3D打印的误差分析

3D打印的误差分析（精选8篇）

3D打印的误差分析 篇1

一、前言

根据美国材料与试验协会 (ASTM) 于2009年成立的3D打印技术委员会 (F42委员会) 公布的定义, 3D打印 (3D printing, 也称增材制造) 是一种与传统的材料加工方法截然相反, 基于三维CAD (Computer-Assisted Design) 模型数据, 通过增加材料逐层制造的方式。它采用直接制造与相应数学模型完全一样的三维物理实体模型的制造方法。3D打印技术是包括CAD建模、测量、接口软件、数控、精密机械、激光、材料等多种学科在内的综合集成的技术体系。简单来说, 3D打印是以数字化模型为基础, 运用粉末状金属或塑料等可粘合材料, 通过逐层打印的方式构造物体的一种快速成形技术。

3D打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术, 被称为“具有工业革命意义的制造技术”。3D打印技术早在20世纪90年代中期就已出现雏形, 现正处于向技术成熟化和产业化演进的阶段。在2011年, 《经济学人》杂志曾经介绍了3D打印技术的发展, 并设想了它的未来。

吉里米·里夫金 (Jeremy Rifkin, 2012) 在《第三次工业革命》中认为:传统能源消耗殆尽、人口急剧增长和环境破坏预示着第二次工业革命正在走向衰亡, 而网络、绿色电能和3D打印将开启一个可持续发展的新时代。[]作为第三次工业革命的重要标志, 3D打印技术得到了广泛的关注, 有人说它“颠覆了传统的打印行业”, 或是“能够引起产业升级”。著名的长尾理论提出者克里斯?安德森 (Chris Anderson, 2012) 指出, 以新技术与制造业的深度融合以及商业化的过程的下一次工业革命正在开启它的新篇章, 计算机数控技术、激光技术、3D打印技术等将成为制造商革命运动的主要工具。

作为3D打印技术的重要基本原理, 增量叠层制造的先驱是美国人Chuck Hull, 1983年他发明了借助光敏树脂固化叠层制作实体的方法, 后付诸工业应用, 创建3D Systems公司, 由此开创直接数字制造时代。随后出现了FDM、SLS和3DP等几十种不同的增量叠层制造技术。目前, 在全球3D打印机行业, 美国的这家3D Systems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。

二、3D打印技术历年发表文献统计

国外对于3D打印技术的研究相对开始得较早, 约在上世纪80年代便出现了相关的文献发表。笔者在Web of Science中输入检索公式TS= ( (3*D printing) OR (three-dimensional printing) OR (additive*manufact*) OR (digital*manufact*) ) , 检索年限为所有年份, 语言设定为“English”类型为“All document types”。截止到2015年4月, 共检索出符合检索条件的文献4560余篇。

而对文献发表年份分析后, 我们可以看见进入21世纪后, 对于3D打印技术的研究呈现快速发展态势;值得注意的是, 在2014年, 相关文章的发表在一年内达到了1200余篇, 各方对3D打印的关注和研究达到了前所未有的高潮, 3D打印迎来一个新的阶段。 (图1)

通过在“中国知网”中输入检索条件: ( (题名=中英文扩展 (3D打印) 或者题名=中英文扩展 (3维打印) ) ) 或者题名=中英文扩展 (三维打印) ) , 检索时间不限, 共得到相关文献约4700篇。

同样地, 在对国内相关文献发表年份进行统计时可以发现, 随着时间的推移, 社会各界对3D打印技术给予了越来越多的关注, 发表的作品数量增加速度在增快;特别是2010后国内相关研究增长迅速。从两张图中可以发现, 国内相关的研究与国外起步相当。 (图2)

三、国外3D打印技术研究学科分布分析

对上文搜索并整理的4500余篇3D打印英文文献进行分析, 文献所属的研究领域主要为科学技术 (Science Technology) 、社会科学 (Social Sciences) 和艺术人文 (Art Humanities) 。

3 D打印英文文献在不同具体学科的分布如下, 其中机械 (Engineering) 、材料科学 (Materials Sciences) 和物理 (Physics) 所占比重最高, 分别为26.55%、16.57%和10.34%。而3D打印英文文献在电脑科学 (computer science) 、science technology other topics (科学技术其他主题) 、optics (光学) 、chemistry (化学) 、cell biology (细胞生物) 、radiology nuclear medicine medical imaging (放射核医学成像) 、imaging science photographic technology (影像科学) 等学科中也有较高比重的分布。 (图3)

四、国外3D打印技术研究学者关联性分析

利用Ucinet软件对外文文献作者的所著文献数量进行排序, 并对发表文献量在前100名的作者进行合著关系分析、绘制合著关系图。在3D打印技术方面的国外作者中, 双核型和网架型的研究团队较多。就整体而言, 国外作者的合著网络关系相对松散, 之间的联系不强, 一定程度上不利于知识的交流。从局部来看, 双核型和网架型的合著关系在起网络内部的凝聚力较高。 (图4)

五、国内3D打印技术研究学科分布分析

对4700篇相关中文文献所涉及的文科进行分组, 其中包含工业经济、计算机、化学和机械等学科。对文献量大于100的学科进行统计发现: (图5)

而针对3D打印技术的三个重要环节:CAD制图、3D打印机和打印材料相关学科分别进行初步整理, 可以发现CAD制图主要与机械工业、生物医学工程、计算机等学科相关;而打印机与打印材料主要与计算机、工业经济、化学等学科相关。从此点可以看出3D打印技术是一项跨学科的集成创新技术。

而针对文献的关键词进行分析, 可以发现, 3D打印技术、快速成型、第三次工业革命、发展趋势、工艺参数、应用等关键词出现频率相对较高, 也显示出3D打印技术的广阔的发展前景。 (图6)

而通过同样的分析方法可以得知, 在国内对3D打印技术研究较多的学者中, 他们的合著关系为桥梁型。这种桥梁型的合著关系可以涵括不同学科知识背景、多种思考视角和多种解决问题的知识、思路, 取长补短、互相合作、发挥优势, 促进研究。

六、研究现状小结与发展预测

(一) 3D打印技术是一项跨学科的集成创新技术

根据对3D打印技术相关文献的分析, 可以发现, 目前, 国内外文献大都是从技术角度、发展前景及应用现状等方面对3D打印技术进行研究, 其中技术方面的研究最为深入。从上文分析结果看, 3D打印技术的基本原理涉及工业经济、计算机、化学和机械等诸多学科, 并且诸多学科交融促进3D打印技术的发展。针对文献作者的合著关系进行研究也发现, 学者的研究模式多为团队研究, 这也与3D打印技术的跨学科集成的特征是相符的。

3D打印技术属于一个多学科交叉的技术, 它的技术研究涉及到机械工程、电子工程、信息工程、控制工程等技术领域, 还与理论、装备、工艺方法等参数的研究紧密相关。3D打印技术的发展, 实际上是成型工艺、原材料和设计程序这三大要素螺旋式创新的过程。

3D打印技术是一项跨学科的综合性和复杂性较高的技术, 涉及学科多、技术要求高、产业链长, 资源整合较困难。而3D打印发展, 技术是核心, 因此企业、高校、科研机构可以合作研发、培养人才、增强竞争力。并且三者间建立技术、行业联盟, 整合产业链, 分享信息、共享资源、攻克难关、培养人才, 形成较为完整的研发、设计、生产、控制等产业链, 促成3D打印产业的规模化, 推进技术变革和产业升级, 使得我国制造业早日达到国际行业先进水平。

(二) 3D打印技术广受关注, 应用广泛

3D打印技术作为一项具有综合性、复杂性特征的国际前沿重大新兴技术, 它的应用领域包括工业制造、民用消费和医药生物等, 例如在机械制造、汽车制造、工业设计、建筑工程、航空航天、医疗、教育、穿戴、食品等众多领域得到初步应用, 展现出了巨大的产业发展潜力, 其技术及应用研究受到了学术界和企业界的广泛重视。

