簡談3D打印現狀及在各行業的應用-本刊記者

　　業內視角

　　簡談3D打印現狀及在各行業的應用

　　本刊記者

　　后涉足3D打印制造，目前全球從事3D打印行業具

　　一、3D打印技術的起源及概況

　　“3D打印”是通俗的叫法，學術名稱為“快速原型制造”（Rapid Prototyping & Manufacturing），是80年代末90年代初在美國開發興起的一項高新制造技術。“3D打印”技術是在現代CAD/CAM技術、激光技術、計算機數控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術的基礎上集成發展起來的，采用材料累加的新成型原理，直接由CAD數據打印制成三維實體模型。快速成型系統就像是一臺“立體打印機”，不需要傳統的刀具、機床、夾具，便可快速而精密地制造出任意復雜形狀的新產品樣件、模具或模型。

　　3D打印技術背景

　　3D打印思想起源于19世紀末的美國，由于當時技術條件的限制，直到20世紀80年代才開始得到進一步的發展與推廣。

　　在傳統制造業里，復雜結構制造難度高、開模費用大、制造時間長，讓人們想象一種快速成型的方法，經過不斷設計研究，慢慢催生了3D打印技術。

　　1982年，日本名古屋市工業研究所首次公開實現實體模型印制。

　　1986年，美國科學家查爾斯。胡爾利用一種叫光敏樹脂的業態材料，發明出世界上第一臺3D打印機，隨后胡爾以這種技術為基礎成立了世界上第一家3D打印設備公司3D Systems，并于1992年賣出了第一臺商業化產品。

　　3D打印機發明后迅速得到推廣，且進入了商業化應用。美國政府已將人工智能、3D打印、機器人作為重振美國制造業的三大支柱。在我國3D打印是第一個得到政府扶持的產業且已列入我國科技部“863”計劃。本世紀至今，全球越來越多的公司先

　　有影響力的企業大約100家。

　　經過十幾年的發展與不斷改進，3D打印技術已無需機械加工和任何模具，就可以從計算機圖形數據中直接生成各種零件，節省了生產成本與研發時間，大幅提高了生產效率，因而在機械零件、珠寶模具、定制版產品以及醫學器官等多個領域都得到了最廣泛的應用。

　　中國3D打印技術起源

　　20世紀90年代，3D打印技術開始在中國嶄露頭角。

　　清華大學顏永年教授科研團隊支持的北京太爾時代科技有限公司（原北京殷華激光快速成形與模具技術有限公司）于1993年成立，目前已經成為快速成形設備制造領域的龍頭企業。

　　清華大學高分子材料研究所馮濤研究員創建的北京隆源自動成型系統有限公司于1994年成立，當年便研制成功了中國第一臺利用選擇性激光燒結技術（SLS）的快速成型設備。

　　華中科技大學快速制造中心主任史玉升教授創建的濱湖機電技術產業有限公司成立于1996年。濱湖機電是華中科技大學3D打印研究的產業化基地。

　　西安交通大學快速成型工程研究中心盧秉恒院士創立的陜西恒通智能機器有限公司成立于1997年，并于1997年研制并銷售國內第一臺光固化快速成型機。

　　及至目前，中國已經有大約30家企業在國際3D打印領域頗具影響力。

　　3D打印所需的關鍵技術

　　3D打印需要依托多個學科領域的尖端技術，至少包括以下方面：

　　1、信息技術：要有先進的設計軟件及數字化工具，輔助設計人員制作出產品的三維數字模型，并且根據模型自動分析出打印的工序，自動控制打印器材的走向。

　　2、精密機械：3D打印以“每層的疊加”為加工方式。要生產高精度的產品，必須對打印設備的精準程度、穩定性有較高的要求。

　　3、材料科學：用于3D打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結合起來，并具有合格的物理、化學性質。

　　3D打印主要材料性能特點及應用

　　目前來說，3D打印機可用材料非常有限，主要有以下幾種：

　　ABS材料，即丙烯腈—苯乙烯—丁二烯共聚物，是一種強度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料，又稱：ABS樹脂。

