《3D打印：正在到来的工业革命》

用3D打印未来

——《3D打印：正在到来的工业革命》介绍

3D打印，是增材制造的俗称，其核心是数字化、智能化制造与材料科学的结合。与传统上对原材料进行切削的减材制造方法正相反， 3D打印技术通过可以“打印”出真实物体的3D打印机，采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来生成3D实体。3D打印是立体打印。之所以使用“打印”一词，其原理与传统打印机是相似的，都是通过电脑操作来完成。3D打印机里面则是一个庞大的材料系统。这个系统里面是根据产品需要而配备各种高技术的新材料。3D打印机是一个庞大的系统工程，涉及到软件开发与应用、新材料，还涉及到打印装备、自动化控制系统。3D打印技术最突出的优点是无需模具就能够成型，也不需要机械加工，就能直接从设计好的计算机图形数据中生成任何形状的物体。而传统的制造业最核心的一个环节就是要造模，很多高端产品能够设计出来，最大的困难是生产不出来成品，原因就出在造模环节，且耗时很长。而3D打印机则跨越了造模这个环节。只要你能够设计出来，你就能够通过3D打印技术打印出任何你想要的产品。

1.3D打印技术带给我们哪些机遇

以3D打印为代表的数字化制造技术，被《经济学人》杂志认为是引发第三次工业革命的关键因素，“其将改写制造业的生产方式，进而改变产业链的运作模式”。

数字化制造技术将大大减少直接从事生产的操作工人，劳动力所占生产成本比例随之下降。此外，数字化制造的个性化、快捷性和低成本能够更快地适应本地市场需求的变化，包括满足小批量产品的生产需求。自从工厂出现以来，产品与消费者之间的距离从未如此接近过。3D打印给消费者带来了在大规模生产和个性化制造之间进行选择的自由。如果你想要一个与自己相貌一样的玩偶，用3D打印机制作，成本可能只要100元；如果委托工厂，也许要花1万元。业内人士将2012年的3D打印机视为像1977年个人计算机和1990年网页浏览器一样，是一个崭新的市场从萌芽期进入成长期的转折点。虽然3D打印技术目前尚未颠覆传统制造业——传统制造业的规模效应依然占据优势，但前者正慢慢抢走市场份额。

2.3D打印技术

1982年，一家紫外线设备生产企业尝试把光学技术应用于快速成型领域。将一种液态光敏树脂倒入大容器中，在容器里放臵一个升降平台，容器上方的紫外激光器根据计算机指令照射液面，所到之处，材料会发生光聚合反应，迅速从液态转变为固态，当一层打印完成后，未被照射的地方仍保持液态，此时在液面以下0.05毫米-0.15毫米的升降平台会下降一层，激光器开始打印第二层。

这个过程不断重复，直到整个物件制造完毕。这项立体光刻(SLA)技术就是最早的3D打印。3D打印不需要模具，可以直接进行样品原型制造，因而大大缩短了从图纸到实物的时间。任何形状复杂的零件，都可以被分解为一系列二维制造的叠加。这种快速制造的理念还衍生出多种不同的技术类型，除了SLA，常见的有熔融沉积造型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)等，其基本工作原理都是逐层增加材料，最终形成物件，因此，这些技术都被通俗地称作3D打印。许多种“耗材”都可使用3D打印：沙子、人造橡胶、塑料、金属，甚至生物材料；3D打印的应用范围已经渗入生物医疗、航空、汽车、工业设计等多个行业，且仍在不断拓宽。3D打印技术通过对金属材料的烧结或熔化，直接生成出金属零部件的发展趋势，让传统制造业感受到巨大压力。

“如果在金属材料上得到广泛应用，3D打印就可能引领新一轮工业革命。” 3D打印技术主要基于三种基本方法：第一种，3D打印机通过挤压打印喷头来形成铸件或半液体材料。最常见的方法是挤压不断流出的热塑性材料，这种热塑性材料在离开打印喷头的时候迅速凝固成型。其它基于挤压的3D打印方法有输出熔化的金属或挤压巧克力、奶酪、蛋糕糖霜（糖粉）等来形成3D作品。

