李堅 許民 包文慧

(東北林業(yè)大學(xué)木材仿生智能科學(xué)研究中心，哈爾濱，150040)

責(zé)任編輯:張 玉。

美國麥肯錫全球研究院預(yù)測:3D 打印是“影響未來的顛覆性技術(shù)”之一。

3D 打印制造技術(shù)，是融合了計算機(jī)軟件、材料、機(jī)械、控制、網(wǎng)絡(luò)信息等多學(xué)科知識的系統(tǒng)性、綜合性技術(shù)，是制造業(yè)領(lǐng)域的一項新興技術(shù);其依托信息技術(shù)、精密機(jī)械、材料科學(xué)等多學(xué)科尖端技術(shù)。其采用特殊材料，通過選擇性粘結(jié)逐層疊加形成實體。

近年來，3D 打印技術(shù)發(fā)展迅速，在各領(lǐng)域都取得長足進(jìn)步，在航空航天、汽車制造、生物醫(yī)療、教學(xué)科研等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。當(dāng)前，在發(fā)達(dá)國家大力倡導(dǎo)再工業(yè)化、再制造化的背景下，以3D 打印技術(shù)為代表的數(shù)字化制造技術(shù)將引發(fā)第三次工業(yè)革命，對產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝、制造設(shè)備及生產(chǎn)線、材料制備、相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、制造企業(yè)形態(tài)乃至整體制造體系，將產(chǎn)生全面、深刻的變革。當(dāng)前，我國制造業(yè)大而不強(qiáng)，在信息化與工業(yè)化融合推進(jìn)、走新型工業(yè)化道路進(jìn)程中，應(yīng)大力發(fā)展3D 打印制造技術(shù)，對增強(qiáng)我國制造業(yè)創(chuàng)新能力、提升工藝制造能力、破解制造業(yè)發(fā)展與資源環(huán)境困局、培育新興產(chǎn)業(yè)及調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等具有極其重要的戰(zhàn)略意義。

林產(chǎn)工業(yè)做為一種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，其與森林資源息息相關(guān)。建國后的60 余年，歷經(jīng)輝煌、平穩(wěn)、低谷和復(fù)蘇4 個時期，面臨新世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，對于從事林業(yè)行業(yè)的生產(chǎn)者，如何提高生產(chǎn)效率獲取最大利益、如何實現(xiàn)產(chǎn)品快速更新?lián)Q代、如何能在多方壓力下保證林業(yè)行業(yè)更加節(jié)能環(huán)保，這些都需要生產(chǎn)者從設(shè)計、生產(chǎn)、銷售等其他各個環(huán)節(jié)去綜合考慮的。3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，在一定程度上這些問題也將會促使林業(yè)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大變革。如果能使這項技術(shù)為林業(yè)生產(chǎn)企業(yè)服務(wù)，可為企業(yè)節(jié)約更多的時間成本;3D 打印技術(shù)的增材加工方式，若能在木制品生產(chǎn)中大規(guī)模使用，也將比現(xiàn)有的減材加工方式節(jié)約大量原材料，減少制作過程中能耗。通過3D 智能數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，將“中國制造”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸袊窃臁?，非常適合現(xiàn)在我國可持續(xù)發(fā)展環(huán)境友好的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方針，具有跨時代重要意義［1］。

1 3D 打印技術(shù)

1.1 3D 技術(shù)概念

3D 打印技術(shù)，最早于19 世紀(jì)末起源于美國，20世紀(jì)80年代得到實現(xiàn)與發(fā)展。3D 打印技術(shù)作為快速成型領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，是目前一種迅猛發(fā)展的潮流。近一段時間，3D 打印技術(shù)吸引了國內(nèi)外新聞媒體和社會公眾的熱切關(guān)注。英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志2011年2月刊載封面文章，對3D 打印技術(shù)的發(fā)展作了介紹和展望，文章認(rèn)為:3D 打印技術(shù)未來的發(fā)展將使大規(guī)模的個性化生產(chǎn)成為可能，這將會帶來全球制造業(yè)經(jīng)濟(jì)的重大變革。很多新聞媒體樂觀地認(rèn)為:3D 打印產(chǎn)業(yè)將成為下一個具有廣闊前景的朝陽產(chǎn)業(yè)［2］。

3D 打印技術(shù)，是指通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料生成三維實體的技術(shù)，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)不同，因此又稱為添加制造。作為一種綜合性應(yīng)用技術(shù)，3D 打印綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識，具有很高的科技含量［3］。3D 打印又稱三維打印，工業(yè)上稱快速成型;最近，行業(yè)內(nèi)部又統(tǒng)一更規(guī)范的專業(yè)術(shù)語——增材制造。3D 打印，可以說是這項技術(shù)的“乳名”，“快速成型”可以說是它的“學(xué)名”，“增材制造”可以理解為它的專業(yè)術(shù)語［4］。

1.2 3D 打印原理

3D 打印基本原理，是斷層掃描的逆過程。斷層掃描，是把某個物品“切”成無數(shù)疊加的片;3D 打印，則是逐片打印，然后疊加到一起，成為一個立體物體。3D 打印機(jī)，是可以“打印”出真實3D 物體的一種設(shè)備;功能上與激光成型技術(shù)一樣，采用分層加工、疊加成形，即通過逐層增加材料生成3D 實體，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)完全不同［5］。3D 打印機(jī)是3D 打印的核心裝備，是集機(jī)械、控制及計算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設(shè)計與控制軟件等，也是3D 打印技術(shù)體系的重要組成部分。稱之為“打印機(jī)”，是參照其技術(shù)原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。

3D 打印機(jī)，又稱快速成型機(jī);3D 打印機(jī)可支持多種材料，較為普遍的有樹脂、尼龍、石膏、塑料等可塑性較強(qiáng)的材料。3D 打印機(jī)的精確度極高，即便是低檔廉價的型號，也可以打印出模型中的大量細(xì)節(jié);而且與鑄造、沖壓、蝕刻等傳統(tǒng)方法相比，更能快速創(chuàng)建原型，特別是傳統(tǒng)方法難以制作的特殊結(jié)構(gòu)模型。通過3D 打印獲得一件物品，需要經(jīng)歷建模、分層、打印和后期處理4 個主要階段，具體流程如圖1所示［6］。

圖1 3D 打印的設(shè)計和制作流程

1.3 3D 打印實體制造方法

3D 打印技術(shù)，按照技術(shù)路徑分為分層、疊加2個步驟。分層，是將設(shè)計者需要的實體，通過設(shè)計軟件掃描并快速計算轉(zhuǎn)換成表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu);疊加，是采用各種不同類型材料，逐層堆垛成型的過程。2 個步驟所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，即設(shè)計軟件和成型技術(shù)。

