3D打印——從虛擬到現實的理想捷徑

徐志磊

專家名片：

徐志磊，中國工程院院士。曾任中國工程物理研究院總工程師，現任中國工程物理研究院專家委員會委員、研究員。他是我國核武器工程設計專家，對我國第一代核武器和新一代核武器的設計和制造作出了重要貢獻，曾獲國家特等獎二項、國家科技進步二等獎和首屆中國工程科技獎。

3D打印技術雖然早在20年前就已經起步研究，但直到近年才被頻繁提起，成為了一個熱門科技名詞，為什么？因為隨著近年來計算機技術和網絡技術的不斷發展，3D打印技術才越來越接近“想要什么就打印什么”的設想，才真正展示出這項技術的價值。美國之所以提出“3D打印”是“第三次工業革命”的重要內容，就是因為看到了3D打印技術的價值——它能實現制造業從大規模生產向個體生產的轉變。習近平主席、李克強總理也曾表示，要大力扶持和發展3D打印技術。

什么是3D打印技術

3D打印，又稱增材制造（AM），被譽為“一項將要改變世界的技術”。

3D打印的制造技術與傳統的制造技術是完全不同的。從石器時代到青銅時代，再到鐵器時代，直至現在的“硅材料時代”、“納米時代”，簡單地說，傳統產品的制造都是先制造一個毛坯，然后把制造材料（鐵、銅等）放入鑄具制造而成。在精制的過程中，人們需要在許多原料上進行“雕刻”，把需要的部分留下，不需要的部分丟棄，這種制造方式是對資源的極大浪費。而3D打印技術則是把原材料變成粉末、液體，在計算機的控制下，“只噴出需要的部分”，完全不損失原材料，生產技術存在著革命性的改變。

圖1 3D打印制造流程與傳統制造流程對比圖

圖2 3D打印的基本原理

形象地說，3D打印就是2D打印沿著高度方向逐層疊加，形成一個立體的幾何圖形。首先，要在計算機中輸入詳細的數據，設計3D模型。然后，計算機自動將3D模型的數據進行分層，就像人們檢查身體做CT掃描一樣，形成N個單層圖像。最后，3D打印機根據這些分層圖像數據，一層一層將材料疊加上去，形成一個立體物品。

回顧3D打印技術的發展歷程，雖然短暫，但發展速度極快。1980-1990年，是3D打印的誕生階段。美國人霍爾從模型快速制作的需求出發，創新了“快速成型”技術。1991-2000年，3D打印技術進入了快速發展階段，衍生出了SLA立體光固化成型、SLS選區激光燒結成型、FDM熔融沉積制造、LCM分層實體制造、3DP三維打印等技術。2001-2009年，3D打印領域進入了工業應用與技術標準形成階段。在工業應用上，3D打印技術覆蓋了產品設計、研發和制造的全部環節。2009年美國ASTM成立了F42專委會，將各種快速成型技術統稱為“增材制造”技術，在國際上取得了廣泛認可。2010年以后，3D打印技術已經進入了普通百姓的話題，而3D打印的成果更是被推廣應用到各個工業領域——航空航天、生物醫療、個性化消費、注塑模具、再制造……新興增材制造技術也已經細分發展出各個更精確的技術領域，如金屬零件增材制造、微光固化成型、高精密數字化光成型、數字化材料3D打印等。

3D打印技術的獨特優勢

3D打印技術的優勢，可用四個字來概括，就是“快”、“柔”、“廉”、“綠”。

“快”：數小時至數十小時就能完成一件個性化定制的模型（零件、產品），完全不需要浪費做模具、準備板材等復雜過程的時間。

“柔”：不是軟的意思，而是柔性化、適應各種需求的意思。“不怕做不到、就怕想不到”，只要你能設計出3D數字模型，3D打印機就能幫你打印出實體成品來。

“廉”：3D打印因為其短流程、低人力成本、無模具的特點，在簡化生產過程的同時，勢必可以降低生產成本。然而目前，3D打印由于耗材成本較高，制造一個零件的成本仍然不低，但隨著技術的發展、耗材的創新，勢必能將3D打印使用費降下來，讓它成為一個真正廉價又快捷的生產技術。

