徐冰 吳劍鋒 浙江工業(yè)大學(xué)

2012年，XPRIZE公司的CEO Diam andis博士在談到未來電子及工業(yè)創(chuàng)新時，重點提到了3D打印技術(shù)。在2013年的意法半導(dǎo)體傳感器設(shè)計大賽中，獲得最高獎的西電代表隊的作品外形也是用3D打印技術(shù)制造出來的。在中國北京DRC基地的首家3D打印體驗館里，只要有一臺3D打印機(jī)和相應(yīng)的掃描儀等設(shè)備，十幾分鐘就可以出爐縮小版的人像。瞬間造成“克隆人”，已不再只是停留在好萊塢科幻片中的場景了，而是成為可以看得見，摸得著的現(xiàn)實世界了。在更早開始使用3D打印機(jī)的歐美等發(fā)達(dá)國家，目前3D打印的功能近乎魔幻化——小到人體的心血管組織，大到高層建筑或飛機(jī)外殼，3D打印幾乎無所不能。在3D打印技術(shù)不可思議的背后，是其對整個傳統(tǒng)制造業(yè)流程的顛覆，一場前所未有的技術(shù)革命即將到來。

目前，3D打印技術(shù)依托多個學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用，發(fā)展前景廣泛。英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志在《第三次工業(yè)革命》一文中，將其稱為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一。在3D打印技術(shù)得到廣泛運用的情況下，傳統(tǒng)制造業(yè)也許不再運用企業(yè)這種將人力、資金、設(shè)備等生產(chǎn)要素大規(guī)模集中化的生產(chǎn)方式，而轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N以3D打印機(jī)為基礎(chǔ)、更加靈活、所需要投入更少的生產(chǎn)方式——社會化制造（Social Manufacturing）。面對這一新的生產(chǎn)方式變革，以美國的“重振制造業(yè)計劃”為例，西方發(fā)達(dá)國家陸續(xù)開展類似的研究以推動其“再工業(yè)化、再制造化戰(zhàn)略”，掀起新一輪的數(shù)字化制造浪潮，以3D打印為代表的增材制造技術(shù)已成為國際制造業(yè)關(guān)注的熱點。

圖1 利用三維打印機(jī)制作的彩色玩偶

3 D打印技術(shù)的基本原理

所謂的3D打印，即與傳統(tǒng)二維打印相比，其最后的成品不是二維圖樣，而是一個真實的三維物體。3D打印技術(shù)是傳統(tǒng)的二維打印與分層制造工藝相結(jié)合的產(chǎn)物，是快速成型制造技術(shù)的一個重要組成部分，其基本原理與快速成型制造類同。其工作實質(zhì)是一個“三維電子模型——二維數(shù)據(jù)——三維物理模型”的轉(zhuǎn)化?；玖鞒倘缦拢?/p>

⑴由CAD軟件（如Unigraphics，Pro／Engineer，AutoCAD等）生成實體的三維幾何信息，然后根據(jù)工藝要求，按照一定規(guī)則將該三維實體模型離散為一系列有序的單元，通常在Z向?qū)⑵浒匆欢ê穸入x散成一系列的二維層片。

⑵在層片信息中添加實體的材料信息。

⑶通過打印驅(qū)動程序，經(jīng)過一個數(shù)字半色調(diào)的過程將連續(xù)的材料組分信息，轉(zhuǎn)化成可印刷的離散材料信息，并產(chǎn)生打印指令。

⑷最后打印機(jī)根據(jù)系統(tǒng)所給的幾何路徑和材料組分信息，在打印平臺上打印給定的層厚，即打印一個剖切面，完成一層之后，再打印接下來的一層，這樣層層堆積疊加，得到三維實體。

打印結(jié)束后，進(jìn)行除粉、烘干等后處理，同時可以將蠟、環(huán)氧樹脂或其他材料滲入原型材料中，以提高原型件的強(qiáng)度和使用壽命。此外，還可以進(jìn)行拋光、油漆、著色、電鍍等。通常而言，對簡單零件而言，后處理階段所需時間在10分鐘內(nèi)。