在設(shè)計軟件領(lǐng)域中離不開STL 文件。STL 文件格式，是由3D SYSTEMS 公司于1988年制定的一個接口協(xié)議，是一種為快速原型制造技術(shù)服務(wù)的三維圖形文件格式。STL 文件在計算機(jī)圖形應(yīng)用系統(tǒng)中，主要通過三角形網(wǎng)格表述。其文件格式簡單，只能描述三維物體的幾何信息，不支持顏色材質(zhì)等信息。STL 是最多快速原型系統(tǒng)所應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)文件類型。STL 文件一旦創(chuàng)建，3D 打印機(jī)將模型切“片”，存為一系列橫截面的文件。STL 文件需要水密后，才可以進(jìn)行三維打印。水密最好的解釋，是無孔的有體積固體。雖然設(shè)計者設(shè)計的固體已經(jīng)創(chuàng)建完成，但可能在模型中仍存在沒有被留意的小孔。STL 文件也存在一定弊端，其在數(shù)字切片處理時，會刪除一些設(shè)計細(xì)節(jié)，影響打印實體精度。為了更好處理復(fù)雜網(wǎng)格的設(shè)計文件，人們將STL 文件升級，采用新標(biāo)準(zhǔn)AMF(增材制造格式)。AMF 保留了STL 格式的曲面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，新增了可以處理不同顏色、不同類型材料、創(chuàng)建格子結(jié)構(gòu)以及處理詳細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的功能。與之前的標(biāo)準(zhǔn)相比，更準(zhǔn)確描述實體曲面。

3D 打印主流技術(shù)包括FDM、SLA、SLS、LOM、DLP、3DP 等。

FDM(Fused Deposition Modeling)，熔融沉積成型。該工藝屬于絲材擠出熱熔成型，也稱熔絲制造。技術(shù)原理:將直徑約為2 mm 絲狀熱塑性材料通過噴頭加熱熔化;噴頭底部帶有微細(xì)噴嘴(直徑為0.2～0.6 mm)，材料以一定壓力擠噴出來，同時噴頭沿水平方向移動，擠出的材料與前一個層面熔結(jié)在一起。一個層面沉積完成后，工作臺垂直下降一個層厚度繼續(xù)熔融沉積，直至完成完整實體造型。FDM 工藝使用兩種材料:一種是成型材料;另一種為支撐材料，以防空腔或懸臂部分坍塌。由于FDM 操作環(huán)境潔凈、安全，沒有產(chǎn)生毒氣和化學(xué)污染，無須激光器等貴重元器件;原材料以卷軸絲形式提供，方便搬運更換。目前，市場上的桌面級3D 打印機(jī)多使用這種工藝。但該技術(shù)產(chǎn)品成型后，表面粗糙、精度較低，還需后續(xù)處理。

SLA(Stereo Lithography Appearance)，光固化立體成型。即在樹脂液槽中盛滿透明、有黏性的液態(tài)光敏樹脂，在紫外激光束的照射下會快速固化。成型開始時，光束按照預(yù)定截面輪廓要求進(jìn)行掃描。掃描區(qū)域樹脂固化，工作臺下降讓液面覆蓋固化層，開始新的掃描。由于耗材為液態(tài)，SLA 制作的試件尺寸精度較高，適合做較小精細(xì)零件。但樹脂類耗材價格相對偏高，力學(xué)性能、使用性能有局限性，SLA 自身設(shè)備價格、維護(hù)成本較高。工作環(huán)境要求苛刻。

SLS(Selective Laser Sintering)，選擇性激光燒結(jié)。其利用粉末在激光照射下選擇性燒結(jié)。首先鋪一層粉末材料，將材料預(yù)熱到接近熔化點，再使用高強(qiáng)度的CO2激光器有選擇地在該層截面上掃描，使粉末溫度升至熔化點;然后燒結(jié)形成黏結(jié);之后再次鋪粉、燒結(jié)，直至完成整體模型。SLS 使用耗材相對廣泛，成件效率高、時間短，無需支撐材料。但表面粗糙，需后處理工藝。

LOM(Laminated Object Manufacturing)，分層實體制造。利用激光或刀具切割薄層紙，然后通過熱壓或其他形式層層黏結(jié)，疊加獲得三維實體零件。

DLP(Digital Light Processing)，數(shù)字光處理技術(shù)。采用高分辨率數(shù)字光處理器投影儀，固化液態(tài)光聚合物。

3DP(Three Dimensional Printing and Gluing)，三維打印黏結(jié)成型。該技術(shù)利用噴頭噴黏結(jié)劑，選擇性黏結(jié)粉末。層層疊加得到三維實物。

2 國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀

3D 打印技術(shù)的發(fā)展已近30年，本文從專利申請、檢測標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)概況、應(yīng)用領(lǐng)域、科研發(fā)展等方面分析國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。

專利檢索:國外3D 打印技術(shù)自誕生到1993年有80 件專利，申請數(shù)量較低、分布較為分散。在1995年之前，該技術(shù)還處于萌芽期，專利申請量增長緩慢，主要申請人有麻省理工學(xué)院、3D 公司等;在1996—1998年期間，專利申請?zhí)幱谄椒€(wěn)增長期［7］;1999—2003年，專利申請量呈快速增長趨勢，2003年達(dá)到高峰，進(jìn)入快速增長期。從專利占有比例看，美國、歐洲、日本，專利申請比例較大。隨后，專利申請總量出現(xiàn)下滑趨勢，技術(shù)發(fā)展進(jìn)入相對成熟時期。國內(nèi)，自20 世紀(jì)90年代才開始涉足3D 打印技術(shù)領(lǐng)域;1999年之前，專利申請量較少;2000—2007年，專利申請量穩(wěn)步增長;2007年之后，專利申請量快速增長，直到2011年達(dá)到133 件;說明我國還處于研發(fā)的快速成長階段。國外，專利權(quán)人以企業(yè)為主，3D 公司是該領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)最活躍、技術(shù)水平領(lǐng)先者，也是進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化運作的主要企業(yè)。國外，重視企業(yè)合作、區(qū)域合作、協(xié)同創(chuàng)新的研發(fā)模式。通過企業(yè)之間的密切合作，不僅能使專利申請量提高，也使得企業(yè)互相取長補(bǔ)短，增強(qiáng)企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力，擴(kuò)大在該技術(shù)領(lǐng)域的影響力和競爭力。國內(nèi)，專利權(quán)人主要以高校、科研機(jī)構(gòu)為主，華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)是國內(nèi)最早相繼進(jìn)行研發(fā)的單位。我國缺少大型獨立研發(fā)企業(yè)，且合作意識不強(qiáng)，企業(yè)之間缺少交流。相關(guān)企業(yè)依托高校產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合方式獲得研發(fā)動力。從專利技術(shù)研究內(nèi)容看，國內(nèi)研究，主要是基于分層實體制造、熔融沉積、光固化成型等技術(shù)研發(fā)及成型系統(tǒng)的研制。除此之外，還研究通過金屬粉末、陶瓷、熱塑性塑料等類型材料生成3D 打印制品過程中涉及到的材料配方優(yōu)化及成型工藝、模型制作、成型設(shè)備等。國外公司主要從事的研究內(nèi)容，有微滴噴射技術(shù)、全彩3D 打印技術(shù)、熔融材料高分辨率選擇性逐層噴射技術(shù)、光敏固化技術(shù)等方面。