　　光敏樹脂材料：光敏樹脂，即UV樹脂，由聚合物單體與預聚體組成，其中加有光（紫外線）引發劑（或稱為光敏劑）。在一定波長的紫外線（250到300納米）照射下立刻引起聚合反應，完成固化。光敏樹脂一般為液態，常用于制作強度高、耐高溫、防水的產品。

　　金屬粉末材料：金屬粉末材料通過SLS成型時，使聚合物成為熔融態流入金屬粉粒間，將金屬粉末粘結在一起而成型。在成型的坯件中，進行熱降解、二次燒結和滲金屬后處理，才能成為純金屬件。

　　尼龍系列材料：該材料是由一種非常精細的白色粉粒做成，制成的樣件強度高，同時具有一定的柔韌性，使其可以承受較大的沖擊力，并在彎曲的狀態下抵抗一些壓力。它的表面有一種沙沙的、粉末的質感，并略微有些疏松。

　　3D打印工藝分類

　　選擇性激光燒結（SLS）、熔融擠出成型（FDM）、光固化成型（SLA）、分層實體制造（LOM）、三維印刷（3DP）、無模鑄型制造技術（PCM）。二、3D打印現狀

　　3D打印的應用領域具體應用領域包括：

　　1、工業制造：產品概念設計、原型制作、產品評審、功能驗證；制作模具原型或直接打印模具，直接打印

　　3D打印帶來什么？

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　　產品。3D打印的小型無人飛機、小型汽車等概念產品已問世。3D打印的家用器具模型，也被用于企業的宣傳、營銷活動中。

　　2、文化創意和數碼娛樂：形狀和結構復雜、材料特殊的藝術表達載體。科幻類電影《阿凡達》運用3D打印塑造了部分角色和道具，3D打印的'小提琴接近了手工藝的水平。

　　3、航空航天、國防軍工：復雜形狀、尺寸微細、特殊性能的零部件、機構的直接制造。

　　4、生物醫療：人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等。

　　5、消費品：珠寶、服飾、鞋類、玩具、創意DIY作品的設計和制造。

　　6、建筑工程：建筑模型風動試驗和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模擬。

　　7、教育：模型驗證科學假設，用于不同學科實驗、教學。在北美的一些中學、普通高校和軍事院校，3D打印機已經被用于教學和科研。

　　1、敏捷制造、智能制造、綠色制造、分布式制造：通過增材制造方式，從離散化的數字內容一層層疊加成型為到3D成品，解決復雜結構、薄壁件等工藝問題，制造流程簡化，人工減少，減少材料浪費，減少流通環節，減少碳排放；

　　2、個性化定制：互聯網、云計算、數字化技術、計算機技術為數據的生產、流通、使用提供了條件，3D打印的核心需要數字化內容、數字化制造，基于數字化設計制造的個性化定制將會出現在醫療、教育、藝術等各個方面；

　　3、經濟格局微變化：規模經濟、標準化產品經濟需要能源網絡、物料供應、工廠集中流水線生產密切配套，通過資源稟賦差異進行全球化配置，但是貧富差距、社會問題由此而生，金融（債務）危機過后發達國家也需要制造業回歸，他們選擇了圍繞增材制造（3D打印）、機器人等技術的先進制造、小批量制造，對于新興國家，接受國外產業轉移做出口之外，也需要引導投資放在先進制造業、回歸國內市場需求等方面，比如3D打印。

　　國外“3D打印”技術現狀及產業發展應用情況自1986年美國3D System公司推出了第一款工業化的“3D打印”設備以來，短短幾年中，就形成了其服務范圍涉及到模具制作、樣品制作、輔助設計、文物復原等多個領域。與內地相比，我國港臺地區3D打印技術引入起步較早，應用更為廣泛，但港臺主要著重于技術應用，而非自主研發。三、3D打印在各行業的應用示例

