第一篇：影视动漫设计各环节的3D技术运用论文
0 前言
基于影视动漫设计来说，其涉及面非常广，除了涉及动作设计环节、画面设计环节以及色彩设计环节以外，还涉及了人物设计环节和环境设计环节，而严格把握每一个设计环节是提升其设计效率的基本前提以及重要保证。近几年，3D 技术已经渗入至影视动漫设计中，在对传统设计手段进行改革的基础上，融入了新型数字技术以及艺术设计模式，给影视动漫设计领域带来重大改变，在视觉效果方面使观众产生耳目一新之感。动作设计环节3D 技术的有效应用
在对动漫故事进行设计和构架时，若存在着动漫人物，通常需要予以设计表情以及动作等。基于动漫故事来说，人物肢体动作以及人物语言都是提升其完整性的重要指标。因此，严格把握动作设计程序尤其关键。较之2D 技术，3D 技术在功能方面更加丰富和更具优势，通过对人物动作进行仿真，再结合各种人物设计程序，即可有效提升动漫人物整体真实感。[1]
例如，在对动漫人物走路模式进行设计时，3D 技术当中就有现成走路模式，在合理把握走路是人物衣服变化情况、鞋子变化情况、表情以及动作等要素的基础上，即可丰富动漫人物形象。除了选择固有模式之外，还可以有机结合电脑设备和人物身体，再结合人物设计基本需求，开展现场动作设计活动，除了可以提升人物动作独特性之外，还有助于增强其真实性。画面设计环节3D 技术的有效应用
基于影视动漫来说，其画面设计对于真实性和流畅性都有较高要求，是提升其画面效果的重要保证。3D 动漫在画面上具有流畅性、真实性、柔和性以及唯美性的特征，加之清晰度非常高。因此，能够使观众产生身临其境的感受，并将自身视作动漫故事参与者的角色，有助于提升其观看效果。与此同时，由于3D 技术的有效应用可以设计出一些宏观场面，给观众带来视觉层面的冲击效应，使之在脑海中有机结合动漫人物以及真实情景，从而带来更加丰富的视觉享受。色彩设计环节3D 技术的有效应用
色彩设计环节3D 技术的有效应用需要合理把握画面色彩设置程序，确保画面色彩愈加独特性和分明性。
一般而言，画面层次的清晰度会对画面色彩整体鲜艳度造成直接影响，进而影响到观众的视觉感官。在传统设计方案中，虽然二维色彩技术曾取得了显着成效，但是在色彩方面却始终难以达到分明的目标，同时在鲜艳度方面也无法达到既定效果，严重影响其观看视觉。与之相比，3D 技术在色彩设计环节的应用效果更佳突出，除了可以有效提升影视动漫整体层次感之外，还能够在一定程度之上增强其真实性，而且其色彩的整体视觉效果也存在一定优势。人物设计环节3D 技术的有效应用
基于影视动漫设计来说，其最为关键的一个环节即为人物设计，人物设计程序是否成功会对动漫作品整体效果带来决定性影响。一般而言，动漫作品中不仅包含着生动形象、可以吸引眼球的故事内容，还应当要有能够引起共鸣的关键性人物，在只有情节而没有人物形象的基础上，该动漫作品往往难以吸引观众注意力，也会被动漫市场淘汰。鉴于此，影视动漫设计中，合理把握人物设计环节十分有必要。通常情况下，影视动漫在内部人物方面都由编剧发挥其想象之后才能设计出来，有的人物美丽动人，有的人物端庄稳重，有的人物凶狠毒辣，还有的人物调皮可爱。这些人物形象通常由编剧发挥其主观能动性才能构造出来，既有和现实生活息息相关的人物，也有部分人物脱离于生活，和现实生活之间存在着偏差，以至于观众“不买账”.人物设计强调创新，在对各种创新手段、创新模式进行有效利用的基础上，才能够设计出集聚个性化、独特化以及唯美性为一体的人物，也能最大限度吸引到观众视线，为其营造出视觉层面的享受。而3D 技术的有效应用有助于提升动漫人物整体立体感以及真实感，加之3D 技术创造出的动漫人物还具备较为逼真的身材以及相貌，使之不再局限于影视上，更多的是参与至观众的内心世界和真实生活，在拉近观众和动漫人物之间距离的基础上，使观众融入至动漫角色中，并产生思想层面的共鸣。不但如此，影视动漫设计中3D 技术的有效应用还能深入到细节处理方面，例如水珠的滴落过程、女孩自然下垂的鬓角以及男孩的胡茬等方面都能够逼真地呈现在观众面前，使人物形象栩栩如生。环境设计环节3D 技术的有效应用
故事情节、人物形象、社会环境以及人物环境等都是动脉作品中的构成部分，缺少任何一个方面都会对动漫作品整体效果造成不良影响。传统二维动漫在环境设计方面以静止状态为主，不仅使花草失去了其生命力和楼房建筑失去了其立体感，同时行人的表情也过于僵硬化，以至于整体动漫形象都失去了生气，始终处于静止状态中，并不会随着故事情节发生变化，同时难以吸引观众，不符合其审美需求，常常看到一半便已弃剧的情况时有发生，而3D 技术则可有效解决上述问题。
环境设计环节，3D 技术通过设计出逼真环境，推动观众从视觉层面感知动漫作品，仿佛进入到真实世界中，花草绿意盎然的同时，还具有了生命力，以树木丛生为基本影响模式呈现出来，同时楼房建筑也不再呈现出静止状态，而是以热闹、繁华的景象将其直接取代。