標(biāo)準(zhǔn)制定:2002年，美國汽車工程師協(xié)會發(fā)布第一個增材制造標(biāo)準(zhǔn)，即宇航材料規(guī)范——AMS4999《退火Ti－6AL－4V 鈦合金激光沉積產(chǎn)品》，該標(biāo)準(zhǔn)的頒布是該技術(shù)在美國航空航天領(lǐng)域走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要標(biāo)志［8］。2009年，美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)成立專門的增材制造技術(shù)委員會ASTM F－42;ASTM F－42 已經(jīng)頒布4 項標(biāo)準(zhǔn)，包括術(shù)語、文件格式等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等。2011年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)也成立增材制造技術(shù)委員會ISO TC 261;目前，ISO TC 261 進(jìn)行的一項工作是制定ISO 17296《增材制造——快速技術(shù)(快速原型制造)》標(biāo)準(zhǔn)。此外，還有很多其他標(biāo)準(zhǔn)在制定計劃中，例如:增材制造坐標(biāo)系與命名標(biāo)準(zhǔn)、增材制造試驗結(jié)果報告的慣例、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)術(shù)語、設(shè)計指南、文件格式標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。我國增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展落后于國外，沒能充分反映國內(nèi)技術(shù)發(fā)展的水平;已經(jīng)應(yīng)用到產(chǎn)品領(lǐng)域的增材制造技術(shù)產(chǎn)品，均采用各企業(yè)的技術(shù)條件和規(guī)范;沒有形成統(tǒng)一指標(biāo)。由于缺少對沉積工藝過程的表征、控制和認(rèn)證的規(guī)定，技術(shù)的大范圍推廣受到不同程度的制約，使已有的技術(shù)優(yōu)勢并沒有迅速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品優(yōu)勢和市場優(yōu)勢。因此，迫切需要開展增材制造技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

企業(yè)發(fā)展:國外企業(yè)，在工藝技術(shù)、研發(fā)投入、人才基礎(chǔ)、產(chǎn)業(yè)形態(tài)等領(lǐng)域都強(qiáng)于我國;企業(yè)規(guī)模比國內(nèi)大，企業(yè)銷售收入都在10 億元人民幣左右。美國3D Systems 和Stratasys 兩家公司，占據(jù)全球3D 行業(yè)絕大多數(shù)份額［9］。國內(nèi)還沒有一家企業(yè)收入過1 億人民幣，超過5 000 萬元人民幣的沒有幾家，大多數(shù)保持在兩三千萬元人民幣的水平。銷售收入直接影響企業(yè)對研發(fā)經(jīng)費的投入。目前，國內(nèi)很多企業(yè)以直接或間接的方式與高校合作，利用其優(yōu)質(zhì)研究資源。而像北京殷華、湖南華曙高科，都是由海外歸國團(tuán)隊建立，規(guī)模較小，產(chǎn)品技術(shù)處于低端。還有一些企業(yè)，采取與國外公司合作發(fā)展，如:南京紫金立德電子有限公司、無錫飛而康快速制造有限公司。從企業(yè)運營模式看，國外企業(yè)采取設(shè)備銷售與加工服務(wù)相結(jié)合的商業(yè)運作模式，有利于開拓市場，也有利于技術(shù)進(jìn)一步完善。國內(nèi)企業(yè)，基本上還采取傳統(tǒng)制造模式，生產(chǎn)設(shè)備賣設(shè)備;只有北京隆源自動成型系統(tǒng)公司、武漢濱湖機(jī)電科技公司等少數(shù)幾家企業(yè)，推行與加工服務(wù)相結(jié)合的運營模式。無論國外還是國內(nèi)企業(yè)，3D 打印行業(yè)基本上還是各自為政，小而散的局面不利于形成產(chǎn)業(yè)鏈，也不利于技術(shù)發(fā)展推廣。2012年，我國率先成立中國3D 打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，而產(chǎn)業(yè)基地、基礎(chǔ)配套設(shè)施也都隨著國家政策扶持相繼建立起來。

應(yīng)用領(lǐng)域:目前，3D 打印技術(shù)的應(yīng)用可分為3個領(lǐng)域:工業(yè)應(yīng)用、家庭應(yīng)用、生物醫(yī)療。其在新產(chǎn)品開發(fā)、個性化復(fù)雜產(chǎn)品定制、文化創(chuàng)意、教育培訓(xùn)等多方面，均有較好發(fā)展?jié)摿Γ?0］。在國家和地方的支持下，在全國建立20 多個服務(wù)中心，設(shè)備用戶遍布醫(yī)療、航空航天、汽車、軍工、模具、電子電器、造船等行業(yè)，推動我國制造技術(shù)的發(fā)展。近5年，國內(nèi)增材制造市場發(fā)展不大，主要還在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，沒有在消費品領(lǐng)域形成快速發(fā)展的市場。我國增材制造技術(shù)主要應(yīng)用于模型制作，工業(yè)領(lǐng)域的金屬零件直接制造技術(shù)也達(dá)到國際領(lǐng)先水平的研究與應(yīng)用，例如:北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空制造技術(shù)研究所制造出大尺寸金屬零件，并應(yīng)用在新型飛機(jī)研制過程中，顯著提高了飛機(jī)研制速度［11］。生物3D 打印，以活細(xì)胞、生物活性因子為基本成形單元，用于設(shè)計制造人體器官、植入細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)、藥物開發(fā)、生物制藥等領(lǐng)域。2013年2月22日，美國康奈爾大學(xué)通過3D 打印技術(shù)，幫助治療先天性耳朵畸形或耳朵缺失人群直接打印耳朵。此外，他們還可以修復(fù)人體退化的脊椎間盤。

科學(xué)研究:我國自20 世紀(jì)90年代初，在國家科技部等多部門持續(xù)支持下，西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京隆源公司等，在典型的成形設(shè)備、軟件、材料等方面研究和產(chǎn)業(yè)化方面獲得重大進(jìn)展。隨后，國內(nèi)許多高校和研究機(jī)構(gòu)也開展相關(guān)研究，如:西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華南理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)、中北大學(xué)、中國工程物理研究院等單位，都在做探索性的研究和應(yīng)用工作。我國研發(fā)出一批增材制造裝備，在典型成形設(shè)備、軟件、材料等方面的研究和產(chǎn)業(yè)化獲得重大進(jìn)展，到2000年，初步實現(xiàn)設(shè)備產(chǎn)業(yè)化接近國外產(chǎn)品水平，改變該類設(shè)備早期仰賴進(jìn)口的局面。我國增材制造裝備的部分技術(shù)水平，與國外先進(jìn)水平相當(dāng);但在關(guān)鍵器件、成形材料、智能化控制和應(yīng)用范圍等方面，較國外先進(jìn)水平落后。在增材的基礎(chǔ)理論與成形微觀機(jī)理研究方面，我國在一些局部點上開展了相關(guān)研究;但國外的研究，更基礎(chǔ)、系統(tǒng)和深入。在工藝技術(shù)研究方面，國外是基于理論基礎(chǔ)的工藝控制;而我國則更多依賴經(jīng)驗和反復(fù)的試驗驗證，導(dǎo)致我國增材制造工藝關(guān)鍵技術(shù)整體上落后于國外先進(jìn)水平。

