引言

變革性技術(shù)是歷史的產(chǎn)物。舉幾個例子來說，蒸汽機，電燈泡，原子能，微晶片等，都曾堅定不移地改變著我們的世界。從原始發(fā)明到改變我們的做事方式，這樣的突破經(jīng)常要時隔幾十年才能實現(xiàn)。而且，其潛在的影響在早期開發(fā)過程中幾乎是無法預測和想象的。

作為當今另一項可能改變世界的新技術(shù)，添加制造（Additive Manufacturing，簡寫為AM ）備受青睞，它又形象地被稱為3D打印。作為一項革命性新技術(shù)，它可能會產(chǎn)生深刻的地域、經(jīng)濟、社會、人口、環(huán)境和安全的影響，從而顛覆持續(xù)兩個世紀之久的傳統(tǒng)設計和制造方法。

如其字義，AM用層層疊加的方法構(gòu)建產(chǎn)品，而不是傳統(tǒng)的做法——從一塊較大的材料中切削材料，比如從一塊鈦合金中切削出一個起落架。與傳統(tǒng)的切削制造（或稱之為減法制造）相比，表面上看起來僅僅是加或減的問題，區(qū)別似乎不大，但事實上，這種改變的意義要深遠的多。

這意味著對于許多產(chǎn)品來說，可以減少甚至消除裝配線和供應鏈。最終產(chǎn)品或者類似汽車的大件產(chǎn)品可以采用AM一步制得。人們不再需要像傳統(tǒng)方法那樣組裝成百上千的部件，這些部件常常是從全球各地的工廠舶來——那些工廠又使用著其他不可勝計的工廠提供的零部件來組裝他們的產(chǎn)品。

這意味著“設計”而非產(chǎn)品，可在世界范圍內(nèi)流通，就如數(shù)據(jù)文件可以被處于任何地點的、任一滿足設計參數(shù)的打印機上被打印一樣?；ヂ?lián)網(wǎng)在信息世界中消除了距離因素，如今AM又消除了物質(zhì)世界的距離因素。如同一份書面文件可以用PDF格式郵件發(fā)送，或者平面打印出來。一份STL1設計文件可以通過互聯(lián)網(wǎng)被即時傳送到地球的另一面，然后被立體打印出來。產(chǎn)品可以根據(jù)要求打印，無需建立新產(chǎn)品和備件的庫存清單。給定的生產(chǎn)設施不用重組就能夠打印一系列類型的產(chǎn)品，而且每次打印不需額外成本就能夠為用戶自定義使用。

這意味著因為生產(chǎn)更貼近消費者，生產(chǎn)和物質(zhì)產(chǎn)品的投遞都可以全球化。制造業(yè)可能撤出中國這樣的制造平臺，回到產(chǎn)品消費國，這樣就減少由于出口國的盈余降低和進口國對進口商品的依賴縮減而帶來的不平衡。同時，在生產(chǎn)過程中，制造、運輸以及能源使用全過程中的碳排放量可以顯著降低，從而大幅提高全球的資源生產(chǎn)率，減少碳排放量。

這也意味著生產(chǎn)過程中對勞動力需求的降低，可能會在某些經(jīng)濟體中造成政治不穩(wěn)定。而其他的經(jīng)濟體，尤其像一些老齡化社會，能夠以更少的勞動力生產(chǎn)更多的商品，從而減少對進口的依賴。

1 AM基 礎

1.1 什么是AM

與兒童把一張折疊的紙切成雪花類似，傳統(tǒng)制造把一塊原材料通過切除的方式做成產(chǎn)品，雖然中間包括一系列復雜的鑄造、成型、熔模和加工，但其核心是削減，因此傳統(tǒng)制造工藝可以被稱作減法技術(shù)。減法技術(shù)催生了工業(yè)革命，形成今天我們所處的世界，功不可沒，但它也包含了固有的局限性，急需新的方法去解決問題。

相比較而言，AM通過從底層向上逐次疊加材料橫截面而創(chuàng)建物體，這與小孩堆積木或玩樂高玩具存在概念上的相似。AM的一般步驟參見圖1。

AM從物體的3D模型開始，往往通過CAD軟件或者已存工件的掃描圖像來創(chuàng)建。通過專業(yè)軟件把模型分解成橫截面層，并創(chuàng)建計算機文件輸入AM機器。AM機器再通過材料的選擇性定位（或成型）形成層次來創(chuàng)建對象。

