（一）3D打印概述

3D打印，是一种快速制造技术。其核心思想起源于19世纪的照相雕塑技术（photosculpture）和地貌成型技术（potography），但受到当时材料、计算机等学科技术的限制，而没有得到广泛应用和商业化。之后，技术的正式研究始于20世纪70年代，直到20世纪80年代后期得以发展和推广。

3D打印的概念：以数字模型文件为基础，运用液体、固体、气体等材料，通过逐层或逐区域正向增长的方式来构造三维物体，所制造结果可具有论证价值、直接和间接使用价值。体现了信息技术、控制技术、先进材料技术、数字制造技术的密切结合，是快速制造、智能制造、先进制造、高端制造、再工业化的重要组成部分。

1、3D打印技术发展脉络

3D打印技术诞生于上世纪80年代的美国，1984年，Charles Hull开始研发3D打印技术。1986年，其率先推出光固化方法(stereo lithography apparatus，SLA)，这是3D打印技术发展的一个里程碑。同年，他创立了世界上第一家3D打印设备的3D Systems公司。该公司于1988年开发出了第一台商业3D印刷机SLA-250。

1988年，美国人Scott Crump发明了另外一种3D打印技术——熔融沉积制造技术(fused deposition modeling，FDM)，并成立了Stratasys公司，该公司在1992年卖出了第一台商用3D打印机。FDM 3D打印技术是理想的消费类3D打印机技术，它简便易用、成型过程可控且无光学或电磁危害，其使用成本低、维护成本低、材料成本低，整机具有相对的价格优势。

1989年由美国德克萨斯州大学奥斯汀分校的C.R.Dechard博士发明了选择性激光烧结法(selective laser sintering，SLS)并获得专利，1992年开发了商业成型机。其原理是利用高强度激光将材料粉末烧结直至成型，应用该种技术开发的3D打印机，其设备成本、维护成本、材料成本高，一般机器体型较大，运输和使用不便。

1993年，麻省理工学院教授Emanual Sachs发明了一种选择性粘结技术，并获得立体平版印刷技术专利。这种技术类似于喷墨打印机，通过向金属、陶瓷等粉末喷射粘接剂的方式将材料逐片成型，然后进行烧结制成最终产品。1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得授权,利用该技术来生产3D打印机，“3D打印机”的称谓由此而来，这种技术的优点在于制作速度快、价格低廉，但其烧结环节类似陶瓷制品的烧结环节，难以快速进入个人或家庭的视野。2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。2008年，开源3D打印项目RepRap发布“Darwin”，3D打印机制造进入新纪元。

2、3D打印技术简介

2.1 光固化成型技术

光固化成型（Stereo lithigraphy Apparatus，SLA）技术主要使用光敏树脂为材料，通过紫外光或其它光源照射使树脂薄层产生光聚合反应而凝固成型，逐层固化，最终得到完整的产品。光固化成型技术的成型原理如图2-1所示。其优势在于成型速度快、精度高、表面光滑，适合制作精度要求高、结构复杂的精细工件的快速成型。光固化成型技术的不足之处在于光敏树脂原材料有一定的毒性，操作人员使用时要注意防护，成型后模型强度不够且容易变色、变质，模型稳定性差。因此一般主要用于原形设计验证，然后通过一系列后续处理工序可将原形转化为实用型产品。光固化成型技术的设备成本、材料成本以及维护成本都远高于FDM，因此主要运用在专业领域。

图 2-1 光固化成型技术原理图

2.2熔丝沉积成型技术

熔丝沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）技术是将丝状热熔性材料加热融化，通过3D打印机的打印头内的喷嘴挤喷出来，沉积在制作面板上，当温度低于固化温度后开始固化过程，通过材料的层层堆积形成最终成品，其成型原理见图2-2，熔丝沉积成型3D打印机的打印头通过加热线材挤出熔融物于平台上、自下而上地构造实体模型。熔丝沉积成型技术机械结构最简单、设计容易，制造成本、维护成本和材料成本低，是桌面型机中使用得最多的技术，机器简便易用、成型过程可控且无光学或电磁危害，整机具有相对的价格优势。随着熔丝沉积成型温度控制技术和FDM打印材料的发展，通过熔丝沉积成型技术打印陶瓷、木类、蜡质、金属等实物已经实现并在精度和速度上逐步提升，通过打磨、抛光、上色等后处理的实物可兼具实用性能与论证性能。