除此以外，环境设计环节3D 技术的有效应用还能使动漫作品当中的场景更加生动化和活泼化，用以吸引观众目光以及注意力，使之全身心投入至作品中，并为其带来视觉层面的冲击力。
探讨影视动漫设计中3D 技术的有效应用不仅体现出可行性特征，同时还表现出一定现实意义，是动漫行业良性发展的必然要求。影视动漫设计除了涉及动作设计环节、画面设计环节以及色彩设计环节以外，还涉及了人物设计环节和环境设计环节。鉴于此，影视动漫设计中，不仅要求设计人员严格把握动作设计环节3D 技术的有效应用程序、画面设计环节3D 技术的有效应用程序、色彩设计环节3D 技术的有效应用程序，还需要有效控制人物设计环节3D 技术的有效应用程序以及环境设计环节3D 技术的有效应用程序，通过优化3D 技术的整体应用效率，不断提升其应用价值，从而推动动漫行业良性发展。
参考文献：
[1]周智娴.当代影视动漫设计中如何增加作品与观众的交互性[J].电影评介，2013（13）：88-89.[2]高寿斌.基于工作过程的《MAYA 影视动漫设计与制作》项目化教程的开发[J].网络安全技术与应用，2013（12）：129-130.[3]刘俐。打造教师个人工作室以项目带动教学--职业院校影视动漫专业教学模式的尝试与探索[J].教育界，2012（36）：168-169.[4]张丽.对西安动漫产业发展的几点思考--以东南沿海城市影视动漫的发展为借鉴[J].新西部（中旬刊），2014（10）：54-55.[5]邱飞.校企合作设立创业实践基金培养应用型人才的探索--以影视、动漫类专业为例[J].高等函授学报（哲学社会科学版），2012（03）：60-62.
第二篇：3D动漫游戏设计教学大纲
《动漫游戏设计》教学大纲
课程编号： 适用专业：计算机及艺术相关专业 开课部门：信息技术部
总学时：62（其中理论30学时，实践32学时）编制教师：王兵 编制时间：2010-06-16
第一部分 大纲说明
一、课程的性质与任务
通过实验要求完成一系列动画实验，掌握动画的基本制作技巧，具有一定的动画创意能力，了解动画的整个制作过程和相关技术。
二、课程教学基本要求
该课程是一门实践性很强的应用学科，必须保证充分的上机操作时间，教学方法采取精讲多练，注重实际操作。加强操作能力培养是本门课程特色之一。除面授时加强操作教学外，学生自学复习时也要注重对动手、动脑、独立操作等方面能力的要求。
三、教学重点与难点
1、掌握三维动画的设计流程和设计方法；
2、能独立进行三维动画的设计创意；
3、利用所学软件制（3DMAX），创作出三维动画作品。
四、与相关课程的关系
本课程的先修课程有计算机动漫设计基础。
五、推荐教材与参考书
1《动画技术揭秘3DMAX角色动画技术教程》 兵器工业出版社/北京科海电子出版社
六、教学方法与教学形式建议
该课程是一门实践性很强的应用学科，必须保证充分的上机操作时间，教学方法采取精讲多练，注重实际操作。加强操作能力培养是本门课程特色之一。除面授时加强操作教学外，学生自学复习时也要注重对动手、动脑、独立操作等方面能力的要求。
七、考试评估方式与标准
考试（闭卷）+作品。第二部分：教学内容与教学要求
一、理论教学内容、教学要求与课时分配 第1章 制作3DMAX动画基础（2学时）
教学重、难点：有关动画的操作界面，帧、关键帧、时间轴、范围轴的理解
1.1 3D素材库的运用
1.2 制作人物弹跳动画
第2章 NURBS建模（3学时）
教学重、难点：1.创建NURBS曲线形成表面方法。
2.表面编辑，表面剪辑和表面的布尔操作
2.1 建立跑车 2.1.1 制作车头 2.1.2 制作车灯 2.2 车身建模 2.2.1 制作车身 2.2.2 制作轮胎 2.2.3 制作倒车镜
2.2.4 制作车门及完成车顶盖的制作 2.2.5 制作车架上面模型和车尾部细节 2.3 综合结构缝合训练
第3章 多边形建模（3学时）
教学重、难点：Polygon基本创建方法，编辑工具和编辑方法，布尔操作
3.1 准备工作 3.2 手的建模 3.2.1 制作手部 3.2.2 制作指甲盖 3.2.3 制作手的细节 3.2.4 制作手掌细节 3.3 进阶练习3.3.1 制作头部 3.3.2 制作脖子
第4章 细分表面建模（3学时）
教学重、难点： Polygon基本创建方法，编辑工具和编辑方法，布尔操作
4.1 准备工作
4.2 利用细分建模技术建立一只亚洲象 4.2.1 建立大象身体模型 4.2.2 建立大象头部模型
第5章 NURBS高级角色建模（2学时）
5.1 准备工作
5.1.1 建立小狗的头和身体 5.1.2 将头部和身体模型切分 5.1.3 建立小狗的腿 5.1.4 缝合小狗身体和腿