3 3D 打印的材料和特點

3D 打印材料是3D 打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ);在某種程度上，材料的發(fā)展決定著3D 打印能否有更廣泛的應(yīng)用。目前，3D 打印材料，主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等;除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等食品材料，也在3D 打印領(lǐng)域得到了應(yīng)用［12］。3D 打印所用的這些原材料都是專門針對3D 打印設(shè)備和工藝研發(fā)的。通常根據(jù)打印設(shè)備的類型及操作條件的不同以選取不同類型的材料，材料形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。以粉末狀3D 打印材料為例，其粒徑大小由1～100 μm 不等;為使粉末保持良好的流動性，一般要求粉末具有高球形度［13］。

1)工程塑料。指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。工程塑料是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類3D 打印材料，常見的有Acrylonitrile Butadiene Styrene(ABS)類材料、Polycarbonate(PC)類材料、尼龍類材料等［4］。

ABS 材料是Fused Deposition Modeling(FDM，熔融沉積造型)快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料。具有強(qiáng)度高、韌性好、耐沖擊等優(yōu)點，正常變形溫度超過90 ℃，可進(jìn)行機(jī)械加工(鉆孔、攻螺紋)、噴漆及電鍍［14］。

PC 材料是真正的熱塑性材料。具備工程塑料的所有特性:高強(qiáng)度、耐高溫、抗沖擊、抗彎曲，可以作為最終零部件使用。使用PC 材料制作的樣件，可以直接裝配使用，應(yīng)用于交通工具及家電行業(yè)。PC 材料的強(qiáng)度比ABS 材料高出60%左右，具備超強(qiáng)的工程材料屬性，廣泛應(yīng)用于電子消費品、家電、汽車制造、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域［15］。

尼龍玻纖是一種白色粉末。與普通塑料相比，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度有所增強(qiáng)，熱變形溫度以及材料的模量有所提高，材料的收縮率減小;但表面變粗糙，沖擊強(qiáng)度降低。材料熱變形溫度為110 ℃。主要應(yīng)用于汽車、家電、電子消費品領(lǐng)域。

PC－ABS 材料是一種應(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料。PC－ABS 具備ABS 的韌性和PC 材料的高強(qiáng)度及耐熱性，大多應(yīng)用于汽車、家電及通信行業(yè)［16］。使用該材料配合Fortus 設(shè)備，制作的樣件強(qiáng)度比傳統(tǒng)的FDM 系統(tǒng)制作的部件強(qiáng)度高出60%左右;所以，使用PC－ABS 能打印出包括概念模型、功能原型、制造工具及最終零部件等熱塑性部件。

Polycarbonate－ISO(PC－ISO)材料是一種通過醫(yī)學(xué)衛(wèi)生認(rèn)證的白色熱塑性材料。具有很高的強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于藥品及醫(yī)療器械行業(yè)，用于手術(shù)模擬、顱骨修復(fù)、牙科等專業(yè)領(lǐng)域。同時，因為具備PC的所有性能，也可用于食品及藥品包裝行業(yè)，做出的樣品也可以作為概念模型、功能原型、制造工具及最終零部件使用。

Polysulfone(PSU)類材料是一種琥珀色的材料。熱變形溫度為189 ℃，是所有熱塑性材料里面強(qiáng)度最高、耐熱性最好、抗腐蝕性最優(yōu)的材料，通常作為最終零部件使用，廣泛用于航空航天、交通工具及醫(yī)療行業(yè)。PSU 類材料能帶來直接數(shù)字化制造體驗，性能非常穩(wěn)定，通過與Fortus 設(shè)備的配合使用，可以達(dá)到令人驚嘆的效果。

2)光敏樹脂。即Ultraviolet Rays(UV)樹脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光(紫外光)引發(fā)劑(或稱為光敏劑)。在一定波長的紫外光(250～300 nm)照射下，能立刻引起聚合反應(yīng)，完成固化。光敏樹脂一般為液態(tài)，可用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水材料。目前，研究光敏材料3D 打印技術(shù)的主要有美國3D System 公司和以色列Object 公司［17］。

3)橡膠類材料。具備多種級別彈性材料的特征，這些材料所具備的硬度、斷裂伸長率、抗撕裂強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度非常適合于要求防滑或柔軟表面的應(yīng)用領(lǐng)域［18］。3D 打印的橡膠類產(chǎn)品，主要有消費類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及汽車內(nèi)飾、輪胎、墊片等。

4)金屬材料。近年來，3D 打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于實際產(chǎn)品的制造，其中，金屬材料的3D 打印技術(shù)發(fā)展尤其迅速。在國防領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國家非常重視3D 打印技術(shù)的發(fā)展，不惜投入巨資加以研究，3D 打印金屬零部件一直是研究和應(yīng)用的重點。3D 打印使用的金屬粉末，一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應(yīng)用于3D 打印的金屬粉末材料，主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、鋁合金材料等，此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料。

5)陶瓷材料。具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。但由于陶瓷材料硬而脆的特點，使其加工成形尤其困難，特別是復(fù)雜陶瓷件需通過模具來成形，模具加工成本高、開發(fā)周期長，難以滿足產(chǎn)品不斷更新的需求［19］。3D打印用的陶瓷粉末，是陶瓷粉末和某一種黏結(jié)劑粉末所組成的混合物;由于黏結(jié)劑粉末的熔點較低，激光燒結(jié)時只是將黏結(jié)劑粉末熔化而使陶瓷粉末粘結(jié)在一起，在激光燒結(jié)之后，需將陶瓷制品放入到溫控爐中，在較高的溫度下進(jìn)行后處理;陶瓷粉末和黏結(jié)劑粉末的配比會影響到陶瓷零部件的性能。

6)生物質(zhì)材料。以木粉、農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)粉末為原料，與相適應(yīng)的高分子聚合物粉末混合，制成木塑復(fù)合材料粉末。如:將木粉與PES(聚醚砜)粉末混合，通過選擇性激光燒結(jié)獲得成型件［20］。為了提高制件硬度，尚需對木塑復(fù)合材料進(jìn)行增強(qiáng)處理，其中滲臘處理即可增加力學(xué)強(qiáng)度，又可改善制件外觀。江蘇錦禾高科技股份有限公司，采用秸稈、稻殼、淀粉等天然可再生植物纖維與高分子樹脂經(jīng)特殊工藝復(fù)合，形成新型綠色環(huán)保復(fù)合材料。廣州優(yōu)塑塑料有限公司，采用可降解殼聚糖改性的羥基丁酸脂做為3D 打印耗材。

