3d打印先进技术论文
3D打印(Three Dimensional Printing)始于上世纪90年代，是快速成型技术的一种。小编整理了3d打印先进技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!
3d打印先进技术论文篇一
3D打印技术在教育中的应用研究
摘 要：目前，3D打印技术在国内外的发展势不可挡，但在教学中的应用仍处于探索阶段。本文在分析3D打印技术原理的基础上，深入剖析了3D打印技术在教育中的作用，并构建了基于3D打印技术的教学应用模式，以期为进一步研究3D打印技术在教学中的应用提供参考。
关键词：3D打印;教育应用;模式构建
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1671-7503(2014)11-0016-04
3D打印技术是一种以数字形式从三维立体模型快速构造物理对象的新型快速成型技术。该技术在医疗行业、骨骼打印、文物打印、工业设计、汽车零件制造、航天和国防、教育、地理信息系统等领域都有所应用。众多研究者认为这项技术将引领制造业发展的新趋势，甚至被誉为2012年10大发明之一。随着3D打印技术的发展，3D打印技术逐渐与各个领域深度交融，成为各个领域未来发展的有力助推器。那么，3D打印技术与教育领域的深度融合又将给教育界带来哪些革命性的变化呢?
新媒体联盟(New Media Consortium，NMC)在2013年地平线报告中首次将3D打印技术列为教育领域未来4-5年内待普及应用的创新型技术。鉴于3D打印技术在教育改革与创新层面的无限潜力，本文将从介绍3D打印原理切入，深入分析3D打印技术在教育中的作用，并构建基于3D打印技术的教学应用模式。
一、3D打印的原理
3D打印是快速成型工业形式的桌面级替代方案。围绕3D打印机的很多讨论源于制造者文化，即由设计者、程序员及其他对科学和工程尝试使用DIY(自己动手做)方法的人群形成的兴趣共同体。其独特之处在于无需机械加工和模具作为辅助，只需设计者根据用户的个性化需求，通过3D建模软件进行模型设计与构建，然后打印机读取模型数据进行打印输出即可。3D打印技术与传统打印技术的区别主要有两个方面：其一，3D打印首先需要进行数字化三维模型构建，传统打印技术并不需要构建数字化三维模型;其二，传统打印使用墨水进行打印，而3D打印利用实实在在的原材料制作实物模型。以制作过程为视角，3D打印需要经历物理对象的设计与构建、打印输出、后期处理三个主要阶段。具体打印流程如图1所示。
[计算机辅助设计][三维建模][计算机辅助断层扫描][三维扫描][数据传输][模型分切][剖面信息读取][打印介质][支撑物][材料匹配][切片粘合][切片打印][固化处理][剥离][修整][上色][表面打磨][物理对象的设计与构建][成品][打印输出][后期处理]
图1 3D打印基本流程
(一)物理对象的设计与构建
物理对象的设计与构建阶段涉及两个方面：三维建模和三维扫描。3D打印的关键阶段是模型设计与构建，这直接决定作品比例是否协调，设计是否残缺，结构是否合理，亦或是否符合心中期望。三维建模和可视化对物理实体的最终打印效果也有重要影响，可以使用与计算机辅助设计或计算机动画建模相关的三维建模软件来设计和构建欲打印的物理实体的三维模型，例如：AutoCAD、3D Max、SketchUp等。也可利用计算机辅助断层扫描通过对物体空间外形和结构进行扫描以获取物体空间坐标继而转换为数字信号，直接生成三维模型，亦或直接使用或是修改已有的模型作品。
(二)打印输出
在打印输出阶段经历的步骤有：数据传输、模型分切、剖面信息读取、材料匹配、切片打印以及切片粘合。首先将三维模型数据传输到3D打印机，然后，通过打印机配备的专业软件将模型薄片化，形成多个剖面。每层切片的厚度则由模型形状、打印介质和打印机规格决定。其次，选择与成品匹配的液体状、粉状、片状等的打印介质和易于祛除的支撑物。最后，采集所有切片的剖面数据，构建每一层三维模型切片，逐层将这些切片打印出来，然后，将所有切片堆叠起来，以各种方式粘合成一个完整的物理实体。
(三)后期处理
由于3D打印机规格、打印材质、打印精度的不同，可能出现成品截面粗糙或有毛刺的现象，这时就需要对打印出来的模型进行简单的后期处理，如：表面打磨、剥离、上色、固化处理等。
