x摘要：3D成型技术伴随着近年来的技术、原料、计算方法及模拟技术的改进得以快速普及，其应用范围也由快速原型制作逐渐拓宽到工程技术、民用家居、航空、生物器械等领域。文章以一名一线工程技术人员的角度，简述此项技术的发展历程、应用现状及其对工程设计人员的辅助作用，同时，对此项技术局限性及其推广前景做了展望。

关键词：现代制造业；快速原型制造技术；3D打印技术；CAD辅助设计；SLS技术

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）26-0011-06

1 现代设计制造业的常用加工方法简述

自20世纪中叶以来，随着人类技术的不断创新，社会生产及制造技术也在飞速发展，目前，在生产加工行业主要的现代制造技术主要有数控机床、模具、逆向工程等几种主要加工方法。

1.1 数控机床CNC

CNC是计算机数字控制机床（Computer Numerical Control）的简称，是一种由程序控制的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，通过计算机将其译码，从而使机床执行规定好了的动作，通过刀具切削将毛坯料加工成半成品成品零件。

自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，现代制造技术进入到数控时代。五十年来，数控机床在制造行业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用。

与普通机床相比，数控机床有如下特点：（1）加工精度高，具有稳定的加工质量；（2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；（3）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；（4）批量化生产，产品质量容易控制；（5）对操作人员的专业素质要求较低，对维护人员的技术要求较高。

1.2 模具（Tooling）

模具（Tooling/mould/die），简单说来就是一种用来成型物品的工具，它主要通过所成型材料物理状态的改变来实现物品外形的加工。在冲裁、成形冲压、模锻、冷镦、挤压、粉末冶金件压制、压力铸造，以工程塑料、橡胶、陶瓷等制品的压塑或注塑的成形加工中，用以在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件的工具。

在现代化工业生产中，60%～90%的工业产品需要使用模具加工，模具工业已成为现代工业发展的基础。许多新产品的开发和生产在很大程度上依赖模具的生产，特别是汽车、轻工、电子、航空等行业尤为突出。而作为制造业基础的机械行业，据国际生产技术协会预测，21世纪机械制造工业的零件，其粗加工的75%和精加工的50%都将依赖模具完成。因此，模具工业已经成为国民经济的重要基础工业。

利用模具制造产品的一般流程：CAD图档→模型制作→开模→设计验证→试产→量产

现代模具的特点如下：

1.2.1 精度高。现代模具要求的精度比传统模具高出数个数量级，多工位级进模、精冲模、精密塑料模的精度已达0.003mm甚至更高。一些高精度、无毛刺的冲压件和精密塑料件都要求模具高精度，尤其是那些全拼嵌、全互换的长寿命的多工位级进模的精度更高。

1.2.2 寿命长。现代冲模寿命一般在500万次以上，硬质合金多工位级进模可达2000～6000万次，注塑模具可达40～60万件，压铸模50～100万件，而传统模具寿命只有现代模具的1/5～1/10。

1.2.3 生产率高。现代模具生产效率比传统模具高得多，其主要原因是现代模具有多工位、多模腔、甚至多功能。例如，高生产率级进模有50多个工位，塑胶鞋模有18个工位。一套多能模具除了冲压成形外，还担负叠装、铆接、锁紧等组装任务，可直接生产组合件。一模多腔的注塑模和叠层模具可达每模一次生产数十件，塑封模每模一次生产数百件，生产塑料汽水瓶的四工位注塑模生产率达8000件/小时。

1.2.4 型腔形状和模具结构复杂多变。随着人们对产品形状、尺寸精度、整体性及生产效率等要求的提高，以及许多新材料新工艺的广泛应用，现代模具的结构和型腔日益复杂，例如，一台大型复合材料成形模具，其结构复杂程度和价格超过一台精密机床；一些大型覆盖件成形模具，不仅型腔形状复杂，而且模具配套性要求极高，要求多个相关模具型腔协调一致，用传统加工方法无法达到其质量和精度要求。

