3D打印沖擊波

隨著第三次工業革命的浪潮襲來，

沉寂多年的3D打印急劇升溫，

如何推動其產業化，實現快速健康發展？

戴著奇妙的手套對“銅首”上下一摸，獲取的三維數據立刻傳輸到后臺，幾分鐘后，一臺3D打印機上，一個一模一樣的“銅首”就出爐了……這是電影《十二生肖》中令人嘖嘖稱奇的鏡頭，雖有些夸張，但現實版的3D打印機也十分了得。

不僅能快速打印出恐龍、鳥巢、變形金剛、水杯、衣服、鞋子、首飾等模型和消費品，而且還能直接打印出汽車、飛機、核泵、輪船等工業裝備上的金屬零部件，甚至可以把皮膚、耳朵、活體細胞、毛細血管、藥品打印出來，其中皮膚打印已經在整容修復中實現了商業化。

全國政協委員、中航工業副總工程師、殲-15總設計師孫聰在日前接受媒體采訪時透露，鈦合金和M100鋼的3D打印技術已廣泛用于新機設計試制過程。

3D打印作為一種新的制造技術，實際上已經發展了20多年，又稱為快速原型、快速成形、增材制造。它的打印流程是：用計算機軟件設計三維模型——對數據進行自動化處理——分層堆積出實物——后期人工打磨處理。

有了3D打印機，不會用CAD軟件設計三維數字模型怎么辦？美國Outdesk網站已經實現3D建模“傻瓜化”，任何人把自己的正面和側面照片傳上去，自動就能形成本人的三維模型。北京3D打印體驗館西城德勝科技園，把3D打印技術和數字化三維掃描技術相結合，每個人都可以打印出自己的三維模型。

目前，3D打印技術在新產品開發、單件小批量生產、復雜結構、現場制造、個性化定制等方面顯示了較強的優勢，既可以節約時間，還可以減少研發和生產成本，滿足了不同客戶的實際需求。

中國3D打印技術產業聯盟秘書長、亞洲制造業協會首席執行官羅軍認為，3D打印技術主要解決了三大制造難題：傳統生產方式難以生產制造的個性化產品；傳統方式能夠生產制造的，但投入大、周期長、成本高的復雜金屬結構件產品；雖能設計卻無模具完成生產的尷尬。

武漢濱湖機電技術產業有限公司副總經理吳澄對本刊記者說，他們為廣西玉柴打印的柴油發動機砂芯，如果用傳統方法開簡易模具需要600多萬元，國內還做不了，用他們的3D打印技術只需一周時間，僅花費20萬元。

回顧歷史，一些偉大的發明確實能帶來經濟社會的巨變，譬如印刷術、蒸汽機、電話、電報、電視、內燃機、汽車、飛機、電腦等等，難道3D打印機也要再次改變我們的世界嗎？

2012年3月9日，美國總統奧巴馬宣布創立美國“制造創新國家網絡”計劃。4月17日，“增材制造技術（3D打印技術）”被確定為首個制造業創新中心。

隨后出版的英國《經濟學人》雜志在《第三次工業革命》一文中這樣評價3D打印技術：“與其他數字化生產模式一起，推動第三次工業革命的實現”，“這場革命不僅將影響到如何制造產品，還將影響到在哪里制造產品。”

從美國把3D打印作為國家戰略的舉措，到英國《經濟學人》封面文章提出的“3D打印推動第三次工業革命”，迅速吸引了全世界的眼球，并引起了各國政府的高度重視，沉寂多年的3D打印急劇升溫。

資本市場熱炒

資本的嗅覺是最靈敏的。去年以來無論美股還是A股市場，3D打印概念的股票可謂出盡了風頭。2012年以來，美國最大的兩家3D打印設備上市公司3D Systems和Stratasys，前者股價漲幅近3倍，后者股價翻番。今年2月7日，3D打印公司Exone登陸納斯達克上市，發行價為18美元，上市當日暴漲47.33%。

受3D打印走熱和美股刺激，國內資本市場也激起千層浪。中航重機、海源機械等相關概念股從年初開始紛紛大漲，有的股價已經翻番。

據了解，中航重機受益于北京航空航天大學教授王華明的科研成果獲獎。1月18日晚間該公司發布公告稱，王華明教授由于鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術研究的卓越成就獲得了2012年度國家技術發明獎一等獎。而此技術，正是3D打印技術的一種。受此影響，中航重機股價持續走高。

但中航重機表示：“公司的激光快速成形技術確實涉及到3D打印，但是暫時還沒有產業化的打算。因為有兩方面的問題需要解決：一是取得相關資質，二是廠房建設。這些短時間內都不可能得到解決，所以該業務不會對公司業績造成太大影響。”

海源機械由于牽手“中國3D打印開創者之一”清華大學顏永年教授，也同樣受到了資本的追捧。可海源機械工作人員表示：“公司目前只與昆山永年簽訂了合作意向書，還沒有確定具體的研發項目。目前只是有這方面的打算而已，3D打印業務不會對公司2013年的業績產生巨大影響。”

清華大學激光快速成形中心林峰教授對此認為，美國的企業無論技術、資金和市場規模都非中國的企業所能比，美國的資本運作和產業重組都已經進入3D打印行業了，中國的3D打印產業還處于發展初期，市場規模很小。前段時間，股市中的3D打印概念走熱，純粹是炒作，許多企業根本就沒有涉及3D打印業務，甚至都不知道3D打印是什么。

針對大量資本和企業準備涉足3D打印，林峰呼吁，希望理性投資，切實有助于提升3D打印的技術水平和推廣應用，彌補中國3D打印產業的短板和軟肋。比如材料研發、軟件開發、創意設計、商業模式創新等，而不是盲目跟風，炒作圈錢。

《國際增材制造行業發展報告》顯示，3D打印技術2011年全球直接產值為17.14億美元。而據業內人士估算，國內的3D打印產業規模僅有3～4億元人民幣。美國的3D Systems公司和Stratasys公司，2011年銷售收入分別為2.3億美元和1億多美元，而國內3D打印企業的銷售收入都是幾千萬元人民幣。

生產方式變革

“3D打印第一波小高潮發生于上世紀80年代末90年代初，從制造方法上來說，確實是一個革命。”北京隆源自動成型系統有限公司總經理馮濤告訴記者，美國很快涌現出多家3D打印公司，共有5家企業在納斯達克上市。到了21世紀初，3D打印沉寂下來，許多人開始質疑這種技術的可靠性，當時只能做一些塑料模型，強度和精度都不高。

最近幾年，隨著3D打印技術的發展，特別是在醫療、軍工、航空航天等領域的應用取得了明顯進展，一些重要零件、復雜零件、新的結構零件可以直接3D打印，占到應用比例的20%，而五年前不到10%。這引起了業內人士的高度關注。此外，便宜的消費品3D打印機開始推向市場，大約幾百美元或幾千元人民幣，為3D打印技術的普及奠定了基礎。

對于3D打印技術的影響，見仁見智。激進派認為，傳統工程師使用的車床、鉆頭、沖壓機、制模機等將一去不復返，甚至將顛覆整個傳統制造業，開啟社會化制造新時代。

“3D打印機將來不是要取代某一個制造業，而是要取代幾乎所有的制造業。”作為世界首個公布3D打印機開源數據信息的科學家，英國工程學家阿德里安？鮑耶表示，“未來你想要什么，只需下載圖紙，按一下‘打印’鍵，就可以去喝咖啡、聽音樂了，剩下的所有事，請統統交給打印機。”

3月23日，中國航空工業集團公司董事長林左鳴在國務院發展研究中心主辦的中國發展高層論壇上表示，包括3D打印技術在內的技術進步可能引起生產方式的巨變，第三次工業革命將以互聯網為基礎，以數字化為核心，實現由“大規模生產”向“自生產”的轉變，使人類進入“自工業化”時代。

林左鳴以航空工業領域為例指出，在自工業化時代，以后可能不是飛機制造公司造飛機，而是飛機的用戶——航空公司采取自工業化方式生產飛機，由它們組織全世界氣動力學專家、結構力學專家通過互聯網平臺一起來研究飛機怎么設計。原來是制造商和消費者分離，現在是制造商和消費者合為一體，開展自工業化。

北京市長城企業戰略研究所所長王德祿也深有同感，3D打印技術對制造業升級的影響力和重要性毋庸置疑。上一輪的工業革命中，制造業主要通過批量化的流水線制造和集約生產來降低生產成本，實現規模效益。借助于3D打印，開放式設計、定制化生產和分布式生產皆可以相對合理的成本實現。3D打印將引發真正意義上的制造業革命，產業組織形態和供應鏈模式都將被重新構建，帶來無窮的創新空間。

對于3D打印到底對制造業能產生多大的影響，一些業內專家和企業人士持謹慎態度。“我們應對3D打印有一個正確的定位和認識。3D打印技術在生產制造中所占的比例正在上升，但對傳統制造業更多是補充而非顛覆。” 中國工程院院士盧秉恒說。

不過，盧秉恒也充分肯定發展3D打印對于中國的意義，“中國是制造大國，制造能力過剩，但設計研發能力不足。而3D打印技術正是輔助和加速設計與研發的手段。我們應該高度重視這一技術，投入科研和其他力量，并大力推廣。這樣才能真正使我們國家變成制造強國。”

北京太爾時代總經理郭戈也比較低調，3D打印目前還沒有那么大的能量，從行業現狀看，3D打印的市場規模還較小。如果它是一個非常好的技術和產業，那么不可能發展20多年了，還是目前的一種狀態，說明它本身還存在一些問題和難關沒有攻克。雖然3D打印有很多創新和優勢，但從綜合的經濟社會效率上來看，它還處于整個制造業的邊緣。

郭戈進一步指出，隨著技術的發展，3D打印有可能獲得更大的突破，逐步向主流制造滲入。即使滲透到主流制造業中，也只是制造業的一個部分，它不會完全顛覆傳統制造業，可能在某些領域會替代傳統的制造方法，商業模式上可能會帶來新的革命。

“對傳統制造業是否能起到顛覆作用，需要觀察一段時間。”濱湖機電總經理周建國對記者說，因為在現階段，用3D打印技術開發出的金屬零件，成本很高，單價很貴，而且這種技術目前不適合大批量生產，只適合個性化、少批量生產。但不可否認，3D打印技術是推動傳統產業技術進步和轉型升級的一個重要手段。

