摘 要

汽车通过3D打印技术个性化定制和快速设计，被各国汽车企业所认可。根据国内汽车领域的发展现状，分析国内外3D打印技术在汽车领域的发展趋势，对国内汽车领域3D打印技术的发展具有重要的理论和指导意义。

本文主要研究了国内外3D打印技术材料在汽车领域的发展趋势。首先，结合3D打印技术相关概念和发展历程，对3D打印技术本身进行了系统的介绍。其次，通过欧洲专利局和佰腾网等搜索引擎，搜集到了国内外3D打印技术和汽车领域3D打印技术的专利数，进行搜集和整理，在此基础上对国内外3D打印技术以及汽车领域3D打印技术的发展现状进行对比分析。最后，总结3D打印技术在汽车领域的发展趋势，提出促进车用3D打印技术和国内汽车产业发展的建议，并对未来3D打印技术的应用提出展望。

本文的特色在于：借助欧洲专利局和佰腾网等专利搜索引擎，进行专利数据的搜集和整理，并以此分析3D打印技术在汽车领域的发展趋势。

关键词：3D打印；汽车产业；发展现状；发展趋势

Abstract

Auto customization and rapid design through 3D printing technology have been recognized by auto companies of various countries. According to the development status of the domestic automobile field, the development trend of 3D printing technology in the automotive field at home and abroad is analyzed, which has important theoretical and guiding significance for the development of the 3D printing technology in the domestic automobile field.

This article mainly studies the development trend of 3D printing technology materials in the automotive field at home and abroad. Firstly, combined with the related concepts and development history of 3D printing technology, the 3D printing technology itself is systematically introduced. Secondly, through the search engines of the European Patent Office and Kuangteng, the patent data for 3D printing technology in the world and 3D printing technology in the automotive field were collected and organized, based on which, the development status of 3D printing technology at home and abroad were compared and analyzed. Finally, the development trend of 3D printing technology in the automotive field is summarized, and proposals for promoting 3D printing technology in automotive filed and the development of domestic automotive industry are proposed, and the prospects for the application of 3D printing technology in the future are put forward.

The characteristic of this article lies in: using the patent search engine such as the European Patent Office and Kuangteng to collect and sort the patent data, in order to analyze the development trend of 3D printing technology in the automotive field.

Key words: 3D printing; research and application; development status; development tendency

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景 1

1.2 课题研究的意义 2

1.3 研究的主要内容 2

第2章 3D打印技术概念及发展历程 4

2.1 3D打印的概念 4

2.2 3D打印的发展历程 5

2.3 3D打印技术分类 7

2.4 3D打印技术常用材料 9

第3章 3D打印技术国内外发展情况 12

3.1 国外3D打印技术发展现状 12

3.2 国内3D打印技术发展现状 14

3.3 国内外3D打印技术发展现状对比分析 17

第4章 3D打印在汽车行业中的发展情况 19

4.1 国外3D打印在汽车行业中的发展现状 19

4.2 国内3D打印在汽车行业中的发展现状 20

4.3 国内外3D打印在汽车行业中的发展现状对比分析 23

第5章 总结与展望 24

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景

3D打印技术的基础技术是计算机的模型设计技术。软件通过对打印产品样本的扫描实现杨平的分层离散，然后应用数控系统将3D打印原料通过层层积累并使用激光等加热技术进行粘粘，最后制造出可靠的产品。与传统的制造方法（如印刷，旋转和铣削以及其他加工方法）相反， 3D打印将三维实体转化为多个二维平面，并将材料分层加工和堆叠，从而降低制造复杂性。这种技术可以在没有图纸、没有专业生产机器的情况下，实现最简化步骤制造，过程中只需要使用计算机对样本进行数据计算。因此3D打印制造技术可以扩展到更广泛领域^[1]。

事实上，3D打印不是一项新技术。这个想法最早是在19世纪的美国被提出并且在20世纪就已经开了推广。自21世纪以来，这类打印机的产量和销量都有了巨大的增长，价格也在逐年下降。