由于使用疊加的方法，AM過程能夠建立復雜的幾何模型，而其他方法則不行。因此AM在工程設計當中可提供最大的幾何自由，給我們的工業(yè)設計行業(yè)帶來大量新機遇。采用AM，可以生產(chǎn)無需裝配的功能部件，從而節(jié)省了生產(chǎn)時間和成本。最后，AM還能減少浪費，把諸如蝕刻和清洗溶劑等有害化學物質(zhì)降到最低，并且為可循環(huán)材料的使用提供了可能性。綜上好處，AM已經(jīng)具備了在以創(chuàng)新為主的制造業(yè)充當變革性技術(shù)力量的實力。

1.2 AM的應用

最初，AM被稱為“快速原型”，主要用于快速制造新產(chǎn)品的概念模型形式和適應型評估。建筑師可以在計算機上設計新建筑，再以立體模式打印出來呈現(xiàn)給顧客，或進一步優(yōu)化設計。汽車工程師可以設計和打印車輛的前儀表板。由于材料性能和過程可重復性的提高，AM技術(shù)的使用從單一的創(chuàng)建原型演化到為功能測試創(chuàng)建部件，再到為注模和砂型鑄造制造工具，最后到直接生產(chǎn)最終部件。

用AM方法來生產(chǎn)部件的成功工業(yè)案例包括：

——汽車配件：AM不適合大量生產(chǎn)，更多的是用于生產(chǎn)高端部件，如，專業(yè)型汽車。例如，F(xiàn)1賽車的發(fā)動機部件是直接用金屬激光燒結(jié)制造的。

——飛機配件：航空航天領域的小批量生產(chǎn)由于AM的影響使其成為另外一個市場。其中一個例子是F-18的環(huán)境控制系統(tǒng)的風管。AM提供的復雜程度使裝配能夠重新設計，把涉及的部件數(shù)量從16降低到1。

——自定義矯正：A l i g n Technology公司利用AM為全球成千上萬的病人生產(chǎn)透明的定制牙齒矯正器。特別地，運用立體光刻根據(jù)每個病人的牙齒影象的立體掃描數(shù)據(jù)來制造模型。食品及藥物管理局批準的聚合物被用來澆鑄制造矯正器的模具。

——定制助聽器：德國西門子和瑞士峰力公司應用激光燒結(jié)制造定制助聽器?；诙鷾系牧Ⅲw掃描影像制成的助聽器非常適合病人的耳朵，而且從外面幾乎看不見。

2 AM的優(yōu)勢與不足

2.1 優(yōu)勢

AM具有超過傳統(tǒng)制造技術(shù)（比如注模，鑄造、沖壓、加工）的諸多好處。

增加部件的復雜性。一個非常明顯的好處就是創(chuàng)建復雜形狀的能力，而用其他方法是做不到的。例如，彎曲的內(nèi)部冷卻通道可以集成到部件里面。從根本上說，AM過程允許設計者有選擇性地把材料放在需要的地方。從自然界獲得靈感（例如珊瑚、木材和骨骼），設計者能夠制造多孔材料——結(jié)實堅硬且重量輕的結(jié)構(gòu)（如圖2）。

數(shù)字化設計和制造。所有的AM工藝直接根據(jù)標準的數(shù)據(jù)文件(.STL)創(chuàng)建三維固體模型。這些計算機的控制過程減少了創(chuàng)建對象時的人工交互，僅需較低的操作知識就夠了。創(chuàng)建過程無需監(jiān)控，大大減少產(chǎn)品的生產(chǎn)時間——從而減少設計迭代之間的時間。直接用計算機模型創(chuàng)建零件，可以確保創(chuàng)建的零件準確表達設計師的意圖，從而降低傳統(tǒng)制造過程中的誤差。

復雜性是免費的。在傳統(tǒng)金屬鑄造和注模中，新產(chǎn)品需要新的模具來鑄造部件。加工時，需要變換幾次工具生產(chǎn)成品。而AM是“單一工具”過程——無論所需幾何形狀多么復雜，也不需改變過程的任何方面。這實際上使形狀自由變化——在創(chuàng)建復雜和簡單對象之間無需額外的成本或交付時間。就這點而言，AM非常適合創(chuàng)建定制的、復雜的幾何形狀。任何的傳統(tǒng)制造工藝都不能如此經(jīng)濟地提供這么復雜的定制。

