張 曙，金天拾，黃仲明

(1．同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所，上海 200092)

(2．上海美唐機(jī)電科技有限公司，上海 201804)

(3．香港理工大學(xué)工業(yè)中心，香港)

1 三維打印的起源

三維打印(Three Dimensional Printing，3DP)是美國麻省理工學(xué)院(MIT)在20世紀(jì)90年代發(fā)明的一種快速成型技術(shù)，準(zhǔn)確地說，應(yīng)該是增量制造(Additive Manufacturing，AM)技術(shù)。創(chuàng)意提出伊始，就樹立了可以制作任何構(gòu)造(Any-composition)、任何材料(Any-material)和任何幾何形狀(Any-geometry)實(shí)物的愿景。

3DP的工作原理類似噴墨打印機(jī)，不過噴出的不是墨水，而是粘結(jié)劑、液態(tài)的蠟、塑料或樹脂。按照噴出的材料不同，可以分為粘結(jié)劑打印、熔融蠟打印和熔融塑料涂覆(FDM)?？梢园汛蛴☆^換成激光頭，激光燒結(jié)(SLS)、光固化樹脂(SLA)和激光熔融(SLM)也可以視為三維打印的特例，因此廣義的三維打印一詞包含了大多數(shù)增量疊層制造技術(shù)，從宏觀上進(jìn)行系統(tǒng)思考，以便于公眾對(duì)新技術(shù)的理解。

三維打印既與從毛坯上去除多余材料的切削加工方法完全不同，也與借助模具鍛壓、沖壓、鑄造和注射等強(qiáng)制材料成形的工藝迥然有異，是一種“增量”成形技術(shù)。具體成形過程是，根據(jù)三維CAD模型，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后，對(duì)零件進(jìn)行分層切片，得到各層截面的二維輪廓形狀。按照這些輪廓形狀，用噴射源選擇性地噴射一層層的粘結(jié)劑或熱熔性材料，或用激光束選擇性地固化一層層的液態(tài)光敏樹脂，或燒結(jié)一層層的粉末材料，形成每一層截面二維的平面輪廓形狀，然后再一層層疊加成三維立體零件，整個(gè)工藝過程原理如圖1所示［1］。

圖1 增量疊層制造的基本原理

增量疊層制造的先驅(qū)是美國人Chuck Hull，1983年他發(fā)明了借助光敏樹脂固化疊層制作實(shí)體的方法，數(shù)年后付諸了工業(yè)應(yīng)用，創(chuàng)建了3D Systems公司，開創(chuàng)了直接數(shù)字制造的時(shí)代。隨之，先后出現(xiàn)了FDM、SLS和3DP等幾十種不同的增量疊層制造技術(shù)。

20年來，增量疊層制造技術(shù)有了巨大的進(jìn)步，在MIT提出的愿景征途中攀上了第一座高峰。今天，增量疊層制造不僅僅局限于制作原型，還可以制造出可用的功能產(chǎn)品;不僅可以制造塑料產(chǎn)品，還可以制造金屬產(chǎn)品;不僅可用于航空航天，也即將進(jìn)入千家萬戶;不僅可制作現(xiàn)代藝術(shù)品，也可用來高仿真復(fù)制古董;不僅可以制造身外之物，還可以制造人體植入物，甚至人體器官;不僅可以制造用品，還可以蓋房子、制作蛋糕和牛排;是一種具有無限可能的多用途技術(shù)，其前景極其絢麗，吸引了眾多的設(shè)計(jì)師、工程師、業(yè)余愛好者和投資者參與其中，成為可能引發(fā)新工業(yè)革命的導(dǎo)火線，各國電視媒體和期刊雜志紛紛加以報(bào)道。

這一高潮的出現(xiàn)除了三維打印的獨(dú)特潛在優(yōu)勢(shì)外，還由于近年取得的成本突破和材料突破以及應(yīng)用領(lǐng)域的急劇擴(kuò)大，與此同時(shí)孕育著和開始隱現(xiàn)出新的商務(wù)、生產(chǎn)模式以及新的生活方式。有些未來學(xué)家認(rèn)為，它的作用將可與計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)媲美［2-3］。