　　3D打印技術作為新一代的潮流制造技術，已經開始在各行各業開始嶄露頭角。3D打印技術在最初興起的時候，只是簡單地應用在模具制造業和工業設計領域，主要的產品還是一些工業產品和少量的工藝品。隨著在實踐中的不斷完善不斷發展，3D技術開始向其他行業進軍。現在，這項技術已經開始在珠寶業、建筑業、汽車行業、航空航天、醫療產業等大眾行業和一些尖端行業發揮顯著作用。最近一段時間，3D技術又觸電時裝業，一款時裝鞋曾在意大利“米蘭時裝周”上登臺亮相。還有很多造型奇異的臺燈同時在展會中展出，一些觀眾還有幸獲得了當場體驗3D打印技術的機會。

　　3D打印應用在工業制造業

　　制造業也需要很多3D打印產品，因為3D打印無論是在成本、速度和精確度上都要比傳統制造好很多。而3D打印技術本身非常適合大規模生產，所以制造業利用3D技術能帶來很多好處，甚至連質量控制都不再是個問題。

　　首先，數字化制造技術將大大減少直接從事生產的操作工人，勞動力所占生產成本比例隨之下降。此外，數字化制造的個性化、快捷性和低成本能夠更快地適應本地市場需求的變化，包括滿足小批量產品的生產需求。這些都促使發達國家鼓勵廠商把部分制造業遷回本國，對中國這樣的傳統制造業大國無疑敲響了警鐘。第三，自從工廠出現以來，產品與消費者之間的距離從未如此接近過。3D打印給消費者帶來了在大規模生產和個性化制造之間進行選擇的自由。第四，3D打印不需要模具，可以直接進行樣品原型制造，因而大大縮短了從圖紙到實物的時間。任何形狀復雜的零件，都可以被分解為一系列二維制造的疊加。

　　以家電行業為例，需求不振，銷量不佳，制造成本不斷攀升的產業壓力，讓家電企業的步履越發艱難，成本控制則成為企業永恒話題。

　　在傳統制造方式中，模具的投入與開發占據企業巨大的市場，1994年底全球已達900臺，到2008年年裝機總數就已經達到6000臺左右，以指數曲線在上升。

　　經過十多年的探索和發展，3D打印技術有了長足的進步，目前已經能夠在0。01mm的單層厚度上實現600dpi的精細分辨率。目前國際上較先進的產品可以實現每小時25mm厚度的垂直速度，并可實現24位色彩的彩色打印。目前，在全球3D打印機行業，美國3D System和Stratasys兩家公司的產品占據了絕大多數市場份額。此外，在此領域具有較強技術實力和特色的企業/研發團隊還有美國的Fab@Home和Shapeways、英國的Reprap等。

　　目前在歐美發達國家，3D打印技術已經初步形成了成功的商用模式。如在消費電子業、航空業和汽車制造業等領域，3D打印技術可以以較低的成本、較高的效率生產小批量的定制部件，完成復雜而精細的造型。另外，3D打印技術獲得應用的領域是個性化消費品產業。如紐約一家創意消費品公司Quirky通過在線征集用戶的設計方案，以3D打印技術制成實物產品并通過電子市場銷售，每年能夠推出60種創新產品，年收入達到100萬美元。

　　國內3D打印發展現狀

　　自20世紀90年代以來，國內多所高校開展了3D打印技術的自主研發。清華大學在現代成型學理論、分層實體制造、FDM工藝等方面都有一定的科研優勢；華中科技大學在分層實體制造工藝方面有優勢，并已推出了HRP系列成型機和成型材料；西安交通大學自主研制了三維打印機噴頭，并開發了光固化成型系統及相應成型材料，成型精度達到0。2mm；中國科技大學自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領域得到應用。但總體而言，國內3D打印技術研發水平與國外相比還有較大差距。

　　近年來，國內許多企業已實現了3D打印機的整機生產和銷售，這些企業共同的特點是由海外歸國團隊建立，規模較小，產品技術與國外廠商同類產品相比尚處于低端。目前，國產3D打印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技術水平有待進一步提升。

　　在服務領域，我國東部發達城市已普遍有企業應用進口3D打印設備開展了商業化的快速成型服務，

　　較高成本。以往家電模具是經由機床反復切割和打磨制作完成，由于要求高精度，一個模具的制造時間在1個月左右。企業每年耗費在模具上的制作經費很高，一些大型企業在家電模具開發上的投入每年甚至要耗費數億元。

