3D打印——从虚拟到现实的理想捷径

徐志磊

专家名片：

徐志磊，中国工程院院士。曾任中国工程物理研究院总工程师，现任中国工程物理研究院专家委员会委员、研究员。他是我国核武器工程设计专家，对我国第一代核武器和新一代核武器的设计和制造作出了重要贡献，曾获国家特等奖二项、国家科技进步二等奖和首届中国工程科技奖。

3D打印技术虽然早在20年前就已经起步研究，但直到近年才被频繁提起，成为了一个热门科技名词，为什么？因为随着近年来计算机技术和网络技术的不断发展，3D打印技术才越来越接近“想要什么就打印什么”的设想，才真正展示出这项技术的价值。美国之所以提出“3D打印”是“第三次工业革命”的重要内容，就是因为看到了3D打印技术的价值——它能实现制造业从大规模生产向个体生产的转变。习近平主席、李克强总理也曾表示，要大力扶持和发展3D打印技术。

什么是3D打印技术

3D打印，又称增材制造（AM），被誉为“一项将要改变世界的技术”。

3D打印的制造技术与传统的制造技术是完全不同的。从石器时代到青铜时代，再到铁器时代，直至现在的“硅材料时代”、“纳米时代”，简单地说，传统产品的制造都是先制造一个毛坯，然后把制造材料（铁、铜等）放入铸具制造而成。在精制的过程中，人们需要在许多原料上进行“雕刻”，把需要的部分留下，不需要的部分丢弃，这种制造方式是对资源的极大浪费。而3D打印技术则是把原材料变成粉末、液体，在计算机的控制下，“只喷出需要的部分”，完全不损失原材料，生产技术存在着革命性的改变。

图1 3D打印制造流程与传统制造流程对比图

图2 3D打印的基本原理

形象地说，3D打印就是2D打印沿着高度方向逐层叠加，形成一个立体的几何图形。首先，要在计算机中输入详细的数据，设计3D模型。然后，计算机自动将3D模型的数据进行分层，就像人们检查身体做CT扫描一样，形成N个单层图像。最后，3D打印机根据这些分层图像数据，一层一层将材料叠加上去，形成一个立体物品。

回顾3D打印技术的发展历程，虽然短暂，但发展速度极快。1980-1990年，是3D打印的诞生阶段。美国人霍尔从模型快速制作的需求出发，创新了“快速成型”技术。1991-2000年，3D打印技术进入了快速发展阶段，衍生出了SLA立体光固化成型、SLS选区激光烧结成型、FDM熔融沉积制造、LCM分层实体制造、3DP三维打印等技术。2001-2009年，3D打印领域进入了工业应用与技术标准形成阶段。在工业应用上，3D打印技术覆盖了产品设计、研发和制造的全部环节。2009年美国ASTM成立了F42专委会，将各种快速成型技术统称为“增材制造”技术，在国际上取得了广泛认可。2010年以后，3D打印技术已经进入了普通百姓的话题，而3D打印的成果更是被推广应用到各个工业领域——航空航天、生物医疗、个性化消费、注塑模具、再制造……新兴增材制造技术也已经细分发展出各个更精确的技术领域，如金属零件增材制造、微光固化成型、高精密数字化光成型、数字化材料3D打印等。

3D打印技术的独特优势

3D打印技术的优势，可用四个字来概括，就是“快”、“柔”、“廉”、“绿”。

“快”：数小时至数十小时就能完成一件个性化定制的模型（零件、产品），完全不需要浪费做模具、准备板材等复杂过程的时间。

“柔”：不是软的意思，而是柔性化、适应各种需求的意思。“不怕做不到、就怕想不到”，只要你能设计出3D数字模型，3D打印机就能帮你打印出实体成品来。

“廉”：3D打印因为其短流程、低人力成本、无模具的特点，在简化生产过程的同时，势必可以降低生产成本。然而目前，3D打印由于耗材成本较高，制造一个零件的成本仍然不低，但随着技术的发展、耗材的创新，势必能将3D打印使用费降下来，让它成为一个真正廉价又快捷的生产技术。

表1 3D打印典型技术种类优缺点对比

“绿”：绿色制造的核心在于“省材、节能、降耗”。在传统制造业中，人们需要准备超过所需量的原料来打造毛坯，然后将毛坯切割雕琢至想要的状态，在这个过程中，大量原料变成了“边角料、废品”而被浪费掉。而在生产过程中，一些需要高温锻造的工业制品往往要用到高大的锅炉，这需要大量燃料与能源支持。使用3D打印，将大大避免这些浪费。

3D打印技术的实用化能力

目前，现有技术在实用化方面所具备的能力主要包括以下几个方面：

第一，能够快速打印产品原型或模型。这是3D打印出现20多年以来，一直深入研究的基本功能。由于耗材的限制（主要为塑料类材料），在工业上多用来打印“模型”，而非“原型”。打印出塑料模型之后，工厂可以将模型直接进行翻模、铸造，继而投入生产。