2 三維打印的優(yōu)勢(shì)和技術(shù)突破

2.1 三維打印的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

三維打印是一種直接數(shù)字化制造(Direct Digital Manufacturing)，由三維實(shí)體CAD模型可直接制造出產(chǎn)品，而不僅是零件，減少或省略了毛坯準(zhǔn)備、零件加工、裝配等中間工序，且無需昂貴的刀具或模具。

三維打印制造的是完全定制的、個(gè)性化的獨(dú)特產(chǎn)品，可做到僅此一件，百分之百按照訂單制造。同時(shí)，在沒有售出之前，是儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里的數(shù)字，無需倉庫。

三維打印的產(chǎn)品在沒有售出之前是用數(shù)字發(fā)運(yùn)的，僅是CAD文件在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸，費(fèi)用極微。三維打印不僅是按需制造，而且是“就地”制造(Local Manufacturing)，即在使用地點(diǎn)制造，或在你家里制造，節(jié)約甚至舍棄了物流成本。

三維打印可以最大限度地發(fā)揮材料的特性，只把材料放在有用的地方，減少材料的浪費(fèi)。傳統(tǒng)的制造方法往往由于難以加工，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)大多并不合理。采用三維打印無需考慮產(chǎn)品的工藝性，結(jié)構(gòu)和形狀是否復(fù)雜對(duì)三維打印來說不重要。這給設(shè)計(jì)師提供了無限的創(chuàng)造空間和創(chuàng)意遐想。

2.2 價(jià)格突破

福特發(fā)明了流水線，使T型車的售價(jià)降到950美元，從而使汽車進(jìn)入了家庭，拉開了大量生產(chǎn)方式的序幕。今天，一臺(tái)數(shù)千元PC機(jī)的性能可與30年前上千萬的計(jì)算中心相當(dāng)，所以PC機(jī)無所不在。新技術(shù)往往只有在價(jià)格下降千百倍以后，才能真正普及。

10年前，三維打印機(jī)售價(jià)數(shù)萬到數(shù)十萬美元，今天，如圖2所示的家用三維打印機(jī)Replictor僅需1 749美元(并非最便宜的)，供家庭打印玩具、擺設(shè)、裝飾品、家庭用具和各種業(yè)余愛好物品。在未來3～5年內(nèi)，家用三維打印機(jī)完全可能降到300～500美元。

圖2 Replicator家用三維打印機(jī)

2.3 材料突破

過去，三維打印大多僅能打印樹脂或塑料一類的軟材料。今天，不僅可以打印鈦合金一類的高強(qiáng)度材料，還可以打印陶瓷和玻璃，甚至打印混凝土制品、食品和生物細(xì)胞。歐洲航天和防務(wù)公司(EADS)創(chuàng)新工作組研發(fā)的三維打印出來的鈦合金飛機(jī)起落架零件與傳統(tǒng)工藝制造同樣功能的零件比較如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)制造工藝零件與三維打印零件的比較

從圖中可見，零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理、質(zhì)量更輕、材料更節(jié)省。對(duì)航空航天產(chǎn)品來說，每減少1kg，都將帶來產(chǎn)品性能的極大提高和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 三維打印的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 家居和生活用品

一種新技術(shù)如果能夠進(jìn)入家庭，其市場前景無疑是巨大的。由于沒有制造過程的限制，設(shè)計(jì)師可以充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，設(shè)計(jì)出獨(dú)一無二的藝術(shù)品、燈飾、家具、首飾，使家庭充滿個(gè)性化的藝術(shù)氛圍。另外，借助家用三維打印機(jī)自己可以隨時(shí)打印所需的日常用品，包括鞋子、發(fā)夾、首飾、玩具等等，大大增加了生活的方便性和趣味性，如圖4所示。

