3D打印和快速成型是加式制造行业的重要组成部分，正如计算机之于信息行业。快速成型相当于上世纪60年代的专用和大型计算机，而3D打印则是上世纪70年代的个人PC和苹果台型计算机。3D打印的原理为叠层加式制造，将打印材料在X-Y平面通过扫描形式描绘出3D模型的截面形状，然后通过在Z轴方向上做间断单个层面厚度的位移，最终形成立体实物。

       3D打印技术是以3D模型为蓝本，通过软件将3D模型进行分层离散化处理，由数控成型系统利用激光束、紫外线、热熔等方式将树脂、陶瓷粉末、塑料等特殊材料在X-Y平面进行逐层成型扫描，并在Z轴进行堆积黏结，最终叠加成实体产品。由其定义知，3D打印属于加式制造范畴。而传统制造业属于减式制造范畴，即通过模具、车铣等机械加工技术与工具将原材料转化成产品的工艺过程，其特征为利用缩削、减少材料来生产部件。与传统制造业相比， 3D打印不需要复杂的工艺，不需要庞大的机床，不需要众多的人力，不需要冗长的流水线作业，直接通过计算机3D模型数据，便可由打印机生产任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

3D打印技术发展史

        3D打印技术是实现加式制造的一种方式。在很多文献中，将加式制造等同于3D打印技术。加式制造的主要特征就是利用逐层增加材料的方式生产各种产品，无须模具，因此也被称为无形制造技术（Freeform Fabrication，简称FF或FFF）。加式制造的思想也是自古有之。从远古时期至今，房舍楼宇的构建技术始终体现了加式制造的思想。工业时代早期，就有许多加式制造的技术和专利出现。根据美国学者所查出的世界上相关加式制造专利和技术，现代的加式制造有两个源头：照相雕塑（Photosculpture）技术和地貌成型（Topography）技术，分别始于1860年法国人Willeme的多照相机实体雕塑专利和1890年美国人Blanther的分层应急地貌图专利。我们认为，照相雕塑更接近从3D模型数据产生物体的过程，因此更能体现加式制造的思想。特别是1951年Munz的专利，十分清楚地展示了现代立体印刷（Stereolithography）的特征。

       现代加式制造技术直接起步于1968年Swainson的专利、1972年Ciraud的专利和1979年Housholder的专利，分别开创了激光三维聚合成型、直接粉末沉积和粉末激光烧结等加式制造技术。一般认为，1972年德国人Ciraud提出的利用激光能量光束进行粉末沉积，实现分层叠加成型的技术，是世界上第一个成功的现代加式制造过程。从上世纪80年代起，各种各样的加式制造技术大量出现，并在许多领域里进行了创造性的应用，形成今天的加式制造，特别是3D打印技术的新局面。从上世纪80年代起，各种各样的加式制造技术大量出现，并在许多领域里进行了创造性的应用，形成今天的加式制造，特别是3D打印技术的新局面。

三种常用3D打印技术

       目前常用的3D打印技术有三种：光固法(SLA)，熔融沉积法(FDM)和激光选区烧结法(SLS).

1.光固法

       原理：光固法技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光的照射下迅速发生光聚合反应，材料从液态转变成固态。在打印的时候，成型平台周围有一个液体槽，槽里面充满了可以紫外线照射固化的液体，紫外线激光会从底层做起，固化最底层的，然后平台下移，固化下一层，如此往复，直到最终成型。

       优点：分层精度高，可达到0.016mm；表面粗糙度小；原材料利用率高。

       缺点：只能使用光敏树脂，材料成本高；不易物理性能测试，适用外形评估、间接模具；使用环境有气味，微毒，需要很好的通风条件。

2.熔融沉积法

       原理：将打印材料（PLA/ABS）在230℃至260℃的高温下熔化成液态，这些液体材料通过喷嘴挤出后立即固化，固化的材料逐层叠加最终形成实物。

      优点：适用的材料较多；可在办公室环境下操作。

      缺点：成型的实物表面较粗糙，需做后期处理；Z轴因分层原因可能会产生一定误差；ABS材料相对PLA材料对温度较敏感，成型平台需加热，否则容易产生形变；ABS材料有气味，微毒，需在通风条件下打印；需要材料支撑。