图 2-2熔丝沉积成型技术原理图

2.3 选择性激光烧结成型技术

选择性激光烧结成型（Selective Laser Sintering，SLS）技术利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层层堆结成型：铺一层粉末材料并将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘结，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直到完成整个模型成型。选择性激光烧结成型原理如图2-3所示。选择性激光烧结成型技术可以使用较多的粉末材料并制成相应材质的成品。选择性激光烧结成型技术优势目前在于金属成品的制作，强度优于其他3D打印技术，但缺陷是粉末烧结的表面粗糙，需后期处理；设备成本高、技术难度大、制造和维护成本高，所以应用范围主要集中在高端制造领域。

图 2-3选择性激光烧结成型原理图

2.4 三维粉末粘结成型技术

三维粉末粘结成型（Three Demensional Printing and Gluing，3DP）技术原料使用粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等，工作原理：铺一层粉末后用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让粉末粘接形成零件截面，后续不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，一层一层叠加，获得最终打印出来的产品，三维粉末粘结成型的成型原理如图2-4所示。三维粉末粘结成型技术优势在于成型速度快，无需支撑结构，而且能输出彩色打印产品，这是其他技术比较难于实现的。不足是：粉末粘接的成品强度不高，多数只能作为测试原型，成品表面不如光固化成型技术光洁，精细度也有劣势，要产生拥有足够强度的产品，还需一系列的后续处理工序；制造的相关粉末材料成本高、技术复杂，所以三维粉末粘结成型技术主要应用于专业领域。

图 2-4三维粉末粘结成型技术原理图

2.5 分层实体制造成型技术

分层实体制造成型（Laminated Object Manufacturing，LOM）技术是根据三维CAD模型每个截面的轮廓线，在计算机控制下发出控制切割系统的指令。供料机构将涂有热溶胶的薄片（如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔材）分段送至工作台，切割系统按照计算机提取的横截面轮廓对薄片沿轮廓线将工作台上的材料割出轮廓线，并将材料的无轮廓区切成小碎片，然后逐层将薄片压紧并黏合在一起。可升降工作台支撑正在成型的物体，并在每层成型之后降低一个厚度，以便送进、粘合和切割新的一层薄片。然后将多余的废料小块剔除，最终获得三维产品。分层实体制造成型技术的成型原理如图2-5所示。目前，分层实体制造成型技术可以应用的原材料种类较少，如纸、金属膜、塑料薄膜；成型出来的模型须尽快进行防潮处理。此种技术很难构建形状精细、多曲面的物体，仅限于结构简单的物件。

图 2-5分层实体制造成型原理图

2.6 数字光处理成型技术

数字光处理成型（Digital Light Processing，DLP）技术主要使用光敏树脂为材料，以DLP类型芯片组的高反射铝微镜阵列实现电子束输入和光子输出而构成数字光处理器，对数字光处理器进行编程实现正负图形或图像的输出，运用数字光处理器以正投或者背投的方式、实现整面照射使树脂薄层产生聚合反应和凝固成型，通过逐层固化液态聚合物后得到完整的产品。数字光处理成型技术的成型原理如图2-6所示。优势在于成型速度快、精度高、表面光滑，适合制作精度要求高、结构复杂的精细物体的快速成型。

图 2-6数字光处理成型原理图

2.7 其它3D打印成型技术

3D打印技术在其近30年的发展历程中不断创新，演变出了许多不同的技术，它们的不同之处主要在于更换不一样的高能源光源、使用新的控制系统，控制光源走向，控制机电系统、新的材料喷射方式，打印头控制、新的成型材料、新的粘合技术等等。其它3D打印成型技术及其类型与所使用的基本材料如下表所示：

(二)、3D打印产业链简述

单从3D打印产业链的角度看，3D打印产业划分为上游的3D数字建模和打印材料、中游的3D打印装备、下游的3D打印应用。由于在产业发展的初期，受到技术推广和市场规模限制，产业链专业分工不成熟，使得主要的3D打印企业如3DSystems，Stratasys等也都在以集产品销售、材料销售和服务销售为一体形式存在。但从长远看，产业链的各环节会逐步产生专业化的分离，产品设计服务会独立或向下游消费企业转移。

1、3D数字建模

3D数字建模可以通过三维数据采集设备或3D设计软件来完成，三维数据采集设备和3D设计软件都开放了“3D打印”接口，直接输出可以进行3D打印的文件格式，如.stl格式，提供给用户直接的服务体验。目前，不同公司的三维设计软件和逆向工程应用软件具有各自独特的亮点。如Siemens PLM Software公司出品的UG(Unigraphics NX)软件，能够为用户的产品设计及加工过程提供数字化造型和验证手段，是一个功能强大的交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，可以针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求轻松实现各种复杂实体及造型的建构，并在设计阶段就经过实践验证；美国参数技术公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维设计软件Pro/Engineer以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域占有着重要的地位，作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一。上述两设计软件在曲面造型和结构设计方面等具有明显的优势。美国Geomagic公司旗下的主要产品Geomagic Studio、Geomagic Qualify和Geomagic Qualify probe，在逆向工程应用中被广泛的使用。Geomagic软件产品在业界率先实现了利用来自扫描仪的三维点云数据对物理对象进行三维逆向工程和检测，其产品重视易用性以及与客户工作流程的集成，并且注重以足够强大的功能来影响客户工作和创新的方式。