跟踪3D打印产业发展的美国技术咨询服务公司Wohlers Associates在2014年5月发布了2013年全球3D打印行业发展年度报告。这份报告中显示, 2013年全球3D打印产品和服务市场增长34.9%, 达到30.7亿美元, 这是3D打印行业最近17年来增长速度最高的一年。而过去26年的平均年增长率为27%, 最近三年的年复合增长率为32.3%。

3D打印技术作为一项广受关注、广泛应用的新型制造技术, 它的产业发展前景十分乐观。而它的技术研发也存在空白点, 主要在于打印材料的多样化不够、技术集成创新有待继续研发、产业应用需继续开发。

在知识产权方面, 由于3D打印技术的特殊性, 只需要具备数字化的CAD图纸, 再配以3D打印机和打印材料就能制造出一个3D打印的成品, 这使得知识产权极易被侵犯。府作为企业、市场之外的第三方力量, 早日完善相关的行业发展规划、技术标准和法律规范, 弥补3D打印技术的知识产权保护等其他方面的法律空白。

(三) 3D打印技术发展模式构建

通过对3D打印技术原理、中外研究现状和产业发展现状的分析, 可以知道3D打印技术一项涉及众多学科、包含多项科技创新、产业发展前景广阔的高新技术, 基于它的跨学科的特点可以试图建立其发展模式。

参考文献

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3D打印的误差分析 篇2

关键词：3D打印技术；产业发展；前景；分析

中图分类号： TP751 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）32-95-2

0 引言

目前3D打印技术正在迅速的发展，并且在诸多领域获得了一定的发展空间，其技术的应用与发展，不但受到我国社会的热烈议论，也得到了世界其他国家的高度重视。根据相关资料显示，3D打印技术的发展范围会伴随社会的发展，迈向更大的发展空间，与此同时，3D打印技术也会在未来发展中，呈现个性化的发展，其不但能够促进全世界范围内制造产业的经济发展，也会对整体人类社会产生一定的积极意义。

1 3D打印技术概述

3D打印技术具体指的是借助不间断的物理层叠加，每一层都要添加材料生产三维实体的技术，和以往的去除材料加工有明显的差异，所以也叫作添加制造。3D打印技术是综合性技术，其综合了信息技术，材料科学、化学，数字个建模技术等多方面的先进技术知识，科学技术含量非常高。3D打印的主要配置是3D打印机。是集合计算机技术、机械与控制等作为一个整体的复杂机电一体化体系，成型环境、高精度机械系统等构成，除此之外，打印工艺、控制软件、全新的打印材料等构成了3D打印技术体系。就当前的发展状况来看，3D打印技术具体被应用在艺术创作、产品原型、珠宝制造等范围，依靠其技术取代以往的精细加工工艺。3D打印能够在一定程度提高制造的精密度。与此同时，3D打印技术也会应用在建筑、生物工程及服装等领域，3D打印技术的应用，为创新创造了巨大的空间，譬如：在2010年，美国与澳大利亚公司联合，想要把活体细胞当作“墨水”打印到人体的器官与组织中，这在一定程度上能够推动医学领域的创新。

2 探究3D打印技术中应用的主要技术原理

2.1 3DP技术

此技术是把粉末借助喷头送出，之后三维模型切片后获取的二维层面会喷射出黏结剂，其工艺的主要特征是：资金投入较少、迅速成型，与此同时，粉末在成型中起支撑的意义，成形后易去除，在打印全彩色实体时，可应用此技术。

2.2 SLA技术

此技术是基于液态光敏树脂在功率与波长的紫外激光照射之下出现光聚合反应原理，完成固化成形。工艺的主要优点是：表面质量非常好、制造精度较高，材料能够得到充分利用。此技术可用在形状烦琐与工艺品的加工上。

2.3 FDM技术

此技术是应用热塑性材料的粘接性与热熔性，借助计算机控制，堆积成形。工艺的主要优势是：成形零件的力学性能非常强、制造资金投入较低，可以应用在快速模具的制造。

3 3D打印技术和产业发展的状况

当前我国已有诸多高校开始对3D打印技术进行自助研发，其不但确定了3D打印技术的分层实体制造程序，并且在一定程度上提高了FDM工艺，形式多样的大学对3D打印技术的探究，存在的优势具有明显的差异，部分大学占据制造工艺优势，部分大学的优势是三维打印喷头的研究。但是，我国的3D打印技术研究能力和世界其他国家相对比，还存在一定的差距，需要逐渐健全与优化，促使我国的3D打印技术能够更具先进性。

目前我国部分城市中的企业已经完成了3D打印机整机生产与向外销售，上述企业具备的共同特点是，海外归国团队创建的，其范围非常小，和世界其他国家的生产相同种类的产品相比较，其产品技术非常低。与此同时，我国生产的3D打印机，无论是打印精度还是打印速度而言，都不能满足商用提出的要求，因此，需要逐渐提高技术能力。在服务范围，我国经济发达地区的产业中，3D打印配置已经普遍化，与此同时，借助应用此配置，实现了商业化快速成型服务，此服务领域不但包含样品制作，也包含文物复原、辅助规划等范围，由此可以得知，3D打印技术在我国发展中的广泛程度。

4 探究3D打印产业的未来发展前景

参照相关报道得知，全世界范围内的3D打印产业产值到2016年，包含配置制造与服务范围内的产业总产值是31亿美元，到2020年会达52亿美元。

但是3D打印技术需要得到提升和产业应用空间，当前仍旧面临诸多挑战及有待解决的问题，譬如：其一，效率、精度与速度。当前3D打印成品的精度仍旧不符合大众提出的标准，打印效率与大范围生产相对比，存在较为明显的差距，与此同时，受到打印机工作原理的影响，打印精度和打印效率存在一定矛盾；其二，就成本而言，当前的3D打印机的造价一般非常昂贵，对其进一步发展，造成了一定的限制；其三，产业环境而言，3D打印技术的大规模应用，促使产品更易扩散与复制，增加了制造业的盗版风险，当前具备的知识产权保护体制还不能和产业的发展相吻合；其四，就打印材料而言，当前的3D打印成型材料大部分使用的是化学聚合物，其选择具备一定的局限性，成型品的物理特性非常差，与此同时，存在安全隐患。

在2011年，某公司发布了最新的技术发展目标方案中，可以得出：3D打印技术正在迈向概念炒作的时期，其技术还需要得到全面的提升，主流市场也需要实施更进一步的培养。相关研究工作者提出，至少需要5-10年，3D打印技术才能成熟到与时代发展相吻合，在其较为漫长的发展中，产业存在增长期落空、资金投入中断等可能性。总而言之，就中长期而言，3D打印产业具备非常宽广的发展前景，但是当前其产业还未成熟，仍旧需要大力提升。针对3D打印市场范围的短期发展不适合过度估算。所以，当前产业范围针对3D打印范围的投入措施是：提升创新研发力度，主要任务是引进技术与技术储备，特别要重点维护与构建自主知识产权，力争其能够在日后激烈的市场竞争中，具备强有力的竞争实力，但是当前受到概念炒作的限制，在技术还未健全的状况下，进行大范围的产能扩张，由此导致投资回报存在一定的风险性。

5 3D打印技术的未来发展态势

伴随智能制造逐渐趋于完善化、成熟化，在制造领域中，大范围应用了全新的信息技术、材料技术等，由此，3D打印技术也逐渐推向更高的阶段。在未来的发展态势中，3D打印技术会更具智能性、便捷性、精密化等优点。

