很難想像，作為近些年才被廣泛認(rèn)識(shí)的3D打印，早在1983年就已經(jīng)誕生。

2012年，英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志刊文，將3D打印技術(shù)視為“第三次工業(yè)革命”的重大標(biāo)志之一，這引起了全球的廣泛關(guān)注。然而，眼看著就可以造天造地、顛覆產(chǎn)業(yè)無(wú)所不能的3D打印在風(fēng)靡一時(shí)之后，再一次遵循了令人無(wú)可奈何的技術(shù)成熟度曲線。近年來(lái)，3D打印一次次被熱炒，也一次次考驗(yàn)著人們的耐心。

事實(shí)上，世界上到處都是前途無(wú)量、卻從未真正推廣的技術(shù)。那些成功普及的技術(shù)，往往得益于外部事件。無(wú)疑，對(duì)于3D打印來(lái)說(shuō)，新冠疫情正是那個(gè)外部事件。

事實(shí)也確實(shí)如此，根據(jù)國(guó)內(nèi)B2C跨境電商平臺(tái)全球速賣(mài)通的數(shù)據(jù)顯示，疫情以來(lái)該平臺(tái)上3D打印機(jī)的銷(xiāo)售額和去年相比已經(jīng)翻了一番，盡管今年3D打印機(jī)的海外倉(cāng)備貨大幅增加，但疫情之下這些備貨已被搶空。其中，4月份中國(guó)3D打印設(shè)備產(chǎn)量同比大幅增長(zhǎng)344．7％。

3D打印何以如此？隨著技術(shù)的逐步成熟，3D打印又是否春天將至？從小眾走向大眾，3D打印還有什么未經(jīng)之路？

3D打印有所為

3D打印，顧名思義，三維打印。相較于常見(jiàn)的二維平面打印，3D打印有所同，也有所不同。

不論是二維平面打印還是三維立體打印，本質(zhì)上都是一種打印技術(shù)。不同的是，平面打印最后以平面形狀的方式將文件內(nèi)容打印出來(lái)。除了傳遞信息，平面打印并不具備實(shí)際的功能。相比于平面打印的文件，3D打印卻可以直接實(shí)現(xiàn)功能。

3D打印需將想要打印的物品的三維形狀信息寫(xiě)入到3D打印機(jī)可以解讀的文件，再等3D 打印機(jī)解讀文件后，以材料逐層堆積的方式打印出立體形狀。可以說(shuō)，三維的形狀就是功能的基礎(chǔ)，打印出了形狀，也就打印出了功能。

此外，與“減材制造”相對(duì)，3D打印又稱(chēng)為“增材制造”。對(duì)于現(xiàn)階段的制造業(yè)來(lái)說(shuō)，目前通常所使用的材料加工技術(shù)多為“減材制造”技術(shù)，即對(duì)原材料進(jìn)行去除、切削、組裝等加工，使原材料具備特定的形狀并可執(zhí)行特定的功能。而“增材制造”則直接將原材料逐層堆積成特定的形狀，以實(shí)現(xiàn)特定的功能。

增材制造工作過(guò)程主要包括三維設(shè)計(jì)和逐層打印兩個(gè)過(guò)程：先通過(guò)計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型分區(qū)成為逐層的截面，指導(dǎo)打印機(jī)逐層進(jìn)行打印。相比于傳統(tǒng)的減材制造方式，增材制造無(wú)疑具備很多優(yōu)勢(shì)。

一是縮短生產(chǎn)制造的時(shí)間，提高效率。用傳統(tǒng)方法制造出一個(gè)模型通常需要數(shù)天，這根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜程度而定，而用三維打印的技術(shù)則可以將時(shí)間縮短為數(shù)小時(shí)。因此，相比減材制造而言，增材制造尤其適合制造形狀復(fù)雜的零部件。當(dāng)然，這也受其打印機(jī)的性能以及模型的尺寸和復(fù)雜程度的影響。

二是提高原材料的利用效率。與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比，增材制造機(jī)制造金屬時(shí)只產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。隨著打印材料的進(jìn)步，“凈成形”制造可能成為更環(huán)保的加工方式。

三是完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)以提升產(chǎn)品性能。傳統(tǒng)減材制造方式在復(fù)雜外形和內(nèi)部腹腔結(jié)構(gòu)的加工上具有局限性，而增材制造可以通過(guò)進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造來(lái)提升產(chǎn)品性能，在航空航天、模具加工等領(lǐng)域具備減材制造方式無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

比如，一臺(tái) 3D 打印機(jī)可以打印出許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同的零件。對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)床生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，要加工不同形狀的零件，需要對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整。因此，增材制造尤其適合定制化的、非批量生產(chǎn)的物品。