表1 3D打印典型技術種類優缺點對比

“綠”：綠色制造的核心在于“省材、節能、降耗”。在傳統制造業中，人們需要準備超過所需量的原料來打造毛坯，然后將毛坯切割雕琢至想要的狀態，在這個過程中，大量原料變成了“邊角料、廢品”而被浪費掉。而在生產過程中，一些需要高溫鍛造的工業制品往往要用到高大的鍋爐，這需要大量燃料與能源支持。使用3D打印，將大大避免這些浪費。

3D打印技術的實用化能力

目前，現有技術在實用化方面所具備的能力主要包括以下幾個方面：

第一，能夠快速打印產品原型或模型。這是3D打印出現20多年以來，一直深入研究的基本功能。由于耗材的限制（主要為塑料類材料），在工業上多用來打印“模型”，而非“原型”。打印出塑料模型之后，工廠可以將模型直接進行翻模、鑄造，繼而投入生產。

第二，能夠快速打印非金屬工程零件。即直接用塑料（聚合材料）打印工程零件。

第三，能夠快速打印金屬功能件或結構件。簡單地說，是直接用金屬粉末打印立體模型。比起用塑料或者蠟耗材，金屬粉末的熔合與控制要復雜得多。

第四，能夠快速打印醫用品植入體內。未來，人體的骨骼、皮膚、肌肉都有可能采用3D打印技術進行“制造”。以牙齒打印技術為例，現在，這項技術已經比較成熟地應用于醫療領域了。用PPEK這種特殊材料打印的結構，不但強度好，更與人體有良好的相容性，可以安全地植入肌肉和骨骼。而每個人都具有不同的骨骼形狀、結構，只要結合三維掃描技術，就能精確地制造出牙齒、骨骼等100%適用的植入體。

第五，能夠快速打印復雜砂型鑄模。由于3D打印的特性，將大大改進復雜砂型鑄模的制造過程。

第六，能夠快速打印復雜精密蠟模。這項工藝目前越來越多地應用于航空發動機的葉片制造。

新產品開發領域是3D打印技術最廣、最早的應用領域。在新產品的研發制造中，通常生產成本的80%是在設計階段產生的。設計階段是控制成本的重要環節，一流企業在產品設計早期，就會使用3D打印設備快速制作足夠多的模型用于評估，不僅節省了時間，而且增加了設計缺陷被篩查出來的概率。

在軍事國防領域，有一句玩笑話，是這樣的：“沒有槍沒有炮，3D打印給我們造。”雖然是一句玩笑話，卻真實地反應出了3D打印在變革武器裝備研制模式上的貢獻。有了3D打印技術，武器的研制已集概念設計、技術驗證、生產制造于一體，顯著縮短武器研制周期，加速裝備更新換代。另外，還能顯著降低武器研制成本，大大提升材料利用率。舉個例子，殲10戰斗機的研發周期達到10年之久，而殲15的研發周期卻縮短到了3年。

在航空航天領域，許多結構復雜、精度要求高的零件早就開始使用3D打印技術生產。比如渦輪發動機的葉片，使用3D打印技術完全制造出來的具體時耗為：3D加工成型需要6小時44分鐘，熱處理需要19小時，拋光和機械加工需要6小時，合計需要花費2-3天完成一個成品。但傳統加工時間卻需要整整12周。另外，3D打印生產渦輪葉片的成本比傳統技術降低了80%之多。

