3D打印技术是数字化时代的重要产物，又被称为“添材制造”技术，它是以三维数字模型文件为基础，创新性地将信息、材料、生物、控制等技术融合渗透到一起，能以自身逐层添加打印的制造方式完美地实现各种材料的结合。3D打印技术自开发以来得到不断地发展，迅速被广泛应用于工业设计、建筑、军事、航天、医疗等不同领域，并取得一系列实质性的突破。3D打印技术相较于传统的大型增材制造设备来说，更加注重体现设备的小型化、智能化和个性化。未来我们有理由相信，随着智能制造的逐渐深入发展与成熟，将会有更多新的信息技术、控制技术、材料技术等不断地投入应用，3D打印技术也会在此基础上被进一步推向更为广阔的领域。
2015年5月18日，国务院正式发布了《中国制造2025规划》，规划中多次提到了对增材制造等前沿技术和装备的研发。2015年8月23日，中共中央政治局常委、国务院总理李克强主持国务院专题讲座，讨论加快发展先进制造和3D打印等问题
近年来，随着3D打印技术的逐步成熟、精确，打印材料种类的增加，打印价格的降低，3D打印得到了快速发展，应用领域不断增加，不仅在机械制造、国防军工、建筑等领域得到广泛应用，也逐渐进入了公众视野，走进学校、家庭、医院等大众熟悉的场所，在教育、生物医疗、玩具等行业也得到了广泛关注及应用，本文将在介绍3D打印的原理、优势、应用现状的基础上，重点探讨3D打印在教育领域的角色及应用模式。
我国对3D打印制造技术的研发起步较晚，与国际发达国家产局明显，但我国对3D打印制造技术已越来越重视，在将近20年的时间里，我国建成了多个国家重点实验室已经形成3D打印制造技术的初步研发基础其中我国自主研发的各项相关技术已经在我国制造业中获得了广泛的应用，例如西北工业大学和北京航空航天大学进行联合，就利用激光烧结成型技术制造出了合金飞机大型结构件，并在我国飞机中进行了成功试用等。证明我国已研发了3D打印制造技术的相关工艺和装备，代表着我国重大装备高性能关键金属构件制造技术和增材制造技术在国际社会中已经有了一定的竞争力。
尽管我国在3D打印制造技术研究开发和应用方面与国外还存在一定的差距，但是为了推动我国3D打印制造技术的发展，掌握产业发展的主动权，我国工业和信息化部积极推动3D打印技术的产业化，并对今后的发展探索了新的产业化模式。我国目前的制造业还保留着传统的制造技术，使得生产效率受到了严重的限制，为了改变这一现状，我国多所学校和企业中的科研机构联合亚洲制造业协会成立了“中国3D”打印制造技术产业联盟”以推进我国3D打印技术的产业化，同时促进产业的可持续创新发展。除了积极发展3D打印制造技术，我国还注意培养相关技术人才，加强人才队伍的建设，从而促进3D打印制造技术的持续发展，为其产业化发展创造良好的基础。
我国的传统制造业，主要是依靠低端的制造技术以及强大的生产力，从而完成利润微薄、工作量大的生产化模式，受传统工业发展的制约，我国面临着产业低级、产业结构转型进程慢等挑战。为了改变这种不利局面，我国必须进行结构产业转型，3D打印制造技术的产业化可以为推动我国结构转型的调整步伐，对完成我国工业现代化，提升国家制造业水平具有重要的作用，因此尽管3D打印制造技术会给我国经济带来一些挑战但是为了实现高端制造业、优化产业结构就需要我国贯彻发展3D打印制造技术。
在3D打印制造技术中，我们逐步意识到自身与国外社会之间的差距，3D打印制造技术是新兴信息技术中重要的组成部分，在研发和开展3D打印制造技术中，注意企业创新意识的培养，加强各研究机构的技术交流并注意探索分析3D打印制造技术成果产业化新机制，从而能够促进产业链和价值链的相融合和发展，提3D打印制造技术在我国的发展进程，促进3D打印制造技术产业的可持续发展。文章主要描述了我国3D打印制造技术的发展现状及发展趋势，同时对3D打印制造技术对我国结构转型的影响进行了分析，希望会对今后这方面的研究有一定的借鉴作用和参考价值。
尽管我国在3D打印制造技术上已取得了较快较好的发展，但是总体上所面临的挑战使得我国3D打印制造技术还面临以下方面的问题:(1)是在材料成形机理、装备开发和关键技术等方面没有自主的技术创新，大量的关键技术和核心零部件还有待研发。(2)由于我国对3D打印制造技术的研发起步较晚，还没有引起相关部门和企业的重视，因此对3D打印制造技术的研究重视度不高，产业资金投入资金缺乏，严重限制了我国3D打印技术研发工作的进行。(3)我国各个研究机构联系不够，没有形成开放式的创新体系，使得创新资源不能有效地集中，缺乏技术交流平台。(4)由于受我国传统制造技术的影响，使得3D打印制造技术的发展在我国缺乏强大的市场刺激，各领域对3D打印制造技术的需求并不像国际社会中那么迫切。
