言帆

摘 要：3D打印技術(shù)引領(lǐng)著第三次工業(yè)革命。文章概述了3D打印技術(shù)的起源發(fā)展以及應(yīng)用領(lǐng)域，有較強(qiáng)的實用性。目前3D打印已經(jīng)橫跨了醫(yī)學(xué)、航天、食品、機(jī)械、建筑、汽車、電子、服裝、珠寶首飾等多個行業(yè)與領(lǐng)域，正快速地蠶食傳統(tǒng)行業(yè)的自留地。目前，我國3D打印技術(shù)發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，總體尚處于新興技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化初級階段。不過，鑒于未來3D打印技術(shù)最有可能在美國和中國率先大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，我國3D打印產(chǎn)業(yè)前景可期，中長期發(fā)展趨勢向好。從近中期看，3D打印將與傳統(tǒng)的制造技術(shù)形成互補(bǔ)。相較于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，3D打印技術(shù)的確是重大的變革，但目前和近中期還不具備推動第三次工業(yè)革命的本領(lǐng)，也不會是傳統(tǒng)制造業(yè)的終結(jié)者。

關(guān)鍵詞：3D打印；模型；立體

中圖分類號：TP334.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0147-02

1 3D打印技術(shù)的起源與發(fā)展

前幾天，美國的福特汽車公司宣布自家的3D打印部門已經(jīng)能夠打印懸掛部件了，而且在不久的將來能將整車都3D打印出來！還是美國的公司，用3D打印機(jī)打印了一座房子，僅用24小時就造了一所37平米的小公寓，而造價被控制在10000美刀之內(nèi)！再把目光轉(zhuǎn)向國內(nèi)，2017年的3D打印TCT展會正在上海開展，國內(nèi)外百余家廠商在會展上競相展出自家的新品。3D打印，這個似乎有點陌生的詞匯有什么魔力匯聚眾多行業(yè)的關(guān)注，乃至于基于這個技術(shù)產(chǎn)出的事物都能變成新聞？有別于傳統(tǒng)的模具制造方式，3D打印是一種新時代的工業(yè)生產(chǎn)方式。

數(shù)字化與實體模具是3D打印與模具制造上的一個質(zhì)的區(qū)別，無需投產(chǎn)前的模具準(zhǔn)備、樣品調(diào)整、耗材預(yù)估等環(huán)節(jié)，直接采用數(shù)字模型生產(chǎn)，所見即所得。此外，3D打印可以制造出更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、更高精度的細(xì)節(jié)，同時保證極高良品率下的無污染生產(chǎn)。在19世紀(jì)90年代初，美國出現(xiàn)了3D打印技術(shù)的思想。直到20世紀(jì)后期這個思想才得到根本性的發(fā)展，被廣泛稱為“上上個世紀(jì)的思想，上個世紀(jì)的技術(shù)，這個世紀(jì)的市場”。相比于傳統(tǒng)制造方法，3D打印技術(shù)在產(chǎn)品制造復(fù)雜程度、生產(chǎn)制造范圍、生產(chǎn)制造效率、滿足客戶個性化需求等方面有著明顯的優(yōu)勢。何工藝的發(fā)展史都不是線性的，要了解3D打印技術(shù)，我們需要深入探索3D打印技術(shù)最早的起源。

2011年，約瑟夫·比曼從照相雕塑和地貌成形技術(shù)兩個角度追溯了3D打印從19世紀(jì)中期到20世紀(jì)70年代的歷史。其中，照相雕塑是指先用相機(jī)和鏡頭獲取物體外形，然后模擬照相制版法制造出物體。地貌成形技術(shù)是指先用線性方式描繪物體的外形，再用線性形式復(fù)制出該物體。比曼根據(jù)這兩種技術(shù)差異將3D打印的發(fā)展主要分為兩個方向。一個是用分層物體制造的方式進(jìn)行3D打印，例如FDM技術(shù)；另一個（照相雕塑）則利用光照使光敏樹脂固化，比如SLA技術(shù)。后來本杰明·切維頓將照相雕塑機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，于1884年獲得了縮放雕塑的雕塑打印機(jī)專利。于此同時，法國工程師兼設(shè)計師阿希爾·科拉斯利用縮放儀研究出另一種雕塑的制作方法。前面提到的制造設(shè)備被認(rèn)為是數(shù)控銑床的前身。而數(shù)控銑床則是3D打印機(jī)的前身。

