个性化、小型化、节约化的3D打印

3 D打印，又称增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术，是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，是一种“自下而上”的制造方法。与传统上对原材料进行切削的减材制造方法正相反，3D打印技术运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过一层又一层的多层打印方式，像砖头砌墙一样，一层一层地构造物品。

其实，3D打印背后的技术其实并不新鲜，早在二十年前，它就开始以“快速成型技术”这一名称应用于汽车、航空航天模型设计中。为何在出现多年后才突然燃起3D打印的关注热潮？3D打印正在改变什么，未来还能改变什么？仅仅是一次概念热潮，还是真的将带来一场生产方式变革？

什么是3D打印

3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产出成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

技术优势与商业价值

3D打印特别适合于传统方法无法加工的极端复杂几何结构。尺寸越小、形状结构越复杂，增材制造的优势越明显。对于生产批量小于10万件的小型复杂塑料件，SLS等增材制造技术比注塑模具更具优势。3D打印也非常适合于小批量复杂零件或个性化产品的快速制造。目前，3D打印已成功应用于航空航天系统，如空间站、微型卫星、F-18战斗机、波音787飞机和个性化牙齿矫正器与助听器等等。BMW等公司利用3D打印快速制造装调工具使汽车装配的精度、速度和人工美学程度都得到显著提高。

3D打印的一个关键优势在于不需要任何工模具等硬件就可快速制造出任何个性化零部件，从而显著改变了传统的以工模具为中心的集中制造模式。增材制造需要很少的人力，不再依赖廉价劳动力，可以实现境内制造。

对于3D打印，一个特别好的应用就是各种设备备件的生产与制造。对于已经停产的零部件，可以利用逆向工程技术快速得到相应的三维CAD模型，然后利用增材制造快速制造出所需的备件。这种应用正在逐年大幅增加，因为对于数十年前建造的汽车、飞机、国防及其他设备而言，没有CAD图纸和相应工模具，甚至设备供应商有可能已经倒闭，相关设备备件已无法获得，在此情况下增材制造不失为一种非常理想的技术手段。

3D打印带来的影响

1.分布式制造模式将为第三次工业革命拉开序幕

规模经济是现在制造业的典型特征，但是资源的制约、成本的提升使得规模经济愈发的不明显。而现实中，分布式则成为新兴模式的代表，从分布式能源到云计算，从工业机器人到3D打印，这些都是分布式的具体应用，而通过分布式之后重新组合的规模经济提升了资源利用率，降低了成本开销，可以说是下一次工业革命的基本形态。3D打印模式是个体化的最好体现，也是制造业可以采用的生产方式，抛弃了工厂大规模制造的雷同形式，具有个性化、小型化、节约化的特点。随着3D打印技术的日臻完善，实用性不断提高，能够逐步取代一部分现有生产方式时，第三次工业革命的序幕就被拉开。但不能忽略的是，要改变现有的生产模式进入第三次工业革命，还需要相当长的一段时间。

2.推动中国产业结构调整步伐

在全球产业分工协作中，中国被定义为“制造者”而不是产品的“设计者”，更不是相关高端品牌的“拥有者”。低端制造在技术不断发展的今天面临成本上升、利润微薄的巨大压力，因此中国必须要实施产业结构调整来扭转不利局面。

3D打印被誉为开启第三次工业革命的重要组成部分，是高端制造业实现的重要手段之一。产业结构调整已经在国家层面得到重视，而实操层面由于各地区情况不同，进展缓慢。3D打印技术的不断成熟，能够加速中国产业结构调整的步伐，提升制造业水平。

3.改变传统制造业，成为未来新的经济增长点

目前，3D打印技术已在工业设计、模具制造等诸多领域得到广泛应用，也正朝着消费品制造、功能零部件制造、组织与结构一体化制造等领域加速发展，展现出广阔的应用前景。这意味着一些制造业可以远离低成本劳动力聚集地，重返更靠近消费者的地方，这些变化都在不同程度上改变了经济模式，成为未来新的经济增长点。3D打印带来的影响是颠覆性的，但是实现成熟产业化的目标还需要较长时间去克服技术、经济、社会层面的种种挑战。

人人都成“创造者”

正如风靡全球的产生于上世纪70年代末、80年代初的“个人计算”（PC，personal computing）一样，3D打印催生的“个人制造”（PM，personal manufacturing）模式如今正当其时。