圖2 3D 打印機(jī)工作的基本流程示意

3 D打印技術(shù)的特點

3D打印技術(shù)是目前快速成型行業(yè)中最有生命力的技術(shù)，其主要特點如下：

⑴由三維CAD模型直接驅(qū)動，在一定程度上實現(xiàn)了設(shè)計制造一體化。

⑵高度柔性。這種制造方式不受零件的形狀和結(jié)構(gòu)的任何約束，使復(fù)雜模型的直接制造成為可能；除了可以表現(xiàn)出外形曲線上的設(shè)計，對于結(jié)構(gòu)以及運動部件的表現(xiàn)也不在話下。如果用來打印機(jī)械裝配圖，齒輪、軸承、拉桿等都可以正常活動，而腔體、溝槽等形態(tài)特征位置準(zhǔn)確，甚至可以用于測試裝配公差的設(shè)計合理性，打印出的實體還可以通過打磨、鉆孔、電鍍等方式進(jìn)一步加工。同時粉末材料不限于砂型材料，還有彈性伸縮材料、高性能復(fù)合材料、熔模鑄造材料、金屬材料等其它材料可供選擇。

⑶縮短新產(chǎn)品的研制周期，降低研發(fā)成本。三維打印技術(shù)可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)換成真實的產(chǎn)品模型，從而可以對正處于設(shè)計階段的產(chǎn)品做出快速評價、修改及功能試驗，這樣既有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，又降低了經(jīng)濟(jì)損耗。

但由于該技術(shù)還處于初級階段，還存在很多不足之處，例如對用來打印的材料有一定的要求，到目前為止，它使用尼龍粉末、塑料、陶土或金屬等材料進(jìn)行打印，所以它所能打印出的三維實體大多還只是實物的模型，不能直接對其進(jìn)行應(yīng)用。

3 D打印技術(shù)的發(fā)展簡史

3D打印機(jī)普遍采用快速成型技術(shù)，到目前為止，已有十幾種不同的快速成型技術(shù)方法問世。其中比較典型的有分層實體制造（也稱疊層法LOM—Laminated Object Manufacturing）、選擇性激光燒結(jié)（SLS—Selective Laser Sintering）、立體平板因素印刷（也稱為光固法SLA—Stereolithography）、熔融沉積制造（FDM—Fused Deposition Modeling）、掩模固化法（SGC—Solid Ground Curing）和三維印刷法（3DP—Three Dim ensional Printing）。

生產(chǎn)LOM 系統(tǒng)的主要制造商有美國的Helysis公司、新加坡的KINERGY公司、日本的KIRA公司以及國內(nèi)的清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等；生產(chǎn)SLS系統(tǒng)的主要制造商有美國的DTM 公司、德國的EOS公司以及國內(nèi)的北京隆源公司、華中科技大學(xué)等；生產(chǎn)FDM 系統(tǒng)的主要生產(chǎn)商有美國Stratasys公司及國內(nèi)的清華大學(xué)等；生產(chǎn)SLA系統(tǒng)的主要制造商有美國的3Dsystem s公司、德國的EOS公司以及國內(nèi)的西安交通大學(xué)等。另外，一些其他的方法如三維噴涂粘接3DPG、數(shù)碼累積造型DBL、立體光刻SGC、直接殼法DSPC、噴墨打印、全息干涉制造、彈道微粒制造、光束干涉固化等都有一定研究規(guī)模。

圖3 3D 打印技術(shù)在產(chǎn)品裝配、器官模擬、藝術(shù)創(chuàng)造方面的應(yīng)用

另外，有些3D打印機(jī)采用數(shù)字半色調(diào)技術(shù)。數(shù)字半色調(diào)技術(shù)是基于人眼的視覺特性和圖像的成色特性，利用數(shù)學(xué)、計算機(jī)等工具，在二值設(shè)備或有限灰度級別設(shè)備上實現(xiàn)圖像再現(xiàn)的一門技術(shù)。它將連續(xù)色調(diào)圖像經(jīng)過處理后輸出，即將具有連續(xù)色調(diào)的原始圖像轉(zhuǎn)化為離散的二值(0或1)陣列，并通過打印機(jī)在介質(zhì)上輸出此二值陣列來實現(xiàn)圖像階調(diào)的再現(xiàn)。對于三維打印機(jī)而言，它在打印過程中也需要這一轉(zhuǎn)化過程，只是在操作過程中將顏色信息轉(zhuǎn)變成了材料信息而已。

