简谈3D打印现状及在各行业的应用-本刊记者
业内视角
简谈3D打印现状及在各行业的应用
本刊记者
后涉足3D打印制造，目前全球从事3D打印行业具
一、3D打印技术的起源及概况
“3D打印”是通俗的叫法，学术名称为“快速原型制造”（Rapid Prototyping & Manufacturing），是80年代末90年代初在美国开发兴起的一项高新制造技术。“3D打印”技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的，采用材料累加的新成型原理，直接由CAD数据打印制成三维实体模型。快速成型系统就像是一台“立体打印机”，不需要传统的刀具、机床、夹具，便可快速而精密地制造出任意复杂形状的新产品样件、模具或模型。
3D打印技术背景
3D打印思想起源于19世纪末的美国，由于当时技术条件的限制，直到20世纪80年代才开始得到进一步的发展与推广。
在传统制造业里，复杂结构制造难度高、开模费用大、制造时间长，让人们想象一种快速成型的方法，经过不断设计研究，慢慢催生了3D打印技术。
1982年，日本名古屋市工业研究所首次公开实现实体模型印制。
1986年，美国科学家查尔斯。胡尔利用一种叫光敏树脂的业态材料，发明出世界上第一台3D打印机，随后胡尔以这种技术为基础成立了世界上第一家3D打印设备公司3D Systems，并于1992年卖出了第一台商业化产品。
3D打印机发明后迅速得到推广，且进入了商业化应用。美国政府已将人工智能、3D打印、机器人作为重振美国制造业的三大支柱。在我国3D打印是第一个得到政府扶持的产业且已列入我国科技部“863”计划。本世纪至今，全球越来越多的公司先
有影响力的企业大约100家。
经过十几年的发展与不断改进，3D打印技术已无需机械加工和任何模具，就可以从计算机图形数据中直接生成各种零件，节省了生产成本与研发时间，大幅提高了生产效率，因而在机械零件、珠宝模具、定制版产品以及医学器官等多个领域都得到了最广泛的应用。
中国3D打印技术起源
20世纪90年代，3D打印技术开始在中国崭露头角。
清华大学颜永年教授科研团队支持的北京太尔时代科技有限公司（原北京殷华激光快速成形与模具技术有限公司）于1993年成立，目前已经成为快速成形设备制造领域的龙头企业。
清华大学高分子材料研究所冯涛研究员创建的北京隆源自动成型系统有限公司于1994年成立，当年便研制成功了中国第一台利用选择性激光烧结技术（SLS）的快速成型设备。
华中科技大学快速制造中心主任史玉升教授创建的滨湖机电技术产业有限公司成立于1996年。滨湖机电是华中科技大学3D打印研究的产业化基地。
西安交通大学快速成型工程研究中心卢秉恒院士创立的陕西恒通智能机器有限公司成立于1997年，并于1997年研制并销售国内第一台光固化快速成型机。
及至目前，中国已经有大约30家企业在国际3D打印领域颇具影响力。
3D打印所需的关键技术
3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术，至少包括以下方面：
1、信息技术：要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并且根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向。
2、精密机械：3D打印以“每层的叠加”为加工方式。要生产高精度的产品，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求。
3、材料科学：用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。
3D打印主要材料性能特点及应用
目前来说，3D打印机可用材料非常有限，主要有以下几种：
ABS材料，即丙烯腈—苯乙烯—丁二烯共聚物，是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料，又称：ABS树脂。
光敏树脂材料：光敏树脂，即UV树脂，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外线）引发剂（或称为光敏剂）。在一定波长的紫外线（250到300纳米）照射下立刻引起聚合反应，完成固化。光敏树脂一般为液态，常用于制作强度高、耐高温、防水的产品。