我们平常使用的打印机可以用来打印二维产品，电脑对打印产品的数据进行分析，通过数据打印产品。3D打印机在形式上似乎相较于普通的打印机更为复杂，但是两打印机的工作原理大同小异。不同点也有许多，主要是在打印过程中使用的打印材料会有很大区别。普通打印机主要使用墨水、纸张等等，而3D打印机使用的就是金属、塑料等。当计算机对样本进行扫描计算之后，会将样本数据逐层堆积，然后再打印设备上层层堆积实现样本打印。所以通过对多种技术的集成，可以实现对3D样本进行打印，不论是何种形状，只要能够进行数据分级即可。由于其打印技术的核心原理相较于传统二维打印机而言基本相同，所以我们也称此设备为“打印机”。

我们日常使用的打印机是通过我们在计算机上控制打印，将所要打印的样本数据发送给打印计算机，计算机将样本数据传输给打印机，打印机识别数据，并使用墨水、纸张等材料完成样本数据输出。在3D打印中，同样是对样本数据进行识别分析，而此时的样本数据表现为三维空间内的包括材料、形状 、颜色等等。计算机对样本模拟切片，将样本分层解析，最终将分层解析的样本数据传输给打印设备，打印设备将通过层层堆积的方法实现打印产品实体的打印工作。所以在大的方向上看，两打印机最主要的区别就是使用材料以及打印方法不用。

Objet公司使用的打印材料是液体塑料，通过层层堆积法实现逐层处理，在这个过程中升降台断续下降极小的距离方便新层塑料的喷涂。后被广泛称为“光固化技术”。美国Stratasys公司则使用了一种熔化喷嘴内的塑料，然后通过沉积塑料纤维形成薄层的技术，这项技术被称为“熔积成型”。还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。这种方法主要是将粉末逐层粘连，逐层固化的方法实现对样本的打印工作^[2]。

近年来3D打印技术越来越被人们在汽车领域看好，相比于传统的制造技术，3D打印技术被认为在汽车的研发设计、个性化定制、快速维修等具有广阔的前景。此课题便是在3D打印技术蓬勃发展的情况下进行展开，探讨了3D打印技术在汽车领域的发展趋势。

1.2 课题研究的意义

3D打印对于汽车研发以及个性化定制方面具有重要意义。随着汽车的普及，汽车不仅仅是一种交通工具，而且越来越多地被车主个性化，融入个人的追求和文化。3D打印技术在为个人提供个性化服务方面提供了新的思路，顾客可以创建融入自己个人色彩的零部件图纸，并通过3D打印在较短的时间内创造出来，以实现个人的个性化需求。

在汽车研发设计过程中，由于需要进行种种实验，所以在样本零件上的需求十分巨大。传统的样本开发周期无法满足现代汽车开发周期短的需求。3D打印技术可缩短40％以上的样品开发周期，并将成本降低20％以上。通过3D打印技术，可以在研发阶段打印塑料样品部件，相对于传统的在研发过程中需要进行铸件生产后才能验证其可行性，3D打印技术带来了很多时间上、成本上的便利性^[3]。随着汽车技术的进步，许多汽车零部件的形状越来越复杂，模具制造越来越困难。复杂形状的空调外壳带来了非常复杂的模芯和型腔。传统的“减材”制造技术不能加工整个型芯，腔体只能通过接合和插入的方法来实现，导致精度降低，周期更长，寿命缩短。若应用激光技术进行固化烧结，可以提高加工效率，降低加工周期、加工成本，并在原本的技术基础之上实现使用寿命的延长。

不仅在汽车前市场，3D打印技术在汽车后市场一样可以发挥作用^[4]。在汽车维修方面，3D打印技术为汽车维修提供了新思路。3D打印技术可以在汽车中了一些特殊零件损坏的情况下，快速的利用电脑建模打印出来为新部件进行替换，使汽车维修在特定情况下更为便捷。

综上所述，3D打印技术在汽车研发领域、维修领域、个性化定制领域等具有广泛的前景。但是3D打印技术在汽车领域中应用的时间尚且较短，其在汽车中发展方向还不明确。因此本文将研究3D打印技术在汽车中的发展趋势，对3D打印在汽车领域的发展具有理论和指导意义。

1.3 研究的主要内容

首先，通过对3D打印技术概念以及种类的论述，介绍我国与其他国家在此项技术上不同的发展情况，并以此为基础介绍各国3D打印技术在各行业应用情况及未来发展战略和目标，使得3D打印技术的发展过程更加清晰。

