù)的發(fā)展，并對雕塑藝術(shù)產(chǎn)生越來越大的影響，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：
一、3D打印技術(shù)節(jié)約雕塑的時間
傳統(tǒng)雕塑藝術(shù)的創(chuàng)作過程要經(jīng)過紙上小稿、泥塑小稿、放大稿、翻硬質(zhì)模具、注入成型材料、表面處理等多個步驟才能完成，整個過程歷時較長，即便是在翻模等工序順利的前提下，一件雕塑作品的完成任需要一個月左右的時間。而利用3D打印技術(shù)，在設(shè)計完成的前提下，打印過程是按照小時計時的。2014年8月，在上海張江高新青浦園區(qū)利用3D打印技術(shù)，按照電腦設(shè)計的圖紙和方案，經(jīng)一臺大型3D打印機(jī)層層疊加打印了10幢建筑，整個打印過程僅花費(fèi)24小時。
二、3D打印技術(shù)極大的節(jié)約了雕塑的材料
3D打印技術(shù)直接從計算機(jī)圖形數(shù)據(jù)生成作品，擯棄了傳統(tǒng)雕塑藝術(shù)的創(chuàng)作過程中翻模等復(fù)雜的中間環(huán)節(jié)，極大的節(jié)約了傳統(tǒng)雕塑藝術(shù)中間環(huán)節(jié)材料的使用。且3D打印技術(shù)一般使用金屬、尼龍、石膏等可重復(fù)利用材料，甚至在青浦園區(qū)打印的房屋中主要材料是建筑垃圾。在世界各國越來越重視環(huán)境問題，人們環(huán)保意識不斷增強(qiáng)的今天，3D打印技術(shù)在某些方面替代傳統(tǒng)雕塑藝術(shù)的創(chuàng)作對環(huán)境保護(hù)做了不小的貢獻(xiàn)。
三、3D打印技術(shù)降低了雕塑風(fēng)險和成本
一直以來，不論泥塑、金屬雕塑、木雕還是石雕，手工勞動是傳統(tǒng)雕塑藝術(shù)創(chuàng)作的主要手段，雕塑家的勞動量是顯而易見的，這種手工勞動對技術(shù)的要求較高，且在進(jìn)行雕塑前雕塑家對材料本身的內(nèi)部構(gòu)造、材料本身的承重能力等因素的掌握往往不是很到位，無形中在創(chuàng)作的過程中時時存在著失敗的風(fēng)險。3D打印技術(shù)可以替代手工勞動，雕塑家只需進(jìn)行精心的設(shè)計即可，手工勞動部分交給3D打印機(jī)來完成，既避免了傳統(tǒng)雕塑在創(chuàng)作的過程中失敗的風(fēng)險，又極大節(jié)約了人工和材料成本。
四、3D打印能讓所要表現(xiàn)的雕塑更精準(zhǔn)
雕塑作品是情感的表達(dá)，在創(chuàng)作的過程中極易受到外部因素的制約，使得傳統(tǒng)雕塑的最終作品存在著變數(shù)，且這個變數(shù)是不可逆的；傳統(tǒng)雕塑藝術(shù)要經(jīng)過翻硬質(zhì)模具等中間過程，而翻模出現(xiàn)的變形現(xiàn)象是令雕塑家無法回避的問題，由于以上原因，無法讓雕塑作品完全精準(zhǔn)的反應(yīng)設(shè)計者的意圖。雕塑家只要制出小樣，通過軟件生成數(shù)字化的模型，3D打印機(jī)就能準(zhǔn)確無誤的打印出成品，使得雕塑家所要表現(xiàn)的作品能夠精準(zhǔn)的得到表達(dá)。
五、3D打印能表現(xiàn)高復(fù)雜度的雕塑形態(tài)
3D打印機(jī)不僅能打印出能通過手工制作制成的作品，還能打印出手工無法完成的作品。2015年10月，我國863計劃3D打印血管項目取得重大突破，世界首創(chuàng)的3D生物血管打印機(jī)問世。該款血管打印機(jī)可以打印出血管獨(dú)有的中空結(jié)構(gòu)、多層不同種類細(xì)胞。傳統(tǒng)的雕塑手法無法完成比如說一些曲面繁復(fù)、線條穿插等復(fù)雜的形態(tài)。而通過3D打印技術(shù)只要能設(shè)計出模型來，就可以輕而易舉的打印出來，而且基本不會有次品或是廢品產(chǎn)生，真正達(dá)到了“設(shè)計即所得”的地步。
六、3D打印具有很強(qiáng)的復(fù)制性
雕塑作品是雕塑家思想和情感的表達(dá)，強(qiáng)調(diào)的是傳統(tǒng)性、手工技藝以及完成作品所耗用的工時，在整個創(chuàng)作過程中受到雕塑所用的材質(zhì)不同、想法的改變、情感的波動、手法的嫻熟程度等諸多方面因素的制約，導(dǎo)致雕塑作品具有唯一性的特點(diǎn)。而3D打印技術(shù)作為一種新工具，它雖然不能取代傳統(tǒng)雕塑，但它可以作為傳統(tǒng)雕塑的有益補(bǔ)充。3D打印技術(shù)在博物館文物保護(hù)工作中做出了巨大的貢獻(xiàn)，利用3D打印技術(shù)完全是有可能實(shí)現(xiàn)電影里演的那樣復(fù)制出一件一模一樣的文物。3D打印技術(shù)不僅可以對無法翻?；虿贿m于翻模的文物進(jìn)行復(fù)制，還可以用于殘缺文物的局部修復(fù)。
