3D打印的未来世界

许正

2014年年初，GE公司的研究人员宣布，未来50年内，3D打印技术将能够成功“打印”出一台航空发动机。要知道，航空发动机是当今装备制造业的皇冠，它对材料技术和制造工艺的要求极高，其制造过程又非常的复杂。GE的这一宣称，无疑又一次激起了人们的极大兴趣：3D打印真的将颠覆传统的制造业吗？

从2012年以来，关于“3D打印”的话题井喷式的出现在互联网和媒体上，很多人会误以为3D打印是横空出世的新技术，其实3D打印技术已经悄然发展了一个多世纪。

近20年的高速发展，是因为插上了互联网的翅膀，使得3D打印的“软件核心”——“数字模型”得以高速发展，再加上劳动生产力的进步和技术的革新，使得3D打印机的成本不断下降，3D打印的“硬件基础”也已成型。

“被打印出来”的新玩法

食品行业

很难想象，3D食物打印机将是完美的厨师。我们设想把食物的材料和配料预先放入容器内，再输入食谱，余下的烹制程序会由它去做，输出来的不是一张又一张的文件，而是真正可以吃下肚的食物。

3D食物打印机所使用的材料可以有很多种，有饮用水、植物油、蛋白质、碳水化合物、维生素剂和巧克力，这些材料经过混合之后加入到挤压设备中，混合好的食物通过喷嘴直接打印成任何形状。

2014年8月6日美国军方对外发布了一款食品3D打印机，这台打印机所打印出来的东西可以直接让士兵们吃掉，这台军用后勤3D打印机所使用的打印材料是营养含量极高的物质，能够为训练、战斗了一天的士兵提供充足的热量，恢复身体机能，补充维生素。

建筑行业

3D打印将彻底颠覆传统的建筑行业。2013年1月，荷兰建筑师Janjaap Ruijssenaars与意大利发明家Enrico Dini一同合作，他们计划打印出一些包含沙子和无机粘合剂的6×9（米）的建筑框架，然后用纤维强化混凝土进行填充。最终的成品建筑会采用单流设计，由上下两层构成。该工程预计在2014年年底完成。

美国南加州大学工业与系统工程教授比洛克·霍什内维斯一直在研究一种新工艺——不到20小时的时间内建造一幢面积为2500平方英尺的建筑。该项目获得美国宇航局和美国军方的支持和资助。霍什内维斯相信他的项目可以帮助全世界大约10亿急需改善住房条件的人提供足够住房。他把该工艺称为“轮廊工艺”，并且很希望在将来某天看到成为现实。

“轮廊工艺”的概念在设计上很简单，但是实施起来相当复杂。该工艺由一个巨型的三维挤出机械构成。它的操作很像我们见到的打印机操作原理，不过有一个明显不同的地方：它挤出的是混凝土。

医疗行业

在医疗界，3D打印技术也正显现出它的独特与便利。体外医疗器械包括医疗模型、医疗器械——如假肢、助听器、齿科手术模板等。根据美国组织AmputeeCoalition的统计，目前美国有约200万人使用3D打印假肢。

3D技术打印一颗牙只需10分钟搞定。相对于传统的种牙技术，患者需要往返医院多次的情况将会得到明显改善。不过最后装进患者嘴巴，至少需要3 天。

对于助听器，3D打印把传统的9个工序缩短到了3个步骤，即扫描、制模和打印。扫描过程利用数字照相机创造了大约10万到15万个参照点，然后发送给技术人员或模型师，他们把模板和几何形状应用到耳朵印模上。在这个步骤中，技术人员会试验多种组合和几何模型，以便订做出适合特定客户群的助听器，外壳用树脂打印出来，再装配上必要的通气孔和电子器件。

另外， 3D打印已经进入到人体活器官的“按需打印”领域。器官移植可以拯救很多人体器官功能衰竭或损坏的患者生命，但这项技术也存在器官来源不足、排异反应难以避免等弊端。不过，随着未来“生物打印机”的问世，这些问题将迎刃而解。

