2012年4月，英國著名雜志《經濟學人》發表專題報告指出，全球工業正在經歷第三次工業革命，與以往不同,本次革命將對制造業的發展產生巨大影響，其中一項具有代表性的技術就是3D打印(3D printing)技術。美國《時代》周刊也將3D打印列為“美國十大增長最快的工業”。自2013年以來，國內媒體界、學術界、金融界也掀起了關注3D打印技術的熱潮，各級政府部門開始關注并制訂3D打印技術的發展規劃。本文在查閱大量文獻和實踐調研的基礎上，分別從3D打印技術的概念、工藝、材料、設備及其商業化狀況等方面進行介紹：并在此基礎上，進一步展望了3D打印技術的應用趨勢和對人類未來生產生活方式的影響。

　　1、3D打印技術的概念和分類

　　3D打印技術，學術上又稱“添加制造”(additive manufacturing)技術，也稱增材制造或增量制造。根據美國材料與試驗協會(ASTM)2009年成立的3D打印技術委員會(F42委員會)公布的定義，3D打印是一種與傳統的材料加工方法截然相反，基于三維CAD模型數據，通過增加材料逐層制造的方式。其采用直接制造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。3D打印技術內容涵蓋了產品生命周期前端的“快速原型”(rapid prototyping)和全生產周期的“快速制造”(rapid manufacturing)相關的所有打印工藝、技術、設備類別和應用。3D打印涉及的技術包括CAD建模、測量、接口軟件、數控、精密機械、激光、材料等多種學科的集成。

　　3D打印具有如下特點和優勢。

　　(1)數字制造：借助CAD等軟件將產品結構數字化，驅動機器設備加工制造成器件：數字化文件還可借助網絡進行傳遞，實現異地分散化制造的生產模式。

　　(2)降維制造(分層制造)：即把三維結構的物體先分解成二維層狀結構，逐層累加形成三維物品。因此，原理上3D打印技術可以制造出任何復雜的結構，而且制造過程更柔性化。

　　(3)堆積制造：“從下而上”的堆積方式對于實現非勻致材料、功能梯度的器件更有優勢。

　　(4)直接制造：任何高性能難成型的部件均可通過“打印”方式一次性直接制造出來，不需要通過組裝拼接等復雜過程來實現。

　　(5)快速制造：3D打印制造工藝流程短、全自動、可實現現場制造，因此，制造更快速、更高效。

　　3D打印技術的發展起源可追溯至20世紀70年代末到80年代初期，美國3M公司的Alan Hebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美國UVP公司的Charles Hull(1982年)和日本的丸谷洋二(1983年)四人各自獨立提出了這種概念。1986年，Charles Hull率先推出光固化方法(stereo lithography apparatus，SLA)，這是3D打印技術發展的一個里程碑。同年，他創立了世界上第一家3D打印設備的3D Systems公司。該公司于1988年生產出了世界上第一臺3D打印機SLA-250。1988年，美國人Scott Crump發明了另外一種3D打印技術——熔融沉積制造(fused deposition modeling，FDM)，并成立了Stratasys公司。目前，這兩家公司是僅有的兩家在納斯達克上市的3D打印設備制造企業。1989年。C.R.Dechard發明了選擇性激光燒結法(selective laser sintering，SLS)，其原理是利用高強度激光將材料粉末燒結直至成型。1993年，麻省理工大學教授Emanual Sachs發明了一種全新的3D打印技術。這種技術類似于噴墨打印機。通過向金屬、陶瓷等粉末噴射粘接劑的方式將材料逐片成型，然后進行燒結制成最終產品。這種技術的優點在于制作速度快、價格低廉。隨后，ZCorporation公司獲得麻省理工大學的許可，利用該技術來生產3D打印機，“3D打印機”的稱謂由此而來。此后，以色列人Hanan Gothait于1998年創辦了Objet Geometries公司,并于2000年在北美推出了可用于辦公室環境的商品化3D打印機。

　　2、材料和設備

　　3D打印設備制造商主要集中在美國、德國、以色列、日本和瑞典等，并以美國為主導。其中，美國的Stratasys和3D Systems兩家公司整合了全球主流工藝90％的產品線。2011年，3D Systems公司收購了Z Corporation公司。2012年。Stratasys公司并購了以色列Objet公司，完成了資源整合。