在生物醫療領域，雖然近年來頻頻爆出3D打印可以制造人類的血管、肝臟等器官的新聞，但目前這類生物打印技術仍然處于實驗室階段。在醫學上使用得比較廣泛、技術比較成熟的3D打印應用實例主要集中在齒科（打印牙冠、牙橋、種植體等），骨科（打印髖關節、膝關節、肩關節、踝關節、脊柱、外傷固定等），醫療器械（打印機械設備、儀器、內窺鏡、手術工具等）三個方面。

在文物保護領域，3D打印能夠快速低成本地精確復制珍貴文物，這樣既滿足了人們的參觀需求，又降低了珍貴文物的被盜風險，為文物保護提供了一種新手段。在電影《十二生肖》中，成龍利用三維掃描與三維打印技術對獸首進行了快速復制，制造了一個以假亂真的藝術品。這樣的情節，未來將從電影中變成現實，文物保護工作將得到迅速發展。

在創新教育領域，3D打印就是滿足創新開發的有力工具，只要想得到，就能做得出來，能夠無限發揮人類的想象空間。美國總統奧巴馬計劃為美國1000所學校配備3D打印實驗室，用于培養中小學生的創新理念和意識。我國也已經有許多學校開始著手建立類似的增材制造實驗室。

在設備維修領域，3D打印能夠生產、制造各種設備零件。對于已經停產的零部件，可以利用逆向工程技術快速得到相應的三維CAD模型，然后利用3D打印制造出來。這種應用正在逐年大幅增加，因為對于數十年前建造的汽車、飛機、國防及其他設備而言，沒有CAD圖紙和相應模具，甚至設備供應商有可能已經倒閉，相關設備備件已無法獲得，在此情況下，可以說，3D打印將成為“救星”。

另外，3D打印在建筑領域、汽車領域、文化創意領域等也發揮著巨大的作用。

3D打印技術的變革與前沿發展

可以說，3D打印技術對社會發展存在著潛在的變革與深遠的影響。

它將變革制造模式——個人制造將越來越流行，降低了制造業對低成本勞動力的依賴。

它將變革設計模式——設計不再被成本和工藝水平所限制，能真正面向創新、面向性能最優化。

它將變革創業模式——以后創業不再需要傳統的廠房等基礎設施，也不需要投資上提供啟動資本來購買大型設備的工模具。基于3D打印的創業場最重要的“資本”將變成具有創新意識的技術人員。

它將變革生活模式——人們可以按照自己的意圖享受自己的生活，3D打印將搭起一座從幻想到現實的橋梁。

它將變革醫療模式——個性化醫療定制或人體器官復制將不再是普通老百姓難以享受到的“特權”，醫療效率更高，許多現在難以攻克的難題，未來將不再困擾患者。

它將變革消費模式——個性化消費與定制服務的模式，將實現家庭DIY的消費方式。

將3D打印作為一種全新的材料合成方法，用于新材料開發，可明顯縮短新材料的研制進程，具有短流程、低成本、真綠色、靈活高效、材料制備與零件成型一體化的優勢。因此，許多前沿制造業都開始紛紛把目光投向3D打印技術領域，典型的前沿方向包括以下幾個方面：

微孔泡沫金屬材料制備與成型：基于傳統的熔體發泡原理，利用3D打印的逐層生長和激光的快速熔凝特性，實現激光原位微區發泡效果。由于采用微米尺度的發泡劑粉末，理論上可以形成微米級的孔洞，而且每一層形成的微孔可以沿成型方向呈外延生長態勢，從而有望獲得相互貫通的微米級孔洞。

特殊合金材料高效合成與精確成型（國防軍工）：許多軍用產品是高價值、高復雜性和低產量的，甚至有些是獨一無二的訂制品，這就需要制造業持續更換零件，如無人駕駛飛行器、軍人的輕重量裝備和盔甲、便攜式電源設備、通訊設備、地面機器人等。這些部件將最有機會轉化成為3D打印制造。預計在未來10-12年內，軍方將會成為3D打印技術的主要使用者之一。