第6章 路径和骨骼（3学时）
教学重、难点：路径动画、驱动关键帧动画的制作，动画建模
6.1 路径动画
6.1.1 路径动画的基本概念 6.1.2 路径动画参数 6.2 波涛中的小船 6.2.1 建立海洋波涛 6.2.2 建立小船运动动画 6.3 走路的小人制作
第7章 高级变形和粒子动画技术（2学时）
教学重、难点： 粒子与粒子发射器，粒子的碰撞、渲染，基本动力场，特殊效果
7.1 3D粒子动画 7.1.1 3D粒子系统
7.1.2 设置粒子Particle Tool选项 7.1.3 粒子属性 7.1.4 添加动态属性 7.1.5 自定义属性 7.1.6 实例：爆炸
第8章 刚体动力学（3学时）
教学重、难点：骨骼结构，关节，正向动力学与反向动力学，蒙皮
8.1 将动力学动画转化为关键帧动画 8.2 刚体约束的基本概念 8.3 刚体动力学实践：美式撞球
第9章 3D灯光与质感高级表现（3学时）
9.1 基本概念
9.1.1 3D灯光的种类 9.1.2 3D材质的种类 9.1.3 在3D中进行贴图 9.2 三点光源照明 9.3 全局光源照明 9.4 灯光与情感
第10章 布料模拟（3学时）
10.1 创建桌布
10.2 创建与删除布料碰撞物体 10.3 创建衣服
二、实践教学内容、课时分配
系统要求：
Windows操作系统（2000以上）独立显卡、安装3DMAX8.09.0、图型工作站，刻录机
实验内容：
1.制作卡通人物走路的动画：（3学时）2.建立小鸟的飞翔动画、（4学时）
3.利用细分建模技术建立一只人物造型；（3学时）4.刚体动力学实践：小球运动：（4学时）5.实例：爆炸（4学时）
第三篇：动漫影视赏析论文要求
课程: 动漫影视赏析
考试形式:
论文
一、论文要求
1、思想：主题明确,要有新意；结构完整；层次清楚，语言流畅。阐述自己的观点。可参考文献，要有自己的观点和真情实感。
2、独立完成论文写作,不得抄袭、剽窃他人文章,如有雷同，成绩为零。
3、格式、字数：（姓名、学号、专业放在封面或者页眉）a.论文具备标题、关键字、摘要、参考文献或网上文章网址
b.字数1500字以上；书写打印皆可。（影视评论及写作ppt-课程邮箱）c.字体：文章题目标题小二黑体，文章段落标题（观点）小四加黑，文章内容小四宋体。
d.打印页面设置： A4，上下左右边距均为2.5厘米；行间距：1.25倍 4.提交时间：最后一次上课（主校区12.4建设路12.2）交，二、论文题目：（三选一）：
1.选择一部动画片，选取一个或多角度进行分析，从造型特点、角色分析、音乐、色彩、故事情节、艺术特色 导演等，题目自拟。
2.定格动画（偶类动画）或者传统手绘动画是否会被电脑动画所取代，以影片为例说明谈谈你的看法？
3你喜欢哪种风格，哪个国家，哪位大师的作品？分析其原因
2012本课程观赏动画片
电脑动画：《怪物史莱克》《料理鼠王》《穿靴子的猫》（美国、法国）《兰戈》《怪物史莱克1-4》《长发公主》《飞屋环形记》
偶类动画：《僵尸新娘》《超级无敌掌门狗》《崂山道士》《玛丽与马克思》《圣诞夜惊魂》
手绘动画：《埃及王子》 《美女与野兽》《美丽都四重奏》 《我在伊朗长大》《丁丁历险记》《千与千寻》《悬崖上的金鱼姬》《大闹天宫》《我在伊朗长大》《三个和尚》《种树的男人》《摇椅》《机器猫》《樱桃小丸子》《记忆中的木屋》《公厕爱情故事》《纽约》《父亲》
水墨动画:《小蝌蚪找妈妈》《山水情》《牧笛》
第四篇：3D打印技术论文
《先进制造技术》公选课程综述论文
选择性激光烧结技术
许春宝
（中国矿业大学 矿业工程学院，班级 采矿12-6班 学号 01120176 江苏 徐州221116）摘要：综述了选择性激光烧结技术的原理及使用现状，指出了该技术发展的热点和关键。关键词：选择性激光烧结技术；发展；应用
中图分类号：TF124.36文献标识码 A文章编号：
Selective Laser Sintering(SLS)
Chunbao Xu
（School of Mining Engineering,China University of Mining and technology, xuzhou 221008,China)Abstract：This article reviews the principle of SLS and the use of the status quo, the material is the key to the development of SLS.Keywords：SLS;Material;Application引言
