IIPAGEPAGEII增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、問題與對策PAGEPAGE2目錄摘要 21.緒論 21.1研究背景 21.2國內(nèi)外研究綜述 31.3研究目的和意義 31.4研究方法 42.增材制造的發(fā)展之路及主要分類闡述 42.1.國外3D打印的發(fā)展情況 42.2國內(nèi)3D打印的發(fā)展情況 53.3D打印技術(shù)的主要分類及特點 63.1.PolyJet聚合物噴射 63.2.3DP三維打印快速成型 63.3.SLA光固化成型 63.4.FDM熔融層積 63.5.SLM選擇性激光熔化成型 63.6.SLS選擇性激光燒結(jié)成型 74.增材制造在各個領(lǐng)域的應(yīng)用概述 74.1.3D打印在航天領(lǐng)域的應(yīng)用 74.2.3D打印在汽車、機械領(lǐng)域的應(yīng)用 84.3.3D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用 94.4.3D打印在藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用 105.增材制造所帶來產(chǎn)業(yè)變革及未來展望 115.1.3D打印給制造行業(yè)帶來的機遇與變革 115.2.3D打印給生物醫(yī)療領(lǐng)域帶來的機遇與變革 125.3.3D打印產(chǎn)業(yè)給社會帶來的價值與期望 136.增材制造面臨的困難與挑戰(zhàn) 146.1.限制3D打印產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的阻礙 146.2.3D打印的天花板在哪里 147．增材制造產(chǎn)業(yè)積極面對問題的對策闡述 157.1.3D打印產(chǎn)業(yè)如何大規(guī)模應(yīng)用 157.2.3D打印如何與傳統(tǒng)制造業(yè)相互協(xié)調(diào)互補 168.結(jié)論 16

論文題目：增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、問題與對策學(xué)科（專業(yè)）：經(jīng)濟學(xué)（財政金融方向）申請人：劉爽指導(dǎo)教師：張文靜摘要增材制造技術(shù)又稱3D打印技術(shù)，它是一種把計算機輔助設(shè)計和材料加工成型的技術(shù)相融合，以計算機三維模型為基礎(chǔ)，將三維圖形轉(zhuǎn)換成實體物品的獨特制造技術(shù)。本文主要從增材制造的主要號分類及特點，增材制造的應(yīng)用場景及特點，增材制造與傳統(tǒng)制造的沖突三個方面來進行研究并寫作。隨著新制造概念和柔性制造概念的逐漸升溫，增材制造所扮演的角色越來越重要。本文詳盡的闡述了增材制造的類別和特點，對增材制造產(chǎn)業(yè)做了一個較為全面的闡述和探討。關(guān)鍵詞：增材制造3D打印技術(shù)制造業(yè)快速制造論文類型：綜述型論文1.緒論1.1研究背景增材制造技術(shù)又稱3D打印技術(shù)，它是一種把計算機輔助設(shè)計和材料加工成型的技術(shù)相融合，以計算機三維模型為基礎(chǔ)，通過軟件和數(shù)碼控制系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物等特殊材料，運用一些特殊的不同方式逐層堆積成型，將三維圖形轉(zhuǎn)換成實體物品的獨特制造技術(shù)。對比傳統(tǒng)工藝上對原材料進行去除、切削、組裝的加工模式，它是一種通過材料逐層累加的制造方法，一點一點從下往上進行累積。這使得不用受限于傳統(tǒng)制造的方式，而實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一次成型。3D打印技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)利用刀具、夾具及多道機加工工序來生產(chǎn)制造的方式，它利用三維圖形的輸入就可以在3D打印設(shè)備上快速地精準(zhǔn)地制造出非常復(fù)雜的與三維圖一致的零件，實現(xiàn)所見即所得，解決在過去或傳統(tǒng)工藝上難以制造或制造成本非常高的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的難題，并且大大減少了加工工序，極大縮短了制造周期。如今，3D打印技術(shù)飛速發(fā)展，日新月異。我們結(jié)合不同的工藝，不同的材料，再配合不同的3D成型原理。來發(fā)明了更多細(xì)分領(lǐng)域的3D打印設(shè)備。目前市場上已經(jīng)百花齊放，各個行業(yè)和領(lǐng)域不同類型的設(shè)備種類已經(jīng)達到了20多種。并且在各個行業(yè)都取得了實際的應(yīng)用，比如在電子產(chǎn)品、汽車制造領(lǐng)域、航天航空領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域等處處開花，蔚為壯觀。