学术：三维打印的现状与未来
今日荐文的作者为同济大学现代制造技术研究所专家张曙。本篇节选自论文《三维打印的现状与未来》，发表于《中国电子科学研究院学报》第8卷第6期。下面和小编一起开始学习吧~
3DP的工作原理类似办公用喷墨打印机，不过喷出的不是墨水，而是粘结剂、液态的蜡、塑料或树脂。按照喷出的材料不同，可以分为粘结剂打印、熔融蜡打印和熔融塑料涂覆（FDM）。如果把打印头换成激光头，激光烧结（SLS）、光固化树脂（SLA）和激光熔融（SLM）也可以视为三维打印的特例，所以广义的三维打印一词包含了大多数增材叠层制造技术，更加从宏观上进行系统思考，也便于公众对新技术的理解和接收。
三维打印既与从毛坯上去除多余材料的切削加工方法完全不同，也与借助模具锻压、冲压、铸造和注射等强制材料成形的工艺迥然有异，是一种“增材”成形技术。具体成形过程是根据三维CAD模型，经过格式转换后，对零件进行分层切片，得到各层截面的两维轮廓形状。按照这些轮廓形状，用喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔性材料，或用激光束选择性地固化一层层的液态光敏树脂，或烧结一层层的粉末材料，形成每一层截面两维的平面轮廓形状，然后再一层层叠加成三维立体零件增材叠层制造的先驱是美国人Chuck Hull，1983年他发明了借助光敏树脂固化叠层制作实体的方法，数年后付诸了工业应用，创建了3D Systems公司，开创了直接数字制造的新时代。随之，先后出现了FDM、SLS、和3DP等几十种不同的增材叠层制造。
这一高潮的出现，除了三维打印的独特潜在优势外、还由于近年取得的成本突破和材料突破以及应用领域的急剧扩大。与此同时孕育着和开始隐现出新的商务、生产模式以及新的生活方式。
三维打印的优势和技术突破
1.1 三维打印的特点和优势
三维打印是一种直接数字化制造（Direct Digital Manufacturing）从三维实体CAD模型，可直接制造出产品，减少或省略了毛坯准备、零件加工、装配等中间工序，以及昂贵的刀具或模具。
三维打印制造的是完全定制的、个性化的独特产品，可做到仅此一件，百分之百按照订单制造。同时，在没有售出之前，是数字储存在计算机里，无需仓库。
三维打印的产品在没有售出之前是用数字发运的，仅是CAD文件在互联网上传输，费用极微。三维打印不仅是按需制造，而且是“就地”制造（Local Manufacturing），即在使用地点制造，或在你家里制造，虚拟运输大大节约、甚至舍弃了物流成本。
三维打印可以最大限度地发挥材料的特性，只把材料放在有用的地方，减少材料的浪费。传统的制造方法往往由于难以加工，产品的结构大多并不合理。采用三维打印无需考虑产品的工艺性，结构和形状是否复杂对三维打印来说不重要。这给设计师提供了无限的创造空间和创意遐想。
1.2 价格突破
福特发明了流水线，使T型车的售价降到950美元，从而汽车进入了家庭，拉开了大量生产方式的序幕。今天，一台数千元PC机的性能可与30年前上千万的计算中心相当，所以PC机无所不在。新技术往往只有在价格下降千百倍以后，才能得到真正普及。
10年前，三维打印机售价数万到数十万美元，今天，如图1所示的家用三维打印机仅需万元人民币左右，供家庭打印玩具、摆设、装饰品、家庭用具和各种业余爱好物品。在未来3~5年内，家用三维打印机完全可能降到2000~3000人民币，相当于一台iPad。
图1 家用三维打印机
1.3 材料突破
过去，三维打印大多仅能打印树脂或塑料一类的软材料。今天，不仅可以打印钛合金一类的高强度材料，还可以打印陶瓷和玻璃，甚至打印混凝土制品、食品和生物细胞。例如，欧洲航天和防务公司（EADS）创新工作组三维打印出来的钛合金飞机起落架零件与传统工艺制造同样功能的零件比较如图所示。
图2 三维打印机和传统方法制造零件的比较