7)其他3D 打印材料。除了上面介紹的3D 打印材料外，目前用到的還有彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等材料。

4 3D 打印應(yīng)用領(lǐng)域

3D 打印機(jī)的應(yīng)用對象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型［21］。目前，3D 打印技術(shù)已在工業(yè)設(shè)計、文化藝術(shù)、機(jī)械制造(汽車、摩托車)、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、雕刻、首飾等領(lǐng)域，都得到了應(yīng)用。隨著技術(shù)自身的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣埂＿@些應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下10 個方面［22］:

1)設(shè)計方案評審。借助3D 打印的實體模型，不同專業(yè)領(lǐng)域(設(shè)計、制造、市場、客戶)的人員，可以對產(chǎn)品實現(xiàn)方案、外觀、人機(jī)功效等進(jìn)行實物評價。

2)制造工藝與裝配檢驗。3D 打印，可以較精確地制造出產(chǎn)品零件中的任意結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié);借助3D 打印的實體模型，結(jié)合設(shè)計文件，可有效指導(dǎo)零件和模具的工藝設(shè)計，或進(jìn)行產(chǎn)品裝配檢驗，避免結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計錯誤。

3)功能樣件制造與性能測試。3D 打印的實體原型，本身具有一定的結(jié)構(gòu)性能，同時利用3D 打印技術(shù)可直接制造金屬零件，或制造出熔(蠟)模;再通過熔模鑄造金屬零件，甚至可以打印制造出特殊要求的功能零件和樣件等。

4)快速模具小批量制造。以3D 打印制造的原型作為模板，制作硅膠、樹脂、低熔點合金等快速模具，可便捷地實現(xiàn)幾十件到數(shù)百件零件的小批量制造。

5)建筑總體與裝修展示評價。利用3D 打印技術(shù)可實現(xiàn)模型真彩及紋理特點的打印，可快速制造出建筑的設(shè)計模型，進(jìn)行建筑總體布局、結(jié)構(gòu)方案的展示和評價。

6)科學(xué)計算數(shù)據(jù)實體可視化。計算機(jī)輔助工程、地理地形信息等科學(xué)計算數(shù)據(jù)，可通過3D 彩色打印，實現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)與分析數(shù)據(jù)的實體可視化。

7)醫(yī)學(xué)與醫(yī)療工程。通過醫(yī)學(xué)CT 數(shù)據(jù)的三維重建技術(shù)，利用3D 打印技術(shù)，制造器官、骨骼等實體模型，可指導(dǎo)手術(shù)方案設(shè)計，也可打印制作組織工程和定向藥物輸送骨架等。

8)首飾及日用品快速開發(fā)與個性化定制。利用3D 打印制作蠟?zāi)?，通過精密鑄造實現(xiàn)首飾和工藝品的快速開發(fā)和個性化定制。

9)動漫造型評價。借助于動漫造型評價，可實現(xiàn)動漫等模型的快速制造，指導(dǎo)和評價動漫造型設(shè)計。

10)電子器件的設(shè)計與制作。利用3D 打印，可在玻璃、柔性透明樹脂等基板上設(shè)計制作電子器件和光學(xué)器件，如:RFID、太陽能光伏器件、OLED 等。

5 3D 打印的優(yōu)勢與問題

5.1 優(yōu)勢

3D 打印核心優(yōu)勢，在于可以實現(xiàn)傳統(tǒng)制造業(yè)難以解決的個性化、復(fù)雜化、高難度的制造難題;對于傳統(tǒng)制造業(yè)，加工件形狀復(fù)雜制造成本高;3D 打印的出現(xiàn)，可以解決部分高精尖、復(fù)雜零件制造難題。3D 打印可提供一些個性化定制服務(wù)，例如:在模具模型、教育培訓(xùn)、文化創(chuàng)意、生物醫(yī)療等多領(lǐng)域，均可提供個性化定制服務(wù)［23］，并且隨著時間的推移、技術(shù)的進(jìn)步，可更廣泛的應(yīng)用到人們生產(chǎn)生活中。可以利用該技術(shù)解決航空發(fā)動機(jī)飛行葉片的復(fù)雜制造、在生物醫(yī)療領(lǐng)域進(jìn)行人造器官的修復(fù)、在材料工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)多組分材料的混合搭配以制造新材料。除此之外，該技術(shù)可提升設(shè)計創(chuàng)造空間。如果3D打印技術(shù)進(jìn)入校園，有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性，提高學(xué)生的動腦動手能力。對產(chǎn)品開發(fā)，可快速實現(xiàn)設(shè)計制造，縮短研發(fā)周期，使新的產(chǎn)品更早上市。在能源利用方面，其可降低貴重資源的消耗，實現(xiàn)稀缺材料和其他資源的高效利用。超過90%的原材料可以回收再利用，此技術(shù)具有節(jié)料、節(jié)能、環(huán)保的特點。這對節(jié)約一些大量應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)的稀缺資源具有重要的戰(zhàn)略意義。

5.2 目前存在的主要問題

1)3D 打印的耗材。耗材，是目前制約3D 打印技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前已研發(fā)的材料，主要有塑料、樹脂和金屬等;然而，3D 打印技術(shù)要實現(xiàn)更多領(lǐng)域的應(yīng)用，需要開發(fā)更多的可打印材料。根據(jù)材料特點，深入研究加工、結(jié)構(gòu)與材料之間的關(guān)系，開發(fā)質(zhì)量測試程序和方法，建立材料性能數(shù)據(jù)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等。此外，在一些關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，尋找合適的材料也是一大挑戰(zhàn)，例如:空客概念飛機(jī)的仿真結(jié)構(gòu)，要求機(jī)身必須透明且有很高的硬度;為符合這些要求;需要研發(fā)新型復(fù)合材料。此外，目前對金屬材料進(jìn)行3D 打印的需求尤為迫切，如:工具鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳基合金、銀和金等，但目前這些打印技術(shù)尚未完全突破［24］。

2)3D 打印機(jī)本身。據(jù)報道，世界上目前只有一種3D 打印機(jī)能夠同時打印出多種材料的產(chǎn)品。由于3D 打印工藝發(fā)展還不完善，快速成型零件的精度和表面質(zhì)量大多不能滿足工程直接使用要求，只能做原型使用。3D 打印產(chǎn)品，由于采用疊加制造工藝，層與層之間連接得再緊密，目前也很難與傳統(tǒng)鍛件相媲美。

3)3D 打印的價格。目前，3D 打印不具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，價格方面的優(yōu)勢尚不明顯。目前，1 kg打印材料少則幾百元人民幣，多則4 萬元人民幣左右;因此，3D 打印技術(shù)，在一段時間內(nèi)還無法全面取代傳統(tǒng)制造技術(shù)。但是，在單件小批量、個性化定制和網(wǎng)絡(luò)社區(qū)化生產(chǎn)方面，對于大多數(shù)產(chǎn)品，不管打印1 件還是100 件，價格相差無幾，因而3D 打印具有無可比擬的優(yōu)勢。