并且十分活躍，飛速更迭進步。本篇論文旨在介紹3D打印的特點及在我國制造行業(yè)所扮演的角色，并闡述在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。提出增材制造產(chǎn)業(yè)多面臨的社會難點，和可以突破的方向和方法。對了解增材制造技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義1.2國內(nèi)外研究綜述盧秉恒（2020）表述了我國增材制造產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的現(xiàn)狀。結(jié)果顯示，在2015-2018四年間，產(chǎn)業(yè)規(guī)模增速超過30%，高于世界平均水平。且本土企業(yè)快速成長，尤其是金屬3D打印領(lǐng)域。鉑力特，華曙高科等龍頭快速涌現(xiàn)。產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也初步成型，以環(huán)渤海地區(qū)、長三角地區(qū)、珠三角地區(qū)為核心，中西部地區(qū)為紐帶的產(chǎn)業(yè)空間發(fā)展格局?？蒲信c工業(yè)齊頭并進。同時也指出增材制造的方向是“應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)拓展”在航空航天，及醫(yī)療方面非常具有想象空間。雷力明（2020）詳細(xì)論述了金屬增材制造技術(shù)分類和特點，并取長補短運用在民用航天制造的各個環(huán)節(jié)中去。提出了在具體的使用過程中呈現(xiàn)的缺點增材制造在實際運用中，這個問題是必須要直面，攻克的難題。否則增材制造產(chǎn)業(yè)的全面開花，只是一紙空談。這是本文將要展開研究的一個重點。1.3研究目的和意義增材制造具有成型速度快，成型方式簡單化，成型周期短等優(yōu)點，勢必會掀起新制造的浪潮，是當(dāng)前柔性制造概念的必備工具，具有廣泛的應(yīng)用范圍和廣闊的應(yīng)用前景。研究增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，可以了解目前市場上主流的增材制造技術(shù)及應(yīng)用場景；還可以了解到最新技術(shù)的動向及發(fā)展趨勢；以及對傳統(tǒng)制造的沖擊和相互融合。根據(jù)這些了解，我們可以掌握到增材制造的大略發(fā)展?fàn)顟B(tài)和發(fā)展趨勢，從而引發(fā)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)的重新考量。增材制造作為前沿技術(shù)的浪潮，是經(jīng)濟發(fā)展的一大助力，我們研究增材制造產(chǎn)業(yè)，也是研究經(jīng)濟過程中必要的一個環(huán)節(jié)。1.4研究方法（1）.運用了文獻研究法。經(jīng)過收集整理國內(nèi)外關(guān)于增材制造的新聞資訊，整理閱讀國內(nèi)外增材制造相關(guān)的期刊文章及論文等，得到增材制造相關(guān)的類別和分別的應(yīng)用，梳理出整個增材制造產(chǎn)業(yè)的脈絡(luò)，對研究工作起到高屋建瓴的作用。（2）.運用了比較分析法。把傳統(tǒng)制造與新制造做對比研究；把增材制造主要應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用方式分別同傳統(tǒng)工藝的應(yīng)用方式來做對比研究。在具體的應(yīng)用上一一對比，找出各自相對的優(yōu)缺點，從而由點到面，形成對增材制造整個產(chǎn)業(yè)的綜合判斷，推進研究工作。2.增材制造的發(fā)展之路及主要分類闡述2.1.國外3D打印的發(fā)展情況自從1984年世界上第一臺3D打印機誕生以來，國外3D打印技術(shù)發(fā)展迅速。以美國為代表的國外3D打印產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸形成了成熟的3D打印產(chǎn)業(yè)鏈，并建立起寬闊的護城河。在眾多擁有3D打印技術(shù)的企業(yè)中，美國的Steatasys和3DSystems公司經(jīng)過長期發(fā)展，并且不停的通過兼并和收購整合技術(shù)及相關(guān)資源，成長7為了行業(yè)巨頭。目前，3DSystems公司已經(jīng)推出基于多項3D打印技術(shù)的設(shè)備，按不同的成型原理，我們分為光固化成型設(shè)備、選擇性激光燒結(jié)成型設(shè)備、熔融沉積成型設(shè)備、直接金屬燒結(jié)成型設(shè)備等系列產(chǎn)品。從應(yīng)用端來分的話，又可以分為工業(yè)級、專業(yè)級和消費級。工業(yè)級的產(chǎn)品是基于光固化成型技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)和選擇性激光熔化成型技術(shù)分化出來各種型號設(shè)備，針對各種工業(yè)化生產(chǎn)。