3D 打印，走下神壇

朱輝杰

長久以來，在二維圖文打印領域，人們為“所見即所得”（What You See Is What You Get）的目標而努力——計算機屏幕上看到的和打印在紙面上的結果一模一樣。現在，人們開始在三維實體領域追求“所見即所得”，“3D 打印”技術“DUANG”的一下出現了。

“3D打印”是一種以數字化三維模型文件為基礎的直接制造技術，幾乎可以制造任意形狀三維實體，即使這些實體包含大量的薄壁、鏤空和不規則、復雜特征，也可以輕而易舉地“打印”出來。

奧巴馬的蝴蝶翅膀

在中國公眾的視角中，“3D 打印”是一種因美國總統奧巴馬而忽然熱起來的“舶來品”，渾身散發著高大上的氣息。實際上，在2013 年奧巴馬總統發表國情咨文盛贊3D 打印技術之前，中國已經有了3D 打印類的技術研發和相關產品，只不過它的名字是“增材制造”，或者是“快速原型”和“積層制造”。這些稱謂在制造、建筑和醫療等領域并不算罕見，但對于公眾而言，顯然不夠通俗化（麻省理工學院在1995 年第一次提出3D 打印的概念），更沒有受到政策和產業層面太多的重視。創造力發生巨大的變革。

奧巴馬不僅讓3D Systems 和Stratasys 這兩家美國公司的市值飆升，還扮演了“蝴蝶翅膀”的角色，全世界都猛然掀起了3D 打印的風潮。2013 年5 月，新加坡總理李顯龍在講話中專門強調了3D 打印技術，同時新加坡經濟與發展局投資三千萬新幣打造東南亞3D 打印研究中心。2013年7 月，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平在考察東湖高新區時，觀看了3D 打印的最新研究成果后說：“這個技術很重要，要抓緊產業化”。

此后一兩年，3D 打印這個字眼高頻率地出現在了我國各級政府的戰略發展和產業政策文件中。在“中國制造2025”的綱領中，特別指出了3D打印技術的重要性。2015 年2 月28 日，工信部、國家發改委、財政部還聯合發布了《國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016 年）》，這是首部以國家部委名義聯合發布的增材制造產業發展計劃。

十年無人知、一朝天下聞3D 打印火了！它是突然從石縫里蹦出的猴子嗎？實際上，早在1892 年，美國已經出現利用分層制造原理制作地形圖的技術，只不過那時候的材料、工藝都不支持大規模的商業化產品。進入上世紀1980 年代，美國3M 公司的Alan J.Herbert（1982 年）、日本名古屋工業研究所的小玉秀男（1980年）、美國UVP 公司的Charles W.Hull（1984 年）和日本大阪工業技術研究所的丸谷洋二（1984 年），各自獨立地提出了快速原型的技術設想，盡管實現的材料和方式各異，但均以多層疊加和固化的方式來產生實體。

1986 年，Charles W. Hull（亦稱Chuck Hull）在美國首先獲得了光固化立體造型設備（SLA，立體平板印刷） 的專利， 并將快速原型技術推向商業化實用領域。選擇性激光燒結（SLS）技術、熔融沉積原型（FDM）由其他人研發并持有專利，雖然有些發明者獲取專利的時間早于Clarles W. Hull，但商業化時間都晚于Clarles W. Hull，因此，世界范圍公認Charles W. Hull 是3D 打印之父。2014 年，Clarles W. Hull 和愛迪生、萊特兄弟、愛因斯坦一樣，進入了美國專利商標局的發明家名人堂。

在中國，早在上世紀90 年代初，西北工業大學、清華大學、華中科技大學、北京航空航天大學、華南理工大學和南京航空航天大學等高校的科研機構已經陸續開始從事“快速原型”基礎工藝技術和產品的研發工作，多年來他們一直在“增材制造”的學術領域和專業應用層面默默耕耘，幫助國內汽車、工模具、建筑和消費品等領域的制造企業開展應用。如今，在強大的政策感召力之下，3D 打印迅速成為了一個前景可觀的產業，西北工業大學、清華大學和華中科技大學等相關科研機構，包括快速原型業內的一些老牌國內公司，得到了突如其來的、廣泛的關注和支持，3D 打印在全國各地“開花結果”，真有“十年無人知、一朝天下聞”的感覺。一位業內人士對記者說：“做了十幾年的快速成型，始終起色不大，五年前，還在到處拉投資，最近一兩年幸福突然就來了，有點不太真實的感覺”。

