引領(lǐng)未來(lái)商業(yè)的3D打印技術(shù)

徐國(guó)行

提起“3D”這個(gè)詞，大家首先想到的可能是3D電影，是視覺(jué)效果超級(jí)炫酷，不斷沖擊人眼球，不斷刷新人感官體驗(yàn)的好萊塢大片。然而現(xiàn)在一個(gè)新興的技術(shù)正在引導(dǎo)著一場(chǎng)制造業(yè)的革命，至少在國(guó)內(nèi)是這樣的，那就是3D打印技術(shù)。

何為3D打印技術(shù)？所謂的3D打印技術(shù)其實(shí)是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造?，F(xiàn)如今，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件和完整的物品了。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有著一定的應(yīng)用。

其實(shí)3D打印技術(shù)在歐美國(guó)家已處于成熟階段，而在中國(guó)只是在近些年來(lái)才得以引進(jìn)。早在20世紀(jì)80年代末人們就已經(jīng)提出了3D打印的概念，只是在最近幾年3D打印技術(shù)才被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)、制造業(yè)等領(lǐng)域，并取得了一定成就。3D打印在各行業(yè)的應(yīng)用大大推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，增強(qiáng)了國(guó)家的綜合國(guó)力。

技術(shù)的興起

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過(guò)電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

中國(guó)古代有句話，叫事出必有因，有因必有果。事物的興起和發(fā)展都存在聯(lián)系，甚至是有因果關(guān)系的。3D打印技術(shù)也是一樣，這項(xiàng)技術(shù)興起的原因主要是傳統(tǒng)模式的制造業(yè)進(jìn)行的是一種高成本、低產(chǎn)量、周期長(zhǎng)的生產(chǎn)模式，導(dǎo)致產(chǎn)品的零售價(jià)格比較高，而工資的增長(zhǎng)比率比物價(jià)上漲的幅度低，而且批量生產(chǎn)模式難以滿足日益?zhèn)€性化的用戶需求，因此需求導(dǎo)向的社會(huì)化生產(chǎn)技術(shù)——3D打印技術(shù)才更具優(yōu)勢(shì)。

從新經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，3D 打印的“制造 + 服務(wù)”模式會(huì)改變?nèi)祟惉F(xiàn)有的生活方式。在新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過(guò)程中，科技和勞動(dòng)力水平持續(xù)提升，而面向人們基本生存需要的農(nóng)業(yè)和制造業(yè)的占比卻日益降低，這時(shí)以滿足人類更高層次需求為目的的服務(wù)業(yè)就顯得愈發(fā)重要。隨著生產(chǎn)力水平的提升，人們開(kāi)始在集約生產(chǎn)帶來(lái)的同質(zhì)化消費(fèi)之上追求更高層次的個(gè)性化、定制化服務(wù)。新媒體、社交網(wǎng)絡(luò)滿足了人類在精神層面的個(gè)性化需求，而 3D 打印正是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)個(gè)性化的最佳解決方案。

發(fā)展歷程

一、技術(shù)原理

日常生活中使用的普通打印機(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料。像之前說(shuō)的一樣，打印機(jī)與電腦連接后，人們通過(guò)控制電腦，可以將實(shí)物按照計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖，一點(diǎn)一點(diǎn)的打印出來(lái)。

通俗地說(shuō)，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個(gè)機(jī)器人、玩具車、各種模型，甚至是食物等等。之所以通俗地稱其為“打印機(jī)”是因?yàn)?D打印機(jī)參照了普通打印機(jī)的技術(shù)原理，其分層加工的過(guò)程與噴墨打印十分相似。對(duì)3D打印而言，材料是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料等。

二、打印過(guò)程

1、三維設(shè)計(jì)

三維打印的設(shè)計(jì)過(guò)程是：先通過(guò)計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。

設(shè)計(jì)軟件和打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件格式。一個(gè)STL文件使用三角面來(lái)近似模擬物體的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過(guò)掃描產(chǎn)生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經(jīng)常被用作全彩打印的輸入文件。

