3D打印和快速成型是加式製造行業(ye) 的重要組成部分，正如計算機之於(yu) 信息行業(ye) 。快速成型相當於(yu) 上世紀60年代的專(zhuan) 用和大型計算機，而3D打印則是上世紀70年代的個(ge) 人PC和蘋果台型計算機。3D打印的原理為(wei) 疊層加式製造，將打印材料在X-Y平麵通過掃描形式描繪出3D模型的截麵形狀，然後通過在Z軸方向上做間斷單個(ge) 層麵厚度的位移，最終形成立體(ti) 實物。

       3D打印技術是以3D模型為(wei) 藍本，通過軟件將3D模型進行分層離散化處理，由數控成型係統利用激光束、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平麵進行逐層成型掃描，並在Z軸進行堆積黏結，最終疊加成實體(ti) 產(chan) 品。由其定義(yi) 知，3D打印屬於(yu) 加式製造範疇。而傳(chuan) 統製造業(ye) 屬於(yu) 減式製造範疇，即通過模具、車銑等機械加工技術與(yu) 工具將原材料轉化成產(chan) 品的工藝過程，其特征為(wei) 利用縮削、減少材料來生產(chan) 部件。與(yu) 傳(chuan) 統製造業(ye) 相比， 3D打印不需要複雜的工藝，不需要龐大的機床，不需要眾(zhong) 多的人力，不需要冗長的流水線作業(ye) ，直接通過計算機3D模型數據，便可由打印機生產(chan) 任何形狀的零件，使生產(chan) 製造得以向更廣的生產(chan) 人群範圍延伸。

3D打印技術發展史

        3D打印技術是實現加式製造的一種方式。在很多文獻中，將加式製造等同於(yu) 3D打印技術。加式製造的主要特征就是利用逐層增加材料的方式生產(chan) 各種產(chan) 品，無須模具，因此也被稱為(wei) 無形製造技術（Freeform Fabrication，簡稱FF或FFF）。加式製造的思想也是自古有之。從(cong) 遠古時期至今，房舍樓宇的構建技術始終體(ti) 現了加式製造的思想。工業(ye) 時代早期，就有許多加式製造的技術和專(zhuan) 利出現。根據美國學者所查出的世界上相關(guan) 加式製造專(zhuan) 利和技術，現代的加式製造有兩(liang) 個(ge) 源頭：照相雕塑（Photosculpture）技術和地貌成型（Topography）技術，分別始於(yu) 1860年法國人Willeme的多照相機實體(ti) 雕塑專(zhuan) 利和1890年美國人Blanther的分層應急地貌圖專(zhuan) 利。我們(men) 認為(wei) ，照相雕塑更接近從(cong) 3D模型數據產(chan) 生物體(ti) 的過程，因此更能體(ti) 現加式製造的思想。特別是1951年Munz的專(zhuan) 利，十分清楚地展示了現代立體(ti) 印刷（Stereolithography）的特征。

       現代加式製造技術直接起步於(yu) 1968年Swainson的專(zhuan) 利、1972年Ciraud的專(zhuan) 利和1979年Housholder的專(zhuan) 利，分別開創了激光三維聚合成型、直接粉末沉積和粉末激光燒結等加式製造技術。一般認為(wei) ，1972年德國人Ciraud提出的利用激光能量光束進行粉末沉積，實現分層疊加成型的技術，是世界上第一個(ge) 成功的現代加式製造過程。從(cong) 上世紀80年代起，各種各樣的加式製造技術大量出現，並在許多領域裏進行了創造性的應用，形成今天的加式製造，特別是3D打印技術的新局麵。從(cong) 上世紀80年代起，各種各樣的加式製造技術大量出現，並在許多領域裏進行了創造性的應用，形成今天的加式製造，特別是3D打印技術的新局麵。

三種常用3D打印技術

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

1.光固法

       原理：光固法技術是基於(yu) 液態光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態材料在一定波長和強度的紫外光的照射下迅速發生光聚合反應，材料從(cong) 液態轉變成固態。在打印的時候，成型平台周圍有一個(ge) 液體(ti) 槽，槽裏麵充滿了可以紫外線照射固化的液體(ti) ，紫外線激光會(hui) 從(cong) 底層做起，固化最底層的，然後平台下移，固化下一層，如此往複，直到最終成型。