3D 打印技術的多元化

圍繞3D 打印技術的演進，世界范圍陸續出現了不同的基礎材料和工藝技術。有些技術利用熔化或軟化塑性材料來打印“實體”，如上文提到的選擇性激光燒結（SLS）和熔融沉積式（FDM），還有一些技術用液體材料作為打印的“墨水”，如立體平板印刷（SLA）。每種技術雖然都基于增材制造原理，但都有各自的優缺點，市場上已經出現的3D 打印機采用了不同的工藝和材料，適用于不同的領域。3D 打印技術的多元化滿足了不同應用的需求，也使得制定統一的行業標準變得困難。

下面是增材制造的常見技術工藝，當然，這些技術的專利權基本都被3D Systems、Stratasys 和EOS 等國外公司掌握著，這也間接造成了主流3D 打印設備的價格居高不下。

（1） 液體材料增材制造系統（Liquid-Based AM System）。

◎ Sterolithography Apparatus（SLA）。

◎ PolyJet。

◎ Multi-Jet Printing System （MJP）。

◎ Perfactory。

◎ Solid Object Ultraviolet-Laser Printer。

◎ Bioplotter。

◎ 3D Bioprinting。

◎ Rapid Freeze Prototyping。

（2） 固體材料增材制造系統endprint

（Solid-Based AM System）。

◎ Fused Deposition Modelling（FDM）。

◎ Benchtop System。

◎ Selective Deposition Lamination （SDL）。

◎ Laminated Objet Manufacutring （LOM）。

◎ Ultrasonic Consolidation。

（3） 粉末材料增材制造系統（Powder-Based AM System）。

◎ Selective Laser Sintering（SLS）。

◎ ColorJet Printing （CJP）。

◎ EOSINT Systems。

◎ Electron Beam Melting （EBM）。

◎ LaserCUSING。

◎ Selective Laser Melting（SLM）。

◎ Phenix PXTM Series。

◎ Microsintering。

◎Digital Part Materialization。

此分類方法參考：《3D Printing and Additive Manufacturing——Principles and Applications》，蔡志楷Chee Kai Chua，

工業級 3D打印設備仍是主流

按照應用環境分類，3D打印設備可以簡單地分為工業級和桌面級。

工業級3D打印設備在 20世紀 90年代中晚期，就已經在國內科研教育、航空航天、船舶制造、模具、汽車和消費品等行業得到了應用，這些設備最早均被稱為“快速原型機”。

國內的工業級 3D打印設備包括：北京隆源自動成型系統有限公司基于激光粉末燒結（SLS）技術開發的 AFS系列激光快速成型機，武漢濱湖機電基于金屬粉末熔化技術開發的 SLM成型機，北京殷華激光快速成形與模具技術有限公司基于熔融擠出成型工藝 （FDM）開發的 MEM系列成型機，長沙華曙高科基于 SLS技術開發的FARSOON系列快速成型機。

國外工業級設備則包括 3DSystem公司的 ZPrinter系列、ProX系列 （SLS＼SLA＼DMP）、ProJet系列（SLA）和 sPro系列（SLS），以及Stratasys公司的Fortus系列（FDM）等。

這些大型工業級 3D打印設備價格高昂，體積龐大，成型速度快，能制造 200mm（短邊）以上的中大型實體，精度普遍達到 ±0.1～0.2mm/100mm。此類設備往往放置于地面上工作，個別大型設備需要 380V工業電支持。

3D打印技術主要有三個應用場景，一是快速制造原型件驗證設計，二是“打印”蠟模、砂型支持鑄造生產，三是直接制造可用的功能件。目前的工業級 3D打印設備，在國內主要被用于第一、第二類場景，以加快新產品研發，解決一些傳統加工方法無法克服的難題。相對而言，國內直接利用3D打印設備制造可用功能件的比例并不高，而國外接近 50%的 3D打印應用屬于這一類。

