引领未来商业的3D打印技术

徐国行

提起“3D”这个词，大家首先想到的可能是3D电影，是视觉效果超级炫酷，不断冲击人眼球，不断刷新人感官体验的好莱坞大片。然而现在一个新兴的技术正在引导着一场制造业的革命，至少在国内是这样的，那就是3D打印技术。

何为3D打印技术？所谓的3D打印技术其实是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造。现如今，已经有使用这种技术打印而成的零部件和完整的物品了。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有着一定的应用。

其实3D打印技术在欧美国家已处于成熟阶段，而在中国只是在近些年来才得以引进。早在20世纪80年代末人们就已经提出了3D打印的概念，只是在最近几年3D打印技术才被运用到医学、制造业等领域，并取得了一定成就。3D打印在各行业的应用大大推动了经济的发展，增强了国家的综合国力。

技术的兴起

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

中国古代有句话，叫事出必有因，有因必有果。事物的兴起和发展都存在联系，甚至是有因果关系的。3D打印技术也是一样，这项技术兴起的原因主要是传统模式的制造业进行的是一种高成本、低产量、周期长的生产模式，导致产品的零售价格比较高，而工资的增长比率比物价上涨的幅度低，而且批量生产模式难以满足日益个性化的用户需求，因此需求导向的社会化生产技术——3D打印技术才更具优势。

从新经济角度来看，3D 打印的“制造 + 服务”模式会改变人类现有的生活方式。在新经济的发展过程中，科技和劳动力水平持续提升，而面向人们基本生存需要的农业和制造业的占比却日益降低，这时以满足人类更高层次需求为目的的服务业就显得愈发重要。随着生产力水平的提升，人们开始在集约生产带来的同质化消费之上追求更高层次的个性化、定制化服务。新媒体、社交网络满足了人类在精神层面的个性化需求，而 3D 打印正是实现物质个性化的最佳解决方案。

发展历程

一、技术原理

日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料。像之前说的一样，打印机与电脑连接后，人们通过控制电脑，可以将实物按照计算机上的蓝图，一点一点的打印出来。

通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人、玩具车、各种模型，甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是因为3D打印机参照了普通打印机的技术原理，其分层加工的过程与喷墨打印十分相似。对3D打印而言，材料是非常重要的一个环节。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料等。

二、打印过程

1、三维设计

三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

2、切片处理

打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体，这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打印出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如ObjetConnex 系列还有三维 Systems ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率，打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。 用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快、更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机，就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

3、完成打印

三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

3D 打印作为一种颠覆性的技术，其颠覆性不仅体现在对传统制造业的提升中，并且在一些新兴领域中将形成一批全新的原创产业。如目前一些机构正在研发的皮肤打印技术，由于皮肤相比于人体其它器官，其结构更为简单，可再生性更强，因此，预计将更早走向广泛应用。如果该技术能够普及，那么传统的抗衰老、植皮技术和美容技术将被完全颠覆，其它还包括 3D打印服务和设计平台，如个人消费品的个性化定制，包括房屋、汽车、飞机等领域也将完全重构，形成一批新的原创产业。人类只需要拥有一台3D打印机，加上完整的产品设计轮廓就可以打印出自己想要的东西，既方便又快捷，为人们节约很多成本。

三、技术的优点

第一：无需模具就能成型，也不需要机械加工，就能直接从设计好的计算机图形数据中生成任何形状的物体。而传统的制造业最核心的一个环节就是要造模，很多高端产品能够设计出来，最大的困难是生产不出来成品，原因就出在造模环节，且耗时很长，而3D打印机则跨越了造模这个环节。

第二：3D打印，即增量制造，也称作快速成型技术，是基于材料累加原理的快速成型操作过程，将计算机中的三维模型通过向物品分层添加材料来创造出实物的一种叠层制造技术，具有不受零件复杂程度限制、完全数字化控制等特点；而传统的制造业是减量制造，先做一个大的框架，然后根据需要减去不需要的部分，所以3D打印可以节约90%左右的材料。

第三：这种技术是带有一种变革性的，短流程、低成本、数字化、高性能的制备构建制造一体化的技术。对构建的制造是重要的，尤其是这种技术一部分高性能难加工构建技术的革命，潜力巨大。

四、技术前景

1、3D打印技术在医学上的发展趋势

世界已经经历过两次工业革命，在经历工业革命阶段，各个国家都取得了前所未有的进步，而经济学家预测3D打印技术将掀起第三次工业革命，等到3D打印技术得到广泛应用后，以制造业为主要出口产业的国家将失去竞争优势。而以数字化、个性化为突出特色的行业将异军突起。

3D打印技术已经发展到一定水平，但因为当前面临的一系列材料及技术层面问题致使该技术有一定的局限性，因为在未来的几年甚至几十年里3D打印技术将会更加先进。据预测，在医学方面，3D生物打印速度提高到一定水平，所支持的材质更加精细全面，且打印出的组织器官免遭人体自身排斥时，每个人专属的组织器官都能随时打印出，这就相当于为每个人建立了自己的组织器官储备系统。