从图中可见，零件的结构设计更加合理、重量更轻、材料更节省。对航空航天产品来说，每减少1kg，都将带来产品性能的极大提高和巨大的经济效益。
再如，2013年北京科博会展示的由北京航空航天大学团队为主研制的飞机钛合金大型复杂整体构件激光快速成型技术开创了大型结构件三维打印的新纪元，其案例之一如图3所示，
图3 三维打印的钛金飞机结构件
三维打印的应用领域
2.1 家居和生活用品
一种新技术如果能够进入家庭，无疑其市场前景就是巨大的。由于没有制造过程的限制，设计师可以充分发挥想象力和创造力，设计出独一无二的艺术品、灯饰、家具、首饰，使家庭充满个性化的艺术氛围。另外，借助家用三维打印机自己可以随时打印所需的日常用品，包括鞋子、发夹、首饰、玩具等等，大大增加了生活的方便性和趣味性，如图4所示。
图4 三维打印的家居和生活用品
2.2 可运行的机械
借助三维打印不仅可以制作固定不动的产品，还可以制作有相互运动机构或部件的物体，如轴承、啮合齿轮或其他机构。EADS英国公司的创新工作组为了验证其实用性，制作了第一辆全部由高强度尼龙粉末激光烧结三维打印部件合成、可以骑的自行车，命名为AirBike。
图5 EADS制作的AirBike
为了验证相对运动的可控性，英国南安普敦大学（University of Southampton）制作了第一架三维打印出机翼可控、内桁架结构的模型飞机，如图6所示。
图6 三维打印出机翼可控的模型飞机
2.3 混凝土打印和房屋快速建造
在建筑领域，三维打印除用于制作复杂的、大型的、超现代创意的建筑模型外，还可用于房屋的快速直接建造。美国南加州大学（University of South California）和英国拉夫堡大学（Loughborough University）对陶瓷制品和混凝土构件三维打印进行了多年研究，并已用于房屋的快速建造。
南加州大学的三维打印房屋原理及其在巴基斯坦地震救灾时的应用案例，如图。
图7 房屋三维打印及其原理
从图中可见，龙门架可在拟建房屋的两侧轨道上行走，横梁上有横向和上下移动的混凝土“打印头”，一层层打印出中空结构的墙壁。不仅可以打印直线墙壁，还可以打印任意弧线的墙体或抗震的拱形结构。建造的速度很快，一天就能够打印一幢小楼。
2.4 人体植入物
三维打印在医疗领域的应用日益广泛。除了口腔科用于制作齿冠外，骨科的创伤修复将成为热点。目前的人体植入物是标准化的，而不是个性化的，在许多情况下并不适合每个患者的需要。三维打印人体植入物的另一优点是能够制作与骨骼结构相似的植入物，即非实体的、具有层次结构的人造骨骼，更容易与人体组织交融，缩短康复过程。此外，将患者的CT扫描文件，传输给专门的人造骨骼专业公司，即可很快地获得定制的骨骼，及时为患者进行手术，避免延误。下颚骨修复和股骨头修复的两个案例如图8所示。
图8 三维打印的人体植入物
2.5 生物打印
打印人体组织和器官的研究正在如火如荼地进行中，并取得令人瞩目的成果，例如，三维打印的心脏和肝脏都已列入研究项目。完全可以预测，将来总会有一天，人造器官会进入医院的手术室，拯救更多的生命。现在的难点在于人造器官的血管如何才能与人体血管连接，进入人体血液循环。
生物打印机的基本原理是首先制作一个塑料框架和血管支架。然后将活细胞和干细胞按照一定排列注入，经过一定时间培养和生长后，形成活组织或器官，如图9所示。
图9 生物打印细胞结构举例
还有许多新奇的应用，例如打印可吃的蛋糕、可演奏的乐器、可发射子弹的手枪等等，不一一列举。
对经济、生产和生活的影响
三维打印不仅正在改变物品制造的方法，更加重要的不仅技术本身，而是它对社会的冲击，引起一系列的变革，可能成为新工业革命的导火索。
3.1 创意商店
三维打印与目前所谓的大量定制不同。戴尔储备了各种计算机部件，不过仅仅按照用户需要进行模块化组装而已，仍然需要库存和复杂的供应链。