在照相雕塑技術(shù)中，發(fā)明人威廉在巴黎建了一個工作室，美國人卡洛·貝斯建議在威廉的制作工藝中加入明膠使雕刻品更為柔和，把一層層膨脹膠質(zhì)疊放起來，制造出浮雕效果。但現(xiàn)在來看這種工藝并不可行，因為在添加新層時，上一疊層可能已經(jīng)收縮變硬了。感光材料的發(fā)展，起源于1839年蒙戈·龐頓發(fā)現(xiàn)鉻合金硬化材料開始，直至20世紀(jì)早期利用陶瓷照相制作浮雕瓷磚，這些工藝為20世紀(jì)的快速成型工藝奠定了基礎(chǔ)，標(biāo)志著光敏樹脂浮雕工藝的誕生，它是現(xiàn)代3D打印技術(shù)的重要組成部分。在早期的照相浮雕制作工藝中，人們通過加入感光明膠，一旦經(jīng)過水洗后，明膠就會形成有色調(diào)的浮雕：亮區(qū)凸出來，暗區(qū)凹進(jìn)去。為了制作出更具立體感的三維物體，工程師奧托·芒茲申請了“照相凹版記錄”專利。通過依次曝光一層照相乳劑，通過光照使之固化，以此來制造三維物體。待曝光照片用光敏樹脂來進(jìn)行處理，圖片在曝光后硬化。

直到20世紀(jì)60年代，光敏樹脂才開始在印刷界廣泛使用。光敏樹脂材料的廣泛運(yùn)用，為1986年第一臺光固化3D打印機(jī)的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)時的3d打印機(jī)非常巨型而且昂貴?，F(xiàn)在，3d打印技術(shù)已經(jīng)走向成熟，生產(chǎn)鏈條也基本完善成型。

2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用

“只有你想不到，沒有什么做不到”用這句話來闡明3D打印的用途，似乎有些簡單粗暴了些，但話糙理不糙。3D打印技術(shù)的基本原理是掃描一個在電腦中已經(jīng)完成好的或者完整的三維立體零件模型，按照微積分的思想，沿空間某一坐標(biāo)軸切成許多個有一定厚度的剖面，然后通過打印機(jī)打印出每個剖面部分，再將剖面一層層連接起來，最終就是得到所需要的實體，也即是“分層制造、逐層疊加”。目前核心的3D打印技術(shù)方法有以下幾種：（1）光固化立體成型；（2）分層實體制造；（3）選擇性激光燒結(jié)；（4）熔積成型。3D打印數(shù)字化的生產(chǎn)方式?jīng)Q定了其具備跨行業(yè)、多用途的性質(zhì)，多模式化的生產(chǎn)包括了定制化、自動化、快速生產(chǎn)等。下面針對幾個行業(yè)做一些具體的介紹：

2.1 鑄造業(yè)。近年來，中國鑄造業(yè)飛速發(fā)展，鑄造業(yè)零部件的生產(chǎn)也跟隨世界發(fā)展潮流，逐步趨向自動化，數(shù)字化以及綠色化。鑄造模具的使用在各類鑄造工藝當(dāng)中最為頻繁，同時鑄件的質(zhì)量和功能結(jié)構(gòu)變化發(fā)展迅速。因此，在鑄造行業(yè)中出現(xiàn)了3D打印技術(shù)。3D打印技術(shù)具體應(yīng)用于鑄造工藝當(dāng)中的成型和核心工作部位，用于快速制造砂磨/芯，并保存模具。在不使用砂箱的情況下，采用低壓或重力鑄造法，鑄造鑄鐵件、鑄鋼件來配合砂箱工作。傳統(tǒng)鑄造的模具設(shè)計和制造工藝在3D打印技術(shù)中得到了消除，因此也叫無模化鑄造。

2.2 陶瓷業(yè)。一開始，陶瓷領(lǐng)域主要應(yīng)用3D打印技術(shù)來制作模型，利用3D打印的精細(xì)模具來制作精美的陶瓷制品。但后來，3D打印技術(shù)逐漸強(qiáng)大到能夠完成真實陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)。近來，許多外國公司或科研機(jī)構(gòu)從事傳統(tǒng)陶瓷3D打印技術(shù)的研究，有很多突破性的進(jìn)展。2012年末，“deseen”雜志展示了Unfold設(shè)計室的最新研究成果。他們自行研發(fā)的3D打印設(shè)備已經(jīng)成功地打印出了各種各樣的日用陶瓷產(chǎn)品。一些產(chǎn)品已經(jīng)被涂上了釉面，效果很好，質(zhì)量也很好。2013年，運(yùn)用3D打印技術(shù)，以硅粉為原料，糊精為粘結(jié)劑，通過對硅氮化硅陶瓷零件的反應(yīng)燒結(jié)高孔隙度，獲得了多孔硅的制備工藝。endprint

2.3 設(shè)計業(yè)。眾所周知，產(chǎn)品外觀及結(jié)構(gòu)模型做好之后，一般都會進(jìn)入產(chǎn)品打樣的環(huán)節(jié)，前者是為了看看產(chǎn)品的美觀度，后者則是為了驗證產(chǎn)品可行性。在這之前一般的手法都是用CNC機(jī)床做手板；隨著科學(xué)技術(shù)及3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在越來越多的設(shè)計公司及企業(yè)開始用3D打印技術(shù)來做手板。利用傳統(tǒng)制造技術(shù)如注射法，生產(chǎn)大批聚合物產(chǎn)品，成本相對較低。而3D打印技術(shù)則可以以更快，更富有彈性，更低成本的方法生產(chǎn)相對較少的產(chǎn)品。設(shè)計師或概念開發(fā)小組制造模型的需要可以通過一個桌面大小的3D打印機(jī)來滿足。

