解析3D打印

林 峰 清華大學機械工程系 教授、副系主任

張人佶 為清華大學 機械工程系 教授

盡管有輿論和政治力量的推助，

3D打印的商業化仍在起步階段，尚不明朗。

就技術本身來說，目前極為熱門的3D打印技術誕生于1980年代。其價值是在成形學角度上，以增材成型突破了原有的去除成型和受迫成型。

缺削，磨削，洗削等冷加工手段主要采用去除成型：做出一個毛坯，然后通過加工，把余量去除。受壓迫成型的方式主要指熱加工，比如說鑄造，把鋼水倒進一個型腔中，凝固成型；鍛造則是給模具施加壓力，使它在磨腔里成型。

但就在1980年代中期，增材成型的研究有了突出成果，就是把材料一點一點增加，在增加的同時成型。這方法并非憑空而來，而只有在這個時期，才獲得重視。后來，無論是成型技術，還是增材成型技術，都產生了很多方法，但到目前為止，增材成型也不是個主流的制造技術，其產值也有限。

但是，為什么在2012年如此熱門，主要有兩個原因。首先，這年4月，英國Economist封面文章，提出3D是第三次工業革命的重要的發展基礎。其次，美國政府反思經濟問題，認為危機原因在于過于重視金融業的作用，而致使其國內制造業空心化，據此，美國總統提出要振興制造業，其中一個創新性技術，便是3D打印。

盡管有輿論和政治力量的推助，三維打印的商業化仍在起步階段，尚不明朗。就商業打印來說，在建筑設計行業已有一些應用，但大規模的應用，在國外的發展也是有限的。美國2011年的3D打印市場規模約為17億美元，中國最多一兩個億。

不過，就未來發展潛力來看，這會是個很有活力的產業。航空業、生物智能研究領域，都蘊含極大的發展空間，個人消費者層面，個性化的創意應用也有不可限量的前景。

祛魅3D打印技術

事實上，無論是傳統的制造技術，還是創新型技術，都要走上數字化制造的發展道路，即信息技術和計算機技術相結合。但是，相比之下，以3D打印為代表的增材成型制造，對于數字化的要求更高一些。

這主要體現在，打印開始前，需要在計算機對所設計的三維實體進行數字處理，形成成片型，被輸送到3D打印的設備中，而在設備中，讓這個材料承接一層，對接一層，接著第二層數據來了，再對接第二層，就這樣層層對起來，即是所謂增材制造。整個過程必須依靠數字化來實現。

與傳統的噴墨、點陣、激光打印技術相比，3D打印更加容易大眾化。經過計算機技術30年的發展，個人電腦和打印機已相當普及。3D打印的操作，只是2D打印的升級，一般人便于掌握，這利于未來的普及。

而且，我們現在講的3D打印，已經是一個比較寬泛的技術了。舉個例子，通過一個噴頭把高分子材料的絲加熱，使它熔化，然后再使它層層堆積出來，最后得到一個三維的連接。這個設備如今的體積已縮小到普通打印機大小，它也叫3D打印。

有一種較早的技術，把一層一層的紙卷用激光或道具切割邊緣，背后有膠，可跟前面粘上，也可形成堆積。但它運用得很少，為什么呢？是材質問題導致的，因為紙吸濕后會變形，發粘。所以，我們在最新的亞洲制造論壇上展覽了一臺設備，用塑料薄膜代替紙張，一層一層粘起來，也是切割。那臺設備比打印機大不了多少，也可叫做3D打印。

因此，3D打印逐漸就變成了“增材制造”這個方法的統稱了。

由于3D打印和數字化關系密切，版權問題必然敏感。

網絡下載數據的價位很高，比如Apple的手機殼，直接購買最多不過數十美元，但下載數據需要好幾千美元。數據是一個瓶頸，家用市場不解決數據問題，難以大規模推廣。

同時，目前在相關版權方面沒有規定。3D打印設備在技術上做不到專有的指定性，一個設備，隨便配個網卡也可安裝軟件，盜版問題是難以避免的。若不是整個行業來對待這個事情，恐難有改觀。

傳統上，學習機械設計、制圖都要有一個繪圖板、筆、尺，把腦子里的設計呈現出來，這是二維的設計圖。現在，由于計算機技術的發展，和機械制造相關的CAD技術——計算機輔助設計已經變為三維的。這個軟件技術二十年來發展非常快，已經有很多商用的三維CAD軟件，功能強大，在國際上通用性很強。

于是，3D打印的設備接口，要和商用的CAD軟件接口相匹配。三維設計圖是數據形式的，這樣一來，只要用眼睛記住產品，再用電腦進行設計，抄襲是很容易的。尤其需要申請專利保護。但另一方面，一些數據，怎么保護呢？

