3D打印和快速成型是加式制造行業(yè)的重要組成部分，正如計算機之于信息行業(yè)。快速成型相當于上世紀60年代的專用和大型計算機，而3D打印則是上世紀70年代的個人PC和蘋果臺型計算機。3D打印的原理為疊層加式制造，將打印材料在X-Y平面通過掃描形式描繪出3D模型的截面形狀，然后通過在Z軸方向上做間斷單個層面厚度的位移，最終形成立體實物。

       3D打印技術(shù)是以3D模型為藍本，通過軟件將3D模型進行分層離散化處理，由數(shù)控成型系統(tǒng)利用激光束、紫外線、熱熔等方式將樹脂、陶瓷粉末、塑料等特殊材料在X-Y平面進行逐層成型掃描，并在Z軸進行堆積黏結(jié)，最終疊加成實體產(chǎn)品。由其定義知，3D打印屬于加式制造范疇。而傳統(tǒng)制造業(yè)屬于減式制造范疇，即通過模具、車銑等機械加工技術(shù)與工具將原材料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的工藝過程，其特征為利用縮削、減少材料來生產(chǎn)部件。與傳統(tǒng)制造業(yè)相比， 3D打印不需要復雜的工藝，不需要龐大的機床，不需要眾多的人力，不需要冗長的流水線作業(yè)，直接通過計算機3D模型數(shù)據(jù)，便可由打印機生產(chǎn)任何形狀的零件，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸。

3D打印技術(shù)發(fā)展史

        3D打印技術(shù)是實現(xiàn)加式制造的一種方式。在很多文獻中，將加式制造等同于3D打印技術(shù)。加式制造的主要特征就是利用逐層增加材料的方式生產(chǎn)各種產(chǎn)品，無須模具，因此也被稱為無形制造技術(shù)（Freeform Fabrication，簡稱FF或FFF）。加式制造的思想也是自古有之。從遠古時期至今，房舍樓宇的構(gòu)建技術(shù)始終體現(xiàn)了加式制造的思想。工業(yè)時代早期，就有許多加式制造的技術(shù)和專利出現(xiàn)。根據(jù)美國學者所查出的世界上相關(guān)加式制造專利和技術(shù)，現(xiàn)代的加式制造有兩個源頭：照相雕塑（Photosculpture）技術(shù)和地貌成型（Topography）技術(shù)，分別始于1860年法國人Willeme的多照相機實體雕塑專利和1890年美國人Blanther的分層應急地貌圖專利。我們認為，照相雕塑更接近從3D模型數(shù)據(jù)產(chǎn)生物體的過程，因此更能體現(xiàn)加式制造的思想。特別是1951年Munz的專利，十分清楚地展示了現(xiàn)代立體印刷（Stereolithography）的特征。

       現(xiàn)代加式制造技術(shù)直接起步于1968年Swainson的專利、1972年Ciraud的專利和1979年Housholder的專利，分別開創(chuàng)了激光三維聚合成型、直接粉末沉積和粉末激光燒結(jié)等加式制造技術(shù)。一般認為，1972年德國人Ciraud提出的利用激光能量光束進行粉末沉積，實現(xiàn)分層疊加成型的技術(shù)，是世界上第一個成功的現(xiàn)代加式制造過程。從上世紀80年代起，各種各樣的加式制造技術(shù)大量出現(xiàn)，并在許多領(lǐng)域里進行了創(chuàng)造性的應用，形成今天的加式制造，特別是3D打印技術(shù)的新局面。從上世紀80年代起，各種各樣的加式制造技術(shù)大量出現(xiàn)，并在許多領(lǐng)域里進行了創(chuàng)造性的應用，形成今天的加式制造，特別是3D打印技術(shù)的新局面。

三種常用3D打印技術(shù)

       目前常用的3D打印技術(shù)有三種：光固法(SLA)，熔融沉積法(FDM)和激光選區(qū)燒結(jié)法(SLS).

