3d打印將精準(zhǔn)的數(shù)字技術(shù)、工廠的可重復(fù)性和工匠的設(shè)計自由結(jié)合在一起，解放了人類創(chuàng)造東西的能力。本期《科普之窗》為你講述關(guān)于“3d打印技術(shù)”方面知識。

   1何謂3d打印

   3d打印機(jī)誕生于20世紀(jì)80年代中期，是由美國科學(xué)家最早發(fā)明的。傳統(tǒng)的噴墨打印機(jī)和3d打印機(jī)最大的區(qū)別是維度問題，噴墨打印機(jī)是二維打印的，而3d打印機(jī)是指利用3d打印技術(shù)生產(chǎn)出真實(shí)三維物體的一種設(shè)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(shí)體物品，而3d打印機(jī)則是依據(jù)計算機(jī)指令，通過層層堆積原材料制造產(chǎn)品，是“增材制造”。3d打印獨(dú)特的制造技術(shù)讓我們能夠生產(chǎn)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(shù)。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構(gòu)建創(chuàng)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(shù)，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(jī)制造的產(chǎn)品將集新材料、納米尺度以及印刷電子器件等特點(diǎn)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(jī)在設(shè)計文件指令的引導(dǎo)下，先噴出固體粉末或熔融的液態(tài)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(jī)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(fù)，最終薄層累積成為三維物體。與傳統(tǒng)制造機(jī)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(jī)通過層層堆積形成實(shí)體物品的方法從物理的角度擴(kuò)大了數(shù)字概念的范圍。對于要求具有精確的內(nèi)部凹陷或互鎖部分的形狀設(shè)計，3d打印機(jī)是首選的加工設(shè)備，它可以將這樣的設(shè)計在實(shí)體世界中實(shí)現(xiàn)。

    33d打印技術(shù)的應(yīng)用及其意義

    目前，3d打印主要應(yīng)用于兩大領(lǐng)域：一是工程類制造；二是民用發(fā)展。在工程類制造方面，一方面是應(yīng)用于國防軍工、航空航天等高端制造的重要零部件生產(chǎn)，這些部件生產(chǎn)要求高，傳統(tǒng)工藝往往無法達(dá)到或者即使達(dá)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(chǎn)品生產(chǎn)。

    3d打印技術(shù)的發(fā)展前景如此之廣闊，發(fā)展勢頭如此之強(qiáng)勁，那么其對現(xiàn)有的生產(chǎn)關(guān)系及模式有何影響呢？據(jù)社會科學(xué)家研究推測，3d打印機(jī)的推廣應(yīng)用具有重要的革命性意義，主要體現(xiàn)在以下三個方面：第一，制造工藝的深刻變革。3d打印的特點(diǎn)在于通過逐層堆積材料進(jìn)行加工，而不是通過去除多余材料進(jìn)行加工。因此，這項(xiàng)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(jìn)行切削、組裝進(jìn)行生產(chǎn)的加工模式，節(jié)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(shù)的重大飛躍。3d打印技術(shù)是一種新興的高科技技術(shù)，綜合應(yīng)用了cad/cam技術(shù)、激光技術(shù)、光化學(xué)以及材料科學(xué)等諸多方面的技術(shù)和知識，3d打印技術(shù)的不斷成熟將推動包括新材料技術(shù)、智能制造技術(shù)和堆積制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(yè)革命產(chǎn)生的以裝配生產(chǎn)線為代表的大規(guī)模生產(chǎn)方式，使產(chǎn)品生產(chǎn)向個性化、定制化轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的根本變革。3d打印機(jī)的推廣應(yīng)用將減少產(chǎn)品推向市場的時間，產(chǎn)品用戶只要簡單下載設(shè)計圖在數(shù)小時內(nèi)通過3d打印機(jī)將產(chǎn)品“打印”出來，從而不需要大規(guī)模生產(chǎn)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(yè)、具有不同背景和專業(yè)技術(shù)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(fù)雜性障礙。

    優(yōu)勢1：制造復(fù)雜物品不增加成本。就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復(fù)雜，制造成本越高。對3d打印機(jī)而言，制造形狀復(fù)雜的物品成本不增加，制造一個華麗的形狀復(fù)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(fù)雜物品而不增加成本將打破傳統(tǒng)的定價模式，改變我們計算制造成本的方式。

    優(yōu)勢2：產(chǎn)品多樣化不增加成本。一臺3d打印機(jī)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(tǒng)的制造設(shè)備功能較少，做出的形狀種類有限。3d打印省去了培訓(xùn)機(jī)械師或購置新設(shè)備的成本，一臺3d打印機(jī)只需要不同的數(shù)字設(shè)計藍(lán)圖和一批新的原材料。