3.激光选区烧结法

       原理：利用粉末材料成型，将粉末材料平铺在成型平台上，用高强度的激光器在刚铺平的粉末材料层上扫描出3D模型的截面，材料粉末在激光照射下被烧结在一起，形成实物的截面，然后再平铺新一层粉末材料，如此逐层激光烧结，最终形成实物。

       优点：适用多种材料，如塑料、蜡、金属粉末等；可直接制造特殊、复杂功能的模型；一次可成型多个模型。

       缺点：成型中未烧结的材料性能会有部分下降，需掺入部分新材料后方能适用；使用环境有轻微粉尘，无毒，需通风。

国外3D打印发展到什么程度

        3D打印技术在美国已经形成产业化，目前美国3D打印市场主要分为两类公司。

        一类是以生产研制打印机为主的公司，如3D Systems，Stratasys，MarkerBot，Formlabs等，其中3D Systems是全球最大的3D打印机生产商，该公司不仅提供打印机，还出售打印机配套的原材料、相关软件，并为客户提供培训，涉及的行业包括模具、医疗、教育、珠宝、建筑等。

       另一类则是以3D打印机为基础，以服务大众为主的社会制造公司，其中最著名的两个公司为Shapeways和Quirky。

       Shapeways公司于2007年创立于荷兰，后将总部移至美国纽约市，截至目前，公司已获得两轮投资，第一轮金额为510万美元，第二轮为620万美元。2012年10月，该公司在纽约皇后区的“未来工厂”投入运营。“未来工厂”就是50台工业3D打印机，通过Facebook和Twitter等社会媒体，接受客户的各种产品的三维设计方案，并在数天内完成产品的打印生产，然后寄送给客户。同时，该公司还为商家和设计者设立平台，使他们可以利用公司的3D打印机生产并销售自己设计或收集的产品，目前该公司已有近15万个平台会员，6000余名设计者，至2012年6月20日，已经打印了100多万个3D产品。

       Quirky公司于2009年成立于美国纽约，至今已获近亿美元的风险基金。Quirky的特色是众包：公司通过Facebook和Twitter等社会媒体接收公众提交的产品设计思路，并由公司的注册用户进行评论和投票表决，如此每周挑选出一个产品进行3D打印生产，参加产品设计和修正过程的众包人员可分享30%的营业额。公司还进一步将众包设计改进的过程同时转化为通过社会媒体来推荐相应产品的过程，创造性地拓展了销售市场。目前，该公司每年仅生产60种产品，产品的提交费由最初的99美元降至现在的约10美元，公司的注册用户每月以20%的速度增长，已达30万人，而网上社区注册用户达26万。公司有望今年获利100万美元，已向发明者支付了200多万美元的授权费。Quirky的一个成功例子是一位中学生所设计的“Pivot Power”插线板，今年已获50万美元的净收入，该中学生的收入超过5万美元。#p#分页标题#e#

       尽管美国在3D打印的整体技术上领先全球，但在基础研究设施、研发组织和政府支持上，欧盟明显领先。首先，欧盟在政府研发方面的投入力度要大于美国（不计不公开的国防军事投入），著名的大型合作项目包括英国的加式制造创新中心、欧盟第六框架项目大航空航天组件快速生产RAPOLAC（Rapid Production of Large Aerospace Components，大型航空航天部件快速生产），全程专注航空航天的SMD（Shaped Metal Deposition，成型的金属沉积）技术等等。其次，欧洲工业界也主动组织形成3D打印产业群，共同开发加式制造的市场。一度形成原始创新技术源于美国，但其后的研发和应用及商业化却是由欧盟等国家完成的局面。