在歐美等發(fā)達(dá)國家，3D打印技術(shù)的應(yīng)用已較為廣泛，大到飛行器、賽車，小到服裝、手機(jī)外殼、甚至是人體組織器官，各領(lǐng)域或多或少都借著3D打印的東風(fēng)，煥發(fā)出新的生命。目前3D打印技術(shù)已成為國外研究空間飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。美國總統(tǒng)奧巴馬在最近的國情咨文演講中多次強(qiáng)調(diào)3D打印技術(shù)的重要性，稱其將加速美國經(jīng)濟(jì)的增長。美國政府將人工智能、3D打印、機(jī)器人作為重振美國制造業(yè)的三大支柱，其中3D打印是第一個得到政府扶持的產(chǎn)業(yè)。據(jù)悉，美國國家航空航天局正在研究一項被稱為“未來3 D打印宇宙飛船”的技術(shù)，希望通過3D打印，制造出“廉價的機(jī)器人宇宙飛船”，奧巴馬政府已經(jīng)在俄亥俄州重點投入建一個專門整合國家資源的研究所，以加大3D打印技術(shù)的研究和應(yīng)用力度。事實上，在美國，價格低、操作簡便的小型家用3D打印機(jī)已到了“每4公里范圍內(nèi)有一臺”的普及程度，其購買量不斷攀升。近10年，三維打印機(jī)開始快速發(fā)展，比較有代表性的生產(chǎn)商包括德國Eos公司、美國的3D System 公司、Z Corp公司等。

我國的3D打印技術(shù)自1990年代初就有多所高校開始進(jìn)行具有自主知識產(chǎn)權(quán)的快速成型技術(shù)研發(fā)，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校和科研機(jī)構(gòu)相繼研發(fā)出多種系列的3 D打印機(jī),部分技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，取得了令人矚目的科研進(jìn)展。如華中科技大學(xué)史玉升教授的研究團(tuán)隊開發(fā)的1.2米*1.2米的“立體打印機(jī)”（基于粉末床的激光燒結(jié)快速制造裝備），是目前世界上最大成型空間的得到工業(yè)應(yīng)用的3D打印機(jī)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國外同類裝備水平。

但是由于資金投入、研發(fā)水平等因素的限制，國內(nèi)的快速成型設(shè)備在運行的穩(wěn)定性等方面與國外設(shè)備有一些差距；材料問題一直是快速成型技術(shù)的核心問題，與國外提供的材料品種及其性能相比，還有著一定的差距。

產(chǎn)業(yè)化前景：潛力難以估量

放眼全球，我們發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)研發(fā)成為了又一次世界性科技角逐。3D打印被很多人認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命”的一大核心和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者?！秶H增材制造行業(yè)發(fā)展報告》顯示，3D打印技術(shù)2011年全球直接產(chǎn)值為17.14億美元，年增長29.1%。目前全球兩家3D打印機(jī)制造巨頭Stratasys和3D System s均在美國納斯達(dá)克上市，2011年營業(yè)收入分別為1.7億美元和2.9億美元，2012年股價分別翻了2倍和3倍。

據(jù)評估，目前全球3D打印市場一年的市場總量不過20億美元，而國內(nèi)只有不到2億元人民幣。

3 D打印機(jī)在中國國內(nèi)近兩年增長很快，企業(yè)級裝機(jī)量約為400臺，年增速均在70%左右。預(yù)計到2015年全球市場規(guī)模將超過30億美元。而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來國內(nèi)3D打印市場也將是十分廣闊的。

但3D打印技術(shù)并非沒有軟肋。與傳統(tǒng)工業(yè)銑床低至5萬美元的成本相比，工業(yè)規(guī)模的3D打印機(jī)高達(dá)幾十萬甚至逾百萬美元。此外，打印批量小物件依然要消耗數(shù)小時甚至一天多，因此尚不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。目前3D打印技術(shù)在我國主要應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)，且制造成本高、制造效率低、制造精度無法令人滿意。就目前的形勢來看，3D打印技術(shù)尚不具備取代傳統(tǒng)制造業(yè)的條件，在大批量制造等方面，高效低成本的傳統(tǒng)減材制造法更勝一籌。不過，隨著生產(chǎn)速度和質(zhì)量的不斷提升以及打印裝置和材料價格的下降，越來越多的工業(yè)部件將被打印出來，而不是被沖壓或燒鑄出來。

第三次工業(yè)革命將會由大規(guī)模制造轉(zhuǎn)向個性化生產(chǎn)，社群協(xié)同制造的關(guān)系會改變制造流程，打破跨國代工產(chǎn)業(yè)鏈。1912年前后出現(xiàn)的科學(xué)技術(shù)——電氣化、電話、汽車時代的萌芽、不銹鋼和無線電放大器的發(fā)明都推動了經(jīng)濟(jì)的增長，然而即便這樣，當(dāng)時的人也無法預(yù)測到這些科技發(fā)明所產(chǎn)生的革命性力量。

3D打印技術(shù)未來能否繼續(xù)扮演新一輪產(chǎn)業(yè)革命的主角，我們將拭目以待。不過我們堅定地認(rèn)為，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，3D技術(shù)的應(yīng)用必將是無窮盡的。