甚至有一些试验性的3D打印机通过计算机控制输出流动的液态混凝土，将来也许整座建筑物都可以是3D打印的。第二种，3D打印机通过使一种不常见的被称作“感光性树脂”的液体变成固体从而形成物体层，这种液体暴露于激光或其它光源中时会变硬。一些有光聚功能的3D打印机在液体的感光树脂罐中使其形成物体层。有些3D打印机喷射出一个单独的液体层，然后在下一层被打印出来之前利用紫外线光使之形成固态。一些基于后者打印技术的3D打印机可以混合许多不同的感光树脂，并将它们同时变成固态，所以这些打印机可以打印一件由不同材质组成的多材料模型。

例如，Stratasys公司制造的一款名为Connex的最新打印机可以同时打印出由14种不同材料做成的模型。这些材料的范围从不同透明度和颜色的硬塑料到质地较软的橡胶类化合物。第三种，3D打印硬件通过逐层粘合一种不常见的精细粉末来制作模型。这种“颗粒状材料的粘合”既可以通过喷射液体胶水或粘合每一粉末层达到，又可以通过激光或其它热源来熔化粉末颗粒来形成。可用于3D打印的颗粒状材料的范围十分广泛，包括尼龙、陶瓷、蜡、青铜、不锈钢、钴铬合金和钛合金。

三、3D打印对传统制造业是否真有如此强的杀伤力？

3D打印市场徘徊多年的主要原因在于：在工业级应用上，这项技术仍欠缺强度和精度，而且，工业级设备和原材料比较昂贵，因此，在产业化初期，这项技术更为适合新产品的开发和小批量零件的生产。摸索到这一方向的国外企业，开始将定位从高端、工业级客户群体，扩宽到那些追赶潮流的消费者。正是对精度要求不高，但追求快捷、低成本的客户群，促进了其商业化的蓬勃发展。

目前，3D打印的产值在全球制造业中所占份额仍然微不足道。2011年，全球3D打印市场规模为17.1亿美元，仅占世界制造业总产出的0.02%。但是，技术革命不会因为新技术的出现而立刻发生。其个性化制作的属性与“长尾效应”不谋而合，通过满足那些细分的、较小的市场，最终会累计出明显的利润。

颠覆式创新理论也表明，新进入者如果抓住市场的特殊需求，进入边缘应用领域，当它的技术不断改进直至被主流市场所接受时，便会替代传统技术轨迹晋升为主流技术。从长远看，这项技术最终将给工业生产和经济组织模式带来颠覆式的改变。事实上，就3D打印的理论研究而言，中国与国际水平相差不远，但将整个产业所涉及的材料、机械、数控、软件等诸领域集成起来做出一个商品时，差距的鸿沟就直面而来。3D打印技术未来的发展空间，很大程度上取决于是否有完整的产业链支撑，包括设备制造、材料、模型软件，以及服务商。

材料是产业链中关键的一个环节。澳大利亚等国家正加紧研究金属零件的制造，一旦在金属材料上得到广泛应用，3D打印就将引领新一轮工业革命。而国内甚至连特殊的研究材料都难以获得，由于研究所需的材料用量很少，研发本身存在不确定性，国内厂家根本不愿为这样的小众需求试制特殊的材料。

如果购买国外厂家生产的原材料，也会遭遇“阻击”。比如，生产3D打印原材料的德国德固赛公司，与美国、德国的客户签署了联合开发协议，协议要求其大部分原材料卖给合作方，只有20%的份额公开销售，且这部分材料在性能上相对较差。因此，中国国内很难买到新型且上佳的原材料。中国在材料供应和模型软件供应环节，目前还没有专业公司进入，所以即便“三校一企”精于3D技术本身的研发，产业链上下游亦难以跟进。同样，3D打印设备集成了多个精密组件，其产业化发展需要较强的工业基础支撑。

中国在机电和数控等传统领域一直缺少核心技术，以致国产3D打印设备的一些核心组件，如精密激光器、光学系统、精密导轨和电机等均需从国外采购。工信部已组织研究制定3D打印技术路线图、中长期发展战略，推动完善3D打印技术规范