七、3D打印適合定制化雕塑產(chǎn)品
牙模打印機(jī)能快速3D打印出高精確度的齒科模型、采用3D打印技術(shù)輔助設(shè)計并打印缺損顱骨外形，3D打印機(jī)還可以打印汽車、食品、服飾等高端定制產(chǎn)品等，隨著3D打印技術(shù)的成熟和成本的降低，定制化產(chǎn)品在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，高端定制化產(chǎn)品可以做到“量體裁衣”，可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行產(chǎn)品的定制，在設(shè)計過程中還可以通過與客戶的交流，把客戶的想法隨時反應(yīng)到設(shè)計當(dāng)中，制作出真正反映客戶意愿的滿意的高端定制化產(chǎn)品。
參考文獻(xiàn)：
[1]黃德荃.3D打印極致盛放[J].裝飾,2015(8).
關(guān)鍵詞：3D打?。唤逃龖?yīng)用；模式構(gòu)建
中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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、汽車零件制造、航天和國防、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)為這項技術(shù)將引領(lǐng)制造業(yè)發(fā)展的新趨勢，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)逐漸與各個領(lǐng)域深度交融，成為各個領(lǐng)域未來發(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年地平線報告中首次將3D打印技術(shù)列為教育領(lǐng)域未來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)計者、程序員及其他對科學(xué)和工程嘗試使用DIY（自己動手做）方法的人群形成的興趣共同體。其獨(dú)特之處在于無需機(jī)械加工和模具作為輔助，只需設(shè)計者根據(jù)用戶的個性化需求，通過3D建模軟件進(jìn)行模型設(shè)計與構(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。以制作過程為視角，3D打印需要經(jīng)歷物理對象的設(shè)計與構(gòu)建、打印輸出、后期處理三個主要階段。具體打印流程如圖1所示。
[計算機(jī)輔助設(shè)計][三維建模][計算機(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][物理對象的設(shè)計與構(gòu)建][成品][打印輸出][后期處理]
圖1 3D打印基本流程
（一）物理對象的設(shè)計與構(gòu)建
物理對象的設(shè)計與構(gòu)建階段涉及兩個方面：三維建模和三維掃描。3D打印的關(guān)鍵階段是模型設(shè)計與構(gòu)建，這直接決定作品比例是否協(xié)調(diào)，設(shè)計是否殘缺，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物理實(shí)體的最終打印效果也有重要影響，可以使用與計算機(jī)輔助設(shè)計或計算機(jī)動畫建模相關(guān)的三維建模軟件來設(shè)計和構(gòu)建欲打印的物理實(shí)體的三維模型，例如：AutoCAD、3D Max、SketchUp等。也可利用計算機(jī)輔助斷層掃描通過對物體空間外形和結(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，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，通過打印機(jī)配備的專業(yè)軟件將模型薄片化，形成多個剖面。