3D打印如同蠶織繭

醫(yī)生可以用3D打印技術為患者定制器官，而恐怖分子也可以用它來打印槍支。

3D打印，究竟是福還是禍？

如果要把電腦中的文字或圖片顯示在紙片上，我們需要打印機才能完成這個任務。如果想要打印出一個實實在在的物品，這可能實現(xiàn)嗎？隨著3D打印機的出現(xiàn)，我們的夢想將逐步變?yōu)楝F(xiàn)實。如今，3D打印不但可以用于人造器官、無人機這樣的尖端制造項目，還逐漸進入人們的日常生活，幫助我們打印出各種生活用品。甚至有美國媒體預測，在不久的將來，3D打印機很可能改變人們的購物模式，引發(fā)第三次工業(yè)革命。

3D打印如同蠶織繭

什么是3D打印？簡單地說，3D打印就像我們平時所用的打印一樣，是把電腦中的文檔打印出來。只不過，我們平常所用的打印機是把文字和圖像打印在紙張或其他介質上，是一種平面的打印過程。而3D打印是把電腦中的立體圖像直接打印成一個真實的物品。

3D打印機不用紙或墨，而是通過計算機輔助設計、遠程數據傳輸、激光掃描、材料熔融等一系列技術，使塑料粒、金屬粉、陶瓷粉等材料熔化，并按照3D電腦圖像的結構，將材料一層層疊加起來，最終把電腦圖像變成實物。簡單地說，3D打印的原理和蠶織繭有些類似，蠶吐出很細的絲，一層一層把自己包裹起來，就形成了一個“立體”的繭。雖然目前材料和工藝不一樣，但3D打印的基本原理都是根據要打印的物體形狀，通過一層層地堆積而成一個立體的物品。

傳統(tǒng)制造業(yè)制造物品往往是用減法，就是把一些材料通過截斷、裁剪、打磨等方法來獲得制造物品所需的尺寸，制造的過程中免不了浪費原材料，還會帶來一定程度的污染。然而，3D打印物品則做的是加法，就是將粉末、液體、片狀等細碎材料逐層堆積成一個物品，就好像一層層打印上去一樣。因此，3D打印又被專業(yè)人士稱為“增材制造”。

就像普通打印機打印文字和圖像需要有電腦文檔一樣，3D打印也需要有相應的3D文檔。一般先在電腦中用專業(yè)的3D設計軟件進行產品建模，再將建成的3D模型“分區(qū)”成逐層的截面，再轉換為打印格式，輸入到3D打印機進行打印。聽起來好像非常簡單，實際上比較復雜，輸入的圖紙需要精確的參數才能提高成品精度，這也是為什么3D打印目前還只是專業(yè)人士和發(fā)燒友才能玩的技術。

廣泛用于尖端制造

雖然3D打印的出現(xiàn)已經有近30年的歷史了，但是它起初并不為人們所熟悉，這是因為它目前廣泛應用的領域是尖端制造業(yè)。在我國神舟九號飛船中，3位宇航員的坐墊就是天津市快速成形技術工程中心利用3D打印機制造出來的。

為什么尖端制造需要3D打印技術？這是因為3D打印不走樣。研究人員怎么設計，3D打印機就可以一模一樣地打印出來。因此，航空航天中一些精密度要求高、結構復雜且需求量少的零配件，有時則需要3D打印來完成。最近，歐洲空間局正嘗試利用3D打印技術，以就地取材的方式建立月球基地。按照設計，首先利用太空火箭將管狀模塊發(fā)射到月球上，并在月球上沿一端展開成充氣式的圓屋結構。中空的閉孔結構特點是強度大、重量輕。機器人操作的3D打印將利用月球土壤，在圓屋周圍構建基地。

傳統(tǒng)的制造業(yè)往往需要建設流水線，生產一些需求量小的尖端產品不僅周期長，而且很不劃算。3D打印最初叫“快速成型”技術，表明它具有快速制造的優(yōu)勢，可以讓用戶在裝配和維修尖端產品的過程中快速得到零配件。2009年，我國在制造C919客機主風擋窗框時，當時要從國外訂購至少需要兩年時間，模具費要1300萬；而用3D打印技術，兩個月就做出來了，成本費還不足模具費的十分之一。