“生產方式像個輪子一樣兜了個圈又回到了原點，從大規模生產方式又轉到了更加個性化的生產方式。未來的工廠將更關注個性化定制。”英國《經濟學人》雜志這樣描述3D打印技術和第三次工業革命。

新興業態顯現

中國3D打印技術的研究始于1991年，通過跟蹤學習借鑒國外的相關技術，已自主研制出LOM（薄材疊層或分層實體制造）、SLA（立體光固化）、SLS（選擇性激光粉末燒結）、FDM（熔融擠壓）、SLM（金屬粉末熔化）等工藝的3D打印設備，并逐步實現了商品化。有的3D打印技術和設備已經達到了國際先進水平。

譬如北航的金屬結構件直接制造技術、清華大學的熔融擠壓技術和生物制造、武漢濱湖機電的SLS全球最大3D打印機、北京太爾時代的低端消費級3D打印機等。

目前國內的3D打印設備和服務企業一共有二十多家，規模都較小。一類是十年前就開始技術研發和應用，如北京太爾時代、北京隆源、武漢濱湖、陜西恒通等。這些企業都有自己的核心技術。另一類是三年前成立的，如湖南華曙、先臨三維、紫金立德、飛爾康、峰華卓立等。這些企業有VC參與，具備一定資金實力。還有一類是最近一兩年加入的，技術比較薄弱。

業內人士告訴記者，中國的3D打印技術主要應用在航空航天、軍工、汽車、核電、水泵、醫療等領域，隨著技術的不斷進步和人們消費需求的不斷擴大，3D打印的市場應用前景十分廣闊。不單單是原先的工業領域，消費品領域的應用將會迅速擴大。

郭戈認為，未來3D打印將向兩個方向發展。一是高端的工業設備，高性能、高精度、高質量，這類產品的客戶，增加數量有限。二是中低端的消費品設備，面向普通大眾，這類產品的用戶群體會急劇膨脹，十幾年之后，有可能每個人的身邊都有3D打印機。

對于3D打印在大眾消費領域的應用，盧秉恒也表示十分看好。“目前在很多大眾消費產品的開發中，3D打印已經取得了很大的進步。用這一技術制造一些工藝品和簡單的生活用品，能很快形成一定規模的市場。”此外，盧秉恒還認為，3D打印適用于創意設計，未來會走入學校和家庭，幫助孩子培養三維思維能力和創造性。

隨著3D打印市場規模的不斷擴大，將形成一批新興業態，例如創意設計、3D打印服務、消費品定制、整形修復、文化產業衍生品等。

過去，個人設計一個產品，覺得挺好看，想把它制造出來，非常困難。你需要找專業的工廠來做，工廠首先要做模具，接下來有一套復雜的制造程序，而且，工廠都是大批量生產的，根本不會專門給個人生產一個單件產品。但這種需求是客觀存在的，現在有3D打印就方便了，可以向3D打印服務商定制，也可以買一臺3D打印機自己打印。國外這種需求很大，近三年來，這種消費級3D打印設備有原來的幾千臺增長到去年的3萬多臺。當普通民眾逐步知道這種3D打印機后，就會釋放出更大的需求。

“3D打印走入尋常百姓家，最關鍵的是數據，畢竟設計數字模型還是有難度的。”林峰說，這需要創意設計知識產權的保護和相關技術的保障，如果你下載數據后只能打印一兩個產品，數據無法復制盜版，那這個數據的下載費用就能降下來。這將發展出一種新的商業模式，一些專業人士就會以數據為生，從事創意設計，然后把數據放到互聯網上出售。

根據國際快速制造行業權威發布的報告《Wohlers Report 2011》，全球3D打印產業產值在1988～2010年間保持著26.2%的年均增長速度。報告預期，3D打印產業未來仍將持續較快地增長，到2016年，包含設備制造和服務在內的產業總產值將達到31億美元，2020年將達到52億美元。

中國如何應對

雖然中國的3D打印在基礎研究和產業化方面有了一定的進展，但中國3D打印產業的發展與美國相比仍有較大差距，比如沒有形成產業鏈、工業環境不配套、企業規模小、研發投入不夠等。此外，在一些核心技術和關鍵器件上，如3D打印機中的激光器、高端材料，仍然對國外依賴較大。

在應用方面，中國的3D打印也遠未達到美國的豐富程度。據盧秉恒介紹，目前中國3D打印的大部分應用仍然集中在軍工領域的開發與模具的制造上。而從設備數量上看，美國目前各種3D打印設備的數量占全世界40%，而中國只有8%左右。

周建國對記者說，中國與美國的差距主要表現在：產業化進程緩慢，市場需求不足；產品的快速制造水平比我們高；燒結的材料尤其是金屬材料，質量和性能比我們好；激光燒結陶瓷粉末、金屬粉末的工藝方面還有一定差距；國內企業的收入結構單一，主要靠賣3D打印設備，而美國的公司是多元經營，設備、服務和材料基本各占銷售收入的1/3。

有調查結果顯示，在全球3D模型制造技術的專利實力榜單上，美國3D Systems公司、日本松下公司和德國EOS公司遙遙領先。

認準差距才能找到前進的方向，也預示著中國3D打印產業未來具有巨大的增長空間。中國已成立了3D打印技術產業聯盟，目前正準備借鑒美國模式，計劃聯合企業、職業技術學院、科研單位與產業園區，先小范圍推廣3D打印技術，待產生效果后，再進一步打開市場。

由北京數控裝備創新聯盟、中國工業設計技術服務聯盟等為支撐成立的“北京數字化制造產業技術創新聯盟”，中關村管委會指導、34家核心企業和院所發起成立的“中關村未來制造業產業技術聯盟”也相繼成立。

令人欣慰的是，3D打印已經引起了中國政府部門的重視。科技部有關人士向媒體透露，3D打印相關戰略規劃正在研究制定中。

2012年12月14日，工信部副部長蘇波在增材制造技術國際論壇上透露，中國將加快推動增材制造技術研發和產業化。蘇波在致辭時表示，近期需做好三方面工作：一是加強頂層設計和統籌規劃；二是加大財稅政策引導力度；三是適時籌建增材制造行業組織，推動增材制造技術研發和產業化。

地方層面，在武漢市政府和東湖開發區的大力支持下，華中科技大學正在光谷（武漢東湖高新區）選址，籌建國內首個3D打印工業園，集3D打印設備制造、材料制造和產品加工服務于一體，

對于3D打印未來的發展方向，盧秉恒強調，軍用和工業的高端領域，以及創意開發等大眾消費領域，我們都應該大力去發展。

郭戈表示，各地應該建一些上下游產業聯盟，把上游的創意設計、新材料、軟件開發、數字控制與中游的3D打印設備研制以及下游的產品、技術、平臺、衍生品等應用服務整合起來。此外，中國企業應該加大技術投入，做專做精，產品的可靠性要提高。

林左鳴認為，第三次工業革命不是一個技術問題，也不僅僅是某些技術的突破，而是一個新的復雜系統的誕生，是一個全新的社會生活平臺構建的問題。我們必須主動應對，還要力爭主導。目前需要做三件事：第一，推進信息化技術和自動化技術的快速發展，大力發展機器人技術，加速智能化制造技術的發展。第二，推進新材料技術的快速發展，材料的革命才是真正帶來完整的第三次工業革命最重要的基礎。第三，著手準備適應自工業化和再制造化的相應商業模式和法律法規。

中國盡管是制造大國，但在新技術的研發和推廣力度上仍然偏弱，對新技術和新產品的需求也較少，導致新興產業發展速度滯后。所以，一方面需要政府對新技術和新興產業的大力支持，另一方面需要激發市場需求，壯大市場規模。

周建國建議，3D打印作為一個新興行業，國家要繼續設立重大科技專項，對3D打印基礎材料和關鍵技術集中攻關。此外，國家應該在稅收、信貸等方面加大扶持力度，引導鼓勵企業自主研發新技術和新產品。

如何推動3D打印產業化，實現快速健康發展？一直在市場打拼的馮濤有自己的思考，首先做好基礎性研究工作，要在確定國家戰略之前，對3D打印行業進行客觀全面深入的摸底評估，掌握一手資料，不能憑主觀做決策。

據了解，美國把3D打印列入國家戰略之前，做了許多基礎性研究和比較分析工作。例如美國國防部有一個項目“戰時做一個零件的方法”，即打仗時如何快速生產出一個零件。研究了各種方法，3D打印是其中的一種方法，評估3D打印的技術水平、產品性能、制造成本和風險情況等。美國能源部還有一個項目，研究3D打印是否節能，經過與傳統方法比較，得出結論：3D打印是綠色制造，節省資源和能源。

馮濤還強調，國家應該出臺支持3D產業發展的政策措施，但一般情況下不要直接撥錢，因為給予稅收等優惠政策要比直接撥錢更公平，防止只拿錢不干事、權力尋租現象發生。此外，雖然3D打印未來的應用會很廣，但短時間內不可能形成大產業，所以建大規模的3D打印產業園要慎重。

北京隆源：

深耕快速鑄造

核心是在激光燒結快速成形技術和應用上做專做精

文/本刊記者 牛祿青

“最近打電話咨詢3D打印的人比較多，每天都接4～5個，問我們公司的3D打印機多少錢。業務員說100多萬元，客戶一聽，都嫌貴，業務員還要解釋半天。”北京隆源自動成型系統有限公司總經理馮濤搖搖頭，有些無奈。

3D打印熱起來后，馮濤本人也忙得不亦樂乎，到處邀請他參加會議，討論宣講3D打印技術。由于安排不開時間，本刊記者只好抓住中午休息時間對他進行了采訪。

據了解，所有購買北京隆源3D打印設備的客戶，不是看了3D打印的新聞報道才來下訂單的，都是因為有實際的專業需求。有的客戶雖然知道3D打印，但不清楚他購買的設備就是3D打印機的一種。

北京隆源主要研發、生產、銷售工業領域的激光快速成型機，采用選擇性激光燒結技術（SLS），快速成型蠟模和樹脂砂模，并與傳統的精密鑄造緊密銜接，走出了一條獨特的無模具快速鑄造工藝路線，為企業新產品開發試制提供了重要支撐。其設備和產品主要應用于汽車、航空航天、船舶、醫療等領域，并非面向普通消費者。

靠市場起家的隆源公司，一直視市場為衣食父母，他們必須對客戶負責，把產品做細致，把市場應用做專。集中優勢兵力攻其一役，保障產品的可靠性和穩定性，一直是隆源公司不得不選擇的努力方向。

