1.1　3D打印基本簡(jiǎn)介

3D打?。?D printing）技術(shù)又稱(chēng)三維打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。它無(wú)須機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。燈罩、身體器官、珠寶、根據(jù)球員腳型定制的足球靴、賽車(chē)零件、固態(tài)電池以及為個(gè)人定制的手機(jī)、小提琴等都可以用該技術(shù)制造出來(lái)。

1.1.1　3D打印發(fā)展歷史

3D打印技術(shù)的核心制造思想起源于19世紀(jì)末的美國(guó)，20世紀(jì)80年代已有雛形，其學(xué)名為“快速成型”（SLS）。1979年，類(lèi)似過(guò)程由RF. Housholder獲得專(zhuān)利，但沒(méi)有被商業(yè)化。在20世紀(jì)80年代中期，SLS被美國(guó)德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校的Deckard博士開(kāi)發(fā)出來(lái)并獲得專(zhuān)利。到20世紀(jì)80年代后期，3D打印技術(shù)發(fā)展成熟并被廣泛應(yīng)用。

1995年，麻省理工學(xué)院創(chuàng)造了“三維打印”一詞，當(dāng)時(shí)的畢業(yè)生Jim Bredt和Tim Anderson修改了噴墨打印機(jī)方案，變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床的解決方案，而不是把墨水?dāng)D壓在紙張上的方案。

在此之前，三維打印機(jī)數(shù)量很少，大多集中在“科學(xué)怪人”和電子產(chǎn)品愛(ài)好者手中，主要用來(lái)打印像珠寶、玩具、工具、廚房用品之類(lèi)的東西，甚至有汽車(chē)專(zhuān)家打印出了汽車(chē)零部件，然后根據(jù)塑料模型去訂制真正市面上買(mǎi)到的零部件。

人們可以在一些電子產(chǎn)品商店購(gòu)買(mǎi)到這類(lèi)打印機(jī)，工廠也在進(jìn)行直接銷(xiāo)售。不過(guò)物以稀為貴，一套三維打印機(jī)的價(jià)格從一般的750美元到上等質(zhì)量的27000美元不等。

科學(xué)家們表示，三維打印機(jī)的使用范圍還很有限，不過(guò)在未來(lái)的某一天人們一定可以通過(guò)3D打印機(jī)打印出更實(shí)用的物品。

2005年，市場(chǎng)上首個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。

2010年11月，世界上第一輛由3D打印機(jī)打印而成的汽車(chē)Urbee問(wèn)世。

2011年6月6日，發(fā)布了全球第一款3D打印的比基尼。

2011年7月，英國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)出世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī)。

2011年8月，南安普敦大學(xué)的工程師們開(kāi)發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)。

2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞首次用3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織。

2013年10月，全球首次成功拍賣(mài)一款名為“ONO之神”的3D打印藝術(shù)品。

2013年11月，美國(guó)德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司“固體概念”（SolidConcepts）設(shè)計(jì)制造出3D打印金屬手槍。

3D打印帶來(lái)了世界性的制造業(yè)革命，以前的部件設(shè)計(jì)完全依賴于生產(chǎn)工藝能否實(shí)現(xiàn)，而3D打印機(jī)的出現(xiàn)，將會(huì)顛覆這一生產(chǎn)思路，這使得企業(yè)在生產(chǎn)部件時(shí)不再考慮生產(chǎn)工藝問(wèn)題，任何復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)均可以通過(guò)3D打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。無(wú)須機(jī)械加工或模具，就能直接由計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)打印生成任何形狀的物體，從而極大地縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)率。盡管仍有待完善，但3D打印技術(shù)市場(chǎng)潛力巨大，勢(shì)必成為未來(lái)制造業(yè)的眾多突破技術(shù)之一。

1.1.2　3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域

利用3D打印機(jī)，工程師可以驗(yàn)證開(kāi)發(fā)中的新產(chǎn)品，把手中的CAD數(shù)字模型用3D打印機(jī)制造成實(shí)體模型，可以方便地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，相比傳統(tǒng)的方法可以節(jié)約大量的時(shí)間和成本。

3D打印機(jī)也可以用于小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，這樣就可以快速地把產(chǎn)品的樣品提供給客戶，或進(jìn)行市場(chǎng)宣傳，不用等模具造好后才造出成品，對(duì)于某些小批量定制的產(chǎn)品甚至連模具的成本都可以省去，如電影中用到的各種定制道具。如圖1-1所示，左邊的是某工藝品的原型，右邊的是3D打印出來(lái)的復(fù)制品，從造型上看，兩者基本上沒(méi)有什么差別。如圖1-2所示，電影《機(jī)械公敵》中的奧迪RSQ汽車(chē)就是使用3D打印制作的。