在工業級設備領域，國產設備和國外設備相比，平均技術能力差距并不大，但是在核心部件（如激光器）、打印材料、耗電量、設備損耗、可維護性、軟件能力和外觀設計等方面，還存在很大的上升空間。當然，國產設備的價格往往大幅低于同類國外產品。

桌面級3D打印異軍突起

2013年，隨著 3D打印設備的小型化，FDM技術專利的到期，同時聚乳酸（PLA）、ABS和尼龍材料的價格日益白菜價，桌面級 3D打印市場開始井噴式發展。這類設備普遍采用熔融層積成型技術 （FDM），將絲狀材料融化后逐層噴涂成型。桌面級 3D打印設備普遍價格便宜，從最初近萬美元的水平，迅速滑落到數千美元，最近一年，最廉價的桌面 3D打印機已經跌破 1000美元，這遠低于工業級設備的價格。

FDM原理的桌面級 3D打印設備體積小巧，工作噪音小，和普通噴墨、激光打印機一樣，完全可以放在辦公室和家庭的桌面上工作，它們在打印小尺寸實體件時靈巧迅速、功能簡單、操作容易，精度也完全能滿足一般用戶的要求。

當然，2013年后推出的大部分廉價 FDM桌面級 3D打印機不能達到工業級“所見即所得”的要求，受限于精度和材料屬性，它們的產成品用于把玩則足矣，也可以輔助工程教育、設計教育、動漫產業或中小型產品設計企業，更可以面向個人三維愛好者，但很難直接用于大規模工業生產。

桌面級 3D打印機雖然不夠“高端”，但是它將“快速成型”技術帶到了公眾視野中，而不僅僅局限在工業領域。3D打印技術能在最近兩三年掀起熱潮，桌面級3D打印機功不可沒。可以說，基于 FDM技術的廉價桌面級 3D打印機正在將三維打印技術拉下神壇。

2015：3D打印應用光速發展元年

2014年，3D打印機的重要核心技術激光燒結 （Laser Sintering）專利到期，技術發展的撬棍從幾家快速原型行業巨頭手中釋放出來，再一次引爆了整個 3D打印市場。不同于 FDM的技術局限性，有了激光燒結技術的支撐，成型材料的品種多了起來，包括石蠟、高分子材料、金屬和陶瓷粉都在可選范圍內，成型件的性能會變得日益多元化，用途也更為廣泛。

專利壁壘的瓦解，讓更多的力量涌入 3D打印市場成為可能，進而推動整個產業的上行。2014年，惠普公司宣布進軍商用 3D打印市場，并預計到 2021年全球 3D打印機和相關軟件、服務的規模將達到 110億美元，遠遠超過2012年的22億美元。梅格 惠特曼甚至透露，惠普公司已經解決了一系列制約 3D打印被廣泛采用的技術問題。

惠普這樣的 IT巨頭的加入只是一個方面，中小企業、機構和個人的廣泛參與也是產業發展的動力。 2014～2015年間，創新眾籌網站Kickstarter 上的經濟型、桌面級三維打印機項目，比過去數年的相關項目總和都多。

我們完全可以預見，在未來2 ～ 3年，商業用途的桌面級3D 打印機，將不僅僅停留在FDM 層面，技術壟斷被逐漸打破后，激光燒結技術也將迅速被引入并普及化，打印材料的分布將更為廣泛，打印成本更加低廉。

未來幾年內，設計師、工程師和中小企業可以用不高的成本、在幾個小時內，把設計創意變成實物產品，并通過網絡推向全球市場。終端用戶也可以通過網絡挑選產品的三維數字化原型，并提出修改意見，最終用3D打印機制造，從而以較低的成本定制個性化產品。

2015 年，注定是三維世界“所見即所得”進程中的重要轉折年，考慮工業生產成本和產量的平衡點，3D 打印未必會短時間內大規模改變工業生產的主流模式。但是，3D 打印技術從工業范疇擴展到更多生產、生活領域已經是顯而易見的趨勢，而時間和空間上更為離散的、需求定義更為個性化的“智造”時代，即將到來。

感謝新加坡南洋理工大學Kason Leong 先生，Kickstarter 網站編輯Dawn，華中科技大學吳剛博士對本文做出的貢獻。endprint