提高3D打印的精度、速度等，拓展多材料打印、并行打印等工艺方式，提升成品的表层质量、物理性能，以满足直接面对产品制造：创新出诸多形式3D打印材料，如纳米材料、复合材料、智能材料等，未来的研究与应用热点可能变成金属材料直接成型技术，3D打印机体积具有桌面化、小型化、资金投入较小，操作更简单，也更加符合分布化制造、规划、生产的目标。和家庭生产的需要。软件内的集成化，CAPP/CAD的集成化，促使生产控制软件和规划软件可以巧妙融合，完成设计人员直接联网控制的远程在线生产。除此之外，拓宽3D打印技术在车辆、生物医学等行业的广泛应用。

6 结语

综上所述，文章是针对3D打印技术和产业的发展及其前景，展开的深入全面的探究，并且全面分析了3D打印技术的主要技术原理、技术与产业的发展具体状况、未来发展前景及未来发展态势。提出了针对性的建议。其主要的目的是，促使3D打印技术能够得到迅速的发展，并且能够应用到世界范围内的各个行业当中，发挥其存在的最大价值。

参 考 文 献

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[3] 吴菲菲，段国辉，黄鲁成.基于团队识别的3D打印技术发展前景分析[J].情报杂志，2013（08）.

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[5] 孙建明，童泽平，殷志平.3D打印技术的市场应用及发展前景分析[J].现代商贸工业，2014（18）.

3D打印的误差分析 篇3

当前, 新一轮的数字化制造浪潮已在世界各国悄然兴起, 随着发达国家制造业竞争力的持续下滑, “智能机器人、人工智能、3D打印”将成为实现数字化制造的关键技术。英国《经济学人》杂志曾经在2012年4月份发表了一个封面故事《第三次工业革命》, 这个故事在论述数字技术给我们的世界带来变革的同时, 特别的提到了3D打印技术会因为对传统工业制造规模效应的冲击将得到非常广阔的发展空间。作为第三场产业革命的标志之一, 3D打印技术已在全球制造领域产生了重要影响。该技术已经不是研究员、科学家的专用技术, 3D打印机甚至在一些欧美发达国家的应用也相当普遍。它已经从实验室和工厂逐渐走进学校和家庭。3D打印的服装已频频出现在全球各大时装展上, 3D打印的曲奇和糕点已成为许多家庭餐桌上颇受欢迎的小点心, 就连3D打印的个性家具也受到年轻人的喜爱, 在自行车和汽车等交通工具的设计中也日益呈现3D打印元素。从小朋友的定制玩具, 到父母的立体婚纱照, 再到爷爷奶奶的义齿, 3D打印能使家庭中的每个成员都感到惊喜并从中获益。3D打印技术逐渐从打印物体外包造型过渡到打印物体的内部构成, 最终发展到打印物体的高级功能和行为阶段。总而言之, 3D打印技术在世界上的发展速度已经开始加速。

2 3D打印技术的市场应用现状

经过多年的发展, 3D打印技术已初步形成了一套体系, 同时该技术可应用的领域也逐渐扩大, 已涵盖产品设计、模具设计与制造、材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等各个领域, 前景远大。显然, 只有不断提高3D打印技术的应用水平, 才能持续推动3D技术的发展。3D打印技术的实际应用主要集中在以下几个方面。

2.1 产品设计领域

在新产品造型设计过程中, 应用3D打印技术能快速、直接、准确地将设计者的思想转化为具有一定功能的实物样件, 缩短了工业产品的设计开发周期和降低了开发成本。该技术建立了一种全新的产品开发模式。

2.2 建筑设计领域

传统的建筑模型设计制作模式已难以满足现代化的高端设计要求, 借助打印技术强大的优势和无可比拟的逼真效果, 现今大多设计机构在大型设施或大型场馆设计中采用3D打印技术先期构建精准的建筑模型来进行效果测试。

2.3 模具制造领域

传统的玩具模具制造耗时长, 制作成本高, 3D打印技术在降低生产成本的同时也大大缩减了开发周期, 提高了生产效率。3D打印技术在模具制造方面采用直接制模和间接制模两种, 前者是指利用3D打印技术直接堆积模具, 后者是先制出快速成型零件, 再由零件复制得到所需要的模具。

2.4 机械制造和家电制造领域

3D打印技术在机械制造领域内主要用于单件制造和小批量金属零件的制造, 具有成本低和周期短的优势。在家电行业, 许多大型家电企业, 如江苏的春兰、小天鹅, 广东的美的、华宝、科龙, 青岛的海尔等, 在3D打印技术的普及与应用上都走在了国内前列, 这些企业率先采用3D打印技术开发新产品, 成效显著。

2.5 生物医学领域

近年来, 随着人们对3D打印技术在生物医学研究领域应用研究的增多, 利用3D打印技术制作人体器官模型, 进行医疗模型和体外医疗器械制造, 个性化和永久化的组织工程植入等, 应用前景极为广泛。

此外, 在文化艺术、美学教育、航空航天等众多领域, 3D打印技术都展示了其广阔的市场应用前景。

3 3D打印技术的市场发展瓶颈

当前, 我国3D打印产业尚处于起步阶段, 市场发展缓慢, 虽然取得了一些进展, 但与发达国家相比, 我国对这项技术显然还不够重视。一是由于尚无主导的技术标准、缺乏产学研一体化机构, 技术研发和推广应用基本处于无序状态;二是由于当前3D打印的产业规模化程度低, 尚未形成有效产业链, 产业整合度低;三是有效的市场机制还未建立, 主要依赖国家项目资助进行技术研究, 企业的主体作用还未体现;四是缺乏社会的大力推广, 3D打印相关课程尚未列入机械制造、材料工程等学科的教学课程体系, 企业对3D打印技术的发展趋势认识不到位导致整个产业需求不足。

无疑, 3D打印技术的出现, 给人类带来了一种全新的生产方式和生活理念, 对传统工业整体格局和规模化生产方式将是一种极大的挑战。然而, 不容乐观的是, 目前3D打印技术不得不面临打印材料、打印成本、规模经济等多方面的瓶颈, 并且在短期内较难解决。

首先, 关于打印材料, 由于耗材对3D打印技术的应用和发展起着至关重要的作用, 当前应用于3D打印的耗材及其有限, 市场上常用的耗材包括PLA (生物降解塑料聚乳酸) 、ABS树脂、橡胶、石膏、塑料、可粘结的粉末颗粒等, 以及少量价格高昂的进口材料。并且, 多数耗材主要应用于家电制造、玩具等轻工业民用产品领域, 在汽车、航空等领域应用还较少, 尽管有部分金属材料应用, 但是离规模化大批量生产尚有相当大的距离。

其次, 关于打印成本, 由于打印的设备成本偏高, 导致3D打印成本总体成本居高不下, 单个产品的制造成本依然处于较高水平。使用3D打印机制造产品, 缺乏规模经济, 使得单间产品的打印成本远远高出规模制造成本。一方面前期投资成本大, 另一方面资本回报率却并不乐观, 因此大规模的资金投入还未形成。此外, 3D打印速度偏慢, 对于一件较为复杂的产品, 花费时间可能是好几天甚至几个月。

而关于规模经济方面, 由于受传统格局的制约, 3D打印的推广进展缓慢。众所周知, 传统制造业之所以能实现规模化大生产得益于生产过程的可重复与标准化制造, 相比之下, 3D打印更倾向于个性化与定制化, 普通个人或企业的个性化与定制化需求显然难以满足规模化要求。

此外, 3D打印技术还存在研发技术落后、产业的统筹规划不到位、知识产权保护有待完善及消费者市场有待开拓等多方面的的限制。从整个产业的角度来看, 由于缺少大型龙头企业的示范作用, 加之政府尚未出台有针对性的扶植措施, 3D打印的整体产业体量还处于较低层次, 离成熟的产业化运作还有相当大的差距。