　　3D打印按材料可分為塊體材料、液態材料和粉末材料等。按照美國材料與試驗協會(ASTM)3D打印技術委員會(F42委員會)的標準，目前七類3D打印工藝與所用材料如表1所示。

表1 3D打印技術的類型和屬性

　　目前。已實現商品化的3D打印機共涵蓋了七類工藝，其中以SLA、SLS、FDM和3D打印等為主。

　　光固化打印(SLA)是采用紫外光在液態光敏樹脂表面進行掃描，每次生成一定厚度的薄層，從底部逐層生成物體。其優點是原材料的利用率將近100％，尺寸精度高(±0.1 mm)，表面質量優良，可以制作結構十分復雜的模型；缺點是價格昂貴，可用材料種類有限，制成品在光照下會逐漸解體。

　　選擇性激光燒結打印(SLS)是采用高功率的激光，把粉末加熱燒結在一起形成零件。SLS工藝的優點是可打印金屬材料和多種熱塑性塑料，如尼龍、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯類、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等，打印時無需支撐，打印的零件機械性能好、強度高；缺點是材料粉末比較松散，燒結后成型精度不高，且高功率的激光器價格昂貴。

　　熔融沉積打印(FDM)是采用熱融噴頭，使塑性纖維材料經熔化后從噴頭內擠壓而出，并沉積在指定位置后固化成型。這種工藝類似于擠牙膏的方式,其優點是價格低廉、體積小、生成操作難度相對較小：缺點是成型件的表面有較明顯的條紋,產品層間的結合強度低、打印速度慢。

　　3D打印是采用類似噴墨打印機噴頭的工作方式，這種工藝與選擇性激光燒結十分類似，只是將激光燒結過程改為噴頭粘結，光柵掃描器改為粘結劑噴射頭。其優點是打印速度快、價格低；缺點是打印出來的產品機械強度不高。

　　3、目前存在的主要問題

　　3D打印技術已經取得了顯著的進展。但仍存在以下幾方面問題。

　　(1)3D打印的耗材。耗材是目前制約3D打印技術廣泛應用的關鍵因素。目前已研發的材料主要有塑料、樹脂和金屬等，然而3D打印技術要實現更多領域的應用，就需要開發出更多的可打印材料，根據材料特點深人研究加工、結構與材料之間的關系，開發質量測試程序和方法，建立材料性能數據的規范性標準等。此外，在一些關鍵產業領域，尋找合適的材料也是一大挑戰，例如空客概念飛機的仿真結構，要求機身必須透明且有很高的硬度。為符合這些要求就需要研發新型的復合材料。Xerox PARC研究中心的研究人員正在致力于可打印電子產品的新工藝研究,但是目前的可用原料還不多。

　　在打印材料方面，以色列Objet公司處于領先地位。最近，該公司宣布為Connex系列多材料3D打印機新開發了39種新的“數字材料”，可供客戶選擇的基本材料已多達107種。這些材料的質地、韌性、剛度、強度都各不相同。該公司目前可提供90種“數字材料”。這些材料都是由公司提供的基本材料復合而成，這樣可使設計師、工程師和制造商能夠非常精確地模擬其最終產品的材料性能。用戶使用Connex多材料3D打印機,可以在一個模型中同時使用多達14種不同硬度和透明度的材料。

　　此外，目前對金屬材料進行3D打印的需求尤為迫切，如工具鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳基合金、銀和金等，但目前這些打印技術尚未完全突破。

　　(2)3D打印機本身。據報道，世界上目前只有一種3D打印機能夠同時打印出多種材料的產品。由于3D打印工藝發展還不完善，快速成型零件的精度和表面質量大多不能滿足工程直接使用要求，只能做原型使用。