在消費級端，則是基于熔融堆積成型（FDM)技術(shù)的Cube系列產(chǎn)品，在桌面機市場大受歡迎。Steatasys公司則擁有4大技術(shù)平臺：FDM技術(shù)、PolyjetMatrix技術(shù)、SmoothCurvaturePrinting技術(shù)及Extrudedplasticfilament技術(shù)。目前，Stratasys的產(chǎn)品在概念建模、功能性原型設(shè)計及實現(xiàn)、制造加工、最終用途零件生產(chǎn)、修整零件及高級應(yīng)用方面取得了廣泛的應(yīng)用。概念建模具體應(yīng)用實例有建筑模型、人體工程學(xué)研究、市場營銷和設(shè)計；功能性原型設(shè)計及實現(xiàn)在活動鉸鏈、模擬成型、軟觸感零件方面得到了成功的實踐；修整更是包含了噴砂處理、粘合和膠合、電鍍、質(zhì)量精加工、上漆、PPSF精加工、密封FDM零件、平滑F(xiàn)DM零件8方面應(yīng)用。此外，還有MRI組件、優(yōu)化支撐、可溶性芯3方面的高級應(yīng)用。2.2國內(nèi)3D打印的發(fā)展情況國內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，勢態(tài)迅猛，各種成型技術(shù)不斷進步成熟，伴隨著政府政策的傾斜及資本的支持，我國3D打印產(chǎn)業(yè)迎來高速發(fā)展的機會。3D打印產(chǎn)業(yè)分為三大塊：1、打印材料的研發(fā)及制造2、基于不同成型原理開發(fā)打印設(shè)備3、各種應(yīng)用。上游為3D打印材料研發(fā)制造層，包括輔助運行（三維掃描儀、控制軟件等）、基礎(chǔ)配套（步進電機、芯片等）和打印材料（鈦合金、金屬粉、尼龍材料等）。中游為3D打印設(shè)備研發(fā)制造，下游則是應(yīng)用領(lǐng)域，3D打印主要應(yīng)用在航空航天、生物醫(yī)療、模具鑄造、汽車領(lǐng)域等場景。我國近年來大力進行才引入和3D打印技術(shù)引入，雖然整體上與國外差距依舊很大。但是經(jīng)過不懈努力，我們在金屬打印，尼龍高分子打印，光固化打印，陶瓷及砂型打印等等領(lǐng)域，站穩(wěn)了腳跟，甚至在廉價3D打印方案上，我們擁有了領(lǐng)先優(yōu)勢。還有在生物3D打印上，我們也是不留余力的奮起追擊，在人體組織，器官的生物3D打印技術(shù)領(lǐng)域獲得了長足的進步和突破。2015年以來，國內(nèi)3D打印市場表現(xiàn)出欣欣向榮的態(tài)勢。越來越多的企業(yè)想要進入到該領(lǐng)域來，分一杯羹。目前國內(nèi)在3D打印相關(guān)領(lǐng)域耕耘的企業(yè)的當(dāng)中，大約46.9%是2016年以后才涉足這個市場的。目前比較主流或者在細(xì)分領(lǐng)域做得比較突出的品牌有聯(lián)泰、EOS、晗宇科技、華曙高科、西安鉑力特等等。3.3D打印技術(shù)的主要分類及特點3.1.PolyJet聚合物噴射聚合物噴射技術(shù)，它的成型原理和三維打印快速成型（3DP）技術(shù)相似，都是很用打印頭噴射液滴，但聚合物噴射技術(shù)噴射的不是粘合劑而是光敏樹脂，逐層噴射，然后逐層用紫外線光照射進行固化，最后累積成型。3.2.3DP三維打印快速成型三維打印快速成型技術(shù)，是一種逐層膠粘成型的方式，噴孔噴射膠粘劑，將工作臺上的預(yù)處理粉末粘結(jié)成型，3DP技術(shù)目前主要應(yīng)用于鑄造用砂模打印。3.3.SLA光固化成型光固化成型技術(shù)，利用紫外線激光點來描繪圖案的方式照射特制的光敏樹脂，過程中發(fā)生聚合反應(yīng)，逐層進行光敏固化反應(yīng)而累積成三維實體。SLA成型是目前應(yīng)用最早也是最廣泛的打印技術(shù)之一，成型精度高，表面光潔度高。3.4.FDM熔融層積熔融層積技術(shù)，這種技術(shù)先需要用高溫將原材料熔化，再利用打印頭將熔化的材料擠出成細(xì)絲，再逐層堆積成型。由于原材料成本低，成型技術(shù)簡單，一般運用在小型桌面機用在教學(xué)方面，是一種最常見的3D打印技術(shù)。3.5.SLM選擇性激光熔化成型選擇性激光熔化成型技術(shù)，是指采用高能量激光快速熔化工作臺面平鋪的金屬粉末，一層層凝固并累積成金屬零件的一種技術(shù)。是目前金屬3D打印中最普遍的成型工藝和技術(shù)，廣泛運用在軍工和航天航空等附加值高的行業(yè)。3.6.SLS選擇性激光燒結(jié)成型選區(qū)激光燒結(jié)成型技術(shù)，成型原理和SLM技術(shù)比較相似，都是用激光來繪制團，但是使用的原材料不一樣，且激光功率是偏低一些的，一般選用尼龍高分子材料來進行打印。4.增材制造在各個領(lǐng)域的應(yīng)用概述4.1.3D打印在航天領(lǐng)域的應(yīng)用3D打印可以使首板樣件驗證速度大大提高，快速迭代。如果是用傳統(tǒng)工藝來制造渦輪和葉片，在制造的過程中，繞不開的就是需要開模具，從設(shè)計開始，制造毛坯，精加工，得到最終產(chǎn)品，這一周期大概是4~6個月。