       優(you) 點：分層精度高，可達到0.016mm；表麵粗糙度小；原材料利用率高。

       缺點：隻能使用光敏樹脂，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，這些液體(ti) 材料通過噴嘴擠出後立即固化，固化的材料逐層疊加最終形成實物。

      優(you) 點：適用的材料較多；可在辦公室環境下操作。

      缺點：成型的實物表麵較粗糙，需做後期處理；Z軸因分層原因可能會(hui) 產(chan) 生一定誤差；ABS材料相對PLA材料對溫度較敏感，成型平台需加熱，否則容易產(chan) 生形變；ABS材料有氣味，微毒，需在通風條件下打印；需要材料支撐。

3.激光選區燒結法

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

       優(you) 點：適用多種材料，如塑料、蠟、金屬粉末等；可直接製造特殊、複雜功能的模型；一次可成型多個(ge) 模型。

       缺點：成型中未燒結的材料性能會(hui) 有部分下降，需摻入部分新材料後方能適用；使用環境有輕微粉塵，無毒，需通風。

國外3D打印發展到什麽(me) 程度

        3D打印技術在美國已經形成產(chan) 業(ye) 化，目前美國3D打印市場主要分為(wei) 兩(liang) 類公司。

        一類是以生產(chan) 研製打印機為(wei) 主的公司，如3D Systems，Stratasys，MarkerBot，Formlabs等，其中3D Systems是全球最大的3D打印機生產(chan) 商，該公司不僅(jin) 提供打印機，還出售打印機配套的原材料、相關(guan) 軟件，並為(wei) 客戶提供培訓，涉及的行業(ye) 包括模具、醫療、教育、珠寶、建築等。

       另一類則是以3D打印機為(wei) 基礎，以服務大眾(zhong) 為(wei) 主的社會(hui) 製造公司，其中最著名的兩(liang) 個(ge) 公司為(wei) Shapeways和Quirky。

       Shapeways公司於(yu) 2007年創立於(yu) 荷蘭(lan) ，後將總部移至美國紐約市，截至目前，公司已獲得兩(liang) 輪投資，第一輪金額為(wei) 510萬(wan) 美元，第二輪為(wei) 620萬(wan) 美元。2012年10月，該公司在紐約皇後區的“未來工廠”投入運營。“未來工廠”就是50台工業(ye) 3D打印機，通過Facebook和Twitter等社會(hui) 媒體(ti) ，接受客戶的各種產(chan) 品的三維設計方案，並在數天內(nei) 完成產(chan) 品的打印生產(chan) ，然後寄送給客戶。同時，該公司還為(wei) 商家和設計者設立平台，使他們(men) 可以利用公司的3D打印機生產(chan) 並銷售自己設計或收集的產(chan) 品，目前該公司已有近15萬(wan) 個(ge) 平台會(hui) 員，6000餘(yu) 名設計者，至2012年6月20日，已經打印了100多萬(wan) 個(ge) 3D產(chan) 品。

       Quirky公司於(yu) 2009年成立於(yu) 美國紐約，至今已獲近億(yi) 美元的風險基金。Quirky的特色是眾(zhong) 包：公司通過Facebook和Twitter等社會(hui) 媒體(ti) 接收公眾(zhong) 提交的產(chan) 品設計思路，並由公司的注冊(ce) 用戶進行評論和投票表決(jue) ，如此每周挑選出一個(ge) 產(chan) 品進行3D打印生產(chan) ，參加產(chan) 品設計和修正過程的眾(zhong) 包人員可分享30%的營業(ye) 額。公司還進一步將眾(zhong) 包設計改進的過程同時轉化為(wei) 通過社會(hui) 媒體(ti) 來推薦相應產(chan) 品的過程，創造性地拓展了銷售市場。目前，該公司每年僅(jin) 生產(chan) 60種產(chan) 品，產(chan) 品的提交費由最初的99美元降至現在的約10美元，公司的注冊(ce) 用戶每月以20%的速度增長，已達30萬(wan) 人，而網上社區注冊(ce) 用戶達26萬(wan) 。公司有望今年獲利100萬(wan) 美元，已向發明者支付了200多萬(wan) 美元的授權費。Quirky的一個(ge) 成功例子是一位中學生所設計的“Pivot Power”插線板，今年已獲50萬(wan) 美元的淨收入，該中學生的收入超過5萬(wan) 美元。#p#分頁標題#e#