1.3 逆向工程（Reverse Engineering）

图1 逆向工程加工流程图

逆向工程是一个“从有到无”的过程。简单来说就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计参数（包括图纸或数字模型）的过程。并通过数字化测量设备（如坐标测量仪、激光测量设备等）获取的物体表面的空间尺寸数据，需要根据逆向工程CAD技术获得产品的CAD数学模型，进而快速成型制造或利用CAM系统完成产品的制造。

逆向工程技术多用于工业设计师做外观产品设计的验证、调整，当然此项技术也直接被一些无良厂商直接用于拷贝、剽窃其他公司的高精尖产品。

2 快速原型制造及3D打印技术

2.1 快速原型制造技术

快速原型制造技术（Rapid Prototyping/Parts Manufacturing 简称RPM）是近年来发展起来的一种先进制造技术。20世纪80年起源于美国，很快发展到日本和欧洲，是近年来制造技术领域的一次重大突破。RPM是一种基于离散堆积成型思想的数字化成型技术，是CAD、数控技术、激光技术以及材料科学与工程的技术集成。

RPM的成型原理是，将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一体，依据由CAD构造的产品三维模型对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓，激光束选择性地喷射，固化一层层液态树脂（或金属粉末）或喷射源选择性地喷涂一层层的粘结剂或热熔材料等，形成各面，逐步叠加成三维产品，它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的组合。它可以自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可对产品设计进行快速评价、修改，以相应市场需求，提高企业竞争力。

RPM现在存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。有些技术利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造打印的“墨水”，例如：选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）和熔融沉积式（fused deposition modeling，FDM），还有一些技术是用液体材料作为打印的“墨水”的，例如：立体平板印刷（stereolithography，SLA）、分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）。每种技术都有各自的优缺点，因而一些公司会提供多种打印机以供选择。

2.2 3D打印技术

3D打印（Three-dimensional printing），又称增材制造（AM，Additive Manufacturing），属于快速成形技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础直接制造几乎任意形状三维实体的技术。3D打印运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体，即“层造形法”。其使用的是快速原型制造技术的“选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）”技术。

事实上3D打印机集成了各种不同的技术，基于多个不同的物理机制，将共同的特征通过一个数字模型来构件三维物理实体。这个成型实际是一个层叠堆积的过程。与传统成型方法不同的是，此项技术不会导致材料的大量损耗。3D打印与传统的机械加工技术不同，后者通常采用切削或钻孔技术（即减材工艺）实现。

图2 3D打印技术（快速成形）与传统的去料加工成型的对比

3 3D打印技术与常用CAD软件的对接及工作全程

3.1 现代设计制造业常用CAD三维软件简述

目前在现代设计制造行业所用的三维软件主要有以下四种：

3.1.1 PRO/ENGINEER。1988年，美国参数技术公司（PTC）发布PRO/ENGINEER，此为市场上第一个参数化并基于特征关联的实体建模软件。PTC第一个提出参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。因其强大的参数技术及众多模块可供客户自由选择，因此此软件被广泛应用于工业设备、自动化、电子技术、航空国防、零售、消费品及医疗技术等行业的开发过程，此软件自诞生之日起，历经Pro/ENGINEER2001，Wildfire，Cero Parametric等几个名称，目前最新的版本为Cero Parametric 3.0。

2007年12月，PTC公司完成对CoCteate的并购，此举标志着PTC软件向更简洁易用的用户界面发展，更注重用户体验，用户初次使用PTC软件时更易上手，从而使工程技术人员将更多的时间和精力花在产品设计本身上，而不是花很多时间去学习使用此软件本身。

3.1.2 SolidWorks。1993年，PTC前技术副总裁与CV公司的副总裁共同创建SolidWorks公司。SolidWorks软件为该公司在1995年基于Windows所开发，被广泛应用于航空航天、汽车、机械、交通、模具、电子通讯、娱乐工业等领域。

SolidWorks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点。此软件能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。目前最新版本为SolidWorks2013.

