透過“工程賽”了解3D打印

耿瑤+劉傳杰+陳威

2016年5月27～29日，“2016中國工程機器人大賽暨國際公開賽”在山東日照成功舉辦。2013以來，新加入的3D打印競賽項目，經(jīng)過新加坡國際賽、法國國際賽的積累，在和各個國家、地區(qū)充分交流后，2015年做為正式競賽項目，這也是目前唯一的3D打印項目的國際競賽。

一種新興的的技術(shù)——3D打印

1.什么是3D打印

3D打印即快速成型技術(shù)的一種，1986年由查克？赫爾（Chuck Hull）發(fā)明，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，實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，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍(lán)圖變成實物。

通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個機器人、打印玩具車，打印各種模型，甚至是食物等。之所以通俗地稱其為“打印機”是參照了普通打印機的技術(shù)原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。

3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、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)域都有所應(yīng)用。

2.3D打印中的諸多技術(shù)

3D打印存在著許多不同的技術(shù)。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、聚乳酸、ABS樹脂、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。

3.3D打印過程

本次工程賽中展示“打印”出的三維產(chǎn)品其過程是：先通過計算機建模軟件建模，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)打印機逐層打印。

①三維設(shè)計

通過goSCAN之類的專業(yè)3D掃描儀或是Kinect之類的DIY掃描設(shè)備獲取對象的三維數(shù)據(jù)，并且以數(shù)字化方式生成三維模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等三維建模軟件從零開始建立三維數(shù)字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。

②分層切割

由于描述方式的差異，3D打印機并不能直接操作3D模型。當(dāng)3D模型輸入到電腦中以后，需要通過打印機配備的專業(yè)軟件來進一步處理，即將模型切分成一層層的薄片，每個薄片的厚度由噴涂材料的屬性和打印機的規(guī)格決定。

③打印噴涂

由打印機將打印耗材逐層噴涂或熔結(jié)到三維空間中，根據(jù)工作原理的不同，有多種實現(xiàn)方式。比較流行的做法是先噴一層膠水，然后在上面撒一層粉末，如此反復(fù)；或是通過高能激光融化合金材料，一層一層地熔結(jié)成模型。整個過程根據(jù)模型大小、復(fù)雜程度、打印材質(zhì)和工藝耗時幾分鐘到數(shù)天不等。

④后期處理

模型打印完成后一般都會有毛刺或是粗糙的截面。這時需要對模型進行后期加工，如固化處理、剝離、修整、上色等，才能最終完成所需要的模型的制作。

4.3D打印的應(yīng)用

①航天科技

2015年11月10日，中國航天科技集團公司211廠采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)，完成了國內(nèi)首個鈦合金葉輪的生產(chǎn)制造，并順利通過試驗考核，實現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的快速研制。這一技術(shù)的突破，驗證了“3D打印”金屬結(jié)構(gòu)件在超高速旋轉(zhuǎn)條件下應(yīng)用的技術(shù)可行性，為火箭發(fā)動機系統(tǒng)的快速研制提供了新的技術(shù)途徑。

2016年6月1日，全球第一架3D打印飛機THOR問世，在柏林舍內(nèi)費爾德機場的國際航空航天博覽會空中客車展臺上，THOR博得了全世界的矚目。迷你飛機Thor在四周各式各樣的巨型噴氣式飛機當(dāng)中顯得特別矮小——空中客車（Airbus）公司出品的這一微型飛機是全球首架3D打印飛機。去年11月，THOR在德國北部城市漢堡完成了首次試飛。

沒有窗戶，重量只有21kg，長度不到4m，這家名叫THOR的飛機——THOR是“Test of High-tech Objectives in Reality”（現(xiàn)實中高科技目標(biāo)試驗）的縮寫——看起來就像一個大型的白色飛機模型。

②醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

醫(yī)學(xué)的道具、模型、用品等材料都可以通過3D打印來獲得。利用3D打印的技術(shù)，可將計算機的影像數(shù)據(jù)信息形成實體結(jié)構(gòu)，用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和手術(shù)的模擬。傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教學(xué)模型制作的方法時間長，且搬運過程也容易損壞，使用3D打印技術(shù)，可以有效來減少制作的時間，根據(jù)需要隨時的來制作，并降低搬運損壞的風(fēng)險。目前，3D打印醫(yī)學(xué)模型已獲得了較好的技術(shù)支持，具備一定的打印速度，能使用多種材質(zhì)進行打印，應(yīng)用程度高，有著很好的應(yīng)用前景。

2016年5月6日，全球首發(fā)金屬3D打印人體植入物——人工椎體誕生并獲CFDA注冊批準(zhǔn)，標(biāo)志著在3D打印植入物領(lǐng)域，我國已居世界領(lǐng)先水平，中國制造將造福更多患者。而產(chǎn)品國產(chǎn)化后也將打破國外產(chǎn)品對高端市場的壟斷，大幅降低價格，為患者節(jié)約大筆醫(yī)療支出，對推動整個3D打印產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展具有里程碑式意義。

③汽車行業(yè)