    優(yōu)勢3：無須組裝。3d打印能使部件一體化成型。傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)建立在組裝線基礎(chǔ)上，在現(xiàn)代工廠，機(jī)器生產(chǎn)出相同的零部件，然后由機(jī)器人或工人（甚至跨洲）組裝。產(chǎn)品組成部件越多，組裝耗費(fèi)的時間和成本就越多。3d打印機(jī)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(yīng)鏈，節(jié)省在勞動力和運(yùn)輸方面的花費(fèi)。供應(yīng)鏈越短，污染也越少。

    優(yōu)勢4：零時間交付。3d打印機(jī)可以按需打印。即時生產(chǎn)減少了企業(yè)的實(shí)物庫存，企業(yè)可以根據(jù)客戶訂單使用3d打印機(jī)制造出特別的或定制的產(chǎn)品滿足客戶需求，所以新的商業(yè)模式將成為可能。如果人們所需的物品按需就近生產(chǎn)，零時間交付式生產(chǎn)能最大限度地減少長途運(yùn)輸?shù)某杀尽?/p>

    優(yōu)勢5：設(shè)計空間無限。傳統(tǒng)制造技術(shù)和工匠制造的產(chǎn)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(tǒng)的木制車床只能制造圓形物品，軋機(jī)只能加工用銑刀組裝的部件，制模機(jī)僅能制造模鑄形狀。3d打印機(jī)可以突破這些局限，開辟巨大的設(shè)計空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。

    優(yōu)勢6：零技能制造。傳統(tǒng)工匠需要當(dāng)幾年學(xué)徒才能掌握所需要的技能。批量生產(chǎn)和計算機(jī)控制的制造機(jī)器降低了對技能的要求，然而傳統(tǒng)的制造機(jī)器仍然需要熟練的專業(yè)人員進(jìn)行機(jī)器調(diào)整和校準(zhǔn)。3d打印機(jī)從設(shè)計文件里獲得各種指示，做同樣復(fù)雜的物品，3d打印機(jī)所需要的操作技能比注塑機(jī)少。非技能制造開辟了新的商業(yè)模式，并能在遠(yuǎn)程環(huán)境或極端情況下為人們提供新的生產(chǎn)方式。

    優(yōu)勢7：不占空間、便攜制造。就單位生產(chǎn)空間而言，與傳統(tǒng)制造機(jī)器相比，3d打印機(jī)的制造能力更強(qiáng)。例如，注塑機(jī)只能制造比自身小很多的物品，與此相反，3d打印機(jī)可以制造和其打印臺一樣大的物品。3d打印機(jī)調(diào)試好后，打印設(shè)備可以自由移動，打印機(jī)可以制造比自身還要大的物品。較高的單位空間生產(chǎn)能力使得3d打印機(jī)適合家用或辦公使用，因?yàn)樗鼈兯璧奈锢砜臻g小。

    優(yōu)勢8：減少廢棄副產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比，3d打印機(jī)制造金屬時產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。傳統(tǒng)金屬加工的浪費(fèi)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(fèi)量減少。隨著打印材料的進(jìn)步，“凈成形”制造可能成為更環(huán)保的加工方式。

    優(yōu)勢9：材料無限組合。對當(dāng)今的制造機(jī)器而言，將不同原材料結(jié)合成單一產(chǎn)品是件難事，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的制造機(jī)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(shù)的發(fā)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(diào)種類繁多，具有獨(dú)特的屬性或功能。

    優(yōu)勢10：精確的實(shí)體復(fù)制。數(shù)字音樂文件可以被無休止地復(fù)制，音頻質(zhì)量并不會下降。未來，3d打印將數(shù)字精度擴(kuò)展到實(shí)體世界。掃描技術(shù)和3d打印技術(shù)將共同提高實(shí)體世界和數(shù)字世界之間形態(tài)轉(zhuǎn)換的分辨率，我們可以掃描、編輯和復(fù)制實(shí)體對象，創(chuàng)建精確的副本或優(yōu)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(chǎn)率低，成本高。盡管3d打印機(jī)成本已經(jīng)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(jī)制造商品，一個跟一萬個成本沒區(qū)別。單獨(dú)制造一件商品的成本，遠(yuǎn)高于大型生產(chǎn)企業(yè)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(guī)?；?，很難吸引資本力量大規(guī)模加入推動。在可以預(yù)見的將來，3d打印技術(shù)也不可能完全地取代傳統(tǒng)的機(jī)械加工。

   2、消費(fèi)者不買賬。個性化定制還是“傳說”。3d打印制造需要建模，設(shè)計離生產(chǎn)太遠(yuǎn)，漫長的生產(chǎn)周期會撇掉一大群消費(fèi)者。即便快速響應(yīng)，相比同類產(chǎn)品高昂的成本和粗糙的精度又得撇掉一群消費(fèi)者。重要的是，沖動的消費(fèi)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(guī)模需求若姍姍來遲，制造商就會容易出現(xiàn)資金斷裂的情況。

