3D打印技术的优势和发展前景

    3d打印将精准的数字技术、工厂的可重复性和工匠的设计自由结合在一起，解放了人类创造东西的能力。本期《科普之窗》为你讲述关于“3d打印技术”方面知识。

   1何谓3d打印

   3d打印机诞生于20世纪80年代中期，是由美国科学家最早发明的。传统的喷墨打印机和3d打印机最大的区别是维度问题，喷墨打印机是二维打印的，而3d打印机是指利用3d打印技术生产出真实三维物体的一种设备。有趣的是，在人类历史的大部分时间里，我们是通过切割原料或通过模具成型来制造新的实体物品，而3d打印机则是依据计算机指令，通过层层堆积原材料制造产品，是“增材制造”。3d打印独特的制造技术让我们能够生产前所未有的各种形状的物品。

   23d打印的过程原理

   3d打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。3d打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。如今的3d打印技术，不仅可以在制造过程中控制所用材料，还可以将精度保证在分子和原子的级别上。通过3d打印机制造的产品将集新材料、纳米尺度以及印刷电子器件等特点于一身，从而展示出令人神往的新特性。

   3d打印过程如下：3d打印机在设计文件指令的引导下，先喷出固体粉末或熔融的液态材料，使其固化为一个特殊的平面薄层。第一层固化后，3d打印机打印头返回，在第一层外部形成另一薄层。第二层固化后，打印头再次返回，并在第二层外部形成另一薄层。如此往复，最终薄层累积成为三维物体。与传统制造机器那样通过切割或模具塑造制造物品的方法不同，3d打印机通过层层堆积形成实体物品的方法从物理的角度扩大了数字概念的范围。对于要求具有精确的内部凹陷或互锁部分的形状设计，3d打印机是首选的加工设备，它可以将这样的设计在实体世界中实现。

    33d打印技术的应用及其意义

    目前，3d打印主要应用于两大领域：一是工程类制造；二是民用发展。在工程类制造方面，一方面是应用于国防军工、航空航天等高端制造的重要零部件生产，这些部件生产要求高，传统工艺往往无法达到或者即使达到但成本过高；另一方面是用于工程制造的小批量或者单件产品生产。

    3d打印技术的发展前景如此之广阔，发展势头如此之强劲，那么其对现有的生产关系及模式有何影响呢？据社会科学家研究推测，3d打印机的推广应用具有重要的革命性意义，主要体现在以下三个方面：第一，制造工艺的深刻变革。3d打印的特点在于通过逐层堆积材料进行加工，而不是通过去除多余材料进行加工。因此，这项工艺也被称作“堆积制造”或“添加制造”。这改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式，节省了材料和加工时间，带来了制造工艺的深刻变革。第二，制造技术的重大飞跃。3d打印技术是一种新兴的高科技技术，综合应用了cad/cam技术、激光技术、光化学以及材料科学等诸多方面的技术和知识，3d打印技术的不断成熟将推动包括新材料技术、智能制造技术和堆积制造技术实现大的飞跃。第三，制造模式的一次“革命”。3d打印作为一种新的加工工艺，将改变第二次工业革命产生的以装配生产线为代表的大规模生产方式，使产品生产向个性化、定制化转变，实现生产方式的根本变革。3d打印机的推广应用将减少产品推向市场的时间，产品用户只要简单下载设计图在数小时内通过3d打印机将产品“打印”出来，从而不需要大规模生产线，不需要库存大量的零部件，不需要大量的工人。

    来自各个行业、具有不同背景和专业技术水平的人用类似的方式描述，3d打印帮助他们减少主要成本、时间和复杂性障碍。

    优势1：制造复杂物品不增加成本。就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3d打印机而言，制造形状复杂的物品成本不增加，制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，改变我们计算制造成本的方式。

    优势2：产品多样化不增加成本。一台3d打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。传统的制造设备功能较少，做出的形状种类有限。3d打印省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3d打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。

    优势3：无须组装。3d打印能使部件一体化成型。传统的大规模生产建立在组装线基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后由机器人或工人（甚至跨洲）组装。产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。3d打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装。省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短，污染也越少。

    优势4：零时间交付。3d打印机可以按需打印。即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3d打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求，所以新的商业模式将成为可能。如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。

    优势5：设计空间无限。传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。3d打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。

    优势6：零技能制造。传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求，然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3d打印机从设计文件里获得各种指示，做同样复杂的物品，3d打印机所需要的操作技能比注塑机少。非技能制造开辟了新的商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。

    优势7：不占空间、便携制造。就单位生产空间而言，与传统制造机器相比，3d打印机的制造能力更强。例如，注塑机只能制造比自身小很多的物品，与此相反，3d打印机可以制造和其打印台一样大的物品。3d打印机调试好后，打印设备可以自由移动，打印机可以制造比自身还要大的物品。较高的单位空间生产能力使得3d打印机适合家用或办公使用，因为它们所需的物理空间小。

    优势8：减少废弃副产品。与传统的金属制造技术相比，3d打印机制造金属时产生较少的副产品。传统金属加工的浪费量惊人，90％的金属原材料被丢弃在工厂车间里。3d打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。

    优势9：材料无限组合。对当今的制造机器而言，将不同原材料结合成单一产品是件难事，因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。随着多材料3d打印技术的发展，我们有能力将不同原材料融合在一起。以前无法混合的原料混合后将形成新的材料，这些材料色调种类繁多，具有独特的属性或功能。

    优势10：精确的实体复制。数字音乐文件可以被无休止地复制，音频质量并不会下降。未来，3d打印将数字精度扩展到实体世界。扫描技术和3d打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率，我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。

