個性化、小型化、節約化的3D打印

3 D打印，又稱增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術，是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，是一種“自下而上”的制造方法。與傳統上對原材料進行切削的減材制造方法正相反，3D打印技術運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過一層又一層的多層打印方式，像磚頭砌墻一樣，一層一層地構造物品。

其實，3D打印背后的技術其實并不新鮮，早在二十年前，它就開始以“快速成型技術”這一名稱應用于汽車、航空航天模型設計中。為何在出現多年后才突然燃起3D打印的關注熱潮？3D打印正在改變什么，未來還能改變什么？僅僅是一次概念熱潮，還是真的將帶來一場生產方式變革？

什么是3D打印

3D打印技術，是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品。與傳統制造業通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產出成品不同，3D打印將三維實體變為若干個二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產，大大降低了制造的復雜度。這種數字化制造模式不需要復雜的工藝、不需要龐大的機床、不需要眾多的人力，直接從計算機圖形數據中便可生成任何形狀的零件，使生產制造得以向更廣的生產人群范圍延伸。

技術優勢與商業價值

3D打印特別適合于傳統方法無法加工的極端復雜幾何結構。尺寸越小、形狀結構越復雜，增材制造的優勢越明顯。對于生產批量小于10萬件的小型復雜塑料件，SLS等增材制造技術比注塑模具更具優勢。3D打印也非常適合于小批量復雜零件或個性化產品的快速制造。目前，3D打印已成功應用于航空航天系統，如空間站、微型衛星、F-18戰斗機、波音787飛機和個性化牙齒矯正器與助聽器等等。BMW等公司利用3D打印快速制造裝調工具使汽車裝配的精度、速度和人工美學程度都得到顯著提高。

3D打印的一個關鍵優勢在于不需要任何工模具等硬件就可快速制造出任何個性化零部件，從而顯著改變了傳統的以工模具為中心的集中制造模式。增材制造需要很少的人力，不再依賴廉價勞動力，可以實現境內制造。

對于3D打印，一個特別好的應用就是各種設備備件的生產與制造。對于已經停產的零部件，可以利用逆向工程技術快速得到相應的三維CAD模型，然后利用增材制造快速制造出所需的備件。這種應用正在逐年大幅增加，因為對于數十年前建造的汽車、飛機、國防及其他設備而言，沒有CAD圖紙和相應工模具，甚至設備供應商有可能已經倒閉，相關設備備件已無法獲得，在此情況下增材制造不失為一種非常理想的技術手段。

3D打印帶來的影響

1.分布式制造模式將為第三次工業革命拉開序幕

規模經濟是現在制造業的典型特征，但是資源的制約、成本的提升使得規模經濟愈發的不明顯。而現實中，分布式則成為新興模式的代表，從分布式能源到云計算，從工業機器人到3D打印，這些都是分布式的具體應用，而通過分布式之后重新組合的規模經濟提升了資源利用率，降低了成本開銷，可以說是下一次工業革命的基本形態。3D打印模式是個體化的最好體現，也是制造業可以采用的生產方式，拋棄了工廠大規模制造的雷同形式，具有個性化、小型化、節約化的特點。隨著3D打印技術的日臻完善，實用性不斷提高，能夠逐步取代一部分現有生產方式時，第三次工業革命的序幕就被拉開。但不能忽略的是，要改變現有的生產模式進入第三次工業革命，還需要相當長的一段時間。

2.推動中國產業結構調整步伐

在全球產業分工協作中，中國被定義為“制造者”而不是產品的“設計者”，更不是相關高端品牌的“擁有者”。低端制造在技術不斷發展的今天面臨成本上升、利潤微薄的巨大壓力，因此中國必須要實施產業結構調整來扭轉不利局面。

3D打印被譽為開啟第三次工業革命的重要組成部分，是高端制造業實現的重要手段之一。產業結構調整已經在國家層面得到重視，而實操層面由于各地區情況不同，進展緩慢。3D打印技術的不斷成熟，能夠加速中國產業結構調整的步伐，提升制造業水平。

3.改變傳統制造業，成為未來新的經濟增長點

目前，3D打印技術已在工業設計、模具制造等諸多領域得到廣泛應用，也正朝著消費品制造、功能零部件制造、組織與結構一體化制造等領域加速發展，展現出廣闊的應用前景。這意味著一些制造業可以遠離低成本勞動力聚集地，重返更靠近消費者的地方，這些變化都在不同程度上改變了經濟模式，成為未來新的經濟增長點。3D打印帶來的影響是顛覆性的，但是實現成熟產業化的目標還需要較長時間去克服技術、經濟、社會層面的種種挑戰。