目前全球制造业产值规模在10万亿美元左右，如果3D打印应用能占到全球制造业产值2%，将达到2000亿美元的市场。作为制造方式，3D打印未来的成长空间巨大。经过20年的时间，2007年3D打印行业达到了10亿美元的市场规模，经过5年时间，2012年市场规模超过20亿美元，2013年市场规模超过了30亿美元，2014年市场规模达到41亿美元。WohlersAssociates预计到2016年全球3D打印市场规模将达到70亿美元，2018年达到125亿美元，2020年达到210亿美元，复合增长率达到31%。
1993-2009年的17年间，3D打印市场规模平均增速约16.8%，2010-2013年进入快速发展期，三年平均增速达46.9%，2014年全球3D打印技术市场规模达41亿美元，打印产品和服务市场增长35.2%。与2009年10.69亿美元市场规模相比，增长将近4倍，3D打印技术创造了“井喷式”市场需求。全球3D打印设备保有量区域分布中，美国以41%的份额位居第一，其次是日本、德国与中国REF_Ref150348711\r\h[2]。
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。
提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造;开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点;3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求;软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线D打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。
随着价格的下降，3D打印设备市场将会进一步扩大，尤其是在中小型企业和学校方面。3D打印设备耐用，打印快捷、准确，成本低廉等好处可以帮助企业缩短产品上市周期，增强企业竞争力。
“3D打印技术”是一系列快速成形技术的总称，属于制造技术的一种，其基本原理是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成薄层的工件截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终各薄层叠加形成三维制件。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。
3D打印机的工作原理其实很简单，通俗地说，首先在电脑上设计一个完整的三维立体模型(也成为计算机辅助性设计)，然后把胶体或粉末等“打印材料”装入打印机，再将打印机与电脑相连接，就可以通过电脑控制把“打印材料”和三维立体模型一层层地叠加，最终把计算机上的蓝图变成实物REF_Ref150348548\r\h[1].这种通过连续的物理层创建出三维对象的3D打印技术是叠加式制造工序的一种形式，与传统的叠加式制造工序相比，其具有速度快、价格便宜等优点。
在Windows网络或工作站上运行的打印设备软件可以读取大部分的3D文件格式计算机辅助设计绘图数据。
这种软件的作用就是将数据传输至3D打印设备，从而控制印刷头的移动与材料输出。在3D打印设备工作时，塑性模型材料细丝与可溶性支撑材料将被加热至半液体状态，然后通过挤压头输出，精确地沉积成极其细微的分层。分层的厚度范围在0.005英寸至0.013英寸(即0.127毫米至0.33毫米)，具体数值取决于打印设备性能REF_Ref150348652\r\h[6]。
印刷头只沿水平方向或垂直方向移动，模型与支撑材料将自低而上地构造，压盘根据实际情况上下移动。在构造模型时，有了支撑材料(图中褐色部分物件)的承托，模型的悬挂部分能够顺利完成材料沉积，此外，支撑材料还有助于构造结构复杂的模型，如嵌套结构，以及具有移动部件的多重组件。打印工作完成后，可以将模型置于水中，支撑材料将会自行溶解，如果需要，还可以为模型涂上颜料，或者进行其它处理REF_Ref150348548\r\h[1]。