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，然后，將所有切片堆疊起來，以各種方式粘合成一個完整的物理實(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，這時就需要對打印出來的模型進(jìn)行簡單的后期處理，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)對于教育的重要價值之一，在于它能夠創(chuàng)造對事物更真實(shí)可靠的探索機(jī)會，而這樣的機(jī)會對于學(xué)生來說可能非常難得。同時，對3D打印技術(shù)從設(shè)計到生產(chǎn)過程的探索以及實(shí)物教學(xué)和參與性學(xué)習(xí)的發(fā)展需要，為學(xué)習(xí)活動的開展提供了新的可能。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)者的感覺和知覺，增強(qiáng)觸覺體驗，彌補(bǔ)常態(tài)課堂直接經(jīng)驗不足的劣勢。同時，教師也將隱性知識和認(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，視覺復(fù)雜化轉(zhuǎn)變成為認(rèn)知簡單化。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)對創(chuàng)意和技術(shù)方案進(jìn)行快速驗證的任務(wù)，促進(jìn)學(xué)習(xí)者的社會性認(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3D打印制作相關(guān)模型。學(xué)習(xí)者通過真實(shí)的模型可以深化感性認(rèn)識，獲取強(qiáng)烈、真實(shí)的認(rèn)知體驗，進(jìn)入深度學(xué)習(xí)的狀態(tài)。例如：針對小學(xué)五年級《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)者可以在課堂上對趙州橋的整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特點(diǎn)有一個直觀的觀察和認(rèn)識。進(jìn)而加深學(xué)習(xí)者對趙州橋的社會性認(rèn)知體驗，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)，通過動畫、圖片、視屏、音頻等能夠為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建一種動態(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)者缺少對事物更真實(shí)可靠的探索機(jī)會，這在一定程度上抑制了學(xué)習(xí)者創(chuàng)造潛力的開發(fā)。3D打印技術(shù)則通過將數(shù)字化的設(shè)計、虛擬模型快速轉(zhuǎn)變成實(shí)物的獨(dú)特優(yōu)勢打破了這一禁錮。物理實(shí)體帶來的強(qiáng)烈的現(xiàn)場感、真實(shí)的學(xué)習(xí)情境、近距離的觀察和觸摸體驗，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)計和模型打印，這兩個階段皆需要學(xué)習(xí)者的全程參與。無形中，即使處于學(xué)習(xí)邊緣的學(xué)習(xí)者也會自主完成學(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，通過完成提出創(chuàng)意、設(shè)計模型、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)計能力、觀察能力和實(shí)踐能力的發(fā)展。實(shí)踐是提高知識內(nèi)化和掌握程度的主要途徑，同時，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）營造愉快的學(xué)習(xí)體驗及激發(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)計過程成為可能，學(xué)習(xí)者在模型設(shè)計初期就可以通過教師指導(dǎo)以及原形化發(fā)現(xiàn)問題和不足，降低設(shè)計出錯的概率和認(rèn)知出錯次數(shù)，減輕學(xué)習(xí)過程中的挫折感，增強(qiáng)自信，獲得愉快的學(xué)習(xí)體驗。對于3D打印無論是設(shè)計、制作還是分享使用都可能產(chǎn)生一種新的學(xué)習(xí)體驗，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)展成為主動的知識建構(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3D打印，開拓批判性思維模式，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)施過程，對3D打印在教學(xué)中的應(yīng)用模式進(jìn)行了初步構(gòu)建，如圖2所示。