第二，能够快速打印非金属工程零件。即直接用塑料（聚合材料）打印工程零件。

第三，能够快速打印金属功能件或结构件。简单地说，是直接用金属粉末打印立体模型。比起用塑料或者蜡耗材，金属粉末的熔合与控制要复杂得多。

第四，能够快速打印医用品植入体内。未来，人体的骨骼、皮肤、肌肉都有可能采用3D打印技术进行“制造”。以牙齿打印技术为例，现在，这项技术已经比较成熟地应用于医疗领域了。用PPEK这种特殊材料打印的结构，不但强度好，更与人体有良好的相容性，可以安全地植入肌肉和骨骼。而每个人都具有不同的骨骼形状、结构，只要结合三维扫描技术，就能精确地制造出牙齿、骨骼等100%适用的植入体。

第五，能够快速打印复杂砂型铸模。由于3D打印的特性，将大大改进复杂砂型铸模的制造过程。

第六，能够快速打印复杂精密蜡模。这项工艺目前越来越多地应用于航空发动机的叶片制造。

新产品开发领域是3D打印技术最广、最早的应用领域。在新产品的研发制造中，通常生产成本的80%是在设计阶段产生的。设计阶段是控制成本的重要环节，一流企业在产品设计早期，就会使用3D打印设备快速制作足够多的模型用于评估，不仅节省了时间，而且增加了设计缺陷被筛查出来的概率。

在军事国防领域，有一句玩笑话，是这样的：“没有枪没有炮，3D打印给我们造。”虽然是一句玩笑话，却真实地反应出了3D打印在变革武器装备研制模式上的贡献。有了3D打印技术，武器的研制已集概念设计、技术验证、生产制造于一体，显著缩短武器研制周期，加速装备更新换代。另外，还能显著降低武器研制成本，大大提升材料利用率。举个例子，歼10战斗机的研发周期达到10年之久，而歼15的研发周期却缩短到了3年。

在航空航天领域，许多结构复杂、精度要求高的零件早就开始使用3D打印技术生产。比如涡轮发动机的叶片，使用3D打印技术完全制造出来的具体时耗为：3D加工成型需要6小时44分钟，热处理需要19小时，抛光和机械加工需要6小时，合计需要花费2-3天完成一个成品。但传统加工时间却需要整整12周。另外，3D打印生产涡轮叶片的成本比传统技术降低了80%之多。

在生物医疗领域，虽然近年来频频爆出3D打印可以制造人类的血管、肝脏等器官的新闻，但目前这类生物打印技术仍然处于实验室阶段。在医学上使用得比较广泛、技术比较成熟的3D打印应用实例主要集中在齿科（打印牙冠、牙桥、种植体等），骨科（打印髋关节、膝关节、肩关节、踝关节、脊柱、外伤固定等），医疗器械（打印机械设备、仪器、内窥镜、手术工具等）三个方面。

在文物保护领域，3D打印能够快速低成本地精确复制珍贵文物，这样既满足了人们的参观需求，又降低了珍贵文物的被盗风险，为文物保护提供了一种新手段。在电影《十二生肖》中，成龙利用三维扫描与三维打印技术对兽首进行了快速复制，制造了一个以假乱真的艺术品。这样的情节，未来将从电影中变成现实，文物保护工作将得到迅速发展。

在创新教育领域，3D打印就是满足创新开发的有力工具，只要想得到，就能做得出来，能够无限发挥人类的想象空间。美国总统奥巴马计划为美国1000所学校配备3D打印实验室，用于培养中小学生的创新理念和意识。我国也已经有许多学校开始着手建立类似的增材制造实验室。

在设备维修领域，3D打印能够生产、制造各种设备零件。对于已经停产的零部件，可以利用逆向工程技术快速得到相应的三维CAD模型，然后利用3D打印制造出来。这种应用正在逐年大幅增加，因为对于数十年前建造的汽车、飞机、国防及其他设备而言，没有CAD图纸和相应模具，甚至设备供应商有可能已经倒闭，相关设备备件已无法获得，在此情况下，可以说，3D打印将成为“救星”。

另外，3D打印在建筑领域、汽车领域、文化创意领域等也发挥着巨大的作用。

3D打印技术的变革与前沿发展

可以说，3D打印技术对社会发展存在着潜在的变革与深远的影响。

它将变革制造模式——个人制造将越来越流行，降低了制造业对低成本劳动力的依赖。

它将变革设计模式——设计不再被成本和工艺水平所限制，能真正面向创新、面向性能最优化。

它将变革创业模式——以后创业不再需要传统的厂房等基础设施，也不需要投资上提供启动资本来购买大型设备的工模具。基于3D打印的创业场最重要的“资本”将变成具有创新意识的技术人员。