而利用3D打印技術(shù)則在一個月之內(nèi)就可以完成制造。2017年GE航空就運用了這一技術(shù)，并將這一技術(shù)投入到GE9X發(fā)動機的低壓渦輪葉片的制造環(huán)節(jié)中，極大的提高了設(shè)計制造的效率，后來該發(fā)動機被運用于波音777系的后續(xù)機型。另一方面，3D打印技術(shù)還可以大大提升設(shè)計自由度，在過去采用傳統(tǒng)設(shè)計非常復(fù)雜的零部件，制造難度非常大而且成本非常高，甚至有一些根本無法制造出來。而現(xiàn)在利用3D打印制造工藝，就可以實現(xiàn)用相對簡單的方式來生產(chǎn)高度復(fù)雜的金屬部件，而且越復(fù)雜的零件反而運能凸顯優(yōu)勢。同時也大大的降低了成本，它直接跳過了模具的使用，進行快速地制造。此外就是維修中的修復(fù)，對于民用航空來說維修是一個很大的問題，維修費用也很大。運用好3D打印技術(shù)，就可以降低近20%的成本，特別是在整體葉盤、葉片等等零件的維修上。相關(guān)報告顯示，2018年3D打印產(chǎn)品在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用占比約19%，以1%的差別略低于榜首的工業(yè)機械。諸如空客和波音兩大飛機制造商早已率先步入3D打印時代，大量的3D打印設(shè)備應(yīng)用在各種各樣的飛機零部件制造的過程中?？湛驮?016年已經(jīng)運用直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）技能制作出了一個名為Scalmalloy的超強度仿生學(xué)合金阻隔構(gòu)造，這個無窮的綜合性金屬3D點設(shè)備在可重復(fù)性、出產(chǎn)率和靈活性方面是其它同類體系的10倍。美國GE公司的燃油噴嘴從1996年開始做研究，用了16年時間通過適航論證，涉及到諸多實驗內(nèi)容，比如原型驗證、扇形全環(huán)一直到飛行試驗，期間經(jīng)歷了相當(dāng)漫長的周期。從GE公司來看，其明確的趨勢就是向整機應(yīng)用的發(fā)展。如新渦槳發(fā)動機，855個零件簡化到12個零件，用30%零件用增材的方法，提高了功率，降低油耗，減少重量。P&W公司是美國領(lǐng)先的航空發(fā)動機公司，擁有豐富的3D打印技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗。一直以來，3D打印技術(shù)制造出來的零部件的大多是靜止件，但是P&W公司在2018年取得了應(yīng)用上的突破，他們用3D打印技術(shù)制造了整體葉盤，整體葉盤是發(fā)動機上的轉(zhuǎn)子，是非常重要的核心部件，這次成功的試驗，證明了3D打印技術(shù)的無限可能。4.2.3D打印在汽車、機械領(lǐng)域的應(yīng)用汽車行業(yè)和機械行業(yè)是在3D打印技術(shù)眾多的應(yīng)用領(lǐng)域中最早的應(yīng)用行業(yè)之一。3D打印技術(shù)剛剛開始發(fā)展的初期，歐美發(fā)達國家的一些龍頭車企就開始嘗試將3D打印技術(shù)應(yīng)用于汽車研發(fā)過程中，并且嘗到甜頭。其中，美國福特汽車就是最早吃螃蟹的人，也是擁有最多3D打印設(shè)備，最豐富3D打印技術(shù)運用，應(yīng)用得最為廣泛的汽車企業(yè)。早在1988年，福特汽車公司就引進了才面世不久的3D打印設(shè)備。在設(shè)計方面，如果采用3D打印技術(shù)的話，可以在數(shù)小時或數(shù)天內(nèi)制造出概念模型和收班樣件，汽車廠商可以應(yīng)用在汽車外形設(shè)計的研發(fā)和樣件的試制方面。與傳統(tǒng)的模具制造相比較而言，3D打印速度更快，制造方式更簡單，周期更加短，整個反應(yīng)速度大大提高，從而提高了汽車設(shè)計層面的試制和開發(fā)進度。目前許多廠商已經(jīng)在設(shè)計方面大量的利用3D打印技術(shù)，加快更迭速度，例如寶馬設(shè)計中心奔馳設(shè)計中心等。在材料方面，3D打印客戶以適配多種多樣的材料，這回樣子能適用不同的機械性能以及精準(zhǔn)的功能性原型制作，讓制造商在前期可以隨時修正錯誤并完善設(shè)計，使得錯誤成本最小化。在工裝夾具方面，3D打印技術(shù)大幅縮短了工具生產(chǎn)的周期，和降低了成本。例如水溶型內(nèi)芯、碳纖維包裹、注塑成型等生產(chǎn)工具的3D打印的應(yīng)用，非常有助于企業(yè)實現(xiàn)快速小批量生產(chǎn)、降低成本并大大縮短產(chǎn)品上市周期。在最終零件方面，隨著設(shè)備成本和材料成本逐漸下降，目前很多汽車制造商們已開始利用3D打印設(shè)備做小批量的自動化生產(chǎn)了，滿足試制件的快速打樣和小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。并且最重要的是，3D打印不僅能夠快速制造出造型復(fù)雜的零部件，而且當(dāng)試制件出現(xiàn)問題時，只要修改設(shè)計的三維圖形傳給3D打印設(shè)備重新打印即可進入二次測試，大大縮短了試驗周期。