二、3D打印技术在教育中的作用
3D打印技术对于教育的重要价值之一，在于它能够创造对事物更真实可靠的探索机会，而这样的机会对于学生来说可能非常难得。同时，对3D打印技术从设计到生产过程的探索以及实物教学和参与性学习的发展需要，为学习活动的开展提供了新的可能。下文分别从教师和学习者视角分析3D打印技术在教育中的助推器作用。
(一)促进教学效果的效能工具
教师在教学过程中利用3D打印制作的教学用具，可以扩展学习者的感觉和知觉，增强触觉体验，弥补常态课堂直接经验不足的劣势。同时，教师也将隐性知识和认知结构显性化，使学习资料由抽象化转变成为具体化，具体化转变成为形象化，视觉复杂化转变成为认知简单化。由此增强学习者的思路清晰度，提高学习者的逻辑思维能力和理解能力，改善教师教学效果，提高学习者学习效率。
(二)促进学习效果的认知工具
3D打印可以作为小组协作探究环境的一部分，承担对创意和技术方案进行快速验证的任务，促进学习者的社会性认知。由于3D打印技术应用领域较广，建筑、机械、生物、医学、考古等学科都可以通过3D打印制作相关模型。学习者通过真实的模型可以深化感性认识，获取强烈、真实的认知体验，进入深度学习的状态。例如：针对小学五年级《赵州桥》的学习，3D打印能便捷地打印出赵州桥的微型化模型，学习者可以在课堂上对赵州桥的整体结构和构造特点有一个直观的观察和认识。进而加深学习者对赵州桥的社会性认知体验，最终达到促进学习效果的目的。
(三)培养学习者的创造力 可视化教具可以增加教学内容的趣味性，显著提高学习者的学习兴趣。常态教学环境下，教师一般利用多媒体技术，通过动画、图片、视屏、音频等能够为学习者创建一种动态的信息技术学习环境。但是，却极其缺乏形象、直观、可碰触的立体教具，致使学习者缺少对事物更真实可靠的探索机会，这在一定程度上抑制了学习者创造潜力的开发。3D打印技术则通过将数字化的设计、虚拟模型快速转变成实物的独特优势打破了这一禁锢。物理实体带来的强烈的现场感、真实的学习情境、近距离的观察和触摸体验，将为学习者拓展更为广阔的创造空间，激发学习者的批判性思维，提高学习者创造性解决问题的能力。
(四)提高学习者的学习参与度和实践能力
3D打印的打印流程包含模型设计和模型打印，这两个阶段皆需要学习者的全程参与。无形中，即使处于学习边缘的学习者也会自主完成学习角色转换，由边缘角色转变为中心角色，提高学习参与度。同时，通过完成提出创意、设计模型、构建模型以及打印模型这一系列任务，将有效促进学习者设计能力、观察能力和实践能力的发展。实践是提高知识内化和掌握程度的主要途径，同时，实践能力也是学习者发展研究能力和创新能力的基石。
(五)营造愉快的学习体验及激发学习者的学习积极性
3D打印可以使加速学习者设计过程成为可能，学习者在模型设计初期就可以通过教师指导以及原形化发现问题和不足，降低设计出错的概率和认知出错次数，减轻学习过程中的挫折感，增强自信，获得愉快的学习体验。对于3D打印无论是设计、制作还是分享使用都可能产生一种新的学习体验，吸引学习者的学习兴趣。只要有创意，就可以将构思变为真实的立体模型，使大脑中的抽象概念转变为现实世界的真实存在。这将使学习者在学习过程中充满沉浸感和成就感，激发学习者的学习热情和DIY兴趣，使得学习者发展成为主动的知识建构者和探索者。
三、基于3D打印技术的教学应用模式构建
3D打印技术有助于教师制作个性化教学模型，帮助学习者更好地形成沉浸式学习。学习者通过3D打印，开拓批判性思维模式，培养创新精神，提高创造力。3D打印是一种通用的技术，它的应用领域涵盖大部分学科，尤其适用于医学、机械设计等需要大量制作模型的专业。因此，构建一种适用于应用3D打印技术的教学模式显得尤为必要。本文基于3D打印技术的教学实施过程，对3D打印在教学中的应用模式进行了初步构建。
(一)教学实施过程概述
基于3D打印技术的教学实施过程由问题情境创设、三维模型设计、三维模型构建、三维模型打印、开展教学和教学评价六个核心模块。教学实施过程以此六个模块依次展开。在创设问题情境环节发现问题之后，学习者在解决问题的任务情境之下进行3D模型设计和模型构建。然后，打印实物三维模型并在课堂互动环节通过展示、探讨、应用模型的活动对模型加以验证和修改，进而解决实际问题。最后，通过评价环节，精细化设计技巧，完善设计思想，提高学习者设计能力和创新能力。