此外，还有诸如Solidworks、3DMAX、Sketchup等等三维设计软件，也都在不同的应用领域，彰显各自优点。

2、3D打印耗材

3D打印技术的兴起和发展，离不开3D打印材料的发展，不同的应用领域所用的耗材种类是不一样的，所以材料的丰富和发展程度决定着它是否能够普及使用。目前可用的3D打印材料种类已超过200种，如果把这些打印材料进行归类，可分为石化产品类、生物类产品、金属类产品、石灰混凝土产品等几大类，在业内比较常用的有以下几种：ABS 塑料类、PLA塑料类、亚力克类材料、尼龙铝粉材料、陶瓷、树脂、不锈钢、其他金属——银、金和钛金属（钛金属是高端3D打印机经常用的材料，例如用来打印航空飞行器上的构件）、彩色打印材料。但是现有的各种打印材料对应于现实中纷繁复杂的产品还远远不够。

工业级3D打印机主要使用光敏树脂、类ABS材料、复合材料等拥有不同强硬度，柔韧性的材料，金属材料将成为工业发展的趋势之一，而粉末制备是3D打印材料技术的一个难点，3D打印材料的进步将直接影响3D打印技术进步的快慢，能够为航空航天、医疗设备等高端市场所使用的高标准3D打印材料的核心技术主要为欧、美发达国家的厂商所掌握，如美国的Stratasys、3D Systems公司、德国的EnvisionTEC、EOS、SLMSolutionsGmbH、ConceptLaser公司、瑞典的ArcamAB公司、加拿大的AP&C公司、英国的Renishaw公司等，因为没有行业标准，使得3D设备厂商将材料和设备形成强关联性，尤其针对高端应用领域的诸如光敏聚合物材料、金属粉末材料、生物材料等更是如此，材料价格相当昂贵，我国自主研发的某些金属材料等价格也不菲。

随着我国从国家层面在新材料领域的重视，有望降低国外原材料公司的垄断预期。未来在新材料的开发方面将会注重研究材料的加工-结构-属性之间关系，明确材料的优点和局限性，为材料提供规范性标准。

3、3D打印装备

不同的3D成型技术，伴随着相对应的3D成型装备，基于不同行业其应用领域的不同，对3D打印设备也有不同的需求。因此，市场上可以见到不同成型技术的桌面型、专业型、工业型3D打印机，价格也因打印精度或成型尺寸，或连续工作时间，或打印速度等技术性能指标的单一或组合要求而相差巨大，其根本原因在于：

3D打印设备是一种多领域、多学科的软硬件结合体，不论哪一种成型技术的装备都离不开控制系统（软件部分）和硬件系统，设备的技术性能指标受到软、硬件系统的制约。若制造厂商采用开源技术，则软件部分受制于第三方的技术进步，在一段时间内只能通过硬件系统的改进来提升装备的性能，但这是不够全面的，产品难免在性能上具有短板。拥有自主核心技术的设备制造商，其产品在设计阶段就会充分地考虑装备的软、硬件协同能力，选择相匹配的零部件，以确保装备的整体性能在打印精度、打印速度、稳定性、连续工作时间等方面达到设计要求。

4、3D打印应用

3D打印技术正是伴随着它的实际应用而逐步发展起来的，目前已经广泛应用于汽车、机械、航空航天、家电、通讯、电子、建筑、医疗、珠宝，鞋类，玩具等产品的设计开发过程，也在模具制造、工程施工，食品制造、地理信息系统等许多其他领域得到应用。3D打印技术最突出的优点在于无需机械加工或任何模具，就能够直接把设计好的计算机图形数据生成和打印出单个物品，尤其可以打印出传统生产技术难于制造的极其复杂外形和结构的物体，颠覆了传统的模型制作方式，既快速又廉价。特别在产品外观评估、方案选择、装配检查、功能测试、用户看样订货、塑料件开模前校验设计以及少量产品制造等方面，可以大大缩短设计周期，提高生产效率，降低生产成本，给企业带来了较大的经济效益。例如：

4.1 在建筑领域的应用

建筑模型的传统制作方式，渐渐无法满足高端设计项目的要求。现如今众多设计机构的大型设施或场馆都利用3D 打印技术先期构建精确建筑模型来进行效果展示与相关测试，3D 打印技术所发挥的优势和无可比拟的逼真效果为设计师所认同。工程师和设计师使用3D打印机打印建筑模型，不仅成本低、环保，而且制作精美，完全合乎设计者的要求。盈创科技公司的大型3D打印机已经能打印出整栋的房屋。