金属粉末材料：金属粉末材料通过SLS成型时，使聚合物成为熔融态流入金属粉粒间，将金属粉末粘结在一起而成型。在成型的坯件中，进行热降解、二次烧结和渗金属后处理，才能成为纯金属件。
尼龙系列材料：该材料是由一种非常精细的白色粉粒做成，制成的样件强度高，同时具有一定的柔韧性，使其可以承受较大的冲击力，并在弯曲的状态下抵抗一些压力。它的表面有一种沙沙的、粉末的质感，并略微有些疏松。
3D打印工艺分类
选择性激光烧结（SLS）、熔融挤出成型（FDM）、光固化成型（SLA）、分层实体制造（LOM）、三维印刷（3DP）、无模铸型制造技术（PCM）。二、3D打印现状
3D打印的应用领域具体应用领域包括：
1、工业制造：产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证；制作模具原型或直接打印模具，直接打印
3D打印带来什么？
业内视角
产品。3D打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D打印的家用器具模型，也被用于企业的宣传、营销活动中。
2、文化创意和数码娱乐：形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D打印塑造了部分角色和道具，3D打印的'小提琴接近了手工艺的水平。
3、航空航天、国防军工：复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、机构的直接制造。
4、生物医疗：人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等。
5、消费品：珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造。
6、建筑工程：建筑模型风动试验和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模拟。
7、教育：模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被用于教学和科研。
1、敏捷制造、智能制造、绿色制造、分布式制造：通过增材制造方式，从离散化的数字内容一层层叠加成型为到3D成品，解决复杂结构、薄壁件等工艺问题，制造流程简化，人工减少，减少材料浪费，减少流通环节，减少碳排放；
2、个性化定制：互联网、云计算、数字化技术、计算机技术为数据的生产、流通、使用提供了条件，3D打印的核心需要数字化内容、数字化制造，基于数字化设计制造的个性化定制将会出现在医疗、教育、艺术等各个方面；
3、经济格局微变化：规模经济、标准化产品经济需要能源网络、物料供应、工厂集中流水线生产密切配套，通过资源禀赋差异进行全球化配置，但是贫富差距、社会问题由此而生，金融（债务）危机过后发达国家也需要制造业回归，他们选择了围绕增材制造（3D打印）、机器人等技术的先进制造、小批量制造，对于新兴国家，接受国外产业转移做出口之外，也需要引导投资放在先进制造业、回归国内市场需求等方面，比如3D打印。
国外“3D打印”技术现状及产业发展应用情况自1986年美国3D System公司推出了第一款工业化的“3D打印”设备以来，短短几年中，就形成了其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。三、3D打印在各行业的应用示例
3D打印技术作为新一代的潮流制造技术，已经开始在各行各业开始崭露头角。3D打印技术在最初兴起的时候，只是简单地应用在模具制造业和工业设计领域，主要的产品还是一些工业产品和少量的工艺品。随着在实践中的不断完善不断发展，3D技术开始向其他行业进军。现在，这项技术已经开始在珠宝业、建筑业、汽车行业、航空航天、医疗产业等大众行业和一些尖端行业发挥显著作用。最近一段时间，3D技术又触电时装业，一款时装鞋曾在意大利“米兰时装周”上登台亮相。还有很多造型奇异的台灯同时在展会中展出，一些观众还有幸获得了当场体验3D打印技术的机会。
3D打印应用在工业制造业
制造业也需要很多3D打印产品，因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处，甚至连质量控制都不再是个问题。