2.4 醫(yī)療業(yè)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，醫(yī)療和外科中心占據(jù)三分之二的3D打印市場份額，在未來很長一段時間內(nèi)，將在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。除了輔助醫(yī)療和人體器官的制造之外，3D打印技術(shù)在提供定制和個性化醫(yī)療儀器設(shè)備方面也有很大的發(fā)展空間。首先，使用噴墨3D打印技術(shù)可以產(chǎn)生獨特的計量藥物。這種新的制藥方式對傳統(tǒng)制藥行業(yè)可能造成一定的威脅。這一過程所做的新準(zhǔn)備已經(jīng)在許多種藥物中得到了檢驗。其次，3D打印技術(shù)可以打印出活體組織。能夠打印出活組織無疑是醫(yī)療保健行業(yè)的一個新突破。以3D打印心臟為例，一些專家預(yù)測，3D打印心臟功能將在20年內(nèi)實現(xiàn)。這是因為3D打印的困難部分是復(fù)雜的血管。第三，3D打印可以更精確地控制復(fù)雜的藥物釋放曲線。藥物釋放曲線顯示了藥物是如何在病人體內(nèi)釋放的以及藥物分解的時間。研究人員可以通過親自設(shè)計和打印藥物來幫助了解更多關(guān)于其釋放曲線的信息。最后，3D打印可以為病人提供一個個性化的處方。通過使用全新的材料，可根據(jù)客戶的需要，使用3D打印技術(shù)進(jìn)行“異化”的口頭管理。也就是說，你可以為每個病人量身定做自己的藥。目前醫(yī)學(xué)3D打印的產(chǎn)品仍處在無生命階段，比如定制化假肢、牙齒、手術(shù)模型、骨科植入物等。

3 3D打印技術(shù)的不足和未來

3.1 3D打印技術(shù)的不足。前面說了那么多3D打印好處，那為什么現(xiàn)階段它卻沒有被大部分人接受呢？這就要說到3D打印的不足之處了。總結(jié)它的不足點大致有：打印時間長、材料選擇單一、成品質(zhì)量差。打印時間長應(yīng)該是最明顯的缺點了，打印一個日常用的水杯就得耗時4個多小時，很多人因此失去了興趣。3D打印材料雖然有不少可供選擇，但和我們?nèi)粘Ｉ钪械男枨蟊绕饋?，可選擇的材料還是單一，而且可供選擇的材料又不能直接從日常生活中獲取，需要單獨購買。制作出來的成品無論從光滑度還是硬度、柔韌性都比不上工業(yè)生產(chǎn)。3D打印制作的物件受溫度、濕度影響大，使用一段時間就容易斷裂。

3.2 3D打印的未來。工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品千篇一律，3D打印制作的產(chǎn)品因人而異，因此它可以彰顯個性，突顯個體差異。彰顯個性也是未來發(fā)展的潮流，每個人都在試圖說服別人我和他人不同。雖然3D打印有許多不足之處，但隨著科技的進(jìn)步，3D打印終有一天會在人類歷史舞臺上大放光彩。

針對消費者的教育和推廣普及，則是3D打印未來發(fā)展的另一大關(guān)鍵——什么樣的對象適合用于增材制造？哪些又是不合適的？這就需要一個標(biāo)準(zhǔn)，包括對打印對象的評估，其大小形狀、生產(chǎn)規(guī)模、現(xiàn)有材料等。3D打印和其它些材料，也許需要其它替代的商業(yè)模式和生產(chǎn)資源組織方式。南加州大學(xué)教授Behrokh Koshnevis提出，遠(yuǎn)程操控可能會成為制造商未來的組織模式。生產(chǎn)者與傳統(tǒng)的工廠和設(shè)備分離，甚至可能離這些設(shè)備定點十萬八千里。對設(shè)備實現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控之后，工人們不再束足于工廠，可以遠(yuǎn)程完成自己的工作。這樣一種組織模式好處甚多：一方面保護(hù)工人健康、安全，增加參與勞動的積極性；另一方面可以通過將工廠設(shè)在地產(chǎn)、能源成本相對較低的地區(qū)，降低業(yè)務(wù)開支。

遠(yuǎn)程辦公也可以看作是未來工業(yè)4.0發(fā)展的一個大趨勢，尤其在談到分散化企業(yè)的發(fā)展機(jī)會時。多種新興技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及自動化將帶動3D打印進(jìn)一步應(yīng)用推廣。2017下半年，我們期待3D打印進(jìn)一步迎勢而發(fā)！

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