3D打印技術(shù)：第三次工業(yè)革命的領(lǐng)跑者

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(lái)電子及工業(yè)創(chuàng)新時(shí)，重點(diǎn)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(jì)大賽中，獲得最高獎(jiǎng)的西電代表隊(duì)的作品外形也是用3D打印技術(shù)制造出來(lái)的。在中國(guó)北京DRC基地的首家3D打印體驗(yàn)館里，只要有一臺(tái)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(chǎng)景了，而是成為可以看得見(jiàn)，摸得著的現(xiàn)實(shí)世界了。在更早開(kāi)始使用3D打印機(jī)的歐美等發(fā)達(dá)國(guó)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(wú)所不能。在3D打印技術(shù)不可思議的背后，是其對(duì)整個(gè)傳統(tǒng)制造業(yè)流程的顛覆，一場(chǎng)前所未有的技術(shù)革命即將到來(lái)。

目前，3D打印技術(shù)依托多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，在航空航天、汽車(chē)摩托車(chē)、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(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志在《第三次工業(yè)革命》一文中，將其稱(chēng)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(yùn)用的情況下，傳統(tǒng)制造業(yè)也許不再運(yùn)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(huì)化制造（Social Manufacturing）。面對(duì)這一新的生產(chǎn)方式變革，以美國(guó)的“重振制造業(yè)計(jì)劃”為例，西方發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)開(kāi)展類(lèi)似的研究以推動(dòng)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(guó)際制造業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。

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(gè)真實(shí)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(gè)重要組成部分，其基本原理與快速成型制造類(lèi)同。其工作實(shí)質(zhì)是一個(gè)“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(shí)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(shí)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(shí)體的材料信息。

⑶通過(guò)打印驅(qū)動(dòng)程序，經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)字半色調(diào)的過(guò)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(tái)上打印給定的層厚，即打印一個(gè)剖切面，完成一層之后，再打印接下來(lái)的一層，這樣層層堆積疊加，得到三維實(shí)體。

打印結(jié)束后，進(jìn)行除粉、烘干等后處理，同時(shí)可以將蠟、環(huán)氧樹(shù)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(duì)簡(jiǎn)單零件而言，后處理階段所需時(shí)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(diǎn)

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(diǎn)如下：

⑴由三維CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)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(jì)，對(duì)于結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)部件的表現(xiàn)也不在話下。如果用來(lái)打印機(jī)械裝配圖，齒輪、軸承、拉桿等都可以正常活動(dòng)，而腔體、溝槽等形態(tài)特征位置準(zhǔn)確，甚至可以用于測(cè)試裝配公差的設(shè)計(jì)合理性，打印出的實(shí)體還可以通過(guò)打磨、鉆孔、電鍍等方式進(jìn)一步加工。同時(shí)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(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)換成真實(shí)的產(chǎn)品模型，從而可以對(duì)正處于設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品做出快速評(píng)價(jià)、修改及功能試驗(yàn)，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(jí)階段，還存在很多不足之處，例如對(duì)用來(lái)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(shí)體大多還只是實(shí)物的模型，不能直接對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用。