BIM（建筑信息模型）作为一种在建筑工程项目中使用的信息化管理技术，以建筑工程项目的海量信息为基础，在整个工程的设计阶段建立起三维建筑模型，给项目决策者、建造施工者等一个直观的感受，是贯穿于整个建设项目全生命周期的信息集合。BIM能够提高管理效率，涉及到建筑工程项目从规划、设计到施工、维护的一系列创新和变革，是建筑业信息化发展的趋势。BIM建筑信息模型是对建筑物实体与功能特性的数字表达形式，它通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。建设项目的各参与方可以通过模型在项目全生命周期中获取各自所需的管理信息并且可以更新、插入、提取、共享项目各项数据，从而实现协同管理，提高项目管理的效率。

3D打印作为一种快速成形的技术，从理论上讲，3D打印机能够完整打印出一整套房屋以及各种立体的物品。在设计阶段，排水系统模型、给水系统模型、消火栓系统模型等各种模型都能够通过3D打印机打印出来，方便对实体模型进行研究以及学习。在施工阶段，3D打印的使用能够降低建筑周期、减少建筑成本以及减少建筑垃圾。而对于后期的维护，3D打印的建筑设计模型能够更好得服务于维护人员。BIM技术与3D打印技术相结合能够扩展业务范围，如虎添翼。

3D打印可以打印出各类建筑的设计模型，帮助建设人员提前进行规划整改以及从整体视角对建筑进行观察。图4-1是中铁十七局设计的地铁模型，由我们公司制作，此模型是厦门市政府进行地铁建设的重要参照依据。在地铁建设的设计阶段运用3D打印技术将地铁模型打印出来可以供建设人员在建造前进行更好地计划以及便于各部门进行信息交流。

图 4-1 厦门地铁模型

北京通州一厂房内诞生的3D打印别墅是世界上第一幢由3D打印机现场打印的房屋，如图4-2。其真正的施工时间为45天。这一幢400平米的别墅据检测能够抵抗八级以上的地震。

图 4-2 3D打印别墅（图片来源：中国网）

图4-3是迪拜第一个耗时17天的全功能3D打印建筑。这座建筑的外形采用阿联酋大厦设计风格，其建筑占地2000平方英尺，有足够的工作或者召开国际性会议的空间，并且水、电、通讯设施、制冷系统等供应非常完善。

图 4-3 迪拜第一个3D打印建筑（图片来源：3D虎）

图4-4是超5亿美元的未来博物馆，将在迪拜3D建造。这座博物馆为了能与它馆藏的未来科技和发明相媲美，将使用3D打印来建造。

图 4-4 未来博物馆蓝图（图片来源：3D虎）

4.2 在航空航天领域的应用

航空航天制造领域集成了一个国家所有的高精尖技术，是国家战略计划得以实施，政治形势得以展现的后援保障领域。而金属3D技术作为一项全新的制造技术，在航空航天领域的应用具有相当突出的优势，服务效益明显。主要体现在以下几个方面：

(1)缩短新型航空航天装备的研发周期；

(2)提高材料的利用率，节约昂贵的战略材料，降低制造成本；

(3)优化零件结构，减轻重量，减少应力集中，增加使用寿命；

(4)零件的修复成形；

(5)与传统制造技术相配合，互通互补。

航空航天作为3D打印技术的首要应用领域，其技术优势明显，但是这绝不是意味着金属3D打印是无所不能的，在实际生产中，其技术应用还有很多亟待决绝的问题。比如目前3D打印还无法适应大规模生产，满足不了高精度需求，无法实现高效率制造等。而且，制约3D打印发展的一个关键因素就是其设备成本的居高不下，大多数民用领域还无法承担起如此高昂的设备制造成本。但是随着材料技术，计算机技术以及激光技术的不断发展，制造成本将会不断降低，满足制造业对生产成本的承受能力，届时，3D打印将会在制造领域绽放属于它的光芒。虽然还有很多技术亟待解决，但是3D打印在航空航天制造业上的应用已经逐渐进行。

波音公司的737 MAX上面安装了一对CFM International公司的LEAP-1B发动机，这款发动机上使用了19个3D打印的燃料喷嘴。这些3D打印的燃料喷嘴只有用3D打印技术才能够制造得出来。这种3D打印的新型燃料喷嘴重量更轻，比传统的燃料喷嘴轻了25%——以前制造这种燃料喷嘴需要18个部件，而现在只需要1个。除此之外，还具备冷却通路和支持索带更加复杂等优势。这些新特性使得3D打印燃料喷嘴的耐久性比常规制造的增加了5倍。如图4-5。