4 3D打印技术的市场发展前景分析

随着3D打印机的普及, 其应用领域也在不断扩展和延伸。据预测, 2016年, 中国有望超越美国成为全球最大的3D打印市场。3D打印也将促进中国企业提升国际市场上的竞争力并缩短与世界先进水平的差距。

随着市场需求的扩大, 3D打印将呈现以下几个方面的发展趋势:一是随着技术的成熟, 打印速度和打印效率将逐步提高;二是随着新材料的研发, 打印材料更加丰富, 成本更低;三是打印设备价格会越来越低;四是3D打印的应用领域将进一步扩大。

可以预见, 3D打印前景广阔, 将对社会生活及生产方式带来一场革命性的变革。而作为主导作用的政府, 应具备高瞻远瞩的战略眼光, 重点从以下几个方面进行推进。

首先, 针对当前3D打印产业发展的热潮, 政府应明确提出产业的整体目标, 从战略的高度确定3D打印产业发展的整体规划, 将3D打印产业作为重要的战略性产业, 对推进步骤、重点领域和具体措施都做详尽的规划。

其次, 相关部门应加强产研互动和统筹协作, 共同打造提升3D打印技术的研发水平。

最后, 政府必须逐步完善3D打印知识产权保护机制, 保护知识产权拥有者的合法权益, 坚决打击复制抄袭者的违法行为, 促进3D打印技术向良性循环的方向发展。

5 结束语

3D打印技术如今被各国所认可, 并不断有业内人士、学者评论“3D打印技术作为一项前沿性、先导性非常强的新兴技术, 对传统制造业的工艺改造和新材料的广泛应用具有颠覆性的意义和作用。”面对新的生产方式的变革和发达国家再工业化战略, 我国应该高度重视3D打印这一新技术可能带来的制造业革命, 深入分析全球3D打印技术的市场发展趋势, 研究建立3D打印的基础理论和技术体系, 加大人才培养、市场培育和应用推广力度, 制定符合中国国情的3D打印产业中长期发展战略规划。同时, 加快3D打印的试点示范, 选择诸如高端汽车零部件、医疗器械等重点行业领域进行推广应用, 积极探索和积累3D打印的市场运营和行业管理经验, 积极有效地应对3D打印技术并使之为实现中国梦和中华民族的伟大复兴而服务。

摘要：被称为“第三次工业革命重要标志之一”的一项新兴打印技术——3D打印技术越来越多的走入到了人们的生活当中。3D打印技术的问世, 是一项具有工业革命意义的高新制造技术, 同时也代表了世界制业最新发展趋势。为此, 拟从3D打印技术的国内外发展现状入手, 通过分析3D打印技术的市场应用及所存在的问题, 研究我国3D打印的发展前景, 为我国的3D打印产业的长远发展出谋划策。

关键词：3D打印技术,市场应用,发展前景

参考文献

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3D打印的误差分析 篇4

激光3D打印(也称为增材制造)技术是近二十年来制造技术的一项重大突破,其对制造业的影响力可以与二十世纪中期的数控机床相比。激光3D打印技术可直接快速制造复杂的功能零部件,在材料选择、设计自由度以及产品研发等方面具有很大的竞争优势,并能大大缩短加工周期,大幅减少制造准备和数据转换的时间,该技术随着近两年3D打印以及数字制造概念的迅速升温而越来越多的被市场所接受,相对于传统的材料切削成形,该技术所代表的增材制造方式是一种重大的创新,其本身也是应用数字化技术的产品创新。

目前,3D打印技术应用在国内发展很快,而目前国外设备价格高昂。因此,需要尽快完成设备的开发与技术储备,降低设备制造成本,这样在3D打印技术的应用大范围推广中占据主动,掌握先机。

影响激光选区熔化3D打印效果的因素很多,其中最主要的因素包括材料的成份、激光的功率、光斑直径,扫描的速度、路径、粉层厚度,工作环境中的氧含量、水含量,模型支撑的设置,铺粉的平整性与稳定性、举升机构的精度等。其中工作环境中的氧含量、水含量对成型的质量也是最重要的参数,本文也重点研究在3D打印过程中,工作环境的水含量和氧含量的参数分析和实现气氛保护的原理及结构。

1气氛技术指标及分析

(1)真空箱可达到极限真空为50Pa。

(2)抽气速率:从大气开始抽气,在≤15分钟内,达到极限真空。

(3)充气速率:在抽到极限真空后往工作腔内充氩气,工作腔内有金属粉末,充气过程过快会引起工作环境的金属粉尘飞溅,这样会对内部的执行机构和气体的循环再生系统造成损害,所以充气过程大约在20分钟。

(4)氧含量:在充完氩气的情况下氧含量在500PPM左右,然后在进行循环除氧大约一个半小时能达到10PPM能够满足烧结要求。

(5)水含量:在充完氩气的情况下水含量在80PPM,然后在进行循环除水大约一个半小时能达到10PPM能过满足烧结要求。

2设备构造

激光3D打印工作腔体采用密封真空腔体,同时腔体内设有循环净化除氧系统,采用可再生铜触媒与分子筛循环净化腔体中的氧气与水分,并通过传感器实时监测腔体中的氧与水分含量,由可编程控制器实时控制循环系统保证工作腔体中的氧含量小于10ppm。腔体中有精密运动机构,需要进行真空动密封设计。

(1)真空手套箱。真空手套箱分上下两室,上室为成型腔,下室为加工平台升降驱动室。上下两室胶圈密封,螺栓联接,两室外有道通相联保证两室气氛一致。

(2)成型腔(上室)。箱体材料为304不锈钢材质。前后开门,上盖可打开(螺栓联接,胶圈密封)。铺金属粉末,由伺服电机驱动导轨刮板对落料往复刮动;驱动电机由左侧引入,需要侧留有驱动部分矩形法兰安装口,并保证法兰端面与上室底部平面的垂直度公差不大于0.05mm。在上室两侧壁下方有循环气体通道,通道口装有除尘滤网,通道口为矩形口通过过渡接口转成KF40法兰,右侧与下室相联,左侧联接再生循环系统回气管道;上室底部开有一个250×250mm方孔用于安装成型平台导向筒;上室底部设计焊接一个内径Φ38管道,用于上室内各种电路走线(自上室引至下室后与下到右侧安装的引线法兰相接)并进行密封。

上室上盖:装有Φ150的石英玻璃用入激光的射入;上盖开有矩形口,用于安装落料仓(胶圈密封),另外上盖上需装有一只24V 50W照明灯。上室前门处装有两只丁基手套并设计可挂装手套的装置,前面有一个观察窗。

(3)成型平台升降驱动室(下室)。下室为垂直进给机构安置用途。自上室下方安装粉料回收斗并穿过下室侧壁与箱体外收集罐相联,304不锈钢材质。通过上端矩形法兰与上室相联,前后开门。右侧下方有8个KF40接口,其中3个为预留口,2个安装KF40四芯引线法兰,2个装有8芯航空插头,1个与循环系统进气管道相联。

(4)粉斗机构:分粉仓与下粉通道两部分。粉仓:仓盖可打开,仓盖上方有KF40法兰接口用于安装料罐(配有两个KF40真空球阀),仓体下方落料口为扁口通过矩形法兰安装在上室上盖。另仓盖上方有一KF40法兰通过管道与成型腔上盖相联使两室相通,可调节高度的支座用于支撑料仓。

下粉通道:安装于成型腔上盖下方。

3循环再生系统

(1)净化系统。净化柱1个,使用铜催化剂和分子筛,吸附饱和后用含氢的氮气或氩气再生,其中氢气含量为5%;低噪音、高效率日本松下循环风机,流量80m3/h;电气动控制的循环主阀,KF40标准接口;所有气路都由电磁阀控制,净化柱再生完全实现自动控制。

