看三维打印如何缔造完美未来 - 文章

看三维打印如何缔造完美未来

作者：同济大学现代制造技术研究所张曙

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三维打印（3DP）是美国麻省理工学院（MIT）在上世纪90年代发明的一种快速成型技术，准确的名称是增量叠层制造（Additive Layered Manufacturing）。其愿景是将来可在任何地方制作任何构成、任何材料和任何几何形状的实物，即“4A”制造。因三维打印的工作原理类似喷墨打印机，故名三维打印，不过喷出的不是墨水，而是粘结剂、液态的蜡、塑料或树脂。按照喷出的材料不同，可分为粘结剂打印、熔融蜡打印和熔融塑料涂覆。如果把打印头换成激光头，激光烧结、光固化树脂和激光熔融也可视为三维打印的特例，所以广义上，三维打印包含了大多数增量叠层制造技术，更加从宏观上进行系统思考，也便于公众对新技术的理解。

20年沉淀，终攀第一高峰

三维打印与传统的成形工艺不同，是一种“增量”成形技术。具体成形过程是根据三维CAD模型，经过格式转换后，对零件进行分层切片，得到各层截面的两维轮廓形状。按照这些轮廓形状，用喷射源选择性地喷射一层的粘结剂或热熔性材料，或借助激光选择性地固化一层的光敏树脂，或烧结一层的粉末材料，形成一层两维轮廓形状，然后层层叠加成三维立体零件，整个工艺过程原理如图1所示。

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图1 增量叠层制造的基本原理

增量叠层制造始于1983年，美国人 Chuck Hull发明了借助光敏树脂固化叠层制作实体的方法，数年后付诸了工业应用，并创建了3D Systems 公司，开创了直接数字制造的时代。随之，先后出现了FDM、SLS、和3DP等几十种不同的增量叠层制造。

而如今，增量叠层制造技术有了巨大的进步，并在向当初提出的愿景征途中，攀上了第一座高峰。今天，增量叠层制造已发展成为一种具有无限可能的多用途技术。其光明的前景吸引了众多的设计师、工程师、业余爱好者和投资者参与其中，成为可能引发新工业革命的导火线。

除了三维打印的独特优势，这一高潮的出现还由于近年取得的成本突破、材料突破以及应用领域的极具扩大。与此同时孕育着和开始隐现出新的商务、生产模式以及新的生活方式。一些未来学家甚至认为，它的作用将可与计算机和互联网媲美。

优势护航，价格材料双突破

总体来说，三维打印具有4大优势。首先，三维打印是直接数字化制造，从三维CAD模型直接制造出产品，而不仅是零件，减少或省略了毛坯准备、零件加工、装配等中间工序，且无需昂贵的刀具或模具。第二，三维打印制造的是完全定制的、个性化的独特产品，可做到全球仅此1件，百分之百按订单制造。在没有售出之前，是数字储存在计算机里，无需实体仓库。第三，三维打印产品在没有售出之前是用数字发运的，CAD文件在互联网上传输，费用极微。此外，三维打印不仅是按需制造，而且是就地制造，即在使用地点制造，这种虚拟运输节约或舍弃了物流成本。最后，三维打印能够最大限度地发挥材料的特性，而不在意制品构造是否复杂，仅把材料放在有用的地方，大大减少了材料的浪费。

价格急剧下降

福特发明了流水线，使T型车的售价降到950美元，从而汽车进入了家庭，拉开了大量生产方式的序幕。今天，一台数千元PC机的性能可与30年前上千万的计算中心相当，所以PC机无所不在。因此，任何新技术只有在价格下降千百倍以后，才能得到真正普及，为大众所接受，三维打印也不例外。

10年前，三维打印机售价数万到数十万美元，今天，家用三维打印机仅售1,000~2,000美元。而低价的三维打印机可供家庭打印玩具、摆设、装饰品、家庭用具和各种业余爱好物品。可以预计，在未来3~5年内，家用三维打印机完全可能降到300~ 500美元，成为开发儿童智力的机器。

材料日趋多样化

过去，三维打印大多仅能打印树脂或塑料一类的软材料。而今天，不仅可以打印钛合金一类的高强度材料，还可以打印陶瓷和玻璃，甚至打印混凝土制品、食品和生物细胞。欧洲航天和防务公司（EADS）创新工作组研发的三维打印出来的钛合金飞机起落架零件与传统工艺制造同样功能的零件比较如图2所示。

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图2 三维打印和传统方法制造零件的比较

从图中可见，零件的结构设计更加合理、重量更轻、材料更节省。对航天产品来说，每减少1 kg，都将带来产品性能的极大提高和巨大的经济效益。

应用广泛，遍及各行各业

创意无限的家居用品

能够进入家庭的新技术，其市场前景无疑是巨大的。且由于没有制造过程的限制，设计师可以充分发挥想象力和创造力，设计出独一无二的艺术品、灯饰、夹具、首饰，使家庭具有充满个性化的艺术氛围。此外，借助家用三维打印机自己可以随时打印所需的日常用品，包括鞋子、发夹、首饰、玩具等等，大大增加了生活的方便性和趣味性，如图4所示。