图 4-5 3D打印的飞机燃料喷嘴（图片来源：3D虎）

图4-6是美国航空航天制造商洛克希德·马丁公司首个用在弹道导弹上面的3D打印部件。这是一个“连接器后壳”,它主要装在电缆连接器上面以保护它们免受伤害或者意外断开。

这件仅有1英寸（2.5厘米）宽的连接器后壳在3D打印时，先由3D打印机在打印床上铺设一层薄薄的铝合金粉末，然后高温的激光或电子束在计算机的引导下融化指定区域的粉末，然后机器又铺上了另外一层粉末，这个过程不断重复，直至3D对象被打印完成为止。打印完成后吹去多余的粉末，并进行平滑处理和抛光。使用3D打印技术可以减少材料浪费，而且生产周期与常规方法相比被缩减了一半。

图 4-6 连接器后壳（图片来源：3D虎）

4.3 在汽车制造领域的应用

经过多年的发展，3D打印技术已经成为汽车制造不可或缺的一部分，这一点在福特公司身上体现得尤为突出。

使用传统的成型技术生产原型的一部分零件，不仅在技术人员和工具上有特定的要求，而且生产周期往往需要数周甚至数月。而3D打印技术的速度、效率和成本控制相比于传统技术都有明显优势。福特公司使用3D打印技术使得等待原型的时间大大减少，从几周到几小时不定。3D打印技术不仅节约了公司的时间，还大大降低了原型制作的成本，而且该技术允许工程师随时进行测试和优化。

2017版的福特GT这一款车的设计上利用3D打印技术进行了一系列的原型细化和完善，最终这款车被设计成了F1式的方形方向盘（如图4-7），该方向盘集合了变速控制和驱动控制的功能。另外，这款车的上翻车门由于经过多次原型设计和修改，重量大大降低。

图 4-7 3D打印方向盘（图片来源：3D虎）

福特推出的高端汽车蒙迪欧Vignale中网上独特的六边形是利用3D打印技术制作而成的。同时，设计师们还通过原型设计打造出了19英寸的镍合金轮毂和双层镀铬的排气管。另外，在一些外观装饰的细节上也不同程度地利用了3D打印技术。如图4-8。

图 4-8拥有3D打印部件的蒙迪欧Vignale（图片来源：3D虎）

不管是福特的Dunton技术中心，还是其设在德国的福特欧洲总部都已经将3D打印原型融合到其经典设计流程中。设计师们参考一系列设计草图和2D图纸，通过三维建模软件做成CAD模型。同时进行全尺寸黏土模型的制作。两者的同时进行使福特公司评估首次设计的时间大大缩短。全尺寸的黏土模型能够方便设计团队评估车型和车身的整体线条以及设计，而3D打印的模型能够提供一些细节部位的参考。

4.4 在医疗领域的应用

3D打印模型可以让医生提前进行练习、使手术变得更为安全，有助于减少手术步骤，从而减少病人在手术台上的时间；南方医科大学珠江医院的方驰华教授利用3D打印的肝脏模型指导完成复杂肝脏肿瘤切除手术，这也是我国首例的肝脏手术应用；外科医生可以用3D打印的骨骼替代品进行骨骼损伤修复，帮助骨质疏松症患者恢复健康。

生物3D打印是基于“增材制造”的原理，以特制生物“打印机”为手段，以加工活性材料包括细胞、生长因子、生物材料等为主要内容，以重建人体组织和器官为目标的跨学科跨领域的新型再生医学工程技术。它代表了目前3D打印技术的最高水平之一。

3D打印牙齿、骨骼修复技术已经非常成熟，并在各大骨科医院、口腔医院快速普及，而3D打印细胞、软组织、器官等方面的技术可能还需要5－10年。

先天性心脏缺陷是出生缺陷中最常见的类型，每年有近1％的新生婴儿有此类问题。对婴幼儿进行心脏手术要求医生在一个还没有完全长成的小而精致的器官的内部操作，难度非常高。在美国肯塔基州Louisville的Kosair儿童医院，心脏外科医生Erle Austin在对一个患有心脏病的幼儿进行复杂的手术之前，用3D打印的模型规划和实验，保障了手术的成功完成。

图 4-9　3D打印心脏模型

图4-10 是一种新型的牙科部件，叫做Dental SG。借助这款新部件，医生在牙科植入手术当中能够针对牙钻的位置做出精准的决策。这款新部件使用桡性树脂，通过3D打印技术制作，能够完美地嵌合于患者的牙齿3D打印模型之上。这种方法既能够提高手术精准度和效率，又可以加快患者的恢复期，可谓两全其美。