利用3D打印技術來打印一些個性化專業(yè)產品也獨具優(yōu)勢。比如，傳統(tǒng)的假肢廠生產出來的假肢像服裝一樣是有尺碼的，殘疾患者只能選擇一個比較接近自己需求的尺寸，有時會因為尺碼不完全合適而很痛苦。有了3D打印，符合殘疾患者個性化需求的假肢就可以生產出來了。3D打印甚至有望打印出具有生物活性的人造器官，美國康奈爾大學研究人員詹森·斯佩克特等人就用凝膠打印出了“以假亂真”的人造耳朵。不僅如此，他們在3D打印模架中注入膠原蛋白凝膠，其中有生物活性的成骨細胞，3個月之內這些柔韌的人造耳朵中“長出”了軟骨組織。

目前逐漸步入生活

3D打印走進我們生活的腳步，將越來越快，甚至會爆發(fā)出幾何級增長的能量。食物、玩具、服飾、藝術品、人造假體、交通工具、房子，都可以是它的杰作。更大的變革，或許是生活方式。有了取代流水線的3D打印機，在小城鎮(zhèn)、在鄉(xiāng)村，自給自足、優(yōu)化生活、實現(xiàn)創(chuàng)意皆成為可能。或者，人們真的不必都涌入大城市了。

在未來，人人都可以是設計師，利用3D打印技術在家里制造出各種各樣屬于我們自己的個性化用品。有人預測，未來的家具生產商將不再需要設計千篇一律、缺乏新意的產品，而是由顧客提供自行設計的產品圖。購物網站可能只需提供產品設計圖，由顧客在家自行打印成品，從而大幅減少運費。家里來客人了，缺一把椅子，通過打印機隨手就可以打印出來。

如果家里有一臺3D打印機，孩子想要一個玩具，在3D設計模型平臺上選好自己喜歡的風格，重新定義尺寸之后點擊打印。20分鐘后，玩具就已經在孩子手中了。在商店里，要找到一雙特別合腳的鞋子并不容易。美國一家工作室開始了3D打印鞋的服務，他們打印出來的第一雙鞋子是結構復雜的涼鞋，是按照公司一位女職員的腳部尺寸完成的，那位女職員穿上之后連稱“沒有任何夾腳的感覺”。日本一家公司已經推出世界上第一家 3D 打印照相館，而我國也出現(xiàn)了好幾家3D照相館，第一家在西安。整個照相過程分為三個階段：拍照、建模、打印。15分鐘后，和顧客一模一樣的小人偶就打印出來了。

3D打印機現(xiàn)在還比較貴，每家買一臺還很不現(xiàn)實，因此，美國一家公司開發(fā)了3D打印自動售貨機。你可以把自己設計的產品，或者從網絡上下載的3D模型，通過電子郵件發(fā)送給3D打印服務公司的自動服務系統(tǒng)。然后，你到離家最近的3D打印自動售貨機，輸入打印密碼，你需要的物品就自動打印出來了。如果你不想親自觀看打印過程，你可以選擇讓公司把你需要打印的物品郵寄或快遞到你家。

可能引發(fā)第三次工業(yè)革命

3D打印技術可能將極大地影響人們未來的職業(yè)選擇，因為一些專家預測，3D打印極可能在不久的將來引發(fā)第三次工業(yè)革命。面對即將到來的變革，我們要有充分的心理準備和知識儲備，才不會在將來被時代的大潮所淹沒。

由于3D打印機具有更高的精度，以及可在更廣的范圍內選擇合適的材料，它已經被應用到許多領域，而且未來幾年這一趨勢還將擴大。美國《時代》周刊曾將3D打印列為“美國十大增長最快的工業(yè)”之一。有專家預測，到2015年，桌面型3D打印機及專屬材料將實現(xiàn)產業(yè)化；到2020年，工業(yè)商用型3D打印機將實現(xiàn)規(guī)模產業(yè)化。

英國《經濟學人》雜志2012年發(fā)表文章稱，3D打印采用“增材”制造，相對傳統(tǒng)的“減材”制造是一種顛覆性的變革，可能引發(fā)一場工業(yè)革命。第一次工業(yè)革命時，制造業(yè)的特點是單機分散式生產；第二次工業(yè)革命時，制造業(yè)的特點是流水集約式生產。3D打印看似是單機分散式生產的回歸，其實是與分布式能源技術、互聯(lián)技術、新材料等多種齊頭并進的高新技術結合。3D打印技術是制造方式和手段的革命化創(chuàng)新，代表著未來制造業(yè)信息化、智能化的發(fā)展方向。工業(yè)革命不會因為3D打印技術的出現(xiàn)而立刻發(fā)生，但是當3D打印給工業(yè)生產和經濟組織模式帶來顛覆式的改變時，工業(yè)革命就不遠了。