4)知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。3D 打印技術(shù)的意義，不僅在于改變資本和工作的分配模式，而且也在于它能改變知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)則。該技術(shù)的出現(xiàn)，使制造業(yè)的成功不再取決于生產(chǎn)規(guī)模，而取決于創(chuàng)意。然而，單靠創(chuàng)意也是很危險的，模仿者和創(chuàng)新者都能輕而易舉地在市場上快速推出新產(chǎn)品，極有可能像當(dāng)初的音樂領(lǐng)域一樣面臨盜版的威脅。

5)3D 打印機(jī)的操作技能。3D 打印技術(shù)需要依靠數(shù)字模型進(jìn)行生產(chǎn)，但是，普通用戶學(xué)會使用計算機(jī)輔助設(shè)計工具(CAD)還有一定難度。隨著社會發(fā)展，未來會有越來越多的人們學(xué)習(xí)并掌握這方面的技能，而且企業(yè)也會提供一些簡單的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，用戶不必學(xué)會3D 設(shè)計技能就能制作模型，如同傻瓜相機(jī)的發(fā)展一樣。

6)政策方面。3D 打印技術(shù)的研發(fā)，需要大量的政府投入或產(chǎn)業(yè)界的資金支撐。如:在醫(yī)療領(lǐng)域，可能會因缺少藥品監(jiān)管部門的許可，從而造成許多臨床醫(yī)療產(chǎn)品應(yīng)用的滯緩。

6 3D 打印與傳統(tǒng)制造技術(shù)的關(guān)系

3D 打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造可以形成優(yōu)勢互補(bǔ)，兩者相互依存，缺一不可。

所謂傳統(tǒng)制造業(yè)，即指以勞動密集型與資金密集型為主導(dǎo)，以生產(chǎn)廣泛面向市場的、不具備過高科學(xué)技術(shù)含量、附加值不高、滿足基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)生活需要的產(chǎn)品的一類制造業(yè)的統(tǒng)稱。傳統(tǒng)制造技術(shù)經(jīng)過數(shù)千年的積累與發(fā)展，已經(jīng)在生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)技術(shù)、材料應(yīng)用等方面非常成熟，并形成配套完善、功能齊全、社會各界廣泛認(rèn)可的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。但近些年來，隨著全球資源的枯竭、勞動成本的攀升、經(jīng)濟(jì)萎靡，傳統(tǒng)制造業(yè)所引發(fā)的問題及其自身的缺點越發(fā)明顯。首先，利潤較低——傳統(tǒng)制造業(yè)制造成本逐年提高，而產(chǎn)品自身附加值并沒有明顯改變，致使利潤降低，企業(yè)自身生存受到嚴(yán)重威脅。其次，創(chuàng)新性缺失——傳統(tǒng)制造業(yè)對創(chuàng)新的重視與投入嚴(yán)重不足，缺乏核心技術(shù)，產(chǎn)業(yè)競爭力較差。第三，效率問題－－傳統(tǒng)制造業(yè)以高能耗、高污染、粗獷式、單一固定式的生產(chǎn)模式換取經(jīng)濟(jì)利益。在當(dāng)前社會大背景下，這種生產(chǎn)模式顯然與未來發(fā)展趨勢背道而馳。

為改變傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)格局，使經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變;傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型，變得尤為重要。產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵，在于科技創(chuàng)新;以數(shù)字化、智能化、節(jié)能化，高科技含量為特征的3D 打印技術(shù)，被認(rèn)定為傳統(tǒng)制造業(yè)創(chuàng)新的重要引擎。3D 打印技術(shù)相對傳統(tǒng)制造技術(shù)，是一次重要的技術(shù)革命。它可以設(shè)計制造任何復(fù)雜、高難度的傳統(tǒng)制造方式不能生產(chǎn)或生產(chǎn)加工周期很長的產(chǎn)品。除此之外，它節(jié)能環(huán)保，可以實現(xiàn)快捷、方便、低成本創(chuàng)新設(shè)計，解決傳統(tǒng)制造所不能解決的技術(shù)難題。由于3D 打印技術(shù)，目前成本較高、打印耗材種類較少、實際應(yīng)用性不強(qiáng)、工藝水平還不成熟、產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，它并不具備傳統(tǒng)制造業(yè)所擅長的大批量化、規(guī)?；⒕?xì)化生產(chǎn);所以，它并不能取代傳統(tǒng)制造技術(shù)。但3D打印技術(shù)，可與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合，帶動引領(lǐng)傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展，相互補(bǔ)充，發(fā)揮各自優(yōu)勢。

7 3D 打印技術(shù)市場占有率與認(rèn)知度

所謂市場占有率，即在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)某種技術(shù)產(chǎn)品或其他，在交易總額中所占比例大小。3D 技術(shù)市場占有率，主要取決3 方面因素:規(guī)模經(jīng)濟(jì)、競爭能力、產(chǎn)業(yè)化。本文僅從這3 個方面分析3D 打印技術(shù)市場占有率。

《國際增材制造行業(yè)發(fā)展報告》顯示，2011年，3D 打印技術(shù)全球直接產(chǎn)值17.14 億美元;2012年，全球市場規(guī)模20 億美元。3D 打印機(jī)銷量同比上升25%，其中:38%產(chǎn)自美國，10%產(chǎn)自中國。2013年，3D 技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)值不足40 億美元。麥肯錫公司預(yù)測，到2025年，3D 打印對全球經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)值將為2 000～6 000 億美元。目前，全球從事3D 打印機(jī)研發(fā)的單位和生產(chǎn)商、材料商、配套服務(wù)商不足100 家，國內(nèi)大小企業(yè)僅三四十家。2012年，國內(nèi)3D 打印設(shè)備銷售和服務(wù)，約在10 億元人民幣的水平;2013年，已突破20 億元人民幣;2014年，有望達(dá)到40～50 億元人民幣規(guī)模。由此可見，目前3D 打印技術(shù)規(guī)模占制造業(yè)領(lǐng)域還是非常小的;但其具有廣泛的發(fā)展空間。市場占有率小的另一方面原因，3D 打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，不具備強(qiáng)勁競爭力;其自身還處于初級發(fā)展階段，并不是替代性很強(qiáng)的技術(shù)，不能取代傳統(tǒng)制造技術(shù)，更不是無所不能的技術(shù)。雖在一些領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用，但無法改變傳統(tǒng)制造業(yè)格局。另一方面，3D 打印技術(shù)難以找準(zhǔn)市場定位，市場導(dǎo)向與用戶需求并不明確，也造成3D 打印技術(shù)有勢無場的尷尬局面。