尽管高端大型3D打印设备销量呈较快的增长，然而“个人”3D打印设备销量则呈现爆发式的增长态势。这种爆发式的增长态势引起了许多投资者和公司的强烈关注，他们正开始着手规划如何进入3D打印市场。不难想象，基于增材制造的个人制造模式将在未来得到广泛的推广与应用。与二维打印一样，增材制造或三维打印未来将提供三个层次的创业模式：工厂级别的批量制造、当地供应商的打印服务和家庭环境提供的打印服务。

3D打印使设计人员或创业人员不需要传统的厂房等基础设施就可以开始销售产品，是一种全新的制造模式。不需要投资商提供启动资本来购买大型设备和工模具，创新型人才就能够创造和销售独一无二的产品。基于3D打印创业的市场障碍是很小的，成功与否关键在于是否具有通过社交网络创造市场潮流的能力，而不是争取风险资本的能力；具有创新意识的创业人员在这方面始终占有先机。

应用领域广泛

1.海军舰艇

2014年7月1日，美国海军试验了利用增材制造等先进制造技术快速制造舰艇零件，希望借此提升执行任务速度并降低成本。2014年6月24日至6月26日，美海军在作战指挥系统活动中开展了一系列“打印舰艇”研讨会，并在此期间向水手及其他相关人员介绍了增材制造技术。美国海军致力于未来在这方面培训水手。采用3D打印及其他先进制造方法，能够显著提升执行任务速度及预备状态，降低成本，避免从世界各地采购舰船配件。

美国海军作战舰队后勤科副科长Phil Cullom表示，考虑到成本及海军后勤及供应链现存的漏洞，以及面临的资源约束，先进制造与3D打印的应用越来越广，他们设想了一个由技术娴熟的水手支持的先进制造商的全球网络，找出问题并制造产品。

2.航天科技

2014年9月底，NASA完成首台成像望远镜，所有元件基本全部通过3D打印制造。NASA也因此成为首家尝试使用3D打印制造整台仪器的单位。这款太空望远镜功能齐全，其50.8毫米的摄像头使其能够放进立方体卫星（CubeSat，一款微型卫星）当中。据了解，这款太空望远镜的外管、外挡板及光学镜架全部作为单独的结构直接打印而成，只有镜面和镜头尚未实现。该仪器于2015年开展震动和热真空测试。这款长50.8毫米的望远镜将全部由铝和钛制成，而且只需通过3D打印制造4个零件即可，相比而言，传统制造方法所需的零件数是3D打印的5-10倍。此外，在3D打印的望远镜中，可将用来减少望远镜中杂散光的仪器挡板做成带有角度的样式，这是传统制作方法在一个零件中所无法实现的。

2014年8月31日，美国宇航局的工程师们完成了3D打印火箭喷射器的测试，本项研究在于提高火箭发动机某个组件的性能，由于喷射器内液态氧和气态氢一起混合反应，这里的燃烧温度可达到6000华氏度，大约为3315摄氏度，可产生2万磅的推力，约为9吨左右，验证了3D打印在火箭发动机制造上的可行性。本项测试工作位于阿拉巴马亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心，这里拥有较为完善的火箭发动机测试条件，工程师可验证3D打印部件在点火环境中的性能。制造火箭发动机的喷射器需要精度较高的加工技术，如果使用增材制造技术，就可以降低制造上的复杂程度，在计算机中建立喷射器的三维图像，打印的材料为金属粉末和激光，在较高的温度下，金属粉末可被重新塑造成我们需要的样子。火箭发动机中的喷射器内有数十个喷射元件，要建造大小相似的元件需要一定的加工精度，该技术测试成功后将用于制造RS-25发动机，其作为美国宇航局未来太空发射系统的主要动力，该火箭可运载宇航员超越近地轨道，进入更遥远的深空。马歇尔中心的工程部主任克里斯认为3D打印在火箭发动机喷射器上应用只是第一步，我们的目的在于测试3D打印部件如何能彻底改变火箭的设计与制造，并提高系统的性能，更重要的是可以节省时间和成本，不太容易出现故障。本次测试中，两具火箭喷射器进行了点火，每次5秒，设计人员创建的复杂几何流体模型允许氧气和氢气充分混合，压力为每平方英寸1400磅。

