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1.了解3D打印技术产生的背景。
2.了解3D打印技术的形成与发展历程，熟悉其国内外发展动向。
通过多媒体课件的演示，了解和熟悉3D打印技术产生的背景、发展历程，通过课前搜集相关资料、师生互动、分组讨论加强对本任务学习内容的理解和掌握。
随着科技的快速发展，人们对日常衣食住行提出了更主体化、个性化和多样化的要求。为应对消费者不断变化且无法预测的需求，产品制造商不仅要迅速地设计出符合人们消费需求的产品，而且必须对新产品进行快速生产，响应市场。全球市场一体化的形成，使得制造业的竞争更加激烈，产品的开发速度日益成为竞争的主要焦点。传统的产品开发是从前一代的原型中发现不足或从进一步的研究中发现更优的设计方案，而原型的生产首先需要准备模具，模具的制备周期一般为几个月，而复杂模具的加工更是困难重重，这就造成了我国高新产品研发周期长，试制能力差的现状。此外，制造业在日夜兼程的追赶新产品开发脚步的同时，又必须体现出较强的生产灵活性，即能够小批量甚至单件生产而不增加产品成本。因此，产品开发的速度和制造技术的柔性变得十分关键。
3D打印技术就是在这样的社会背景下发展起来的。20世纪80年代后期，RP技术以离散/堆积原理为基础和特征，首先在美国诞生并被商品化。3D打印技术的成型原理如图1-1所示，3D打印技术首先需要将零件的电子模型（如CAD模型）按一定方式离散，转换成可加工的离散面、离散线和离散点，然后采用多种手段，将这些离散的面、线段和点堆积形成零件的整体形状。总体来说，由于上述工艺过程无需专用工具，工艺规划步骤简单，制造成本较数控加工下降20%~30%，周期缩短10%~20%，大大提高了企业高新产品的开发能力和市场竞争力。
图1-1 3D打印技术的成型原理
3D打印技术是CAD、数据处理、数控、测试传感、激光等多种机械电子技术以及材料科学、计算机软件科学的综合高科技技术，3D打印技术的主要支撑技术如图1-2所示。因此，各种相关技术的迅速发展是3D打印技术得以产生的重要技术背景。
3D打印技术具有非常广阔的前景和应用价值，世界上主要工业国家的政府部门、企业、高等院校、研究机构纷纷投入巨资对3D打印技术进行开发和研究。当前国际已形成一股强劲的3D打印技术热，且发展十分迅猛。例如：2012年8月，美国增材制造创新研究所成立，联合了宾夕法尼亚州西部、俄亥俄州东部和弗吉尼亚州西部的14所大学、40余家企业、11家非营利机构和专业协会；英国诺丁汉大学、谢菲尔德大学、埃克塞特大学和曼彻斯特大学等相继建立了增材制造研究中心；德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用等。美国、日本以及欧洲等都站在21世纪世界制造业全球竞争的战略高度来对待这一技术。
图1-2 3D打印技术的主要支撑技术
3D打印技术的基本原理是基于离散/堆积成型，它的发展最早可追溯到19世纪的早期地形学工艺领域。1892年，J.E.Blanther就在其专利中提到利用叠层的方法来制作地图模型，早期的3D打印技术叠加模型如图1-3所示。从1892年至1979年的近 100 年间，Blanther、Carlo Baese、Perera、Matsubara、Nakagawa等学者先后提出以蜡片、透明纸板、光敏聚合树脂为材料进行堆叠，采用切割或选择性烧结的方式制备立体模型。
图1-3 早期的3D打印技术叠加模型
20世纪70年代末到80年代初，3D打印技术这个概念被正式提出。随后，Charles W.Hull在美国UVP（Ultra-Violet Products）公司的资助下完成了第一套立体光固化快速成型制造装置的研发。1988年，由美国3D Systems公司生产并售出第一台商用立体光固化成型装置（stereo lithography apparatus，SLA），标志着3D打印技术正式迎来商业化、工业化的时代。此后，其他的成型原理，比如选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）、熔融成型（fused deposition modeling，FDM）、分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM），及其相应的成型设备也被先后以商业化形式推出。1996年，全球已成立3D打印服务中心达284个；截至1998年，已安装的3D打印设备数量由1988年的34套增至3289套，3D打印产业的直接收入达10亿美元，市场增长率为40%。
相较于3D打印技术快速发展的美国、德国、日本等发达国家，我国的3D打印研究起步较晚。国内部分企业及机构最初只能靠引进国外3D打印技术及设备进行生产，但由于其高昂的价格和对打印材料的依赖性使得制造成本很高。为解决我国制造业对3D打印技术的迫切需求，一些高等院校和研究机构，如清华大学、西安交通大学、华中科技大学、上海交通大学等都迅速开启对3D打印技术的研究工作，并取得了显著的成果：清华大学研制出世界上最大的LOM双扫描成型设备，自主开发的大型挤压喷射成形3D打印设备也居世界之首；西安交通大学在卢秉恒院士的带领下研发出具有国内领先水平的激光快速成型系统，并在打印材料上取得重大突破，西安交通大学研发的激光快速成型系统如图1-4所示；华中科技大学已成功推出商业化的LOM和SLS成型设备，华中科技大学研发的快速成型设备如图1-5所示；上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模型计算机辅助快速制造系统，为汽车制造行业做出巨大贡献。
图1-4 西安交通大学研发的激光快速成型系统
图1-5 华中科技大学研发的快速成型设备
目前，我国的3D打印设备及技术已接近先进国家同类产品的发展水平，完全可以满足国内制造行业的复杂需求。同时，由于自主研发的配套材料也逐渐趋于完善，使得我国对进口材料的依赖性得到明显改善。这标志着我国已初步形成了3D打印设备和配套材料的制造体系。
1.3D打印技术与传统制造技术在开发流程上有何区别？
2.3D打印技术需要哪些技术的支持？
3.在网络上收集国内外3D打印技术方面的资料，哪些国家技术发展比较成熟，其各自的优势有哪些？国内的发展情况又如何？