优点：①不需要机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率；②通过摒弃传统的生产线，有效降低生产成本，大幅减少材料浪费；③可以制造出传统生产技术无法制造出的外形，让产品设计更加随心所欲；④可以简化生产制造过程，快速有效又廉价地生产出单个物品，与机器制造出的零件相比，打印出来的产品的重量要轻60%，并且同样坚固REF_Ref150348652\r\h[6]。
缺点：可打印的原材料少、打印精度低、速度较慢、打印成本高。(3D打印原材料：工程塑料、光敏树脂、橡胶、金属、陶瓷等)
制造业：3D打印技术可用于制造各种零部件和组件，包括汽车、航空航天、机械等工业领域的产品。它能够协助快速原型制作、定制化生产和批量生产等需求。
医疗保健：在医疗领域，3D打印技术可以用于制作￥￥￥￥模型、骨骼结构、义肢和假肢等医疗辅助工具。此外，还可以根据患者的个体特征进行个性化的医疗器械制造。
建筑与建筑设计：3D打印技术可以制造建筑模型，帮助建筑师和设计师可视化设计和规划。此外，也有人尝试利用3D打印技术直接打印建筑物的构件，以提高效率和降低成本。
文化与艺术：3D打印技术为艺术家和设计师提供了更多的创造性和表现性，可以制作艺术品、首饰、装饰品和雕塑等。此外，传统文物的复原和保护也可以借助3D打印技术来实现。
教育与研究：学校和科研机构可以利用3D打印技术进行教学和研究。教师可以使用3D打印设备制作教具和模型，以提高学生的学习兴趣和实践能力。研究人员也可以通过3D打印制造特定的实验样品和装置，以促进科学研究的进展。
食品制造：近年来，人们开始探索将3D打印应用于食品领域。可以运用3D打印技术制作各种食品产品，如巧克力、糖果、面包等，同时还能够定制化和个性化食品。
总之，随着3D打印技术不断进步和创新，其适用范围会持续扩大，并在更多的行业和领域发挥出更大的作用。
3D打印制造的技术实现快速模具制造是目前颇受制造部门关注的一个技术。在模具的研制过程中样件的设计和加工是重要环节之一。与数控加工相比，3D打印制造技术可以更快更方便的制造出各种复杂的原型。将3D打印制作的样件用于模具制造，一般可使模具制造的成本和周期减少一半，显著提高生产效率。间接用3D打印样件实现快速模具制造的方法一般有硅胶模、环氧树脂模、金属冷喷涂等。由于锻造方法常用来制造形状很复杂的零件，所以3D打印与传统的锻造方法相结合，可解决传统铸造加工困难的瓶颈问题。近年来3D打印已经应用的非常广泛，除上述与传统的模具制造相结合实现复杂零件的快速制造外，还广泛应用于医疗、汽车制造等领域。
3D打印技术对模具制造业的影响非同凡响，所以到目前为止3D打印技术主要还是应用于加工、制造领域。但随着医疗技术的发展，3D打印技术也大量的应用于手术的术前论证，大大提高了手术的成功率，特别是各种骨科手术。
传统的模具制造方法周期长、成本高,一套简单的塑料注塑模具其价值也在10万元以上。设计上的任何失误反映到模具上都会造成不可挽回的损失。3D打印技术可精确制作模具的型心和型腔,也可直接用于注射过程制作塑料样件,以便发现和纠正出现的错误。
3D打印制造将需铸零件的CAD模型转换为STL文件,在用纸张叠层制造机按模壳每层截面的几何形状生成纸张模壳，然后按模具铸造方法即可快速制造金属零件。将3D打印技术制作生成的样件作为铸造模具的原模,实现零件的快速铸造,其过程为:零件CAD三维设计→计算流体动力学分析(CFD)→LOM模型制造→熔模铸造金属零件REF_Ref150348756\r\h[3]。
美国爱达荷国家工程与环境试验中心采用快速凝固工艺即RSP技术实现了注塑模具的快速经济制造。如图4.1所示。
可以利用快速原形技术快速的将零部件从设计转向实际模拟图形而不必必须经过生产。可以用CAD制图软件设计出零件的三维图，也可以用三维扫描仪由实物直接扫描出实物的数据然后进行修改。下图是某汽车的一个零部件的三维扫描图片。
在快速原形技术的帮助下，可以在电脑中通过模拟而做出它的模拟图片。进而可以观察设计与结果是否一致。如图6所示。通过图6的模拟，我们可以很快的知道自己的设计是否与自己的设计初衷一致，如果不一致，可以在图5上进行修改，避免了在实际生产中的反复。避免了生产中的反复。可以给产品的试制节省大量的试制经费。
自此，可以生成STL文件，再用3D打印机器如纸张叠层机等，初步制造出实物模型，然后进行后置的处理以后就可以进行零件的铸造了。