    53d打印的主要瓶颈

   3d打印存在的主要瓶颈有以下几个方面：

   1、制造商“不感冒”。生产率低，成本高。尽管3d打印机成本已经降了下来，但单个商品的制造成本高昂的问题依然得不到解决。使用3d打印机制造商品，一个跟一万个成本没区别。单独制造一件商品的成本，远高于大型生产企业制造一万件商品后均摊到每一件商品的成本。3d打印前期需要大量投资，但是利润很差，也无法规模化，很难吸引资本力量大规模加入推动。在可以预见的将来，3d打印技术也不可能完全地取代传统的机械加工。

   2、消费者不买账。个性化定制还是“传说”。3d打印制造需要建模，设计离生产太远，漫长的生产周期会撇掉一大群消费者。即便快速响应，相比同类产品高昂的成本和粗糙的精度又得撇掉一群消费者。重要的是，冲动的消费者有时不知道自己需要什么。尽管3d打印有利于个性化与定制化，但大规模需求若姗姗来迟，制造商就会容易出现资金断裂的情况。

   3、耗材决定未来。3d打印不是一项高深艰难的技术。它与普通打印的区别就在于打印材料，耗材的扩展，决定了3d打印机的能力边界。目前3d打印的耗材非常有限，现有市场上的耗材多为石膏、塑料、可粘结的粉末颗粒、光敏树脂、沙土等，制造精度、复杂性、强度和质感都达不到高要求，虽然在某些轻工业民用产品领域有些应用，但是离“打印”汽车、肾、脏还差得很远。以色列的object是掌握最多打印材料的公司。它已经可以使用14种基本材料并在此基础上混搭出107种材料，两种材料的混搭使用、上色也已经是现实。但是，这些材料种类与人们生活的大千世界里的材料相比，还相差甚远。不仅如此，这些材料的价格便宜的几百元一公斤，最贵的要四万元左右。而且即便耗材研发成功，规模化生产、材料配比等都是问题。

   4、决策者要“挠头”。专利制度成管理新难题。尽管3d打印所开创的未来充满无限想象，但要实现3d打印的广泛商业应用，一些既有的商业规则必须被及时调整和改变。3d打印将挑战现有的专利制度。如果在家里打印一部智能手机，需要的数据范围涉及从芯片到电池的诸多公司。现有的专利制度将使得在打印东西时跟每家公司进行昂贵的专利谈判。其次是管理挑战。要是打印的头盔不合适，谁为此负责?是设计者?还是负责打印的?还是原材料供应商?要是人们买了3d打印机，在家打印枪支和毒品怎么办?这些问题都需要决策者们迅速想出办法，解决消费者和商家的合法权益。

   5、投资者还在等待。“钱”途有忧。中国发明家协会曾在2012年组织过一批企业到北京计算中心参观3d打印机实战效果，然而让所有人大跌眼镜的是，到场企业仅有一家对其感兴趣，目的竟然是想做山寨牌眼镜。相比3d打印长达20年的工业化应用，用3d打印机创业乃至让消费者实现家用，3d打印目前还处于婴儿期。不成熟成为该领域的代名词，投资者对工业与创业之间的态度也形成强烈反差。一头是产业资本大举入驻，另一头是侧眼旁观、静观其变。

   6、社会风险成本。如同核反应既能发电，又能破坏一样。3d打印技术在初期就让人们看到了一系列隐忧，而未来的发展也会令不少人担心。如果什么都能彻底复制，想到什么就能制造出什么，听上去很美的同时，也着实让人恐惧。

   6著名的3d打印悖论

   3d打印是一层层来制作物品，如果想把物品制作得更精细，则需要每层厚度减小；如果想提高打印速度，则需要增加层厚，而这势必影响产品的精度质量。若生产同样精度的产品，同传统的大规模工业生产相比，没有成本上的优势，尤其是考虑到时间成本，规模成本之后。

   意料之外的工序：3d打印前所需的准备工序以及打印后的处理工序。很多人可能以为3d打印就是电脑上设计一个模型，不管多复杂的内面和结构，只要摁一下按钮，3d打印机就能打印一个成品。这个印象其实不正确！真正设计一个模型，特别是一个复杂的模型，需要大量的工程、结构方面的知识，需要精细的技巧，并根据具体情况进行调整。以塑料熔融打印来举例，如果在一个复杂部件内部没有设计合理的支撑，打印的结果很可能是会变形的。后期的工序也通常避免不了，媒体通常将3d打印描述成打印完毕就能直接使用的神器，可事实上制作完成后还需要一些后续工艺，诸如打磨、烧结、组装、切割等等，这些后续过程通常需要大量的手工工作。

   73d打印技术的发展展望

   3d打印技术和未来市场前景的基本判断：首先从长远看，这项技术应用范围之广将超乎想象,最终将给人们的生产和生活方式带来颠覆式的改变,甚至会引发第三次工业革命。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，这项技术并不能完全取代传统的减材制造法并实现大规模工业化生产，未来相当长的一段时间内两种生产方式将并存、互补。第三，材料、人才、商业化应用是3d打印技术发展和普及的关键。

   3d打印技术的到来将意味着我们人人都能成为制造家，世界各地各处都能成为制造工厂，全民制造的时代正在向我们招手，它同时也意味着各种行业将面临巨大变革，传统制造业和服务业之间的界限将变得越来越模糊。随着3d关键技术的突破，不久的将来，唯一能限制我们的，就是我们的想象力，3d打印技术必将开创一个全民制造的崭新时代。