廿年磨劍

畢業于清華大學的馮濤是一名材料方面的專家，曾任職于清華大學高分子材料研究所，具有豐富的高分子材料和激光光學的理論和實踐經驗，也是我國最早從事激光快速成形技術研究的專家之一。

北京隆源自動成型系統有限公司成立于1994年 ，是中國最早進入3D打印技術研究和商品化應用的企業。創建當年就研制成功中國第一臺激光粉末燒結快速成型機。先后推出了AFS系列不同型號的SLS設備（最大成形空間為1400×700×400mm），迄今一共銷售了150臺3D打印機。

馮濤告訴記者，隆源公司剛開始非常困難，人們都不知道我們企業到底做什么。市場需求很少，技術也不成熟，更沒有任何背景和資源，直到1999年才賣了2臺設備，當然，現在企業規模也不大。

目前，隆源公司共有員工40人，大部分技術人員都是長期沉淀下來的。3D打印升溫后，可能會吸引一些高學歷的年輕人加入進來。

二十年來，在他的帶領下，北京隆源相繼成功研制出鑄造熔模、蠟模壓型及鑄造型殼等復雜的工藝制作方法，以及聚苯乙烯粉末、合成材料在3D打印中的應用方法。

2000年，北京隆源研制成功基于SLS的具有復雜內腔結構的金屬零件的快速鑄造工藝，為發動機等復雜結構零件的快速制作打下基礎，使金屬材料直接成形技術進入實質開發階段。

隨后又與中國工程物理研究院開展大功率激光直接制造金屬零件的研究。2005年推出可直接蒸汽脫除的燒結精鑄蠟，與傳統的精密鑄造無縫連接，解決了鈦合金快速鑄造表面粗糙的問題。2008年，開發完成AFS-700成型設備，成型尺寸245立升，是當時最大尺寸的激光粉末燒結設備，滿足了絕大部分精密鑄件尺寸的要求。

2009年，激光燒結砂實現突破，成型砂芯的強度和發氣量均達到鑄造要求。第二年又開發出了鑄造覆膜砂燒結成型的專有設備激光制芯機，并形成商品化。

一直以來，北京隆源堅持以SLS工藝為核心，深耕激光快速成型設備和產品服務，從產值來說，設備占60%，產品服務占40%。據了解，該公司打印小的零部件平均用7～20天，大部件平均用2個月時間。

譬如，北京隆源用快速精密鑄造方法為某企業試制變速箱，共 18 件，分兩批完成。前 7 件用于結構驗證和臺架試驗，后 11 件用于路試。采用傳統工藝方法，從模具到生產需 4 個月的時間，而他們采用快速鑄造方案僅用了 2 天時間就完成了用于失蠟鑄造的蠟型，用 1 個月的時間生產出了 18 件合格的鑄件毛坯。

某鑄造企業接到液壓閥的閥芯訂單，由于工期緊、芯體復雜、開模周期長，該公司選擇與北京隆源合作，使用激光燒結砂鑄制芯，分兩批完成了該項目的生產任務。第一批用 5 個工作日完成 10 套，第二批用 10 個工作日完成 20 套，由于省卻了開模具的時間，因此保證了工期和進度。

北京隆源利用快速鑄造技術，不僅為汽車制造商生產發動機缸體、缸蓋、變速箱殼、進排氣管等，還為我國航空航天和軍工企業提供直升機發動機、直升機機匣、蝸輪泵、鈦機架、排氣道、飛機懸掛件、飛輪殼、坦克渦輪增壓器等零部件的生產和服務。

馮濤告訴記者，3D打印技術與鑄造技術的結合，衍生出快速鑄造技術，可有效地應用于新產品設計開發階段樣件的快速制造。“我們是和傳統制造結合起來的，只把模具環節取消了，快速成形設備打印出零件模型，客戶自己按傳統工藝去制造零件。”

快速鑄造技術適合單件、小批量、復雜零件的試制和生產，成型工藝過程可控，原材料多元化，有助于保證產品開發的速度和質量，有助于降低開發的成本。

精益求精

由于每年激光成型機的市場需求和銷售數量太小，隆源公司目前只有相關維修設備，加工和檢測設備通過外包來做。公司產值不高，人員又少，導致研發投入較低。硬件中，激光器的成本較高，材料成本比較低，不到10%。

“但材料決定了3D打印技術的應用水平，我們與國外的差距主要是材料。”馮濤說，“同類設備，國外的材料有20多種，我們才幾種，這樣應用領域就窄。材料是增材制造的關鍵，光做設備，沒有材料，這條路走不遠。我們的材料都是自主研發的。”

資金、人才、技術都是隆源公司面臨的困難，對此，馮濤也束手無策。“只能隨著市場擴大和營業收入的增加，一點點去解決，不可能一口吃個胖子；資金寬裕了，就能引進高端人才，研發投入也會增加，設備質量也能進一步提高。”

3D打印之所以受到重視，因為發現它對制造業有杠桿作用。馮濤表示，一是新產品開發，如果不斷有新產品被開發出來，對建設創新型企業和創新型國家非常重要，與生產規模不是一個概念。二是特殊結構零件，美國在十幾年前就研究飛機、衛星等高端裝備如何應用3D打印技術，而且美國無人機上的許多結構零件都是3D打印的，我國近幾年才開始關注。三是對教育的促進。3D打印“很酷”，設計一個東西，馬上就能制造出來，這就會激發年輕人的創新意識和動手能力。

對于3D打印的影響力和發展前景，馮濤比較中庸。他指出，3D打印在制造業的比重會越來越大，但不會顛覆傳統制造業，原理上具有革命意義，但使用上存在很多局限。從傳統經濟學角度來說，大規模生產的成本比較低，將來這個原理不一定對，也許以3D打印為標志的分散化制造的成本會更低。

據業內人士分析，未來，傳統的快速成型應用會越來越窄，比如用樹脂、塑料等打印模型，發展趨勢是直接金屬零件制造和便宜的3D打印機，這是3D打印的發展方向。

對此，馮濤有著清醒的認識，“我們做的設備和零件還沒有達到產品化的標準，所以我們要在這方面下功夫。我們打印的砂模和蠟模要達到現代工業的質量要求，否則難以與傳統制造方法競爭。現在的優勢主要是小批量、速度快、成本低，但至少在尺寸、光潔度、性能上都有差距。”

不知不覺，隆源公司已經在3D打印的道路上前行了20年，面對3D打印技術和第三次工業革命的浪潮，他們迫切希望能找到與政府和資本的契合點。

馮濤說：“如果我們得到一些資金，我們會很珍惜，一定會投入研發，我們是市場型企業，深知資金的重要性。” 同時，他也指出，發展3D打印產業，不能靠政府驅動，主要應靠市場和資本驅動。政府應該發揮政策引導作用，但是一些高端關鍵領域的技術研發和推廣應用需要政府支持，比如航空航天和軍工。

基于實際情況，隆源公司下一步還將以工業設備為主打產品，隨著市場的發展，逐步拓寬，核心是在激光燒結快速成形技術和應用上做專做精。

“如果能與業內的企業進行重組，那是我們希望看到的。”馮濤充滿期待。因為國內的3D打印企業，規模都很小，技術還有交叉。美國經過并購集中到了兩家，它們雖然與世界500強相比還不大，但比國內企業大多了。

濱湖機電“以小博大”

全球最大的激光燒結3D打印機就誕生在這里

文/本刊記者 牛祿青

三月中旬，北方依然難覓春天的氣息，而素有九省通衢的武漢，已是櫻花盛開，姹紫嫣紅。在華中科技大學西十二教學樓西南角，有一個綠樹環繞、很不起眼的白色小廠房。這里就是華中科技大學快速制造中心產業化基地——武漢濱湖機電技術產業有限公司，全球最大的激光燒結3D打印機就誕生在這里。

“我們研發的激光粉末燒結快速成形系統（俗稱3D打印機），在全球基于粉末床的快速制造設備中，工作臺面是最大的，達到1.2米×1.2米，入選2011年中國十大科技進展新聞，并獲得2011年國家技術發明二等獎，目前已形成商品化。現在我們正在研發1.4米×1.4米工作面的此類裝備，采用四激光器四振鏡，工藝路線更完備、打印效率更高。”濱湖機電總經理周建國言語間充滿自豪。

在廠房里，本刊記者看到，這種3D打印機形似立柜，高約2米，分上下兩層。據濱湖機電副總經理吳澄現場講解，上面是激光加熱掃描艙，對粉末進行分層平鋪、加熱和燒結。只要把零部件的三維數據輸入電腦，該設備就會使用陶瓷、塑料、砂等不同的非金屬粉末材料，自動化進行生產，打印出你想要的三維樣品。

濱湖機電技術產業有限公司原是由華中科技大學（原華中理工大學）、武漢市科委和深圳創新投資公司共同組建的高新技術企業。公司依托的華中科技大學快速制造中心，從1991年就開始關注和研究3D打印技術，是中國最早開展該項技術研究的單位之一。先后得到科技部、教育部、國家自然科學基金委員會、國家863高科技計劃、湖北省科技廳和武漢市科委的支持。

技術優勢

華中科技大學原校長黃樹槐教授是中國快速成形技術的主要開創人之一，1991年他看到國外剛剛興起了快速成形技術和分層制造，然后就組織人員開展研究，為華中科技大學的3D打印技術應用奠定了堅實的基礎。

1994年，華中科技大學快速制造中心研發出中國首臺具有自主知識產權的3D打印機，次年九月參加北京國際機床展覽會，成為中國第一臺參加展覽的快速成形設備。1996年，轉化該技術的武漢濱湖機電技術產業有限公司成立。

濱湖機電先后開發了多種3D打印機，業已商品化生產的產品包括薄材疊層（LOM）快速成形系統、光固化（SLA）快速成形系統、激光粉末燒結（SLS）快速成形系統、金屬粉末熔化（SLM）快速成形系統。目前，國內只有濱湖機電能同時提供這四種工藝類型的快速成形設備。目前該公司最受市場歡迎的是后兩種設備，綜合性能指標達到國際先進水平。迄今，該公司已銷售200多臺3D打印機。

周建國表示，濱湖機電公司的研發投入至少占銷售收入20%以上。雖然只有60名員工，但多年依托華中科技大學的人才和科技資源，打造了一支較強的3D打印技術研發團隊，產品上的應用軟件、燒結工藝、部份原材料及打印設備都是自主開發，走出了一條產學研相結合的自主創新之路。