(2)控制系统。PLC控制系统及触摸屏式控制面板,实现以下功能:单键实现过渡舱多次抽充气操作,自动控制箱体压力,自动控制箱体气氛,箱体气氛自动报警,避免不安全操作损坏设备或破坏箱体内的气氛;脚踏开关,用来调节箱内的相对压力。

(3)水氧指标。H2O﹤10ppm,O2﹤10ppm(氧分析仪采用美国AII公司GPR1500型氧分析仪,测量范围0~1000ppm,精度0.2ppm。水分析仪采用美国Xentaur公司LPDT型水分析仪,测量范围20~100℃,精度2℃。)

4结论

3D打印技术优劣分析与前景展望 篇5

1 3D打印技术简介

3D打印技术, 在学术上又被称为“添加制造”技术, 也可称做增材或增量制造。3D打印技术的主要工艺类型有以下几种, 如:光固成型技术、立体光刻技术、PVC塑料复膜烫印技术以及熔融挤出成型技术和三维喷绘打印技术等[2]。产品的类型则主要有桌面级和工业级两个级别, 其中桌面级可以直观阐述3D打印技术所包含的工艺原理与流程, 工业级3D打印机可划分为直接产品制造和快速原型制造两种类型。

2 3D打印技术的主要应用

3D打印技术可以应用到各个行业, 只要这个行业能够提供模型或者是原型。目前, 3D打印技术已经在工业设计、航空航天、机械制造、文化艺术、军事等领域得到了较为广泛的应用。随着技术自身的发展, 它的应用领域将继续扩展。这些应用主要表现在以下四个方面:

(1) 设计功能原型:设计师通过制造的原型去证明设计的合理性, 同时还可以使用三维组件进行性能的测试和细致的工程评价。原型组件的制作可以大幅度提高生产效率, 一般可以提升数小时到数十个小时, 而且还便快速找出缺点, 避免因为后期出现的工程性变更而付出不应有的代价。

(2) 模型工具制造:在企业的制造工序中, 如果需要模型、夹具、测量仪器、样品、钻模等工具, 就可以使用3D打印技术进行制作, 就不需要在购买和安装机器上消耗大量时间和经济成本。进行铸型或浇铸, 3D技术打印设备在工作制作方面有助于节约时间, 减少不必要的支出, 同时优化生产操作, 减少人为因素的影响。

(3) 制造成品:3D打印现已成为产品制造行业的主导技术, 3D打印技术与传统生产技术相比, 能够大幅度降低生产成本, 加快生产周期。同时可以忽略时间和空间的限制, 在有必要的时候对产品进行模型修改, 可以给企业在开拓小批量定制产品方面提供技术保障。

3 3D打印技术的优势与不足

3.1 3D打印技术的优势

(1) 产品的数字化制造。通过CAD/CAM等可将产品结构数字化, 直接将模型甚至是图纸制造成零件。其中将零件模型化或图纸化还具有可通过互联网技术快速传播的优势, 将有效推广产品制造快速化和分散化的生产优势。

(2) 产品的降维优化制造。3D打印技术可将原来的三维结构的零件解构成二维结构, 然后分层进行打印即可形成成品零部件。根据3D打印技术的制造原理, 任何一个复杂解构的零件都可以被制造出来, 并且制造更为简单方便, 更适应未来市场的发展。

(3) 产品的直接制造。对于某些复杂的零部件, 传统的制造方法并不能一次成型, 而是需要制造出各个零件进行后期装配, 但3D打印技术的出现改变了这一状况, 它可实现任意零部件的一次成型。3.2 3D打印技术存在的问题

(1) 现有材料种类过少。目前限制3D打印技术推广的最主要因素是可用材料的缺乏。现在看来, 适用于3D打印的材料只有树脂、金属和塑料等为数不多的几种。但是要实现3D打印技术在更大范围的推广, 就必须研究更多的可用之“材”。现在最迫切需求的是3D打印可用的金属材料, 例如钛合金、镍基合金、不锈钢等, 但是这些材料的使用还在研究当中。

(2) 不完善的3D打印工艺。因为现今的3D打印工艺还不能满足生产实际的需要, 打印出来的零部件精度和表面质量难以达到使用要求, 所以只能作为生产制造模型使用。3D打印产品采用逐层打印的工艺, 但是即使每层连接都很紧密, 仍然不能和传统的锻件相比。

(3) 成品使用性能差:3D打印技术目前还处在初级阶段, 所以制造产品的使用性能较差, 在精度、刚度和强度等方面还存在较多不足。以目前的技术情况, 3D打印技术只能达到几十毫米的精度。因此, 3D打印技术不大适合使用在精度较高的研究领域[2]。

4前景展望

根据国际快速制造行业权威提出的报告显示, 全世界的3D打印产业的总产值在1988~2010年间保持着26.2%的速度快速增长。同时该报告还指出, 未来五年时间内3D打印产业的总产值还将继续快速增长, 到2016年将设备制造和服务计算在内, 行业的总产值将达到31亿美元, 到2020年可达52亿美元。随着3D打印技术的发展和商业应用崛起, “个性化定制”产品的大批量生产将成为典型的生产模式。将3D打印应用于现代服务业, 可以细分出更多的新兴行业和商业运作模式, 从而催生更多的经济发展机遇[4]。3D打印技术的发展同时会带动行业内制造技术、产品加工技术改进和管理水平的提升, 使企业能够快速响应市场需求, 及时调整产品战略。

5结语

3D打印技术作为“第三次工业革命”的重要标志, 已经不再依靠概念炒作, 而是逐步进入人们的生活, 体现在生活的方方面面。不难看出, 3D打印技术蕴含着无限的潜力, 在未来必将掀起传统制造业界内的重大变革。3D打印技术与传统制造技术应当形成优势互补, 而并非只是简单的替代关系。同时我国科技工作者应该及时抓住发展机遇, 注重产学研相结合以及自身创新意识的培养, 注重和先进国家和地区的技术交流, 不可错过3D打印技术以及诸多新技术发展的机遇期。

摘要：3D打印是最近兴起的一种快速成型的技术, 现在已经引起了社会的广泛关注。3D打印技术相比传统制造技术具有不可超越的优势, 但也存在着一些不足之处。本文对3D打印技术的优劣进行了分析和比较, 对其发展前景进行展望, 也对其发展方向提出一些可行性建议。

关键词：3D打印,优势与劣势,发展前景

参考文献

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[3]王文涛, 刘燕华.3D打印制造技术发展趋势及对我国结构转型的影响[J].科技管理研究, 2014, 34 (06) :22-25, 30.

3D打印的误差分析 篇6

一、对3D打印技术的认识有待提高

3D打印的概念在近两年被各大媒体屡屡提及,国家从战略层面也提出了发展规划,国家和工业信息化部、国家发展2015年2月联合发布《国家增材制造(3D打印)产业发展推进计划(2015-2016年)》可见国家对3D打印技术的重视程度,3D打印的概念也为大多数人所认知,但真正了解3D打印技术工艺、成型方式、各成型工艺的工件性质和各成型工艺成本的为数不多,根据实际调研结果分析,绝大多数所理解的3D打印仅仅停留在概念上,最熟悉的成型方式为熔融沉积成形(FDM),大部分中小企业所购置的3D打印机也均为熔融沉积成形的桌面级打印机,对其它类型的成型工艺并不了解。