隨著目前3D打印技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用迅速增加，知名市場咨詢機構(gòu)Frost&Sullivan最近發(fā)布了一份相關(guān)的調(diào)查報告，預(yù)測汽車3D打印的市場規(guī)模有望于2025年達到43億美元。福特、寶馬、蘭博基尼、大眾、通用、保時捷、本田、克萊斯勒、奔馳、奧迪等幾乎所有的整車廠都在持續(xù)探索3D打印帶來的無限可能。在這個創(chuàng)新科技層出不窮的年代，3d打印技術(shù)依舊是大熱門，并且已經(jīng)廣泛運用在各行各業(yè)，且重點在一些領(lǐng)域進行推廣，其中就有汽車零部件制造行業(yè)。不僅汽車底盤、內(nèi)飾、車身外覆蓋件等很多零部件都已成功運用這樣技術(shù)，實現(xiàn)了3D打印生產(chǎn)，“整車”打印也已被秀了多次，各種各種外形復(fù)雜，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件及整件打印時間越來越短，展現(xiàn)出的技術(shù)水平越來越高，賺足了全世界的眼球。4.3.3D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用口腔頜面部的生理構(gòu)造復(fù)雜，且血管神經(jīng)豐富，功能較多，與講話、呼吸，吃東西等息息相關(guān)，非常重要。所以，如果該區(qū)域發(fā)育不良，或者出現(xiàn)病變，受到外傷等，都會對患者身心早成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。如何讓患者盡快康復(fù)，是一件非常重要的醫(yī)學(xué)難題。目前在先進醫(yī)療領(lǐng)域，可以用三維軟件進行模擬三維建模，再利用3D打印技術(shù)制作出和三維模型一模一樣的組織材料，用于醫(yī)學(xué)修復(fù)。借助于如今強大的計算機技術(shù)，我們可以在軟件端建模并進行手術(shù)模擬試驗，發(fā)現(xiàn)缺陷可以及時修正，最終利用3D打印技術(shù)將組織真實的打印出來，付諸手術(shù)。這樣的技術(shù)在組織缺損的修復(fù)與功能重建中具有非常獨特的先天優(yōu)勢。對于提高手術(shù)的質(zhì)量，縮短手術(shù)的時間，減輕患者痛苦和節(jié)約衛(wèi)生資源方面有著重大的積極意義。3d打印技術(shù)在頜面外科模擬手術(shù)設(shè)計與模型外科方面；在因腫瘤、先天性畸形、外源性或醫(yī)源性組織或器官缺損或缺失等疾病的修復(fù)、重建器官替代需要大量、個性化的生物醫(yī)用材料和個性化要求的手術(shù)設(shè)計方面，都得到了廣泛的應(yīng)用和實踐。3D打印技術(shù)能根據(jù)疾病治療需要，快速地制造出適合各種類的患者個性化要求的生物醫(yī)用組織材料，并能對組織材料的微觀結(jié)構(gòu)進行精細(xì)控制，同時還能借助工藝軟件和打印數(shù)據(jù)進行手術(shù)方案設(shè)計和模擬操作。3D打印在在心血管疾病中的應(yīng)用目前也十分普遍。在過去的幾十年里，3D打印技術(shù)在治療心血管相關(guān)疾病的實踐與應(yīng)用包括：（1）打印出復(fù)雜且逼真的醫(yī)療模型，有助于研究復(fù)雜手術(shù)方案的選擇，和醫(yī)療方案的溝通及研討；（2）打印貼合個例不同情況的組織或器官，告別制式植入物，更加適合患者的身體結(jié)構(gòu)；（3）打印細(xì)胞組織，再造組織，比如血管、簡單組織等。利用3D打印模型來研究手術(shù)方案，改進了對心臟病的介入和手術(shù)方案，減少了患者患處的輻射暴露、間接提高手術(shù)效率，對患者的起到了很好的保護作用。我們采用核磁共振、胸部CT和超聲心電圖，就可以獲得患者心血管系統(tǒng)的各種數(shù)字化數(shù)據(jù)，運用逆向工程技術(shù)就可以把這些數(shù)字化數(shù)據(jù)演變成立體的、具象化的的3D心血管系統(tǒng)模型，并轉(zhuǎn)換成3D打印機適用于打印設(shè)備作業(yè)的格式，經(jīng)3D打印設(shè)備作業(yè)即可得到精確的逼真的3D模型。將不同成像模式獲得的3D數(shù)字模型整合到同一平臺的混合3D打印和虛擬3D打印模型，有望推動未來的個性化心臟醫(yī)學(xué)。4.4.3D打印在藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用3D打印技術(shù)隨著時間不斷突破，廣泛運用在和各行各業(yè)中，其中也包括藝術(shù)創(chuàng)作與時尚設(shè)計領(lǐng)域，3D打印打破了傳統(tǒng)的設(shè)計與制作的方式，為設(shè)計的思維空間提供了無限的新的可能性。藝術(shù)創(chuàng)作、時尚設(shè)計與文化創(chuàng)意產(chǎn)品是相輔相成的，所以許多通過3D打印技術(shù)制作的文創(chuàng)產(chǎn)品應(yīng)運而生了。