传统的镶牙过程一般是首先用印模材料从口中得到牙齿的阴模，再用石膏得到牙齿的阳模，然后由医生手工进行设计、修改完成病人的牙齿模型。完成病人的镶牙过程。尽管牙齿结构简单，但面型极为复杂。有时病人要经过反复配戴休整，才能达到比较好的效果。整个过程非常烦琐，而且周期长，给病人带来极大的不便。20世纪70年代末，80年代初，世界上开始研究CAD/CAM技术在牙齿修复过程中的应用。20世纪80年代末，90年代初在瑞士、瑞典、美国、法国、日本等国出现了实用化的CAD/CAM镶牙系统，部分系统达到了商业化的水准，国内镶牙系统研究出现的较晚，针对国内逆向工程、3D打印和设备水平，采用三维层析数字化测量仪和激光扫描仪相结合的方法对CAD/CAM镶牙系统进行了研究，取到了一定成果REF_Ref150348756\r\h[3]。
测量和表面重构是镶牙过程的关键步骤，测量设备是镶牙过程中的核心设备，按测量方式分为接触式和非接触式，接触式是传统的测量方式，测量过程探头与模型表面接触，这种测量方式发展比较成熟，优点是测量精度高。但由于机械式的测量存在固有的缺陷，难以实现快速测量。近年来非接触式测量发展迅速，这种测量方法测量速度快，自动化水平高，适用于各种复杂模型的高速测量。表面重构主要是利用计算机软件实现，运用比较多的是surfacer软件，它可以方便的对模型数据进行修改。如图7就是经过测量、表面重构得到的完整的牙齿模型。得到了牙齿的完整的模型以后就可以切层生成STL文件，
然后输入3D打印制造机器就可以进行3D打印制造了。这样一副适合病人的牙齿就做好了。
颜面数据的获取和分析被应用到很多领域里。例如脸部的手术方案的建立，名人的为日本的一个女性。其中有她一般的容貌和笑容。美容师需要知道她的鼻子和脸部的详细三维数据，可以用软件模拟她的术后容貌，得到本人的同意后，实施手术。如果没有三维数据，那是十分困难的事情脸部数据被计算机图形软件加工后应用到追求有创新的广告节目里，化妆品和颜面的关系，把脸部数据用数字雕刻机快速雕刻到铜板或木板上，用于永久纪念REF_Ref150348840\r\h[4]。
美国，韩国和我国相继利用图像处理技术将人体内部的可识别器官进行了数字化。日本利用激光三维扫描仪技术将许多人体外表进行了扫描和建模，并且对人体特征，人体运动，人体的变异等都作了长期的研究。这对于一个民族自身的数据和今后的变化趋势的研究是十分重要的。Vivid910可以快速地扫描一个人体外表面，由于它提供了快速扫描模式，仅需0.3秒便可以扫描一次，所以即使人体有稍微的晃动也不影响扫描精度。由于它提供了三种不同的镜头，所以比如手指较细的地方可以用高精度镜头扫描后用软件Polyowrks(TM)可以快速高质量地完成建模工作。义肢的研发对于身体不适的朋友来说是最重要的。如果利用三维扫描仪扫描其部位，经过数据加工可以获得十分合体的义肢REF_Ref150348756\r\h[3]。
美国得克萨斯大学法律系的大二学生和一群自称分布式防御组织成员的朋友发起了一个项目，称为“维基武器项目”：设计出全球第一款可从网络下载蓝图的枪械，并能够完全利用RepRap这样的开源3D打印机制造出来，然后将之与世界共享。2012年7月，利用3D打印机制造的下机匣组装在一把实用的AR-15步枪上，试射了200发子弹，而下机匣部件未见任何磨损。下机匣尤其引起争议，因为法律上认定它是枪械的主体部件，其销售及分销是受到管制的。有了通过3D打印机制造的下机匣，枪械爱好者将能购买其他不受法律管制的部件并进行组装。2012年12月，对3D打印机出产的AR-15步枪进行了测试，在刚开始的测试射击中没有任何质量问题，但在第六次射击时，枪支三处涌现分裂REF_Ref150348756\r\h[3]。
美国得克萨斯州奥斯汀，科迪﹒威尔逊（法律系25岁学生）演示一支3D打印手枪，可发射一枚子弹。除击针为金属，枪支全部部件为塑料。开源打印枪支使得恐怖主义和社会安全问题变得更为复杂，可能导致枪支泛滥，在政界和民间引发忧虑，因此美国国会众议员史蒂夫﹒伊期雷尔近来呼吁禁止制造3D打印枪。
此外，美国得州“固体概念”3D打印公司设计制造的世界第一把3D打印金属手枪，有30个零件，已经成功射出了50发子弹。该公司打印手枪的目的不是真的为制造手枪，而是要显示3D打印技术在强度和精度方面的技术进步。
3D打印技术以其快速成型的特点在产品开发与优化方面具有明显优势。英国南安普顿大学设计和试飞了世界上第一架打印的飞机，采用EOSINTP730尼龙激光烧结打印机。由英国利兹大学学生设计的翼展1.5m的无人机在航展亮相，通过3D打印技术优化结构和空气动力学性能，而用其他方法就很难并且代价昂贵。美国空军也正在应用3D打印机制造
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