3D打印（3D Printing）是以數字模型文件為(wei) 基礎，運用可黏合材料，通過疊加打印的方式構造三維物體(ti) 的技術，又稱增材製造（Additive Manufacturing）。早在2011年，英國《經濟學人》雜誌就指出這項技術蘊含的巨大影響力：“三維打印使得生產(chan) 單個(ge) 物品與(yu) 批量生產(chan) 幾乎一樣便宜，這就削弱了規模經濟。它對社會(hui) 影響的深遠程度可能同1450年的印刷機、1750年的蒸汽機和1950年的晶體(ti) 管一樣，沒人能輕易預料。它迅速發展著，對每個(ge) 相關(guan) 領域都產(chan) 生著巨大的影響。”時至今日，3D技術在工業(ye) 、消費和社會(hui) 文化領域的應用越來越廣泛。

在鋼結構博物館，收藏著一個(ge) 利用3D打印技術製作的鋼結構節點。該節點通高14厘米，通寬10厘米，最大直徑5.4厘米，重500克，自奧雅納荷蘭(lan) 公司購得。

鋼結構博物館館藏3D打印鋼結構節點

2015年，奧雅納團隊采用增材製造技術為(wei) 複雜建築項目設計了關(guan) 鍵的鋼結構部件。據團隊負責人之一莎樂(le) 美·蓋亞(ya) 德（Salomé Galjaard）介紹，這項技術可以更高效地製造大量複雜的獨立設計產(chan) 品，“具有同樣作用的建築構件，使用增材製造技術要比使用傳(chuan) 統方法製造時高度低一半，而每個(ge) 構件的直接重量減少了75％。……如果是一個(ge) 建築工程，這意味著我們(men) 可以將整體(ti) 結構的重量減少超過40％。但真正令人興(xing) 奮的是，這種技術可能被應用於(yu) 任何使用複雜的、高品質金屬製品的行業(ye) 。”

構件應力對比雲(yun) 圖

01. 3D打印的曆史

3D打印的概念最早可追溯至1950年代，當時美國科普作家雷蒙德·瓊斯（Raymond F. Jones）在文章中首次描述了3D打印中使用的一般概念和步驟。1971年，美國人約翰內(nei) 斯·哥特瓦爾德（Johannes F. Gottwald）申請了液態金屬記錄儀(yi) 專(zhuan) 利US3596285A，其工作原理與(yu) 3D打印類似。1974年，英國化學家和作家戴維·瓊斯（David E. H. Jones）在《新科學家》雜誌常規專(zhuan) 欄中提出了3D打印的概念。

3D打印機

早期的3D打印設備和材料是在20世紀80年代發展起來的。1981年，日本名古屋市工業(ye) 研究所的小玉秀男發明了利用光硬化聚合物製造三維塑膠模型的方法。1984年，三維係統公司的查爾斯·赫爾（Charles Hull）發明立體(ti) 光刻，用紫外激光固化高分子光聚合物將原材料層疊起來，此後他又於(yu) 1986年成立了世界上第一家生產(chan) 3D打印設備的公司，專(zhuan) 注發展3D打印技術。赫爾也被譽為(wei) “3D打印之父”。1995年，麻省理工學院的兩(liang) 名學生把打印機墨盒裏的墨水替換成膠水，用膠水黏結粉末床上的粉末，打印出立體(ti) 物品。他們(men) 將這種方法稱作3D打印，3D打印從(cong) 此開始慢慢流行。同年，美國ZCorp公司從(cong) 麻省理工學院獲得唯一授權並開始開發3D打印機，至2005年，該公司研製成功市場上首個(ge) 高清晰彩色3D打印機Spectrum Z510。