圖4 三維打印的家居和生活用品

3.2 可運(yùn)行的機(jī)械

借助三維打印不僅可以制作固定不動(dòng)的產(chǎn)品，還可以制作有相互運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或部件的物體，如軸承、嚙合齒輪或其他機(jī)構(gòu)。EADS英國公司的創(chuàng)新工作組為了驗(yàn)證其實(shí)用性，制作了第一輛全部由高強(qiáng)度尼龍粉末激光燒結(jié)三維打印部件合成、可以騎的自行車，命名為 AirBike［4］，如圖 5 所示。

圖5 EADS制作的AirBike

為了驗(yàn)證相對(duì)運(yùn)動(dòng)的可控性，英國南安普敦大學(xué)(University of Southampton)制作了第一架三維打印出機(jī)翼可控、內(nèi)桁架結(jié)構(gòu)的模型飛機(jī)，如圖6所示。

圖6 三維打印出機(jī)翼可控的模型飛機(jī)

3.3 混凝土打印和房屋快速建造

在建筑領(lǐng)域，三維打印除用于制作復(fù)雜的、大型的、超現(xiàn)代創(chuàng)意的建筑模型外，還可用于房屋的快速直接建造。美國南加州大學(xué)(University of South California)和英國拉夫堡大學(xué)(Loughborough University)對(duì)陶瓷制品和混凝土構(gòu)件三維打印進(jìn)行了多年研究，并已用于房屋的快速建造。

圖7所示為南加州大學(xué)的三維打印房屋原理及其在巴基斯坦地震救災(zāi)時(shí)的應(yīng)用案例。從圖中可見，龍門架可在擬建房屋的兩側(cè)軌道上行走，橫梁上有橫向和上下移動(dòng)的混凝土“打印頭”，一層層打印出中空結(jié)構(gòu)的墻壁。不僅可以打印直線墻壁，還可以打印任意弧線的墻體或抗震的拱形結(jié)構(gòu)。建造的速度很快，一天就能夠打印一幢小樓。

圖7 房屋三維打印及其原理

3.4 人體植入物［4-5］

三維打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。除了口腔科用于制作齒冠外，用于骨科的創(chuàng)傷修復(fù)也將成為熱點(diǎn)。目前的人體植入物是標(biāo)準(zhǔn)化的，而不是個(gè)性化的，在許多情況下并不適合每個(gè)患者的需要。三維打印人體植入物的另一優(yōu)點(diǎn)是能夠制作與骨骼結(jié)構(gòu)相似的植入物，即非實(shí)體的、具有層次結(jié)構(gòu)的人造骨骼，更容易與人體組織交融，縮短康復(fù)過程。此外，將患者的CT掃描文件，傳輸給專門的人造骨骼專業(yè)公司，即可很快地獲得定制的骨骼，及時(shí)為患者進(jìn)行手術(shù)，避免延誤。下顎骨修復(fù)和股骨頭修復(fù)的兩個(gè)案例如圖8所示。

圖8 三維打印的人體植入物

3.5 生物打印

打印人體組織和器官的研究正在如火如荼地進(jìn)行中，并取得令人矚目的成果，例如，三維打印的心臟和肝臟都已列入研究項(xiàng)目。完全可以預(yù)測，將來總會(huì)有一天，人造器官會(huì)進(jìn)入醫(yī)院的手術(shù)室，拯救更多的生命?，F(xiàn)在的難點(diǎn)在于人造器官的血管如何才能與人體血管連接，參與人體血液循環(huán)。

生物打印機(jī)的基本原理是首先制作一個(gè)塑料框架和血管支架。然后將活細(xì)胞和干細(xì)胞按照一定排列注入，經(jīng)過一定時(shí)間培養(yǎng)和生長后，形成活組織或器官，如圖9所示。