　　3D打印技術研發與應用的漸興，或在未來能給家電企業帶來生產制造的捷徑。據悉，3D打印機將主要用于生產家電產品中樹脂部件生產所需要的模具。“在長虹的柔性制造投入中，我們安排了3D打印進入制造環節。其中電視和其他家電產品的模具應用3D打印，會降低模具成本”，長虹副總工陽丹介紹說。

　　早在上世紀90年代，青島海爾等企業就開始從事3D打印產業鏈上各環節的研發及應用。同時在青島高新區，3D打印的產業版圖已經規劃出籠，相關的項目研究也在開展中。涉及的重點上，圍繞3D打印軟件集成、材料開發、關鍵器件、應用示范等環節，重點選擇家電電子、模具制造、生物醫療、文化創意等領域開展研發和應用。

　　日本企業在3D打印領域也正在開展相關的研究并已獲得相關專利。據了解，松下公司已經計劃將可高效生產樹脂和金屬部件的3D打印機應用于家用電器制造生產，一旦成行，這將是3D打印機首次應用于家電量產。而相比傳統技術模具制造一個多月的周期，利用3D打印技術將會讓制造時間大大縮短，這也會直接讓松下電器的模具生產成本，得到上百億日元的縮減。松下也已針對白色家電使用3D打印技術制作樣品機。

　　在3D打印技術領域，一些IT巨頭也開始關注并紛紛涌入。據悉，蘋果、IBM、亞馬遜、微軟、惠普、愛普森等已經開始涉足該領域圖謀在未來無限可能的市場中分一杯羹。

　　隨著材料性能的提高、3D打印工藝的完善以及專利局限的突破，3D打印將會越來越多的應用在家電產品最終部件的生產上。

　　3D打印機在醫療上的運用

　　除了被用于制造珠寶、電子產品和汽車部件的模型，如今的工業3D打印機也在造福醫療領域：它們已經可以定制人體肝臟和腎臟的模型，而科學家們還在研究如何用3D打印機打印胚胎干細胞和活體組織，

　　3D技術在航空航天領域的應用

　　目標是制造出能夠直接移植到受體者身上的人體部位——用3D打印機制造人體部位可能再過很多年才能實現，但是先進的3D打印機目前已經開始走進醫院。

　　上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院一個骨盆腫瘤患者，經過診治后大半個骨盆被切除，面臨殘廢的風險，醫生為讓他重新站立行走考慮使用3D打印技術。

　　中國工程院院士、該院骨科主任戴尅戎教授介紹，按照以前的辦法，一般是使用制好的“通用型”金屬制品或經過處理的異體骨頭修復骨骼巨大缺損，但匹配度差，效果并不好。而如今，他們可以嘗試用3D打印技術為患者重新“打印”一個新的骨盆。

　　手術前，他們用CT掃描和磁共振技術采集完整的骨盆和腫瘤的數據，在此基礎上在計算機中構建出病人骨盆的立體圖像，并給出腫瘤的邊界和手術切除的范圍。同時，通過3D打印設備，打印出一個完整的與病人相同的骨盆模型。由醫師先在模型上進行模擬切除，根據模型的殘缺情況，設計制造出人工半骨盆假體并在模型上進行模擬安裝和修正，模擬安裝成功后，再使用鈦合金打印出真正的骨盆假體。手術切除腫瘤后，植入假體并與殘留骨盆精確連接。訂制的骨盆表面還可加上特殊涂層或微孔結構，有利于周圍組織與假體形成一體。最后的手術很成功，病人已經能夠站立行走。

　　戴尅戎表示，3D打印技術在醫療領域的發展空間巨大。從醫學角度看，3D打印技術有幾個特點，即因人制宜、就地制作、不限數量、節約成本，正好能滿足個體化、精準化醫療的需求。

　　科學家認為，未來3D打印技術將被應用到大量領域，尤其是航空航天方面的設計和制造都離不開3D打印技術。

　　日前，美國宇航局科學小組取得了火箭發動機3D打印技術的階段性成果，這一研究或將改變火箭發動機的設計和制造。工程師試圖通過該技術驗證3D打印能否應用于精密的火箭發動機部件生產，采用3D打印技術比傳統的制造工藝縮短更多的時間，美國法律限制了火箭發動機的設計透明度，防止該技術流出。

