3d打印將精準的數字技術、工廠的可重復性和工匠的設計自由結合在一起，解放了人類創造東西的能力。本期《科普之窗》為你講述關于“3d打印技術”方面知識。

   1何謂3d打印

   3d打印機誕生于20世紀80年代中期，是由美國科學家最早發明的。傳統的噴墨打印機和3d打印機最大的區別是維度問題，噴墨打印機是二維打印的，而3d打印機是指利用3d打印技術生產出真實三維物體的一種設備。有趣的是，在人類歷史的大部分時間里，我們是通過切割原料或通過模具成型來制造新的實體物品，而3d打印機則是依據計算機指令，通過層層堆積原材料制造產品，是“增材制造”。3d打印獨特的制造技術讓我們能夠生產前所未有的各種形狀的物品。

   23d打印的過程原理

   3d打印存在著許多不同的技術。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構建創建部件。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。如今的3d打印技術，不僅可以在制造過程中控制所用材料，還可以將精度保證在分子和原子的級別上。通過3d打印機制造的產品將集新材料、納米尺度以及印刷電子器件等特點于一身，從而展示出令人神往的新特性。

   3d打印過程如下：3d打印機在設計文件指令的引導下，先噴出固體粉末或熔融的液態材料，使其固化為一個特殊的平面薄層。第一層固化后，3d打印機打印頭返回，在第一層外部形成另一薄層。第二層固化后，打印頭再次返回，并在第二層外部形成另一薄層。如此往復，最終薄層累積成為三維物體。與傳統制造機器那樣通過切割或模具塑造制造物品的方法不同，3d打印機通過層層堆積形成實體物品的方法從物理的角度擴大了數字概念的范圍。對于要求具有精確的內部凹陷或互鎖部分的形狀設計，3d打印機是首選的加工設備，它可以將這樣的設計在實體世界中實現。

    33d打印技術的應用及其意義

    目前，3d打印主要應用于兩大領域：一是工程類制造；二是民用發展。在工程類制造方面，一方面是應用于國防軍工、航空航天等高端制造的重要零部件生產，這些部件生產要求高，傳統工藝往往無法達到或者即使達到但成本過高；另一方面是用于工程制造的小批量或者單件產品生產。

    3d打印技術的發展前景如此之廣闊，發展勢頭如此之強勁，那么其對現有的生產關系及模式有何影響呢？據社會科學家研究推測，3d打印機的推廣應用具有重要的革命性意義，主要體現在以下三個方面：第一，制造工藝的深刻變革。3d打印的特點在于通過逐層堆積材料進行加工，而不是通過去除多余材料進行加工。因此，這項工藝也被稱作“堆積制造”或“添加制造”。這改變了通過對原材料進行切削、組裝進行生產的加工模式，節省了材料和加工時間，帶來了制造工藝的深刻變革。第二，制造技術的重大飛躍。3d打印技術是一種新興的高科技技術，綜合應用了cad/cam技術、激光技術、光化學以及材料科學等諸多方面的技術和知識，3d打印技術的不斷成熟將推動包括新材料技術、智能制造技術和堆積制造技術實現大的飛躍。第三，制造模式的一次“革命”。3d打印作為一種新的加工工藝，將改變第二次工業革命產生的以裝配生產線為代表的大規模生產方式，使產品生產向個性化、定制化轉變，實現生產方式的根本變革。3d打印機的推廣應用將減少產品推向市場的時間，產品用戶只要簡單下載設計圖在數小時內通過3d打印機將產品“打印”出來，從而不需要大規模生產線，不需要庫存大量的零部件，不需要大量的工人。

    來自各個行業、具有不同背景和專業技術水平的人用類似的方式描述，3d打印幫助他們減少主要成本、時間和復雜性障礙。

    優勢1：制造復雜物品不增加成本。就傳統制造而言，物體形狀越復雜，制造成本越高。對3d打印機而言，制造形狀復雜的物品成本不增加，制造一個華麗的形狀復雜的物品并不比打印一個簡單的方塊消耗更多的時間、技能或成本。制造復雜物品而不增加成本將打破傳統的定價模式，改變我們計算制造成本的方式。

    優勢2：產品多樣化不增加成本。一臺3d打印機可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。傳統的制造設備功能較少，做出的形狀種類有限。3d打印省去了培訓機械師或購置新設備的成本，一臺3d打印機只需要不同的數字設計藍圖和一批新的原材料。