2、切片處理

打印機(jī)通過(guò)讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來(lái)，再將各層截面以各種方式粘合起來(lái)從而制造出一個(gè)實(shí)體，這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機(jī)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）或者微米來(lái)計(jì)算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機(jī)如ObjetConnex 系列還有三維 Systems ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的分辨率，打印出來(lái)的“墨水滴”的直徑通常為50到100個(gè)微米。 用傳統(tǒng)方法制造出一個(gè)模型通常需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜程度而定。而用三維打印的技術(shù)則可以將時(shí)間縮短為數(shù)個(gè)小時(shí)，當(dāng)然其是由打印機(jī)的性能以及模型的尺寸和復(fù)雜程度而定的。

傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)則可以以更快、更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對(duì)較少的產(chǎn)品。一個(gè)桌面尺寸的三維打印機(jī)，就可以滿足設(shè)計(jì)者或概念開(kāi)發(fā)小組制造模型的需要。

3、完成打印

三維打印機(jī)的分辨率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會(huì)比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過(guò)如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再稍微經(jīng)過(guò)表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技術(shù)可以同時(shí)使用多種材料進(jìn)行打印。有些技術(shù)在打印的過(guò)程中還會(huì)用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時(shí)就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

3D 打印作為一種顛覆性的技術(shù)，其顛覆性不僅體現(xiàn)在對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的提升中，并且在一些新興領(lǐng)域中將形成一批全新的原創(chuàng)產(chǎn)業(yè)。如目前一些機(jī)構(gòu)正在研發(fā)的皮膚打印技術(shù)，由于皮膚相比于人體其它器官，其結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，可再生性更強(qiáng)，因此，預(yù)計(jì)將更早走向廣泛應(yīng)用。如果該技術(shù)能夠普及，那么傳統(tǒng)的抗衰老、植皮技術(shù)和美容技術(shù)將被完全顛覆，其它還包括 3D打印服務(wù)和設(shè)計(jì)平臺(tái)，如個(gè)人消費(fèi)品的個(gè)性化定制，包括房屋、汽車、飛機(jī)等領(lǐng)域也將完全重構(gòu)，形成一批新的原創(chuàng)產(chǎn)業(yè)。人類只需要擁有一臺(tái)3D打印機(jī)，加上完整的產(chǎn)品設(shè)計(jì)輪廓就可以打印出自己想要的東西，既方便又快捷，為人們節(jié)約很多成本。

三、技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

第一：無(wú)需模具就能成型，也不需要機(jī)械加工，就能直接從設(shè)計(jì)好的計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體。而傳統(tǒng)的制造業(yè)最核心的一個(gè)環(huán)節(jié)就是要造模，很多高端產(chǎn)品能夠設(shè)計(jì)出來(lái)，最大的困難是生產(chǎn)不出來(lái)成品，原因就出在造模環(huán)節(jié)，且耗時(shí)很長(zhǎng)，而3D打印機(jī)則跨越了造模這個(gè)環(huán)節(jié)。

第二：3D打印，即增量制造，也稱作快速成型技術(shù)，是基于材料累加原理的快速成型操作過(guò)程，將計(jì)算機(jī)中的三維模型通過(guò)向物品分層添加材料來(lái)創(chuàng)造出實(shí)物的一種疊層制造技術(shù)，具有不受零件復(fù)雜程度限制、完全數(shù)字化控制等特點(diǎn)；而傳統(tǒng)的制造業(yè)是減量制造，先做一個(gè)大的框架，然后根據(jù)需要減去不需要的部分，所以3D打印可以節(jié)約90%左右的材料。

第三：這種技術(shù)是帶有一種變革性的，短流程、低成本、數(shù)字化、高性能的制備構(gòu)建制造一體化的技術(shù)。對(duì)構(gòu)建的制造是重要的，尤其是這種技術(shù)一部分高性能難加工構(gòu)建技術(shù)的革命，潛力巨大。

四、技術(shù)前景

1、3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的發(fā)展趨勢(shì)

世界已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)兩次工業(yè)革命，在經(jīng)歷工業(yè)革命階段，各個(gè)國(guó)家都取得了前所未有的進(jìn)步，而經(jīng)濟(jì)學(xué)家預(yù)測(cè)3D打印技術(shù)將掀起第三次工業(yè)革命，等到3D打印技術(shù)得到廣泛應(yīng)用后，以制造業(yè)為主要出口產(chǎn)業(yè)的國(guó)家將失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。而以數(shù)字化、個(gè)性化為突出特色的行業(yè)將異軍突起。