图 4-10 牙科部件Dental SG（图片来源：中国3D打印网）

通过3D打印，医生们能够通过分析患者独特的MRI和CT扫描图来打印骨骼的三维模型。一般的桌面级3D打印机就能够在几小时内完成模型的制作。这些骨骼模型一般都是通过一种生物可降解材料PLA来进行打印。如图4-11。

图 4-11 3D打印骨骼模型（图片来源：中国3D打印网）

西安交大一附院完成国内首例3D打印颈内静脉－锁骨下静脉－上腔静脉梗阻血管再造手术。3D打印患者病变静脉系统及周围结构，再根据打印自制牛心包管道与打印结果进行契合，与梗阻静脉吻合的手术方式，对于此类疾病的治疗具有开拓意义，也为此类病例的解决提供了新的思路。

4.5 在文化创意领域的应用

文化创意是以文化为元素、融合多文化、整理相关科学、利用不同载体而构建的再造与创新的文化现象。文化创意产业是指依靠创意人的智慧、技能和天赋，借助于高科技对文化资源进行创造与提升，通过知识产权的开发和运用，产生出高附加值产品，具有创造财富和就业潜力的产业。

我国对文化创意产业的形态和业态进行了界定，明确提出了国家发展文化创意产业的主要任务，标志着国家已经将文化创意产业放在文化创新的高度进行了整体布局。2016年12月，由国务院印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》公布，数字创意产业首次被纳入国家战略性新兴产业发展规划，成为与新一代信息技术、生物、高端制造、绿色低碳产业并列的五大新支柱。2017年4月，文化部推出了《关于推动数字文化产业创新发展的指导意见》，提出了推动包括3D打印在内的前沿技术和装备在数字文化产业领域的应用，以技术创新推动产品创新、模式创新和业态创新，更好地满足智能化、个性化、时尚化消费需求。

3D打印在文化创意领域有着广阔的应用空间，如应用于艺术品的个性化定制、珠宝首饰的生产制造、文物等古代高端艺术品的再现和衍生品制作。专家总结了3D打印技术在文化创意产业的应用价值：

（1）能够为独一无二的文物和艺术品建立起准确、完整的三维数字档案库，以便随时可以高保真地将文物和艺术品实物模型给予再现；

（2）取代了传统的手工制模工艺，在作品精细度、制作效率方面带来了极大的改善和提高，对于有实物样板的作品，通过数字模型数据可以非常容易地进行编辑、缩放、复制等精确操作，借助3D打印机这种数字制造工具，高效实现小批量生产，促进文化的传播和交流；

（3）带来了大量的跨界整合和创造的机会，为艺术家们提供了极其广阔的创作空间，尤其在文物和高端艺术品的复制、修复、衍生品开发方面的作用非常明显。

3D打印技术给了人们无限的想象，其最大的优势在于能够弥补传统制作难以做出的一些设计，使得设计师可以将所有的精力放在设计上，而不需要过多地去迁就制作方式。

图4-12是陕西博物馆为了更好地保护文物而利用3D打印技术仿制的西汉匈奴鹿型金怪兽。这件文物制作工艺精湛，说明当时匈奴在银器制作方面水平之高，是匈奴最具代表性的艺术珍品。

图 4-12 西汉匈奴鹿型金怪兽（图片来源：中国3D打印网）

3D打印使得珠宝定制不再是少部分人的专属。借助于电脑辅助设计技术（CAD），设计师可以设计出任何我们想象得到的珠宝样式。虽然相比于传统的由精湛手工艺制作而成的珠宝，其人文价值是3D打印珠宝所无法比拟的，但是在珠宝设计的复杂性以及时间成本上却是拥有绝对优势的。

图 4-13 3D打印戒指（图片来源：ZOL）

电影道具在当今这个大片横行的时代有着举足轻重的地位，在影视制作中巧妙运用道具能够恰当地体现场景环境气氛，地区和时代特色。图4-14是由设计师利用他们自己设计的一个算法自动生成一个3D文件进行3D打印而成的白骨祭坛。

图 4-14 3D打印白骨祭坛（图片来源：ＰＣＨＯＭＥ）

美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究。博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响传递给更多更远的人。

此外，Autodesk组建鞋业集团，力推数字化制鞋解决方案，实现个性化定制，包括鞋子和配饰的设计、制造并达到合脚、舒适。

(三)世界发达国家3D打印发展现状简介

美国和欧洲在3D打印技术的研发及推广应用方面处于领先地位，美国是全球3D打印技术和应用的领导者，美、欧发达国家、日本和中国等国家都先后制定了3D打印的发展战略。

美国政府提出了“新经济战略”，也称“重振美国制造业”发展战略。奥巴马政府曾多次强调3D打印的重要性，将3D打印列为11项重要技术之一，把其和机器人、人工智能并列为美国制造的关键技术。2012 年8 月在俄亥俄州的扬斯敦成立了国家增材制造创新研究院。联合研发机构、高等院校、制造商从事研发生产。美国的3D打印企业以3D Systems和 Stratasys公司为代表。