1.光固法

       原理：光固法技術(shù)是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長和強度的紫外光的照射下迅速發(fā)生光聚合反應，材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。在打印的時候，成型平臺周圍有一個液體槽，槽里面充滿了可以紫外線照射固化的液體，紫外線激光會從底層做起，固化最底層的，然后平臺下移，固化下一層，如此往復，直到最終成型。

       優(yōu)點：分層精度高，可達到0.016mm；表面粗糙度??；原材料利用率高。

       缺點：只能使用光敏樹脂，材料成本高；不易物理性能測試，適用外形評估、間接模具；使用環(huán)境有氣味，微毒，需要很好的通風條件。

2.熔融沉積法

       原理：將打印材料（PLA/ABS）在230℃至260℃的高溫下熔化成液態(tài)，這些液體材料通過噴嘴擠出后立即固化，固化的材料逐層疊加最終形成實物。

      優(yōu)點：適用的材料較多；可在辦公室環(huán)境下操作。

      缺點：成型的實物表面較粗糙，需做后期處理；Z軸因分層原因可能會產(chǎn)生一定誤差；ABS材料相對PLA材料對溫度較敏感，成型平臺需加熱，否則容易產(chǎn)生形變；ABS材料有氣味，微毒，需在通風條件下打??；需要材料支撐。

3.激光選區(qū)燒結(jié)法

       原理：利用粉末材料成型，將粉末材料平鋪在成型平臺上，用高強度的激光器在剛鋪平的粉末材料層上掃描出3D模型的截面，材料粉末在激光照射下被燒結(jié)在一起，形成實物的截面，然后再平鋪新一層粉末材料，如此逐層激光燒結(jié)，最終形成實物。

       優(yōu)點：適用多種材料，如塑料、蠟、金屬粉末等；可直接制造特殊、復雜功能的模型；一次可成型多個模型。

       缺點：成型中未燒結(jié)的材料性能會有部分下降，需摻入部分新材料后方能適用；使用環(huán)境有輕微粉塵，無毒，需通風。

國外3D打印發(fā)展到什么程度

        3D打印技術(shù)在美國已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化，目前美國3D打印市場主要分為兩類公司。

        一類是以生產(chǎn)研制打印機為主的公司，如3D Systems，Stratasys，MarkerBot，F(xiàn)ormlabs等，其中3D Systems是全球最大的3D打印機生產(chǎn)商，該公司不僅提供打印機，還出售打印機配套的原材料、相關(guān)軟件，并為客戶提供培訓，涉及的行業(yè)包括模具、醫(yī)療、教育、珠寶、建筑等。

       另一類則是以3D打印機為基礎(chǔ)，以服務大眾為主的社會制造公司，其中最著名的兩個公司為Shapeways和Quirky。

       Shapeways公司于2007年創(chuàng)立于荷蘭，后將總部移至美國紐約市，截至目前，公司已獲得兩輪投資，第一輪金額為510萬美元，第二輪為620萬美元。2012年10月，該公司在紐約皇后區(qū)的“未來工廠”投入運營。“未來工廠”就是50臺工業(yè)3D打印機，通過Facebook和Twitter等社會媒體，接受客戶的各種產(chǎn)品的三維設(shè)計方案，并在數(shù)天內(nèi)完成產(chǎn)品的打印生產(chǎn)，然后寄送給客戶。同時，該公司還為商家和設(shè)計者設(shè)立平臺，使他們可以利用公司的3D打印機生產(chǎn)并銷售自己設(shè)計或收集的產(chǎn)品，目前該公司已有近15萬個平臺會員，6000余名設(shè)計者，至2012年6月20日，已經(jīng)打印了100多萬個3D產(chǎn)品。

