3D打印技術：第三次工業革命的領跑者

徐冰 吳劍鋒 浙江工業大學

2012年，XPRIZE公司的CEO Diam andis博士在談到未來電子及工業創新時，重點提到了3D打印技術。在2013年的意法半導體傳感器設計大賽中，獲得最高獎的西電代表隊的作品外形也是用3D打印技術制造出來的。在中國北京DRC基地的首家3D打印體驗館里，只要有一臺3D打印機和相應的掃描儀等設備，十幾分鐘就可以出爐縮小版的人像。瞬間造成“克隆人”，已不再只是停留在好萊塢科幻片中的場景了，而是成為可以看得見，摸得著的現實世界了。在更早開始使用3D打印機的歐美等發達國家，目前3D打印的功能近乎魔幻化——小到人體的心血管組織，大到高層建筑或飛機外殼，3D打印幾乎無所不能。在3D打印技術不可思議的背后，是其對整個傳統制造業流程的顛覆，一場前所未有的技術革命即將到來。

目前，3D打印技術依托多個學科領域的尖端技術，在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫學等領域得到了一定應用，發展前景廣泛。英國《經濟學人》雜志在《第三次工業革命》一文中，將其稱為第三次工業革命的重要標志之一。在3D打印技術得到廣泛運用的情況下，傳統制造業也許不再運用企業這種將人力、資金、設備等生產要素大規模集中化的生產方式，而轉變為一種以3D打印機為基礎、更加靈活、所需要投入更少的生產方式——社會化制造（Social Manufacturing）。面對這一新的生產方式變革，以美國的“重振制造業計劃”為例，西方發達國家陸續開展類似的研究以推動其“再工業化、再制造化戰略”，掀起新一輪的數字化制造浪潮，以3D打印為代表的增材制造技術已成為國際制造業關注的熱點。

圖1 利用三維打印機制作的彩色玩偶

3 D打印技術的基本原理

所謂的3D打印，即與傳統二維打印相比，其最后的成品不是二維圖樣，而是一個真實的三維物體。3D打印技術是傳統的二維打印與分層制造工藝相結合的產物，是快速成型制造技術的一個重要組成部分，其基本原理與快速成型制造類同。其工作實質是一個“三維電子模型——二維數據——三維物理模型”的轉化。基本流程如下：

⑴由CAD軟件（如Unigraphics，Pro／Engineer，AutoCAD等）生成實體的三維幾何信息，然后根據工藝要求，按照一定規則將該三維實體模型離散為一系列有序的單元，通常在Z向將其按一定厚度離散成一系列的二維層片。

⑵在層片信息中添加實體的材料信息。

⑶通過打印驅動程序，經過一個數字半色調的過程將連續的材料組分信息，轉化成可印刷的離散材料信息，并產生打印指令。

⑷最后打印機根據系統所給的幾何路徑和材料組分信息，在打印平臺上打印給定的層厚，即打印一個剖切面，完成一層之后，再打印接下來的一層，這樣層層堆積疊加，得到三維實體。

打印結束后，進行除粉、烘干等后處理，同時可以將蠟、環氧樹脂或其他材料滲入原型材料中，以提高原型件的強度和使用壽命。此外，還可以進行拋光、油漆、著色、電鍍等。通常而言，對簡單零件而言，后處理階段所需時間在10分鐘內。

圖2 3D 打印機工作的基本流程示意

3 D打印技術的特點

3D打印技術是目前快速成型行業中最有生命力的技術，其主要特點如下：

⑴由三維CAD模型直接驅動，在一定程度上實現了設計制造一體化。

⑵高度柔性。這種制造方式不受零件的形狀和結構的任何約束，使復雜模型的直接制造成為可能；除了可以表現出外形曲線上的設計，對于結構以及運動部件的表現也不在話下。如果用來打印機械裝配圖，齒輪、軸承、拉桿等都可以正常活動，而腔體、溝槽等形態特征位置準確，甚至可以用于測試裝配公差的設計合理性，打印出的實體還可以通過打磨、鉆孔、電鍍等方式進一步加工。同時粉末材料不限于砂型材料，還有彈性伸縮材料、高性能復合材料、熔模鑄造材料、金屬材料等其它材料可供選擇。

⑶縮短新產品的研制周期，降低研發成本。三維打印技術可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉換成真實的產品模型，從而可以對正處于設計階段的產品做出快速評價、修改及功能試驗，這樣既有效地縮短了產品的研發周期，又降低了經濟損耗。

但由于該技術還處于初級階段，還存在很多不足之處，例如對用來打印的材料有一定的要求，到目前為止，它使用尼龍粉末、塑料、陶土或金屬等材料進行打印，所以它所能打印出的三維實體大多還只是實物的模型，不能直接對其進行應用。

3 D打印技術的發展簡史

3D打印機普遍采用快速成型技術，到目前為止，已有十幾種不同的快速成型技術方法問世。其中比較典型的有分層實體制造（也稱疊層法LOM—Laminated Object Manufacturing）、選擇性激光燒結（SLS—Selective Laser Sintering）、立體平板因素印刷（也稱為光固法SLA—Stereolithography）、熔融沉積制造（FDM—Fused Deposition Modeling）、掩模固化法（SGC—Solid Ground Curing）和三維印刷法（3DP—Three Dim ensional Printing）。