欧洲也十分重视对3D打印技术的研发应用。由于其工业基础扎实，科技创新和人才优势明显，在3D打印领域的研发也较早，尤其是工艺技术、研发投入、人才基础、产业形态、材料等领域都比较强。德国在2008 年建立了直接制造研究中心，主要推广在航空航天领域应用；英国在2011 年开始设立了多个研究中心，持续增加研发费用；法国的增材制造协会致力于增材制造技术标准的研究。以德国EOS、 瑞典ArcamAB、英国Reprap公司为代表的企业更加注重3D打印技术在高端制造业、生物医疗等领域的实际应用。

日本政府也对3D打印产业在财政上给予大力支持，成立了"3D打印机"研究会，日本经济产业省启动了开发高水准3D打印机的国家项目。日本政府在2014年的预算案中划拨了40亿日元，用以实施“以三维成型技术为核心的制造革命计划”。日本在3D打印领域更注重于推动3D打印技术的推广应用，目前日本的不少企业也开始进入这一行业

此外，澳大利亚在2012 年2 月宣布支持一项航空航天领域革命性的项目微型发动机增材制造技术；

(四)中国国家和地方3D打印产业政策简介

在世界工业强国纷纷将3D打印作为未来产业发展新的增长点加以培育，制定了推动3D打印发展的国家战略和具体推动措施。我国也高度重视，从科技支撑和面向产业化方面制定实施了一系列发展规划和财税政策。具体：

1、国家863计划

2013年4月，科技部公布的《国家高技术研究发展计划（863计划）、国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》，首次将3D打印产业纳入其中。《指南》中提到，破3D打印制造技术中的核心关键技术，研制重点装备产品，并在相关领域开展验证，初步具备开展全面推广应用的技术、装备和产业化条件。由国家拨款设四个前沿技术研究方向：

（1）面向航空航天大型零件激光熔化成型装备研制及应用，针对航空航天产品研制（试制）过程中单件、小批量需求，研制适合钛合金等难加工零件直接成型的大型零件激光熔化成型装备，台面2米×2米，制件精度控制在±1%以内，堆积效率达300cm3/h以上。制定相关工业技术标准，并在航空航天产品研制零部件制造中进行应用。

（2）面向复杂零部件模具制造的大型激光烧结成型装备研制及应用，针对复杂零部件模具快速制造的需求，研制适合制造蜡模、蜡型、砂型制造，以及尼龙等塑料零件制造的大型激光烧结成型装备，台面2米×2米，制件精度控制在±0.1%以内，堆积效率达1000cm3/h以上。制定相关技术标准，并在汽车、模具等行业产品研制中得到应用。

（3）面向材料结构一体化复杂零部件高温高压扩散连接设备研制与应用，针对结构复杂、性能要求高、连接难度大等复杂零部件加工的需求，研制材料结构一体化复杂零件高温高压扩散连接设备和工艺，工作加热区域尺寸Φ1000mm×1000mm以上，并在航空航天产品的研制中开展应用。

（4）基于3D打印制造技术的家电行业个性化定制关键技术研究及应用示范，针对家电行业个性化定制迫切需求，结合以3D打印制造技术为核心的数字制造技术带来的制造变革，研究3D打印个性化零件设计技术、个性化定制模式、定制业务协同引擎、交互门户、运行平台等技术，开发个性化定制管理平台，并基于3D打印制造装备为终端用户提供个性化定制服务，在应用示范期内销售经济收入不少于3000万元。

2、《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》

2015年2月，为落实国务院关于发展战略性新兴产业的决策部署,抢抓新一轮科技革命和产业变革的重大机遇，加快推进我国增材制造（又称“3D打印”）产业健康有序发展，工业和信息化部、发展改革委、财政部研究制定了《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》。根据计划提出的目标，到2016年，初步建立较为完善的增材制造产业体系，整体技术水平保持与国际同步，在航空航天等直接制造领域达到国际先进水平，在国际市场上占有较大的市场份额。

（1）产业化取得重大进展。增材制造产业销售收入实现快速增长,年均增长速度30%以上。进一步夯实技术基础，形成2-3家具有较强国际竞争力的增材制造企业。

（2）技术水平明显提高。部分增材制造工艺装备达到国际先进水平，初步掌握增材制造专用材料、工艺软件及关键零部件等重要环节关键核心技术。研发一批自主装备、核心器件及成形材料。