據了解，華中科技大學材料學院和華中科技大學快速制造中心側重于3D打印基礎和理論研究，濱湖機電公司作為華中科技大學的產業化基地，更側重于實際應用研究。以華中科技大學快速制造中心主任兼濱湖機電董事長史玉升教授領銜的3D打印技術研發團隊已成為國內外3D打印技術的主要研發機構之一。

“我們公司有50多個人專門做產業化，學校這邊有十幾個老師帶領80多個研究生，對3D打印技術進行全面地跟蹤研究，對比較成熟的有發展前景的工藝會進行應用和產業化。美國和德國對我們都很重視，多次與我們開展合作。”吳澄說。

濱湖機電的主要成本包括三部分：研發、制造和進口激光器。大學畢業的占60%以上，工人并不多，主要負責組裝，進行設備調試的相當一部分是大學生、博士、博士后。設備機械部件由外面加工，然后工人進行組裝，最后再把激光器、振鏡、電腦、工控機等進行安裝和調試，并負責設備的售后服務。

濱湖機電是國內最早一批投入快速成形技術研究和應用的企業，主要向企業和研究單位提供快速成形設備，制造出的工業零部件已超過上萬件，用于航空航天、軍工、汽車、水泵、核電、節水農業等領域。

在濱湖機電的陳列室里，本刊記者目睹了該公司不同工藝的3D打印設備，以及令人驚嘆不已的各種實物樣件。他們不僅打印工業零件，還打印少量的工藝品，如中國龍、披風等；甚至為歐洲航天局打印飛機機匣蠟模、為空客公司打印大型鈦合金鑄件蠟模。

據吳澄介紹，他們為廣西玉柴做的柴油發動機砂芯，主要應用于新產品開發。如果用傳統方法開簡易模具需要600多萬元，國內還做不了，用他們的3D打印技術只需一周時間，僅花費20萬元。

“這個是核泵上的關鍵零件，用傳統方法很難做，但用3D打印技術很容易。原來機組上的這些零件都是從國外購買的，需支付3.2億元。現在國內許多生產核泵的企業都與我們合作。”吳澄興致勃勃地說。

受農業部委托，濱湖機電用4年多時間、做了上千次實驗，研發出節水農業中的相關零件。三年前它們與北京一家公司合作，把這個恒灌技術小批量市場化了。現在應用的耕地只有1萬畝，全國可用這種恒灌技術改造的耕地至少有3億畝，發展前景廣闊，但需要國家政策的支持，否則農民不愿意自掏腰包用這個節水技術。

跨越發展

隨著3D打印產業的興起，各路機構聞風而動，希望涉足此領域。去年以來，已有多家機構與濱湖機電洽談合作、投資及收購事宜。這些機構包括PE/VC、英國University of Exeter、西安交大及部分軍工企業。

史玉升教授曾表示，濱湖機電跟武漢紡織大學探討如何打印生活中可以使用的衣服等紡織品，與英國University of Exeter和西安交通大學探討如何打印人體的活性器官。

“目前談投資意向的比較多，有企業、風投、銀行、大學等，談收購的也有，國內知名企業也跟我們談過合作意向。在國內目前產能過剩行業比比皆是的情況下，3D打印肯定是一個新的經濟增長點。投資到產能過剩行業，很可能竹籃打水，而投資到新興的3D打印產業，則有很大的發展空間。” 周建國向本刊記者透露。

談到是否有上市的打算，周建國表示，必須先把企業做好，即使以后上市，也要給股東帶來實實在在的回報，要有利于企業的長遠發展，不能為圈錢而上市。

確實如此，濱湖機電雖然起步較早，在國內同行業實力較強，但與國外企業相比，還有較大差距。目前，濱湖機電年銷售收入才1000多萬元，而美國的兩家上市公司3D Systems和Stratasys，2011年銷售收入分別為2.3億美元和1億多美元。業內人士告訴記者，國內3D打印市場太小，企業的規模也較小。

“我們做了這么多年，確實挺艱難，賺到的微薄利潤全部投到了3D打印技術和設備的研發上，沒有任何結余，所以我們一直沒有固定的辦公場所和研發生產基地，目前還是借用華中科技大學的老房子。”周建國說。

除了資金緊張和沒有自己的研發生產基地，如何提高企業的國際競爭力，是濱湖機電面臨最大的挑戰。這不僅涉及廠房、設備、產品等硬件，更取決于企業的人才、文化、管理等軟實力。周建國直言不諱，“我們這里的專家和研發人員的工資都很低，如何提高待遇、留住人才也是我們直面的困難。”

為了推動3D打印產業化，在武漢市政府和東湖開發區的大力支持下，華中科技大學正在光谷（武漢東湖高新區）選址，籌建國內首個3D打印工業園，集3D打印設備制造、材料制造和產品加工服務于一體。這個3D打印工業園的主體之一就是濱湖機電，計劃用一年多的時間初步建成這個研發生產基地。

“3D打印應該熱起來，這是當前經濟結構調整、轉變發展方式的必然要求，也是技術進步和經濟社會發展的必然趨勢。”周建國說，我們要抓住機遇，加快發展。一是要加大3D打印設備的研發和投入力度，包括激光金屬熔化和激光粉末燒結快速成形設備，繼續保持領先優勢，確保在國內第一梯隊的位置，滿足客戶對新產品的需求。二是要研發自己的3D打印材料、提高3D打印材料的質量和性能，提高材料技術水平。三是拓展服務領域，為客戶提供3D打印產品和技術服務。

濱湖機電將把產品和技術服務作為一個重要收入來源，由于國內對知識產權意識淡薄，許多客戶委托它們研發產品樣件，只購買它們的3D打印設備，然后自己制造零部件，而對其樣件制造過程中軟件、材料、技術等前期研發和售后服務，沒有付費的意識。國外則不同，所有服務都是要收費的。

“即使這樣，我們還是要做服務，這是未來的一個趨勢。”周建國非常堅定，產品服務和我們的市場緊密相連，技術服務與我們的新產品開發息息相關，所以，這兩方面服務都要做。用戶提出的要求，實際給我們指明了市場和產品的發展方向。

未來，濱湖機電還會涉足消費品領域，這樣將使企業的銷售收入和生產規模快速增長。而原先的工業領域，市場規模較小，每年最多銷售幾十臺3D打印設備，這樣企業的發展受到很大限制。“風檣動，龜蛇靜，起宏圖”，濱湖機電正乘著第三次工業革命浪潮，為實現跨越式發展而再次起航。

太爾時代：

領跑桌面制造

促進3D打印產業的快速發展，更有助于“中國制造”向“中國創造”轉型

文/本刊記者 牛祿青

去年底，美國MAKE雜志評選最佳3D打印機，對現有全球流行的15款個人三維打印機做了權威公測。令人驚喜的是，北京太爾時代開發的“UP！”三維打印機榮登榜首。該雜志認為，UP！操作方便，功能豐富，打印精度高，是一款最理想的三維打印機，在整個評比中獲得了最高評價。

“UP！”系列是太爾時代最新推出的便攜式桌面三維打印設備，機身簡潔、性能完備，可方便地直接打印出各類模型實物，適用于多個行業領域，滿足不同人群的特殊需求。UP！3D打印機應用熔融擠壓快速成形技術，該技術集成了機械工程、CAD、數控技術和材料技術，加熱熔化并擠出塑料絲材，運用層層堆積的原理形成三維實體模型，打印過程安靜穩定，適合在工作室或家中操作。

“桌面3D打印機的市場占有率，太爾時代肯定是國內第一。工業級快速成形設備，我們的銷售數量最多，但產值不是最高的，因為單價低。國內其他企業的平均單價都在70萬以上，我們的平均單價只有十幾萬。”太爾時代總經理郭戈對本刊記者說。

據了解，市場上低端的桌面3D打印機價格一般在1萬元以下，太爾時代的UP！三維打印機賣9900元，高端的桌面3D打印機大約在1萬到10萬之間。

近一段時期，3D打印的火熱讓一貫低調的郭戈有些不適應，前來采訪的媒體絡繹不絕。“熱起來對我們企業有好處，首先是獲得了媒體和公眾的高度關注；媒體報道以后，客戶群體進一步擴大，業務咨詢合作明顯增多，與客戶的溝通更省力，也促進了3D打印機的銷售。”郭戈笑著說。

單打變雙打

太爾時代是一個具有核心競爭力的公司，以熔融擠壓快速成形技術贏得了市場和聲譽。成立以來，一直從事3D打印設備的研發、生產和銷售，依靠市場滾動發展，在3D打印產業化道路上默默探索著。

2003年，北京太爾時代科技有限公司成立，而畢業于清華大學、師從顏永年教授的郭戈是創始人之一。如今，太爾時代在北京懷柔建有占地3000平米的生產基地，公司人數由原來的十幾名發展到現在的近100名。

為保持技術領先和創新活力，太爾時代不斷加大研發投入，自主開發3D打印的硬件、軟件、數控、材料等核心技術，現已擁有核心軟件著作權，十幾項發明專利與實用新型專利，累計完成了多個科研項目。目前，太爾時代的控制系統和軟件系統在國內同行業中遙遙領先。

太爾時代以研發工業領域快速成形設備起家，工業設備體積較大，最小的跟洗衣機和冰箱差不多。2010年前后，它們通過改進技術，把生產成本降了下來，開始推廣桌面3D打印機。這種設備體積較小，跟辦公室的打印機差不多，主要面向普通消費者。

太爾時代的工業設備每年銷售100多臺，產值1000多萬。設備硬件所占成本僅為10%～30%，由于市場規模很小，其他人工、研發、銷售、房租等可變成本較高，所以利潤率大概在20%左右。

經過十幾年的發展，太爾時代的3D打印設備覆蓋國內26個省（自治區、直轄市），并遠銷歐洲、北美洲、大洋洲、中亞。打印出的產品應用于工業制造、航空航天、汽車、動漫設計、醫療、教育、家電、五金、藝術品等多個領域，并與寶潔等國際知名企業開展合作。

太爾時代桌面3D打印機的客戶面向個人、企業、教育研究機構，其中個人客戶主要做DIY（自助）和各種模型。工業級快速成形設備主要應用于新產品開發，神舟七號的出艙服，研發階段就是用它們的快速成形設備打印的。