目前，国内外快速原型（Rapid Prototyping，简称RP）领域中已有近20 种不同的原型工艺系统，但是这里我们就选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering,SLS)进行探讨。2正 文
（一）SLS的基本原理
该技术由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（poly carbonates）、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构，因而无需考虑支撑系统（硬件和软件）。
由于该类成型方法有着制造工艺简单，柔性度
高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点，针对以上特点SLS主要应用于铸造业，并且可以用来直接制作快速模具。
（二）SLS在模具制造中的应用。1． 直接制造模具。
美国DTM公司于1994年推出Rapid Steel制造技术，在SLS—2000系统中烧结表面包覆树脂材料的铁粉，初次成形零件后，置人铜粉中再一起放人高温炉进行二次烧结，制造出的注塑模在性能上相当于7075铝合金，寿命可达5万件以上。
2.采用SLS技术快速制作高精度的复杂塑料模，代替木模进行砂型铸造。或者将铸造树脂砂作为巧烧结材料，直接生产出带有铸件型腔的树脂砂模型, 进行一次性浇铸。在铸造行业中, 传统制造木模的方法，不仅周期长、精度低，而且对于一些复杂的铸件，例如叶片、发动机缸体、缸盖等制造
中国矿业大学青年科研基金资助项目（2005A047）
作者简介:王延庆(1978—)，男，山东肥城人，博士，讲师，cumtwyq@163.com。
木模困难。采用SLS技术可以克服传统制模方法的上述问题，制模速度快，成本低，可完成复杂模具的整体制造。
3.选择易熔消失模料作为烧结材料，采用SLS技术快速制作消失模，用于熔模铸造，得到金属精密制件或模具。运用SLS技术能制造出任意复杂形状的蜡型，实现快速、高精度、小批量生产。
4.根据原型制造精度较高的EDM电极，然后由电火花加工模具型腔。一个中等大小，较为复杂的电极，通常只需要4到8小时即可完成，而且复形精度完全能满足图纸的要求。福特汽车公司曾采用此技术制造汽车模具取得了满意的效果。
5.以SLS成形实体为母模，翻制硅橡胶模，石膏模，环氧树脂模，或者通过RP技术制作模具的基本原型，然后对其进行表面处理，通过金属冷喷涂或电铸等方法，在原型表面形成一定厚度且具有一定强度、硬度和表面质量的薄膜制作模具。
6.将RP技术与精密铸造技术相结合，实现金属模具的快速制造。上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统，为汽车行业制造了多种模具，北京隆源自动成型系统有限公司也为企业制造了多种精密铸模。
（三）SLS在快速原型制造中的应用可快速制造设计零件的原型，及时进行评价、修正以提高产品的设计质量；使客户获得直观的零件模型；制造教学、试验用复杂模型。单件或小批量生产。对于那些不能批量生产或形状很复杂的零件,利用SLS 技术来制造,可降低成本和节约生产时间,这对航空航天及国防工业更具有重大意义。
（四）SLS使用的材料（1）金属材料
在金属粉末成形方面, 常用如下3种
金属粉末进行成形单一金属粉末;金属与低熔点金属粘结剂的混合粉末;»金属与有机粘结剂的混合粉末。由于单一金属性能单一, 激光烧结以后不能够达到所要求的指标, 固在研究中通常采用后两种形
式的混合金属粉末。上海海事大学对于Fe-C粉末进行了激光烧结实验, 发现对于Fe含量99.16%, C含量014%的Fe-C混合粉末, 在激光功率4715W, 扫描速度0.13m/ s, 扫描间距0.11mm, 切片层厚0.125mm烧结出具有一定精度、致密度的复杂金属零件。根据烧结过程产生的液相量及致密化引起的成形增长方向的收缩, 推导了Fe-C烧结件的相对密度模型, 该模型反映了烧结工艺参数与烧结致密度的关系中北大学使用了Mo/Cu金属粉末进行激光烧结实验, 在成形过程中, 选择了1510W的激光功率, 1000mm/s的扫描速度, 0.11mm的扫描间隔等加工参数得到了烧结密度为6.151g/cm。（2）聚合物材料
全世界对于聚合物的研究主要集中在聚
苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、尼龙(PA)以及工程塑料(ABS)、聚丙烯(PP)等4个方面。对于纯的PS粉末进行烧结得到的原型件变形率较大, 因此现在所使用的均为PS的混合粉末(PS、滑石粉、氧化铝、碳酸钙), 这样的混合粉末进行激光烧结。目前, 使用PA12所得的原型件, 强度可达60MPa, 但是它的收缩变形较大, 这也是当今研究的一个热点。
（3）陶瓷材料