但是目前來看，3D打印技術(shù)更多的是運用在工業(yè)生產(chǎn)以及生物工程等高精尖的科技領(lǐng)域，在文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域還沒有形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈。在我國，14年前就已經(jīng)有3D打印技術(shù)與藝術(shù)創(chuàng)作相結(jié)合的成功案例了。早在2006年，中國美術(shù)學(xué)院公共藝術(shù)學(xué)院副院長沈烈毅就已經(jīng)關(guān)注到了這一技術(shù)。2006年8月，中國美術(shù)學(xué)院準(zhǔn)備開展實驗室教學(xué)項目，沈烈毅便開始尋找能拓展公共藝術(shù)教學(xué)和創(chuàng)作的前沿科技，就此了解到運用于工業(yè)創(chuàng)新的3D打印技術(shù)。他將3D打印技術(shù)與藝術(shù)創(chuàng)作相結(jié)合，并實際和運用到創(chuàng)作中。比如將創(chuàng)作好的三維造型通過3D打印設(shè)備直接一次成型完成，再通過后期工藝制作出得到通過傳統(tǒng)手工難以完成的、在形狀上突破人們想象的藝術(shù)作品。在公共藝術(shù)品制作領(lǐng)域，這樣的制作方式大大的節(jié)省了成本，而效率卻不減反增。3D打印這一制造方式對于復(fù)雜造型來講，相當(dāng)快速和高效。我們甚至可以通過3D實物掃描或網(wǎng)上下載藝術(shù)作品的三維圖型后，直接導(dǎo)入到3D打印機設(shè)備，就可以快速得到各種各樣的實體模型，成為無需造型能力、人人都能復(fù)制的3D藝術(shù)作品的簡單方法。除此以外，這一技術(shù)突破了思維局限，讓天馬行空的創(chuàng)意在藝術(shù)創(chuàng)作都可以以具體的實物亮相在世界上。近年來，我國也陸續(xù)出現(xiàn)了一些利用3D打印技術(shù)制作的文創(chuàng)產(chǎn)品和展示3D打印文化創(chuàng)意體驗的場所。2016年，江西景德鎮(zhèn)的陶溪川文創(chuàng)街區(qū)就開放了一家陶瓷3D打印體驗中心。即使是從未學(xué)習(xí)過陶藝的普通大眾，也能把自己想象的陶瓷造型變成陶瓷作品，且從打印到燒制完成僅花費3個多小時，比傳統(tǒng)手工制法所耗的時間大大減少。3D人像打印店近年陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)在我國的一些城市中，3D人像作為文創(chuàng)產(chǎn)品受到人們的歡迎。3D人像制作，首先是通過3D掃描儀對人體進行全身掃描，再通過電腦軟件建模和細(xì)節(jié)修復(fù)后，得到三維的人體模型，最后導(dǎo)入到3D打印設(shè)備進行制造，最終得到和真人非常逼真的陶瓷藝術(shù)作品。制作費用則根據(jù)人像尺寸的大小而不同。5.增材制造所帶來產(chǎn)業(yè)變革及未來展望5.1.3D打印給制造行業(yè)帶來的機遇與變革制造業(yè)傳統(tǒng)的制造之路是比較刻板的。幾十年來，都是一樣的路子：工程師設(shè)計零部件并標(biāo)識出它的形狀、材料、其它特性等因素。然后，需要找到一個和能夠使零部件達到專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并且規(guī)模較大的制造商來利用用各種各樣加工設(shè)備來制造完成。也就是說，零部件客戶以在任何地方來設(shè)計，但是制造卻要滿工廠的設(shè)備來進行加工制造。制造商需要使用機加工來將金屬塊切割成所需的形狀和達到所需的尺寸，將金屬彎曲或者哈哈壓成其它新的形狀等等。這樣的傳統(tǒng)工藝非常有用，并且還會繼續(xù)使用若干年。但是其缺點也非常突出：耗費設(shè)備種類繁多且需要大量熟練的勞動力。而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，就恰恰針對了傳統(tǒng)制造業(yè)的這一弱點，也是它進入壁壘的一大優(yōu)勢。許多的3D打印設(shè)備占地空間并不大，且一次成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件，幾乎可以自動操作，不需要更多的設(shè)備來進行協(xié)作制造?？梢栽跊]有重大投資或加工技能的情況下進行零部件的制造。這完全是一種全新的制造方式和理念。不過在此值得提出的是，3D打印設(shè)備的實際意義是幫你在設(shè)計或者產(chǎn)品制樣的過程中提高某個環(huán)節(jié)的效率，而不是完全代替整個流程。就像Urbee，3D打印機可以為它實現(xiàn)打印車身外殼、減重車身、個性化設(shè)計，但電機等關(guān)鍵零部件都還是來自于傳統(tǒng)制造業(yè)。