事實(shí)上，一開(kāi)始，3D打印主要是在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于某些產(chǎn)品或零部件的直接生產(chǎn)制造，包括在航空航天、工程施工、醫(yī)療、教育、地理信息系統(tǒng)、汽車(chē)等垂直領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

2015年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）基于3D打印技術(shù)，打印出航空火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的頭部。這使得零件大量減少，焊縫也隨之減少，降低了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障概率的同時(shí)，使得迭代周期縮短、成本降低。

在迪拜，政府選擇用3D打印來(lái)建造政府大樓。3D打印建筑主要作業(yè)由機(jī)器完成，一體成型，建筑速度快，工人的作用多為操作和檢驗(yàn)3D打印機(jī)的工作情況，因此對(duì)人力的需求比傳統(tǒng)建筑行業(yè)少。

2019年，以色列特拉維夫大學(xué)宣布該學(xué)校實(shí)驗(yàn)室3D打印出了一顆“心臟”，這不僅是一個(gè)外觀打印的心臟，這是世界上第一個(gè)利用患者自己的細(xì)胞和生物材料3D打印出的三維血管化的工程心臟，也就是具有血管組織的三維人造心臟。

而今年5月我國(guó)首飛成功的長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭上，搭載著我國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船，船上還搭載了一臺(tái)“3D打印機(jī)”。這是我國(guó)首次太空3D打印實(shí)驗(yàn)，也是國(guó)際上第一次在太空中開(kāi)展連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印實(shí)驗(yàn)。

顯然，隨著技術(shù)的逐步成熟，3D打印也不斷展現(xiàn)著其商業(yè)價(jià)值，但在從小眾走向大眾前，3D打印仍然面對(duì)一些懸而未決的困境。

3D打印的未經(jīng)之路

當(dāng)3D打印逐漸地走進(jìn)人們的生產(chǎn)生活中時(shí)，人們也在一步步在把萬(wàn)物皆可打印推向現(xiàn)實(shí)，巨大發(fā)展前景和廣闊應(yīng)用空間令行業(yè)期待。但是同時(shí)，作為一項(xiàng)快速發(fā)展的技術(shù)，要想發(fā)揮3D打印的積極影響，仍有很長(zhǎng)的路要走。

一方面，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的加工，3D 打印的規(guī)模效益不如傳統(tǒng)的加工方式。相比傳統(tǒng)的加工方式來(lái)說(shuō)，3D 打印制造過(guò)程中的固定成本更少，這導(dǎo)致在規(guī)?；a(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品時(shí)，3D打印制造的邊際成本下降不如傳統(tǒng)的加工方式。

比如，使用傳統(tǒng)的注塑方式加工一個(gè)橡膠零部件，所使用的模具屬于固定成本。由于產(chǎn)品是標(biāo)準(zhǔn)化的，批量加工該零部件時(shí)，就使得每個(gè)零部件分?jǐn)偟脑擁?xiàng)固定成本變小。因此，利用該模具加工的零件趨向于無(wú)限多，則每個(gè)零部件均攤的成本趨近于0；而如果利用3D打印加工該零部件，不需要用到任何模具，因此即使用該技術(shù)批量加工完全相同的零部件，也不存在均攤的固定成本降低的情況。

另一方面，對(duì)于3D打印來(lái)說(shuō)，當(dāng)前可用的原材料種類(lèi)仍然有限。從當(dāng)前的情況來(lái)看，3D打印技術(shù)能加工的材料種類(lèi)不如傳統(tǒng)加工方式多，主要有兩個(gè)原因：一是由于對(duì)于性質(zhì)不同的原材料，往往使用的設(shè)備原理有所不同，因此可以使用的原材料種類(lèi)的開(kāi)發(fā)，受限于對(duì)應(yīng)的設(shè)備研發(fā)進(jìn)展。

二是由于 3D 打印的原材料往往需要特定的形態(tài)，例如金屬 3D 打印常使用金屬粉末作為原材料，且對(duì)金屬粉末的均勻度、含氧量、顆粒大小等都有所要求。相對(duì)于型材來(lái)說(shuō)，粉末的加工難度更高，且相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈尚不如傳統(tǒng)材料那樣廣泛而龐大。

而對(duì)于利用ABS 塑料、光敏樹(shù)脂等非金屬進(jìn)行的打印來(lái)說(shuō)，目前市場(chǎng)上已經(jīng)有比較多的原材料供應(yīng)商，原材料的成本已經(jīng)不是制約該技術(shù)發(fā)展的瓶頸。但對(duì)于金屬、高端聚合物材料來(lái)說(shuō)，由于供應(yīng)產(chǎn)能的限制，價(jià)格仍然比較昂貴。