根据3D打印所用材料的状态及成型方法,3D打印技术可以分为熔融沉积成形(Fused Deposition Modeling,FDM)、光固化立体成形(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、分层实体制造(Laminated Object Manufacturing,LOM)、电子束选区熔化(Electron Beam Melting,EBM)、激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)、金属激光熔融沉积(Laser Direct Melting Deposition,LDMD)、电子束熔丝沉积成形(Electron Beam Freeform Fabrication EBF)。1以上几种成形方式为常见3D打印技术,技术发展成熟度相对较高,对于不同类型的成形方式,其成型精度、成型材料、成型机械强度,成型成本和成型速度等均有较大差·异,最为大家熟知的熔融沉积成型成型材料为ABS和PLA塑料,成型精度相对较差,机械强度不甚理想,但成型成本较低,易为用户所接受。

二、改善应用策略

对3D打印过于迷信和工艺方式选用不当也是制约3D打印发展的主要原因。虽然3D打印技术在很多方面优于传统加工方式,但3D打印并非万能,也并非全面优于传统加工方法。如在批量加工方面,传统的注塑加工无论在加工效率和加工质量上3D打印都无法与此相提并论,但在个性化、异形化特别传统加工方式无法加工等方面3D打印则优势明显,因此在选用加工方式时则根据需要合理选用加工方式。另外,对3D打印工艺选择不合理也会让使用者望而却步,个人和企业为促进产品开发效率而引进了3D打印,希望在产品开发的过程中能随时得到设计模型,而不需要交与手板厂制作模型,但现实却不尽人意,大部分设计师和企业仍然靠手板厂制作模型,而不是使用3D打印机。究其原因,绝大多少使用的是熔融沉积成型的桌面打印机,其打印质量不高,无法满足产品设计中的装配问题,模型表面也很粗糙,达不到产品设计的要求。事实上,如果把工业设计对模型的需求拆解开来,熔融沉积成型的3D打印机可发挥其重要作用,如人机工程学验证阶段,整体打印出三维模型,对外观质量要求并不高,则可使用此种打印方式,打印速度快价格低廉。而需要功能验证时则使用精度较高的光固化成型,精度可达0.01毫米,完全满足装配的需求。但光固化成型3D打印机一是机器本省价格较高,二是使用频率较低的话材料容易浪费,因此外接的3D打印中心应运而生。

三、创新商业模式

3D打印技术制造产品的方式和过程与传统制造业有很大的不同,个性化设计模式、整体化解决方案,分散化制造方式、小批量生产、订单决定产量、持续化的售后服务等特点,决定了3D打印技术行业的商业运营模式应该与传统制造业有很大不同,不能完全照搬模仿传统制造业的商业运营模式,而必须采取符合3D打印技术制造产品的方式和过程的独特商业运营模式。2

目前成立了不少3D打印服务机构,为企业和学校提供3D打印服务,主要靠网络宣传,实地促销等方式开展业务,并不能展现3D打印的优势,而只是作为手板厂的替代品,发展极为不利。3D打印技术的商业运营模式,应该以客户需求为中心而展开,建立经常交流沟通,实时跟踪反馈、快速建模设计、反复交换意见、及时提供服务的运营模式。同时必须充分运用“互联网+”的平台模式,引入“创客空间”来提高创新的效率,降低创新的成本,推动3D打印技术制造产品方式的迅捷化、柔性化、大众化。3D打印技术是典型的数字化制造技术,特别适合于远程异地设计制造,开展面向应用对象的网络化服务模式,是推动3D打印技术发展的一项重要任务。

四、总结

毋庸置疑,3D打印技术对推进工业设计效率,加快产品开发进程和改善产品开发模式均产生巨大的推动作用,但现实中其优势并没有发挥出来,加强3D打印技术深入宣传,让工业设计师全面了解3D打印各种工艺的特点,合理利用3D打印技术。建立适合3D打印技术的商业服务模式,让工业设计师改善设计模式,发挥设计创意,真正起到促进设计效率的作用,让3D打印技术的优势充分发挥出来。

参考文献

[1]张学军,唐思熠,肇恒跃,郭绍庆,李能,孙兵兵,陈冰清.3D打印技术研究现状和关键技术[J],材料工程,2016(2):122-128.

3D打印的误差分析 篇7

关键词：直角坐标系,3D打印,机械结构设计

由于近年来的科技迅速发展, 3D的使用轨迹, 可有效确保其运动的控制机构能力, 对于实际坐标形式的生产结构, 可结合有机架构来进行分析, 确保其在实际使用过程中, 能够精确的保证其信息的安全性, 对于信息方式的组间, 针对三维坐标的控制, 其主要就集中在机架、XY轴移动组间等多个版面, 对于组件的安全控制, 可结合打印机的实际使用操作来确定其机械结构的完整性。以下是针对其机械结构的设计策略进行简要的讨论。

1 基于直角坐标系3D打印机的重要运动组件设计

对于结构钢架的控制效果, 这与运动的机构有着决定性的关联。通过控制马达来实现对多个轴向运动的有效控制, 并以胶头组件的控制, 实现对平面位置上的合理控制, 这在对基本定向理论的确定上, 也能有效的保证其轴向面积的有效设置, 对于直角分布策略以及通过性的马达表达形式, 都能够实现其对物体运行轨迹上的操控。

在这个结构中, 对于基本的设施使用规范, 则主要集中在X与Y两个轴向的组间运动结构上, 是通过马达来传送, 对于传送的操作, 可结合实际的几何运动轨迹来确定其运动轨迹的控制, 对于打印的连接渠道来说, 组建的基本设定, 对于联合的方向与运动措施等, 都形成了一定的制约。对于打印的链接渠道, 一起组建的整合效果, 其设施在进行使用的过程中, 就可以根据其运动的方向趋势来确定综合建设的总体方向, 对于基本的运动以及实际的使用规范, 都需要结合其运动的轨迹来进行综合的策略防护。而运动的方案以及稳定性等, 可结合其保障的产品来确定, 其方案的稳定性表面保障, 在实际的使用过程中, 可确保其不同方案下的缠绕形式, 并结合实际使用来进行信息传递上的同步确定, 使之能够有效的保证同步信息的安全性。

对于多层结构功能的相同定论, 我们以上层的Y轴驱动结果来说, 其X轴的驱动关系, 对于同步的带轮结构, 以及轴承专项结构等, 都会形成双周边同步驱动的合理建设, 转动的高速频率结构, 在实际的使用环境下, 也会形成有效的理念判定, 这对于运动的装置在运转过程中的振动问题, 会产生一定影响。为减少其运动距离上的问题, 表面质量的提高效率, 对其使用的打印层面构造, 需要按照其实际的操作来进行有效的确定。

2 基于直角坐标系3D打印机的载物台组件控制实现

3D打印机在使用过程中, 承物台是确保其应用安全性的重点, 对于打印的使用规范, 以及热熔材料的合理化堆积问题等, 都会形成一定的影响。因此为保证工作熔料使用的安全性, 就需要加强对载物台进行合理的排布分析, 并结合实际的使用规范来进行确定, 以确保在实际使用过程中的粘结效果, 做到对温度的合理控制, 确保其在80℃左右, 并实现对基本铜蚀效应的有效控制。

直角连接板在实际的使用过程中, 我们通过载物台的使用规律进行综合分析, 确保其连接的强度以及垂直作用, 并加强对直线轴向承接作用的合理控制, 对于实际的使用规范来说, 其作用对速度的低速调整, 以及核算结构的设计要求来说, 都能承接对校核算结构的平台建设, 并保证其在一个稳定的运动曲线内, 能够有稳定性的保障。

对于载物台的水平使用调节, 主要通过支撑弹簧来进行功能性的调节, 做到对热床的高度结构控制, 这对轴面的操作调整使用规范, 以及弹簧的阻尼缓冲效果的调节等, 都能够有效的避免其可能造成的损伤, 并保证对螺旋结构的便利性载物控制。对于基本的操作规定、其使用的规范、对基本的人工承物平台和使用的调节平面, 都需要加强自身的合理化建设。