它将变革生活模式——人们可以按照自己的意图享受自己的生活，3D打印将搭起一座从幻想到现实的桥梁。

它将变革医疗模式——个性化医疗定制或人体器官复制将不再是普通老百姓难以享受到的“特权”，医疗效率更高，许多现在难以攻克的难题，未来将不再困扰患者。

它将变革消费模式——个性化消费与定制服务的模式，将实现家庭DIY的消费方式。

将3D打印作为一种全新的材料合成方法，用于新材料开发，可明显缩短新材料的研制进程，具有短流程、低成本、真绿色、灵活高效、材料制备与零件成型一体化的优势。因此，许多前沿制造业都开始纷纷把目光投向3D打印技术领域，典型的前沿方向包括以下几个方面：

微孔泡沫金属材料制备与成型：基于传统的熔体发泡原理，利用3D打印的逐层生长和激光的快速熔凝特性，实现激光原位微区发泡效果。由于采用微米尺度的发泡剂粉末，理论上可以形成微米级的孔洞，而且每一层形成的微孔可以沿成型方向呈外延生长态势，从而有望获得相互贯通的微米级孔洞。

特殊合金材料高效合成与精确成型（国防军工）：许多军用产品是高价值、高复杂性和低产量的，甚至有些是独一无二的订制品，这就需要制造业持续更换零件，如无人驾驶飞行器、军人的轻重量装备和盔甲、便携式电源设备、通讯设备、地面机器人等。这些部件将最有机会转化成为3D打印制造。预计在未来10-12年内，军方将会成为3D打印技术的主要使用者之一。

特殊合金材料高效合成与精确成型（核能领域）：钒合金材料、铍铝合金等材料具有独特的综合性能，在核能领域具有重要用途。尤其是钒合金还被列为下一代核能领域的理想候选材料。但这些材料资源稀缺、价格昂贵、制造工艺稳定性差、材料浪费巨大，迫切需要找到一种高效、先进的绿色制造技术，在这方面，3D打印具有独特优势。目前，核能领域的特殊合金材料高效合成与精确成型相关基础研究已经展开。

特殊合金材料高效合成与精确成型（功能合金）：记忆合金、阻尼合金等具有特殊用途，附加值高，但往往传统加工方法存在结构适应性差、制造成本高、材料利用率低等问题。利用3D打印，未来则几乎可以实现等量成型地制造，既能大幅提升材料利用率，又可以实现让产品具有更快的响应速度和加工柔性。

生物材料制造：未来3D打印的应用方向主要面向可降解生物材料、硬组织替代材料、人工器官直接打印、肉制品打印（现代牧场）、个性化定制药丸等方向。

3D打印技术发展仍面临众多挑战

第一是精度与效率的挑战。增材制造是用材料一层层堆积成型的，每一层都有厚度（数十微米），这决定了它的精度目前还难以企及传统的减材制造方法，为提高精度，则需要不断降低每一层的厚度，这意味着在技术难度提高的同时，制造时间也将大幅延长。3D打印本身的加工速度还远未达到人们理想的状态，目前，金属零件的最高堆积效率为70cm3/h，与高速铣还有较大差距。

第二是零件力学性能的挑战。3D打印金属零件的力学性能是否能全面满足应用要求，需要对激光成形过程“内应力控制及零件变形开裂预防”、“内部质量保障及力学性能控制”、“技术标准体系”等技术瓶颈问题进行攻克。要对大型金属构件激光快速成型过程内应力演化行为规律、内部组织形成规律和内部缺陷形成机理等问题展开深入研究。

第三是材料适用范围的挑战。目前，可供增材制造的材料约有300多种，多为石膏、塑料、可粘结的粉末颗粒、树脂等，制造精度、复杂性、强度等难以达到较高要求，主要应用于模型、玩具等产品领域。对于金属材料来说，目前适用的仅有十余种，而且还需要专用的金属粉末材料才能获得满足要求的金属零件。未来应针对3D打印制定通用的材料物理标准，使3D打印的适用材料（尤其是金属材料）通用化，降低3D打印的应用门槛，从而使3D打印的应用范围更广泛。

第四是成型范围的挑战。目前3D打印的成型范围大多是在1米以下，而且分层厚度较大，在大尺寸零件或微小精密零件成型方面显得能力不足。未来3D打印设备将朝着微小精密化和大型高效化发展。

第五是工艺稳定性的挑战。对3D打印而言，层间结合质量是第一位的，直接影响工艺稳定性和成型质量。而3D打印又是一个层数多达数百层，甚至数千层的堆积过程，在成型过程中，某一层很容易出现问题。一旦发生这种情况，成型过程将被迫中止或者成型零件面临报废的可能性。因此，3D打印的工艺稳定性相对传统加工方法更难控制，也更加重要。需要深入研究3D打印工艺稳定性的影响因素，开发高效可靠的工艺稳定性控制系统。

现在，在3D打印的三个层次——形状打印、成分打印和功能打印上，已经能成熟地实现形状打印，而成分打印也已开始了基础研究，功能打印尚处于早期探索阶段。如果功能打印一旦实现，打印出能行走的、具有真人形状的机器能不再是梦想。到那个时候，3D打印所孕育的新型工业革命将真正实现，人类对物质世界的控制能力将得到质的提高，对未来生活的各个方面将产生深远的影响，甚至于永久性地改变人类文明进程。