首先，数字化制造技术将大大减少直接从事生产的操作工人，劳动力所占生产成本比例随之下降。此外，数字化制造的个性化、快捷性和低成本能够更快地适应本地市场需求的变化，包括满足小批量产品的生产需求。这些都促使发达国家鼓励厂商把部分制造业迁回本国，对中国这样的传统制造业大国无疑敲响了警钟。第三，自从工厂出现以来，产品与消费者之间的距离从未如此接近过。3D打印给消费者带来了在大规模生产和个性化制造之间进行选择的自由。第四，3D打印不需要模具，可以直接进行样品原型制造，因而大大缩短了从图纸到实物的时间。任何形状复杂的零件，都可以被分解为一系列二维制造的叠加。
以家电行业为例，需求不振，销量不佳，制造成本不断攀升的产业压力，让家电企业的步履越发艰难，成本控制则成为企业永恒话题。
在传统制造方式中，模具的投入与开发占据企业巨大的市场，1994年底全球已达900台，到2008年年装机总数就已经达到6000台左右，以指数曲线在上升。
经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0。01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速度，并可实现24位色彩的彩色打印。目前，在全球3D打印机行业，美国3D System和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。
目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。
国内3D打印发展现状
自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到0。2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。
近年来，国内许多企业已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。
在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，
较高成本。以往家电模具是经由机床反复切割和打磨制作完成，由于要求高精度，一个模具的制造时间在1个月左右。企业每年耗费在模具上的制作经费很高，一些大型企业在家电模具开发上的投入每年甚至要耗费数亿元。
3D打印技术研发与应用的渐兴，或在未来能给家电企业带来生产制造的捷径。据悉，3D打印机将主要用于生产家电产品中树脂部件生产所需要的模具。“在长虹的柔性制造投入中，我们安排了3D打印进入制造环节。其中电视和其他家电产品的模具应用3D打印，会降低模具成本”，长虹副总工阳丹介绍说。
早在上世纪90年代，青岛海尔等企业就开始从事3D打印产业链上各环节的研发及应用。同时在青岛高新区，3D打印的产业版图已经规划出笼，相关的项目研究也在开展中。涉及的重点上，围绕3D打印软件集成、材料开发、关键器件、应用示范等环节，重点选择家电电子、模具制造、生物医疗、文化创意等领域开展研发和应用。
日本企业在3D打印领域也正在开展相关的研究并已获得相关专利。据了解，松下公司已经计划将可高效生产树脂和金属部件的3D打印机应用于家用电器制造生产，一旦成行，这将是3D打印机首次应用于家电量产。而相比传统技术模具制造一个多月的周期，利用3D打印技术将会让制造时间大大缩短，这也会直接让松下电器的模具生产成本，得到上百亿日元的缩减。松下也已针对白色家电使用3D打印技术制作样品机。
在3D打印技术领域，一些IT巨头也开始关注并纷纷涌入。据悉，苹果、IBM、亚马逊、微软、惠普、爱普森等已经开始涉足该领域图谋在未来无限可能的市场中分一杯羹。
随着材料性能的提高、3D打印工艺的完善以及专利局限的突破，3D打印将会越来越多的应用在家电产品最终部件的生产上。
3D打印机在医疗上的运用
除了被用于制造珠宝、电子产品和汽车部件的模型，如今的工业3D打印机也在造福医疗领域：它们已经可以定制人体肝脏和肾脏的模型，而科学家们还在研究如何用3D打印机打印胚胎干细胞和活体组织，
3D技术在航空航天领域的应用
目标是制造出能够直接移植到受体者身上的人体部位——用3D打印机制造人体部位可能再过很多年才能实现，但是先进的3D打印机目前已经开始走进医院。
上海交通大学医学院附属第九人民医院一个骨盆肿瘤患者，经过诊治后大半个骨盆被切除，面临残废的风险，医生为让他重新站立行走考虑使用3D打印技术。