(二)核心模块分析
1.问题情境创设
对于学习者而言，创设问题情境可以有力激发学习者学习兴趣。从学习者的学习经验、知识结构以及教学内容出发，创设具有趣味性、探索性、延伸性并有助于学习者个性化学习、交互合作的问题情境将有效激发学习者强烈的问题意识和探究动机，有助于引起学习者对发现问题的深入思考、探究欲望和钻研热情。同时，置身于问题情境，才有可能挖掘学习者的设计灵感，创作出既有价值又能让人耳目一新的作品。对于教师而言协助学习者找到一个高质量的问题激发学习者的求知欲，将为后续教学活动的顺利进行奠定基础。
2.三维模型设计
经过创设问题情境阶段，学习者在接受问题刺激之后，其思维已被激活，处于活跃状态。此阶段是学习者最为敏感、最易出现创新思维的阶段。学习者在设计思想的指导下，遵循满足学习者个性化需求和解决真实问题的设计原则进行模型设计。教师则针对学习者在设计过程中存在的问题实施个性化的指导，帮助学习者在模型构建初期就降低设计失误的概率。
3.三维模型构建
在此阶段学习者利用Blender、Web 3D、AutoCAD等三维建模软件依照三维模型设计构建数字化三维模型。学习者也可以通过在3D建模资源库和教育资源中心等搜寻或修改符合要求的已有模型。
4.三维模型打印
模型打印主要借助3D打印机来实现，学习者只需把数字化三维模型数据传输到3D打印机，然后选择匹配的打印介质，根据打印要求设置打印机参数就可以轻松便捷地完成模型打印工作。
5.课堂应用和教学评价 将打印的三维模型应用到课堂当中，教师通过课程设计科学合理安排模型应用的时间和地点，为学习者创设一种轻松自由的学习环境。通过模型展示和课堂互动环节，学习者进行充分交流和互动以讨论模型中存在的问题。最后通过评价模块，验证模型的可用性，检验得出结论的正确性。教师对模型给出反馈，指导模型的再次修改，学习者进行自我评估和学习者互评，不断完善模型。
四、结束语
3D打印技术是一种新兴的学习技术，教育领域将是未来3D打印技术推广应用的重要市场。本文通过分析3D打印原理和3D打印技术在教育中的作用构建了基于3D打印技术的教学应用模式，以期为后续实际应用和精细化研究奠定基础。尽管3D打印技术在教育领域具有广阔的发展前景，但是目前其在教育机构的推广和普及仍面临着巨大挑战。例如：3D打印机价格昂贵，可制作原材料稀少，制作成本高等。这也将成为教育研究者未来的重点研究课题和方向。
参考文献：
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3d打印先进技术论文篇二
3D打印技术的应用与发展探究
摘要：印刷和打印技术作为信息传播的重要方式，以平面图文信息的形式，为人类的文明和进步做出了重要的贡献。3D(三维)打印技术是在传统二维平面印刷打印技术的基础上，通过逐层二维打印的叠加，在三维立体空间内制造出产品。本文主要讲述3D打印技术在各领域中的应用，探索限制3D打印技术发展的瓶颈及其未来发展趋势。
Abstract： Printing technology is an important way of information transmission. It made an important contribution for human civilization and progress by the plane graphic information. Based on traditional two-dimensional graphic printing technology， 3D (three dimensional) printing technology is superposed by the 2D printing and producted in three-dimensional space. This article mainly expounds the application of 3D printing technology in all fields， explores the bottleneck of the development of 3D printing technology and its development trend in the future.