3.1.3 Unigraphics NX（UG）。Unigraphics NX（UG）是Siemens PLM Software公司于1983年推出的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。UG这样的大型软件系统通常需要有不同层次抽象的描述。UG具有三个设计层次，即结构设计（architecturaldesign）、子系统设计（subsystemdesign）和组件设计（componentdesign）。

UG允许制造商以数字化的方式仿真并确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建以及对变更周期的依赖。

UG与PRO/ENGINEER软件对比：（1）UG适合CNC加工做刀路，还有模具；（2）PROE适合做结构，产品设计；（3）UG和PROE的最大不同就是建模思路不一样；（4）PROE是全参数化的，UG是半参数化的。

3.1.4 Solid Edge。Solid Edge是西门子的两大CAD产品之一。西门子的另一个CAD产品是NX，主要应用于汽车、航空航天、模具等行业。Solid Edge用于通用机械行业。与NX相比，在设计简单零件时，效率更高。另外Solid Edge与Windows操作系统，与其他的Windows应用软件，例如Office系列，兼容性更好。

3.2 常用CAD三维软件与3D打印技术的对接示例

3D打印机自带的软件无法创建三维模型，只能借助第三方CAD设计软件来先期完成设计模型并导入到打印机。下面就以PRO/ENGINEER设计的一款转换插头来完成本次创建，并以两款转换插头的实例来讲解3D打印机工作全程。

3.2.1 导出PRO/ENGINEER设计完成的三维图档：

图3 将Duck-HeadPRO/ENGINEER图档导出为STL文件格式

3.2.2 将三维图档导入3D打印机软件。将PRO/ENGINEER导出的STL格式文件导入电脑并加载打印过程如下图4至图7所示：

图4 打开3D打印机软件

图5 导入PRO/ENGINEER文件（STL格式）

图6 设置打印分辨率（选择最高级0.15MM）图7 计算结果显示——用料31.3克，历时5小时31分

3.3 打印全程

上述计算完成后，点击“ok”即可开始打印。

图8 3D打印机工作全程

3.4 打印完成

图9 打印完成从打印机上取下

3.5 清理多余支架填充料并喷涂

图10 打磨之后喷涂想要的颜色

4 3D打印技术发展现状及局限性分析

自1987年国际上第一台商用化打印机推出以来，由于其价格的逐步下降以及耗材的多样化发展，其产量以及销量得到了极大的增长。

在开发初期，3D打印技术主要应用于快速模型的制作，设计师们利用此模型来验证设计的形状和手感。但后来逐渐被应用于一些功能测试，甚至最终成品的

生产。

当前，3D打印技术在工程设计、汽车制造、航空航天、珠宝、鞋类、工程施工、牙科和医疗产业、枪支以及其他领域都已经有所应用。

《新浪网》2013年6月4日报道，西北工业大学可一次3D打印超过5m的钛金属飞机部件。

《Vox Media》2013年11月7日报道，美国一家公司利用3D打印机制作出全球首只金属手枪并已连续发射50发子弹。

3D打印作为一种颠覆传统制造业的新兴技术，近年来在全球范围内飞速发展，但也遭遇了一些窘境：一是受技术、成本、成型时间等因素影响，大规模推广应用的步伐相对缓慢；二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。

4.1 3D打印机的市场价格局限

3D打印技术经过将近30年的发展，其3D打印机已经由研究机构和大学实验室走进各个商用领域，虽然其制造成本有所下降，但对普通用户来说，3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。

目前三大3D打印机的制造公司为3D Systems、Stratasys和MakerBot，根据3ders.org提供的报价显示，一台外形尺寸为203×254×152（mm），喷嘴直径0.4mm，层厚0.1mm的3D打印机报价为2899美金。这不是最贵的，所以精度一般。

图11 目前3D打印机的市场报价（美元）

4.2 3D打印技术的时间成本局限

拿上述举例的转换插头为例，两款如此简单的转换头，外形尺寸为：49×42×42（mm），重量为31.3克却要历时5小时31分，再加上后期的余料清理，这样整个下来需要至少7个小时左右。