郭戈還讓本刊記者觀看了桌面3D打印機制造出的產品模型，有機器人、海螺、貓頭鷹、恐龍、積木、建筑、裝載機等，形態各異，五顏六色，栩栩如生。

“我們有一個加拿大客戶，是一個研究生，設計了許多廚房用具，用我們的設備打印出來。這是他給我們發的照片。還有一個澳大利亞客戶，用我們的設備打印一些小工藝品，周末到街上擺攤。”郭戈很有成就感。

太爾時代的3D打印機，采用熔融擠出快速成形技術，把塑料加熱到270度擠出后迅速凝固。這種工藝成本較低，材料都是塑料，更適合在普通消費者中推廣。隨著大范圍推廣，個人打印一件產品的費用也就是原料成本的2～3倍。打印的時間也不長，一般都是幾個小時，打印手機殼只需要一個小時，尺寸大、結構復雜的產品可能需要幾天，所用材料大約是十幾克到幾十克。

雖然在低端的消費級3D打印機方面，太爾時代與全球最大的3D Systems公司和Stratasys公司相比毫不遜色，但在工業級快速成形設備方面還有較大差距。郭戈坦言，“技術的可靠性、精度、打印質量、品牌推廣等都有欠缺，而且這兩家公司有好幾種工藝同時在做，我們主打一種工藝，國內其他公司大多也是主打一種工藝。此外，企業整體實力較弱，規模也比較小。那兩家公司每年都有幾億美元的銷售額，國內的企業都是幾千萬人民幣。當然價格上比我們的設備大概要貴1.5～2倍，但打印質量非常好。”

整合產業鏈

去年，太爾時代桌面3D打印機的銷售額已經超過了工業級快速成形設備，分別為2000多萬和1000多萬。“如果普通3D打印機在價格、可靠性、應用性、質量等方面有顯著提升，全球市場每年賣幾百萬臺，應該沒什么問題。”郭戈對桌面3D打印機的市場前景非常看好。

業內人士告訴記者，熔融擠出的工藝更適合制造桌面3D打印機，成本較低，沒有污染，在辦公室和家庭使用很方便。目前，全球消費品領域3D打印市場規模也就幾千萬美元。

之所以對桌面3D打印有信心，郭戈有著自己的思考，“3D打印技術不同于前兩次工業革命，可以再次把每個人與制造的距離拉近，從這個角度來看，也算是一次革命。”

一個人一臺電腦，有一個好的想法，在電腦上設計出來后，用3D打印機就可以直接制造出來，同時也創造了新的商機。比如創意設計，通過電子商務銷售創意產品的電子數據，客戶從互聯網下載后自己打印，物流都不需要，大大降低了創新和創業的門檻，也降低了產品的成本。

未來，太爾時代將努力推進桌面3D打印機在市場中的應用，進一步提高質量，降低成本，但只賣3D打印設備，不提供打印產品服務。據介紹，這種工藝設備的價值比較低，做出來的產品附加值也不會特別高。雖然創意的價值很高，但他們沒有精力和這方面的人才去做創意，所以，在商業價值不高的情況下，太爾時代重點發展分布式制造，讓客戶自己去打印產品。

為了推動桌面3D打印機的產業化應用，太爾時代將搭建一個上下游的產業鏈，讓普通消費者更容易接觸到3D數據，因為3D數據一般需要專業人士提供。“我們正在把專業人士和專業公司的3D數據資源整合到一起，通過某種平臺（打印機的接口、網上商城、數據生產廠商的三維軟件），把它推送到普通消費者面前。普通消費者接觸到這些，就會產生打印的需求，滿足審美、生活和工作的需求。”郭戈表示。

目前，太爾時代正與開發CAD軟件的數碼大方公司開展合作。從互聯網下載數據，必須有版權保護，否則創意數據被盜版了，將不利于3D打印產業的健康發展。

對于數據的版權保護問題，郭戈也有初步的設想。3D打印機的硬件和軟件都是我們自己研發生產的，我們可以把版權保護內置到打印機的系統里面，做一個版權保護的機制，其他的數據提供商按照我們的機制把他的數據保護起來，我們的打印機會做出判斷，是否允許打印，能打印幾次。設計者有了收益，才愿意把他的優秀設計作品放到平臺上，客戶才會有更好的打印體驗。

這樣，太爾時代的盈利模式將趨向多元化，不僅開發3D打印設備和材料，而且還有平臺服務。由于研發投入大，資金緊張，太爾時代希望引入資本，助推企業的發展，并實現上市，現正在洽談中。

太爾時代雖然發展了十多年，但整體實力還較弱，除了技術上需要進一步提升，主要的挑戰還是市場開拓，由于國內市場不大，靠企業本身去擴大市場，確實很困難。郭戈希望國家能在3D打印的推廣應用方面給予政策支持，如果國家能把3D打印推廣到各級學校和幼兒園，深入課堂教學實踐中，既可以提高學生的創新意識、動手能力和創造能力，也可以促進3D打印產業的快速發展，更有助于“中國制造”向“中國創造”轉型。

3D打印“真面目”

清華大學激光快速成形中心林峰教授揭開3D打印神秘面紗

口述/林峰 采訪整理/牛祿青

在清華大學林峰教授的辦公室里，到處都是逼真的3D打印實物模型，手機外殼、工業零件、醫療支架、各種玩具……甚至名片盒都是3D打印的，紅色的水立方形狀，煞是好看，用手一摸，還有紋路感。

他指了一下桌子上與普通打印機差不多大小的設備，對本刊記者說：這些物品都是這臺3D打印機做出來的，它采用熔融擠壓快速成形技術，把塑料加熱到200多度，然后用噴頭一點點擠出來，進行堆積制造。這臺3D打印機國內賣一萬元人民幣，美國賣1500美元，它甚至都能把活體細胞打印出來。如此神奇有趣，不知不覺間對他的專訪持續了三個多小時，以至于外面何時刮起了沙塵暴都全然不知。

3D打印的中國變遷

3D打印技術誕生于上世紀80年代的美國，中國從1991年開始研究3D打印技術。20多年來，國內學術界和制造界都知道這個技術，當時的名稱叫快速原型技術（Rapid Prototyping），即開發樣品之前的實物模型。

通過計算機技術先建立三維數字模型，然后進行離散分層，最后用成型設備一層一層堆積起來，變成有紋路的實物模型。非常復雜的零件變成了簡單和標準的制造，不需要針對不同形狀的零件去考慮它的材料、刀具、機床和工序等因素。只要把相關數據發給成型設備就可以打印出來，減少了許多中間環節和人力物力，大大降低了生產成本。用傳統方式制造零件，整個生產過程一般需要幾個月，用快速原型技術可能只需要幾天甚至幾個小時。這種技術特別適合產品開發階段，但它不是最終的產品，性能也不夠好。

清華大學是國內最早從事3D打印技術研究的高校之一，當時顏永年教授邀請到了美國的Jack Keverian教授。Keverian教授將他搜集的四大本快速原型方面的資料贈送給清華，對中國快速原型技術的起步幫助很大。此外，華中科技大學和西安交通大學對這種技術的關注和研究也比較早。

上世紀九十年代，這種技術在國際上有幾種成熟的工藝，分層實體制造（LOM）、立體光刻（SL）、熔融擠壓（FDM）、激光燒結（SLS）等，國內也在不斷跟蹤開發。2000年前后，這些工藝從實驗室研究逐步向工程化、產品化轉化，，逐漸轉移到了企業。當時，國家也不太支持，因為做出來的只是原型，而不是可以使用的產品，而且國內對產品開發也不重視，大多是抄襲，不需要在產品的原型上下功夫，所以，快速原型技術在中國工業領域普及得很慢，全國每年僅銷售幾十臺快速原型設備，主要應用于職業技術培訓、高校等教育領域。

2000年以后，清華大學、華中科技大學、西安交大等高校繼續研究3D打印技術。西安交大側重于應用，做一些模具和航空航天的零部件；華中科技大學開發了不同的3D打印設備；清華大學把快速成形技術轉移到企業——殷華（后改為太爾時代）后，把研究重點放在了生物制造領域。

企業對這些技術不斷改進和簡化，研發出了新的3D打印設備。3D打印技術在國內已經存在20多年了，之所以影響不大，主要有它的技術瓶頸。首先，材料的種類和性能受限制，特別是使用金屬材料制造還存在問題。其次，成形的效率需要進一步提高。此外，在工藝的尺寸、精度和穩定性上迫切需要加強。20世紀90年代末期，大家開始研究金屬材料快速成形技術，但難度很大，都不太成熟。

當時，美國有幾家公司在用金屬材料做大零件，先做毛坯，再進行后期加工。2000年前后，美國研發了幾款戰斗機，其部分零件就是用快速成形技術做的，它們的技術比較成熟。中國北京航空航天大學、西北工業大學、有色金屬研究院等單位對金屬激光快速成形技術進行了重點攻關，近年來取得重大突破，可以制造大型金屬零部件。北航王華明教授3D打印的的鈦合金結構件已經應用到了中國的飛機上。目前，3D打印的金屬零部件在國內一些領域有所應用，但還沒有大范圍推廣，因為技術還在進一步完善、檢測標準體系滯后、材料品種較少。現在使用的都是韌性比較好的材料，如不銹鋼、鈦合金等。

不管稱快速原型、快速成形，還是稱增材制造、3D打印，共同的特點都是基于離散堆積的原理來進行分層制造。3D打印在業內專指快速制造的一種工藝，上世紀90年代初，美國麻省理工學院的Sachs首先提出了“3D Printing”工藝。這種工藝的具體流程是，先鋪好粉末，然后用噴墨打印機的方式噴出粘接劑，反復操作，最后打印出產品。現在為便于公眾接受，把這種新技術統稱為3D打印，但在國內學術界和政府文件里稱“增材制造”，國際上也稱“增材制造”。

3D打印技術是指由計算機輔助設計模型（CAD）直接驅動的，運用金屬、塑料、陶瓷、樹脂、蠟、紙、砂等材料，在快速成形設備里分層制造任何復雜形狀的物理實體的技術。基本流程是，先用計算機軟件設計三維模型，然后把三維數字模型離散為面、線和點，再通過3D打印設備分層堆積，最后變成一個三維的實物。3D打印好比一層層蓋房子和蓋金字塔，不同的是，蓋房子是在人的操作下完成的，增材制造是在計算機的控制下進行的。