3 D打印技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)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(wèn)世。其中比較典型的有分層實(shí)體制造（也稱(chēng)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(chēng)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(guó)的Helysis公司、新加坡的KINERGY公司、日本的KIRA公司以及國(guó)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(guó)的DTM 公司、德國(guó)的EOS公司以及國(guó)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(guó)Stratasys公司及國(guó)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(guó)的3Dsystem s公司、德國(guó)的EOS公司以及國(guó)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(jué)特性和圖像的成色特性，利用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等工具，在二值設(shè)備或有限灰度級(jí)別設(shè)備上實(shí)現(xiàn)圖像再現(xiàn)的一門(mén)技術(shù)。它將連續(xù)色調(diào)圖像經(jīng)過(guò)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(guò)打印機(jī)在介質(zhì)上輸出此二值陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像階調(diào)的再現(xiàn)。對(duì)于三維打印機(jī)而言，它在打印過(guò)程中也需要這一轉(zhuǎn)化過(guò)程，只是在操作過(guò)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(guó)家，3D打印技術(shù)的應(yīng)用已較為廣泛，大到飛行器、賽車(chē)，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(guó)外研究空間飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在最近的國(guó)情咨文演講中多次強(qiáng)調(diào)3D打印技術(shù)的重要性，稱(chēng)其將加速美國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。美國(guó)政府將人工智能、3D打印、機(jī)器人作為重振美國(guó)制造業(yè)的三大支柱，其中3D打印是第一個(gè)得到政府扶持的產(chǎn)業(yè)。據(jù)悉，美國(guó)國(guó)家航空航天局正在研究一項(xiàng)被稱(chēng)為“未來(lái)3 D打印宇宙飛船”的技術(shù)，希望通過(guò)3D打印，制造出“廉價(jià)的機(jī)器人宇宙飛船”，奧巴馬政府已經(jīng)在俄亥俄州重點(diǎn)投入建一個(gè)專(zhuān)門(mén)整合國(guó)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(shí)上，在美國(guó)，價(jià)格低、操作簡(jiǎn)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(tái)”的普及程度，其購(gòu)買(mǎi)量不斷攀升。近10年，三維打印機(jī)開(kāi)始快速發(fā)展，比較有代表性的生產(chǎn)商包括德國(guó)Eos公司、美國(guó)的3D System 公司、Z Corp公司等。

我國(guó)的3D打印技術(shù)自1990年代初就有多所高校開(kāi)始進(jìn)行具有自主知識(shí)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(duì)開(kāi)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(guò)國(guó)外同類(lèi)裝備水平。

但是由于資金投入、研發(fā)水平等因素的限制，國(guó)內(nèi)的快速成型設(shè)備在運(yùn)行的穩(wěn)定性等方面與國(guó)外設(shè)備有一些差距；材料問(wèn)題一直是快速成型技術(shù)的核心問(wèn)題，與國(guó)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?guó)際增材制造行業(yè)發(fā)展報(bào)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(zhǎng)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(guó)納斯達(dá)克上市，2011年?duì)I業(yè)收入分別為1.7億美元和2.9億美元，2012年股價(jià)分別翻了2倍和3倍。

據(jù)評(píng)估，目前全球3D打印市場(chǎng)一年的市場(chǎng)總量不過(guò)20億美元，而國(guó)內(nèi)只有不到2億元人民幣。

3 D打印機(jī)在中國(guó)國(guó)內(nèi)近兩年增長(zhǎng)很快，企業(yè)級(jí)裝機(jī)量約為400臺(tái)，年增速均在70%左右。預(yù)計(jì)到2015年全球市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)30億美元。而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)國(guó)內(nèi)3D打印市場(chǎng)也將是十分廣闊的。

但3D打印技術(shù)并非沒(méi)有軟肋。與傳統(tǒng)工業(yè)銑床低至5萬(wàn)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(wàn)甚至逾百萬(wàn)美元。此外，打印批量小物件依然要消耗數(shù)小時(shí)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(guó)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(wú)法令人滿意。就目前的形勢(shì)來(lái)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(guò)，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(jià)格的下降，越來(lái)越多的工業(yè)部件將被打印出來(lái)，而不是被沖壓或燒鑄出來(lái)。

第三次工業(yè)革命將會(huì)由大規(guī)模制造轉(zhuǎn)向個(gè)性化生產(chǎn)，社群協(xié)同制造的關(guān)系會(huì)改變制造流程，打破跨國(guó)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(chē)時(shí)代的萌芽、不銹鋼和無(wú)線電放大器的發(fā)明都推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，然而即便這樣，當(dāng)時(shí)的人也無(wú)法預(yù)測(cè)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(lái)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(guò)我們堅(jiān)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(wú)窮盡的。