3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一定水平，但因?yàn)楫?dāng)前面臨的一系列材料及技術(shù)層面問(wèn)題致使該技術(shù)有一定的局限性，因?yàn)樵谖磥?lái)的幾年甚至幾十年里3D打印技術(shù)將會(huì)更加先進(jìn)。據(jù)預(yù)測(cè)，在醫(yī)學(xué)方面，3D生物打印速度提高到一定水平，所支持的材質(zhì)更加精細(xì)全面，且打印出的組織器官免遭人體自身排斥時(shí)，每個(gè)人專屬的組織器官都能隨時(shí)打印出，這就相當(dāng)于為每個(gè)人建立了自己的組織器官儲(chǔ)備系統(tǒng)。

2、3D打印技術(shù)在制造業(yè)上的發(fā)展趨勢(shì)

個(gè)體戶只要擁有一臺(tái)清晰的3D彩色打印機(jī)，再加上三維立體圖紙，只需敲擊鍵盤(pán)就可以快速打印出自己想要的產(chǎn)品。用戶可以隨心打印出自己喜歡的房子、飛機(jī)、珠寶、槍支等等物品，一般只需等待幾小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)。但是在人們能夠隨心打印出槍支以后又會(huì)出現(xiàn)一系列問(wèn)題，比如：人人持有槍支，則每個(gè)人都有可能持槍犯罪。在中國(guó)這樣一個(gè)法制社會(huì)，若每個(gè)人都持有槍，那整個(gè)社會(huì)都將會(huì)處于一片混亂之中，人們將每天都提心吊膽的生存。

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)使設(shè)計(jì)制造業(yè)的成功不再取決于生產(chǎn)規(guī)模，而取決于創(chuàng)新，然而，單靠創(chuàng)新也不夠；一旦物品能用數(shù)字文件來(lái)描述，它們就會(huì)變得很容易復(fù)制和傳播。創(chuàng)新者能夠在市場(chǎng)上快速地推出新產(chǎn)品，而模仿者的推陳出新則會(huì)更加輕而易舉。因此，創(chuàng)新者的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)可能變得比以前更短；當(dāng)然，盜版也會(huì)變得更加猖獗，就像音樂(lè)工業(yè)出現(xiàn)的情況一樣。當(dāng)一個(gè)新玩具的草圖或一雙鞋的設(shè)計(jì)方案在網(wǎng)絡(luò)上流傳之時(shí)，其知識(shí)產(chǎn)權(quán)的擁有者將會(huì)失去更多，因此，人們?cè)谥R(shí)產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域進(jìn)行的斗爭(zhēng)會(huì)更加激烈。

技術(shù)應(yīng)用

一、3D打印技術(shù)在制造業(yè)上的應(yīng)用

在當(dāng)今的高新技術(shù)條件下主要有幾種常用的 3D 打印技術(shù)的工藝過(guò)程包括光固化（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）和熔融沉積成型（FDM）等。

選擇性激光燒結(jié)可以用于生產(chǎn)各種規(guī)格的金屬部件，包括由航天級(jí)鈦制成的組件。德國(guó)的 EOS公司和被通用航空收購(gòu)的Morris Technologies都使用了該技術(shù)。也可用于生產(chǎn)尼龍的一次性部件給汽車、跑步者、滾筒等使用。

而選擇性激光熔化能打印金屬如鈦、不銹鋼、鉑，甚至是黃金，制作出的部件與傳統(tǒng)鑄件一樣好，因此在珠寶業(yè)和航空航天業(yè)的應(yīng)用增長(zhǎng)迅速。

熔融沉積成型使用真正的工程級(jí)塑料，如ABS、聚乙烯、尼龍等，生產(chǎn)出的部件與機(jī)械加工或者注塑模具生產(chǎn)的部件強(qiáng)度相當(dāng)，顏色相同，不同的是表面光潔度。