其次，通过专利搜索引擎对近八年各国3D打印技术专利和汽车领域3D打印技术专利数量进行统计，利用所获得的相关专利数绘制图表，分析国内外3D打印技术和汽车领3D打印技术的发展状况，通过对比得出国内外在3D打印技术领域发展的差异性，并根据各国出台的相关政策对3D打印技术专利数的变化趋势进行分析，总结各个国家3D打印技术各个方面的发展程度以及研究现状。

最后，通过对国内外汽车领域研发现状的对比和3D打印技术在汽车领域的应用现状分析，总结得出3D打印技术在汽车领域的发展方向，为我国汽车领域3D打印技术的发展提出相关见解，并尝试为研究人员提供新的研究思路，以促进国内汽车领域3D打印产业的创新与发展。

第2章 3D打印技术概念及发展历程

2.1 3D打印的概念

3D打印是一个很容易被大众理解的流行术语。3D打印制造与传统制造相比具有许多优势：

（1）简化制造工艺，加工周期大大缩短；

（2）简化制造设备，不需要庞大的机床；

（3）简化制造过程，基本实现自动化生产。

这样的制造模式可以扩展到更广泛的生产领域。3D打印制造与传统制造相比具有许多优势。

与传统制造技术相比，3D打印技术降低了生产成本，缩短了生产周期。从加工原理来看，传统的机械制造是以切削，钻削，铣削，磨削，铸造，锻造等为基础的。3D打印技术主要是基于某个部分所执行的工作而采用的“分层制作、逐层堆叠”的工艺。目前的3D打印技术的主要应用领域是小而复杂的部件，并且不承担主要功能。他们大多用于制造汽车和航空航天工业的原型和模具。但是在生产过程中，3D打印技术打印过程中所使用的原材料相较于传统制造业来说，种类较少，受到的限制也很多。3D打印技术凭借其优势，可以使生产产品的材料使用率达到90％以上，大大降低了浪费的可能性。

虽然3D打印技术还不完善，但在某些领域，3D打印技术已经证明了其优势：

（1）时间及原材料优势。特别是在工业设计领域，3D打印技术以其基本的零浪费和低生产周期优势在设计领域进行了3D打印应用。使用3D打印可以大大缩短生产时间和成本，从而缩短设计过程所需的时间。

（2）类型多样化。由于在3D打印过程中只需要软件对样本进行数据分析，所以如果需要生产不同产品，只需要修改软件数据即可，而这样的操作过程在任何领域都可以应用。

（3）强大的连接功能。在某些需要高精准度的领域，例如航天领域，需要几乎是零误差地进行生产在进行连接，此时误差在3D打印技术上几乎可以忽略，而且有稳定性高、连接强度高的优势。

（4）设计和实物高度一致性。理论上来说，在材料允许、计算机图纸足够精确的情况下，3D打印能够百分之百还原任何实物。不仅仅是工业品，如汽车零部件。同时也有可能打印出生物层面上的实物，例如可以用患者的干细胞通过3D打印，制造出可供患者替换的新器官，从而拯救一条生命。

2.2 3D打印的发展历程

3D打印技术作为工业4.0时代的标志，其在中国制造业上的应用将大大改变中国目前的现状实现突破，随着3D打印技术的发展，3D打印技术已经渗透到发动机等核心部件的设计中，而不再仅仅局限在制造结构简单的非功能件上。在不久的将来，汽车行业将迎来3D打印技术的发展。

实际上，早在19世纪，美国就已经提出了3D打印技术的想法。而在19世纪60年代，3D打印技术已经有了一定的发展。1860年，法国人Franois Willme申请到了多照相机实体雕塑（Photosculpture）的专利。1979年，东京大学制造技术研究所的Nakagawa Nakagawa教授创造了一种堆叠建模方法。1980年，日本的萧玉秀提出了一种轻量化的模型，尽管日本人开发了各种3D打印方法。然而，20多年后，美国人将这些科学方法理论转化为实际应用^[5]。

3D打印技术随着时间推移逐渐商业化，美国一名发明家 Charles Hull在离开了他原先工作的公司之后，一家名为“3D Systems”的科技公司成立，公司不断研发3D打印技术。1988年，它发明并制造了世界上第一台3D打印机SLA-250。由于早期技术的不成熟，这台打印机的体积十分庞大。