3D打印技術包括多種工藝，最典型有四種：第一種工藝是分層實體制造（LOM），也叫疊層制造。用激光或刀切割一個薄層，然后一層層疊加。基本材料是紙。這種工藝廢料較多，用激光切容易著火，現在很少有企業使用這種材料，而且最先這樣做的美國公司也倒閉了。

第二種是立體光刻（SL）。基本材料是液態樹脂。用紫外激光照射池子里的液態樹脂，照到的地方就固化了，成形一層后，平臺下移，再固化下一層，直到最終成型。優點是精度高，打印出的發動機晶瑩剔透，但缺點是使用材料有限。

第三種是熔融擠出（FDM）。把材料用高溫熔化成熔融狀態，然后通過細小的噴嘴擠壓并排列填充出一個截面，一層一層截面在堆疊起來形成三維實物。這種技術由全球第二大3D打印公司Stratasys提出，這個公司銷售的3D打印設備是最多的，因為價格便宜。這種技術不用激光，成本低，材料廣泛，強度較高，可以彩色成型，但是成型的精度稍差。

第四種是選擇性激光燒結（SLS）。它的特點是利用粉末狀材料，先把粉末鋪好，再用高強度的紅外激光掃描，將零件截面內的粉末燒結在一起，通過一層一層燒結，最終成型。基本材料是金屬粉末、蠟、塑料等。

3D打印與傳統制造各有各的優勢。如果大批量制造簡單的零部件，傳統制造的成本較低，速度較快。如果制造單件小批量的或者復雜結構和外形的零部件，3D打印速度更快，成本更低。有些非常復雜的結構和特殊材料的零部件，傳統制造無法完成，只能采用3D打印技術。此外，3D打印可以縮短加工流程，進行現場制造和個性化制造，從而滿足人們的不同需求。3D打印在新產品開發、整形修復、現場應急、個性化消費品等領域具有廣闊的發展前景，所以，3D打印可以替代一些傳統的制造方式，也可以促進傳統制造轉型升級，但3D打印不可能完全替代傳統制造。

中美差距有多大

以前制造汽車、手機等產品，需要經過材料準備、加工成形、表面處理等多個環節，既消耗資源和能源，又需要大量的勞動力，而且還污染環境，所以，美國等西方發達國家把這些低附加值的生產制造環節轉移到中國等發展中國家。現在情況不一樣了，3D打印的優勢是短流程，可以省略許多中間加工環節，用計算機設計出數字模型，直接就可以打印出產品。

奧巴馬形容3D打印“很酷”，為了讓3D打印扎根于美國，像谷歌一樣吸引年輕人投身到充滿樂趣的快速制造中，從而擴大就業，就提出了“再工業化、再制造化”。這樣，產品的鑄造、鍛造等加工環節就不需要放到發展中國家了，這對中國來說將產生重大影響。

實際上，目前美國在大批量生產零部件的時候，還未大量使用3D打印，而在產品研發、試制階段，已廣泛應用3D打印。隨著個性化制造、批量定制等新型生產方式的推廣，以及3D打印成本的進一步降低，中國從事非終端、低附加值生產加工的企業將會受到3D打印的沖擊。

中國與美國的差距主要是企業的實力和投入，一是企業規模小，競爭力不強；二是企業資金緊張，投入不夠，缺乏政府和資本市場的支持。國內的企業每年也就幾千萬銷售收入，只能應付研發生產和人工成本。而美國的企業無論技術、資金和市場規模都非中國的企業所能比，美國的資本運作和產業重組都已經進入3D打印行業了，中國還沒有發展到這一步。前段時間，股市中的3D打印概念走熱，純粹是炒作，許多企業根本就沒有涉及3D打印業務，甚至都不知道3D打印是什么。

國內的3D打印產業規模很小，大約3～4億元，但現在有點過熱了。如果企業和資本大量涌入，短時間內不可能產生效益。北京太爾時代生產的這款普及型3D打印機，2012年在美國賣了近3000臺，中國才賣100臺。國內的市場規模本身就不大，做創意設計和產品開發的人也很少，所以截至目前還沒多少人買這種設備。

我們希望理性投資，切實有助于提升3D打印的技術水平和推廣應用，彌補中國3D打印產業的短板和軟肋。比如材料研發、軟件開發、創意設計、商業模式創新等，而不是盲目跟風，炒作圈錢。中國在市場環境中如何更好發展，其實沒有經驗，只要找不到具體商業模式，中國企業就茫然不知所措，電子商務也是照搬國外的運作模式。

不管是政府的支持，還是資本的介入，都要找到比較好的切入點，上面說的那四個短板就是很好的切入點。政府要出臺有針對性的政策措施，一方面對3D打印的基礎研究和開發階段加大扶持力度；另一方面引導大家來使用3D打印，擴大應用范圍。

中國的3D打印產業還處于發展初期，一共才有二十多家企業，規模都較小，由于市場容量較小，這么多企業已經有點擠了。如果國家對這個新興產業進行支持，在支持技術開發的同時，扶植3D打印的市場開拓，包括3D打印的應用、服務、教育培訓等，隨著市場應用進一步拓寬，那么中國的3D打印產業將會發展壯大。

3D打印走向何方

3D打印不僅在航空航天、軍工、汽車、教育、消費品等領域有一定的應用，而且在醫療領域也取得了重要進展，可以使用醫學材料3D打印假肢、牙套、器官、皮膚、支架等，甚至可以將細胞進行3D打印。

幾年前，清華大學生物制造工程研究所就能將生物細胞進行3D打印，而且打印出的細胞還能在三維的條件下生長。這就是國際最前沿的生物制造技術，它的原理也是基于離散堆積。

以前的快速成形都是將非生命材料人工離散堆積出來，今后我們希望能像生物一樣，打印出的材料自己生長成形，這是我們的研究方向。這里面關鍵的一個因素是材料，而有生命的細胞是最具挑戰性的生物材料。把3D打印技術應用到生物醫學上，分為四個層次：

一是材料本身沒有生物相容性，不能放在身體里，打印出的模型只能放在體外。例如給連體嬰兒做分離手術前，通過CT掃描數據3D打印出個性化的嬰兒骨骼模型，幫助手術規劃和植入器件的設計，保障手術順利進行，把兩個嬰兒精確地分離開。二是永久性的植入物。材料的生物相容性非常好，不降解，可以應用到美容整形和修復。我們與整形醫院已經開展了多次動物實驗，比如治療小耳畸形的個性化耳軟骨支架。

三是組織工程化的支架制造。材料的生物相容性非常好，可以降解，而且能幫助細胞、神經等組織生長。比如骨骼斷裂了，身體哪個部位缺損，把相應的細胞提取出來附著在支架上，讓其慢慢生長，支架會逐漸降解，等長得差不多了，再放入體內繼續生長。現在用3D打印技術來制造這個支架，可以準確設計出支架結構和空隙大小，確保貫通性和營養吸收。

四是細胞三維打印。細胞與基質材料一起被打印出來后，在接近體內的三維環境里生長，可以模仿體內的生理和發病過程。我們在研究癌細胞的發病過程，只要這個模型與體內某種癌癥發病過程很接近，那就可以進行抗癌藥物的篩選。原來的方法是通過解剖、動物實驗，與病人的切片進行對比，但都是靜止的，現在用3D打印可以在體外構造這個過程。我們通過細胞打印的肝細胞三維結構體驗證了維生素C和E在酒精對肝臟的損傷過程中能夠起到保護作用。中國的肝臟患者特別多，我們的終極目標是能打印出可以臨床應用的肝臟。

3D打印是以數字化、網絡化為基礎，以個性化、短流程為特征，實現直接制造、桌邊制造和批量定制的新的制造方式。其生長點表現在：與生物工程的結合，與藝術創造的結合，與消費者直接結合。

3D打印未來有四個發展方向：一是功能部件的直接制造，例如飛機的起落架等復雜零件，這個領域的突破口主要是解決材料、標準和工藝的一致性等技術問題，市場規模可達到幾十億美元。二是生物制造，例如細胞打印、個性化的治療、組織再生、藥物篩選、制藥等。這將改變生物學和醫學的研究方式、患者的治療方式以及藥品的制造方式，應用前景很大，需要政府的大力支持。三是數字化創意，建筑、雕塑、服裝服飾、工藝品等都可以3D打印。四是桌邊制造（家庭制造），現在網絡購物的規模越來越大，以后3D打印走入家庭也是一種潮流。3D打印還將走進幼兒園和中小學校，用3D打印機打印玩具和教學模型，可以激發他們的學習興趣和創新意識。

后面的三個方向，是傳統的制造方式所無法滿足的，這可能就是3D打印的革命性意義。國內從事3D打印的人，都比較低調，一般不愿公開說革命性，避免得罪傳統制造領域的人。實際上，3D打印與傳統制造不是有我沒你的完全替代關系。作為一種新技術和新工具，既可以與傳統制造相互融合和互補，也能像哥倫布一樣發現新大陸，開發出新的天地。3D打印成為未來的主流制造，從數量上來講，十年都不太可能，但它可以融入到各個行業和領域，可以走進人們的工作和生活中。

3D打印能給人以無限的遐想和創造發明的激情，使人們的生活更加美好。但3D打印走入尋常百姓家，最關鍵的是數據，畢竟設計數字模型還是有難度的。美國有一家網站，你若買它的實物手機殼，只需花費35美元，如果你下載這個網站上的手機殼數據，自己打印，那需要1500美元。因為你下載數據后可以打印好多手機殼，它寧愿便宜地賣手機殼，也不愿讓你下載數據。

這需要創意設計知識產權的保護和相關技術的保障，如果你下載數據后只能打印一兩個產品，數據無法復制盜版，那這個數據的下載費用就能降下來。這將發展出一種新的商業模式，一些專業人士就會以數據為生，從事創意設計，然后把數據放到互聯網上出售。

開啟社會化制造新時代

專訪長城企業戰略研究所所長王德祿

文/本刊記者 牛祿青

人類經歷了兩次工業革命，在實現機械化、規模化、城市化的同時，也帶來了能源危機、環境污染、交通擁堵等諸多問題。隨著互聯網的普及以及智能軟件、新材料、機器人、3D打印等新技術的應用，第三次工業革命呼之欲出。特別是3D打印，被寄予極高的期望，不僅受到國內外資本市場的熱烈追捧，而且引起了政府、科技、企業和投資界的高度重視。