“3D打印之父”查爾斯·赫爾

此後，3D打印持續在不同領域取得突破。2010年，世界上第一輛由3D打印的汽車Urbee在美國問世。2011年，英國南安普敦大學開發出第一架3D打印飛機。2012年，蘇格蘭(lan) 科學家利用人體(ti) 細胞首次用3D打印機打印出人造肝髒組織。2013年，全球首次成功拍賣一款名為(wei) “ONO之神”的3D打印藝術品。同年，美國3D打印公司“固體(ti) 概念”（Solid Concepts）設計製造出3D打印金屬手槍。2018年，俄羅斯宇航員利用國際空間站上的3D生物打印機，在零重力條件下打印出實驗鼠的甲狀腺。同年，荷蘭(lan) MX3D公司完成世界上第一座完全3D打印的鋼橋，長12米。2019年1月14日，美國加州大學聖迭戈分校首次利用快速3D打印技術，製造出模仿中樞神經係統結構的脊髓支架，在裝載神經幹細胞後植入脊髓嚴(yan) 重受損的大鼠脊柱內(nei) ，成功幫助大鼠恢複了運動功能。同年4月15日，以色列特拉維夫大學以病人自身組織為(wei) 原材料，打印出全球首顆擁有細胞、血管、心室和心房的完整心髒。2020年5月5日，中國長征五號B運載火箭搭載3D打印機升空，這是中國首次太空3D打印實驗，也是國際上第一次在太空中開展連續纖維增強複合材料3D打印實驗。

世界首個(ge) 3D打印心髒

02. 原理、過程和應用

3D打印與(yu) 日常普通打印的工作原理基本相同，隻是在打印材料上，普通打印機使用的是墨水和紙張，而3D打印機內(nei) 部裝載的是砂、金屬、陶瓷、塑料等原材料。3D打印機與(yu) 電腦相連，通過電腦控製把上述“打印材料”層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖轉變成實物。

3D打印過程的主要環節包括建模（三維設計）、切片處理和打印。建模是通過計算機輔助設計軟件或者三維掃描儀(yi) ，獲得真實物體(ti) 的形狀、外表等的電子數據，並以此為(wei) 基礎生成三維電腦模型，切片是將建成的三維模型“分區”成逐層的截麵，最終打印機對照切片完成逐層打印。在實際操作中，可以先用標準分辨率打印一個(ge) 比要求稍大的模型，然後用高分辨率的削減程序將多餘(yu) 的材料移除，這樣就能得到更為(wei) 精確的3D模型。

用於(yu) 3D打印的CAD模型

基於(yu) 打印材料和疊加方法的不同，3D打印包含有多種技術工藝，主要包括擠壓沉積、顆粒結合、層壓和光聚合等，不同工藝都有各自的優(you) 缺點。擠壓沉積是使材料熔化或軟化從(cong) 而產(chan) 生層，通常適用於(yu) 熱塑性塑料、共晶係統金屬和可食用材料；顆粒結合是在顆粒床上對材料進行選擇性融合，適用於(yu) 幾乎所有合金和熱塑性粉末、塑料等；層壓是使用薄塑料或薄金屬片對材料進行層壓成型，一般用於(yu) 紙張、金屬膜、塑料薄膜；光聚合是采用立體(ti) 光刻技術，從(cong) 液體(ti) 中分離固體(ti) 成品的方法，主要用於(yu) 光聚合物，如環氧樹脂、丙烯酸酯等。除了上述四種主流工藝外，還有金屬線路型和粉末噴墨針頭型兩(liang) 種方法，前者適用於(yu) 幾乎所有金屬合金，後者主要用於(yu) 石膏。

熔融長絲(si) 製造工藝示意圖

自20世紀80年代以來，基於(yu) 快速成型設計和研究目的，工業(ye) 3D打印機越來越多地應用於(yu) 服裝、汽車、飛機、建築、武器、醫藥、電腦、太空等多種領域。世界上製造工業(ye) 用3D打印機的公司包括Renishaw、Objet Geometries、Stratasys、3D System和Z Corporation公司。

使用3D打印技術製作的奧迪RSQ汽車

03. 打印與(yu) 建築

長期以來，傳(chuan) 統建築技術存在著人工投入量大、建設周期長、環境汙染重、資源浪費多、易發生安全事故、產(chan) 生較多建築垃圾等問題。3D打印技術的發展和應用，對於(yu) 解決(jue) 這些問題具有重要意義(yi) 。根據相關(guan) 測算，3D打印理論上可以節約建築材料30～60%，縮短工期50～70%，減少人工50～80%，使建築成本總體(ti) 降低50%以上。