       近几年来，美国明显加大、加快了对3D打印技术研发的组织力度，但仍然是以企业和大学及科研机构等半政府、半民间的组织为主导力量。2009年，以美国相关大学为主的“加式制造路线（RAM）研讨会”就未来5到10年的技术发展进行了广泛的讨论，并发表了较有影响的路线图研讨报告。根据这一报告的建议，由爱迪生焊接研究所（EWI）牵头于2010年成立“加式制造共同体AMC（Additive Manufacturing Consortium）”，试图将相关的制造商与供应商同大学与研究机构联结成为一个互动良性发展促进的生态组织，共同解决3D打印技术中还存在着的大量问题。AMC目前已有30余家企业、研究所、大学、军方和政府等机构成员，以金属材料的加式制造技术为主，每季度活动一次。目前，AMC整合EWI及其成员的设备、技术和专业知识，初步构成了一个分布式、网络化的加式制造“国家实验平台中心NTBC（National Test Bed Center）”。AMC和NTBC的使命就是提高3D打印加式制造技术的成熟度，促进相应的产业投资，在全美范围内将这一新兴的制造方式早日转化为主流的制造方式。自2011年起，AMC每年都向其会员发布加式制造的现状报告。此外，近三年来美国政府、军方及企业还多次组织了3D打印技术的有奖挑战大赛，希望以此加速相关技术的发展、应用和普及。

中国四大3D打印公司

       国内从事3D打印的相关企业，从军用到民用，从高端到低端可分为以下四家，分别是：中航激光、华曙高科、太尔时代、维示泰克。

       中航激光是中航重机子公司，成立于2011年7月，注册资本1亿元。中航激光主要发展激光快速成型技术，以钛合金等金属粉末为原料，通过激光熔化逐层沉积（“生长制造”），直接由零件CAD模型一步完成高性能大型整体结构件的成型。目前公司已经在做一些钛合金、高温合金产品，现在做的都还是军用品，首先立足航空，然后向其他方向拓展，专注高端产品。公司产品已经应用于中国多款新型军用飞机上。2011年已实现营业收入1亿元。据兴业证券保守估计，中航激光2015年将实现8亿元左右销售收入。

       湖南华曙高科技有限责任公司是一家集科研、开发、生产和销售于一体的高新技术企业，公司成立于2009年10月，注册资本5750万元。从事基于激光技术的塑胶、金属、陶瓷产品无模具智能制造等领域的经营。公司采用低成本的产品制造技术并通过合理的采购与分销渠道管理进行成本控制，使到达顾客手中的产品真正成为性价比极优的产品。目前，华曙高科年营业额近300万元，其中出口额近100万元。

       北京太尔时代科技有限公司是一家具有丰富生产和市场经验的高新技术企业，主要从事快速成型系统、快速制模设备以及专用耗材的开发、设计、生产和销售。公司成立于2003年，注册资本450万元，现有占地8000多平方米的生产基地。公司目前已成为快速成型设备制造领域的龙头企业，产品覆盖国内26个省市，并远销欧洲、中亚。公司产品广泛服务于工业制造、航空航天、动漫设计、医疗、教育等多个领域。

       深圳维示泰克技术有限公司，由留德博士于2011年5月份创立，是国内首家专业从事于个人3D打印机、3D教学仪器、3D打印耗材、三维成型产品的开发、生产、销售的高科技企业。维示泰克是国内个人3D打印机领域内的领头企业。公司总部位于国内著名的高科技企业孵化中心深圳留学生创业大厦的最顶层。同时，公司在湖北还拥有550亩专业的耗材生产基地。公司注册资本100万元，年营业额近500万元。

3D打印与社会制造

        2012年9月19日，著名科技杂志《Wired》的主编Anderson以危言耸听般的标题“The New MakerBot Replicator Might Just Change Your World（新的MakerBot Replicator或将改变你的世界）”描述了新型3D打印机的进展情况。根据该报道，MakerBot公司新推出的低端3D打印机Replicator 2的价格仅为2199美元，高端的Replicator 2X也只有2799美元；并且，几年后价格可能会降到99美元；届时，每个人都将拥有3D打印机，比计算机还要普及。在2011年美国加式制造现状的许多报告中，3D打印的个人使用和世界范围的应用已被列为最新的发展趋势。

