三维打印：新工业革命的“车轮”

作者：同济大学教授 张曙

欢迎访问e展厅 展厅 5 三维打印机展厅 三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ... 明天你将在家里打印一切 三维打印（Three Dimensional Printing, 3DP），即增量叠层制造（Additive Layered Manufacturing），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。这项技术的工作原理类似喷墨打印机，不过它喷出的不是墨水，而是粘结剂、液态的蜡、塑料或树脂。三位打印借助激光固化一层的光敏树脂，或烧结一层的粉末材料，或喷射一层的粘结剂或热熔性材料，形成一层两维轮廓形状，然后层层叠加成三维立体零件。按喷出材料不同，可将三维打印分为粘结剂打印、熔融蜡打印和熔融塑料涂覆三种形式。 ◆三维打印技术的优势 1．减少中间投入 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。 2．满足个性化需求 三维打印制造的是完全定制的、个性化的独特产品，可做到全球仅此一件，百分之百按订单制造。 3．节省仓储物流成本 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，而且无需实体仓库。它不仅是按需制造，而且是就地制造，虚拟运输节约或舍弃了物流成本。 4．材料绿色节能 三维打印可以最大限度地发挥材料的特性，不在意制品构造是否复杂，仅把材料放在有用的地方，大大减少材料的浪费。 ◆无限可能的多用途技术 自三维打印技术发明20年来，技术上已经取得了巨大的进步，其应用领域也得到了极大拓展。现如今，三维打印技术已经不仅仅局限于制作原型，还能够制造出可用的功能产品；不仅可以制造塑料产品，还可以制造金属产品 ；不仅可制作现代艺术品，也可用来高仿真复制古董。采用三维打印技术制作的产品甚至可以用于航空航天，也即将进入千家万户 ；不但可以制造身外之物，还能制造人体植入物，甚至人体器官 ；还能够制造各种家庭用品，还可以盖房子、制作蛋糕和牛排。无可厚非，三位印刷技术是一种具有无限可能的多用途技术。 ◆打印设备价格急剧下降 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，三维打印机售价从数万到数十万美元不等。今天，家用三维打印机仅售1000-2000美元。低价的三维打印机供家庭打印玩具、摆设、装饰品、家庭用具和各种业余爱好物品。而据预测未来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。 ◆打印材料的多样化 伴随设备价格极具下降而来的是打印材料的不断多样。目前，三维打印技术主要可使用的打印材料有丙烯酸基光固化树脂、单色或彩色粘结剂、溶蜡等液态；钢粉、钢合金粉等金属粉末；塑料粉、树脂砂等非金属粉 ；蜡丝或彩色塑料丝等丝材；混凝土、陶瓷浆等建筑材料；活细胞、干细胞等生物材料；面粉、奶酪、巧克力等食品原料。 三维打印促生新的商务、生产、生活模式 ◆模式一：三维打印创意物品商店 三维打印不仅正在改变物品制造的方法，也在改变人们购买物品的过程。人们不再要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。 ◆模式二：买卖创意的商店 既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，那么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。反之，你有创意的设计，就可以挂到网上去销售。供别人下载，出卖你的创意。 ◆模式三：三维打印服务商 你没有三维打印机或者你的三维打印机不够好，就可以把创意产品的CAD文件，传给专业的三维打印服务公司，委托他们打印。维打印服务商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。 三维打印的局限和未来 ◆三维打印的局限 虽然三维打印技术在较多优势，但它的技术局限也不容小觑。第一，三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。而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。第二，材料可选择范围的狭窄是这项技术的最大的障碍。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10000种，三维打印材料的现有物理性能尚有待于提高。第三，三维打印即将进入家庭，正在呼唤孩子们能够操作和喜爱的CAD/CAM三维软件。只有打印物品要成为新一代的计算机游戏，才能引起他们兴趣，发挥儿童的巨大创造性，那就可能改变世界。 ◆三维打印的未来 三维打印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。三维打印的优势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。 愿景要成为现实，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。 新工业革命的“车轮” 新工业革命的核心是数字化网络化制造，是基于互联网的商务和生产模式，以虚拟活动取代现实活动，减少资源的消耗，保护环境，使人们生活得更好。三维打印技术在很大程度上体现和顺应了这一潮流，从而对未来社会、经济、生产、教育将产生一定影响，但不能够把三维打印看作就是新工业革命，过分夸大它的作用。没有互联网，没有新材料，没有人们观念的变化，三维打印仅仅是制造物品的一种新工艺方法。在新一轮工业革命中，三维打印扮演的角色是车轮，而绝非整个火车头。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/25/2013)