2012年3月，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布了重振美國制造業(yè)計劃，提出要建立15個制造創(chuàng)新研究院，3D打印技術被確定為首個制造創(chuàng)新研究院的主攻方向，并成立了國家增材制造研究院。同時在1000所美國大學配備3D打印設備，其目標是培養(yǎng)新一代系統(tǒng)設計師和生產創(chuàng)新者。這是美國看到了3D打印技術對未來產業(yè)、經濟發(fā)展將產生的重大影響而采取的舉措。

在30年前，世界上大部分人沒有見過電腦。如今，世界上不少人都會熟練地操作電腦。這樣的情形將很快出現(xiàn)在3D打印領域?；蛟S你現(xiàn)在還沒有見過3D打印機，但是在幾年或者十幾年后，你就會熟練地利用3D打印機為自己和他人生產物品了。對于3D打印的未來，或許丹麥哥本哈根未來研究學院的名譽主任約翰·彼得·帕魯坦的一句話值得深思：“我們的社會通常會高估新技術的可能性，同時卻又低估它們的長期發(fā)展?jié)摿??！?/p>

3D打印的起源和發(fā)展

3D打印突然大熱，令我們以為它是橫空出世的新技術。其實，任何新奇技術都不是一蹴而就的。3D打印從正式出現(xiàn)到現(xiàn)在較為廣泛的應用，已經有將近30年的歷史了。中國物聯(lián)網校企聯(lián)盟把它稱作“上上個世紀的思想，上個世紀的技術，這個世紀的市場”。

3D打印技術的核心制造思想最早起源于19世紀末的美國，到20世紀80年代后期3D打印技術發(fā)展成熟并被廣泛應用。1892年，美國登記了一項采用層合方法制作三維地圖模型的專利技術。1979年，日本東京大學生產技術研究所的中川威雄教授發(fā)明了疊層模型造型法。1980年，日本人小玉秀男又提出了光造型法。雖然日本人研究出3D打印的一些方法，但是此后20多年的時間里，把這些科學方法轉化為實際用途的都是美國人。

最早從事商業(yè)性3D打印制造技術的是美國發(fā)明家查爾斯·赫爾。1986 年，查爾斯離開了原來為之工作的紫外光產品公司，成立一家名為“3D系統(tǒng)”的公司，開始專注發(fā)展 3D 打印技術。這是世界上第一家生產 3D 打印設備的公司，而它所采用的技術當時被稱為“立體光刻”，是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。1988 年，查爾斯生產出世界上首臺以立體光刻技術為基礎的3D 打印機 SLA-250，體型非常龐大。

1988 年，美國人斯科特·克朗普發(fā)明了一種新的 3D 打印技術——熔融沉積成型。該工藝適合于產品的概念建模及形狀和功能測試，不適合制造大型零件。1989 年，美國人德卡德發(fā)明了選擇性激光燒結技術，這種技術的特點是選材范圍廣泛，比如尼龍、臘、ABS、金屬和陶瓷粉末等都可以作為原材料。1992 年，美國人赫利塞思發(fā)明層片疊加制造技術。

在1995年之前，還沒有3D打印這個名稱，那時比較為研究領域所接受的名稱是“快速成型”。1995年，美國麻省理工學院的兩名大四學生吉姆和蒂姆的畢業(yè)論文選題是便捷的快速成型技術。兩人經過多次討論和探索，結果想到利用當時已經普及的噴墨打印機。他們把打印機墨盒里面的墨水替換成膠水，用噴射出來的膠水來粘接粉末床上的粉末，結果可以打印出一些立體的物品。他們興奮地將這種打印方法稱作3D打印（3D Printing），將他們改裝的打印機稱作3D打印機。此后，3D打印一詞慢慢流行，所有的快速成型技術都歸到3D打印的麾下。

最初的3D打印所用原料大多是塑料，而如今可用于打印的原料種類多樣，從繁多的塑料到金屬、陶瓷以及橡膠類物質。有些打印機還能結合不同介質，令打印出來的物體一頭堅硬而另一頭柔軟?？茖W家們甚至利用3D打印機制造諸如皮膚、肌肉和血管片段等簡單的活體組織，很有可能將有一天我們能夠制造出人體器官。