二、3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也在隨著技術(shù)的進(jìn)步而不斷擴(kuò)展，包括生活用品機(jī)械設(shè)備生物醫(yī)用材料，甚至是活體器官在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。目前3D打印技術(shù)在國(guó)際上已開(kāi)始被應(yīng)用于器官模型的制造與手術(shù)分析策劃個(gè)性化組織工程支架材料和假體植入物的制造以及細(xì)胞或組織打印等方面。例如，在骨科口腔頜面外科等外科疾病中通常需要植入假體代替損壞切除的組織，以恢復(fù)相應(yīng)的功能以及外觀，然而，目前臨床所使用的替代材料都是按照固定模式制造，難以與患者的缺損部位完美匹配，無(wú)法獲得十分滿意的效果。

據(jù)報(bào)道，美國(guó)一位兒科醫(yī)生成功打印制作出人體心臟實(shí)物模型。這項(xiàng)技術(shù)同樣可應(yīng)用于牙種植、骨骼移植等人造骨骼實(shí)物、血管等器官。跟傳統(tǒng)的器官移植手術(shù)相比，3D打印出的器官的排斥反應(yīng)幾乎沒(méi)有，也不會(huì)給患者帶來(lái)不良影響。

因此，在近年來(lái)，3D打印技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用于生物醫(yī)用材料的制備。另外，生物相容與生物可降解高分子在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，尤其是組織工程應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此，3D打印技術(shù)應(yīng)用于制備生物醫(yī)用高分子材料的研究在近年來(lái)取得了顯著的進(jìn)展。

三、3D打印技術(shù)在軍事上的應(yīng)用

2014年6月24日至6月26日，美海軍在作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)活動(dòng)中舉辦了第一屆制匯節(jié)，開(kāi)展了一系列“打印艦艇”研討會(huì)，并在此期間向水手及其他相關(guān)人員介紹了3D打印及增材制造技術(shù)。

美國(guó)海軍致力于未來(lái)在這方面培訓(xùn)水手。采用3D打印及其他先進(jìn)制造方法，能夠顯著提升執(zhí)行任務(wù)速度及預(yù)備狀態(tài)，降低成本，避免從世界各地采購(gòu)艦船配件。

美國(guó)海軍作戰(zhàn)艦隊(duì)后勤科副科長(zhǎng)Phil Cullom表示，考慮到成本及海軍后勤及供應(yīng)鏈現(xiàn)存的漏洞，以及面臨的資源約束，先進(jìn)制造與3D打印的應(yīng)用越來(lái)越廣，他們?cè)O(shè)想了一個(gè)由技術(shù)嫻熟的水手支持的先進(jìn)制造商的全球網(wǎng)絡(luò)，找出問(wèn)題并制造產(chǎn)品。

四、3D打印技術(shù)在航天科技的應(yīng)用

2014年9月底，NASA預(yù)計(jì)將完成首臺(tái)成像望遠(yuǎn)鏡，所有元件基本全部通過(guò)3D打印技術(shù)制造，NASA也因此成為首家嘗試使用3D打印技術(shù)制造整臺(tái)儀器的單位。

這款太空望遠(yuǎn)鏡的功能齊全，它的50.8毫米的攝像頭使其能夠放進(jìn)立方體衛(wèi)星（CubeSat，一款微型衛(wèi)星）當(dāng)中。據(jù)了解，這款太空望遠(yuǎn)鏡的外管、外擋板及光學(xué)鏡架全部作為單獨(dú)的結(jié)構(gòu)直接打印而成，只有鏡面和鏡頭尚未實(shí)現(xiàn)，該儀器將于2015年開(kāi)展震動(dòng)和熱真空測(cè)試。

這款長(zhǎng)50.8毫米的望遠(yuǎn)鏡將全部由鋁和鈦制成，而且只需通過(guò)3D打印技術(shù)制造4個(gè)零件即可，相比而言，傳統(tǒng)制造方法所需的零件數(shù)是3D打印的5～10倍。此外，在3D打印的望遠(yuǎn)鏡中，可將用來(lái)減少望遠(yuǎn)鏡中雜散光的儀器擋板做成帶有角度的樣式，這是傳統(tǒng)制作方法在一個(gè)零件中所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域還有很多，毫無(wú)疑問(wèn)，這項(xiàng)技術(shù)正在不斷改變著人們的生活。