       盡管美國在3D打印的整體(ti) 技術上領先全球，但在基礎研究設施、研發組織和政府支持上，歐盟明顯領先。首先，歐盟在政府研發方麵的投入力度要大於(yu) 美國（不計不公開的國防軍(jun) 事投入），著名的大型合作項目包括英國的加式製造創新中心、歐盟第六框架項目大航空航天組件快速生產(chan) RAPOLAC（Rapid Production of Large Aerospace Components，大型航空航天部件快速生產(chan) ），全程專(zhuan) 注航空航天的SMD（Shaped Metal Deposition，成型的金屬沉積）技術等等。其次，歐洲工業(ye) 界也主動組織形成3D打印產(chan) 業(ye) 群，共同開發加式製造的市場。一度形成原始創新技術源於(yu) 美國，但其後的研發和應用及商業(ye) 化卻是由歐盟等國家完成的局麵。

       近幾年來，美國明顯加大、加快了對3D打印技術研發的組織力度，但仍然是以企業(ye) 和大學及科研機構等半政府、半民間的組織為(wei) 主導力量。2009年，以美國相關(guan) 大學為(wei) 主的“加式製造路線（RAM）研討會(hui) ”就未來5到10年的技術發展進行了廣泛的討論，並發表了較有影響的路線圖研討報告。根據這一報告的建議，由愛迪生焊接研究所（EWI）牽頭於(yu) 2010年成立“加式製造共同體(ti) AMC（Additive Manufacturing Consortium）”，試圖將相關(guan) 的製造商與(yu) 供應商同大學與(yu) 研究機構聯結成為(wei) 一個(ge) 互動良性發展促進的生態組織，共同解決(jue) 3D打印技術中還存在著的大量問題。AMC目前已有30餘(yu) 家企業(ye) 、研究所、大學、軍(jun) 方和政府等機構成員，以金屬材料的加式製造技術為(wei) 主，每季度活動一次。目前，AMC整合EWI及其成員的設備、技術和專(zhuan) 業(ye) 知識，初步構成了一個(ge) 分布式、網絡化的加式製造“國家實驗平台中心NTBC（National Test Bed Center）”。AMC和NTBC的使命就是提高3D打印加式製造技術的成熟度，促進相應的產(chan) 業(ye) 投資，在全美範圍內(nei) 將這一新興(xing) 的製造方式早日轉化為(wei) 主流的製造方式。自2011年起，AMC每年都向其會(hui) 員發布加式製造的現狀報告。此外，近三年來美國政府、軍(jun) 方及企業(ye) 還多次組織了3D打印技術的有獎挑戰大賽，希望以此加速相關(guan) 技術的發展、應用和普及。