特殊合金材料高效合成與精確成型（核能領域）：釩合金材料、鈹鋁合金等材料具有獨特的綜合性能，在核能領域具有重要用途。尤其是釩合金還被列為下一代核能領域的理想候選材料。但這些材料資源稀缺、價格昂貴、制造工藝穩定性差、材料浪費巨大，迫切需要找到一種高效、先進的綠色制造技術，在這方面，3D打印具有獨特優勢。目前，核能領域的特殊合金材料高效合成與精確成型相關基礎研究已經展開。

特殊合金材料高效合成與精確成型（功能合金）：記憶合金、阻尼合金等具有特殊用途，附加值高，但往往傳統加工方法存在結構適應性差、制造成本高、材料利用率低等問題。利用3D打印，未來則幾乎可以實現等量成型地制造，既能大幅提升材料利用率，又可以實現讓產品具有更快的響應速度和加工柔性。

生物材料制造：未來3D打印的應用方向主要面向可降解生物材料、硬組織替代材料、人工器官直接打印、肉制品打印（現代牧場）、個性化定制藥丸等方向。

3D打印技術發展仍面臨眾多挑戰

第一是精度與效率的挑戰。增材制造是用材料一層層堆積成型的，每一層都有厚度（數十微米），這決定了它的精度目前還難以企及傳統的減材制造方法，為提高精度，則需要不斷降低每一層的厚度，這意味著在技術難度提高的同時，制造時間也將大幅延長。3D打印本身的加工速度還遠未達到人們理想的狀態，目前，金屬零件的最高堆積效率為70cm3/h，與高速銑還有較大差距。

第二是零件力學性能的挑戰。3D打印金屬零件的力學性能是否能全面滿足應用要求，需要對激光成形過程“內應力控制及零件變形開裂預防”、“內部質量保障及力學性能控制”、“技術標準體系”等技術瓶頸問題進行攻克。要對大型金屬構件激光快速成型過程內應力演化行為規律、內部組織形成規律和內部缺陷形成機理等問題展開深入研究。

第三是材料適用范圍的挑戰。目前，可供增材制造的材料約有300多種，多為石膏、塑料、可粘結的粉末顆粒、樹脂等，制造精度、復雜性、強度等難以達到較高要求，主要應用于模型、玩具等產品領域。對于金屬材料來說，目前適用的僅有十余種，而且還需要專用的金屬粉末材料才能獲得滿足要求的金屬零件。未來應針對3D打印制定通用的材料物理標準，使3D打印的適用材料（尤其是金屬材料）通用化，降低3D打印的應用門檻，從而使3D打印的應用范圍更廣泛。

第四是成型范圍的挑戰。目前3D打印的成型范圍大多是在1米以下，而且分層厚度較大，在大尺寸零件或微小精密零件成型方面顯得能力不足。未來3D打印設備將朝著微小精密化和大型高效化發展。

第五是工藝穩定性的挑戰。對3D打印而言，層間結合質量是第一位的，直接影響工藝穩定性和成型質量。而3D打印又是一個層數多達數百層，甚至數千層的堆積過程，在成型過程中，某一層很容易出現問題。一旦發生這種情況，成型過程將被迫中止或者成型零件面臨報廢的可能性。因此，3D打印的工藝穩定性相對傳統加工方法更難控制，也更加重要。需要深入研究3D打印工藝穩定性的影響因素，開發高效可靠的工藝穩定性控制系統。

現在，在3D打印的三個層次——形狀打印、成分打印和功能打印上，已經能成熟地實現形狀打印，而成分打印也已開始了基礎研究，功能打印尚處于早期探索階段。如果功能打印一旦實現，打印出能行走的、具有真人形狀的機器能不再是夢想。到那個時候，3D打印所孕育的新型工業革命將真正實現，人類對物質世界的控制能力將得到質的提高，對未來生活的各個方面將產生深遠的影響，甚至于永久性地改變人類文明進程。