2014年10月11日，英国一个发烧友团队用增材制造技术制出了一枚火箭，他们还准备让这个世界上第一个打印出来的火箭升空。该团队在其伦敦的办公室向媒体介绍这个世界上第一枚用3D打印制造出的火箭。团队队长海恩斯说，有了3D打印，要制造出高度复杂的形状并不困难。就算要修改设计原型，只要在计算机辅助设计的软件上做出修改，打印机将会做出相对的调整。这比之前的传统制造方式方便许多。既然美国宇航局已经在使用3D打印制造火箭的零件，3D打印的前景是十分光明的。据介绍，这个名为“低轨道氦辅助导航”的工程项目由一家德国数据分析公司赞助。打印出的这枚火箭重3公斤，高度相当于一般成年人身高，是该团队用4年时间、花了6000英镑制造出来的。等一笔1.5万英镑的资助确定之后，他们将在新墨西哥州的美国航天港发射该火箭。一个装满氦的巨型气球将把火箭提升到20000米高空，装置在火箭里的全球定位系统将启动火箭引擎，火箭喷射速度将达到每小时1610公里。之后，火箭上的自动驾驶系统将引导火箭回返地球，而里头的摄像机将把整个过程拍摄下来。

3.医学领域

3D打印头盖骨。2014年8月28日，46岁的周至农民胡师傅在自家盖房子时，从3层楼坠落后砸到一堆木头上，左脑盖被撞碎，在当地医院手术后，胡师傅虽然性命无损，但左脑盖凹陷，在别人眼里成了个“半头人”。除了面容异于常人，事故还伤了胡师傅的视力和语言功能。医生为帮其恢复形象，采用3D打印技术辅助设计缺损颅骨外形，设计了钛金属网重建缺损颅眶骨，制作出缺损的左“脑盖”，最终实现左右对称。

3D打印脊椎植入人体。2014年8月，北京大学研究团队成功地为一名12岁男孩植入了3D打印脊椎，这属全球首例。据了解，这位小男孩的脊椎在一次踢足球受伤之后长出了一颗恶性肿瘤，医生不得不选择移除掉肿瘤所在的脊椎。不过，这次的手术比较特殊的是，医生并未采用传统的脊椎移植手术，而是尝试先进的3D打印技术。研究人员表示，这种植入物可以跟现有骨骼非常好地结合起来，而且还能缩短病人的康复时间。由于植入的3D脊椎可以很好地跟周围的骨骼结合在一起，所以它并不需要太多的“锚定”。此外，研究人员还在上面设立了微孔洞，它能帮助骨骼在合金之间生长，换言之，植入进去的3D打印脊椎将跟原脊柱牢牢地生长在一起，这也意味着未来不会发生松动的情况。

3D打印手掌治疗残疾。2014年10月，医生和科学家们使用3D打印技术为英国苏格兰一名5岁女童装上手掌。这名女童名为海莉·弗雷泽，出生时左臂就有残疾，没有手掌，只有手腕。在医生和科学家的合作下，为她设计了专用假肢并成功安装。

3D打印心脏。2014年10月13日，纽约长老会医院的医生埃米尔·巴查博士使用3D打印的心脏救活一名2周大婴儿。这名婴儿患有先天性心脏缺陷，它会在心脏内部制造“大量的洞”。在过去，这种类型的手术需要停掉心脏，将其打开并进行观察，然后在很短的时间内来决定接下来应该做什么。但有了3D打印技术之后，巴查医生就可以在手术之前制作出心脏的模型，从而使他的团队可以对其进行检查，然后决定在手术当中到底应该做什么。这名婴儿原本需要进行3-4次手术，而现在一次就够了，这名原本被认为寿命有限的婴儿将可以过上正常的生活。巴查医生说，他使用了婴儿的MRI数据和3D打印技术制作了这个心脏模型。整个制作过程共花费了数千美元，不过他预计制作价格会在未来降低。

4.房屋建筑

2014年8月，10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦园区内交付使用，作为当地动迁工程的办公用房。这些“打印”的建筑墙体是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，按照电脑设计的图纸和方案，经一台大型3D打印机层层叠加喷绘而成，10幢小屋的建筑过程仅花费24小时。