汽车行业

2014年9月15日，世界上第一辆3D打印汽车面世。这辆汽车只有40个零部件，建造它花费了44个小时，最低售价1.1万英镑（约合人民币11万元）。 这辆由美国Local Motors公司设计制造、名叫“Strati”的小巧两座家用汽车开启了汽车行业新篇章。

“Strati”轿车整个车身上靠3D打印出的部件总数为40个，相较传统汽车20000多个零件来说可谓十分简洁。充满曲线的车身由黑色塑料制造，再层层包裹碳纤维以增加强度，这一制造设计尚属首创。汽车由电池提供动力，最高时速约64公里/小时，车内电池可供行驶190～240公里。

尽管汽车的座椅、轮胎等可更换部件仍以传统方式制造，但用3D制造这些零件的计划已经提上日程。制造该轿车的车间里有一架超大的3D打印机，能打印长3米、宽1.5米、高1米的大型零件，而普通的3D打印机只能打印25立方厘米大小的东西。

推动创客化浪潮

互联网让有电脑的人都有机会成为企业家，如今，新科技催生了DIY（自助式）微制造运动，这样一来，任何人都可以同时成为投资者和制造商。

3D打印结合互联网，正在重塑传统的制造产业，这是新趋势，甚至是具有革命意义的趋势。下面让我们看看3D打印和互联网结合的几个新玩法：

线上设计与线下生产

3D打印所引发的创客运动是网民和现实世界交集的开始，基于那些在电脑屏幕上玩创意的网民，只需要在网上购买3D打印机，就可以很容易将他们的想法付诸现实。你不需要懂技术，因为机器会完成所有工作。事情变得越来越简单，只要按下按钮，结果就出来了。

传统制造中，越复杂的产品如果需要改动的地方越多，意味着越高的成本。但在数字化制造中，这一切都在改变。制作个性化的产品并不会花费更多额外的成本，因为只需要改动模型参数，最重要的是互联网让有电脑和3D打印机的人，都有机会成为创业家，任何人都可以同时成为投资者和制造商。也许只需点击鼠标，创意先在电脑里生成，然后上传至云端，并投入任何规模的生产，可以只生产一件，也可以生产一万件。随之而来的，必将是一波庞大的创业机会。

创业生产轻量化

在互联网时代的人们越来越容易获得各种生产资源，工厂和规模化生产可以转化为各种互联网服务。互联网创业的吸引力在于它的低门槛及长尾市场的广泛存在，各类细分业务总能找到自己生存的空间。而传统制造业限于场地及设备，过高的启动门槛将大部分人拒之门外。3D打印机则大幅降低了进入门槛，理论上使人人都具备开展制造业务的能力。

借助于网络平台，产品制造的成本问题解决了，于是小型工厂将会大量出现，甚至家庭也将成为一个制造车间。制造业的长尾市场被前所未有地开发与覆盖，每种个性化的需求都能找到制造者和消费者。围绕这些设备与工厂，又将诞生一系列的周边服务商业链条。

生产分包

互联网上存在很多小公司，它们比大公司更快速、更灵活，现在创客运动将把这种趋势延展到制造领域。创客运动不会马上摧毁旧有的制造业模式，而是创造出一种全新的制造模式，就像互联网至今仍没有摧毁所有传统媒体，而只是增加了一种媒介一样。

创客运动能开发出越来越多的长尾市场，而大公司的业务会发生转变，部分产品依旧面向大众，还有一部分产品属于小众。在大规模制造中，传统制造业依旧占据优势，但小批量、个性化的生产则不是它们熟悉和擅长的，如果它们想和新兴的小型公司在这个市场进行竞争，就需要吸取创客运动的经验，加快自己的创新速度，比如建立一个开源平台，让小公司进来参与项目的分包。

尽管仍有待完善，但3D打印技术势必成为引领未来制造业趋势的众多突破口之一。这些突破口将使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具，改由更加灵巧的电脑软件主宰。