[前期問題設(shè)計與模型制作][個性化需求][個性化需求][教學(xué)內(nèi)容][教學(xué)內(nèi)容][趣味性][趣味性][探索性][探索性][延伸性][交互合作][3D
軟件
建模][滿足
學(xué)習(xí)
者需
求][解決
真實(shí)
問題][指導(dǎo)修正][3D
建模
軟件][3D
模型
資源庫][3D
模型
資源庫][教育
資源中心][打印介質(zhì)選擇][模型數(shù)據(jù)傳輸][打印機(jī)調(diào)試][打印操作][資源搜索][構(gòu)建模型][設(shè)計原則][選擇、修改已有模型][三維模型設(shè)計][三維模型構(gòu)建][三維模型打印][問題發(fā)現(xiàn)][問題情境][問題情境創(chuàng)設(shè)][課堂
應(yīng)用
教學(xué)
評價][教學(xué)評價][問題情境創(chuàng)設(shè)][學(xué)習(xí)者自評][教師評價][模型展示][課堂互動][模型檢驗][學(xué)習(xí)者互評][課堂應(yīng)用]
圖2 3D打印教學(xué)應(yīng)用模式
（一）教學(xué)實(shí)施過程概述
基于3D打印技術(shù)的教學(xué)實(shí)施過程由問題情境創(chuàng)設(shè)、三維模型設(shè)計、三維模型構(gòu)建、三維模型打印、開展教學(xué)和教學(xué)評價六個核心模塊。教學(xué)實(shí)施過程以此六個模塊依次展開。在創(chuàng)設(shè)問題情境環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)問題之后，學(xué)習(xí)者在解決問題的任務(wù)情境之下進(jìn)行3D模型設(shè)計和模型構(gòu)建。然后，打印實(shí)物三維模型并在課堂互動環(huán)節(jié)通過展示、探討、應(yīng)用模型的活動對模型加以驗證和修改，進(jìn)而解決實(shí)際問題。最后，通過評價環(huán)節(jié)，精細(xì)化設(shè)計技巧，完善設(shè)計思想，提高學(xué)習(xí)者設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。
（二）核心模塊分析
1.問題情境創(chuàng)設(shè)
對于學(xué)習(xí)者而言，創(chuàng)設(shè)問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、知識結(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)者個性化學(xué)習(xí)、交互合作的問題情境將有效激發(fā)學(xué)習(xí)者強(qiáng)烈的問題意識和探究動機(jī)，有助于引起學(xué)習(xí)者對發(fā)現(xiàn)問題的深入思考、探究欲望和鉆研熱情。同時，置身于問題情境，才有可能挖掘?qū)W習(xí)者的設(shè)計靈感，創(chuàng)作出既有價值又能讓人耳目一新的作品。對于教師而言協(xié)助學(xué)習(xí)者找到一個高質(zhì)量的問題激發(fā)學(xué)習(xí)者的求知欲，將為后續(xù)教學(xué)活動的順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。
2.三維模型設(shè)計
經(jīng)過創(chuàng)設(shè)問題情境階段，學(xué)習(xí)者在接受問題刺激之后，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)計思想的指導(dǎo)下，遵循滿足學(xué)習(xí)者個性化需求和解決真實(shí)問題的設(shè)計原則進(jìn)行模型設(shè)計。教師則針對學(xué)習(xí)者在設(shè)計過程中存在的問題實(shí)施個性化的指導(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)計構(gòu)建數(shù)字化三維模型。學(xué)習(xí)者也可以通過在3D建模資源庫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)評價
