3D打印技術應用現狀及其在農業中的發展前景

馬曉偉　劉彩霞　陳小文　姚淑姣　張天柱

摘要 隨著科技日新月異的發展，3D打印技術的重要性逐漸顯現，無論是在工業、建筑業還是在醫學、食品業方面都已經開始展現出其省時省力、精確度高的技術特點，預計3D打印在農業生產發展中將會產生巨大的推動作用。本文在分析3D技術應用現狀的基礎上，從農業會展、農業機械研發2個方面闡述了3D打印技術在農業上的應用，并對3D打印技術未來的發展趨勢以及在農業中的發展前景進行了展望，以期為進一步促進我國農業發展提供參考。

關鍵詞 3D打印技術；應用現狀；農業；發展前景

中圖分類號 TP391.7 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）20-0253-02

Abstract With the rapid development of science and technology in the world，3D printing technology has also begun to occupy more and more weight.Whether in industry，construction industry or medicine，food industry，3D printing technology has begun to show its time-saving and high precision technical characteristics.It is expected that 3D printing technology will have a huge impetus in the future development of agricultural production.Based on the analysis of the application status of 3D printing technology，this paper expounded the application of 3D printing technology in agriculture from two aspects of agricultural exhibition and agricultural machinery research，and forecasted the future development trend of 3D printing technology and the prospect of its development in agriculture，in order to provide necessary reference for further improving the sustainable development of China′s agriculture.

Key words 3D printing technology；application status；agriculture；development prospect

3D打印技術是制造業領域正在迅速發展的一項新興技術，被稱為“具有工業革命意義的制造技術”。與傳統的去除型制造不同，3D打印無需原胚和模具，能直接根據計算機圖形數據，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產品的制造程序，縮短產品的研制周期，滿足個性化需求[1]。中國自古以來就是農業大國，農業在我國生產力發展中也一直發揮著非常重要的作用，如果將3D打印技術與現代化農業生產相結合，不論是農業展覽還是農業的科學專利研發，都將會迎來一場前所未有的大革命，3D打印在未來農業生產發展中將會產生巨大的推動作用。將3D打印技術運用到現代化農業生產中，不僅提高了農業會展上建筑設施模型的呈現質量，還進一步加快了農業機械的研發和制造，為農業發展提供了很大的動力[2]。

1 3D打印技術應用現狀

3D打印實質上就是一種快速成型技術，它以三維數字模型文件為基礎，運用金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體。

目前，3D打印技術在醫學領域已經可以按患者要求來提供相應部位的打印器官，在生活中，3D打印義肢技術已經非常成熟，并得到了廣泛應用。美國生物科技公司Orga-novo曾利用細胞3D打印技術，在細胞培養基座中打印出肝臟所需的細胞組織，但是這個肝臟細胞在經過打印后會失去活性，變成死細胞。

文物對于國家來說是悠久歷史文明的象征，但古老的文物也是非常珍貴且很容易受到損害的。為了確保歷史文物的完好性，利用3D打印技術可以制作出與其外貌特征幾乎一致的實體模型以供參觀展覽。蜂鳥發現（北京）科技有限公司成立于2017年4月，是一家專門致力于提供3D打印服務的企業，他們的產品曾參加過多個文物展覽活動和節目，用3D產品代替文物從而達到保護文物的目的，當然這與他們高超的后期打磨噴色以及細節處理技巧都是分不開的。

在建筑業的應用可以算是3D打印技術使用最大化的表現，用3D打印技術建造房屋等建筑，不僅省時省力，建筑規格的精確度也進一步得到了提高。2014年8月24日，上海張江高新青浦園區內交付使用了10幢3D打印建筑。該建筑是按照電腦設計的圖紙和方案，經1臺大型的3D打印機層層疊加噴繪而成，10幢小屋的建筑過程僅花費24 h，建筑墻體則是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”噴繪而成。

盡管目前我國3D打印技術與產業已經取得了長足發展，形成了一批具有較強競爭力的優勢企業、高校和院所，但在推動產業高端化發展進程中，仍然存在一些不容忽視的問題，如整體市場容量尚小、缺少原創性的3D打印新技術及裝備、應用寬度和深度不足等。

2 3D打印技術在農業上的應用

2.1 農業會展方面

2018年5月，北京軍事博物館舉辦了科技周展覽節，在眾多的科學技術展覽中，3D打印占據了一席之地。例如，中國海洋研究所戰士的深遠海探測體系與研究平臺、世界首套單體最大煤制油師范裝置和中集來福士“藍鯨1號”海洋可燃冰采集平臺等多項科研技術的展示都應用到了3D打印技術，這才能夠將每個研究項目的科學構造和運行原理清晰地展示給人們。此外，凌云臨近空間高超聲速通用試飛平臺也是通過3D打印模型組合起來的沙盤，把我國超音速飛機從生產到試飛運行的各個研發階段十分詳細地展現出來，在促進軍民科技一體化的同時，也激發了更多科學愛好者學習和研發的動力。