荷蘭(lan) MX3D公司打印的鋼橋

目前3D打印技術在建築領域較為(wei) 成熟的應用主要在兩(liang) 個(ge) 階段。一是建築設計階段，主要是用於(yu) 製作建築和城市規劃模型。通過3D打印方式製作的模型，速度快、成本低、工藝精美且綠色環保。二是建築施工階段，主要是建造足尺建築，通俗地說就是“打印”可供居住和使用的房子。國內(nei) 外一些案例如中國盈創、美國“輪廓工藝”、意大利“D-shape”、荷蘭(lan) “Kamer Maker”、英國奧雅納等，都對建築3D打印技術進行了深入研究，取得開創性成果。

立體(ti) 光刻工藝示意圖

2016年，由中建鋼構有限公司自主研發的“一種塔式3D打印機及其打印方法”獲得國內(nei) 鋼結構行業(ye) 首個(ge) 國家發明專(zhuan) 利授權。這項技術針對建築施工作業(ye) 塔吊安裝技術改造而設計的3D打印機，其控製係統根據3D 模型的坐標位置向機動係統發送控製指令來控製塔吊的上下運動、水平運動和打印係統的位置滑動，使打印係統精確定位到需要打印的坐標位置上，控製物料添加係統向打印係統輸送摻有一定比例粘合劑的建築物料，並遠程操作打印係統精準進行3D打印，可以省略大部分手動施工作業(ye) ，節約大量勞動力、物力，提高施工效率，同時通過在地上的控製係統遠程遙控塔吊的水平和垂直移動，避免了塔吊駕駛人員高空作業(ye) 安全隱患，給現場施工作業(ye) 提供安全保障。

位於(yu) 迪拜的全球首座3D打印全功能辦公室

總體(ti) 而言，建築3D打印技術目前仍處於(yu) 探索階段，存在人才短缺、技術不成熟、新材料不足、標準體(ti) 係有待完善等短板，但是新模式、新技術和新材料（如釩鈦合金材料）的發展正在快速彌補這些不足。從(cong) 長遠看，基於(yu) 其獨特優(you) 勢，未來3D打印將在建築構件、雕塑小品、應急用房、防風固沙、太空基地等方麵發揮重要作用。假以時日，它必將為(wei) 建築業(ye) 帶來更加深刻的變化。

04. 打印未來

諾貝爾獎得主、以色列材料化學家丹尼爾·舍特曼(Daniel Shechtman)認為(wei) 在未來，“3D打印將會(hui) 成為(wei) 一個(ge) 碾壓性的技術”。中國工程院院士、西安交通大學教授盧秉恒預言未來三至五年，中國的3D打印應用將在航空航天、醫療、個(ge) 性化電子產(chan) 品領域迎來爆發，五至十年內(nei) ，3D打印產(chan) 品將在百姓生活中隨處可見。美國經濟學家傑裏米·裏夫金(Jeremy Rifkin)把3D打印視作第三次工業(ye) 革命開始的信號。

3D打印的限量版首飾，原材料為(wei) 玻璃纖維填充的染色尼龍

除了相關(guan) 領域的技術革新，這項技術給環境帶來的變化也顯而易見。3D打印減少了生產(chan) 所需原材料的能源，實現了本地化生產(chan) ，大大降低了運輸所產(chan) 生的能源消耗和溫室氣體(ti) 排放。

3D打印技術在各領域的分布

3D打印技術也引發了社會(hui) 學領域的諸多爭(zheng) 議。美國前財政部長勞倫(lun) 斯·薩默斯(Lawrence Summers)其對傳(chuan) 統就業(ye) 和企業(ye) 創新造成消極影響，諾貝爾經濟學獎得主邁克爾·斯彭斯(Michael Spence)則關(guan) 注技術革新帶來的邊際效益。此外，在打印過程中也會(hui) 無可避免地遭遇專(zhuan) 利、工業(ye) 設計使用權、著作權、商標權等的保護問題，如何應對3D打印武器的管理、如何保障3D打印產(chan) 品如建築、汽車等的安全性也迫切需要慎重思考，而打印人體(ti) 組織和器官更是引發道德倫(lun) 理方麵的激烈討論。

未來海洋城市

毫無疑問的是，在未來，3D打印將徹底改變我們(men) 的生活。

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