人人都成“創造者”

正如風靡全球的產生于上世紀70年代末、80年代初的“個人計算”（PC，personal computing）一樣，3D打印催生的“個人制造”（PM，personal manufacturing）模式如今正當其時。

盡管高端大型3D打印設備銷量呈較快的增長，然而“個人”3D打印設備銷量則呈現爆發式的增長態勢。這種爆發式的增長態勢引起了許多投資者和公司的強烈關注，他們正開始著手規劃如何進入3D打印市場。不難想象，基于增材制造的個人制造模式將在未來得到廣泛的推廣與應用。與二維打印一樣，增材制造或三維打印未來將提供三個層次的創業模式：工廠級別的批量制造、當地供應商的打印服務和家庭環境提供的打印服務。

3D打印使設計人員或創業人員不需要傳統的廠房等基礎設施就可以開始銷售產品，是一種全新的制造模式。不需要投資商提供啟動資本來購買大型設備和工模具，創新型人才就能夠創造和銷售獨一無二的產品。基于3D打印創業的市場障礙是很小的，成功與否關鍵在于是否具有通過社交網絡創造市場潮流的能力，而不是爭取風險資本的能力；具有創新意識的創業人員在這方面始終占有先機。

應用領域廣泛

1.海軍艦艇

2014年7月1日，美國海軍試驗了利用增材制造等先進制造技術快速制造艦艇零件，希望借此提升執行任務速度并降低成本。2014年6月24日至6月26日，美海軍在作戰指揮系統活動中開展了一系列“打印艦艇”研討會，并在此期間向水手及其他相關人員介紹了增材制造技術。美國海軍致力于未來在這方面培訓水手。采用3D打印及其他先進制造方法，能夠顯著提升執行任務速度及預備狀態，降低成本，避免從世界各地采購艦船配件。

美國海軍作戰艦隊后勤科副科長Phil Cullom表示，考慮到成本及海軍后勤及供應鏈現存的漏洞，以及面臨的資源約束，先進制造與3D打印的應用越來越廣，他們設想了一個由技術嫻熟的水手支持的先進制造商的全球網絡，找出問題并制造產品。

2.航天科技

2014年9月底，NASA完成首臺成像望遠鏡，所有元件基本全部通過3D打印制造。NASA也因此成為首家嘗試使用3D打印制造整臺儀器的單位。這款太空望遠鏡功能齊全，其50.8毫米的攝像頭使其能夠放進立方體衛星（CubeSat，一款微型衛星）當中。據了解，這款太空望遠鏡的外管、外擋板及光學鏡架全部作為單獨的結構直接打印而成，只有鏡面和鏡頭尚未實現。該儀器于2015年開展震動和熱真空測試。這款長50.8毫米的望遠鏡將全部由鋁和鈦制成，而且只需通過3D打印制造4個零件即可，相比而言，傳統制造方法所需的零件數是3D打印的5-10倍。此外，在3D打印的望遠鏡中，可將用來減少望遠鏡中雜散光的儀器擋板做成帶有角度的樣式，這是傳統制作方法在一個零件中所無法實現的。

2014年8月31日，美國宇航局的工程師們完成了3D打印火箭噴射器的測試，本項研究在于提高火箭發動機某個組件的性能，由于噴射器內液態氧和氣態氫一起混合反應，這里的燃燒溫度可達到6000華氏度，大約為3315攝氏度，可產生2萬磅的推力，約為9噸左右，驗證了3D打印在火箭發動機制造上的可行性。本項測試工作位于阿拉巴馬亨茨維爾的美國宇航局馬歇爾太空飛行中心，這里擁有較為完善的火箭發動機測試條件，工程師可驗證3D打印部件在點火環境中的性能。制造火箭發動機的噴射器需要精度較高的加工技術，如果使用增材制造技術，就可以降低制造上的復雜程度，在計算機中建立噴射器的三維圖像，打印的材料為金屬粉末和激光，在較高的溫度下，金屬粉末可被重新塑造成我們需要的樣子。火箭發動機中的噴射器內有數十個噴射元件，要建造大小相似的元件需要一定的加工精度，該技術測試成功后將用于制造RS-25發動機，其作為美國宇航局未來太空發射系統的主要動力，該火箭可運載宇航員超越近地軌道，進入更遙遠的深空。馬歇爾中心的工程部主任克里斯認為3D打印在火箭發動機噴射器上應用只是第一步，我們的目的在于測試3D打印部件如何能徹底改變火箭的設計與制造，并提高系統的性能，更重要的是可以節省時間和成本，不太容易出現故障。本次測試中，兩具火箭噴射器進行了點火，每次5秒，設計人員創建的復雜幾何流體模型允許氧氣和氫氣充分混合，壓力為每平方英寸1400磅。