目前，我國農業會展業仍處于起步階段，其數量、規模、水平及技術應用等都非常滯后[3]，加之農產品生產周期長、不易保鮮和運輸，以及農業技術成果涉及環節多、效果難以現實展示等，而針對此現象，3D打印技術就起到了很大的作用。利用3D打印快速成型的特點，可以將農業會展上所需的模型建筑設施等進行等比例縮放，然后打印出實體模型，再通過沙盤模型組給人們帶來一攬全局的視覺感受。

2.2 農業機械研發方面

先進的農業機械在研發時常常遇到一次性樣品生產、單件制造和零件種類多等高成本難題，以及關鍵零部件結構復雜、制造難度大等技術難題。對傳統的生產制造而言，數量與成本成反比是在研發中亟須解決的問題。農業機械樣機試制中有許多一次性樣品生產、單件制造以及形狀結構復雜的零件需要做鍛模或鑄模，模具費用相當高，尤其是精密鑄造件開一次爐要求具備成千上萬件的數量規模。而3D打印應用于農業機械研發中，可以使設計模型更加簡明扼要；可以使研究中零件的三維實體設計更容易變為實物；可以有效縮短樣機試制周期；可以在短時間內改進、制造、替換田間試驗故障零件；可以快速更改技術細節，提高生產效率[4]。

精密播種機是農業機械中要求制造精度較高的一種機具。氣吹式精密播種機的風嘴曲面形狀、尺寸直接影響精密播種的效果。在研究設計中，通過比較敞口式、三段式和柵欄式出風口對風速的影響，得出柵欄式出風口的軸向風速分布比較均勻的結論。但是傳統的加工制作需要制作二維圖，并標注詳細的1萬件以上的數量規模，既不現實，難度也非常大。因此，山西省農業機械化科學研究院利用3D打印輔助制造技術實驗室的HTS-400型快速成型機，對風嘴進行設計和制造（成形材料為ABS塑料），僅用時3 h，成本7.2元，便將風嘴零件打印出來，形狀、精密度都十分完美[5]。

3 3D打印技術發展趨勢及在農業中的發展前景

3.1 提高市場競爭力，促進生產力發展

應用3D打印技術不僅能擴大市場規模，提高銷售總額，還能滿足人們的個性化需求和企業的低成本需求。該項技術的引入不僅能夠縮短產品生產周期、降低產品開發風險、提高產品質量，還能讓材料進行無限組合，為公司生產出優質、美觀、個性的產品，甚至顛覆商品市場的應用和規模，大大提升產品的市場競爭力[6]。

3.2 為農業發展注入新的活力

3D打印的興起為我國農業發展注入新的活力，但是人人都了解3D打印是一種增材制造技術，卻并不知道3D打印技術與現代制造業的銜接點，以及對軟件、材料、精度的標準與要求。這就需要加大專業人才的培訓力度，普及3D打印在行業中的應用，創新教育培訓，為客戶提供3D打印實驗室的建設、課程開發和教育培訓；提供3D打印技術在一體化制造上的應用與培訓；提供3D打印技術在物聯網結合方面的教育培訓；提供3D打印技術在農業科普教育，如農業科學知識、農業科技、農用工具等創新技術應用方面的培訓，包括軟件、硬件、應用、材料及質量體系等一系列創新發展。

3.3 設計空間無限

農業生產和研發受制于傳統的制造能力。3D打印可以突破極限，開辟巨大的設計研發空間。3D打印不僅可以創新農業機械的設計研發，而且可以擴展設計者的創造性思維[7-8]。3D打印行業在兼顧職業領域的同時，更要追隨科學發展的前進步伐，應該多與虛擬現實、AI等新興科學技術相結合，在不久的將來一定能取得更多、更高的成就。

4 參考文獻

[1] 劉紅光，楊倩，劉桂鋒，等.國內外3D打印快速成型技術的專利情報分析[J].情報雜志，2013，32（6）：40-46.

[2] 張麗.化工材料在3D打印領域的應用與發展[J].化學工業，2017，35（2）：37-41.

[3] 李莉.淺談農業會展對發展農業的積極意義[J].河南農業，2011（7）：63.

[4] 孫聚杰.3D打印材料及研究熱點[J].絲網印刷，2013（12）：34-39.

[5] 王宏儀，托婭.關于3D打印機制作小尺寸建筑模型中存在問題的一些思考[J].中小企業管理與科技，2014（1）：226.

[6] 王忠宏，李揚帆.3D打印產業的實際態勢、困境擺脫與可能走向[J].改革，2013（8）：29-36.

[7] 基于3D打印技術的農業機械研發及應用[EB/OL].（2015-07-24）[2018-06-02].https：//wenku.baidu.com/view/d20396ae2f60ddccda38a0

e5.html.

[8] 黃賢頁，郝彥琴.3D打印技術在工程領域中的應用[J].南方農機，2017，48（2）：188.