常用的陶瓷材料主要有SiC和Al2O3。由
于烧结温度很高, 所以不能够用激光直接烧结, 需要加入粘结剂, 从而制成陶瓷生坯, 然后通过后处理去除粘结剂, 最后得到最终陶瓷原型件。国外对SiC与有机聚合物的混合粉末进行了烧结研究，国内的南京航空航天大学、大连理工大学、上海交通大学研究了Al2O3 与NH4H2PO的激光烧结, 经过二次烧结后外理, 可以得到强度较高, 密度分布均匀的原型件。南昌航空工业学院对Al2O3/PS复合材料进行了研究, 原型件的翘曲变形量不大于0.13mm, 体积密度不小于0.196g/cm3。缺口冲击韧性的提高幅度大约为20%~50%, 最大缺口抗击强度达到1015kJ/m并且韧性也有所提高。
（4）新型SLS原料的研制-木塑复合材料
木塑复合材料是指采用木纤维或植物纤维与热塑性塑料复合, 经过热压、熔融挤出等不同加工方式制成的绿色环保复合材料。这种新型的代木材料具有可降解性、环境污染小、寿命长、美观、可再生、成本低、力学性能防虫、抗滑、防腐、可喷涂和尺寸稳定性好等优点, 而且可像木材一样进行加工、粘接和固定, 因此木塑复合材料在建筑、家具、运输、包装、公共设施等领域应用前景广阔。目前, 东北林业大学郭艳玲教授等人提出应用木塑复合材料进行选择性激光烧结快速原型制造, 在国内外尚属首次。木塑复合材料是采用了木粉热熔胶、氢氧化钠、聚丙烯(PP)、相容剂、引发剂、润滑剂等按比例的机械式混合制备的材料。使用激光成型机(HRPS-ÓA)对制备的木塑材料进行激光烧结。烧结件通过打磨、烘干、渗蜡等后处理之后形成的原型件已经可以达到一定的性能要求。
（五）SLS的局限性
目前的技术水平，SLS的缺点也是显而易见：在成型的过程中因为是把粉末烧结，所以工作中会有很多的粉状物体污染办公空间，一般设备要有单独的办公室放置。另外成型后的产品是一个实体，一般不能直接装配进行性能验证。另外产品存储时间过长后会因为内应力释放而变形。对容易发生变形的地方设计支撑，表面质量一般。运营成本较高，设备费用较贵。能耗通常在8000瓦以上。材料利用率约100%。目前应用此工艺时，以蜡粉末及塑料粉末作为原料较多，而用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺尚未获得实用。结束语
选择性激光烧结技术（SLS），是一种基于离散—堆积思想的加工过程，根据所选材料的差异有不同的工艺方法和加工方式。由于自身优势，SLS已经得到了飞速的发展和广泛的应用，但也存在一些缺陷和不足。只有在实际工作中不断积累经验，才能设计出既满足使要求有满足烧结工艺要求的模型。
随着SLS技术的发展,新工艺新材料的不断出现,势必会对未来的实际零件制造产生重大影响，对制造业产生巨大的推动作用。
参考文献 百度百科； 维基百科；
潘琰峰,沈以赴,顾冬冬,胥橙庭.选择性激光烧结技术的发展现状.南京航空航天大学,2004
第五篇：3D打印技术学年论文
山 东 工 商 学 院 信息与电子工程学院
学年论文
题目：3D打印技术
班 级： 电子131 姓 名： XXXXX 学 号： XXXXXXX 提交时间： 2016.4.11
3D打印技术
XXX(山东工商学院 信息与电子工程学院 山东 烟台 262000)【摘要】:3D打印（3D Printing），即快速成型技术的一种，其实质是增材制造技术，被誉为是第三次工业革命的重要标志之一。近年来，国内外3D打印技术蓬勃发展，在多个方面有着广泛地应用。本文通过介绍3D打印技术的概念及原理，回顾了3D打印技术的发展历史，阐述了国内外3D打印技术及产业的现状，介绍了3D打印技术最新的技术，并结合相关数据，对3D打印的发展趋势有一定预见性的分析。
【关键词】:3D打印;CAD模型;快速成型;发展现状;发展前景 中国分类号：TP751
文献标示码：A
3D Printing Technology
XXX(Shangdong Institute of Business and Technology Institute of Information ELEC Shandong Yantai 262000)