2014年10月11日，英國一個發燒友團隊用增材制造技術制出了一枚火箭，他們還準備讓這個世界上第一個打印出來的火箭升空。該團隊在其倫敦的辦公室向媒體介紹這個世界上第一枚用3D打印制造出的火箭。團隊隊長海恩斯說，有了3D打印，要制造出高度復雜的形狀并不困難。就算要修改設計原型，只要在計算機輔助設計的軟件上做出修改，打印機將會做出相對的調整。這比之前的傳統制造方式方便許多。既然美國宇航局已經在使用3D打印制造火箭的零件，3D打印的前景是十分光明的。據介紹，這個名為“低軌道氦輔助導航”的工程項目由一家德國數據分析公司贊助。打印出的這枚火箭重3公斤，高度相當于一般成年人身高，是該團隊用4年時間、花了6000英鎊制造出來的。等一筆1.5萬英鎊的資助確定之后，他們將在新墨西哥州的美國航天港發射該火箭。一個裝滿氦的巨型氣球將把火箭提升到20000米高空，裝置在火箭里的全球定位系統將啟動火箭引擎，火箭噴射速度將達到每小時1610公里。之后，火箭上的自動駕駛系統將引導火箭回返地球，而里頭的攝像機將把整個過程拍攝下來。

3.醫學領域

3D打印頭蓋骨。2014年8月28日，46歲的周至農民胡師傅在自家蓋房子時，從3層樓墜落后砸到一堆木頭上，左腦蓋被撞碎，在當地醫院手術后，胡師傅雖然性命無損，但左腦蓋凹陷，在別人眼里成了個“半頭人”。除了面容異于常人，事故還傷了胡師傅的視力和語言功能。醫生為幫其恢復形象，采用3D打印技術輔助設計缺損顱骨外形，設計了鈦金屬網重建缺損顱眶骨，制作出缺損的左“腦蓋”，最終實現左右對稱。

3D打印脊椎植入人體。2014年8月，北京大學研究團隊成功地為一名12歲男孩植入了3D打印脊椎，這屬全球首例。據了解，這位小男孩的脊椎在一次踢足球受傷之后長出了一顆惡性腫瘤，醫生不得不選擇移除掉腫瘤所在的脊椎。不過，這次的手術比較特殊的是，醫生并未采用傳統的脊椎移植手術，而是嘗試先進的3D打印技術。研究人員表示，這種植入物可以跟現有骨骼非常好地結合起來，而且還能縮短病人的康復時間。由于植入的3D脊椎可以很好地跟周圍的骨骼結合在一起，所以它并不需要太多的“錨定”。此外，研究人員還在上面設立了微孔洞，它能幫助骨骼在合金之間生長，換言之，植入進去的3D打印脊椎將跟原脊柱牢牢地生長在一起，這也意味著未來不會發生松動的情況。

3D打印手掌治療殘疾。2014年10月，醫生和科學家們使用3D打印技術為英國蘇格蘭一名5歲女童裝上手掌。這名女童名為海莉·弗雷澤，出生時左臂就有殘疾，沒有手掌，只有手腕。在醫生和科學家的合作下，為她設計了專用假肢并成功安裝。

3D打印心臟。2014年10月13日，紐約長老會醫院的醫生埃米爾·巴查博士使用3D打印的心臟救活一名2周大嬰兒。這名嬰兒患有先天性心臟缺陷，它會在心臟內部制造“大量的洞”。在過去，這種類型的手術需要停掉心臟，將其打開并進行觀察，然后在很短的時間內來決定接下來應該做什么。但有了3D打印技術之后，巴查醫生就可以在手術之前制作出心臟的模型，從而使他的團隊可以對其進行檢查，然后決定在手術當中到底應該做什么。這名嬰兒原本需要進行3-4次手術，而現在一次就夠了，這名原本被認為壽命有限的嬰兒將可以過上正常的生活。巴查醫生說，他使用了嬰兒的MRI數據和3D打印技術制作了這個心臟模型。整個制作過程共花費了數千美元，不過他預計制作價格會在未來降低。

4.房屋建筑

2014年8月，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦園區內交付使用，作為當地動遷工程的辦公用房。這些“打印”的建筑墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，按照電腦設計的圖紙和方案，經一臺大型3D打印機層層疊加噴繪而成，10幢小屋的建筑過程僅花費24小時。