       Quirky公司于2009年成立于美國紐約，至今已獲近億美元的風險基金。Quirky的特色是眾包：公司通過Facebook和Twitter等社會媒體接收公眾提交的產(chǎn)品設(shè)計思路，并由公司的注冊用戶進行評論和投票表決，如此每周挑選出一個產(chǎn)品進行3D打印生產(chǎn)，參加產(chǎn)品設(shè)計和修正過程的眾包人員可分享30%的營業(yè)額。公司還進一步將眾包設(shè)計改進的過程同時轉(zhuǎn)化為通過社會媒體來推薦相應產(chǎn)品的過程，創(chuàng)造性地拓展了銷售市場。目前，該公司每年僅生產(chǎn)60種產(chǎn)品，產(chǎn)品的提交費由最初的99美元降至現(xiàn)在的約10美元，公司的注冊用戶每月以20%的速度增長，已達30萬人，而網(wǎng)上社區(qū)注冊用戶達26萬。公司有望今年獲利100萬美元，已向發(fā)明者支付了200多萬美元的授權(quán)費。Quirky的一個成功例子是一位中學生所設(shè)計的“Pivot Power”插線板，今年已獲50萬美元的凈收入，該中學生的收入超過5萬美元。#p#分頁標題#e#

       盡管美國在3D打印的整體技術(shù)上領(lǐng)先全球，但在基礎(chǔ)研究設(shè)施、研發(fā)組織和政府支持上，歐盟明顯領(lǐng)先。首先，歐盟在政府研發(fā)方面的投入力度要大于美國（不計不公開的國防軍事投入），著名的大型合作項目包括英國的加式制造創(chuàng)新中心、歐盟第六框架項目大航空航天組件快速生產(chǎn)RAPOLAC（Rapid Production of Large Aerospace Components，大型航空航天部件快速生產(chǎn)），全程專注航空航天的SMD（Shaped Metal Deposition，成型的金屬沉積）技術(shù)等等。其次，歐洲工業(yè)界也主動組織形成3D打印產(chǎn)業(yè)群，共同開發(fā)加式制造的市場。一度形成原始創(chuàng)新技術(shù)源于美國，但其后的研發(fā)和應用及商業(yè)化卻是由歐盟等國家完成的局面。

       近幾年來，美國明顯加大、加快了對3D打印技術(shù)研發(fā)的組織力度，但仍然是以企業(yè)和大學及科研機構(gòu)等半政府、半民間的組織為主導力量。2009年，以美國相關(guān)大學為主的“加式制造路線（RAM）研討會”就未來5到10年的技術(shù)發(fā)展進行了廣泛的討論，并發(fā)表了較有影響的路線圖研討報告。根據(jù)這一報告的建議，由愛迪生焊接研究所（EWI）牽頭于2010年成立“加式制造共同體AMC（Additive Manufacturing Consortium）”，試圖將相關(guān)的制造商與供應商同大學與研究機構(gòu)聯(lián)結(jié)成為一個互動良性發(fā)展促進的生態(tài)組織，共同解決3D打印技術(shù)中還存在著的大量問題。AMC目前已有30余家企業(yè)、研究所、大學、軍方和政府等機構(gòu)成員，以金屬材料的加式制造技術(shù)為主，每季度活動一次。目前，AMC整合EWI及其成員的設(shè)備、技術(shù)和專業(yè)知識，初步構(gòu)成了一個分布式、網(wǎng)絡(luò)化的加式制造“國家實驗平臺中心NTBC（National Test Bed Center）”。AMC和NTBC的使命就是提高3D打印加式制造技術(shù)的成熟度，促進相應的產(chǎn)業(yè)投資，在全美范圍內(nèi)將這一新興的制造方式早日轉(zhuǎn)化為主流的制造方式。自2011年起，AMC每年都向其會員發(fā)布加式制造的現(xiàn)狀報告。此外，近三年來美國政府、軍方及企業(yè)還多次組織了3D打印技術(shù)的有獎挑戰(zhàn)大賽，希望以此加速相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、應用和普及。