2、3D打印技术在制造业上的发展趋势

个体户只要拥有一台清晰的3D彩色打印机，再加上三维立体图纸，只需敲击键盘就可以快速打印出自己想要的产品。用户可以随心打印出自己喜欢的房子、飞机、珠宝、枪支等等物品，一般只需等待几小时到几十个小时。但是在人们能够随心打印出枪支以后又会出现一系列问题，比如：人人持有枪支，则每个人都有可能持枪犯罪。在中国这样一个法制社会，若每个人都持有枪，那整个社会都将会处于一片混乱之中，人们将每天都提心吊胆的生存。

3D打印技术的出现使设计制造业的成功不再取决于生产规模，而取决于创新，然而，单靠创新也不够；一旦物品能用数字文件来描述，它们就会变得很容易复制和传播。创新者能够在市场上快速地推出新产品，而模仿者的推陈出新则会更加轻而易举。因此，创新者的竞争优势可能变得比以前更短；当然，盗版也会变得更加猖獗，就像音乐工业出现的情况一样。当一个新玩具的草图或一双鞋的设计方案在网络上流传之时，其知识产权的拥有者将会失去更多，因此，人们在知识产权领域进行的斗争会更加激烈。

技术应用

一、3D打印技术在制造业上的应用

在当今的高新技术条件下主要有几种常用的 3D 打印技术的工艺过程包括光固化（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）和熔融沉积成型（FDM）等。

选择性激光烧结可以用于生产各种规格的金属部件，包括由航天级钛制成的组件。德国的 EOS公司和被通用航空收购的Morris Technologies都使用了该技术。也可用于生产尼龙的一次性部件给汽车、跑步者、滚筒等使用。

而选择性激光熔化能打印金属如钛、不锈钢、铂，甚至是黄金，制作出的部件与传统铸件一样好，因此在珠宝业和航空航天业的应用增长迅速。

熔融沉积成型使用真正的工程级塑料，如ABS、聚乙烯、尼龙等，生产出的部件与机械加工或者注塑模具生产的部件强度相当，颜色相同，不同的是表面光洁度。

二、3D打印技术在医学上的应用

3D打印技术的应用领域也在随着技术的进步而不断扩展，包括生活用品机械设备生物医用材料，甚至是活体器官在生物医学领域。目前3D打印技术在国际上已开始被应用于器官模型的制造与手术分析策划个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造以及细胞或组织打印等方面。例如，在骨科口腔颌面外科等外科疾病中通常需要植入假体代替损坏切除的组织，以恢复相应的功能以及外观，然而，目前临床所使用的替代材料都是按照固定模式制造，难以与患者的缺损部位完美匹配，无法获得十分满意的效果。

据报道，美国一位儿科医生成功打印制作出人体心脏实物模型。这项技术同样可应用于牙种植、骨骼移植等人造骨骼实物、血管等器官。跟传统的器官移植手术相比，3D打印出的器官的排斥反应几乎没有，也不会给患者带来不良影响。

因此，在近年来，3D打印技术被越来越多的应用于生物医用材料的制备。另外，生物相容与生物可降解高分子在生物医学应用，尤其是组织工程应用中具有独特的优势，因此，3D打印技术应用于制备生物医用高分子材料的研究在近年来取得了显著的进展。

三、3D打印技术在军事上的应用

2014年6月24日至6月26日，美海军在作战指挥系统活动中举办了第一届制汇节，开展了一系列“打印舰艇”研讨会，并在此期间向水手及其他相关人员介绍了3D打印及增材制造技术。

美国海军致力于未来在这方面培训水手。采用3D打印及其他先进制造方法，能够显著提升执行任务速度及预备状态，降低成本，避免从世界各地采购舰船配件。

美国海军作战舰队后勤科副科长Phil Cullom表示，考虑到成本及海军后勤及供应链现存的漏洞，以及面临的资源约束，先进制造与3D打印的应用越来越广，他们设想了一个由技术娴熟的水手支持的先进制造商的全球网络，找出问题并制造产品。

四、3D打印技术在航天科技的应用

2014年9月底，NASA预计将完成首台成像望远镜，所有元件基本全部通过3D打印技术制造，NASA也因此成为首家尝试使用3D打印技术制造整台仪器的单位。

这款太空望远镜的功能齐全，它的50.8毫米的摄像头使其能够放进立方体卫星（CubeSat，一款微型卫星）当中。据了解，这款太空望远镜的外管、外挡板及光学镜架全部作为单独的结构直接打印而成，只有镜面和镜头尚未实现，该仪器将于2015年开展震动和热真空测试。

这款长50.8毫米的望远镜将全部由铝和钛制成，而且只需通过3D打印技术制造4个零件即可，相比而言，传统制造方法所需的零件数是3D打印的5～10倍。此外，在3D打印的望远镜中，可将用来减少望远镜中杂散光的仪器挡板做成带有角度的样式，这是传统制作方法在一个零件中所无法实现的。

3D打印技术的应用领域还有很多，毫无疑问，这项技术正在不断改变着人们的生活。