    優勢3：無須組裝。3d打印能使部件一體化成型。傳統的大規模生產建立在組裝線基礎上，在現代工廠，機器生產出相同的零部件，然后由機器人或工人（甚至跨洲）組裝。產品組成部件越多，組裝耗費的時間和成本就越多。3d打印機通過分層制造可以同時打印一扇門及上面的配套鉸鏈，不需要組裝。省略組裝就縮短了供應鏈，節省在勞動力和運輸方面的花費。供應鏈越短，污染也越少。

    優勢4：零時間交付。3d打印機可以按需打印。即時生產減少了企業的實物庫存，企業可以根據客戶訂單使用3d打印機制造出特別的或定制的產品滿足客戶需求，所以新的商業模式將成為可能。如果人們所需的物品按需就近生產，零時間交付式生產能最大限度地減少長途運輸的成本。

    優勢5：設計空間無限。傳統制造技術和工匠制造的產品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如，傳統的木制車床只能制造圓形物品，軋機只能加工用銑刀組裝的部件，制模機僅能制造模鑄形狀。3d打印機可以突破這些局限，開辟巨大的設計空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。

    優勢6：零技能制造。傳統工匠需要當幾年學徒才能掌握所需要的技能。批量生產和計算機控制的制造機器降低了對技能的要求，然而傳統的制造機器仍然需要熟練的專業人員進行機器調整和校準。3d打印機從設計文件里獲得各種指示，做同樣復雜的物品，3d打印機所需要的操作技能比注塑機少。非技能制造開辟了新的商業模式，并能在遠程環境或極端情況下為人們提供新的生產方式。

    優勢7：不占空間、便攜制造。就單位生產空間而言，與傳統制造機器相比，3d打印機的制造能力更強。例如，注塑機只能制造比自身小很多的物品，與此相反，3d打印機可以制造和其打印臺一樣大的物品。3d打印機調試好后，打印設備可以自由移動，打印機可以制造比自身還要大的物品。較高的單位空間生產能力使得3d打印機適合家用或辦公使用，因為它們所需的物理空間小。

    優勢8：減少廢棄副產品。與傳統的金屬制造技術相比，3d打印機制造金屬時產生較少的副產品。傳統金屬加工的浪費量驚人，90％的金屬原材料被丟棄在工廠車間里。3d打印制造金屬時浪費量減少。隨著打印材料的進步，“凈成形”制造可能成為更環保的加工方式。

    優勢9：材料無限組合。對當今的制造機器而言，將不同原材料結合成單一產品是件難事，因為傳統的制造機器在切割或模具成型過程中不能輕易地將多種原材料融合在一起。隨著多材料3d打印技術的發展，我們有能力將不同原材料融合在一起。以前無法混合的原料混合后將形成新的材料，這些材料色調種類繁多，具有獨特的屬性或功能。

    優勢10：精確的實體復制。數字音樂文件可以被無休止地復制，音頻質量并不會下降。未來，3d打印將數字精度擴展到實體世界。掃描技術和3d打印技術將共同提高實體世界和數字世界之間形態轉換的分辨率，我們可以掃描、編輯和復制實體對象，創建精確的副本或優化原件。

    53d打印的主要瓶頸

   3d打印存在的主要瓶頸有以下幾個方面：

   1、制造商“不感冒”。生產率低，成本高。盡管3d打印機成本已經降了下來，但單個商品的制造成本高昂的問題依然得不到解決。使用3d打印機制造商品，一個跟一萬個成本沒區別。單獨制造一件商品的成本，遠高于大型生產企業制造一萬件商品后均攤到每一件商品的成本。3d打印前期需要大量投資，但是利潤很差，也無法規模化，很難吸引資本力量大規模加入推動。在可以預見的將來，3d打印技術也不可能完全地取代傳統的機械加工。

   2、消費者不買賬。個性化定制還是“傳說”。3d打印制造需要建模，設計離生產太遠，漫長的生產周期會撇掉一大群消費者。即便快速響應，相比同類產品高昂的成本和粗糙的精度又得撇掉一群消費者。重要的是，沖動的消費者有時不知道自己需要什么。盡管3d打印有利于個性化與定制化，但大規模需求若姍姍來遲，制造商就會容易出現資金斷裂的情況。