关键词：3D打印技术;印刷技术;发展前景
Key words： 3D printing technology;printing technology;development prospect
中图分类号：TS805 文献标识码：A 文章编号：1006-4311(2016)07-0166-02
0 引言
近年来，我们经常会看到有关于3D打印技术的新闻，“3D打印房屋”、“3D打印金属手枪”、“3D打印自行车”、“3D打印仿生耳”等等，3D打印自问世以来就得到了广泛的关注，其应用更是跨越各个领域。2014年11月末，《时代》周刊将3D打印技术列为2014年25项年度最佳发明之一。全球工业分析公司(Global Industry Analysis Inc)的研究报告预测2018年全球3D打印市场将达到29.9亿美元。但3D打印技术也面临着如制造速度与精度、设备和材料成本、产品性能、操作的安全性等多方面的瓶颈和挑战。提升3D打印的效率和精度，开发更为多样的3D打印材料是未来的研究热点。本文主要对3D打印技术的应用和发展趋势进行了研究和探讨。
1 何为3D打印
3D打印(Three Dimensional Printing)始于上世纪90年代，是快速成型技术的一种。美国3D System公司在1986年就制造了第一款3D打印设备。在传统二维平面印刷打印技术的基础上，通过逐层二维打印的迭加，利用喷头的三维运动实现曲面打印，逐层增加材料来生成三维实体，其原理图如图1所示。其分层加工的过程与传统喷墨打印十分相似，树脂、尼龙、塑料、金属、陶瓷、混凝土等材料经过特殊处理都可以用做3D打印的“墨水”。3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。
2 3D打印技术的应用
目前3D打印技术支持多种材料，可以广泛应用在工业设计、建筑、家具、航天、医疗和教育等各个领域，其主要具有以下应用特点：
2.1 模具加工与机械制造 如今，3D打印技术已经广泛应用于机械模具的设计与加工，如图2A所示。相对于传统制造技术来说，3D打印技术不需要任何模具或任何机械加工，既省工又省料，如美国F-22猛禽战斗机在制造过程中会大量使用钛合金构件，如使用传统的整体锻造方法，最大的钛合金整体加强框材料利用率不到4.9%，使用3D打印利用率接近100%，几乎不产生废料，大大节省了原材料的浪费，降低了生产成本。此外，也可利用3D打印技术实现个性生产，满足人们的少量和复杂形状的个性化需求。如个性化艺术家具的定制和专属个性空间的打造(如图2B)。
在建筑行业，2014年8月，在上海青浦张江高新园区，盈创建筑科技有限公司用3D打印技术24小时打印了10栋房屋(如图2C、2D)并交付使用，相关建筑指标均达到国家建筑质量标准，开启了3D打印建筑的新篇章，将来更有望使用3D打印技术建造整栋别墅。
在航天方面，美国NASA以及国外的一些航天公司已经就3D打印技术在航天上的应用展开了尝试，2014年第一台3D打印机在国际空间站上安装成功，并打印出扳手等机械部件，这台打印机由Made in Space公司设计制作，该公司是世界首家研究零重力下3D打印技术的公司。而且3D打印为按需施材，减少了材料的浪费，从而降低了生产成本。
2.2 生物医疗 3D打印技术与医学的结合堪称医学史上的创造性举动。在生物医学领域，已开始被应用于手术分析策划、假体植入物的制造、细胞或组织打印等方面。