中國四大3D打印公司

       國內(nèi)從事3D打印的相關(guān)企業(yè)，從軍用到民用，從高端到低端可分為以下四家，分別是：中航激光、華曙高科、太爾時代、維示泰克。

       中航激光是中航重機子公司，成立于2011年7月，注冊資本1億元。中航激光主要發(fā)展激光快速成型技術(shù)，以鈦合金等金屬粉末為原料，通過激光熔化逐層沉積（“生長制造”），直接由零件CAD模型一步完成高性能大型整體結(jié)構(gòu)件的成型。目前公司已經(jīng)在做一些鈦合金、高溫合金產(chǎn)品，現(xiàn)在做的都還是軍用品，首先立足航空，然后向其他方向拓展，專注高端產(chǎn)品。公司產(chǎn)品已經(jīng)應用于中國多款新型軍用飛機上。2011年已實現(xiàn)營業(yè)收入1億元。據(jù)興業(yè)證券保守估計，中航激光2015年將實現(xiàn)8億元左右銷售收入。

       湖南華曙高科技有限責任公司是一家集科研、開發(fā)、生產(chǎn)和銷售于一體的高新技術(shù)企業(yè)，公司成立于2009年10月，注冊資本5750萬元。從事基于激光技術(shù)的塑膠、金屬、陶瓷產(chǎn)品無模具智能制造等領(lǐng)域的經(jīng)營。公司采用低成本的產(chǎn)品制造技術(shù)并通過合理的采購與分銷渠道管理進行成本控制，使到達顧客手中的產(chǎn)品真正成為性價比極優(yōu)的產(chǎn)品。目前，華曙高科年營業(yè)額近300萬元，其中出口額近100萬元。

       北京太爾時代科技有限公司是一家具有豐富生產(chǎn)和市場經(jīng)驗的高新技術(shù)企業(yè)，主要從事快速成型系統(tǒng)、快速制模設(shè)備以及專用耗材的開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)和銷售。公司成立于2003年，注冊資本450萬元，現(xiàn)有占地8000多平方米的生產(chǎn)基地。公司目前已成為快速成型設(shè)備制造領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，產(chǎn)品覆蓋國內(nèi)26個省市，并遠銷歐洲、中亞。公司產(chǎn)品廣泛服務于工業(yè)制造、航空航天、動漫設(shè)計、醫(yī)療、教育等多個領(lǐng)域。

       深圳維示泰克技術(shù)有限公司，由留德博士于2011年5月份創(chuàng)立，是國內(nèi)首家專業(yè)從事于個人3D打印機、3D教學儀器、3D打印耗材、三維成型產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)、銷售的高科技企業(yè)。維示泰克是國內(nèi)個人3D打印機領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)頭企業(yè)。公司總部位于國內(nèi)著名的高科技企業(yè)孵化中心深圳留學生創(chuàng)業(yè)大廈的最頂層。同時，公司在湖北還擁有550畝專業(yè)的耗材生產(chǎn)基地。公司注冊資本100萬元，年營業(yè)額近500萬元。

3D打印與社會制造

        2012年9月19日，著名科技雜志《Wired》的主編Anderson以危言聳聽般的標題“The New MakerBot Replicator Might Just Change Your World（新的MakerBot Replicator或?qū)⒏淖兡愕氖澜纾?rdquo;描述了新型3D打印機的進展情況。根據(jù)該報道，MakerBot公司新推出的低端3D打印機Replicator 2的價格僅為2199美元，高端的Replicator 2X也只有2799美元；并且，幾年后價格可能會降到99美元；屆時，每個人都將擁有3D打印機，比計算機還要普及。在2011年美國加式制造現(xiàn)狀的許多報告中，3D打印的個人使用和世界范圍的應用已被列為最新的發(fā)展趨勢。

       這意味著“長尾效應”常態(tài)化將在生活和產(chǎn)業(yè)中成為現(xiàn)實，意味著個性化的規(guī)?；徒?jīng)濟化，意味著社會制造時代的來臨：在這個時代里，社會需求將同社會制造能力實時無縫地銜接，搜索就是制造，搜索就是生產(chǎn)，搜索就是消費。原因十分簡單，減式制造依靠規(guī)模生產(chǎn)降低成本，但絕大多數(shù)的需求并不需要規(guī)模生產(chǎn)，屬長尾范圍，過去只能由手工制作或歸為奢侈品來滿足，而現(xiàn)在可以通過3D打印技術(shù)高質(zhì)量且經(jīng)濟地解決。3D打印成本的下降和應用的普及，意味著加式制造的Microsoft、Oracle、Yahoo、Amazon、Google、QQ、阿里巴巴、Facebook、Twitter和微博時代的同時到來。正如Google依靠大規(guī)模的計算機服務器陣列來滿足人們信息搜索的需求，從而改變?nèi)祟惿钆c工作方式一樣，我們可以設(shè)想未來的3D打印機組成大規(guī)模的制造陣列，實時方便地滿足人類對各種個性化產(chǎn)品的物質(zhì)需求，進而更加深刻地改變我們生活的社會。