为满足实际的打印需要, 在进行复杂性的结构位移分析过程中, 结合实际的移动组件进行载物结构的控制;在合理的位置安排上, 通过功能方面的合理化设计试验, 对于市场的扩张稳定性进行分析, 其作用对市场的定位, 以及技术的特点和价格来说, 也能够更好的保障其自身市场在使用过程中的个体定位性质, 这对于价格以及品味的使用, 在对技术的特点以及价格参考, 都会形成市场定位行为上的具体措施改良。从现代市场的定位系统来说, 研究打印开发的队伍, 对市场的扩张作用以及趋势还有很大的不解, 这就可能造成在生产上不能满足工业的设计趋势, 并影响到国家的有效发展。

在设计过程中, 需要考虑到实际的使用功率, 并通过结构上的紧凑调整, 保证其层次的清晰度, 做到对比协调, 在使用规格以及扩展性上, 也能够保证其使用规格的特色性安全, 保证在使用期间, 可以有一个有效的使用时长。这也是标志着我国从生产大国朝着工业创造性国家的发展战略过度。

现代化的3D打印市场发展, 已经逐渐的成为一种现代化设计的趋势, 通过基本信息的确定性因素分析得出, 其使用的规格可确保其使用的安全形势, 会因个体的发展创造局势, 就可能因社会发展的模式而阻碍其基本结构的完善。由于近年来的科技迅速发展, 3D的使用轨迹, 可有效确保其运动的控制机构能力, 对于实际坐标形式的生产结构, 可结合有机架构来进行分析, 确保其在实际使用过程中能够精确的保证其信息的安全性, 以此来完成对基本设施上的有效化创新, 是确保现代化信息建设的根本所在。

3 结束语

伴随着近年来的社会快速发展, 在进行传统的机械结构图形设计过程中, 根据其基本的设施建设发展, 应用新型坐标体系建设可有效的确保打印图形的有效性;而3D打印机在使用过程中, 对于结构的智能打印形式, 可更进一步的完善其对控制面板的使用策略, 并确保在今后的使用过程中, 如何应用3D打印机来进行坐标图形的打印, 成为研究重点。另外随着现代化技术的不断发展, 其使用的明确性, 以及各式的原则性等, 都会影响到其今后的创造线路, 对于功能的实践性分析来说, 其结构的紧凑型以及动力的传递路线简介等, 都会造成其功能实现作用上的实际操作, 可通过适应性上的分析改良, 从而完成对结构形态上的保障。而对于市场形态的保障, 则需要通过创新应用, 从而实现对各层面上的创新创建。以上本文则对直角坐标系3D打印的机械结构设计简要分析, 以供同行参考。

参考文献

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3D打印的误差分析 篇8

3D打印( 3D Printing) 技术是快速成型领域的一种新兴技术,近年得到了快速的发展。特别是随着新一轮工业革命不断深化,信息技术、自动控制技术与工业生产结合成为趋势,将处于趋势焦点的3D打印技术推入了全新的发展阶段。作为一种综合性应用技术,3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识,具有很高的科技含量,其不仅在模具成型和加工制造方面带来颠覆性变革,也将改变工业的未来[1]。伴随着3D打印技术领域的研究热潮,众多研究者对3D打印技术进行专利分析,当然也涉及对关键实体的挖掘、分析和解读。在3D打印技术,对关键实体的挖掘多采用传统的专利分析方法,即利用单一的指标( 多为专利数量) 对关键实体进行界定,或利用单模网络进行网络层面的分析,很少引入时间序列,构建多模网络,对该领域进行整体概况分析。鉴于此,本文基于动态网络分析( Dynamic network analysis,DNA) 方法从多个视角构建了关键实体的评价体系,代替传统的专利分析方法来快速识别技术领域的关键实体并分析其演化情况,从概念层面上识别出在分布于不同区域的不同专利权人在不同的时间段利用何种知识完成任务的情况,为专利分析方法提供一个新的视角,也是动态网络在专利分析中的一次新的尝试。

1 研究方法

1. 1 动态网络分析方法

Carley等人拓展了社会网络分析方法,将知识管理、行为研究及社会网络技术融入其中,从而出现了动态网络分析方法( DNA)[10]。动态网络用连接了人、知识、资源、任务以及连接变化的集合来表示组织。动态网络分析能够模拟大型的组织网络,评估组织的当前状态及预测网络变化给组织带来的影响,动态网络分析方法的指标能够评价组织的结构及状态。

动态网络分析不同于传统的社会网络分析之处在于它能处理大规模动态多模、多边的具有多层不确定性的网络,也可以认为DNA是社会网络、认知科学、多智能体系统三者的结合。传统的社会网络分析方法可以处于1 - 模数据和2 - 模数据,但对于多模数据的处理依旧力不从心。DNA能够处理具有不确定性的大规模动态多模、多链接网络,能够从灵活地展开分析。相比于社会网络分析,DNA中的一个优势和重点是提出和验证合适的指标来描述和对比动态网络,如描述网络的大小、密度、节点改变的比率等。DNA网络由不同类型的节点类( nodeclasses) 及节点间的多种关系组成,在DNA中,节点类包括主体( agent) 、知识( knowledge) 、位置( location) 、组织( organization) 、资源( resource) 、任务( task) 等。继而根据不同的对应关系构建Agent x Agent网络( 以下简称AA网络) 、 Agent x Knowledge网络( 以下简称AK网络) 、Agent x Location网络( 以下简称AL网络) 和Agent x Task ( 以下简称AT网络) 网络等叠加的多重网络[11]。具体到专利领域中,可以构建以下几种对应关系: a. 专利权人视为分析的主体Agent,它是行为的主体,具有主动性,将其为主体( Agent) ; b. 专利分类号( IPC) 对应为知识( Knowledge) ,IPC分类号表示技术领域,将其作为元矩阵中的知识; c. 专利申请国对应为地点分布( Location) ; d. 专利功效( Use)对应为任务,它表示专利具有的功效,即专利要完成的任务。

1. 2 动态网络分析中的相关指标及定义

动态网络分析具有了100 多个测度指标,既包括网络分析方法中的一些经典测度指标,如度中心性、介数中心性、平均距离等; 也包括一些动态网络特有的指标,如认知需求( Cognitive demand) 、实际工作负载( Actual Workload ) 、完全排他性( Complete Exclusivity) 、知识/资源多样性( Diversity,Knowledge / resource) 等[12]。在利用动态网络分析对技术领域中的关键实体进行挖掘和分析之前,简要介绍相关指标的定义及涵义。

1. 3 关键实体的评价体系

专利文献中包含很多高价值的信息,如专利权人、专利的IPC、专利引证信息等[13]。利用专利文献中的这些信息以及信息之间的对应关系就可以构建不同的矩阵,从而构建各种专利网络。以技术领域的专利多重网络,并利用动态网络分析指标,构建关键实体的评价指标体系( 表2) ,就能够实现对相关技术领域关键实体的挖掘,并分析关键实体( agent,knowledge,location,task) 在时间序列上的演变情况。

从表2 中可以看出,每个关键实体都有动态网络分析中的指标进行测度,而这些指标对应着不同的矩阵,在各个测度指标下,得分较高者为该测度指标下的关键实体。例如对关键专利权人的测度中,使用了主要合作者( In - the - Know) 、主导性机构( Most Knowledge) 、完全排他性( Complete Exclusivity) 和国际专利分布( Actors at the most locations)四个指标来进行测度,在指标主要合作者( In - the- Know) 测度下得分较高的专利权人,说明其合作较为广泛,是该测度指标下的关键专利权人,总体来说定义为这三个或三个以上测度指标得分较高的专利权人为该领域的关键专利权人。相应的,在指标主导性知识领域( Dominant Knowledge) 、主导性功能( High concentration of actors) 、人员集中分布( Highest concentration of actors) 得分较高的实体分别为关键技术领域、关键功能、关键区域,通过这种打分机制以及由测度指标构建的评价体系就可以快速有效地识别关键实体。在不同的时间切片上对关键实体进行识别,就可以在时间序列上观察关键实体的演化情况。