　　業內視角

　　員提供物美價廉的3D打印加工服務。線下整合3D產業資源，設有3D打印加工定點服務站，負責加工產品，并通過快遞公司將產品及時送到客戶手中。

　　網站的主要客戶群體，是易于接收新鮮事物的大中學生，為了提高網站知名度，億辰科技將眼光放到了教育行業，與學校進行合作。在領導的帶領下，公司的3D團隊走進幼兒園，走進中小學，走進大專院校，開展3D打印體驗活動，將學生的3D打印需求與網站服務緊緊聯系在一起。公司先后與十幾所學校建立了長期教育合作項目，為學校3D打印教學提供學習、打印、實習、創業、就業等一條龍服務。

　　未來的“3D人”喜歡創意，喜歡個性化產品。他們可以用智能手機在手機上建模，上傳打印模型，并且通過商家為他們打印“唯一”獨特的產品。四、3D打印的前景：增強應用性，實現產業化

　　英國《經濟學人》雜志在《第三次工業革命》一文中，將“3D打印技術作為第三次工業革命的重要標志之一”，這充分可以看出3D 打印機將來不是要取代某一個制造業，而是要取代幾乎所有的制造業。

　　未來的3D打印可以做什么？也許我們的房屋不再是人工建造的而是用3D打印機打印一個，我們不會受食物的匱乏限制，想吃什么自己打；家里的常用物品不再需要購買，需要杯子椅子自己打印一個……

　　3D打印機的未來或將無所不能，只需要一個想法，一些材料，一臺3D打印機，就能將腦中的一切轉變為實體。在工業消費領域，3D打印在產品設計和工具制造環節上的重要性更會凸顯。

　　以山東青島一家公司為例，此公司是生產電表，燈管控制器（燈開關）等等產品的公司。他們對于3D打印機的使用，首先是將客戶要求的內容，設計出“三維模型”，然后通過3D打印機快速“打印”出來，拿出實物給客戶看，如果客戶滿意，則去刻模大批生產，從而可以當時簽約客戶交付定金，這對于生產方沒有任何風險損失。另外假如客戶看到樣品后，覺得某些地方不合適可以當面指出，生產方設計人員會重新設計，直到客戶滿意為止，打印出實物之后，再交給客戶確認下，這樣不影響客戶簽約交付定金，還會避免生產方在盲目去刻模后浪費的刻模費用和時間精力。

　　3D打印部件的表現十分完美，而且使用了3D打印技術后，制造時間明顯縮短，僅花了4個月的時間，成本削減了大約70%。

　　我國3D打印技術在關鍵軍事領域的運用也已經非常成熟，與機器制造出的零件和產品相比，3D打印的產品更加精細輕盈、韌度更強、抗壓力更佳。

　　中國3D打印技術產業聯盟秘書長、亞洲制造業協會首席執行官羅軍表示，3D打印技術已被廣泛地運用到了航空航天、汽車零部件、重大裝備、文化創意、生物醫學等領域。

　　相比消費和制造領域，我國3D打印技術在關鍵軍事領域的運用已經非常成熟，其中包括航母上的各種武器和配套裝置、人造衛星的外部構造、火星探測器、空間站，乃至宇宙飛船，而航空航天領域也是國內目前運用3D打印技術最多的領域。

　　我國第一艘航母“遼寧號”的艦載機型“殲—15”的部分零件就是以3D打印技術制造而成的。由于戰斗機在航母上起降時，前輪幾乎需要承載整個飛機重量的一半，這對于前輪支撐腳的性能要求極高，而“殲—15”與最新“殲—31”的前輪支撐腳都采用了以3D打印而成的鈦合金構件。復旦大學美國研究中心教授沈丁立表示，3D打印技術能攻破武器部件、尤其是高端武器部件性能的缺陷。與機器制造出的零件和產品相比，3D打印的產品更加精細輕盈、韌度更強、抗壓力更佳。