將打印的三維模型應(yīng)用到課堂當(dāng)中，教師通過課程設(shè)計科學(xué)合理安排模型應(yīng)用的時間和地點(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。通過模型展示和課堂互動環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)者進(jìn)行充分交流和互動以討論模型中存在的問題。最后通過評價模塊，驗證模型的可用性，檢驗得出結(jié)論的正確性。教師對模型給出反饋，指導(dǎo)模型的再次修改，學(xué)習(xí)者進(jìn)行自我評估和學(xué)習(xí)者互評，不斷完善模型。
四、結(jié)束語
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?D打印技術(shù)推廣應(yīng)用的重要市場。本文通過分析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的重點(diǎn)研究課題和方向。
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[關(guān)鍵詞]3D打印技術(shù)；鋼鐵行業(yè)；沖擊；措施
中圖分類號：F104 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）40-0072-01
一、概述
3D打印技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，是一種不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床就可以打造出任意形狀，根據(jù)零件或物體的三維模型數(shù)據(jù)，通過成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)物模型的技術(shù)，被認(rèn)為是近20年來制造領(lǐng)域的一個重大成果。它集機(jī)械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計思想的校驗等方面提供了一種高效、低成本的實(shí)現(xiàn)手段。
3D打印機(jī)的原理：3D 打印機(jī)可以根據(jù)零件的形狀，每次制做一個具有一定微小厚度和特定形狀的截面，然后再把它們逐層粘結(jié)起來，就得到了所需制造的立體零件。每個截面數(shù)據(jù)相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上的一張CT 像片；整個制造過程可以比喻為一個"積分"的過程。當(dāng)然，整個過程是在電腦的控制下，由3D打印機(jī)系統(tǒng)自動完成的。
二、國內(nèi)、外發(fā)展現(xiàn)狀
目前在歐美發(fā)達(dá)國家，3D打印技術(shù)已經(jīng)初步形成了成功的商用模式。如在消費(fèi)電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以以較低的成本、較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復(fù)雜而精細(xì)的造型。另外，3D打印技術(shù)獲得應(yīng)用的領(lǐng)域是個性化消費(fèi)品產(chǎn)業(yè)。如紐約一家創(chuàng)意消費(fèi)品公司Quirky通過在線征集用戶的設(shè)計方案，以3D打印技術(shù)制成實(shí)物產(chǎn)品并通過電子市場銷售，每年能夠推出60種創(chuàng)新產(chǎn)品，年收入達(dá)到100萬美元。當(dāng)前，國際3D打印機(jī)制造業(yè)正處于迅速的兼并與整合過程中，行業(yè)巨頭正在加速崛起。
