引領未來商業的3D打印技術

文 /徐國行

引領未來商業的3D打印技術

文 /徐國行

維示泰克全球最高速桌面式3D打印機發布

提起“3D”這個詞，大家首先想到的可能是3D電影，是視覺效果超級炫酷，不斷沖擊人眼球，不斷刷新人感官體驗的好萊塢大片。然而現在一個新興的技術正在引導著一場制造業的革命，至少在國內是這樣的，那就是3D打印技術。

何為3D打印技術？所謂的3D打印技術其實是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印通常是采用數字技術材料打印機來實現的。常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的直接制造。現如今，已經有使用這種技術打印而成的零部件和完整的物品了。該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、航空航天、牙科和醫療產業、教育、地理信息系統、土木工程、槍支以及其他領域都有著一定的應用。

其實3D打印技術在歐美國家已處于成熟階段，而在中國只是在近些年來才得以引進。早在20世紀80年代末人們就已經提出了3D打印的概念，只是在最近幾年3D打印技術才被運用到醫學、制造業等領域，并取得了一定成就。3D打印在各行業的應用大大推動了經濟的發展，增強了國家的綜合國力。

技術的興起

3D打印技術出現在20世紀90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術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圖變成實物。

中國古代有句話，叫事出必有因，有因必有果。事物的興起和發展都存在聯系，甚至是有因果關系的。3D打印技術也是一樣，這項技術興起的原因主要是傳統模式的制造業進行的是一種高成本、低產量、周期長的生產模式，導致產品的零售價格比較高，而工資的增長比率比物價上漲的幅度低，而且批量生產模式難以滿足日益個性化的用戶需求，因此需求導向的社會化生產技術——3D打印技術才更具優勢。

從新經濟角度來看，3D 打印的“制造 + 服務”模式會改變人類現有的生活方式。在新經濟的發展過程中，科技和勞動力水平持續提升，而面向人們基本生存需要的農業和制造業的占比卻日益降低，這時以滿足人類更高層次需求為目的的服務業就顯得愈發重要。隨著生產力水平的提升，人們開始在集約生產帶來的同質化消費之上追求更高層次的個性化、定制化服務。新媒體、社交網絡滿足了人類在精神層面的個性化需求，而 3D 打印正是實現物質個性化的最佳解決方案。

發展歷程

一、技術原理

日常生活中使用的普通打印機可以打印電腦設計的平面物品，而所謂的3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料。像之前說的一樣，打印機與電腦連接后，人們通過控制電腦，可以將實物按照計算機上的藍圖，一點一點的打印出來。

通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設備，比如打印一個機器人、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”是因為3D打印機參照了普通打印機的技術原理，其分層加工的過程與噴墨打印十分相似。對3D打印而言，材料是非常重要的一個環節。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。

國內首批3D打印房屋現身上海青浦

二、打印過程

1、三維設計

三維打印的設計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。

設計軟件和打印機之間協作的標準文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面來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是一種通過掃描產生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經常被用作全彩打印的輸入文件。

2、切片處理

打印機通過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，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體，這種技術的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機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）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機如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相近的分辨率，打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。 用傳統方法制造出一個模型通常需要數小時到數天，根據模型的尺寸以及復雜程度而定。而用三維打印的技術則可以將時間縮短為數個小時，當然其是由打印機的性能以及模型的尺寸和復雜程度而定的。

用3D打印機打印的一輛汽車

傳統的制造技術如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產品，而三維打印技術則可以以更快、更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。一個桌面尺寸的三維打印機，就可以滿足設計者或概念開發小組制造模型的需要。

3、完成打印

三維打印機的分辨率對大多數應用來說已經足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當前的三維打印機打出稍大一點的物體，再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技術可以同時使用多種材料進行打印。有些技術在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時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，其顛覆性不僅體現在對傳統制造業的提升中，并且在一些新興領域中將形成一批全新的原創產業。如目前一些機構正在研發的皮膚打印技術，由于皮膚相比于人體其它器官，其結構更為簡單，可再生性更強，因此，預計將更早走向廣泛應用。如果該技術能夠普及，那么傳統的抗衰老、植皮技術和美容技術將被完全顛覆，其它還包括 3D打印服務和設計平臺，如個人消費品的個性化定制，包括房屋、汽車、飛機等領域也將完全重構，形成一批新的原創產業。人類只需要擁有一臺3D打印機，加上完整的產品設計輪廓就可以打印出自己想要的東西，既方便又快捷，為人們節約很多成本。