所謂認(rèn)知度，是指一個社會組織被公眾所認(rèn)識、知曉的程度。3D 打印技術(shù)，還沒有像互聯(lián)網(wǎng)那樣滲透到人們生產(chǎn)生活的各個角落，也沒有帶來非常直接的變化和直觀感受，所以一直得不到廣泛關(guān)注和重視。社會各界，對3D 打印技術(shù)的認(rèn)知、市場的推廣應(yīng)用、材料、人才等方面，還存在明顯不足。隨著近些年的發(fā)展，用于設(shè)計和創(chuàng)意領(lǐng)域的桌面級3D打印機(jī)，已陸續(xù)走進(jìn)校園和家庭。越來越多的年輕人對其產(chǎn)生濃厚興趣，使更多的學(xué)生、設(shè)計人員進(jìn)一步了解3D 打印技術(shù)。為了讓大家認(rèn)知這項技術(shù)，國家應(yīng)積極創(chuàng)造條件，讓廣大傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)和用戶更直觀接觸到3D 打印技術(shù);而不僅僅是用戶觀望，商家僅停留在概念階段炒作。3D 打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心的出現(xiàn)，可以向大家展示產(chǎn)品技術(shù)。而這個開放式的服務(wù)平臺，也可以促使行業(yè)企業(yè)之間溝通交流、增進(jìn)相互了解。2012年，美國總統(tǒng)奧巴馬更是將3D 打印做為重塑美國制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，由此，3D 打印技術(shù)在社會公眾中更引起較大興趣和強(qiáng)烈反響。而公眾，更應(yīng)該通過學(xué)習(xí)、交流等媒介對3D 打印技術(shù)做出科學(xué)客觀的評價，增強(qiáng)對其先進(jìn)性、重要性的認(rèn)識。只有這樣，才有利于技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

8 3D 打印與第三次工業(yè)革命的關(guān)系

第一次工業(yè)革命，始于18 世紀(jì)的英國，它開創(chuàng)以機(jī)器代替手工勞動的時代。第二次工業(yè)革命，是指19 世紀(jì)中期，電器開始代替機(jī)器，成為補(bǔ)充和取代以蒸汽機(jī)為動力的新能源。第三次工業(yè)革命，早在20 世紀(jì)70年代末由西方提出;現(xiàn)今對第三次工業(yè)革命的認(rèn)識與核心內(nèi)容，還存在很多爭議;但其特征，基本包括互聯(lián)網(wǎng)、可再生能源、新材料、數(shù)字化、智能化、3D 打印技術(shù)等。目前，3D 打印技術(shù)與第三次工業(yè)革命的關(guān)系，主要有以下兩種觀點:第一種觀點，即3D 打印技術(shù)將引領(lǐng)第三次工業(yè)革命;另一種觀點，是3D 打印技術(shù)不會引發(fā)第三次工業(yè)革命。

《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》、《福布斯》、《紐約時報》等雜志，宣稱3D 打印技術(shù)將推動“第三次工業(yè)革命”。美國經(jīng)濟(jì)學(xué)家杰里米·里夫金，在他的《第三次工業(yè)革命》書中預(yù)言，以互聯(lián)網(wǎng)和新能源相結(jié)合為基礎(chǔ)的新經(jīng)濟(jì)即將到來，成為世界的第三次工業(yè)革命。美國總統(tǒng)奧巴馬，將3D 打印技術(shù)作為引發(fā)制造業(yè)革命的一項戰(zhàn)略舉措。西方媒體，將3D 技術(shù)譽(yù)為第三次工業(yè)革命的新技術(shù);將3D 打印技術(shù)認(rèn)為是先進(jìn)制造技術(shù)與生產(chǎn)方式變革的產(chǎn)物，對傳統(tǒng)制造業(yè)是一種顛覆性變革，必將推動第三次工業(yè)革命的發(fā)展。

富士康總裁郭臺銘公開表示:3D 打印絕不等于第三次工業(yè)革命，因為它無法用于大量生產(chǎn)，不具有商業(yè)價值。世界3D 打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟創(chuàng)始人羅軍，認(rèn)為3D 技術(shù)能否推動引領(lǐng)第三次工業(yè)革命，還缺乏實例支撐。柏林工業(yè)大學(xué)3D 實驗室主任哈特穆特·施萬特教授說:盡管3D 打印技術(shù)對于科學(xué)和經(jīng)濟(jì)已有一個重要作用，并且贏得一個非常有活力的發(fā)展，設(shè)備和軟件被不斷研發(fā)更新，有越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域。但筆者認(rèn)為:現(xiàn)階段，說3D 打印將帶來第三次工業(yè)革命是夸張的，目前還沒有人可以做這樣的斷言?！堵槭±砉ぜ夹g(shù)評論》編輯大衛(wèi)·羅特曼指出，關(guān)于通過3D 打印技術(shù)徹底改變工業(yè)生產(chǎn)方式的結(jié)論，往往是由于對目前工業(yè)現(xiàn)實缺乏認(rèn)識所造成的。哥本哈根未來研究學(xué)院(CIFS)的名譽(yù)主任約翰·彼得·帕魯坦的一句話值得深思:我們的社會通常會高估新技術(shù)的可能性，同時卻又低估它們的長期發(fā)展?jié)摿ΑＦ鋵?，該技術(shù)自誕生之時就飽受爭議，技術(shù)的可實現(xiàn)性、生產(chǎn)工藝能否達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)昂貴、無法廣泛應(yīng)用等多項缺點，它能否引領(lǐng)第三次工業(yè)革命還有待觀察［25］。

所謂革命，指推動事物發(fā)生根本變革，引起事物從舊質(zhì)到新質(zhì)的飛躍。從工業(yè)革命角度看，它的變革是從生產(chǎn)組織形式、勞動效率、產(chǎn)品價值、制造形式等多方面體現(xiàn)。以3D 打印技術(shù)為代表的新興制造技術(shù)，會對傳統(tǒng)工業(yè)有著深遠(yuǎn)意義;對新型工業(yè)化的建設(shè)和促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級起到十分重要的引領(lǐng)作用;但由于3D 打印技術(shù)還僅僅是一項非?；A(chǔ)前沿制造技術(shù)，還處于剛剛起步階段，雖然有很大發(fā)展前景，但還不能對傳統(tǒng)工業(yè)起到顛覆性作用［26］。中國3D 打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)席理事長、華中科技大學(xué)材料學(xué)院副院長史玉升教授指出:這種技術(shù)不是取代傳統(tǒng)技術(shù)，而是跟傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，形成良好的優(yōu)勢互補(bǔ)。中國工程院院士、中國工程物理研究院徐志磊研究員認(rèn)為:3D 打印是在第三次工業(yè)革命之內(nèi)重要的一個環(huán)節(jié)，也是重要的領(lǐng)域［27］。中國工程院院士李培根認(rèn)為:增材制造技術(shù)，將引發(fā)新一輪的科技革命［28］。顯然短時間內(nèi)，3D 打印技術(shù)與第三次工業(yè)革命的關(guān)系還不能確定;而其做為一種新技術(shù)，對技術(shù)革命有重大影響的看法已經(jīng)成為廣泛共識。