與傳統(tǒng)企業(yè)制造汽車區(qū)別最大之處在于，3D打印汽車是先打印出單個的、一體式的車身，再將其他部件填充進去，而不是將車身各部分組裝到一起，相當(dāng)于整個制造的方式就產(chǎn)生了很大的變化，這就是我們制造業(yè)所改變革的，也恰恰是該把握住的機遇。5.2.3D打印給生物醫(yī)療領(lǐng)域帶來的機遇與變革長期以來，大多數(shù)需要更換器官的患者必須等待有恰好與之匹配的器官捐獻才能進行器官移植的手術(shù)，而即使在全世界范圍內(nèi)，可供移植器官的數(shù)量和等待移植的數(shù)量相比，簡直微不足道。這使得絕大部分等待的患者最后只能在漫長的等待中遺憾地死去。隨著3D打印技術(shù)中的生物打印技術(shù)的出現(xiàn)，人們可以人工制造出可供移植的人體器官，則為這些病人帶來了巨大的希望。澳大利亞每年有1500名接受器官移植的患者表示希望通過3D打印生物組織來替代器官移植，這完全是一個新的而且有效的解決方案。盡管以現(xiàn)在的生物3D打印技術(shù)來看，我們和已經(jīng)可以將體外手術(shù)模型和部分人體類器官組織的直接成型打印，但是如果僅僅是這些成就，是遠遠不夠的。我們長遠的目標(biāo)一定是能夠打印出可以替代人體器官的打印技術(shù)，因為僅僅是打印出人體類組織和類器官，它只能是結(jié)構(gòu)相似，而不具備組織的功能。我們舉個簡單的例子，比如皮膚組織，只有薄薄一層的樣子，看起來也很簡單。但其實它有太豐富的功能了，有感覺神經(jīng)，有調(diào)節(jié)溫度的功能，還能抵御外界的傷害和病菌。如果我們打印出來的皮膚僅僅是外表一樣，而沒有這些功能，那依舊不能作為人體器官的代替品。而3D打印活體器官之所以最具有挑戰(zhàn)性，是因為從技術(shù)層面來說，至少需要克服三個挑戰(zhàn)：1、需要解決打印過程中細(xì)胞能否存活、能否發(fā)育、能否變異甚至腫瘤化的問題2、3D生物打印機必須滿足生物仿生對制造精度、準(zhǔn)確性的極高要求。3、組織及器官是由多材料及多細(xì)胞組成的非均質(zhì)體系，對制造學(xué)要求也極高。目前，科研人員正在加緊攻克這些技術(shù)難題。簡單的組織細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上的排列，已經(jīng)有很大的進展了，比如皮膚等。下一階段我們就要把神經(jīng)細(xì)胞、血管細(xì)胞，甚至淋巴系統(tǒng)全部融合進去，作為一個整體系統(tǒng)來進行開發(fā)突破，真正達到一個可以實現(xiàn)真實器官的功能的水平，為后續(xù)做出更為復(fù)雜的人體類器官，如腎臟、心臟器官打下堅實基礎(chǔ)。這項技術(shù)路漫漫而修遠，但是所有的成就都將對人類生命的延續(xù)帶來深遠的影響。5.3.3D打印產(chǎn)業(yè)給社會帶來的價值與期望3D打印本身有著得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢，必然會對整個社會帶來一系列的變革。首先，3D打印產(chǎn)業(yè)是環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè)，節(jié)約能源，碳排放少。即使進行大規(guī)模生產(chǎn)，也會在原材料的使用上大為節(jié)省，這是由于本身增材制造的機理所決定的，幾乎是所見所得，達到90%以上材料利用率。同時由于3D打印的便利性，將來廠商的庫庫存將會很少，實現(xiàn)按需生產(chǎn)，大大減少因庫存之滯壓帶來的資金壓力和浪費。也會改變我們的家庭和生活方式。人們總是趨向于讓自己的家變得更加便利。將來，家用版的3D打印機會變得越來越小，越來越便宜。人們可以在家就用它來打印珠寶首飾，家居用品，工具，玩具等，就像現(xiàn)在打印2D的照片一樣正常。當(dāng)家用電器損壞時候，人們甚至說可以打印出零部件進行更換，而不用去采購零部件等待運送。還會影響到不發(fā)達國家或地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。發(fā)展中國家市場往往是與全球供應(yīng)鏈斷裂的，即使是最基礎(chǔ)的產(chǎn)品，但3D打印擁有使其重新加入經(jīng)濟循環(huán)的能力。這方面最好的例子是位于奧斯汀的創(chuàng)業(yè)公司re：3D，去年5月它在Kickstarter上發(fā)起了一個成功的產(chǎn)品推介活動，該公司針對發(fā)展中國家開發(fā)了一款價格經(jīng)濟的工業(yè)級3D打印機Gigabot。該公司已經(jīng)開始在拉丁美洲進行推廣，特別是與智利政府的一項計劃StartUpChile合作。Gigabot將被用于許多在智利的項目，如3D設(shè)計實習(xí)、生產(chǎn)服裝、并用可回收材料進行打印試驗。同時，3D打印業(yè)將會改變?nèi)虻慕?jīng)濟格局。麥肯錫全球研究院最近發(fā)布的一份報告中提到，3D打印將對全球經(jīng)濟產(chǎn)生顛覆性影響。并且大膽預(yù)測，這項技術(shù)的運用，改變了很多行業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的周期。