自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)多所高校開展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)。清華大學(xué)在現(xiàn)代成型學(xué)理論、分層實(shí)體制造、FDM工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢；華中科技大學(xué)在分層實(shí)體制造工藝方面有優(yōu)勢，并已推出了HRP系列成型機(jī)和成型材料；中國科技大學(xué)自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領(lǐng)域得到應(yīng)用。但總體而言，國內(nèi)3D打印技術(shù)研發(fā)水平與國外相比還有較大差距。
三、經(jīng)典的應(yīng)用案例
（一）3D打印汽車
2011年，世界上首款應(yīng)用3D打印技術(shù)的汽車“Urbee”在經(jīng)過15年的艱苦研制后在加拿大亮相，這輛名為“Urbee”的汽車包括玻璃嵌板在內(nèi)的所有外部組件都是通過大型3D打印設(shè)備生產(chǎn)。 2012年8月，世界上第一輛3D打印賽車“阿里翁”，在德國霍根海姆賽道完成測試，最高時速達(dá)141公里。從設(shè)計到打印，“阿里翁”車身的出爐僅用時3周，所使用的3D打印機(jī)，能打印最大尺寸達(dá)到210×68×80厘米的零部件。
（二）3D打印飛機(jī)零件
北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院王華明教授是國內(nèi)激光成型技術(shù)的領(lǐng)軍人物。王教授提出“激光熔覆多元多相過渡金屬硅化物高溫耐磨耐蝕多功能涂層材料”研究新領(lǐng)域，研制出迄今世界最大、擁有核心關(guān)鍵技術(shù)的飛機(jī)大型整體鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形工程化成套裝備，制造出中國最大的大型整體鈦合金飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件，并通過裝機(jī)評審。我國成為目前世界上唯一掌握飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國家。
四、技術(shù)優(yōu)劣勢和對鋼鐵行業(yè)的影響
（一）3D打印技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢
1.個性化、定制化。
3D打印這種全新的生產(chǎn)工藝，以及在線制造協(xié)作服務(wù)的普及，使得生產(chǎn)方式像輪子一樣兜了個圈又回到了原點(diǎn)，從大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)到更加個性化的生產(chǎn)定制方式。“這種新型的生產(chǎn)方式是“社會化制造”，當(dāng)它得到廣泛運(yùn)用，每個人都可以是一家工廠?！?/p>
2.節(jié)省勞動力。
3D打印技術(shù)會使傳統(tǒng)的，以廉價勞動力取勝的制造業(yè)發(fā)生根本性變化。一種可能的趨勢是，過去為追逐低勞動力成本轉(zhuǎn)移到發(fā)展中國家的資本，會很快移回到發(fā)達(dá)國家中去。傳統(tǒng)工廠需要大面積的車間，大量的工人，可未來，這些也許會被十幾臺3D打印機(jī)和幾名工人代替。一些專家樂觀表示，隨著3D打印技術(shù)的普及，有望緩解制造業(yè)用工荒的難題，甚至中國、印度等國所擁有的低成本勞動優(yōu)勢也會隨之減弱。
（二）3D打印技術(shù)的不足之處
1. 打印材料。
3D打印技術(shù)難點(diǎn)主要在于硬件，最典型的就是打印材料。目前，不同品牌的3D打印機(jī)能支持不同的材料，樹脂、尼龍、石膏、塑料使用較為普遍，隨著業(yè)界研發(fā)的進(jìn)步，支持鈦、不銹鋼或鋁、鐵金屬材料的打印機(jī)也已經(jīng)出現(xiàn)。不過，大多數(shù)個人桌面級3D打印機(jī)只能使用易加工、便于回收的塑料，其他只限于工業(yè)級3D打印機(jī)使用。對于工業(yè)級打印機(jī)來說，所用材料既要滿足打印精細(xì)度，還要滿足強(qiáng)度，這類材料的研發(fā)成本至少是千萬元級別。
2.打印精度。
由于3D打印工藝發(fā)展還不完善，特別是對快速成型軟件技術(shù)的研究還不成熟，目前快速成型零件的精度及表面質(zhì)量大多不能滿足工程直接使用，不能作為功能性部件，只能做原型使用。
3. 打印速度。
現(xiàn)階段，3D打印機(jī)無法作為大規(guī)模生產(chǎn)的手段，只能作用于原型開發(fā)或者單件制造。在生產(chǎn)效率上，3D打印技術(shù)雖發(fā)端于“快速成型”，耗時還是得以小時來計，尚難滿足批量生產(chǎn)的要求。無論是性能雖好但價格高昂的工業(yè)級3D打印機(jī)，還是性價與之對立的個人桌面級打印機(jī)，要真正革傳統(tǒng)工業(yè)的命，還有很長的路要走。