       社會制造最大的特色就是消費者可以將需求直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，即“從想法到產(chǎn)品”，并使得任何人都能通過社會媒體和眾包等形式參與設(shè)計、改進、宣傳、推廣、營銷等過程，并可以分享其產(chǎn)品的利潤。簡言之，社會制造就是利用3D打印、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和社會媒體，通過眾包等方式讓社會民眾充分參與產(chǎn)品的全生命制造過程，實現(xiàn)個性化、實時化、經(jīng)濟化的生產(chǎn)和消費模式。

發(fā)展瓶頸及應用前景

        3D打印的發(fā)展瓶頸可歸為如下四個因素：一是原材料因素：能夠用于3D打印的材料非常有限，主要為塑料、陶瓷等容易塑形的材料，而且很多材料的強度和硬度都無法達到預期。二是價格因素：目前大多數(shù)個人3D打印機售價在2萬元左右，一些國內(nèi)仿制品價格可以低到5000元左右甚至更低，但其打印精度和質(zhì)量很難保障。高精度3D打印機價格非常昂貴，一般售價在幾十萬到幾百萬元之間。三是打印前后期處理：對于一個非專業(yè)的設(shè)計人員，設(shè)計富有個性化的模型需耗費大量時間，并在打印過程中需要對模型反復調(diào)整和修改。除此之外，通常打印完成后，對于打印的成品還需進行一些后續(xù)處理，如打磨、燒結(jié)、組裝或切割等，需要大量的手工工作。四是缺乏行業(yè)標準：目前國內(nèi)生產(chǎn)PLA和ABS材料的廠家有數(shù)十家，對于同一型號的3D打印機，選取不同廠家的材料打印出來的產(chǎn)品質(zhì)量大不相同，且3D打印機生產(chǎn)商一般都捆綁式出售3D打印材料，缺乏打印原材料的統(tǒng)一標準，導致打印材料價格和成本很難降低，難以形成產(chǎn)業(yè)鏈。#p#分頁標題#e#

        未來5-10年，隨著技術(shù)的不斷進步及市場需求的不斷擴大，3D打印將對許多相關(guān)行業(yè)帶來影響和沖擊。

        對軟件行業(yè)來說，3D打印使3D模型設(shè)計者成為主流設(shè)計人群，形成3D設(shè)計師職位；3D制圖軟件的種類會越來越多，操作會更加簡單化；在線協(xié)同制作3D模型變得日?；?，類似于office軟件一樣普及；關(guān)于3D廣告設(shè)計與3D模型的安全存儲等業(yè)務將會引起人們的重視。

       對材料行業(yè)來說，通過目前打印材料提供商之間的競爭和市場規(guī)律的作用，最終將會形成3D打印材料的統(tǒng)一標準，形成一個規(guī)范的3D打印材料的產(chǎn)業(yè)鏈。3D打印的材料種類會不斷增加，材料的成型性能將不斷改進，以滿足不同行業(yè)的需求。

       對自動化行業(yè)來說，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印機對控制算法的要求會越來越高。為了能提高模型成型的質(zhì)量，同時降低成型的時間，現(xiàn)有的控制算法將被逐步改進或取代。并且為了能使3D打印機支持多種材料打印，相關(guān)的配套硬件需要重新設(shè)計。

（作者李雙雙系中國科學院自動化研究所博士生，王飛躍系中國科學院自動化研究所研究員。田春玲編輯，工作郵箱：tianchunling@wxjt.com.cn）