三、技術的優點

第二：3D打印，即增量制造，也稱作快速成型技術，是基于材料累加原理的快速成型操作過程，將計算機中的三維模型通過向物品分層添加材料來創造出實物的一種疊層制造技術，具有不受零件復雜程度限制、完全數字化控制等特點；而傳統的制造業是減量制造，先做一個大的框架，然后根據需要減去不需要的部分，所以3D打印可以節約90%左右的材料。

第三：這種技術是帶有一種變革性的，短流程、低成本、數字化、高性能的制備構建制造一體化的技術。對構建的制造是重要的，尤其是這種技術一部分高性能難加工構建技術的革命，潛力巨大。

四、技術前景

1、3D打印技術在醫學上的發展趨勢

世界已經經歷過兩次工業革命，在經歷工業革命階段，各個國家都取得了前所未有的進步，而經濟學家預測3D打印技術將掀起第三次工業革命，等到3D打印技術得到廣泛應用后，以制造業為主要出口產業的國家將失去競爭優勢。而以數字化、個性化為突出特色的行業將異軍突起。

3D打印技術已經發展到一定水平，但因為當前面臨的一系列材料及技術層面問題致使該技術有一定的局限性，因為在未來的幾年甚至幾十年里3D打印技術將會更加先進。據預測，在醫學方面，3D生物打印速度提高到一定水平，所支持的材質更加精細全面，且打印出的組織器官免遭人體自身排斥時，每個人專屬的組織器官都能隨時打印出，這就相當于為每個人建立了自己的組織器官儲備系統。

3D打印人像和照片哪種留做紀念好

2、3D打印技術在制造業上的發展趨勢

個體戶只要擁有一臺清晰的3D彩色打印機，再加上三維立體圖紙，只需敲擊鍵盤就可以快速打印出自己想要的產品。用戶可以隨心打印出自己喜歡的房子、飛機、珠寶、槍支等等物品，一般只需等待幾小時到幾十個小時。但是在人們能夠隨心打印出槍支以后又會出現一系列問題，比如：人人持有槍支，則每個人都有可能持槍犯罪。在中國這樣一個法制社會，若每個人都持有槍，那整個社會都將會處于一片混亂之中，人們將每天都提心吊膽的生存。

e.g.①If you are willing to talk turkey, the dispute between us can be easily settled.

3D打印技術的出現使設計制造業的成功不再取決于生產規模，而取決于創新，然而，單靠創新也不夠；一旦物品能用數字文件來描述，它們就會變得很容易復制和傳播。創新者能夠在市場上快速地推出新產品，而模仿者的推陳出新則會更加輕而易舉。因此，創新者的競爭優勢可能變得比以前更短；當然，盜版也會變得更加猖獗，就像音樂工業出現的情況一樣。當一個新玩具的草圖或一雙鞋的設計方案在網絡上流傳之時，其知識產權的擁有者將會失去更多，因此，人們在知識產權領域進行的斗爭會更加激烈。

技術應用

一、3D打印技術在制造業上的應用

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

二、3D打印技術在醫學上的應用

3D打印成品花瓶、玩具

3D打印技術的應用領域也在隨著技術的進步而不斷擴展，包括生活用品機械設備生物醫用材料，甚至是活體器官在生物醫學領域。目前3D打印技術在國際上已開始被應用于器官模型的制造與手術分析策劃個性化組織工程支架材料和假體植入物的制造以及細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，以恢復相應的功能以及外觀，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，無法獲得十分滿意的效果。

據報道，美國一位兒科醫生成功打印制作出人體心臟實物模型。這項技術同樣可應用于牙種植、骨骼移植等人造骨骼實物、血管等器官。跟傳統的器官移植手術相比，3D打印出的器官的排斥反應幾乎沒有，也不會給患者帶來不良影響。

因此，在近年來，3D打印技術被越來越多的應用于生物醫用材料的制備。另外，生物相容與生物可降解高分子在生物醫學應用，尤其是組織工程應用中具有獨特的優勢，因此，3D打印技術應用于制備生物醫用高分子材料的研究在近年來取得了顯著的進展。

三、3D打印技術在軍事上的應用

2014年6月24日至6月26日，美海軍在作戰指揮系統活動中舉辦了第一屆制匯節，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3D打印及增材制造技術。

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。

3D打印機體驗環境

四、3D打印技術在航天科技的應用

2014年9月底，NASA預計將完成首臺成像望遠鏡，所有元件基本全部通過3D打印技術制造，NASA也因此成為首家嘗試使用3D打印技術制造整臺儀器的單位。

這款太空望遠鏡的功能齊全，它的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，該儀器將于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打印技術制造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。

3D打印技術的應用領域還有很多，毫無疑問，這項技術正在不斷改變著人們的生活。