　　3D打印走進普通生活中

　　目前，隨著3D打印機成本的降低，尤其2012年，臺式3D打印機的橫空出世，讓3D打印越來越多的出現在人們視野中，預計未來幾年，3D打印將走進普通人的生活。

　　以山東為例，青島億辰科技有限公司將3D打印工藝與互聯網的電子商務相結合，建立一個3D打印電子商務平臺——肥貓3D網。二者的結合能實現遠程3D打印加工服務，將不同需求的客戶與不同地域的打印機有機地結合起來，使未來私人定制和個人制作的需求在互聯網上得以實現。

　　為提供高質量3D打印加工服務，網站建立了一整套線上線下服務體系。線上設立會員俱樂部，會員在線上消費享有積分獎勵，消費越多積分越多，大大降低會員訂制和自制3D打印產品的價格，為學生會

　　三維設計、反求工程等3D打印工藝技術的研究。為了提高科研團隊的技術力量，聘請了國際3D打印技術領域泰山學者海外特聘專家擔任團隊學術帶頭人，拓展了團隊國際視野，提高了團隊科研實力。為了培養3D打印技術人才，與中科院合作在本單位博士后工作站指導培養博士后，指導培養3D打印領域研究生，引進國內外3D打印領域博士。山東省經濟與信息化委員會在電子信息專項中，重點立項支持王修春科研團隊建設“山東省3D打印技術綜合服務平臺”。為對企業開展服務，本平臺已與濟南市新材料產業園簽約，在濟南市新材料產業園建設3D打印技術服務基地。平臺與相關企業合作，開展機器人關鍵零部件3D打印技術研究與應用，作為技術支撐單位聯合申報了山東省自主創新重大專項。聯合山東電子學會、省經濟與信息化研究院開展了省科協3D打印技術軟科學項目的研究，籌備建立山東省3D打印產學研合作平臺。發揮山東省科學院電子信息、材料、激光、自動化技術的綜合優勢，合作開展3D打印工業云平臺、3D打印材料、裝備技術的研究。

　　近年來，王修春研究員先后主持承擔科技部國際科技合作專項“氫燃料電池電極新材料”，省經信委電子信息專項“山東省3D打印技術綜合服務平臺建設”，合作承擔國家支撐計劃子課題“鎂合金防護與連接技術”，山東省自主創新重大專項“汽車用鎂合金及部件制備技術”、山東省科技發展計劃項目“清潔汽車涂裝技術研究與產業化示范工程”，山東省自然基金、博士基金等多項課題，研究開發的技術成果和產品已經廣泛應用于國內外汽車、礦山、油田、軍工等多個領域，獲省科技進步二等獎一項，省科技進

　　步三等獎二項，國家發明展銀牌獎一項，省發明展一等獎一項，獲山東省發明創業獎。下一步，王修春研究員及其科研團隊將繼續致力于3D打印技術研究與應用推廣，使3D打印技術在山東省得到更快發展，為山東省兩化融合和產業升級做出貢獻。

　　在節省時間、節省金錢方面，3D打印技術的優勢顯而易見，但是如果需要量產，3D打印的成本將遠高于現在的流水線。而且企業很難投入更多精力和金錢去研發3D打印耗材，所以3D打印現在很難形成規模化發展。

　　要想長遠發展，提高應用性，產業化發展已經變得勢不可免。

　　事實上，目前以上市公司為代表的3D打印企業也無不積極拓展應用的領域，希望借此加速3D打印的產業化進程。光韻達2013年曾與比利時Materialise公司簽訂了《三維打印賽車項目合作框架協議》，提出用一年時間完成一輛可駕駛的電動或太陽能賽車的制作，并使用該賽車參加一次正式的同級別競技比賽。到了2014年，光韻達近日又公告進軍3D打印醫療領域。除此之外，公司在3D打印方面后續還可能向工業領域發展，如航空航天等。

　　同時，另一家上市公司銀禧科技高管也稱，公司除了做原材料外，還將涉及加工與服務。

　　總體來說，未來3D打印并不一定會代替傳統制造業，但它會成為制造業的必要補充。3D打印技術的不斷成熟，在推進中國產業結構調整的步伐、提升制造業水平的過程中，也將大放異彩。

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