2014年9月5日，世界各地的建筑师们正在为打造全球首款3D打印房屋而竞赛。3D打印房屋在住房容纳能力和房屋定制方面具有意义深远的突破。

在荷兰首都阿姆斯特丹，一个建筑师团队已经开始制造全球首栋3D打印房屋，而且采用的建筑材料是可再生的生物基材料。这栋建筑名为“运河住宅（Canal House）”，由13间房屋组成。这个项目位于阿姆斯特丹北部运河的一块空地上，有望3年内完工。在建中的“运河住宅”已经成了公共博物馆，美国总统奥巴马曾经到那里参观。荷兰DUS建筑师汉斯·韦尔默朗（Hans Vermeulen）在接受采访时表示，他们的主要目标是“能够提供定制的房屋。”

5.汽车行业

2014年10月29日，在芝加哥举行的国际制造技术展览会上，美国亚利桑那州的Local Motors汽车公司现场演示世界上第一款3D打印电动汽车的制造过程。这款电动汽车名为“Strati”，整个制造过程仅用了45个小时。Strati采用一体成型车身，最大速度可达到每小时40英里（约合每小时64公里），一次充电可行驶120到150英里（约合190到240公里）。Strati只有49个零部件，动力传动系统、悬架、电池、轮胎、车轮、线路、电动马达和挡风玻璃采用传统技术制造，包括底盘、仪表板、座椅和车身在内的余下部件均由3D打印机打印，所用材料为碳纤维增强热塑性塑料。Strati的车身一体成型，由3D打印机打印，共有212层碳纤维增强热塑性塑料。辛辛那提公司负责提供制造Strati使用的大幅面增材制造3D打印机，能够打印3英尺×5英尺×10英尺（约合90厘米×152厘米×305厘米）的零部件。尽管汽车的座椅、轮胎等可更换部件仍以传统方式制造，但用3D制造这些零件的计划已经提上日程。制造该轿车的车间里有一架超大的3D打印机，能打印长3米、宽1.5米、高1米的大型零件，而普通的3D打印机只能打印25立方厘米大小的东西。

6.电子行业

2014年11月10日，全世界首款3D打印的笔记本电脑已开始预售了，它能使任何人在自己的客厅里打印自己的设备，价格仅为传统产品的一半。这款笔记本电脑名为Pi-Top，将到2015年5月才会正式推出。但是，通过口耳相传，它现在已在两周内累计获得了7.6万英镑的预订单。

但是，消费者必须首先拥有一台3D打印机。该打印机的价格仅为215美元，只有大型咖啡机大小。Pi-Top套件的售价仅为180英镑，它包括一个模板，可以将纸片厚的薄塑料片叠加熔化，从而“打印”出笔记本电脑的外壳。该套件还包括一个显示屏和一台Raspberry Pi卡片式电脑——它只有一张信用卡大小。你只需将这个显示屏和卡片式电脑插入外壳中，就可以组装一台笔记本电脑了。

Pi-Top具有一般笔记本电脑的所有功能，它的发明者希望它被用来教儿童拆解和组装笔记本电脑，从而学到电脑的相关知识。这个创意来自于23岁的牛津大学工程学研究生莱恩·邓伍迪（Ryan Dunwoody）和27岁的自学电脑编程的法学研究生杰西·洛扎诺（Jesse Lozano）。“除了用这个笔记本电脑输入文字外，你还能够用它来理解显示屏是如何工作的，电池是如何充电的，以及它是如何在电池和主电源之间进行切换的。”邓伍迪说。“如果它的某个部位破裂，你能够立即进行修复。很多家长准备购买它，因为他们认为它可以用来教孩子们理解他们日常使用的设备背后的技术原理。”

7.服装领域

据英国猎奇网站“wired”报道，英国Nervous System设计工作室将Kinematics软件及手工折纸技术融入3D打印技术，最大限度地使3D塑料裙子质地贴近普通布料，成功摆脱塑料的僵硬感和重量，使裙子贴身又有形。

据Nervous System设计工作室介绍，设计师用计算机辅助设计（CAD）替代传统的制衣方法。设计师先将模特的3D图置入CAD中，然后根据要制作的衣服，利用Kinematics软件将模特分成大小不一的三角形内嵌棋盘格子。设计师可以通过调整三角形的大小和数量改变衣服的质地和重量。调整满意后，电脑程序就把这些格子拼接成一件衣服，将其压到最薄，一般来说，成品的重量会比刚开始减少85%。打印过程通常需要持续两天，衣服出来后，技术人员会将上面多余的尘屑扫去，一条漂亮的镂空连衣裙就大功告成了。

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