       这意味着“长尾效应”常态化将在生活和产业中成为现实，意味着个性化的规模化和经济化，意味着社会制造时代的来临：在这个时代里，社会需求将同社会制造能力实时无缝地衔接，搜索就是制造，搜索就是生产，搜索就是消费。原因十分简单，减式制造依靠规模生产降低成本，但绝大多数的需求并不需要规模生产，属长尾范围，过去只能由手工制作或归为奢侈品来满足，而现在可以通过3D打印技术高质量且经济地解决。3D打印成本的下降和应用的普及，意味着加式制造的Microsoft、Oracle、Yahoo、Amazon、Google、QQ、阿里巴巴、Facebook、Twitter和微博时代的同时到来。正如Google依靠大规模的计算机服务器阵列来满足人们信息搜索的需求，从而改变人类生活与工作方式一样，我们可以设想未来的3D打印机组成大规模的制造阵列，实时方便地满足人类对各种个性化产品的物质需求，进而更加深刻地改变我们生活的社会。

       社会制造最大的特色就是消费者可以将需求直接转化为产品，即“从想法到产品”，并使得任何人都能通过社会媒体和众包等形式参与设计、改进、宣传、推广、营销等过程，并可以分享其产品的利润。简言之，社会制造就是利用3D打印、网络技术和社会媒体，通过众包等方式让社会民众充分参与产品的全生命制造过程，实现个性化、实时化、经济化的生产和消费模式。

发展瓶颈及应用前景

        3D打印的发展瓶颈可归为如下四个因素：一是原材料因素：能够用于3D打印的材料非常有限，主要为塑料、陶瓷等容易塑形的材料，而且很多材料的强度和硬度都无法达到预期。二是价格因素：目前大多数个人3D打印机售价在2万元左右，一些国内仿制品价格可以低到5000元左右甚至更低，但其打印精度和质量很难保障。高精度3D打印机价格非常昂贵，一般售价在几十万到几百万元之间。三是打印前后期处理：对于一个非专业的设计人员，设计富有个性化的模型需耗费大量时间，并在打印过程中需要对模型反复调整和修改。除此之外，通常打印完成后，对于打印的成品还需进行一些后续处理，如打磨、烧结、组装或切割等，需要大量的手工工作。四是缺乏行业标准：目前国内生产PLA和ABS材料的厂家有数十家，对于同一型号的3D打印机，选取不同厂家的材料打印出来的产品质量大不相同，且3D打印机生产商一般都捆绑式出售3D打印材料，缺乏打印原材料的统一标准，导致打印材料价格和成本很难降低，难以形成产业链。#p#分页标题#e#

        未来5-10年，随着技术的不断进步及市场需求的不断扩大，3D打印将对许多相关行业带来影响和冲击。

        对软件行业来说，3D打印使3D模型设计者成为主流设计人群，形成3D设计师职位；3D制图软件的种类会越来越多，操作会更加简单化；在线协同制作3D模型变得日常化，类似于office软件一样普及；关于3D广告设计与3D模型的安全存储等业务将会引起人们的重视。

       对材料行业来说，通过目前打印材料提供商之间的竞争和市场规律的作用，最终将会形成3D打印材料的统一标准，形成一个规范的3D打印材料的产业链。3D打印的材料种类会不断增加，材料的成型性能将不断改进，以满足不同行业的需求。

       对自动化行业来说，随着3D打印技术的不断发展，3D打印机对控制算法的要求会越来越高。为了能提高模型成型的质量，同时降低成型的时间，现有的控制算法将被逐步改进或取代。并且为了能使3D打印机支持多种材料打印，相关的配套硬件需要重新设计。

（作者李双双系中国科学院自动化研究所博士生，王飞跃系中国科学院自动化研究所研究员。田春玲编辑，工作邮箱：tianchunling@wxjt.com.cn）