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图3 房屋三维打印及其原理

快速运行的机械产品

使用三维打印不仅可以制作固定不动的产品，还可以制作有相互运动机构或部件的物体，如轴承、啮合齿轮或其他机构。图4为打印无需装配的转动风扇。

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图4 无需装配的转动风扇

快速直接建造的房屋

在建筑领域，三维打印除用于制作复杂的、大型的、超现代创意的建筑模型外，还可用于房屋的快速直接建造。美国南加州大学和英国拉夫堡大学对陶瓷制品和混凝土构件三维打印进行了多年研究，并已用于房屋的快速建造。图4所示为南加州大学的三维打印房屋原理及其在巴基斯坦地震救灾时的应用案例。从图中可以看出，龙门架可在拟建房屋的良策轨道上行走，横梁上有横向和上下移动的混凝土“打印头”，一层层打印出中空结构的墙壁。且不仅可以打印直线墙壁，还可打印任意弧线的墙体或抗震的拱形结构。建造的速度很快，一天就能够打印一幢小楼。

骨科的创伤修复

近年来，三维打印在医疗领域的应用日益广泛。除口腔科用于制造齿冠外，骨科的创伤修复将成为热点。目前的人体植入物是标准化的，而不是个性化的，在许多情况下并不适合每个患者的需要。三维打印人体植入物的另一优点是能够制作与骨骼结构相似的植入物，即非实体的、具有层次结构的人造骨骼。这种骨骼更容易与人体组织交融，缩短康复过程。此外，将患者的CT扫描文件传输给专门的人造骨骼专业公司，即可很快地获得定制的骨骼，从而可及时为患者进行手术，避免延误。下颚骨修复案例如图5所示。

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图5 三维打印的下颚骨修复案例

除以上三大应用领域外，三维打印技术还可进行生物打印，即打印人体组织和器官，以及其他许多新奇的应用，例如打印可吃的蛋糕、可演奏的乐器、可发射子弹的手枪等等。未来，三维打印也必将在更多的领域得到应用。

影响深刻，或将成为新工业革命的导火索

三维打印不仅正在改变物品制造的方法，而且还对人们的经济、生产和生活的各方面产生了强烈的冲击，引起了一系列的变革，可能成为新工业革命的导火索。例如，三维打印改变了人们购买物品的过程，人们不再走进商店挑选有限款式的商品，而是在网上挑选接近你喜好的样式，进行修改，直到满意为止。美国 Freedom of Creation公司就是这样一家三维打印创意物品的公司，他们在网上出售创意的灯饰、家具、首饰等，但是没有实体货品，因而没有物流和库存。

此外，虽然三维打印机即将进入家庭，但并非每个人都是设计师，能够设计出有创意的物品。这种情况下，你可以向设计公司购买创意产品的CAD文件，下载后在家里打印。反过来，你有创意的设计，就可以挂到网上去销售，供别人下载。然而，值得注意的是，有创意的设计一旦成为网上商品，下载就能打印，就为知识产权保护带来新问题，如何防止任意拷贝和无限传播需要新的法律来保护。

三维打印的发展同时也为三维打印服务商带来了无限商机。例如，你没有三维打印机或者你的三维打印机不够好，这时你就可以把你的创意产品的CAD文件，传给专业的三维打印服务公司，委托他们打印。三维打印服务商会提供不同打印工艺和不同的材料供你选择，不仅可以很快把打印好的物品送到你家里，而且可以代你向全世界销售你的产品。美国Shapeways公司就是一家著名的3DP服务商，他的广告用语是：“通过三维打印制作和分享你的产品”。

优缺点并存，未来潜力无限

局限的存在

三维打印仍然是处于成长过程的技术，还不够成熟，目前主要用于个性化的单件生产。其主要局限有三大方面。首先，三维打印与塑料注射机等成熟的大批量成形技术相比，生产成本过高。与传统切削加工技术相比，产品的尺寸精度和表面质量相距较大。其次，材料的可选择范围可能是其最大的障碍，目前可用于三维打印的材料不超过100种，而目前在工业中应用的材料超过10,000种，三维打印材料的现有物理性能尚有待于提高。最后，由于三维打印即将进入家庭，因此孩子们的兴趣成为挖掘三维打印市场潜力的巨大推动力。只有使打印物品成为新一代的计算机游戏，才能引起儿童的兴趣，从而发挥他们的巨大创造性，最后达到改变世界的目标。

潜能的挖掘

三维打印之所以受到如此重视，焦点并非这项技术的本身，而是它可能引发的社会和经济变革。三维打印能够改变商务模式的潜在能力是，一家公司可具备快速提供价格合理而符合个性需求物品的能力，无需拥有已制造而没有售出的物品仓库，实现零库存。只有在接到订单和收到付款之后才进行就地及时制造，几乎没有经营风险。唯一的风险仅仅在于产品设计的时间和费用。

三维打印的优势还在于将产品设计与产品制造分离成为不同的行业。三维打印产品的设计和制造可以极其方便地分别外包给不同的公司。例如设计师可委托三维打印公司制造、发运他的作品，收集客户的反馈。反之，用户也可向设计公司购买设计，从网上下载所喜爱产品的CAD文件，在家里打印或委托专业公司打印。

要使这样的愿景成为现实，就必须克服三维打印存在的成本、精度和强度的局限。三维打印材料的价格目前是传统材料的10倍以上，三维打印现有产品的尺寸精度以1/10mm计，要达到微米级还有很长的路要走。

可以预见，5年以内将会出现三维打印的完整供应链，不仅是设计一方。而更大的变化将是生产领域会出现大量提供CAD/CAM设计的公司，供最终用户下载，在家打印产品或委托专业公司打印。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/21/2012)


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