全球范圍內(nèi)的即時生產(chǎn)。用數(shù)字文件表示物理結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的全球產(chǎn)品分銷，從而很可能與MP3改變了音樂的分銷一樣，改變產(chǎn)品的分銷方式。數(shù)據(jù)文件可以傳送到任何地方的任何打印機，按照文件內(nèi)的設計參數(shù)生產(chǎn)任何產(chǎn)品。

降低浪費。AM工藝在本質(zhì)上就“綠色”。由于材料層層疊加，只有需要的材料才會被用于生產(chǎn)，所以幾乎是零浪費。這與傳統(tǒng)的減法制造形成了鮮明的對比。拿加工來說，用一塊鋼坯刻出所需的部分——往往在獲得最終產(chǎn)品的同時留下大量被浪費的材料碎片（可能還包括大量的油性切削液)。

2.2 不足

雖然AM技術(shù)與傳統(tǒng)制造工藝相比具有明顯的優(yōu)勢，但也有局限性，無法解決所有問題。

在當前的技術(shù)水平下，AM工藝無法實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，當需要的批量成千上萬時，AM就不具有經(jīng)濟性了。平均而言，AM工藝能夠在約一小時內(nèi)生產(chǎn)1.5英寸的立方體。但傳統(tǒng)的注模機不要1分鐘就可以生產(chǎn)幾個相似的零件。雖然AM在速度上還在不斷提升，但估計較難達到模具技術(shù)那么快的速度。速度的瓶頸源自3D打印的基本物理性質(zhì)——激光掃描、固化材料以及重新涂層都需要一定時間。不過，當需要定制零件是小批量時，AM還是勝任的。此外，如果生產(chǎn)分散，采用3D打印在靠近市場的地方進行生產(chǎn)也可能是經(jīng)濟上合算的（因為節(jié)約了運輸、倉儲成本）。

AM另一個顯著的問題來自材料。AM使用專有聚合物，這些聚合物目前的一些物理特性還弱于傳統(tǒng)制造中的相應部分。同樣，在某些AM工藝當中，零件強度不統(tǒng)一——由于層層疊加的制造工藝，零件強度往往在構(gòu)建的方向上較弱。因此，AM的可重復性亟待提高。由不同機器生產(chǎn)的零件往往具有不同的性能。這些都會帶來最終產(chǎn)品的質(zhì)量不統(tǒng)一。

解決這些問題未來需要多學科的融合與突破。目前已經(jīng)有很多文章探討學科持續(xù)融合的前景，特別是所謂的NBIC(納米技術(shù)、生物技術(shù)、信息技術(shù)和認知科學）。AM可以提供新穎的方法，這一方法可以把NBIC技術(shù)融入原型和成品。而且，這樣跨學科的方法可以提供更好的設計靈活性，以及提高AM生產(chǎn)零件的質(zhì)量。

3 AM對世界的顛覆性影響

盡管AM技術(shù)已經(jīng)有30年以上的歷史，但現(xiàn)在它前所未有地展現(xiàn)出革命性的影響。受到成本降低和直接金屬技術(shù)發(fā)展的刺激，AM的應用越來越廣泛，并開始對全球的產(chǎn)品設計以及制造方式帶來顛覆性變化。

3.1 對生產(chǎn)制造的影響

AM在很多重要方面改變了制造過程。其中在某些方面可能比其他方面早些，這些改變也會以不同的速度應用到不同的終端產(chǎn)品中?？偟膩碚f，AM使生產(chǎn)更貼近消費者，AM允許按需打印，無需建立產(chǎn)品庫存。拿電子書和紙質(zhì)圖書比較，紙質(zhì)圖書必須被打印、運輸和存儲，如果未售出的話還要被退回（往往被切碎）。

AM不僅不需要保持大量的庫存，而且很多情況下不再需要保持備件庫存，或者備件的大量運輸。備件打印能力對商業(yè)、軍事和消費者具有重要意義。尤其是軍方需要在船舶、外國軍事基地和前線維持大量的庫存?zhèn)浼?。通過部署打印機和材料來生產(chǎn)一系列備件能夠降低成本，而不是將所有可能的備件帶到可能需要的地方。美國國防高級研究計劃局(DARPA)正在研制打印技術(shù)，尤其是備件的打印技術(shù)。