至于家用和個(gè)人市場(chǎng)方面，3D打印的應(yīng)用就因人而異了，不過(guò)要推廣開(kāi)的話可是困難重重。首先目前個(gè)人用3D打印機(jī)并不能說(shuō)便宜，價(jià)格從幾千到幾萬(wàn)都有。3D打印的原材料也不便宜，這些材料的價(jià)格便宜的幾百元一公斤，最貴的要四萬(wàn)元左右。

1.1.3　3D打印技術(shù)的五大發(fā)展趨勢(shì)

在近幾年中，更多的資本、更多的公司、更多的創(chuàng)意都涌向了3D打印領(lǐng)域。據(jù)此，行業(yè)也對(duì)未來(lái)3D打印發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測(cè)，認(rèn)為未來(lái)一年3D打印的以下五大發(fā)展趨勢(shì)值得關(guān)注。

1. 更好更快更廉價(jià)

企業(yè)家正從各方涌向3D打印領(lǐng)域。未來(lái)，3D打印不僅是一種打印、掃描和共享內(nèi)容的新方式，而且還將增加打印的精密度、規(guī)模以及更好的材料，而且打印成本也將下降?？傮w而言，功能性材料將進(jìn)入市場(chǎng)，而且還將出現(xiàn)更加先進(jìn)的打印程序，不久的將來(lái)將會(huì)看到更加先進(jìn)的3D打印機(jī)走向市場(chǎng)。一些初創(chuàng)型企業(yè)也會(huì)研發(fā)出更快、更便宜的3D打印設(shè)備。

2. 傳統(tǒng)公司需要?jiǎng)?chuàng)新和改進(jìn)

為了維持自己在快速增長(zhǎng)的3D打印行業(yè)內(nèi)的統(tǒng)治地位，傳統(tǒng)的3D Systems公司和Stratasys公司都將執(zhí)行簡(jiǎn)單的戰(zhàn)略，即要么收購(gòu)對(duì)方，要么阻擊對(duì)方。然而這種并購(gòu)并不一定會(huì)產(chǎn)生效果，畢竟整合業(yè)務(wù)或業(yè)務(wù)并購(gòu)都非常困難，因此這樣的措施或許還會(huì)適得其反。隨著惠普之類(lèi)的公司進(jìn)入3D打印市場(chǎng)，再加上一些初創(chuàng)企業(yè)的沖擊，傳統(tǒng)的3D打印巨頭急需加速內(nèi)部創(chuàng)新，并努力推出更好、更便宜的解決方案，從而增加其市場(chǎng)份額。對(duì)這些公司而言，需要改進(jìn)的兩大重要領(lǐng)域就是3D打印速度和材料價(jià)格。

3. 3D照相館的崛起

一些公司已經(jīng)開(kāi)設(shè)了一些小規(guī)模的店內(nèi)3D大頭照拍攝館。簡(jiǎn)單的3D掃描設(shè)備和軟件將會(huì)越來(lái)越普及，而且消費(fèi)成本也會(huì)越來(lái)越便宜，甚至還會(huì)出現(xiàn)一些便攜式的3D拍攝設(shè)備，以后還將有更多的新企業(yè)開(kāi)設(shè)3D拍攝館。更為重要的是，這些掃描和拍照工具將為大規(guī)模的定制化拍攝奠定基礎(chǔ)，并能夠讓更多的公司為每一個(gè)客戶拍攝定制化的3D照片。

4. 戰(zhàn)爭(zhēng)武器

盡管使用類(lèi)似于機(jī)器人的熱熔膠槍來(lái)制作一支真槍并不是獲得武器的最有效方式，但這種做法肯定會(huì)產(chǎn)生轟動(dòng)效應(yīng)。以后更多的槍支、手榴彈以及一些更夸張的武器將會(huì)出現(xiàn)。管理者也會(huì)擔(dān)憂3D打印機(jī)可能會(huì)成為引發(fā)混亂狀態(tài)的最終工具。

5. 醫(yī)療神器

3D打印技術(shù)最具潛力的作用將體現(xiàn)在醫(yī)療健康領(lǐng)域。人們已經(jīng)看到從顱骨和面部植入假體材料到低成本的假體，再到可更換的氣管等在內(nèi)的諸多3D打印產(chǎn)品。未來(lái)，在此領(lǐng)域還將充滿更多的新創(chuàng)意。盡管打印完全功能的器官還需要一段時(shí)間，但是，為個(gè)別患者定制打印某種器官的能力將會(huì)出現(xiàn)。醫(yī)生們也因有了強(qiáng)大的3D打印工具而能更加舒適地工作，并能夠獲得更好的體驗(yàn)，與此同時(shí)，人們的生活也會(huì)因此而更加美好。

