造物的未来

吴凡

3D打印未来：快速成形技术引领新工业革命

三十多年前，当美国人查克.赫尔摆弄出世界上第一台3D打印机时，他只是为了省却制造模具的麻烦。而今天，这种“做加法”的工业制造技术，已经在人工智能与现代工业之间架设了通往下一次工业革命的桥梁，它消解了传统制造业对流水线工人的依赖，让每个家庭都有机会拥有一个桌面工厂，它还可能让制造业国际转移偏离既有的轨迹，进而“打印”出一张全新的全球政经地图

现年73岁的美国人查克.赫尔如今回过头来看到三十多年前自己为3D systems公司所拍摄的宣传片时，也许会感到无尽骄傲。那年，他对着镜头严肃地说：“我们正在研发一种技术，能够把你在电脑屏幕上看到的图像迅速转化成实体。”

尽管直到今天，赫尔的这一想法尚且完全兑现，但是越来越多的东西，比如西服、假牙牙套、飞机发动机的涡轮叶片，正在以一种区别于传统制造的方式被“打印”出来。

而由赫尔发明的这项3D打印技术，在经历了三十多年的发展后，有可能完全颠覆传统制造业技术模式，这意味当下单调的大规模制造模式的终结，而未来人们有可能根据自己的需求轻松地打印出自己想要的东西。

为了“偷懒”的发明

1982年，美国工程师查克.赫尔当时的最大愿望是，能够拥有一台制造模具的机器，这样工作起来要省时省力许多。两年后，赫尔终于在喷墨打印机那里找到了灵感，他发现，通过逐层叠加薄层，利用紫外线固化后形成固体模型。1986年，赫尔把这一发现命名为“光固化快速成型术”，并成功申请了专利，创办了3D systems 公司，这也是世界上第一家3D打印技术公司。

1988年，3D Systems的第一台“立体平板印刷机”问世，3D打印的大幕由此揭开。

赫尔的第一台3D打印机使用树脂作为“墨”，用一盏可移动的紫外线灯使一层薄薄的树脂凝固定型，并不断重复这个过程。这很像是打印一封信。

不过，赫尔的立体平板印刷技术也存在缺陷。由于采用紫外光对物体进行固化，这项技术所使用的材料有一定的局限，而且无论是机器本身還是光固化材料都价格高昂，使得这项技术并没有迅速普及起来。

与此同时，也出现了另一些同类技术。

上世纪80年代中期，传感器制造商IDEA 的联合创始人和销售副总裁斯科特.克伦普也决定采用添加制造技术来解决CAD设计模型很难被转化成真实样品的问题。

与立体平板印刷不同，克伦普的技术采用的是热塑性塑料材料。高温熔化后的液态塑料被放在容器中，并由一个或多个喷头根据CAD 模型的数据喷射到承载物体的桌面上的指定位置，材料在喷出后迅速固化；喷头或桌面在电脑的操控下水平移动完成一层物体的打印，重复这一过程可堆积成完整的物品，冷却定型后物品便可投入使用。

这项技术在1989年获得专利，克伦普把它命名为熔融沉积建模；同年，克伦普创立3D打印机的制造商Stratasys公司，并担任CEO 至今。

1989年成立的还包括采用选择性激光粉末烧结技术的德国EOS公司。SLS技术的原理是激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层一层层叠加，生成所需形状的零件。

和其他3D打印技术相比，激光粉末烧结技术可适用的材料范围非常广泛，而且大部分都是制造领域的常用材料，因此这项工艺的适用范围最广，常常被用来制造功能测试件，或者直接制造小批量成品。时至今日，激光粉末烧结仍被视为快速成型和3D打印技术的发展趋势。

德国也藉此成为3D打印技术方面的领先国家。“实际上，目前世界上五家最先进的3D打印技术企业中，前三家都是德国公司。”GE中国研发中心现代加工技术实验室经理彭志学在接受《中国新闻周刊》采访时说。

20世纪90年代是3D打印技术稳步发展的时期，在机器和材料的价格逐渐降低的同时，CAD建模和数控技术的发展也使得打印出来的物品更加复杂和精致。

“真正的爆发”

进入21世纪，特别是2010年前后，3D打印技术才迎来了真正的爆发。

“3D打印技术的进一步完善最明显的标志是适用材料范围的扩展，特别是金属、陶瓷、玻璃等材料的引入，丰富了上世纪80、90年代主要以塑料或感光树脂为主的材料范围。”彭志学告诉《中国新闻周刊》。

新的材料被引入之后，应用不同材料的复合材料被应用到了3D打印技术之中，这也为3D打印取代一些多步骤的制造工艺提供了可能，理论上讲，只要利用适合的材料，3D打印技术能够“打印”出任何东西。