   3、耗材決定未來。3d打印不是一項(xiàng)高深艱難的技術(shù)。它與普通打印的區(qū)別就在于打印材料，耗材的擴(kuò)展，決定了3d打印機(jī)的能力邊界。目前3d打印的耗材非常有限，現(xiàn)有市場上的耗材多為石膏、塑料、可粘結(jié)的粉末顆粒、光敏樹脂、沙土等，制造精度、復(fù)雜性、強(qiáng)度和質(zhì)感都達(dá)不到高要求，雖然在某些輕工業(yè)民用產(chǎn)品領(lǐng)域有些應(yīng)用，但是離“打印”汽車、腎、臟還差得很遠(yuǎn)。以色列的object是掌握最多打印材料的公司。它已經(jīng)可以使用14種基本材料并在此基礎(chǔ)上混搭出107種材料，兩種材料的混搭使用、上色也已經(jīng)是現(xiàn)實(shí)。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(yuǎn)。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(fā)成功，規(guī)模化生產(chǎn)、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(chuàng)的未來充滿無限想象，但要實(shí)現(xiàn)3d打印的廣泛商業(yè)應(yīng)用，一些既有的商業(yè)規(guī)則必須被及時調(diào)整和改變。3d打印將挑戰(zhàn)現(xiàn)有的專利制度。如果在家里打印一部智能手機(jī)，需要的數(shù)據(jù)范圍涉及從芯片到電池的諸多公司?，F(xiàn)有的專利制度將使得在打印東西時跟每家公司進(jìn)行昂貴的專利談判。其次是管理挑戰(zhàn)。要是打印的頭盔不合適，誰為此負(fù)責(zé)?是設(shè)計者?還是負(fù)責(zé)打印的?還是原材料供應(yīng)商?要是人們買了3d打印機(jī)，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(fèi)者和商家的合法權(quán)益。

   5、投資者還在等待。“錢”途有憂。中國發(fā)明家協(xié)會曾在2012年組織過一批企業(yè)到北京計算中心參觀3d打印機(jī)實(shí)戰(zhàn)效果，然而讓所有人大跌眼鏡的是，到場企業(yè)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(dá)20年的工業(yè)化應(yīng)用，用3d打印機(jī)創(chuàng)業(yè)乃至讓消費(fèi)者實(shí)現(xiàn)家用，3d打印目前還處于嬰兒期。不成熟成為該領(lǐng)域的代名詞，投資者對工業(yè)與創(chuàng)業(yè)之間的態(tài)度也形成強(qiáng)烈反差。一頭是產(chǎn)業(yè)資本大舉入駐，另一頭是側(cè)眼旁觀、靜觀其變。

   6、社會風(fēng)險成本。如同核反應(yīng)既能發(fā)電，又能破壞一樣。3d打印技術(shù)在初期就讓人們看到了一系列隱憂，而未來的發(fā)展也會令不少人擔(dān)心。如果什么都能徹底復(fù)制，想到什么就能制造出什么，聽上去很美的同時，也著實(shí)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(xì)，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(chǎn)品的精度質(zhì)量。若生產(chǎn)同樣精度的產(chǎn)品，同傳統(tǒng)的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)相比，沒有成本上的優(yōu)勢，尤其是考慮到時間成本，規(guī)模成本之后。

   意料之外的工序：3d打印前所需的準(zhǔn)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(shè)計一個模型，不管多復(fù)雜的內(nèi)面和結(jié)構(gòu)，只要摁一下按鈕，3d打印機(jī)就能打印一個成品。這個印象其實(shí)不正確！真正設(shè)計一個模型，特別是一個復(fù)雜的模型，需要大量的工程、結(jié)構(gòu)方面的知識，需要精細(xì)的技巧，并根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。以塑料熔融打印來舉例，如果在一個復(fù)雜部件內(nèi)部沒有設(shè)計合理的支撐，打印的結(jié)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(shí)上制作完成后還需要一些后續(xù)工藝，諸如打磨、燒結(jié)、組裝、切割等等，這些后續(xù)過程通常需要大量的手工工作。

   73d打印技術(shù)的發(fā)展展望

   3d打印技術(shù)和未來市場前景的基本判斷：首先從長遠(yuǎn)看，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用范圍之廣將超乎想象,最終將給人們的生產(chǎn)和生活方式帶來顛覆式的改變,甚至?xí)l(fā)第三次工業(yè)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(xiàng)技術(shù)并不能完全取代傳統(tǒng)的減材制造法并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)兩種生產(chǎn)方式將并存、互補(bǔ)。第三，材料、人才、商業(yè)化應(yīng)用是3d打印技術(shù)發(fā)展和普及的關(guān)鍵。

   3d打印技術(shù)的到來將意味著我們?nèi)巳硕寄艹蔀橹圃旒遥澜绺鞯馗魈幎寄艹蔀橹圃旃S，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(yè)將面臨巨大變革，傳統(tǒng)制造業(yè)和服務(wù)業(yè)之間的界限將變得越來越模糊。隨著3d關(guān)鍵技術(shù)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(shù)必將開創(chuàng)一個全民制造的嶄新時代。