2016年6月21日，OFweek3D打印網(wǎng)訊，自動駕駛汽車制造商洛克汽車公司與國際商業(yè)機器股份有限公司（IBM）的沃森超級計算機平臺合作，成功打造了一款搭載沃森人工智能系統(tǒng)的3D打印自動駕駛小型巴士“奧利”，并且已準(zhǔn)備好投入使用。洛克汽車公司生產(chǎn)的“奧利”可于幾小時內(nèi)在“微型工廠”中按具體要求“打印”完成，且最多可載12人。乘客需乘車時可以通過手機應(yīng)用操作，與使用優(yōu)步類似。

根據(jù)權(quán)威機構(gòu)Wohlers Report 2015報告，3D打印在2015年覆蓋了41億美元的市場。該行業(yè)過去3年里復(fù)合年增長率為33.8%，增長強勁。Wohlers預(yù)測，2016年全球總銷售額將增加至73億美元，2018年這個數(shù)字將是127億美元，到2020年市場預(yù)計將達(dá)到212億美元。

3D打印發(fā)展趨勢

3D打印在我國既得到政府層面的大力支持，也受到資本市場的追捧。未來幾年中國3D打印市場仍將保持40%左右的增長速度，到2018年有望突破200億元。

1.突破技術(shù)局限

除了通用和福特這樣將3D打印技術(shù)規(guī)劃進程大肆曝光的公司，還有很多企業(yè)選擇安靜地進行技術(shù)研發(fā)，并且取得了不少令人驚嘆的成績。據(jù)了解，未經(jīng)宣傳曝光的3D打印突破性技術(shù)不止一個。它們有的涉及到3D打印耗材，有的是3D打印設(shè)備，在2016年一經(jīng)應(yīng)用，必將激起整個領(lǐng)域的改革。

2.外包3D打印獲利年

目前看來，大多數(shù)在線3D打印服務(wù)商都屬于“產(chǎn)用一體化”模式，不過其中也存在不少問題，首先3D打印機在使用過程中出現(xiàn)的問題不少，如果不是專業(yè)人士，解決起來很是麻煩。另外，一旦出現(xiàn)訂單量增大的情況，無論是制作還是運送都是不小的問題。而其他經(jīng)驗純熟的供應(yīng)商顯然在各方面都更有優(yōu)勢，比如運送時間保證等。未來，設(shè)計師和工程師將業(yè)務(wù)外包給供應(yīng)商的情況一定會越來越普遍。

3.虛擬庫存將成為現(xiàn)實

打印的特點之一就是成本低，其中一項關(guān)鍵性因素就在于“去除不必要的庫存”。當(dāng)各大制造商應(yīng)用3D打印技術(shù)后，可以按需及時制作物品，最大程度降低浪費的情況出現(xiàn)。

4.分布式制造

過去10年，亞馬遜依靠云端伺服器改變了整個計算機世界，讓企業(yè)在網(wǎng)絡(luò)上找到需求量?？梢灶A(yù)估的是，制造業(yè)也將走上這條路，只是時間長短的問題。2016年，說不定就有制造商宣布建造這樣一種系統(tǒng)，且讓我們拭目以待。

5.整體制造

對于傳統(tǒng)制造來說，要生產(chǎn)出一個完整的產(chǎn)品，不同的部件往往來自不同的國家，需要把它們運送到同一個地方，再組裝完成。3D打印則可以實現(xiàn)一次成型，并且這樣機器對于作業(yè)環(huán)境的限制正在一步步被突破，未來制造商們會傾向于選擇這種節(jié)省時間、成本的技術(shù)。

6.物聯(lián)網(wǎng)與3D打印的結(jié)合

不得不說“物聯(lián)網(wǎng)”是現(xiàn)代化產(chǎn)品一項重要的元素，越來越多的消費品被安裝上傳感器或者其他電子部件，比如上次日本某企業(yè)推出的3D打印自行車。未來，運用人工智能設(shè)計產(chǎn)品將成為主流，而這些智能產(chǎn)品的很多部件目前只能用3D打印制作出來。

雖然3D打印技術(shù)和3D打印服務(wù)商在很早之前就出現(xiàn)了，不過在過去，這些服務(wù)大多屬于簡單的原型制造。2016年，企業(yè)將把重心放在制造終端產(chǎn)品上，制作能真正用于生活的3D打印消費品。對比傳統(tǒng)制造工藝，3D打印的優(yōu)勢在于：生產(chǎn)的連貫性、安全性、材料可追蹤性等。

7.真正的制造出現(xiàn)

透過“2016中國工程機器人大賽暨國際公開賽”發(fā)現(xiàn)，3D打印產(chǎn)業(yè)已上升國家級戰(zhàn)略層面，2015年8月23日，中共中央政治局常委、國務(wù)院總理李克強主持國務(wù)院專題講座，討論加快發(fā)展先進制造與3D打印等一系列問題；“中國制造2025”邁向工業(yè)強國藍(lán)圖，離不開3D打印技術(shù)的進步和發(fā)展；3D打印顯然已成為工業(yè)4.0下的新型制造模式的重要組成部分?？傊?D打印未來市場空間巨大，發(fā)展?jié)摿o限，將為我國經(jīng)濟社會發(fā)展，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整作出巨大貢獻(xiàn)。

作者單位：曲阜師范大學(xué)