已有20多年的3D打印為何現在突然“躥紅”？它對經濟和社會發展到底能產生多大影響？對中國這個制造業大國來說，是機遇還是挑戰？中國如何應對呢？為此，本刊記者專訪了長城企業戰略研究所所長王德祿。

革命意義

《新經濟導刊》：2012年以來，3D打印在全球急劇升溫，人們對3D打印的發展前景存在爭議。英國《經濟學人》雜志把3D打印技術作為第三次工業革命的重要標志之一，有人則認為影響有限，減材制造依然是主流。您對此怎么看？

王德祿：對于第三次工業革命，目前比較主流的看法來自美國未來學家杰里米？里夫金。他認為，接下來的半個世紀里，集中經營活動將被第三次工業革命的分散經營方式取代。未來將是社會化協作、分布式能源和行業專家、技術勞動力為特征的新時代。

在第三次工業革命中，產業鏈條的關鍵進一步轉移至研發設計等環節，制造環節將被壓縮至“一步實現”。除3D打印外，機器人技術、人工智能技術、納米科技、新材料、新能源等技術也將是第三次工業革命的重要組成部分。而3D打印則被譽為是“第三次工業革命最具標志性的生產工具”。3D打印技術極有可能和互聯網一樣深入到我們生活工作的任何一個角落，會在第三次工業革命中產生巨大的推動作用。同時，應當強調的是，3D打印并非第三次工業革命的全部，掌握了3D打印技術是在第三次工業革命中取得領先地位的必要條件而非充分條件。

3D打印機在第三次工業革命中的地位，正如PC之于信息行業。對比信息行業的發展歷程，工業用快速成形機相當于20世紀60年代的專用和大型計算機，而民用3D打印機則是20世紀70年代的個人PC和蘋果臺式計算機。3D打印技術會滲透到許多領域，并衍生出許多原創產業，如皮膚打印、3D打印設計和服務平臺、消費品定制等。就像蒸汽機發明以后，不僅僅是蒸汽機產業本身，還滲透到許多行業中，這也是它的革命意義。

目前，3D打印產業尚處于產業導入期，全球競爭剛剛拉開序幕。我國在技術水平與國外相比落后不多，具有極大的趕超可能。同時，智能軟件、新材料、靈敏機器人、新的制造方法將形成合力，產生足以改變經濟社會進程的巨大力量。

《新經濟導刊》：3D打印技術早在20多年前就已經存在，只是稱呼不同，當時叫“快速原型技術”，后來叫“快速成形技術”、“增材制造”。為何一直默默無聞的3D打印，現在突然熱了起來？

王德祿：3D打印之所以火起來，直接原因是由于去年奧巴馬宣布把3D打印技術作為國家戰略。國際金融危機后，美國希望實現制造業復興。因為過去十年美國制造業下滑太快，產業工人越來越少，但可選擇的亮點太少，經過比較，覺得3D打印與智能機器人、智能制造可以提振自己的制造業，像“救命稻草”一樣。3D打印的升溫和崛起，根本原因是受到個性化需求的拉動和產業發展環境的不斷完善。

任何一項新技術的普及和應用都存在產業環境和配套技術的門檻，3D打印也是如此。3D打印技術的廣泛應用是基于互聯網服務、虛擬現實等技術的廣泛應用。近十年來，由于信息技術的飛速發展，三維成形、3D設計軟件等配套技術的不斷普及和簡化，使3D打印上游環節的專業化設計被服務化，一般設計人員和普通百姓也可以便捷地操作3D打印機。

此外，同質化的生產已不能滿足未來用戶的差異化需求。在新經濟的發展過程中，通過持續的科技創新和勞動力水平提升，面向人們基本生存需要的農業和制造業的占比日益降低，滿足人類更高層次需求的服務業愈發重要。隨著生產力水平的提升，人們開始在集約生產帶來的同質化消費之上，追求更高層次的個性化、定制化消費。新媒體、社交網絡滿足了人類在精神層面的個性化需求，而3D打印正是實現物質個性化的最佳解決方案。

第二次工業革命的成果和特征在其發源地美國的體現最為明顯。作為“美國夢”的組成要素，批量生產的汽車、批量建造的房屋、全國同時收看的電視和遍布各地的沃爾瑪以高效的集約化生產和低廉的價格，向所有人提供同樣的產品和服務。批量生產降低單位成本的同時，也使得消費趨于同質化。這對滿足人類的基本生活需要自然毫無問題，但在衣食住行已經基本滿足的時代，人類開始追求更高的目標：諸如實現自我價值，追求與眾不同的生活等等，每個人的需求在這一層次體現出充分的差異化，絕非某種成本導向的大批量制造產品所能滿足。“我只生產一種汽車，就是T型車，只生產一種顏色，就是黑色”的時代已經一去不復返。

互聯網技術也為產品信息的傳播奠定了基礎，隨著3D打印技術的逐漸成熟和新能源的普及應用，社會化生產的優勢將逐步凸顯。未來產品信息的傳播將取代物質的流動，眾包設計、短流程生產將成為未來制造業的兩大顯著特征。3D打印技術事實上是一種介于第二產業和第三產業之間的“2.5產業”，能夠在產品的制造環節融入服務的功能，使工業產品高度定制化、個性化。可以預見到，3D打印的“制造+服務”模式會改變人類現有的生活方式。

《新經濟導刊》：目前，3D打印技術主要應用于哪些領域？您對國內哪些地區的3D打印產業發展前景看好？

王德祿：目前來看，3D打印技術主要面向非批量生產市場，也是傳統制造業的“軟肋”所在，如快速模型、假肢、航空結構件等，對傳統制造業起到了極大的補充和提升作用。在非批量制造領域，3D打印已經取得明顯優勢。可以肯定的是，3D打印至少在非批量的產品制造領域具有明顯優勢，不僅能夠節約時間成本，經濟效益也十分顯著。

如果傳統制造業是資源驅動，那么3D打印主要靠創新驅動。未來，創新能力較強的地區將成為中國3D打印的高地，如北京的中關村、武漢的東湖、深圳、義烏等。中關村、東湖、深圳創新創業資源高度密集，創業環境十分友好，是原創產業最好的孕育地，更是我國將3D打印打造為原創產業的最佳載體。尤其北京市具備在全國率先發展3D產業的優良基礎和引領全國的發展潛力。

而浙江義烏作為全世界擁有商品種類和數量最多的城市，是我國工業產品高度多樣化的代表，也是消費者對個性化產品需求的直接體現。3D打印能夠大幅節省義烏中小企業新產品研發的時間和資金成本，從研發環節上大幅提升傳統制造業的競爭力。

迎難而上

《新經濟導刊》：我國已經成為全球第二大經濟體，也是一個制造業大國，3D打印技術對我國傳統制造業轉型升級和經濟社會發展將產生哪些影響？

王德祿：3D打印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等多方面的前沿技術，具有很高的科技含量，引發的制造業革命對中國尤為重要。作為制造業大國，中國應該比歐美更重視3D打印，不能在新經濟時代被邊緣化，應該轉變觀念，順勢而為。

在全球制造業由集約生產向分布式生產演變的浪潮中，我們需要把握產業發展大勢，借助3D打印實現我國制造業整體水平的提升，掌握未來產業鏈高端環節，實現“中國制造”的新生。

第三次工業革命為我國加快結構調整和發展方式轉變帶來了重要機遇，為突破資源環境約束創造了有利條件，也為我國工業提升國際分工地位形成新的契機。但是，其形成的新技術浪潮將對勞動密集型產業帶來較大沖擊，一方面對支撐我國工業發展的制度安排帶來挑戰，另一方面也對工業企業的轉型升級提出了緊迫要求。

短期內3D打印技術將從研發、設計和生產模式等方面，給傳統制造業帶來提升和沖擊：一是產品推向市場的時間將縮短。借助于3D打印在快速成型領域的應用，產品的設計和研發周期都將明顯縮短，迅速推出新產品將成為未來企業的必備素質。

二是未來的產品性能將更為優化。產品制造的門檻降低將導致更多競爭者涌入市場。同時，3D打印技術參與到制造過程將能夠使產品變得更輕、更小、更堅固、更少機械連接并且更加易用。

三是開放式設計將成為可能。在產品設計環節，廠商與最終用戶的溝通將更為頻繁、更為可行，用戶的參與意愿將得到充分滿足。這些開放式設計的產品將比傳統產品更具競爭力。

四是定制化更為普遍。由于創新型企業在較低的成本下借助于3D打印和其它快速成型技術實現了定制化生產，客戶的期望將隨之提升。定制化生產將成為一種常規模式。

五是分布式生產的挑戰。集約化、批量生產的價格優勢將有可能被3D打印更接近客戶、更貼近需求、更即時的優勢抹平。用戶將有可能在放棄價格優勢的同時收獲更好的購買體驗和使用體驗。

目前，美國不僅積極發展新能源、能源互聯網，甚至還鼓勵制造業創新和回流。第三次工業革命不僅影響到產品的生產方式，還將影響到產品的生產地點，一些制造業回歸美國是必然，如果再加上第三次工業革命這種技術手段的疊加，中國國際競爭力提升將面臨巨大挑戰。錯失第三次工業革命的良機，中國將陷入被動境地，制造業也會衰落。相關部門一定要在理論研究、政策設計、輿論引導等方面做好準備，積極投入第三次工業革命中，采用新技術確保我國制造業的國際競爭優勢。

并非所有人都能從產業革命中獲益，每次產業革命總會使一部分群體利益受損。正如18世紀的英國，第一次工業革命中曾有工人認為是機器搶走了他們的飯碗，從而引發“盧德運動”；鐵路的興起導致了運河的衰落；信息技術的深化導致了極為普遍的失業——信息化對組織效率的提升極大，使精簡人員成為必然。

面對第三次工業革命的沖擊，任何試圖以傳統生產方式與新技術競爭的行為都將是徒勞的。我國企業必須加深對即將到來的產業革命的認識，積極應對新技術的挑戰。包括認識到3D打印對于產品研發的重要提升作用、對產品性能的優化作用、開放式設計、定制化生產等的可能性。在第三次工業革命逐漸滲透的過程中，企業核心競爭力的構建重心將發生轉移，人力資源和自然資源的價格對企業競爭力的影響將大幅減弱，商業模式和業態創新能力、對市場需求的理解和產業組織能力更應該被重視。