2012年4月，《经济学人》 杂志再登封面文章《第三次工业革命》，再次强调了3D打印技术的重要性。在此前后，《福布斯》、《纽约时报》、《连线》等诸多西方主流媒体都先后在头版刊文，集体看好3D打印。就连担任《连线》杂志主编11年的克里斯·安德森也选择辞职，投身到3D打印领域。

根据美国消费者电子协会发布的年度报告，2011年全球3D打印的市场规模为17亿美元，其中消费品和电子领域约占20.3%，机动车领域占19.5%，医疗和牙科领域占15.1%。 随着汽车、航空航天、医疗保健等市场需求的持续增长，预计其市场规模到2017年可达50亿美元，虽然看起来仍然是很小的规模，但预示着未来有无限大的可能。

3D打印在实体制造中的优势显而易见，省去了冗长而昂贵的模具制造过程，且成本很低，并能够制造出传统方法无法企及的形状。但是3D打印由于技术与材料发展的限制，它目前的作用还主要集中于模型制作与修改，待模型确定后，依旧离不开量产的传统制造方法。

局限与未来

制造业的革新与升级是一项漫长且复杂的工程，如果认为单靠3D打印就能带来第三次工业革命，显然有些过于乐观了。但是3D打印一定是推动第三次工业革命发生与前进的技术之一。

工艺制造

除了市场的发育需要时间和外力的推动之外，现阶段3D打印技术本身也存在新的挑战。比如3D打印不适合直接制造高精度的东西。由于3D打印材质是一层一层堆积成形，无论如何，每一层都有它的厚度，这决定了它的精度难以企及传统的减材制造方法。若追求更高精度，则需不断降低每一层的厚度，这又意味着制造时间的大幅延长。同时由于难以克服的问题，它很难生产类似于轴承、滚珠类的产品。

用3D打印技术制造可直接装配的零件，只适用于难加工的贵重材料，或用传统方法制作浪费大、甚至根本制作不出来的精度要求的复杂形状，比如飞机或F1赛车上某些抗压强度大、质量轻的部件。

材料领域

3D打印还未形成广泛的工业应用，最主要原因是各类适用材料不能满足设计要求。

3D打印材料是用于逐层堆积制作零部件的基础原材料，也是此项应用的技术核心。由于3D打印技术采用在水平面内逐行成型、在三维结构内逐层堆积的技术原理，致使打印材料性能直接决定了成品的强度、刚度等力学性能，粗糙度等表面质量，以及防潮性、热稳定性、生物相容性等其他特殊性能，而材料性能又能进一步影响热处理、表面理化处理、精加工、抛光镀膜等后续工艺，直接影响生产成本和成型效率。

目前可应用于3D打印的材料种类较少，大量材料的应用潜能也未开发出来，但这恰恰意味着3D打印将迎来新一轮的技术创新和商业模式创新，众多巨头企业的进入，以及政府主导下的产业布局都预示着3D打印将迎来新的发展阶段。

幕后推手

3D打印真正的潜力还有赖企业界发掘——比如像空客公司这样的企业就会探索如何用3D打印技术制造飞机零部件。随着大企业对3D制造的兴趣日益浓厚，新的原材料会不断突破现有技术瓶颈以及原材料成本的随之下降，同时打印机技术本身也会不断迭代，而普通消费者能买到用更多种类材料打印的物品。就像今天我们还只能买到打印的iPhone手机壳，但是未来就会买到打印的手机了。

3D打印可以说是制造业向智能化的物联网时代迈进的重要一步。当前我国制造业正面临转型升级的挑战，信息化和工业化的深度融合是各产业领域的应有之义，3D打印的阶段性成功为我国智能制造业的推进指明了方向。

在北京、西安、成都和武汉等城市，我国政府已经陆续开始着手对3D打印相关产业进行布局和规划，从设备研发、软件设计、材料制备和技术服务等众多环节全面鼓励发展3D打印产品，我们有理由相信3D打印将颠覆更多的产业和影响我们的生活。