生產LOM 系統的主要制造商有美國的Helysis公司、新加坡的KINERGY公司、日本的KIRA公司以及國內的清華大學、華中科技大學等；生產SLS系統的主要制造商有美國的DTM 公司、德國的EOS公司以及國內的北京隆源公司、華中科技大學等；生產FDM 系統的主要生產商有美國Stratasys公司及國內的清華大學等；生產SLA系統的主要制造商有美國的3Dsystem s公司、德國的EOS公司以及國內的西安交通大學等。另外，一些其他的方法如三維噴涂粘接3DPG、數碼累積造型DBL、立體光刻SGC、直接殼法DSPC、噴墨打印、全息干涉制造、彈道微粒制造、光束干涉固化等都有一定研究規模。

圖3 3D 打印技術在產品裝配、器官模擬、藝術創造方面的應用

另外，有些3D打印機采用數字半色調技術。數字半色調技術是基于人眼的視覺特性和圖像的成色特性，利用數學、計算機等工具，在二值設備或有限灰度級別設備上實現圖像再現的一門技術。它將連續色調圖像經過處理后輸出，即將具有連續色調的原始圖像轉化為離散的二值(0或1)陣列，并通過打印機在介質上輸出此二值陣列來實現圖像階調的再現。對于三維打印機而言，它在打印過程中也需要這一轉化過程，只是在操作過程中將顏色信息轉變成了材料信息而已。

在歐美等發達國家，3D打印技術的應用已較為廣泛，大到飛行器、賽車，小到服裝、手機外殼、甚至是人體組織器官，各領域或多或少都借著3D打印的東風，煥發出新的生命。目前3D打印技術已成為國外研究空間飛行器的關鍵技術。美國總統奧巴馬在最近的國情咨文演講中多次強調3D打印技術的重要性，稱其將加速美國經濟的增長。美國政府將人工智能、3D打印、機器人作為重振美國制造業的三大支柱，其中3D打印是第一個得到政府扶持的產業。據悉，美國國家航空航天局正在研究一項被稱為“未來3 D打印宇宙飛船”的技術，希望通過3D打印，制造出“廉價的機器人宇宙飛船”，奧巴馬政府已經在俄亥俄州重點投入建一個專門整合國家資源的研究所，以加大3D打印技術的研究和應用力度。事實上，在美國，價格低、操作簡便的小型家用3D打印機已到了“每4公里范圍內有一臺”的普及程度，其購買量不斷攀升。近10年，三維打印機開始快速發展，比較有代表性的生產商包括德國Eos公司、美國的3D System 公司、Z Corp公司等。

我國的3D打印技術自1990年代初就有多所高校開始進行具有自主知識產權的快速成型技術研發，清華大學、西安交通大學、華中科技大學等高校和科研機構相繼研發出多種系列的3 D打印機,部分技術已達到世界領先水平，取得了令人矚目的科研進展。如華中科技大學史玉升教授的研究團隊開發的1.2米*1.2米的“立體打印機”（基于粉末床的激光燒結快速制造裝備），是目前世界上最大成型空間的得到工業應用的3D打印機，遠遠超過國外同類裝備水平。

但是由于資金投入、研發水平等因素的限制，國內的快速成型設備在運行的穩定性等方面與國外設備有一些差距；材料問題一直是快速成型技術的核心問題，與國外提供的材料品種及其性能相比，還有著一定的差距。

產業化前景：潛力難以估量

放眼全球，我們發現，3D打印技術研發成為了又一次世界性科技角逐。3D打印被很多人認為是“第三次工業革命”的一大核心和技術領導者。《國際增材制造行業發展報告》顯示，3D打印技術2011年全球直接產值為17.14億美元，年增長29.1%。目前全球兩家3D打印機制造巨頭Stratasys和3D System s均在美國納斯達克上市，2011年營業收入分別為1.7億美元和2.9億美元，2012年股價分別翻了2倍和3倍。

據評估，目前全球3D打印市場一年的市場總量不過20億美元，而國內只有不到2億元人民幣。

3 D打印機在中國國內近兩年增長很快，企業級裝機量約為400臺，年增速均在70%左右。預計到2015年全球市場規模將超過30億美元。而隨著技術的不斷發展，未來國內3D打印市場也將是十分廣闊的。

但3D打印技術并非沒有軟肋。與傳統工業銑床低至5萬美元的成本相比，工業規模的3D打印機高達幾十萬甚至逾百萬美元。此外，打印批量小物件依然要消耗數小時甚至一天多，因此尚不適用于大規模生產。目前3D打印技術在我國主要應用于產品研發，且制造成本高、制造效率低、制造精度無法令人滿意。就目前的形勢來看，3D打印技術尚不具備取代傳統制造業的條件，在大批量制造等方面，高效低成本的傳統減材制造法更勝一籌。不過，隨著生產速度和質量的不斷提升以及打印裝置和材料價格的下降，越來越多的工業部件將被打印出來，而不是被沖壓或燒鑄出來。

第三次工業革命將會由大規模制造轉向個性化生產，社群協同制造的關系會改變制造流程，打破跨國代工產業鏈。1912年前后出現的科學技術——電氣化、電話、汽車時代的萌芽、不銹鋼和無線電放大器的發明都推動了經濟的增長，然而即便這樣，當時的人也無法預測到這些科技發明所產生的革命性力量。

3D打印技術未來能否繼續扮演新一輪產業革命的主角，我們將拭目以待。不過我們堅定地認為，隨著科學技術水平的不斷發展，3D技術的應用必將是無窮盡的。