圖9 生物打印細(xì)胞結(jié)構(gòu)舉例

還有許多新奇的應(yīng)用，例如打印可吃的蛋糕、可演奏的樂器、可發(fā)射子彈的手槍等等。

4 對(duì)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)和生活的影響

三維打印正在改變物品制造的方法，更加重要的不僅是技術(shù)本身，而是它對(duì)社會(huì)的沖擊，引起一系列的變革，可能成為新工業(yè)革命的導(dǎo)火索。

4.1 創(chuàng)意商店

三維打印與目前所謂的大量定制不同。戴爾儲(chǔ)備了各種計(jì)算機(jī)部件，不過是按照用戶需要進(jìn)行模塊化組裝而已，仍然需要庫存和復(fù)雜的供應(yīng)鏈。

三維打印改變?nèi)藗冑徺I物品的過程，人們不再走進(jìn)商店挑選有限款式的商品，而是在網(wǎng)上挑選接近你喜好的樣式，進(jìn)行修改，直到滿意為止。例如Freedom of Creation(FOC公司)是一家三維打印創(chuàng)意物品公司，在網(wǎng)上出售創(chuàng)意的燈飾、家具、首飾等，但是沒有實(shí)體貨品(也許在實(shí)體展廳僅有一件樣品)，因而沒有庫存，F(xiàn)OC公司的首飾網(wǎng)頁如圖10所示。

圖10 虛擬的創(chuàng)意商店

4.2 銷售創(chuàng)意設(shè)計(jì)的商店

雖然三維打印機(jī)即將進(jìn)入家庭，但并非每個(gè)人都是設(shè)計(jì)師，能夠設(shè)計(jì)出創(chuàng)意的物品，那么你可以向設(shè)計(jì)公司購買創(chuàng)意產(chǎn)品的CAD文件，下載后在家里打印。或者反過來，你有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)，就可以掛到網(wǎng)上去銷售。例如，Thingiverse公司就是銷售創(chuàng)意的公司，如圖11所示。

圖11 銷售創(chuàng)意設(shè)計(jì)的公司

4.3 專業(yè)打印服務(wù)公司

你沒有打印機(jī)或者你的三維打印機(jī)不夠好，就可以把創(chuàng)意產(chǎn)品的文件，傳給專業(yè)打印服務(wù)公司，委托他們打印。美國Shapeways是一家著名的專門提供打印服務(wù)的公司，其網(wǎng)頁如圖12所示。其實(shí)，這樣的公司不僅在國外有，上海美唐機(jī)電科技有限公司就是這樣的一家本地公司。

圖12 Shapeways公司的網(wǎng)頁

5 三維打印的局限和未來發(fā)展

5.1 三維打印的局限

三維打印仍然是處于成長過程的技術(shù)，還不夠成熟，目前主要用于個(gè)性化的單件生產(chǎn)。三維打印的主要局限如下：

a．三維打印與塑料注射機(jī)等成熟的大批量成形技術(shù)相比，生產(chǎn)成本過高。與傳統(tǒng)切削加工技術(shù)相比，產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量相距較大。成本和質(zhì)量是新技術(shù)普及的第一道關(guān)口。

b．材料的可選擇范圍可能是最大的障礙，目前可以用于三維打印的材料不超過100種，而在工業(yè)中應(yīng)用的材料可能已經(jīng)超過10 000種，且三維打印材料的物理性能尚有待于提高。

c．三維設(shè)計(jì)技術(shù)的普及關(guān)系到三維打印能否進(jìn)入家庭。市場正在呼喚孩子們能夠操作和喜愛的軟件，打印物品要成為新一代計(jì)算機(jī)游戲，引起孩子的興趣，發(fā)揮兒童的創(chuàng)造性，才能有無限光明的未來。料出現(xiàn)以及CAD/CAM軟件的普及，將會(huì)出現(xiàn)一大批專業(yè)的、個(gè)體的三維打印企業(yè)。