越來越短的開發(fā)和更迭速度，會加速整個制造和科技的進步。將來公司也會會更加瞄準(zhǔn)于以客戶為中心的產(chǎn)品設(shè)計，這將為傳統(tǒng)制造注入核動力。預(yù)計將來在全球范圍內(nèi)，小微企業(yè)都將更具有活力。6.增材制造面臨的困難與挑戰(zhàn)6.1.限制3D打印產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的阻礙與傳統(tǒng)制造業(yè)比較起來，目前利用3D打印設(shè)備來進行產(chǎn)品生產(chǎn)的產(chǎn)能還是非常低，不適合大規(guī)模量產(chǎn)。此外，由于需要考慮到安全性等因素，原材料品質(zhì)與成本因素很難平衡，導(dǎo)致單品生產(chǎn)成本過高也制約著現(xiàn)階段3D產(chǎn)品的大規(guī)模商業(yè)化?，F(xiàn)階段而言，3D打印的應(yīng)用也許更適合設(shè)計領(lǐng)域和研發(fā)階段，還有單件小批量生產(chǎn)。由于我國3D打印技術(shù)起步晚，人才引入也比較晚，所以在整個產(chǎn)業(yè)無論是技術(shù)上還是產(chǎn)業(yè)鏈上與國外相比還落后很多。目前比較領(lǐng)先的3D打印技術(shù)有基于金屬材料、樹脂、高分子聚合物、陶瓷以及生物細(xì)胞等原材料的打印技術(shù)，分別應(yīng)用在和各行各業(yè)。國內(nèi)則主要在砂模打印、光固化樹脂打印、塑料打印等相對于低端一點的領(lǐng)域。不過國內(nèi)加大投入，也取得了巨大的進步，金屬打印設(shè)備也是逐漸開始商用，還有尖端的生物3D打印技術(shù)，也驚喜連連，取得了一定的突破。3D打印技術(shù)應(yīng)用分布寬廣，目前來看，3D打印設(shè)備需求最大的比較集中在航天航空、教育行業(yè)、制造行業(yè)以及政府和科研單位。市場的行為既很好的凸顯了3D打印技術(shù)的特點和優(yōu)勢，同時也暴露除了明顯不足。優(yōu)點是成型簡單快速，缺點是設(shè)備和單品生產(chǎn)成本高。目前，數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用領(lǐng)域排名前三的是工業(yè)機械、航空航天和汽車，分別占市場份額的20.0%、16.6%和13.8%。我國3D打印產(chǎn)業(yè)雖然取得了長足的進步，但與先進的產(chǎn)業(yè)鏈相比較，還是落后很多的。特別是在關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵裝備上，是有很大的滯后與缺失的，還有許多的核心器件必須依靠進口及進口技術(shù)，十分被動。此外，我國的原材料工藝和技術(shù)也是落后的，在金屬打印的原材料山海關(guān)目前只有鈦合金、高強鋼等幾十種，材料的成型質(zhì)量和性能也不足。急需在新型高分子復(fù)合材料、高性能合金材料等材料研發(fā)方面取得重大突破，才能大步追上國外領(lǐng)先產(chǎn)后。6.2.3D打印的天花板在哪里3D打印的天花板:材料種類少、價格高。因為其材料和工藝的特殊性，目前3D打印技術(shù)運用還是在汽車零件的原型階段，最為有優(yōu)勢。然這些跟汽車上實際使用的材料種類相比還是有很大差距的。所以我們一般是看結(jié)構(gòu)件為主。另外，值得欣慰的是，2016年2月28日，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委、財政部研究制定的《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015－2016年）》提出要將3D打印與汽車、航空航天、生物醫(yī)療等重要細(xì)分領(lǐng)域分門別類地進行跨行業(yè)聯(lián)合，突破一批增材制造專用材料。到2016年，實現(xiàn)鈦合金、高強鋼、部分耐高溫高強度工程塑料等專用材料的自主生產(chǎn)，滿足行業(yè)發(fā)展需求。這對于3D打印材料的發(fā)展無疑是一劑強心針。除種類少外，3D打印在材料方面的另一道障礙則是成本，材料成本是一個相對的概念，在批量非常小的情況下，模具的成本攤在單件產(chǎn)品上的比較多，這樣它的單件產(chǎn)品就會比較貴，但如果用3D打印的方式就不存在這個問題，所以單件或者小批量的產(chǎn)品用3D打印它的成本是相對來講低廉的。而像年產(chǎn)幾十萬輛汽車的這種批量，如果用3D打印的方式目前來看成本是不合算的。所以，我們明白了這個就把他應(yīng)用在個性化并且是小而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，也就是獨一無二的那種產(chǎn)品上面，不是批量化的產(chǎn)品上面。在人工智能盛行且一切皆有可能的今天，我們相信在不久的將來，我們相信3D打印在各行各業(yè)的應(yīng)用定會越來越廣。7．增材制造產(chǎn)業(yè)積極面對問題的對策闡述7.1.3D打印產(chǎn)業(yè)如何大規(guī)模應(yīng)用雖然，3D打印材料不夠