9 3D 打印技術(shù)在林業(yè)行業(yè)的應(yīng)用預(yù)測

3D 打印技術(shù)的魅力，在于它不需要在工廠操作，汽車小零件、燈罩、小提琴等小件物品，只需要一臺類似臺式電腦的小打印機(jī)即可，放在辦公室或者房間的角落中［29］，人們只需要在打印過程中，控制特定的材料以及精密度［12］。因此，可以將這一技術(shù)引入林業(yè)行業(yè)。

1)森林資源普查。國家每5年對森林資源做一次大的普查工作，以計算5年森林蓄積量的變化?？梢岳脪呙鑳x對森林進(jìn)行現(xiàn)場掃描、收集數(shù)據(jù)信息;然后，利用3D 技術(shù)復(fù)制打印出森林的詳細(xì)信息資料，能夠準(zhǔn)確、快捷地獲得森林地理地貌的詳細(xì)信息。

2)活立木勘探復(fù)原。針對原始森林中的珍貴樹種進(jìn)行掃描探測，及時了解活立木的生長情況，監(jiān)控其材質(zhì)變化。利用掃描儀進(jìn)行內(nèi)部精度掃描，準(zhǔn)確定位掌握每顆樹木的健康狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時補(bǔ)救處理。

3)改變傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)模式。傳統(tǒng)的木制品制作模式，是設(shè)計、畫圖、選料、鋸削、刨削、膠結(jié)等生產(chǎn)方式，既浪費大量的優(yōu)質(zhì)資源，又導(dǎo)致加工工程高能耗、高污染、高噪音，嚴(yán)重影響工作人員的身心健康。如果將3D 技術(shù)應(yīng)用于木質(zhì)家具和裝飾領(lǐng)域，針對用戶要求繪出效果圖，按照一定比例打印出家具樣品，并進(jìn)行房間的布置和裝飾，使用戶置身其中體驗感受未來家具和房間布局，依據(jù)自己的喜好改變和修改，能夠減少很多糾紛和矛盾。

4)異質(zhì)復(fù)合新材料的開發(fā)研究。現(xiàn)有的熔融沉積打印(FDM)主要使用PLA 和ABS。以此為聚合物，加入生物質(zhì)粉料，先制作生物質(zhì)復(fù)合絲狀材料，通過界面改性和工藝技術(shù)創(chuàng)新，制備以生物質(zhì)聚合物復(fù)合材料為原料的3D 產(chǎn)品，并將聚合物種類擴(kuò)展到PP、PE 等通用塑料。改變現(xiàn)有木塑制品使用擠出成型單一的生產(chǎn)模式，將中低檔木塑復(fù)合制品擴(kuò)大到中高端市場，增加其使用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。另外，嘗試將木質(zhì)橡膠類復(fù)合材料應(yīng)用到3D 打印，真正實現(xiàn)集材料、功能、技術(shù)、創(chuàng)新多位一體的多領(lǐng)域共同發(fā)展、協(xié)同創(chuàng)新的生產(chǎn)模式。

總之，3D 打印技術(shù)逐漸從打印物體外包造型過渡到打印物體的內(nèi)部構(gòu)成，最終發(fā)展到打印物體的高級功能和行為階段。3D 打印技術(shù)在世界上的發(fā)展速度已經(jīng)開始加速，3D 打印技術(shù)已初步形成一套體系，同時該技術(shù)可應(yīng)用的領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大，已涵蓋產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計與制造、材料工程、醫(yī)學(xué)研究、文化藝術(shù)、建筑工程等各個領(lǐng)域，前景遠(yuǎn)大。期望在不遠(yuǎn)的將來，3D 技術(shù)能夠應(yīng)用在林業(yè)產(chǎn)業(yè)，并且不斷提高打印技術(shù)和應(yīng)用水平，持續(xù)推動林業(yè)產(chǎn)業(yè)快速、健康的發(fā)展。

10 發(fā)展及展望

3D 打印技術(shù)誕生于上世紀(jì)80年代。在30 多年的發(fā)展歷史中，3D 打印已應(yīng)用到多個領(lǐng)域。近些年，全球資源日益匱乏、經(jīng)濟(jì)衰退，以美國為首的西方發(fā)達(dá)國家大力倡導(dǎo)“再工業(yè)化，再制造化”戰(zhàn)略，提出數(shù)字化、智能化、新能源、新材料等關(guān)鍵制造技術(shù)為突破，以此來鞏固提升制造業(yè)主導(dǎo)權(quán)。在這樣背景下，具備以上特點的3D 打印，即增材制造技術(shù)被廣泛熱議，被認(rèn)定為第三次工業(yè)革命的重要因素、關(guān)鍵標(biāo)志之一;而互聯(lián)網(wǎng)、可再生能源、數(shù)字化、智能化，被認(rèn)定為第三次工業(yè)革命的核心及主要特征。而以這些特征為主的工業(yè)革命，勢必推動一些新型產(chǎn)業(yè)的誕生及發(fā)展，從而導(dǎo)致社會生產(chǎn)方式、制造模式、生產(chǎn)組織發(fā)生重大變革［30］。例如:大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)向大規(guī)模個性化定制、工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)向社會化生產(chǎn)，以3D 打印為例的新型制造系統(tǒng)改變傳統(tǒng)剛性生產(chǎn)系統(tǒng)，面向“柔性制造”、“批量定制”，賦予制造業(yè)更具包容性、靈活性、創(chuàng)新性的生產(chǎn)特點［31］。在此背景下，3D 打印面臨如下機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

1)在大批量制造等方面，增材制造尚不具備取代傳統(tǒng)工業(yè)制造的條件，不可能對現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生顛覆性作用。增材制造也不是無所不能，但它勢必會引發(fā)一場科技革命，它的主要作用是形成與傳統(tǒng)批量制造互補(bǔ)的個性化制造模式。

2)增材制造技術(shù)的發(fā)展，將削弱我國勞動力成本的優(yōu)勢，弱化中國制造［32］。我國企業(yè)應(yīng)有強(qiáng)烈的危機(jī)意識，針對我國產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)、設(shè)計創(chuàng)新能力薄弱、以量取勝的特點，應(yīng)以此為機(jī)提升研發(fā)能力，抓住第三次工業(yè)革命的歷史機(jī)遇，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)由大變強(qiáng)，推動我國由工業(yè)化大國向工業(yè)化強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。

3)政府制定相關(guān)政策法規(guī)，給予相關(guān)產(chǎn)業(yè)積極扶植。普及增材制造相關(guān)知識，加強(qiáng)教育培訓(xùn)、基礎(chǔ)理論的研究，鼓勵大學(xué)、實驗室、企業(yè)加強(qiáng)研究和人才的培養(yǎng)，激發(fā)青少年對3D 打印的興趣愛好［3］。

4)推動3D 打印產(chǎn)業(yè)化，并組織制定發(fā)展路線圖和中長期發(fā)展戰(zhàn)略，開展基礎(chǔ)研究，完善3D 打印技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)制定。加大財稅政策引導(dǎo)力度，加大對增材制造研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化支持力度，適時籌建相關(guān)行業(yè)組織。

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