早在2011年，德国科学家利用3D打印技术成功研制出了一种人工血管(如图3A)，该项目有望被用于人体试验和药物试验。2014年，University College London的研究人员利用生物“墨水”打印出人造耳朵(如图3B)，可用于外科整形。目前这种3D打印耳朵已有成功移植的案例。2015年7月，湖南省脑科医院利用3D打印颅骨为脑积水患儿缩脑，完成全球首例“全脑缩小塑形”手术。 2.3 考古文物复制 3D打印技术在考古文物领域主要用于修复已经破损的古文物。在应用3D打印技术进行文物修复时，需要使用3D扫描仪扫描破损文物，完成数据采集，并处理数据，建立相应的模型之后进行打印。在电影《十二生肖》中，先是对兽首进行三维扫描，再使用3D打印技术打印了兽首的复制模型，精度和相似度令人赞叹，且不需后期加工打磨，相信在不久的将来，随着3D打印技术的不断发展改进，3D打印技术复制文物的精度定会上升到这个高度，将不再需要后期处理。
2.4 教育行业 3D打印技术也为教育的发展开启了新的方向，许多教育机构和组织正探索如何将3D技术应用到教育、教学中。以高职教育为例，在高职院校中印刷技术专业、数码印刷专业、印刷图文信息处理以及计算机等相关专业都可以考虑引入3D打印技术。
相关专业引入3D打印技术后，可以将人才培养的目标范围进行延伸和扩大。培养不仅能从事传统印刷设备和数码印刷设备的操作，还能使用3D打印机;不仅能完成传统印刷和数码印刷的印前制作，还能从事3D打印需要的三维建模设计;不仅能从事传统印刷和数码印刷的印刷工艺与生产管理、印刷营销与业务管理，还能从事3D打印设备的控制和生产管理、营销和业务管理的人才。学生就业面更宽广，职业技能更新，更贴合社会发展需要，也必定会推动3D打印设备的发展。另外，3D打印技术可以作为扶持大学生创新创业的一个项目，支持大学生们早日实现创业的梦想，让刚刚走出校园的甚至还在校内的大学生们勇敢地站在科技发展的前沿，直观地感受打印技术带来的影响与进步。
3 3D打印技术未来发展前景分析
与传统技术相比，3D打印技术拥有诸多优势。美国总统奥巴马在2014年国情咨文的演讲中强调了3D打印技术的重要性，赋予其制造业复兴的重任，提出将推动3D打印产业的发展。在欧美发达国家，3D打印机的研究技术已走向成熟并产业化发展。近年来，随着2015年《中国制造2025》规划的实施与颁布，我国对这项技术的重视和产业链规划将进一步加强。
从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是设备和耗材方面，现有3D打印机造价普遍较为昂贵，打印耗材的价格每公斤几百到数万元不等，给其进一步普及应用带来了困难。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、石膏等材料，成型品的物理特性较差，金属材料直接成型技术有待发展。三是工艺方面，目前3D打印的精度及效率还远不适应大规模生产的需求。四是知识产权方面，3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，如何针对3D打印技术进行知识产权保护面临新的挑战。五是公共安全方面，如3D打印手枪，若可从网络上下载手枪的三维图纸，再拥有一台3D打印机就可以打印并组装手枪，这一潜在问题需要国家从法律层面进行规范和监督。
4 结束语
3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一，越来越受到工业界和投资界的关注。伟大发明所能带来的影响，在当时那个年代都是难以预测的，1450年的印刷术如此，1969年的互联网也是如此，3D打印技术更是如此。未来3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化等主要趋势。随着信息技术、控制技术、材料技术的进一步发展，制约3D打印技术发展的瓶颈将一一得到解决。3D打印技术也将被推向更高的应用层面。
参考文献：
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