【Abstract】:3D printing,(3D Printing), namely a kind of rapid prototyping technology, the essence of which is to add material manufacturing technology, is known as one of the important symbol of the third industrial revolution.3D printing technology at home and abroad in recent years, the booming development, are widely used in several ways.In this paper, through the introduction of the concept and principle of 3D printing technology, reviews the development history of 3D printing, 3D printing technology at home and abroad is expounded and the industry status quo, introduces the latest technology, 3D printing technology and combining with related data, the development trend of 3D printing has certain predictive analysis.【Keywords】:3D printing;CAD model;Rapid prototyping;Current situation of the development;Prospects for development
一、引言
随着时代的进步，我们的生活水平日渐提升，同时，人口也在急剧的增长，我们需要越来越多的物品来满足物质生活条件。这就势必造成我们对物品的要求也会越来越高，做工精细、独特且非量产的物品会受广大人们的喜爱。如今，我们拥有了3D打印这一先进的技术，我们可以通过3D打印机来打印各种我们所需要的、想要的。3D打印技术应用面广，它可以用于医疗行业、科学研究、产品模型、建筑设计、制造业及食品等，前景广泛。
二、3D打印技术简介
3D打印技术是增材制造技术的一种，近几年该技术发展迅猛，潜力巨大，是当前最热门的新兴技术之一。3D打印机根据三维CAD模型将塑料、金属粉末或固体无机物粉末等可黏合材料通过不同类型的喷头，逐层堆积在工作台上并最终形成目标零件。简单的讲，3D打印制造技术就是快速制造新产品首版样件的技术，它可以在没有任何刀具、模具及工装夹具的情况下，快速直接的实现零件的单件生产。该技术突破了制造业的传统模式，特别适合于新产品的开发、单件或少批量产品试制等。它是机械工程、计算机CAD、电子技术、数控技术、激光技术、材料科学等多学科相互渗透与交叉的产物。它可快速，准确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或零件，以便进行快速评估，修改及功能测试，从而大大缩短产品的研制周期，减少开发费用，加快新产品推向市场的进程。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。
三、3D打印技术原理
3D打印技术是一种逐层制造技术，它采用离散/堆积成型原理，其过程是：先得到所需零件的计算机三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，将原来的三维模型变成二维平面信息，即离散过程；再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码；在微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地连续加工出每个薄层，并使它们自动粘接而成型，从而制造出所需产品的实物样件或成品，这就是材料的堆积过程。各种3D打印技术的过程都包括CAD模型建立、生成STL文件格式、3D打印制作、模型分层切片和后置处理五个步骤。3D打印技术需要依托多个学科领域的尖端技术，主要包括以下方面：信息技术，即要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向；精密机械，即3D打印技术以“每层的叠加”为加工方式，产品的生产要求高精度，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求；材料科学，即用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。
四、3D打印技术发展历史