中国工程院院士、该院骨科主任戴尅戎教授介绍，按照以前的办法，一般是使用制好的“通用型”金属制品或经过处理的异体骨头修复骨骼巨大缺损，但匹配度差，效果并不好。而如今，他们可以尝试用3D打印技术为患者重新“打印”一个新的骨盆。
手术前，他们用CT扫描和磁共振技术采集完整的骨盆和肿瘤的数据，在此基础上在计算机中构建出病人骨盆的立体图像，并给出肿瘤的边界和手术切除的范围。同时，通过3D打印设备，打印出一个完整的与病人相同的骨盆模型。由医师先在模型上进行模拟切除，根据模型的残缺情况，设计制造出人工半骨盆假体并在模型上进行模拟安装和修正，模拟安装成功后，再使用钛合金打印出真正的骨盆假体。手术切除肿瘤后，植入假体并与残留骨盆精确连接。订制的骨盆表面还可加上特殊涂层或微孔结构，有利于周围组织与假体形成一体。最后的手术很成功，病人已经能够站立行走。
戴尅戎表示，3D打印技术在医疗领域的发展空间巨大。从医学角度看，3D打印技术有几个特点，即因人制宜、就地制作、不限数量、节约成本，正好能满足个体化、精准化医疗的需求。
科学家认为，未来3D打印技术将被应用到大量领域，尤其是航空航天方面的设计和制造都离不开3D打印技术。
日前，美国宇航局科学小组取得了火箭发动机3D打印技术的阶段性成果，这一研究或将改变火箭发动机的设计和制造。工程师试图通过该技术验证3D打印能否应用于精密的火箭发动机部件生产，采用3D打印技术比传统的制造工艺缩短更多的时间，美国法律限制了火箭发动机的设计透明度，防止该技术流出。
业内视角
员提供物美价廉的3D打印加工服务。线下整合3D产业资源，设有3D打印加工定点服务站，负责加工产品，并通过快递公司将产品及时送到客户手中。
网站的主要客户群体，是易于接收新鲜事物的大中学生，为了提高网站知名度，亿辰科技将眼光放到了教育行业，与学校进行合作。在领导的带领下，公司的3D团队走进幼儿园，走进中小学，走进大专院校，开展3D打印体验活动，将学生的3D打印需求与网站服务紧紧联系在一起。公司先后与十几所学校建立了长期教育合作项目，为学校3D打印教学提供学习、打印、实习、创业、就业等一条龙服务。
未来的“3D人”喜欢创意，喜欢个性化产品。他们可以用智能手机在手机上建模，上传打印模型，并且通过商家为他们打印“唯一”独特的产品。四、3D打印的前景：增强应用性，实现产业化
英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文中，将“3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一”，这充分可以看出3D 打印机将来不是要取代某一个制造业，而是要取代几乎所有的制造业。
未来的3D打印可以做什么？也许我们的房屋不再是人工建造的而是用3D打印机打印一个，我们不会受食物的匮乏限制，想吃什么自己打；家里的常用物品不再需要购买，需要杯子椅子自己打印一个……
3D打印机的未来或将无所不能，只需要一个想法，一些材料，一台3D打印机，就能将脑中的一切转变为实体。在工业消费领域，3D打印在产品设计和工具制造环节上的重要性更会凸显。
以山东青岛一家公司为例，此公司是生产电表，灯管控制器（灯开关）等等产品的公司。他们对于3D打印机的使用，首先是将客户要求的内容，设计出“三维模型”，然后通过3D打印机快速“打印”出来，拿出实物给客户看，如果客户满意，则去刻模大批生产，从而可以当时签约客户交付定金，这对于生产方没有任何风险损失。另外假如客户看到样品后，觉得某些地方不合适可以当面指出，生产方设计人员会重新设计，直到客户满意为止，打印出实物之后，再交给客户确认下，这样不影响客户签约交付定金，还会避免生产方在盲目去刻模后浪费的刻模费用和时间精力。
3D打印部件的表现十分完美，而且使用了3D打印技术后，制造时间明显缩短，仅花了4个月的时间，成本削减了大约70%。
我国3D打印技术在关键军事领域的运用也已经非常成熟，与机器制造出的零件和产品相比，3D打印的产品更加精细轻盈、韧度更强、抗压力更佳。
中国3D打印技术产业联盟秘书长、亚洲制造业协会首席执行官罗军表示，3D打印技术已被广泛地运用到了航空航天、汽车零部件、重大装备、文化创意、生物医学等领域。
相比消费和制造领域，我国3D打印技术在关键军事领域的运用已经非常成熟，其中包括航母上的各种武器和配套装置、人造卫星的外部构造、火星探测器、空间站，乃至宇宙飞船，而航空航天领域也是国内目前运用3D打印技术最多的领域。