1989年，美国美国人Scott Krupp发明了“融合沉积成型”3D打印技术。这个技术只适用于小型的以及结构简单的产品打印。同年，美国迪凯特公司发明了选择性激光烧结技术，该技术可以使用各种材料，如尼龙，蜡，ABS，金属和陶瓷粉末。1992年，美国Helicopter发明了逐层叠加技术。这几种技术逐渐成为3D打印的主流研究方向^[6]。

最开始3D打印并不称为“3D打印”而是“快速成型”。1995年，麻省理工学院的两名高年级学生吉姆和蒂姆选择了快速成型技术作为论文的主题。经过多次讨论和探索之后，这两个人想到使用当时已经很受欢迎的喷墨打印机^[7]。他们用胶水取代了打印机墨盒中的墨水，并用喷胶将粉末粘在粉末床上。由于它是在打印机的基础上进行改造的，3D打印的名称在它之后不断传播。

经过近十年的发展，2001年第一台小体积、实现桌面化的3D打印机由Solido发明出来。

2005年，在此之前的3D打印产品都没有实现色彩的识别，而世界第一台可以识别颜色的彩色3D打印机Spectrum Z510由Z Corp推出。并且得到了市场热烈的响应。

2008年，在英国巴斯大学的高级讲师Adrian Bowyer的推动下，公开源3D打印机的接受者已面向公众开放。该项目旨在促进3D打印技术，并允许3D打印技术进入人们的生活。使每个家庭都能享受3D打印技术带来的便利^[8]。

2015年3月，美国Carbon3D公司发布一种新的光固化技术——连续液态界面制造（Continuous Liquid Interface Production，CLIP）：在光敏树脂的表面用氧气把每一层的构造隔开，使其同时进行打印。高翔科技大大缩短了目前3D打印技术的生产周期^[9]。

就在两个世纪前，瓦特发明了蒸汽机，并打开了现代工业革命的帷幕。甚至认为其本身就是第三次工业革命。但是，我们需要关注蒸汽机本身不是现代工业革命这一事实，而是推动机械动力成为主流的社会哲学概念和触发第二次工业革命的主要发展方式因此，3D打印本身也不会成为第三次工业革命，它要通过诱发新的人类理念，综合上下游产业，从而引领新的工业革命。

3D打印技术在中国的研究还不算太晚。中国就开始了相关的研发^[10]。总体而言，中国比美国晚15年，但进展非常显着。对中国3D打印行业的冷静回顾，一些文章的情况并不那么乐观。目前，在中国从事3D打印研发的企业和研究机构只有二三十家，但综合实力不是很强。除了钛合金的大型组件外，我们与其他国家相比还有很大差距。中国在高精度机械和重型机械的生产和加工中应用3D打印技术还远未完善。3D打印技术生产的产品质量不如一些发展中国家。更不用说那些发达国家。目前，我国的局限性在于解决用于3D打印的原材料问题。只有解决了这个问题，才能从根本上解决产品精度、强度不合格的问题。

国内在线3D打印服务的发展水平基本与国外同步，差距不大。从2013年开始，我国网络上就已经出现了很多提供立体模型下载功能3 D打印服务网站，除了提供3D模型下载和3D打印服务外，还提供了特定的在线3D设计功能。易居网络可以计算，分析3D打印产品的打印成本和打印时间;魔猴网实现在线样本分层切片以及3D打印模型的格式转化；Geek3D提供了基础的基于Web的CAD设计功能；与国外在线3D打印服务相比，国内发展速度非常快。3D打印市场也在结合网络不断实现网络化以及自动智能化^[11]。

近年来，国内在线3D打印服务初步取得了良好的发展，很大一部分消费者重视3D打印技术的个性化定制。可以满足每一名客户的特定的需求，现有的网络3 D打印服务不仅仅支持客制化的打印服务，更是支持在线创作等功能。然而，中国的3D打印技术存在缺点，如在线创意设计，收集大众设计需求以及共享社会打印资源等。不能形成补充资源和大规模效应来满足每个层次的个体需求。并且，中国3D打印的产业并没有像一些发达国家一样拥有完整的上下游产业，往往是一家公司需要自己宣传、设计、技术研发、原材料选择等多方面入手，导致每个环节相比于发达国家的3D打印公司存在着明显差距，不过通过国家政策的不断支持和新的科研成果的发现，未来我国3D打印在线服务的服务质量会越来越完善。