1.1.4　發(fā)展前景

1. 價(jià)格因素

大多數(shù)桌面級(jí)3D打印機(jī)的售價(jià)在2萬(wàn)元人民幣左右，一些仿制品價(jià)格可以低到6000元。但是據(jù)3D打印機(jī)代理商透露，這些仿制的3D打印機(jī)雖然價(jià)格低，但質(zhì)量很難保障。

對(duì)于桌面級(jí)3D打印機(jī)來(lái)說(shuō)，由于僅能打印塑料產(chǎn)品，因此使用范圍非常有限，而且對(duì)于家庭用戶來(lái)說(shuō)，3D打印機(jī)的使用成本仍然很高。因?yàn)樵诖蛴∫粋€(gè)物品之前，用戶必須要懂得3D建模，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)能夠讀取的格式，最后再進(jìn)行打印。

2. 原材料

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。

據(jù)了解，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)實(shí)現(xiàn)。但是，這些材料種類(lèi)與人們生活的大千世界里的材料相比，還相差甚遠(yuǎn)，而且價(jià)格很高。

3. 社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)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(lái)的發(fā)展也會(huì)令不少人擔(dān)心。如果任何物體都能徹底復(fù)制，想到什么就能制造出什么，聽(tīng)上去很美的同時(shí)，也著實(shí)讓人恐懼。

4. 著名的3D打印悖論

3D打印是一層層來(lái)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(shì)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，3D打印沒(méi)有成本上的優(yōu)勢(shì)，尤其是考慮到時(shí)間成本、規(guī)模成本之后。

5. 整個(gè)行業(yè)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，難以形成產(chǎn)業(yè)鏈

進(jìn)入21世紀(jì)，3D打印機(jī)生產(chǎn)商的出現(xiàn)呈百花齊放的態(tài)勢(shì)。3D打印機(jī)缺乏標(biāo)準(zhǔn)，同一個(gè)3D模型給不同的打印機(jī)打印，所得到的結(jié)果是大不相同的。

此外，打印原材料也缺乏標(biāo)準(zhǔn)，3D打印機(jī)廠商都想讓消費(fèi)者買(mǎi)自己提供的打印原料，這樣他們能獲取穩(wěn)定的收入。這樣做雖然可以理解，畢竟普通打印機(jī)也走這一模式，但3D打印機(jī)生產(chǎn)商所用的原料一致性太差，從形式到內(nèi)容千差萬(wàn)別，這讓材料生產(chǎn)商很難進(jìn)入，研發(fā)成本和供貨風(fēng)險(xiǎn)都很大，難以形成產(chǎn)業(yè)鏈。

表面上是3D打印機(jī)捆綁了3D打印材料，事實(shí)上卻是材料捆綁了打印機(jī)，非常不利于降低成本和抵抗風(fēng)險(xiǎn)。

6. 意料之外的工序：3D打印前所需的準(zhǔn)備工序，打印后的處理工序

很多人可能以為3D打印就是計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)一個(gè)模型，不管多復(fù)雜的內(nèi)面、結(jié)構(gòu)，按一下按鈕，3D打印機(jī)就能打印一個(gè)成品。這個(gè)印象其實(shí)不正確。真正設(shè)計(jì)一個(gè)模型，特別是一個(gè)復(fù)雜的模型，需要大量的工程、結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)，需要精細(xì)的技巧，并根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。用塑料熔融打印來(lái)舉例，如果在一個(gè)復(fù)雜部件內(nèi)部沒(méi)有設(shè)計(jì)合理的支撐，打印的結(jié)果很可能是會(huì)變形的。后期的工序也通常避免不了。媒體將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：或打磨，或燒結(jié)，或組裝，或切割，這些過(guò)程通常需要大量的手工工作。

7. 缺乏殺手锏產(chǎn)品及設(shè)計(jì)

都說(shuō)3D打印能帶給人們巨大的生產(chǎn)自由度，能生產(chǎn)前所未有的東西?？芍钡浆F(xiàn)在，這種“殺手”級(jí)別的產(chǎn)品還很少，幾乎沒(méi)有。做些小規(guī)模的飾品、藝術(shù)品是可以的，做逆向工程也是可以的，但要談到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，3D打印還不能取代傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式。如果3D打印能生產(chǎn)其他工藝所不能生產(chǎn)的產(chǎn)品，而這種產(chǎn)品又能極大提高某些性能，或能極大改善生活的品質(zhì)，這樣或許能更快地促進(jìn)3D打印機(jī)的普及。