中國四大3D打印公司

       國內(nei) 從(cong) 事3D打印的相關(guan) 企業(ye) ，從(cong) 軍(jun) 用到民用，從(cong) 高端到低端可分為(wei) 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，成立於(yu) 2011年7月，注冊(ce) 資本1億(yi) 元。中航激光主要發展激光快速成型技術，以鈦合金等金屬粉末為(wei) 原料，通過激光熔化逐層沉積（“生長製造”），直接由零件CAD模型一步完成高性能大型整體(ti) 結構件的成型。目前公司已經在做一些鈦合金、高溫合金產(chan) 品，現在做的都還是軍(jun) 用品，首先立足航空，然後向其他方向拓展，專(zhuan) 注高端產(chan) 品。公司產(chan) 品已經應用於(yu) 中國多款新型軍(jun) 用飛機上。2011年已實現營業(ye) 收入1億(yi) 元。據興(xing) 業(ye) 證券保守估計，中航激光2015年將實現8億(yi) 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、生產(chan) 和銷售於(yu) 一體(ti) 的高新技術企業(ye) ，公司成立於(yu) 2009年10月，注冊(ce) 資本5750萬(wan) 元。從(cong) 事基於(yu) 激光技術的塑膠、金屬、陶瓷產(chan) 品無模具智能製造等領域的經營。公司采用低成本的產(chan) 品製造技術並通過合理的采購與(yu) 分銷渠道管理進行成本控製，使到達顧客手中的產(chan) 品真正成為(wei) 性價(jia) 比極優(you) 的產(chan) 品。目前，華曙高科年營業(ye) 額近300萬(wan) 元，其中出口額近100萬(wan) 元。

       北京太爾時代科技有限公司是一家具有豐(feng) 富生產(chan) 和市場經驗的高新技術企業(ye) ，主要從(cong) 事快速成型係統、快速製模設備以及專(zhuan) 用耗材的開發、設計、生產(chan) 和銷售。公司成立於(yu) 2003年，注冊(ce) 資本450萬(wan) 元，現有占地8000多平方米的生產(chan) 基地。公司目前已成為(wei) 快速成型設備製造領域的龍頭企業(ye) ，產(chan) 品覆蓋國內(nei) 26個(ge) 省市，並遠銷歐洲、中亞(ya) 。公司產(chan) 品廣泛服務於(yu) 工業(ye) 製造、航空航天、動漫設計、醫療、教育等多個(ge) 領域。

       深圳維示泰克技術有限公司，由留德博士於(yu) 2011年5月份創立，是國內(nei) 首家專(zhuan) 業(ye) 從(cong) 事於(yu) 個(ge) 人3D打印機、3D教學儀(yi) 器、3D打印耗材、三維成型產(chan) 品的開發、生產(chan) 、銷售的高科技企業(ye) 。維示泰克是國內(nei) 個(ge) 人3D打印機領域內(nei) 的領頭企業(ye) 。公司總部位於(yu) 國內(nei) 著名的高科技企業(ye) 孵化中心深圳留學生創業(ye) 大廈的最頂層。同時，公司在湖北還擁有550畝(mu) 專(zhuan) 業(ye) 的耗材生產(chan) 基地。公司注冊(ce) 資本100萬(wan) 元，年營業(ye) 額近500萬(wan) 元。

3D打印與(yu) 社會(hui) 製造

        2012年9月19日，著名科技雜誌《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或將改變你的世界）”描述了新型3D打印機的進展情況。根據該報道，MakerBot公司新推出的低端3D打印機Replicator 2的價(jia) 格僅(jin) 為(wei) 2199美元，高端的Replicator 2X也隻有2799美元；並且，幾年後價(jia) 格可能會(hui) 降到99美元；屆時，每個(ge) 人都將擁有3D打印機，比計算機還要普及。在2011年美國加式製造現狀的許多報告中，3D打印的個(ge) 人使用和世界範圍的應用已被列為(wei) 最新的發展趨勢。

       這意味著“長尾效應”常態化將在生活和產(chan) 業(ye) 中成為(wei) 現實，意味著個(ge) 性化的規模化和經濟化，意味著社會(hui) 製造時代的來臨(lin) ：在這個(ge) 時代裏，社會(hui) 需求將同社會(hui) 製造能力實時無縫地銜接，搜索就是製造，搜索就是生產(chan) ，搜索就是消費。原因十分簡單，減式製造依靠規模生產(chan) 降低成本，但絕大多數的需求並不需要規模生產(chan) ，屬長尾範圍，過去隻能由手工製作或歸為(wei) 奢侈品來滿足，而現在可以通過3D打印技術高質量且經濟地解決(jue) 。3D打印成本的下降和應用的普及，意味著加式製造的Microsoft、Oracle、Yahoo、Amazon、Google、QQ、阿裏巴巴、Facebook、Twitter和微博時代的同時到來。正如Google依靠大規模的計算機服務器陣列來滿足人們(men) 信息搜索的需求，從(cong) 而改變人類生活與(yu) 工作方式一樣，我們(men) 可以設想未來的3D打印機組成大規模的製造陣列，實時方便地滿足人類對各種個(ge) 性化產(chan) 品的物質需求，進而更加深刻地改變我們(men) 生活的社會(hui) 。