制造將會撤出像中國這樣的“制造平臺”，從原料產(chǎn)地轉(zhuǎn)移到另一個本地的大型工廠，回到產(chǎn)品消費國去。

AM的出現(xiàn)也可能引起很多老產(chǎn)品的再發(fā)明，從而帶來非凡的創(chuàng)新。事實上，AM工藝能夠打印電腦上設計的任何物體——從而消除由機械工具、沖壓和成型帶來的限制——工程師和設計者在設計當中將不再被之前的生產(chǎn)技術(shù)所限制。無需采用新的設計和生產(chǎn)工藝，就能夠生產(chǎn)出讓競爭者望塵莫及的好產(chǎn)品。

AM會促進創(chuàng)新，為把生產(chǎn)帶回美國提供重要的新動力。打印技術(shù)允許工程師或設計者隨即打印自己的想法，以評價產(chǎn)品的可行性并納入設計變化。

即時變更設計和改進產(chǎn)品允許產(chǎn)品持續(xù)更新和修改以滿足用戶使用和專業(yè)化要求。設計者和產(chǎn)品之間由于過去200年的生產(chǎn)方法造成的緊張關(guān)系，將會因為3D打印的出現(xiàn)而緩解，從而再次激發(fā)人們對工程和工業(yè)設計的興趣。

3.2 對環(huán)境保護的影響

作為另一項隱性福利，AM可能會幫助解決國際社會面臨的最緊迫的環(huán)境和資源問題。

由于設計而非產(chǎn)品在全球內(nèi)“運輸”，生產(chǎn)和運輸產(chǎn)品過程中的碳排放量將會降低。這些設計在數(shù)字化后備傳輸至個人或公司，然后在靠近購買和使用的地方“打印”產(chǎn)品。通過縮減或消除復雜的批量生產(chǎn)零部件的供應鏈，最終產(chǎn)品的碳排放量將會被進一步降低。此外，生產(chǎn)最終產(chǎn)品所需的能源總量也可以被減少，至于減少多少則取決于被打印產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、組件數(shù)目以及材料的復雜性。

通過大大減少生產(chǎn)過程中的浪費，AM也可以提高全球的“資源生產(chǎn)率”，即利用同樣數(shù)量的資源生產(chǎn)更多的產(chǎn)品。對不可再生資源（例如稀土金屬）來說，這可能會緩解供給和需求之間越來越大的差距。相同數(shù)量的鋼鐵、水泥、塑料和其他原材料將能夠生產(chǎn)出更多的最終產(chǎn)品，從而節(jié)約寶貴的資源。此外，尤其是對于低端產(chǎn)品來說，AM可以提高塑料和金屬等材料的循環(huán)利用能力?？纱蠓鶞p少或消除浪費的另一個來源是過度生產(chǎn)或未售出的生產(chǎn)，以及庫存和備件的存儲成本。這可以減少維持新產(chǎn)品和備件庫存的直接貨幣成本。

AM也可以減少在生產(chǎn)過程中有毒化學物質(zhì)的使用。這將減少這些化學品處置的難度和費用，以及減少其生產(chǎn)的總體需要。

3.3 對全球經(jīng)濟的影響

AM的廣泛使用深刻地影響著全球經(jīng)濟。由于許多商品更貼近消費者的需求，物質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)和分配開始全球化。因為出口國的盈余減少和進口國對進口的依賴縮小，一種新形式的“進口替代”占據(jù)了上風，所以這種生產(chǎn)的本地化可能會減少全球經(jīng)濟失衡。

AM將創(chuàng)造新的產(chǎn)業(yè)和行業(yè)。生產(chǎn)各種精密的3D打印機很可能是一個新的行業(yè)。從個人家用打印機到制造中心的創(chuàng)建，從商店打印到政府機構(gòu)打印，將出現(xiàn)了一個不斷增長的客戶群。在未來幾十年內(nèi)，全球制造向AM工藝轉(zhuǎn)移，這可能涉及數(shù)萬億美元的業(yè)務，包括生產(chǎn)產(chǎn)品的價值，打印機和耗材的價值，以及包含產(chǎn)品工程和設計等專業(yè)服務的價值——還有知識產(chǎn)權(quán)（IP）保護和爭端解決時所賺取的律師費。