据《光明网》2014年4月8日报道：“3D打印微缩版“广州塔”耗时3天，高1.2m”。

3D打印技术的速度问题，已经成为此项技术大范围推广的关键性制约因素之一。

4.3 3D打印技术的耗材成本局限

对3D打印行业来说，打印材料价格问题已经成为当前此项技术发展的最具争议性的问题。终端用户会注意到，3D打印机持续地投入精力到反竞争的活动中，通过材料“墨盒”上的关键编码和射频识别标签来锁定客户仅使用他们自家供应的耗材，进而对耗材的价格进行有效垄断。

图12 目前3D打印技术所用主要材料分布（%）

按照3ders.org的官方报价，以直径为1.75mm的黑色ABS为例，目前每公斤的报价为175.2美金，折合人民币1095元。这样计算下来，上述英式转换插头3D打印的材料成本接近人民币34.3元，而且这还不包括支架的浪费材料。

而液态金属3D打印所用到的耗材成本更高，下图列出了金属耗材的参考价格：

图13 目前3D打印金属耗材报价参考（人民币）

同时，新材料的研发却受到3D打印机生产厂家的阻碍，第三方耗材生产企业进入3D打印耗材行业的壁垒较高。已经进入的耗材生产厂家，由于无法加速耗材研发和形成具有竞争力市场，也无法形成规模经济。

4.4 3D打印技术的精度局限

在打印精度方面，目前3D打印成品的精度还不尽如人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重

冲突。

目前普通的3D打印机的精度一般为0.25～0.1mm之间之间，离所谓的“高精尖”还有很大距离，有个别0.01mm级别的设备，其价格也不具有推广意义。

5 3D打印技术的前景分析

5.1 3D打印技术的市场前景预期

全球知名软件企业欧特克软件（中国）有限公司日前宣布，将正式进军3D打印市场，并在今年下半年推出3D打印机和开源3D打印平台，以进一步推广3D打印技术在设计和制造领域的应用。

欧特克中国研发中心消费者产品部门总监陆志国介绍，20世纪90年代中期3D打印机问世以来，它更多是被掌握专业技能的设计师、工程师以及科学家用来制造一次性的各种产品原型以及模型。随着近年来三维设计技术走向消费领域，3D打印开始在许多领域大放异彩。相较传统制造工艺而言，3D打印技术可以快速满足用户的个性需求，个性化定制将成3D打印的重要发展方向。

3D打印市场的驱动受几方面影响，一是经过多年的宣传报道，人们对这项技术的意识逐渐提高；二是3D打印机价格的走低；三是可供选择的打印耗材日益增多。

3D打印市场呈现井喷似的增长主要得益于几项核心专利权到期，这让许多小型企业有机会进入此行业，并生产一些比较低价的消费级桌上型3D打印机。这也给媒体大肆炒作此项技术提供了机会，3D打印技术在最初的商业化之后的十年之后受到特别的关注。一批企业也快速发展壮大，例如新入行业的MakerBot公司迅速超越老牌厂商3D Systems和Stratasys，在装机数量和市场份额上占据绝对优势。

图14 目前三大3D打印机生产厂家的增长趋势

（据Google搜索）

据国际调查机构Gartner预测，3D打印机销量将由2013年的56507台增长至2014年的98065台，2014年3D打印机的支出预计增长62%至6.69亿美元，其中企业支出为5.36亿美元，消费者支出为1.33亿美元。Gartner还预计，到2015年3D打印机销量将翻一番。由此可见，3D打印机产业及其产品的市场空间非常巨大。

5.2 3D打印技术的耗材成本预期

3D打印技术所用耗材在持续研发，但这主要集中于一些大学或新材料研究机构，离大规模商用还有很远的距离。根据国际快速制造行业权威报告《Wohlers Report 2014》预计，直到2025年，尽管厂家生产数以吨计的各种耗材，但感光树脂仍将占据3D打印耗材的最大份额。