       社會(hui) 製造最大的特色就是消費者可以將需求直接轉化為(wei) 產(chan) 品，即“從(cong) 想法到產(chan) 品”，並使得任何人都能通過社會(hui) 媒體(ti) 和眾(zhong) 包等形式參與(yu) 設計、改進、宣傳(chuan) 、推廣、營銷等過程，並可以分享其產(chan) 品的利潤。簡言之，社會(hui) 製造就是利用3D打印、網絡技術和社會(hui) 媒體(ti) ，通過眾(zhong) 包等方式讓社會(hui) 民眾(zhong) 充分參與(yu) 產(chan) 品的全生命製造過程，實現個(ge) 性化、實時化、經濟化的生產(chan) 和消費模式。

發展瓶頸及應用前景

        3D打印的發展瓶頸可歸為(wei) 如下四個(ge) 因素：一是原材料因素：能夠用於(yu) 3D打印的材料非常有限，主要為(wei) 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(jia) 格因素：目前大多數個(ge) 人3D打印機售價(jia) 在2萬(wan) 元左右，一些國內(nei) 仿製品價(jia) 格可以低到5000元左右甚至更低，但其打印精度和質量很難保障。高精度3D打印機價(jia) 格非常昂貴，一般售價(jia) 在幾十萬(wan) 到幾百萬(wan) 元之間。三是打印前後期處理：對於(yu) 一個(ge) 非專(zhuan) 業(ye) 的設計人員，設計富有個(ge) 性化的模型需耗費大量時間，並在打印過程中需要對模型反複調整和修改。除此之外，通常打印完成後，對於(yu) 打印的成品還需進行一些後續處理，如打磨、燒結、組裝或切割等，需要大量的手工工作。四是缺乏行業(ye) 標準：目前國內(nei) 生產(chan) PLA和ABS材料的廠家有數十家，對於(yu) 同一型號的3D打印機，選取不同廠家的材料打印出來的產(chan) 品質量大不相同，且3D打印機生產(chan) 商一般都捆綁式出售3D打印材料，缺乏打印原材料的統一標準，導致打印材料價(jia) 格和成本很難降低，難以形成產(chan) 業(ye) 鏈。#p#分頁標題#e#

        未來5-10年，隨著技術的不斷進步及市場需求的不斷擴大，3D打印將對許多相關(guan) 行業(ye) 帶來影響和衝(chong) 擊。

        對軟件行業(ye) 來說，3D打印使3D模型設計者成為(wei) 主流設計人群，形成3D設計師職位；3D製圖軟件的種類會(hui) 越來越多，操作會(hui) 更加簡單化；在線協同製作3D模型變得日常化，類似於(yu) office軟件一樣普及；關(guan) 於(yu) 3D廣告設計與(yu) 3D模型的安全存儲(chu) 等業(ye) 務將會(hui) 引起人們(men) 的重視。

       對材料行業(ye) 來說，通過目前打印材料提供商之間的競爭(zheng) 和市場規律的作用，最終將會(hui) 形成3D打印材料的統一標準，形成一個(ge) 規範的3D打印材料的產(chan) 業(ye) 鏈。3D打印的材料種類會(hui) 不斷增加，材料的成型性能將不斷改進，以滿足不同行業(ye) 的需求。

       對自動化行業(ye) 來說，隨著3D打印技術的不斷發展，3D打印機對控製算法的要求會(hui) 越來越高。為(wei) 了能提高模型成型的質量，同時降低成型的時間，現有的控製算法將被逐步改進或取代。並且為(wei) 了能使3D打印機支持多種材料打印，相關(guan) 的配套硬件需要重新設計。

（作者李雙雙係中國科學院自動化研究所博士生，王飛躍係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）