这一趋势在航空、医疗、汽车等工业制造的“高精尖”领域表现得尤为明显。

航空航天领域的金属材料加工对金属材料加工技术的要求越来越高。尽管各种传统技术都被努力发挥到近于极限，特别是在零件几何形状的复杂程度、性能、材料的利用率等方面，而这些正是3D打印技术的优势所在。

2000年美国AeroMet公司生产的三个激光立体成形零件分别获准在F-22和F/A-l8E/F战斗机上使用。使用3D打印技术生产出的F-22战机连接杆比传统零件的寿命超出30%。同时，由于材料及切削加工的节省，制造成本降低了20%～40%，生产周期也缩短了80%。

3D打印技术还可以被用于维修航空设备，并且大大节约了成本。

比如航空发动机高温仓里的半个巴掌大小的双层涡轮叶片，单个价格超过一万美元，哪怕只出现几毫米的裂纹，传统的维修方法就是直接更换叶片；“而运用3D打印技术，先将损坏的部分去掉一层，再‘打出一个全新的去掉的部分，将新打印出的部分和原有的没有损坏的部分连接在一起，就使原来已经几乎要报废的零件获得了‘新生。这样的维修方法，成本可能只需要几百美元。”GE中国研发中心现代加工技术实验室经理彭志学向《中国新闻周刊》介绍道。

越来越多的大公司也加入到3D打印技术的研发中来。2011年，通用电气公司（GE）宣布，已经将3D打印技术应用于制造部分航空发动机零部件。

3D打印技术不仅仅应用于冷冰冰的金属上。“打印”诸如皮肤、肌肉和血管片段等简单的活体组织的试验也在进行当中。在未来，如果生物3D打印机能够使用病人自身的干细胞，制造出像肾脏、肝脏甚至心脏这样的大型人体器官，那么器官移植后的排异反应将会大幅减少。

除了高端领域，3D打印技术同样已经进入了寻常百姓家。

3D systems推出的一款名为“Cube”的3D打印机，可以用来生产诸如玩具、棋子和装饰品等物品，售价1299美元。这款打印机可以生产出边长达5.5英寸（140毫米）的立方体，所有材料的标准成本约为3.50美元。用户不仅可以在桌面制造出自己设计的实物，还可以通过配套开发的“Cubify”在线平台把设计上传到在线打印服务中心，通过工业打印机生产更多、更精致的产品。

2007年成立的Shapeways公司，其用户可以通过上传自己的设计，获得系统即时自动生成的各种材料的3D印刷报价单，用户自行选择材料，定制属于自己的产品，真正实现了社会化生产。2011年，這家公司的发货量达到了75万件。

欧美的机会？新兴经济体的风险？

3D打印的影响不仅仅只限于技术。

由于3D打印技术大幅度减少对流水线上的工人需求，从根本上消除了制造业的劳动密集型的特点，加之更加个性化的生产需要贴近市场，完全有可能帮助一些制造业工作岗位回流到发达国家。

“3D打印符合未来工业大规模定制和社会化生产的特征。”中国社会科学院工业经济研究所副主任吕铁在接受《中国新闻周刊》采访时表示，他带领的课题组正在研究“第三次工业革命”，而3D打印技术正是其中的重要内容。

正是基于以上这些优势，3D打印被认为很有可能将改变当下的世界制造业格局，并进而对未来数十年的全球政治经济格局产生深远影响。

由于持续的经济低迷，美国和欧洲都希望把分散在世界各地的工厂迁回本土，以创造更多的就业岗位。3D打印被认为是一个机会，因为它符合未来定制化和社会化生产的特征，尤其是在光学、机电、精密机械、模具等领域，在这些方面，新兴市场的成本优势并不明显。但这也许并不容易实现。

“3D打印对部分制造业具有优势，如果只制造少量产品，无论是简单的还是复杂的，传统的采用模具制造的成本一定是高于3D打印的；而如果该产品可以用简单的模具制造出来，并且制造数量是成千上万的话，那么3D打印技术的优势就无从显现。”GE中国研发中心制造和材料技术总监魏斌博士告诉《中国新闻周刊》。

这就意味着，对于适合使用3D打印技术生产的产品，把岗位从新兴市场搬到发达国家的办公室中的设想具有实现的可能；而在仍然适合批量生产的标准化产品制造，仍可能留在人力成本相对低廉的国家。

但无论如何，3D打印的前景被多方看好。到什么程度？著名科技杂志《连线》主编克里斯.安德森在制作了3D打印的封面之后不久宣布离职，担任由他创立的3D打印公司3D Robotics的首席执行官。