4.機(jī)械強(qiáng)度。
以Stratasys公司3D打印車為例，車子固然能“打印”出來了，但是否能在路上順利跑起來？使用壽命又有多長？從現(xiàn)有的技術(shù)來看，尚有差距：由于采用層層疊加的增材制造工藝，層和層之間的粘結(jié)再緊密，也無法和傳統(tǒng)模具整體澆鑄而成的零件相媲美，這意味著在一定外力條件下，“打印”的部件很可能會散架。
五、結(jié)論
3D打印技術(shù)可以使金屬粉末按設(shè)計圖精確成型，形成各種復(fù)雜精密的結(jié)構(gòu)，但對其內(nèi)部的組織性能卻無法保證。與鑄造技術(shù)相比，3D成型技術(shù)在機(jī)械性能及組織結(jié)構(gòu)上還是有一定差距的。鋼鐵產(chǎn)業(yè)的下游為家電、汽車、造船、建筑、機(jī)械制造等產(chǎn)業(yè)，以造船為例，其制造方式為將高性能的中、厚板采用焊接的方式組裝起來，這樣操作簡單，成本低廉。若將3D打印技術(shù)引入造船行業(yè)，不僅龐大的3D打印機(jī)難以制造，但就從經(jīng)濟(jì)角度上講也是不可取的。同樣，對于建筑上的鋼結(jié)構(gòu)，如橋梁，鋼結(jié)構(gòu)的房屋等，3D打印技術(shù)也不適用。
現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的主要特點(diǎn)是批量化和規(guī)?；?，處于產(chǎn)業(yè)鏈的中游，主要為下游產(chǎn)品提供原材料。3D打印技術(shù)的主要特點(diǎn)是小批量和個性化，主要是生產(chǎn)終端產(chǎn)品，位于產(chǎn)業(yè)鏈的末端，與鋼鐵行業(yè)的定位不同。因此，從生產(chǎn)的特點(diǎn)與產(chǎn)品的定位來講，3D技術(shù)的發(fā)展對鋼鐵行業(yè)沖擊較小。
但從另一個角度考慮，當(dāng)3D打印的產(chǎn)品為金屬制品時，鋼鐵產(chǎn)業(yè)需為其提供原材料――粉末金屬。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印材料尤其是粉末金屬材料的研發(fā)與制造將成為一個炙手可熱的課題，也將是鋼鐵企業(yè)一個新的高附加值產(chǎn)品，一個新的利潤增長點(diǎn)。
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1資料與方法
1.1納入與排除標(biāo)準(zhǔn)納入標(biāo)準(zhǔn)：①因外傷入院，經(jīng)影像學(xué)檢查確診為脛骨平臺骨折患者；②年齡18～60歲；③骨折類型為復(fù)雜脛骨平臺骨折：Schatzker分型Ⅳ型、Ⅴ型、Ⅵ型；④已簽署本研究知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：①結(jié)核、腫瘤病史；②合并影響骨質(zhì)代謝的系統(tǒng)性疾??；③特殊藥物長期服用史；④合并較重心腦血管疾病或后遺癥；⑤合并大血管病變、大面積開放傷。1.2一般資料選取2018年12月至2020年5月在河南大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科收住院，確診為脛骨平臺骨折并進(jìn)行手術(shù)治療的患者65例。將入選患者隨機(jī)分為實(shí)驗組與對照組。其中，實(shí)驗組男21例，女13例；年齡25～57歲，平均（34.2±2.8）歲；按照Schatzker分型：Ⅳ型14例，Ⅴ型11例，Ⅵ型9例。對照組男19例，女12例；年齡22～59歲，平均（35.1±4.2）歲；按照Schatzker分型：Ⅳ型11例，Ⅴ型12例，Ⅵ型8例。本研究獲醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)（20190116），并取得患者的知情同意。兩組患者的一般資料比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），具有可比性（見表1）。1.3手術(shù)方法將入選患者根據(jù)手術(shù)方式的不同分為實(shí)驗組和對照組。