金属粉末目前只有每年不到30吨的产能，或许这种低产仍将维持一段时间，但这种耗材的快速增长会很快让市场看得到。较高的原料价格和加工成本使得金属耗材的售价比其他材料（感光性树脂）降速更为缓慢。所以最终的结果就是，市场份额增加，但是由于耗材生产企业的持续垄断，故其价格仍将持续维持在高位。

图15 3D耗材增长预期（单位：吨）

在中长期，促使耗材价格下降的驱动力主要来自两个方面：一是新进入3D打印机制造行业的后来者不再限定客户使用他们自家的耗材，让客户自由选择第三方耗材；二是日益强大的终端用户群促使打印机生产企业

降价。

5.3 3D打印技术的知识产权预期

十一家主要的3D打印机生产厂家已经实现盈利。尽管美国和欧洲的一些大学表现得很积极并且在某些核心领域具有明显优势，但是中国的大学也发布了详细并且更为严格的跨界3D打印技术的相关专著。

目前，除德国的Fraunhofer研究院之外，其他的一些学术活动还没有转化成知识产权。

3D打印可以说最近几年被各种光环所笼罩，良好的投资机会、广泛使用的应用场景、长期稳定的回报等，看似一切美丽的外衣下其实还隐藏着一些问题。其中最明显的是此项技术的知识产权保护问题，实际情况是，迄今为止，国际上并没有专业的3D打印技术标准公布，目前已知的一个标准也并不是3D打印的专业组织颁布的。所以可以说这是一个空缺。由于3D打印技术采用类似于“所见即所得”的模式，因此，目前由于知识产权的空缺造成的产权损失每年高达1000亿美元。或许这个与行业标准有关，也或许和3D打印领域本身的技术特点有关。而据报道，中国国家标准化管理委员会的相关人士表示，中国3D打印技术的首个行业标准正式立项，但目前仍然缺乏标准依据。

5.4 3D打印技术的应用市场预期

当前推动3D打印支出增长的主要领域是：新设计产品的单件或小批量模型、制造过程中使用的夹具和固定工具，以及制成品的大规模定制。随着3D打印技术的进步——其中包括软件和硬件，材料成本和制作3D打印模型复杂性的降低，在可预见的未来，3D打印技术的应用市场将越来越宽广并逐渐普及到以下行业：航空航天、自动化、消费品、医疗产品、牙科产品、珠宝首饰、建筑业和艺术品设计。应用范围主要为快速模型制作、终端产品生产及模具技术。

围绕消费级3D打印机的炒作逐渐销声匿迹，但随之而来的是对3D打印的商务班机关键元器件、全打印的火箭引擎、3D打印在大学和学校、生物印刷、药物毒性、化妆品测试和应用、3D印刷电气及嵌入式传导功能周边产品的炒作。

图16 3D应用市场炒作图

家用市场方面，3D打印机目前主要是那些业余爱好者在使用。但受制于可供选择的打印耗材的影响，所以在可遇见的未来，这部分市场份额将保持在较低水平。另外，由于ABS的烟雾及气味问题，也将阻碍许多潜在的用户使用此项技术。

医疗和牙科市场将有很大的市场增长潜力。据Wholers Associates调查数据显示，此行业目前的市场份额为1.41亿美金，预计到2025年，整个市场份额将增长到8.68亿美金。

3D打印市场在深度和广度方面将持续增长，预计到2025年，全球的3D打印行业市值至少达70亿美金，这其中包含保守估计的30亿美元的生物印刷市场份额。传统行业的原型制作的市场份额亦将持续增长，其应用范围也必将拓宽。

参考文献

[1] 田福祥.现代模具技术的特点及其发展趋势[J].热加工工艺，2004，（8）.

[2] Dr Wendy Kneissl， 3D Printing 2014-2025，IDTechEx2014[R].2014.

[3] Chris Welch， World"s first 3D-printed metal gun successfully fires over 50 Rounds[C].Vox Media， November 7，2013.

作者简介：于自忠（1980-），男，河南人，新加坡Volex（Asia）Pte Ltd高级机械设计研发工程师，研究方向：消费及能源类电子产品、数码产品的机械结构设计及研发；模具新技术、新材料探索等。