3D打印思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广。20世纪80年代中期，SLS被在美国得克萨斯州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利。到20世纪80年代后期，美国科学家发明了一种可打印出三维效果的打印机，并已将其成功推向市场。2003年以来三维打印机的销售逐渐扩大，价格也开始下降。2005年，Z Croooration推出了世界上第一台离精度彩色3D打印机一SpeCTRum 2510。2008年，第—个基于RepRap的3D打印机发布，代号为“Darwin”，它能够打印自身50%元件，体积仅—个箱子大小。2011年7月在英国埃克塞特大学领导下的布鲁内尔大学研究组及应用程序开发商Delcam公司的研究人员展示了世界上第一台巧克力3D打印机。2011年8月，世界上第一架3D打印飞机由英国南安营敦大学的工程师剑建完成。9月，维也纳科技大学开发了更小、更轻、更便宜的3D打印机，这个超小3D打印机重1.5kg，报价约1200欧元。2012年11月中国宣布是世界上唯一掌握大型结构关键件激光成型的国家。2012年12月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。2013年11月全球首支3D打印金属枪问世，原型模板为经典的M1911式手枪，由总部位于得州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”（SolidConcepts）团队设计并制造。
五、3D打印技术国外发展现状
经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。目前，在全球3D打印机行业，美国3D System和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印领域的龙头地位。Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。
六、3D打印技术国内发展现状
近年来，我国积极探索3D打印技术的研发，初步取得成效。自20世纪90年代初以来，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校，在3D打印设备制造技术、3D打印材料技术、3D设计与成型软件开发、3D打印工业应用研究等方面，开展了积极的探索，已有部分技术处于世界先进水平。其中，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备制造；生物细胞3D打印技术取得显著进展，已可以制造立体的模拟生物组织，为我国生物、医学领域尖端科学研究提供了关键的技术支撑。在家用电器、汽车配件、通信技术、航天、军工等领域，3D打印技术被越来越多应用到产品研发和生产中。在医疗领域，国内高水平的医院使用3D打印技术，为患者提供定制的牙齿和骨骼替代物以及具有仿生性能的体内植入物。在教育领域，我国有很多高校购买了3D打印设备，开展多个学科的教育和研究工作。目前，中国已成为美国、日本、德国之后的3D打印设备拥有国。但是3D打印技术目前并不完全成熟，还有一个较长时期的发展和适应过程。由于我国工业化革命没有完成，与国际同行比较，还有不小的差距，这是我国3D打印行业面临的实际情况。
七、3D打印技术最新研究成果
（一）中科院光固化3D打印提升100倍速
2016年初，中科院福建物构所3D打印工程技术研发中心林文雄课题组在国内首次突破了可连续打印的3D打印快速成型关键技术，并开发出了一款超级快速的连续打印的数字投影（DLP）3D打印机。该3D打印机的速度达到了创记录的600 mm/h，可以在短短6分钟内，从树脂槽中“拉”出一个高度为60 mm的三维物体，而同样物体采用传统的立体光固化成型工艺(SLA）来打印则需要约10个小时，速度提高了足足有100倍!
（二）机器人3D打印玻璃工艺问世
弗吉尼亚理工大学和罗得岛大学设计学院推出了一个基于机器人的3D打印玻璃程序，目的就是找到玻璃材料和前沿制造技术的结合点。目前，他们研发的这项机器人结合3D打印技术创造玻璃制品虽然展现出来产品还比较粗糙，但这确实是一项意义非凡的创造。通常情况下，3D打印的过程都是靠喷头的移动形成具体的形状，而他们是利用的一个机器人手臂，由于机器人手臂拥有高度的自由度与灵活性，从而弥补了传统架构过于机械化的各种缺陷。这项技术的诞生不仅对于玻璃工艺品制造领域一大促进，更能够促进3D打印技术与机器人加速融合。
（三）3D打印人体微器官和干细胞
过去，胚胎干细胞3D打印机只能制造平面排列或简单的堆积，这被称为细胞“石笋”。如今，研究者声称他们首次开发出能够用3D打印技术来装填胚胎干细胞的方法。他们发明了一种胚胎干细胞3D打印机，能够通过逐层构建的方式来装填干细胞，从而形成所需要的立体结构。这项研究是由北京清华大学的孙伟教授和费城德雷塞尔大学的机械工程教授合作进行，他们声称可以在可控条件下用3D打印来快速制造胚体，生产一模一样的胚胎干细胞模块，理论上这些模块还可以像乐高积木一样搭建组织甚至微器官。