對照組患者手術(shù)方式采用傳統(tǒng)切開復(fù)位內(nèi)固定術(shù)，根據(jù)術(shù)前DR、CT圖像確定骨折情況，根據(jù)骨折部位選擇脛骨外側(cè)正中或前內(nèi)側(cè)作切口，打開關(guān)節(jié)囊，剝離骨膜，充分顯露骨折端，清理關(guān)節(jié)腔內(nèi)骨折碎片及血塊，對骨折端進(jìn)行復(fù)位，采用克氏針進(jìn)行臨時固定，將解剖鋼板貼于骨折面進(jìn)行固定；對存在關(guān)節(jié)面塌陷的患者術(shù)中采取撬起塌陷關(guān)節(jié)面、同種異體骨植骨治療，復(fù)位后塌陷骨折處的軟骨面應(yīng)高于正常脛骨平臺軟骨面1.0～2.0mm[4]。術(shù)中C臂機(jī)透視確認(rèn)關(guān)節(jié)面平整、鋼板及螺釘位置良好后沖洗術(shù)口，放置負(fù)壓引流，逐層縫合切口。對實(shí)驗組患者首先完善常規(guī)DR、CT檢查，檢查設(shè)備型號、參數(shù)同對照組不變，然后將患者的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics17.0軟件中重建患者的骨折三維模型，將骨折三維重建文件導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行1∶1實(shí)體打印操作。將打印完畢的骨折實(shí)體骨折模塊復(fù)位，對比計算機(jī)模擬復(fù)位情況；模型復(fù)位滿意后開始預(yù)選接骨板、螺釘，預(yù)先設(shè)計手術(shù)方案，確定后需要折彎接骨板預(yù)先進(jìn)行折彎；確定術(shù)中預(yù)使用的接骨板、螺釘型號，文字備案。實(shí)際手術(shù)時選用預(yù)先計算好的螺釘方向和長度，其余手術(shù)步驟同對照組。1.4評價指標(biāo)分別統(tǒng)計兩組患者的手術(shù)時間、術(shù)中出血量、術(shù)中透視總時間、術(shù)后切口引流量、平均住院時間、解剖復(fù)位率、術(shù)后并發(fā)癥率；運(yùn)用膝關(guān)節(jié)評分（HSS）分別評估兩組患者術(shù)后1個月、2個月、6個月、1年的患側(cè)膝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)情況。1.5統(tǒng)計學(xué)方法采用SPSS23.0軟件處理數(shù)據(jù)。計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間比較行t檢驗或單因素方差分析，兩兩比較采用SNK-q檢驗；計數(shù)資料采用χ2檢驗。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
2結(jié)果
2.1兩組觀測指標(biāo)及HSS評分對比實(shí)驗組的手術(shù)時間、術(shù)中出血量、術(shù)中透視總時間、術(shù)后切口引流量、平均住院時間均低于對照組（P＜0.05）；兩組患者在術(shù)后1個月內(nèi)膝關(guān)節(jié)功能（HSS）評分差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；實(shí)驗組在術(shù)后2個月、6個月、1年隨訪效果膝關(guān)節(jié)功能情況（HSS）評分高于對照組（P＜0.05）。各觀測指標(biāo)統(tǒng)計如表2、表3所示.2.2兩組解剖復(fù)位對比兩組術(shù)后3個月復(fù)查X線，實(shí)驗組31例達(dá)到解剖復(fù)位，復(fù)位率91.2%；對照組26例達(dá)到解剖復(fù)位，復(fù)位率83.9%。兩組解剖復(fù)位率比較，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。2.3兩組術(shù)后并發(fā)癥對比兩組患者術(shù)后均隨訪1年，兩組骨折處均達(dá)到骨性愈合。其中實(shí)驗組發(fā)生創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎1例，關(guān)節(jié)僵硬2例；對照組發(fā)生創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎2例，關(guān)節(jié)僵硬2例。實(shí)驗組并發(fā)癥發(fā)生率（8.82%）較對照組（12.90%）比較，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（χ2=19.324，P＜0.05）。典型病例：患者，女，38歲，脛骨平臺骨折Schatzker分型Ⅵ型（見圖1）
3討論