《新經濟導刊》：經過20多年的發展，中國在3D打印技術應用和市場規模上依然滯后，您認為推進3D打印技術產業化，需要解決哪些問題？

王德祿：從整個3D打印產業鏈來看，我國在理論和應用的前沿與國際水平差距不大。但恰恰是在技術實現環節存在較大缺陷——機電技術本身就是我國的技術短板，3D打印所涉及到的精密激光器、光學系統、精密導軌和電機等均需從國外采購，嚴重限制了產業發展。

3D打印的共性技術需要國家投入重點突破。在桌面級3D打印機設計中，如何讓噴頭順暢、穩定地出絲，如何提高精度，如何增加可打印材料的多樣性等，工業級3D打印機的材料、微滴噴射技術和激光技術，這些技術障礙如果全部由某家企業自行投資研發，其成本和風險都是難以承受的。而如果各自為戰，未來又將面臨集成創新的高成本。在發達國家，這些共性技術的研發主要由國家支持的研究所負責。我國3D打印企業目前規模均較小，產業聯盟成立不久，尚無實力和資源攻克這些限制產業發展的關鍵技術，因此需要國家引導投入、重點突破。

產業鏈整合是國家競爭力形成的關鍵。除上述基礎技術和共性技術外，最終產品的形成依賴于企業的集成創新能力。目前我國企業或處于創業階段，或由高校管轄，均缺乏資源整合能力。而美國3D System公司已經完成了數次并購，從橫向的技術覆蓋面和縱向的技術鏈條均具備了相當的實力。相比之下，我國企業在集成創新能力和潛力上已經存在較大差距。在未來3D打印產業進一步細分、專業化、規模化的過程中，需要有能夠強力組織產業資源的聯盟或龍頭企業，實現資源的集聚和整合，在共性技術研發、中試、標準推進等方面發揮作用，實現更大范圍內的產業協同，才能在未來的全球競爭中獲得一席之地。

新材料產業之所以成為我國工業體系中長期存在的短板，與其自身產業特點是分不開的。在基礎研發階段，需要多學科交叉配合，對研發資源的需求呈現多樣化的趨勢，下游裝備制造業、航空航天、能源科技、信息產業對材料的需求不斷演化提升，而新材料技術創新的周期達5～10年，遠比一般技術要長，從而導致了我國新材料產業長期處于追趕階段，基礎研發和產業化無法對接，對下游產業支撐乏力。

因此，應提高對新材料產業的前瞻性認識，將發展新材料產業的立足點從滿足當下產業需求拓展到未來10～20年的產業需求，在基礎研發層面加大投入，提高前瞻性布局所占比例。

此外，政府支持3D打印等高新技術產業發展應吸取過去的前車之鑒，切實轉變政府職能，要出臺政策、創造環境引導市場發展。在前沿領域，政府應大力支持高校和科研院所的基礎研究，在應用領域，要大力支持企業的產業化發展，而不是讓政府直接給企業投錢，也不是政府指條路，自己披掛上陣，或直接干預市場，限定技術路線。

（祁鳴、張天龍對本文亦有貢獻）

打印技術的先進應用

編譯/辛妍

用3D打印機打印實體就如同打印一封信：在電腦上點擊打印按鈕，一個數字文件就會被發送到打印機上，噴墨打印機會在紙上沉積一層油墨，形成一個2D的圖像。然而在3D打印中，借助計算機輔助設計，軟件將模型進行一系列的數字切片，并將這些切片的描述發送到3D打印機，它會一層一層地添加連續的薄圖層，直到一個實體出現。最大的區別就是，3D打印機用的“墨水”是材料。基本上，任何可以擠壓、熔化或者可以加工成粉末的材料，都可以用來打印，比如塑料、金屬或一些復合材料等。

幾種常用的3D打印技術的工藝過程包括光固化（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）和熔融沉積成型（FDM）等。它們的共性是都具有在世界上任何地方制造定制產品，尤其是復雜幾何形狀的實體的能力。

目前最常用的3D打印技術是光固化，包括行業領先者Stratasys在內的許多公司的3D打印機都采用這一技術。該技術可以使用包括樹脂在內的廣范的材料制造最精確的細節部件，因此通常用于制作高精密的展示形式的擬合模型。

選擇性激光燒結可以用于生產各種規格的金屬部件，包括由航天級鈦制成的組件。德國的EOS公司和剛剛被通用航空收購的MorrisTechnologies都使用了該技術。也可用于生產尼龍的一次性部件給汽車、跑步者、滾筒等使用。

選擇性激光熔化能打印金屬如鈦、不銹鋼、鉑，甚至是黃金，制作出的部件與傳統鑄件一樣好，因此在珠寶業和航空航天業的應用增長迅速。常見的打印金屬的3D打印機只能打印網球大小的實體，雖然有些機器可以打印到鞋盒大小，但非常昂貴，這在一定程度上局限了該技術的應用。

熔融沉積成型使用真正的工程級塑料，如ABS、聚乙烯、尼龍等，生產出的部件與機械加工或者注塑模具生產的部件強度相當，顏色相同，惟一不同的是表面光潔度。

隨著材料和工藝過程的改進，3D打印迅速發展，并被廣泛應用于各個專業領域，特別是在汽車、航空航天和醫療：福特公司的工程師的辦公桌上早就使用了MakerBot公司的各種產品，美國國家航空航天局的設施中遍布著Replicator2打印機，牙科醫生用它來制造模具等等。作為MakerBot公司的首席戰略官，Jenny Lawton女士認為，下一個階段，也就是在今年將出現的情況會是3D打印設備在消費者家中擴散。下面列舉一些3D打印的先進應用：

醫療

3D打印技術在醫療上應該會有很多應用。3D打印能制造專門適合某人身體的定制部件，而這可以是所有的部件。有些研究人員已經用3D打印機生產出了簡單的活體組織，如皮膚、肌肉和血管的短延伸。更大的身體部件，比如腎臟、肝臟、甚至心臟，都有可能在將來被打印出來。如果生物打印機可以使用患者自身的干細胞打印器官，那么就可以減少移植后產生排斥反應的可能性。

2011年，一名荷蘭女子成為世界上第一個使用3D打印技術制作的鈦下頜骨的患者。這不僅節約了原材料成本，同時新方法將手術時間從20小時降到4小時，明顯降低了手術成本。更重要的是，該技術的應用對患者本身有利，因為用的是一個完全量身定做的部件。大大減少的麻醉（這在患者非常年輕或者年老時都要考慮）有助于加快恢復速度，同時也減少了感染的可能性。

2012年8月，維也納技術大學的研究人員開發出一種創建具有特定的化學或生物特性的微米尺度的3D結構的方法，并以此為基礎制作出了能夠快速打印微米大小的實體的3D打印機。研究人員現在正在研制生物相容性樹脂，用它可以生成能讓活體細胞依附的支架，從而實現系統性生成生物組織。

2012年11月，WakeForest再生醫學研究所的科學家們已經創建出了一臺混合3D打印機，它可以創造可植入的人體軟骨。

2013年2月，赫里奧特-瓦特大學的研究人員首次使用3D打印排列了人類胚胎干細胞。這些打印出的干細胞具有高存活力，大小完全相同，并且維持了多能性，即具有分化成其他細胞類型的能力。這一進展對體外藥物開發和毒性測試至關重要，它可能會加速藥物測試過程。長遠來說，隨著該技術進一步發展，將能夠從患者自身的細胞中生成可用的3D器官，從而實現按需提供移植器官。

2013年2月，美國康奈爾大學的生物醫學工程師和康奈爾大學威爾醫學院的醫師們運用3D打印和高密度的注射用凝膠制成了人造耳朵。整形外科醫生可能可以用這一成果幫助那些出生時就患有先天性小耳畸形的孩子。新耳朵也可以幫助那些由于意外或者癌癥而失去了部分或者全部外耳的人。如果所有的安全性和有效性測試成功的話，人造耳最早可能在三年內就進行第一次人體植入試驗。他們早在2012年就已經制成了膝蓋軟骨、半月板，目前正在研制的有脊柱磁盤和心臟瓣膜，而將來的趨勢是制作越來越復雜的器官。有報告說腎臟已經被打印出來了，至于肝臟，可能還需要一些時間。

航空航天

2012年3月，Stratasys公司和Optomec公司完成了為具有功能電子的無人駕駛飛機模型聯合開發的智能翼項目。該項目將3D打印和印刷的電子合并起來，創建了世界上第一個完全打印的混合結構。這一項目的完成將有可能改變包括醫療設備、消費類電子產品和航空航天等領域的產品開發。Stratasys公司直接數字制造的副總裁Jeff DeGrange表示，“匯集3D打印和打印電子電路將會改變設計和制造的游戲規則。它有可能只需要更少的材料和步驟來完全簡化生產，將產品推向市場。”

2012年5月，總部設在芝加哥的Sciaky公司開發出了電子光束直接制造技術。使用該3D打印技術取代鍛造，可以降低F-35聯合攻擊戰斗機中鈦結構件的生產成本。

2012年11月，南安普頓大學的研究人員用激光燒結尼龍打印出了無人駕駛飛機。

個人消費

2012年10月，西英格蘭大學精細打印研究中心的研究人員稱，古代埃及技術中使用的材料可能很適合在3D打印中制作陶瓷餐具原型。目前的項目在理論上為打印單發射、上釉的陶瓷對象提供了可能性，這是用基于目前的技術無法實現的。無疑，古埃及人的材料會減少當前陶瓷業打印原型所需的時間。

2012年11月，華威大學的研究人員研制出了一種簡單廉價可用于3D打印機的導電塑料復合材料（由溶解在晶型塑料中的碳粒子形成）。該材料的研制成功將有助于降低3D打印機的成本。將電子軌道和傳感器作為3D結構的一部分，他們團隊已經可以完全用新材料制作出計算機游戲控制器。

你現在還買不到，但是MIT的美食“The Digital Chocolatier”已經通過印制一層層的糖果制作出了可口的美食。康奈爾大學也在通過它的名叫Fab@Home的多材料3D打印機進行打印食品的研究。

其他

2012年4月，德國卡爾斯魯厄理工學院研發了一種新的3D打印方法，目前可以打印出分辨率為65納米的聚合物，并有望很快達到30～40納米，最終目標是10納米。這一方法為大量的新的超級材料開放了路徑，該界限可以開發利用各種各樣的現象，如超材料隱形原則等。

3D打印的先進技術及應用已經滲透到越來越多的領域。隨著3D打印技術在打印尺寸和打印精度上的發展，3D打印必將越來越多地應用到更多的領域，離我們的生活越來越近。