（四）纳米级金属3D打印技术CytoSurge
最近，瑞士联邦工学院在3D打印领域颇为活跃，他们同样也是业绩赫赫：包括通过生物聚合物和软骨细胞打造了一只耳朵和鼻子的生物打印；通过在三维打印的基础上加上合成物的局部控制的组合物（第四维度）和颗粒方向（第五维度）的材料设计实现的5D打印；以及可制造更高性能触摸屏的3D打印金银纳米墙技术。他们拥有的核心技术是专利FluidFM技术，FluidFM技术是一种重塑微管的技术，FluidFM移液器微管有比人类头发的直径还要小500倍的孔径。瑞士联邦工学院通过整合FluidFM Probes到打印机上，这项技术不仅仅可以实现例如金、银、铜这些金属的纳米级打印，还可以打印细胞和复合材料。
八、3D打印技术发展前景预测
我们今天的3D打印技术还是一个非常基础性的技术，尽管我们已经进入到3D打印的2.0时代，能够打印出我们需要的功能性产品，已经是一个很大的进步。3D打印技术未来还有很长的路要走，发展空间巨大。3D打印的发展趋势有以下几个方面：
（一）桌面级3D打印机的普及只是时间问题，最终取决于3D打印机自身的工艺改造和技术完善。几大趋势：一是桌面3D打印机将变得更为小巧、便于携带，外表上看起来更时尚，几年后它将会像电脑一样方便携带。第二，触屏功能、摄像功能、上网功能、自动修复功能一应俱全。第三，打印的精度非常高、打印的材料非常便宜。第四，价格大多控制在3000元人民币以内，成本大概在1000元人民币左右。第五，市场空间非常巨大，预计国内市场保有量在2亿台以上，3D打印机进入家庭、进入学校将变为常态。
（二）工业3D打印机的几大趋势：第一，平台化、智能化、系统化。未来的产业形态一定是平台化趋势，是众多先进制造技术的融合发展，3D打印也不例外。第二，对传统制造业的全面渗透和覆盖，但仅仅是生产流程和生产工艺中某个环节的应用。第三，随着技术的进步，稳定性、精密度将不再困难，材料可以全面突破。第四，成本降低以后，将率先在铸造、模具等行业全面渗透，并在其他领域得到广泛推进。第五，打印速度将显著提高，一个激光头还是两个激光头将不再是困扰速度的主要因素。第六，打印机的价格将在三年后下降至少三四成。
（三）生物3D打印机的几大趋势：第一，应用面将大大提高，不再仅仅停留在打印牙齿、骨骼修复等方面，打印部分人体器官将成为常态。第二，整个应用推广的进程相对缓慢，主要取决于各个国家的政策支持程度。第三，复杂的细胞组织和器官的打印还有很多技术难题需要突破。
（四）建筑3D打印机的几大趋势：第一，现在的框架结构建筑实质就是运用了3D打印技术的原理。在标准化、批量化建筑领域，3D打印的市场几乎不会存在。第二，对于一些特殊环境下的建筑需求，将有逐步试行的可能。第三，个性化建筑使用面最广，但是由于成本因素并不一定具有较大优势。第四，未来的市场保持谨慎乐观。但是作为一项新技术，还需要不断尝试，总结和发现。
（五）材料领域的几大趋势：第一，目前国际上处于垄断地位的材料企业还将保持三五年优势。第二，随着技术的进步和3D打印技术的不断优化，材料问题将不再是困扰行业发展的难题。第三，智能材料将异军突起。智能材料其实也是功能性材料的一种，可以随着时间、温度等外部环境的改变而发生变化。第四，可降解的环保材料将占据主流，其他材料将被淘汰。第五、材料的成本将显著降低。
（六）商业模式的几大趋势：第一，设备生产商将与互联网结合更加紧密。第二，设备生产商将与加工服务商、材料供应商达成战略联盟。第三，在工业4.0的推动下，电商结合更加紧密。
九、总结
从长远点的角度来看，3D打印技术极有可能成为未来制造业的发展方向，并且促进了传统工业的变革，发展潜力巨大。但是机械化的大批量生产的优势却局限于生产大量完全相同的产品，在个性化需求越来越多的当今，其局限性也愈加明显。虽然3D打印技术的出现填补了传统制造业的这一空缺，甚至成为了这一领域的革命性技术，但是目前的3D打印技术还处于发展的初级阶段，并非无所不能。3D打印在大尺寸超复杂构件和高成本难加工材料制造方面也有其明显短板，所以3D打印在现在和将来一段时间内应该与传统制造技术形成优势互补，很难产生颠覆性影响。当前，第三次工业革命的浪潮正席卷整个社会，作为代表性新兴技术的3D打印成为了各行各业的焦点。随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。随着3D打印技术的日趋成熟和3D打印材料的扩充，我们相信3D打印将会带给我们更多的惊喜和冲击，3D产品将会在我们的生活中触手可及。【参考文献】
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