   3、耗材決定未來。3d打印不是一項高深艱難的技術。它與普通打印的區別就在于打印材料，耗材的擴展，決定了3d打印機的能力邊界。目前3d打印的耗材非常有限，現有市場上的耗材多為石膏、塑料、可粘結的粉末顆粒、光敏樹脂、沙土等，制造精度、復雜性、強度和質感都達不到高要求，雖然在某些輕工業民用產品領域有些應用，但是離“打印”汽車、腎、臟還差得很遠。以色列的object是掌握最多打印材料的公司。它已經可以使用14種基本材料并在此基礎上混搭出107種材料，兩種材料的混搭使用、上色也已經是現實。但是，這些材料種類與人們生活的大千世界里的材料相比，還相差甚遠。不僅如此，這些材料的價格便宜的幾百元一公斤，最貴的要四萬元左右。而且即便耗材研發成功，規模化生產、材料配比等都是問題。

   4、決策者要“撓頭”。專利制度成管理新難題。盡管3d打印所開創的未來充滿無限想象，但要實現3d打印的廣泛商業應用，一些既有的商業規則必須被及時調整和改變。3d打印將挑戰現有的專利制度。如果在家里打印一部智能手機，需要的數據范圍涉及從芯片到電池的諸多公司。現有的專利制度將使得在打印東西時跟每家公司進行昂貴的專利談判。其次是管理挑戰。要是打印的頭盔不合適，誰為此負責?是設計者?還是負責打印的?還是原材料供應商?要是人們買了3d打印機，在家打印槍支和毒品怎么辦?這些問題都需要決策者們迅速想出辦法，解決消費者和商家的合法權益。

   5、投資者還在等待。“錢”途有憂。中國發明家協會曾在2012年組織過一批企業到北京計算中心參觀3d打印機實戰效果，然而讓所有人大跌眼鏡的是，到場企業僅有一家對其感興趣，目的竟然是想做山寨牌眼鏡。相比3d打印長達20年的工業化應用，用3d打印機創業乃至讓消費者實現家用，3d打印目前還處于嬰兒期。不成熟成為該領域的代名詞，投資者對工業與創業之間的態度也形成強烈反差。一頭是產業資本大舉入駐，另一頭是側眼旁觀、靜觀其變。

   6、社會風險成本。如同核反應既能發電，又能破壞一樣。3d打印技術在初期就讓人們看到了一系列隱憂，而未來的發展也會令不少人擔心。如果什么都能徹底復制，想到什么就能制造出什么，聽上去很美的同時，也著實讓人恐懼。

   6著名的3d打印悖論

   3d打印是一層層來制作物品，如果想把物品制作得更精細，則需要每層厚度減小；如果想提高打印速度，則需要增加層厚，而這勢必影響產品的精度質量。若生產同樣精度的產品，同傳統的大規模工業生產相比，沒有成本上的優勢，尤其是考慮到時間成本，規模成本之后。

   意料之外的工序：3d打印前所需的準備工序以及打印后的處理工序。很多人可能以為3d打印就是電腦上設計一個模型，不管多復雜的內面和結構，只要摁一下按鈕，3d打印機就能打印一個成品。這個印象其實不正確！真正設計一個模型，特別是一個復雜的模型，需要大量的工程、結構方面的知識，需要精細的技巧，并根據具體情況進行調整。以塑料熔融打印來舉例，如果在一個復雜部件內部沒有設計合理的支撐，打印的結果很可能是會變形的。后期的工序也通常避免不了，媒體通常將3d打印描述成打印完畢就能直接使用的神器，可事實上制作完成后還需要一些后續工藝，諸如打磨、燒結、組裝、切割等等，這些后續過程通常需要大量的手工工作。

   73d打印技術的發展展望

   3d打印技術和未來市場前景的基本判斷：首先從長遠看，這項技術應用范圍之廣將超乎想象,最終將給人們的生產和生活方式帶來顛覆式的改變,甚至會引發第三次工業革命。其次，由于受制于材料、成本、打印速度、制造精度等多方面因素，這項技術并不能完全取代傳統的減材制造法并實現大規模工業化生產，未來相當長的一段時間內兩種生產方式將并存、互補。第三，材料、人才、商業化應用是3d打印技術發展和普及的關鍵。

   3d打印技術的到來將意味著我們人人都能成為制造家，世界各地各處都能成為制造工廠，全民制造的時代正在向我們招手，它同時也意味著各種行業將面臨巨大變革，傳統制造業和服務業之間的界限將變得越來越模糊。隨著3d關鍵技術的突破，不久的將來，唯一能限制我們的，就是我們的想象力，3d打印技術必將開創一個全民制造的嶄新時代。