2 3D打印技术关键实体分析的实证研究

2. 1 数据集与多重网络的构建

3D打印技术是指通过连续的物理层叠加,逐层增加材料来生成三维实体的技术( 增材制造) ,与传统的去除材料加工技术( 减材制造) 不同,因此又称为添加制造( Additive Manufacturing,AM)[14]。作为一种综合性应用技术,3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识,具有很高的科技含量。3D打印技术对传统工业制造规模效应的冲击获得了无比广阔的应用前景,也成了各国该领域的公司、科研机构争相研发的热点技术领域。本文通过从文献中提取关键词,通过向领域内的专家征求意见并进行关键词的修正,最终确定检索式。专利数据来源于德温特数据库,获得2002 年至2013 年间授权的有效专利数据964 条。按照授权时间本文将专利数据分为3 个时间段进行分析: 2002 - 2005 年、2006 - 2009 年、2010 - 2013 年。以专利权人作为主体( agent) 、以IPC分类作为知识( knowledge) 、以专利申请国家作分布( Location) 、以专利功效作为任务( Task) ,根据专利人之间的合作关系、专利人与知识的对应关系、专利权人与国家分布关系、专利权人与专利功效关系分别构建Agent x Agent网络、Agent x Knowledge网络、Agent x Location网络和Agent x Task网络叠加的多重网络。

2. 2 关键专利权人的演化分析

①主要合作者( In - the - Know) : 对构建的多重专利网络,进行相关指标的运算得到在3D打印技术领域中专利权人的合作情况,具体情况如图1 和表3 所示:

从图1 和表3 中可以看出在3D打印技术领域中,专利权人的合作情况及其变化。OBJET GEOMETRIES公司在2002 ~ 2009 的两个时间段内,与其他专利权人合作都较为广泛, 在2010 至2013 的时间段内, OBJET GEOMETRIES公司与其他专利权人的合作相对减弱。维也纳技术大学在合作研发方面后来居上,与其他专利权人的合作越来越多, 成为主要的合作对象。3D SYSTEMS公司与其他机构的合作一直较为广泛, 也是3D打印技术领域内合作研发的主要对象。鸿海精密工业有限公司、DEPUY SYNTHES公司和ENVISIONTEC是近些年新出现的主要合作人, 在合作研发方面具有很强的潜力。

②主导性研究机构( Most Knowledge) : 在构建的多重专利网络,对指标Most Knowledge进行相关运算得到在3D打印技术领域中主导性研究机构情况,具体情况如图2 和表4 所示:

从图2 和表4 的情况来看,3D SYSTEMS公司研发领域一直较多,戴姆勒- 克莱斯勒公司在2002 至2005 年的时间区间内涉及技术领域最多,为主导性研究机构,但在随后的时间里逐渐被其他企业所取代。STRATASYS公司、RAYMOND & CIE A、美国波音公司和德国西门子公司近几年涉及技术领域也逐渐增多,反映了这几家公司具有较强的研发与创新实力。

③知识垄断性( Complete Exclusivity – knowledge) : 在构建的多重专利网络中,对指标Complete Exclusivity进行相关运算得到在3D打印技术领域中基于知识垄断性的专利权人排序情况,具体情况如图3 和表5 所示:

从图3 和表5 可以看出,MAX公司、美国普莱克斯公司、斯勒公司在2002 年至2005 年的之间区间,在知识垄断性方面超越了其他公司,MTU公司在2002 年至2009 年的时间段内,在技术垄断和知识独占方面表现出色,但在近几年逐渐被其他公司所取代。RAYMOND、巴斯夫公司、STRATASYS公司、MAKERBOT公司近几年在独创技术和知识垄断方面有一定的成就。

④专利申请国家最多的专利权人( Actors at the most locations) : 在构建的多重专利网络中,对指标Actors at the most locations进行相关运算得到在3D打印技术领域中基于专利申请国家的专利权人排序情况,具体情况如图4 和表6 所示:

从图4 和表6 中可以看出,3D SYSTEMS公司在世界其他主要国家都对其3D打印技术申请了专利保护,在海外布局方面具有优势,STRATASYS公司自2006 年逐渐在其他主要国家申请专利,开始注重对其3D打印技术的专利保护。另外,MAKERBOT、OBJET LTD近些年在专利申请保护区域方面都具有一定优势和专利保护区域分布,这些都应引起我国研发人员和企业的注意。

从以上对关键实体各个角度的评估分析中可以看出,3D系统公司、Z公司、STRATASYS INC、RAYMOND & CIE A和BASF SE在3D打印技术相关测度体系中的某个方面或多个方面领先于其他专利权人,是3D技术领域中的关键专利权人。

2. 3 关键技术的演化分析

关键技术主要通过主导性知识领域( Dominant Knowledge) 进行评价,在构建的专利网络中,进行相关运算得到在3D打印技术领域中关键技术的演化情况,具体情况如图5 和表7 所示:从各时间段的排序情况看,涉及研究机构最多的技术领域变化并不是太大,主要集中在B29C ( 塑料的成型或连接; 塑料状态物质的一般成型; 已成型产品的后处理) 、G06F ( 电数字数据处理) 、B22F( 金属粉末的加工; 由金属粉末制造制品; 金属粉末的制造) 、B32B ( 层状产品) 几类,同时B41J ( 打字机; 选择性印刷机构) 的重要性逐渐增加,越来越多的人开始涉足B41J相关的技术领域。从以上的分析来看,3D打印技术领域中的核心和关键技术为B29C、G06F及B22F所代表的技术,另外B41J代表的技术领域逐渐演化为3D打印技术领域内的关键技术之一。

2. 4 关键区域的演化分析

关键区域的演化是通过人员集中分布( Highest concentration of actors) 进行评价,在构建的专利网络中,进行相关运算得到在3D打印技术领域中关键区域的演化情况,具体情况如图6 和表8 所示:

从2002 年至2013 年专利权人国家的分布情况来看,国家分布较为集中,不过也有少许变动。3D技术领域的专利权人的分布主要集中在美国、德国、日本和韩国等国家,其中美国是3D打印技术研发领先,实力最雄厚的国家。不过在2010 至2013 年专利权人在中国的分布大幅度地提升,仅次于在美国的分布,这也说明了中国在3D打印技术领域的研发活动越来越活跃。以上的情况表明,在3D打印技术的关键区域分布在美国、韩国、日本、德国等国家。近几年( 2010—2013 年) ,中国逐渐关注该技术领域的研发创新,成为3D打印技术的主要区域分布之一。

2. 5 关键功效的演化分析

对关键功效的分析同关键区域分析相似,是通过指标Highest concentration of actors进行测度。不同的是,输入的矩阵不同。关键功效中的人员集中分布是在AT网络中,对分布节点进行行度数( Row Degree Centrality) 的计算产生的。在3D打印技术领域的运行结果如下:

从2002 年至2013 年3D打印技术的主导性功效排序表中可以看出,在2002 年至2005 年的时间区间中,3D技术领域中,主导的功效是使传播的能量大致等于来自光源的能量; 在2006 年至2009 年之间,主导的功效又转移到三维打印机的实现方面;最后,在2010 年至2013 年之间,3D打印技术的主导功效为连续数字光处理的实现。从以上的分析可以明显看出,技术功效的变迁情况。

3 结语

本文以3D打印技术领域专利为基础构建了AA网络、AK网络、AL网络和AT网络叠加的多重网络,进行了动态网络分析。通过构建的评价体系,从不同的视角对该技术领域中的重要实体进行了识别和分析,为行业人员制定决策提供理论依据和实践指导。