　　3D打印產品由于采用疊加制造工藝，層與層之間連接得再緊密，目前也很難與傳統鍛件相媲美。

　　(3)3D打印的價格。目前。3D打印不具備規模經濟的優勢，價格方面的優勢尚不明顯。目前，1 kg打印材料少則幾百元，多則要4萬元左右，因此3D打印技術在一段時間里還無法全面取代傳統制造技術。但是在單件小批量、個性化訂制和網絡社區化生產方面，對于大多數產品來說。不管打印1件還是100件,價格都相差無幾，因而3D打印具有無可比擬的優勢。

　　(4)知識產權的保護。3D打印技術的意義不僅在于改變資本和工作的分配模式，而且也在于它能改變知識產權的規則。該技術的出現使制造業的成功不再取決于生產規模，而取決于創意。然而，單靠創意也是很危險的，模仿者和創新者都能輕而易舉地在市場上快速推出新產品。極有可能就像當初的音樂領域一樣面臨盜版的威脅。

　　(5)3D打印機的操作技能。3D打印技術需要依靠數字模型來進行生產，但是對普通用戶來說學會使用計算機輔助設計工具(CAD)還是有一定難度。但隨著社會發展，未來會有越來越多的學生學習并掌握這方面的技能，而且企業也會提供一些簡單的產品數據庫，用戶不必學會3D設計技能就能制作模型，就像傻瓜相機的發展一樣。

　　(6)政策方面。3D技術的研發需要大量的政府投入或產業界的資金支撐。如在醫療領域，可能會因缺少食品和藥品監管部門的許可，造成許多臨床醫療產品應用的滯緩等。

　　4、應用領域與趨勢

　　4.1全球商業化狀況

　　根據美國技術咨詢服務協會Wohlers Associates發布的2012年度報告，全球3D打印行業在2011年銷售額為17,14億美元，當前該技術的市場滲透度為8％，因此，報告保守估計3D打印市場機會為214億美元。樂觀者則認為當前市場滲透度僅為1％,從而3D打印市場機會為1 700億美元。目前，3D打印技術市場的年增長率為29,4％。據預測，該行業的市場規模到2015年將達37億美元，到2019年將增長到65億美元。

　　3D打印技術市場規模如圖1所示。

圖1 3D打印技術市場規模示意圖

　　從行業分布看，目前消費電子領域仍然占主導地位，約20,3％；其他主要應用在汽車、醫療/牙科、工業/商業機器和航空航天領域。3D打印技術行業分布如圖2所示。3D打印技術主要應用功能的分布比例如圖3所示。

圖2 3D打印技術行業分布圖

圖3 3D打印技術應用分布圖

　　當前，歐洲、美洲和亞洲是3D打印設備的主要需求市場。從2011年設備市場份額分布來看，北美地區占40,2％，位居第一，歐洲地區和亞洲地區緊隨其后。3D打印設備數量區域分布如圖4所示。美國是3D打印設備安裝的第大國，日本處于第二。

圖4 3D打印設備數量區域分布圖

　　全球3D打印技術的產品和服務的收入如圖5所示。圖5中，柱狀圖上段為服務收入，下段為產品(即設備和材料等)收入。從圖5不難看出，3D打印設備及材料和服務的經濟規模是相當的。2010年，銷售額為13,25億美元；到2011年，銷售額為17,14億美元，增長率達到24,1％。在產品收入中，3D打印設備和材料占主要部分,2011年為8,34億美元。

圖5 全球3D打印技術的產品和服務收入示意圖

　　由于3D打印產品種類豐富，帶動了打印材料的快速發展。2001年到2011年，全球打印材料的銷售情況如圖6所示,除了2009年由于全球經濟危機的影響稍有下降外，基本上每年都保持10％～20％的增長速度。

圖6 全球3D打印材料銷售額示意圖

　　4.2應用領域

　　3D打印機的應用對象可以是任何行業，只要這些行業需要模型和原型。目前，3D打印技術已在工業設計、文化藝術、機械制造(汽車、摩托車)、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫學、考古、雕刻、首飾等領域都得到了應用。隨著技術自身的發展。其應用領域將不斷拓展。這些應用主要體現在以下十個方面。