2014年9月5日，世界各地的建筑師們正在為打造全球首款3D打印房屋而競賽。3D打印房屋在住房容納能力和房屋定制方面具有意義深遠的突破。

在荷蘭首都阿姆斯特丹，一個建筑師團隊已經開始制造全球首棟3D打印房屋，而且采用的建筑材料是可再生的生物基材料。這棟建筑名為“運河住宅（Canal House）”，由13間房屋組成。這個項目位于阿姆斯特丹北部運河的一塊空地上，有望3年內完工。在建中的“運河住宅”已經成了公共博物館，美國總統奧巴馬曾經到那里參觀。荷蘭DUS建筑師漢斯·韋爾默朗（Hans Vermeulen）在接受采訪時表示，他們的主要目標是“能夠提供定制的房屋。”

5.汽車行業

2014年10月29日，在芝加哥舉行的國際制造技術展覽會上，美國亞利桑那州的Local Motors汽車公司現場演示世界上第一款3D打印電動汽車的制造過程。這款電動汽車名為“Strati”，整個制造過程僅用了45個小時。Strati采用一體成型車身，最大速度可達到每小時40英里（約合每小時64公里），一次充電可行駛120到150英里（約合190到240公里）。Strati只有49個零部件，動力傳動系統、懸架、電池、輪胎、車輪、線路、電動馬達和擋風玻璃采用傳統技術制造，包括底盤、儀表板、座椅和車身在內的余下部件均由3D打印機打印，所用材料為碳纖維增強熱塑性塑料。Strati的車身一體成型，由3D打印機打印，共有212層碳纖維增強熱塑性塑料。辛辛那提公司負責提供制造Strati使用的大幅面增材制造3D打印機，能夠打印3英尺×5英尺×10英尺（約合90厘米×152厘米×305厘米）的零部件。盡管汽車的座椅、輪胎等可更換部件仍以傳統方式制造，但用3D制造這些零件的計劃已經提上日程。制造該轎車的車間里有一架超大的3D打印機，能打印長3米、寬1.5米、高1米的大型零件，而普通的3D打印機只能打印25立方厘米大小的東西。

6.電子行業

2014年11月10日，全世界首款3D打印的筆記本電腦已開始預售了，它能使任何人在自己的客廳里打印自己的設備，價格僅為傳統產品的一半。這款筆記本電腦名為Pi-Top，將到2015年5月才會正式推出。但是，通過口耳相傳，它現在已在兩周內累計獲得了7.6萬英鎊的預訂單。

但是，消費者必須首先擁有一臺3D打印機。該打印機的價格僅為215美元，只有大型咖啡機大小。Pi-Top套件的售價僅為180英鎊，它包括一個模板，可以將紙片厚的薄塑料片疊加熔化，從而“打印”出筆記本電腦的外殼。該套件還包括一個顯示屏和一臺Raspberry Pi卡片式電腦——它只有一張信用卡大小。你只需將這個顯示屏和卡片式電腦插入外殼中，就可以組裝一臺筆記本電腦了。

Pi-Top具有一般筆記本電腦的所有功能，它的發明者希望它被用來教兒童拆解和組裝筆記本電腦，從而學到電腦的相關知識。這個創意來自于23歲的牛津大學工程學研究生萊恩·鄧伍迪（Ryan Dunwoody）和27歲的自學電腦編程的法學研究生杰西·洛扎諾（Jesse Lozano）。“除了用這個筆記本電腦輸入文字外，你還能夠用它來理解顯示屏是如何工作的，電池是如何充電的，以及它是如何在電池和主電源之間進行切換的。”鄧伍迪說。“如果它的某個部位破裂，你能夠立即進行修復。很多家長準備購買它，因為他們認為它可以用來教孩子們理解他們日常使用的設備背后的技術原理。”

7.服裝領域

據英國獵奇網站“wired”報道，英國Nervous System設計工作室將Kinematics軟件及手工折紙技術融入3D打印技術，最大限度地使3D塑料裙子質地貼近普通布料，成功擺脫塑料的僵硬感和重量，使裙子貼身又有形。

據Nervous System設計工作室介紹，設計師用計算機輔助設計（CAD）替代傳統的制衣方法。設計師先將模特的3D圖置入CAD中，然后根據要制作的衣服，利用Kinematics軟件將模特分成大小不一的三角形內嵌棋盤格子。設計師可以通過調整三角形的大小和數量改變衣服的質地和重量。調整滿意后，電腦程序就把這些格子拼接成一件衣服，將其壓到最薄，一般來說，成品的重量會比剛開始減少85%。打印過程通常需要持續兩天，衣服出來后，技術人員會將上面多余的塵屑掃去，一條漂亮的鏤空連衣裙就大功告成了。