此外，3D打印的零部件力學(xué)性能以及金屬 3D 打印在加工精度、表面粗糙度、加工效率等方面仍有空間精進(jìn)。同時(shí)，成品是否堅(jiān)固耐用，用戶認(rèn)知度是否提升，知識(shí)產(chǎn)權(quán)是否面臨更多的侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)都是3D打印在發(fā)展過(guò)程中必經(jīng)卻未經(jīng)之路。

3D打印承載未來(lái)制造想像

從3D打印的商業(yè)應(yīng)用和市場(chǎng)化來(lái)看，經(jīng)過(guò) 30 多年的發(fā)展，3D 打印行業(yè)已經(jīng)形成一條比較完成的產(chǎn)業(yè)鏈。包括上游的制造 3D 打印設(shè)備所需的零部件、打印過(guò)程中所使用的各類(lèi)原材料、設(shè)計(jì)和逆向工程所需要的軟硬件；中游的3D打印設(shè)備及服務(wù)，下游的航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療、教育等下游應(yīng)用領(lǐng)域。

事實(shí)上，無(wú)論在全球范圍內(nèi)還是我國(guó)市場(chǎng)內(nèi)，3D打印的行業(yè)規(guī)模都呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。據(jù)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)Wohlers Associates統(tǒng)計(jì)，2013年全球 3D打印行業(yè)總產(chǎn)值為30．3億美元，2018年達(dá)到了96．8 億美元，5 年間的復(fù)合增速達(dá)26．1％。該機(jī)構(gòu)同時(shí)預(yù)測(cè)，從2019年－2024年間，全球3D打印行業(yè)仍將保持著年均 24％左右的復(fù)合增速。

相比全球平均水平，我國(guó)3D 行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模增速更高，2013年國(guó)內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模僅 3．2億美元，2018年規(guī)模達(dá)23．6億美元，5年的復(fù)合增速達(dá)49．1％。預(yù)計(jì)2023年，我國(guó)3D打印行業(yè)總收入將超過(guò) 100億美元。

顯然， 3D 打印已逐漸從導(dǎo)入期步入成長(zhǎng)期，而疫情無(wú)疑加速了這一進(jìn)程。3D打印的不受空間的制約，能夠縮短供應(yīng)鏈流程，生產(chǎn)效率更高，并且制造門(mén)檻也更低，這就為擺脫供應(yīng)鏈提供了可行方案。于是，受海外醫(yī)療防護(hù)物資緊缺影響，利用3D打印設(shè)備制作出的口罩、醫(yī)用面罩、護(hù)目鏡等一時(shí)間成了“救場(chǎng)奇兵”。

其中，國(guó)內(nèi)消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)制造商創(chuàng)想三維，既是這一波3D打印風(fēng)潮中的獲益者，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)3D打印行業(yè)的主要參與力量。創(chuàng)想三維3月出貨量達(dá)5萬(wàn)多臺(tái)，4月初接到訂單近16萬(wàn)臺(tái)，4月銷(xiāo)售額2．2億元。此外，閃鑄、愛(ài)用科技、光華偉業(yè)、潮闊電子等出口型3D企業(yè)也反饋了更多積極消息。

事實(shí)上，許多技術(shù)創(chuàng)新站在取得突破的門(mén)檻上，但其中卻少有幾項(xiàng)技術(shù)有望逆轉(zhuǎn)生產(chǎn)率增長(zhǎng)的下降。但3D打印不同——它從設(shè)計(jì)上就是一種有助于提高生產(chǎn)率的工具。如果將3D打印和機(jī)器人結(jié)合起來(lái)，它的影響將會(huì)更大。機(jī)器人在3D空間中非常靈活，而3D打印機(jī)可以構(gòu)建復(fù)雜的東西。將這兩者結(jié)合起來(lái)，沒(méi)有理由不能從零開(kāi)始構(gòu)建任何結(jié)構(gòu)。

過(guò)去四十年里，我國(guó)制造業(yè)經(jīng)歷了由復(fù)蘇向崛起的快速發(fā)展，總量規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型加快，綜合頭力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力顯著增強(qiáng)。在制造業(yè)飛速發(fā)展至工業(yè)4．0 智能制造的今天，智能制造最大的挑戰(zhàn)，也從數(shù)量過(guò)渡到了質(zhì)量。大規(guī)模定制、開(kāi)放式創(chuàng)新與智能化工廠，這些變化也將是3D打印智能制造最直接的體現(xiàn)。

3D打印技術(shù)承載了人們對(duì)未來(lái)制造模式的無(wú)限想象，是數(shù)字時(shí)代人類(lèi)技術(shù)積累到一定階段所孕育出來(lái)的新技術(shù)，3D打印技術(shù)賦予了人類(lèi)對(duì)未來(lái)的巨大想象。在未來(lái)，傳統(tǒng)制造的物理限制和空間限制將不再那么重要，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)將更加扁平化、更加開(kāi)放。

責(zé)任編輯：xj