　　(1)設計方案評審。借助于3D打印的實體模型。不同專業領域(設計、制造、市場、客戶)的人員可以對產品實現方案、外觀、人機功效等進行實物評價。

　　(2)制造工藝與裝配檢驗。3D打印可以較精確地制造出產品零件中的任意結構細節，借助3D打印的實體模型結合設計文件，就可有效指導零件和模具的工藝設計，或進行產品裝配檢驗，避免結構和工藝設計錯誤。

　　(3)功能樣件制造與性能測試。3D打印的實體原型本身具有一定的結構性能,同時利用3D打印技術可直接制造金屬零件，或制造出熔(蠟)模；再通過熔模鑄造金屬零件，甚至可以打印制造出特殊要求的功能零件和樣件等。

　　(4)快速模具小批量制造。以3D打印制造的原型作為模板，制作硅膠、樹脂、低熔點合金等快速模具，可便捷地實現幾十件到數百件數量零件的小批量制造。

　　(5)建筑總體與裝修展示評價。利用3D打印技術可實現模型真彩及紋理打印的特點，可快速制造出建筑的設計模型，進行建筑總體布局、結構方案的展示和評價。

　　(6)科學計算數據實體可視化。計算機輔助工程、地理地形信息等科學計算數據可通過3D彩色打印，實現幾何結構與分析數據的實體可視化。

　　(7)醫學與醫療工程。通過醫學CT數據的三維重建技術，利用3D打印技術制造器官、骨骼等實體模型，可指導手術方案設計。也可打印制作組織工程和定向藥物輸送骨架等。

　　(8)首飾及日用品快速開發與個性化定制。利用3D打印制作蠟模,通過精密鑄造實現首飾和工藝品的快速開發和個性化定制。

　　(9)動漫造型評價。借助于動漫造型評價可實現動漫等模型的快速制造，指導和評價動漫造型設計。

　　(10)電子器件的設計與制作。利用3D打印可在玻璃、柔性透明樹脂等基板上，設計制作電子器件和光學器件，如RFID、太陽能光伏器件、OLED等。

　　4.3對人類生產生活方式的影響

　　3D打印技術的應用將從以下三個方面深刻改變傳統制造業形態。

　　一是使制造工藝發生深刻變革。3D打印改變了通過對原材料進行切削、組裝進行生產的加工模式，節省了材料和加工時間。例如。在航空航天工業領域中應用的金屬部件通常是由高成本的固體鈦加工而成的，90％的材料被切除掉,這些切削材料對于飛行器的制作是毫無利用價值的。空客的母公司歐洲宇航防務集團(EADS)研究人員指出，這些用鈦粉末打印出的部件與一個傳統用固體鈦加工出來的部件一樣經久耐用。但節省了90％的原材料。

　　二是帶動制造技術的重大飛躍。3D打印技術是一門綜合應用CAD/CAM技術、激光技術、光化學、控制、網絡以及材料科學等諸多方面技術和知識的高新技術。3D打印技術的不斷成熟將推動新材料技術和智能制造技術實現大的飛躍，從而帶動相關產業的發展。

　　三是使制造模式發生革命性變化。3D打印將可能改變第二次工業革命產生的、以裝配生產線為代表的大規模生產方式，使產品生產向個性化、定制化轉變。3D打印機的推廣應用將縮短產品推向市場的時間,消費者只要簡單下載設計圖，在數小時內通過3D打印機就可將產品“打印”出來,從而不需要大規模生產線，不需要大量的生產工人，不需要庫存大量的零部件，即所謂的“社會化制造”?！吧鐣圃臁钡牧硪粌瀯菔峭ㄟ^制造資源網和互聯網,快速建立高效的供應鏈、市場銷售和用戶服務網，這是實現敏捷制造、精益制造和可持續發展的一種生產模式。

　　5、結束語

　　隨著3D打印技術和商業應用的發展，“大批量的個性化定制”將成為重要的生產模式。3D打印與現代服務業的緊密結合,將衍生出新的細分產業和新的商業模式，創造出新的經濟增長點。3D打印技術發展帶來的產品技術、制造技術與管理技術的進步使企業具備快速響應市場需求的能力，特別是形成適應全球市場上豐富多樣的客戶群，實現遠程定制、異地設計、就地生產和銷售的協調化新型生產模式，使生產模式、商業模式等多個方面發生根本性的變化。