从2011年开始，全球开始掀起3D打印热潮，当前3D打印在航空航天、汽车、医疗健康等领域的市场应用已经取得积极的进展，我国3D打印产业发展至今，呈现出不断深化、不断扩大应用的态势。未来，随着政策以及技术的支持，我国3D打印产业将会持续增长。[1]3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去无法实现的复杂结构件制造变为可能。[2-4]传统的产品从设计到生产要经过漫长的周期，一些很复杂的产品如汽车发动机、航空发动机、房子等需要耗费大量的时间对原料进行加工和建造。而3D打印技术集产品设计与打印制造于-身，短时间就能把结构复杂的产品生产出来。[5]传统的减材制造会浪费大量材料,在-些高新技术产品的生产过程中一些废弃角料无法回收利用，造成大量浪费，增加生产成本。而3D打印技术使用的材料主要是PLA、ABS或金属材料，它几乎没有材料损耗，大大降低了生产成本，为企业增加利润创造条件。[6]传统产品的生产过程需要大量的人力、场地和设备，给企业增加了较大负担。而使用3D打印技术生产产品只需要几个技术熟练的3D打印技术人员即可完成全部过程。[7]无论消费级还是工业级3D打印技术都能较好的满足消费者的个性化需求。消费者可以根据自己的需要定制自己的产品。互联网及电子商务的发展为3D打印产业提供了良好的发展基础，缩短了销售链，使3D打印成为一种典型的需求推动生产的制造模式。[8-9]3D打印技术的节约、可定制等优点对未来制造业发展产生的影响是深远的。当前规模经济是制造业的典型特征，制造以规模化大生产方式进行，需要大量的固定工厂和设备投资，但是资源的制约、材料成本的提升和劳动力价格的提高使得规模经济的优势明显下降。物联网和云计算为基础，能源与信息可以共同驱动经济发展。从物联网到云计算，从自动化机器人到3D打印制造，能源与信息的重新组合使得规模经济提高了资源的利用率，降低了生产成本，这可以说是下一次工业革命的基本形态。因此，3D打印技术作为能源与信息结合的代表技术必将得到世界各国的高度重视。[10]

自1986年，美国科学家Charles Hull获得SLA技术发明专利，并成立全球首家增材制造公司3D Systems开始，3D打印产业拉开了帷幕。[11]2014年12月17日，美国商业公司研制的全球首台微重力3D打印机在“国际空间站”依照美国航空航天局从地面发送的设计文件打印出套筒扳手。3D打印机未来有望用于制造“国际空间站”30%以上的备用部件。[12] 近年，美、欧、日等国家或组织积极开展了3D打印技术（又称增材制造技术）在航天领域的研究与应用。尽管目前在太空中进行3D打印尚处于试验验证阶段，但已规划与实施的诸多在地面上进行增材制造的项目表明：3D打印技术已在卫星与火箭等航天制造领域显示出重要的发展价值和应用潜力。调查显示，其在航空航天工业领域的应用份额已占全部应用领域的10%以上。3D打印技术已用于推进系统精密零部件的制造。[13]美国航空喷气-洛克达因公司与美国格伦研究中心及马歇尔航天飞行中心，近两年已针对通过3D打印技术生产的火箭发动机喷嘴在3316℃高温下进行了一系列点火试验。在此基础上，航空喷气-洛克达因公司已分别于2014年6月和12月对采用3D打印技术生产的Baby Bantam火箭发动机和MPS-120立方星高比冲自适应模块化推进系统进行了点火试验。[14] 较精密的发动机喷嘴的点火试验成功标志着3D打印技术在航天领域的应用由研发阶段向工程化应用迈进了一步。

3D打印技术可以推动我国结构转型调整，提高制造业水平。当前我国产业升级和产业结构转型成为一项长期的艰巨任务。低端制造在科技不断发展的今天面临成本上升、市场竞争激烈的巨大压力因此中国亟需实现产业结构转型调整、发展高端高附加值的产业，以扭转我国制造业在国际竞争中的不利局面。3D打印技术在国际上被认为是实现高端制造业发展的重要手段之一。 3D打印技术的不断成熟，不仅能够加速中国产业结构转型调整，提升制造业水平，亦能对我国新型工业化、城镇化建设和促进传统产业的升级、优化产业结构起到十分重要的引领作用。[15]党的十八大提出了“创新驱动发展战略”。3D打印技术作为数字化新技术的代表很好地符合了这一发展战略。Gartner公司2013年发布的最新技术发展展望报告判断: 3D打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要5~ 10年的时间，而这段时间正是我国发展尖端3D打印技术达到国际领先水平的良好时机。这将很大程度上带动我国战略性新兴产业的发展。[16]由于我国近年才引入3D打印技术，与国外相比差距非常大，目前全球已经发展至金属3D打印、高分子3D打印、陶瓷3D打印以及生物3D打印技术，我国则主要在层压、激光灯。不过近年来我国生物3D打印技术不断获得突破，推进了3D打印医疗器械、人工组织器官的临床转化进程。[17-18]

2. 研究的基本内容与方案

研究内容

Prusa i3 是Reprap打印机prusa mendel的第三代机型。Reprap最初是由英国巴斯大学（the University of Bath) 机械学院的Adrian Bowyer 等人,设计制作的一种3D打印机。由于reprap的开放性，prusa i3打印机是目前最受欢迎的一种打印机机型，因为其结构简单，广大3D打印机初学者学习起来极为容易，并且其开放性让更多的3D打印机爱好者可以施展自己的想法。。[19]prusa i3打印机的特点包括其结构简单，制作成本亲民，技术上的完全开源，在此基础上还达到了一定的精度要求，结构牢靠稳定，使用寿命较长。[20]当前，prusa i3 3D打印机抛开温度控制问题，挤出电机的运动以及xyz三轴控制等都是处于开环的环境下，可以大幅度的修改优化，具有很大的发展空间。只要选择合适的检测系统，[21]将结构进行优化，就可以大幅度提高打印的精确度以及速度。考虑到prusa i3 3D打印机的制作成本很低，公能基本能完成大部分的需求，具有市场价值高，推广性好的特性，故本课题以prusa i3 3打印机为研究对象，从结构优化方面上展开研究，

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