也許，從一開始，數字化的版權保護就比較困難，但也因此非常重要。

此外，對知識產權的鑒定也涉及商業模式問題。比如以前音樂產業是建立在樂隊合同的價格基礎上的，數據成本下不來。但iPhone開創了以單筆下載費用低、靠下載量凸顯價值的方式，這相當于降低數據成本。

商業化進行時

中國3D打印市場環境，有其獨特之處。和美國相比，體制上較欠缺，技術重復，競爭激烈，質量沒提高，先上抬價格。此外，就學術研究來說，目前國內缺乏學科間的交叉。我們都是搞機械制造的，但這行業的一個關鍵是材料。還有，在關鍵的零部件質量上有差距。整個系統不太完整，學校做了很多產業化的事情，恰恰說明研究不夠深入。在資金轉換、持續投入、產品的穩定與擴展性等方面，都和國外有差距。

而從技術上來看，我們和美國的差距主要體現在技術深入的層次上。同樣的技術，我們做出來的精度和質量不如對方。

當然，國內的情況也并非一無是處。20年來，應該說是有一定基礎的。在技術上也有突破，當然這種突破是工程性上的。就是說，解決這個問題，各種各樣的嘗試做出來，但沒有從理論上去歸納總結，也沒有進一步把技術訣竅總結成真正的規律。

如果要說，中國比美國要強的地方，應該是我們國家發展速度快，應用領域潛力更大。

1990年代末，快速成型技術在國外風靡，可直接做出金屬零件，大批量生產還是得用模具制造。而3D打印技術適合小批量的關鍵零部件的制造，且采用高性能材料。其實這種能力對提升中國制造業非常迫重要，肯定是要國家大力支持的。

但在商業化的路上，3D打印還有較長的路要走。國家支持是一方面，真要做出整個過程，材料、增材過程、質量控制就需要非常嚴格。

另外一點，未來的3D打印產品要開辟市場，也需轉化為可大批量生產的桌面型設備。1978年，一臺電子計算機在一個數百平米的房間里，其性能也就相當于現在一臺高性能筆記本。大批量生產能夠降低成本，但也意味著激烈的競爭。這方面需要一些創新的模式，如果還局限在手工作坊式的拓展方式，不可能應付未來的局面。

因此從商業上，很可能留下的時間不多，國外公司一個產品性能突破了，價格會迅速降下來，接下來，如果能積極籌措資金，引進人才，因而培養商業模式，這樣中國公司就會喪失生機。我們的三維CAD軟件起步時間和美國近似，但我們現在卻賣不出多少產品，這個軟件市場被國外品牌主導。

我們國家現在對3D打印非常重視。設立了中國3D打印產業聯盟，而實際上北京市也有一個3D打印技術產業聯盟，兩個聯盟連名字都一樣，做的事也一樣，但是興奮點不一樣。這種事情都是要解決的。如果參加產業聯盟的人，抱著互相刺探情報、同床異夢的想法，那么還是達不到聯盟作用。國家需要在這方面進行統籌安排。

怎樣迅速培育中國的3D打印市場？其實和中國制造業面臨的問題相似。進入個人消費領域、家庭消費領域，成為桌面設備，這是國際公認的廣闊市場前景。

個人消費者市場，現在的瓶頸首先是國內搞創意的人較少，另一個瓶頸是家庭應用時數據有限，即便家里有臺3D打印機，想做一些東西，首先遇到的問題就是沒有數據。

其實，中國的職業教育非常需要3D技術的普及。我國對職業教育需求量很大，用適當的方式讓他們更好地掌握三維軟件，才能適應未來制造業數字化的需求。為了提高學生的興趣，我們可以用3D打印設備支持他們進行機械設計大獎賽。通過設備打印零件，把他們自己的創意表現出來，這個比賽吸引了很多人，也引起了教育部門的重視。美國的一個大學已經把3D打印的技術引到教學中，在創新設計領域進行工作。

此外，3D打印在科研上會發揮更大力量。我們目前在進行生物制造的研究，用的材料不是一般材質，而是生物材料，和人體健康息息相關，與再生醫學、人體修復等關系密切。甚至，我們把細胞也看作一種特殊的生物材料，細胞參與了堆積的過程。在國外，也非常重視這種半科幻性質的探索，但實際上很可能是正在發展的前提，人體器官是3維的，如果可以打印，將能夠解決人類健康很大的問題，但這條路很長，涉及到生物的3D打印要比其他制造業的3D打印更難，因為細胞存活是個關鍵問題。

綜上所述，3D打印將在四個方面有長足發展：關鍵金融零部件制造、傳統快速成型制造、結合個人消費的桌面型原型制造，第四則是與生命科學的結合。這四個方面每個都不同，但真正能商業化，將來很可能看到奇跡。