我国第一艘航母“辽宁号”的舰载机型“歼—15”的部分零件就是以3D打印技术制造而成的。由于战斗机在航母上起降时，前轮几乎需要承载整个飞机重量的一半，这对于前轮支撑脚的性能要求极高，而“歼—15”与最新“歼—31”的前轮支撑脚都采用了以3D打印而成的钛合金构件。复旦大学美国研究中心教授沈丁立表示，3D打印技术能攻破武器部件、尤其是高端武器部件性能的缺陷。与机器制造出的零件和产品相比，3D打印的产品更加精细轻盈、韧度更强、抗压力更佳。
3D打印走进普通生活中
目前，随着3D打印机成本的降低，尤其2012年，台式3D打印机的横空出世，让3D打印越来越多的出现在人们视野中，预计未来几年，3D打印将走进普通人的生活。
以山东为例，青岛亿辰科技有限公司将3D打印工艺与互联网的电子商务相结合，建立一个3D打印电子商务平台——肥猫3D网。二者的结合能实现远程3D打印加工服务，将不同需求的客户与不同地域的打印机有机地结合起来，使未来私人定制和个人制作的需求在互联网上得以实现。
为提供高质量3D打印加工服务，网站建立了一整套线上线下服务体系。线上设立会员俱乐部，会员在线上消费享有积分奖励，消费越多积分越多，大大降低会员订制和自制3D打印产品的价格，为学生会
三维设计、反求工程等3D打印工艺技术的研究。为了提高科研团队的技术力量，聘请了国际3D打印技术领域泰山学者海外特聘专家担任团队学术带头人，拓展了团队国际视野，提高了团队科研实力。为了培养3D打印技术人才，与中科院合作在本单位博士后工作站指导培养博士后，指导培养3D打印领域研究生，引进国内外3D打印领域博士。山东省经济与信息化委员会在电子信息专项中，重点立项支持王修春科研团队建设“山东省3D打印技术综合服务平台”。为对企业开展服务，本平台已与济南市新材料产业园签约，在济南市新材料产业园建设3D打印技术服务基地。平台与相关企业合作，开展机器人关键零部件3D打印技术研究与应用，作为技术支撑单位联合申报了山东省自主创新重大专项。联合山东电子学会、省经济与信息化研究院开展了省科协3D打印技术软科学项目的研究，筹备建立山东省3D打印产学研合作平台。发挥山东省科学院电子信息、材料、激光、自动化技术的综合优势，合作开展3D打印工业云平台、3D打印材料、装备技术的研究。
近年来，王修春研究员先后主持承担科技部国际科技合作专项“氢燃料电池电极新材料”，省经信委电子信息专项“山东省3D打印技术综合服务平台建设”，合作承担国家支撑计划子课题“镁合金防护与连接技术”，山东省自主创新重大专项“汽车用镁合金及部件制备技术”、山东省科技发展计划项目“清洁汽车涂装技术研究与产业化示范工程”，山东省自然基金、博士基金等多项课题，研究开发的技术成果和产品已经广泛应用于国内外汽车、矿山、油田、军工等多个领域，获省科技进步二等奖一项，省科技进
步三等奖二项，国家发明展银牌奖一项，省发明展一等奖一项，获山东省发明创业奖。下一步，王修春研究员及其科研团队将继续致力于3D打印技术研究与应用推广，使3D打印技术在山东省得到更快发展，为山东省两化融合和产业升级做出贡献。
在节省时间、节省金钱方面，3D打印技术的优势显而易见，但是如果需要量产，3D打印的成本将远高于现在的流水线。而且企业很难投入更多精力和金钱去研发3D打印耗材，所以3D打印现在很难形成规模化发展。
要想长远发展，提高应用性，产业化发展已经变得势不可免。
事实上，目前以上市公司为代表的3D打印企业也无不积极拓展应用的领域，希望借此加速3D打印的产业化进程。光韵达2013年曾与比利时Materialise公司签订了《三维打印赛车项目合作框架协议》，提出用一年时间完成一辆可驾驶的电动或太阳能赛车的制作，并使用该赛车参加一次正式的同级别竞技比赛。到了2014年，光韵达近日又公告进军3D打印医疗领域。除此之外，公司在3D打印方面后续还可能向工业领域发展，如航空航天等。
同时，另一家上市公司银禧科技高管也称，公司除了做原材料外，还将涉及加工与服务。
总体来说，未来3D打印并不一定会代替传统制造业，但它会成为制造业的必要补充。3D打印技术的不断成熟，在推进中国产业结构调整的步伐、提升制造业水平的过程中，也将大放异彩。
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