從長遠(yuǎn)來看，如果三維打印的尺寸精度提高10倍，尺寸范圍增加10倍，制品的尺寸穩(wěn)定性、耐熱性和防潮性將會(huì)大幅度提高，必將獲得更加廣泛的工業(yè)應(yīng)用。

5.2 三維打印的未來

6 結(jié)束語

三維打印之所以受到人們?nèi)绱酥匾?，焦點(diǎn)并非是這項(xiàng)技術(shù)的本身，而是它可能引發(fā)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)變革。

三維打印能夠改變商務(wù)模式的潛在能力是，一家公司可具備快速提供價(jià)格合理且符合個(gè)性需求物品的能力，無需擁有已經(jīng)制造出來而沒有售出的物品倉庫，實(shí)現(xiàn)真正意義上的零庫存。只有接到訂單和收到付款以后才進(jìn)行就地及時(shí)制造，幾乎沒有經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)。唯一的風(fēng)險(xiǎn)僅僅在于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)間和費(fèi)用，而非產(chǎn)品的運(yùn)輸和庫存。

三維打印的優(yōu)勢(shì)還在于將產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制造分離成為不同的行業(yè)。三維打印產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造可以極其方便地分別外包給不同的公司。例如，設(shè)計(jì)師可委托三維打印公司制造、發(fā)運(yùn)他的作品，收集客戶的反應(yīng)。反之，用戶可以向設(shè)計(jì)公司購買設(shè)計(jì)，從網(wǎng)上下載所喜愛產(chǎn)品的CAD文件，在自己家里打印或委托專業(yè)公司打印。

這樣的愿景要成為生活中的普遍現(xiàn)實(shí)，必須克服三維打印產(chǎn)品目前存在的成本、精度和強(qiáng)度的局限。三維打印的材料的價(jià)格目前是傳統(tǒng)材料的10倍，甚至100倍。目前三維打印產(chǎn)品的尺寸精度是十分之一毫米，要達(dá)到微米級(jí)還有很長的路要走。

可以預(yù)見，5年以內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)三維打印的完整供應(yīng)鏈，不僅是設(shè)計(jì)一方，更大的變化是生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)?huì)出現(xiàn)大量提供CAD/CAM設(shè)計(jì)的公司，供最終用戶下載，在家打印產(chǎn)品或委托專業(yè)公司打印。隨著三維打印技術(shù)的進(jìn)步，高性能、高質(zhì)量、低價(jià)格材

新工業(yè)革命的核心是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化制造，是基于互聯(lián)網(wǎng)的商務(wù)和生產(chǎn)模式，以更多的虛擬活動(dòng)取代現(xiàn)實(shí)活動(dòng)，減少資源的消耗和浪費(fèi)，保護(hù)環(huán)境，使人們和子孫后代能夠生活得更好。

三維打印在很大程度上體現(xiàn)和順應(yīng)了這一潮流，從而對(duì)未來社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)、教育將產(chǎn)生一定影響。但不能夠把三維打印看作就是新工業(yè)革命，過分夸大它的作用，沒有互聯(lián)網(wǎng)，沒有新材料，沒有人們觀念的變化，三維打印僅僅是制造物品的一種新工藝。

在新一輪的工業(yè)革命中，三維打印扮演的角色是車輪，而絕非整個(gè)火車頭。

［1］ 張曙，陳超祥．產(chǎn)品創(chuàng)新和快速開發(fā)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

［2］ Berman B．3D Printing：The new industrial revolution ［J］．Business Horizons，2012，55：155-162．

［3］ N N．The third industrial revolution［EB/OL］．(2012-04-21)［2012-09-12］．http：//www．economist．com/node/21553017/print．

［4］ N N．The future of manufacturing——on two wheels［EB/OL］．(2011-03-07)［2012-09-12］．http：//www．eads．com/eads/int/news/press．20110207_eads_airbike．html．

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［6］ Ferry P W Melchels，Marco AN Domingosc，Travis J Klein，et al．Additive manufacturing of tissues and organs［J］．Progress in Polymer Science，2012 37：1079-1104．