（3）行业应用显著深化。增材制造成为航空航天等高端装备制造及修复领域的重要技术手段，初步成为产品研发设计、创新创意及个性化产品的实现手段以及新药研发、临床诊断与治疗的工具。在全国形成一批应用示范中心或基地。

（4）研究建立支撑体系。成立增材制造行业协会，加强对增材制造技术未来发展中可能出现的一些如安全、伦理等方面问题的研究。建立5-6家增材制造技术创新中心，完善扶持政策，形成较为完善的产业标准体系。

3、《中国制造2025》规划

2015年5月，国务院发布了《中国制造2025》规划，其中5处提到了3D打印，并将其列为要突破的10个重点领域之一。在国家智能制造标准体系建设指南（2015年版）的智能制造标准体系框架中，确定3D打印技术为智能装备的重要技术之一。

4、我国地方产业政策

为响应国家产业政策，国内一些省、市也相应出台了促进3D打印产业发展的意见或方案。如：2013年8月，福建省颁布了《关于促进３Ｄ打印产业发展的若干意见》，要求建设三个技术研发平台。一是建设材料研发平台，以聚合物材料、金属基材料、陶瓷基材料等为重点研发生产3D打印材料；二是建设核心部件和装备研发平台，开发高精度成型工艺核心部件，研发硬件控制技术与开放式数控系统、3D打印及后处理设备的集成技术，促进在信息制造业等行业的推广应用；三是建设3D建模研发平台，研发3D模型获取、3D建模技术与工程仿真、产品开发与服务云平台、3D打印过程控制等关键技术，推动3D打印数字化建模系统产业化创新应用。支持省教育部门进一步完善学科和专业设置，将3D打印技术纳入相关学科和专业建设体系，培养我省急需的3D打印技术人才。此外，《厦门市智能制造“十三五”发展规划》还提出了“数字化研发设计工具普及率达到80%左右”、“产品研制周期缩短30%，生产效率提高20%”的要求。

浙江省和杭州市推出了《浙江省关于加强三维打印技术攻关加快产业化的实施意见》和《杭州市关于加快推进3D打印产业发展的实施意见》；北京市、广东省、江苏省、四川省、湖南省也分别颁布了《促进北京市增材制造（3D打印）科技创新与产业培育的工作意见》；《加快广东省3D打印技术和应用产业发展实施方案》；《江苏省三维打印技术发展及产业化推进方案（2013-2015年）》；《四川省增材制造(3D打印)产业发展路线图（2014-2023）》；《湖南省关于加快推进智能制造装备产业发展的若干意见》等等。

（五）3D打印产业市场规模分析

从产业发展的市场角度看，由于3D打印技术受到全球许多国家的重视，3D打印产业也成为“十大增长最快的工业”之一。前瞻产业研究院所发布的3D打印产业市场需求与投资潜力分析报告显示，全球3D打印市场规模逐年快速增长，如下图所示。

据Allied Market Research（联合市场调查）预测，全球3D打印市场份额从2014-2020年的年复增长率将达20.6%，其中，电子光束溶解法将成为发展最快的技术领域，年复合增长率有望达到接近30%。在打印材料方面，预计聚合物占3D打印市场的主要份额，金属和合金将成为增长最快的材料领域，预计在2014-2020期间，将以40.5%的年复增长率增长。

从前瞻产业研究院的分析报告看，我国3D打印产业进入了高速发展期。2012年的市场规模不足10亿元；而到2014年已超过40亿元。虽然从数据上看来，在全球市场中所占份额较小，但增长速度远高于全球平均水平，作为全球重要的制造基地，中国3D打印市场的潜在需求旺盛，有着很大的提升空间，预计2018年中国3D打印市场规模将超过200亿元。中国有潜力成为世界最大的3D打印市场。下图为中国3D打印市场规模及增长趋势

数据来源：世界3D打印技术产业协会

其中，2015-2016年中国3D打印产业链中的材料、装备、应用与服务比例分布为：

数据来源：《中国增材制造产业发展报告（2017年）》

3D打印已经显示出了巨大的市场潜力，目前3D打印占全球制造业市场极为微小，其产业链从最初的原材料处理、设备制造直到最后的打印应用与服务，即使只有一小部分消费品通过3D打印的方式来制造，这也将是一个巨大规模的市场。

此外，3D打印技术的发展能够催生和培育3D打印设备与相关服务新产业，包括零部件委托加工、专业设计分析、设计/控制软件开发等业务，有助于带动金属和功能材料制备、激光器/喷嘴等核心元部件研发，能够进一步推进网络化协同制造、定制化制造、专业化制造和绿色制造，促进高端装备制造、生物制造等产业发展。因此，发展3D打印是培育新兴产业、优化产业结构、促进产业升级的重要途径。反过来，又将推动和扩大3D打印产业规模。