由于產(chǎn)品的設計有可能得到廣泛的傳播，以及兼容性的打印機能夠生產(chǎn)相同的產(chǎn)品，AM知識產(chǎn)權(quán)的保護可能會是一個挑戰(zhàn)——復制軟件盜版的問題。此外，在過去的幾十年里，由于熱情的年輕工程師和企業(yè)家期待“改變世界”，抓住這個新興行業(yè)的潛力賺取財富。跟隨軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式，產(chǎn)品設計可能是一個新的產(chǎn)業(yè)。最后，各種材料不同規(guī)模的打印機“墨盒”的生產(chǎn)和銷售，也可能是一個發(fā)展的行業(yè)——可能是一個主要的利潤來源，因為它已經(jīng)存在于惠普和其他打印機制造商的2D印刷世界。

發(fā)展中國家將是AM生產(chǎn)的主要受益者，但同時也是出口就業(yè)機會衰減的失敗者。由于AM允許采用包括再生材料在內(nèi)的本地材料來設計和打印更適合當?shù)叵M的產(chǎn)品，發(fā)展中國家，可以減少對昂貴進口商品的依賴，生產(chǎn)更加實用的產(chǎn)品，并從生產(chǎn)中獲得利潤。但是在另一方面，這將大大降低與制造業(yè)相關(guān)的就業(yè)機會。

老齡化社會，特別是在發(fā)達國家，可能會從AM中受益。3D打印技術(shù)將減少對勞動力和進口產(chǎn)品的需求，從而可能會大大增加這些社會的整體生產(chǎn)力。AM帶來的健康利益也可能降低老人的醫(yī)療保健費用。

3.4 對地緣政治的影響

全球經(jīng)濟的發(fā)展趨勢對地緣政治的看法起到了關(guān)鍵作用。財富和權(quán)力從西方向東方的轉(zhuǎn)移，在過去十年中一直特別顯著。預計在不確定的未來當中，這一轉(zhuǎn)移將繼續(xù)，并隨后塑造二十一世紀的地緣政治。在未來的幾十年里，除了權(quán)力轉(zhuǎn)移以外，其他的趨勢也可能帶來巨大的挑戰(zhàn)。特別是水、能源和非可再生材料，在面對世界人口增長、城市化水平提高以及不斷擴大的全球中產(chǎn)階級對資源消耗越來越多的要求時，就顯得日益稀缺。

AM會影響所有這些趨勢的軌跡。像中國、日本和德國這樣的國家通過出口為主導的經(jīng)濟增長，尤其是消費類產(chǎn)品的出口，建立了自己的繁榮和政治權(quán)力。隨著越來越多的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到消費國以及進口需求的下降，這些國家的增長可能會遇到一個相對的下降。不過盡管出口市場的損失和生產(chǎn)過程中的可能發(fā)生顛覆性變化，像中國、印度、印度尼西亞和巴西等擁有龐大的國內(nèi)市場的國家，仍可以成功地過渡到一個AM經(jīng)濟體，而繁榮卻絲毫不減。

對每個國家還存在這樣轉(zhuǎn)變機會，即從現(xiàn)有經(jīng)濟實力中，衍生出在3D打印機的設計生產(chǎn)以及打印最終產(chǎn)品的設計方面的新能力。如果能在AM打印機的生產(chǎn)和最令人滿意且適銷對路的設計兩個方面成為領跑者，尤其是美國可能會遇到一個在創(chuàng)新、設計、知識產(chǎn)權(quán)出口和制造業(yè)方面的復興；歐洲和經(jīng)合組織（OECD）的其他國家也有可能是這場制造業(yè)革命的早期推動者；發(fā)展中國家可以更迅速地改善自己的經(jīng)濟條件，以及減少對如中國這樣的產(chǎn)品生產(chǎn)者的依賴。

4 結(jié)論

AM有望超越單純的新興技術(shù)而成為一種真正的變革性創(chuàng)新。在當?shù)乜梢源蛴〕鰩缀跛写嬗谀X海中的設計，這樣的能力在我們的社會將引起強烈反響。因此，從現(xiàn)在開始，技術(shù)人員和政策制定者開始更緊密的對接是至關(guān)重要的。雖然未來難以預測，但在AM這一顛覆性創(chuàng)新的發(fā)展過程中，具有遠見的、先進的規(guī)劃是很有必要的。