三维打印改变人们购买物品的过程，人们不再走进商店挑选有限款式的商品，而是在网上挑选接近你喜好的样式，进行修改，直到满意为止。例如Freedom of Creation--FOC公司是一家三维打印创意物品公司，在网上出售创意的灯饰、家具、首饰等，但是没有实体货品（也许在实体展厅仅有一件样品），因而没有库存，FOC公司的首饰网页如图10所示。
图10 虚拟的创意商店
3.2 销售创意设计的商店
既然三维打印机即将进入家庭，但并非每个人都是设计师，能够设计出创意的物品，那么你可以向设计公司购买创意产品的CAD文件，下载后再家里打印。或者反过来你有创意的设计，就可以挂到网上去销售。例如，Thingiverse公司就是销售创意的公司，如图11所示。
图11 销售创意设计的公司
3.3 专业打印服务公司
你没有打印机或者你的三维打印机不够好，就可以把创意产品的文件，传给专业打印服务公司，委托他们打印。美国Shapeways是一家著名的专门打印服务的公司，其网页如图12所示。其实，这样的公司不仅在国外有，北京的三维打印社、上海美唐机电科技就是这样的本地公司。
图12 Shapeways公司的网页
三维打印的局限和未来发展
4.1 三维打印的局限
三维打印仍然是处于成长过程的技术，还不够成熟，目前主要用于个性化的单件生产。三维打印的主要局限如下：
1）三维打印与塑料注射机等成熟的大批量成形技术相比，生产成本过高。与传统切削加工技术相比，产品的尺寸精度和表面质量相距较大。三维打印目前只能算一丝曙光，真正达到大规模应用产生效益，还需要很长的时间发展和积累。
2）目前的金属三维打印构件都不能直接形成符合要求的零件表面，它都必须经过表面的机械加工，去除表面多余的，不连续的，不光滑的金属，才能作为最终使用的零件。
3）材料的可选择范围可能是最大的障碍，目前可以用于三维打印的材料不超过100种，而在工业中应用的材料可能已经超过10000种，且三维打印材料的物理性能尚有待于提高。
4）三维打印直接成形的金属零件在制作过程中因为反复经受局部接近熔点温度受热，内部热应力状态复杂，成形体中容易夹杂空穴，未完全熔融的粉末和胚体缺陷等，应力处理和控制还不能满足要求，严重影响了成形件的强度。
5）三维设计技术的普及关系到三维打印能否进入家庭。市场正在呼唤孩子们能够操作和喜爱的软件，打印物品要成为新一代计算机游戏，引起孩子的兴趣，发挥儿童的创造性，才能有无限光明的未来。
4.2 三维打印的未来
三维打印之所以受到人们如此重视，焦点并非这项技术的本身，而是它可能引发的社会和经济变革。
三维打印能够改变商务模式的潜在能力是，一家公司可具备快速提供价格合理而符合个性需求物品的能力，无需拥有已经制造出来而没有售出的物品仓库，实现真正意义上的零库存。只有接到订单和收到付款以后才进行就地及时制造，几乎没有经营风险。唯一的风险仅仅在于产品设计的时间和费用，而非产品的运输和库存。
三维打印的优势还在于将产品设计与产品制造分离成为不同的行业。三维打印产品的设计和制造可以极其方便地分别外包给不同的公司。例如，设计师可委托三维打印公司制造、发运他的作品，收集客户的反应。反之，用户可以向设计公司购买设计，从网上下载所喜爱产品的CAD文件，在自己家里打印或委托专业公司打印。
这样的愿景要成为生活中的普遍现实，必须克服三维打印产品目前存在的成本、精度和强度的局限。三维打印的材料的价格目前是传统材料的10倍，甚至100倍。目前三维打印产品的尺寸精度是十分之几毫米，要达到微米级还有很长的路要走。
可以预见，5年以内将会出现三维打印的完整供应链，不仅是设计一方，而更大的变化将是生产领域，出现大量提供CAD/CAM设计的公司，供最终用户下载，在家打印产品或委托专业公司打印。
随着三维打印技术的进步，高性能、高质量、低价格材料出现以及CAD/CAM软件的普及，将会出现一大批专业的、个体的三维打印企业。从长远来看，如果三维打印的尺寸精度提高10倍，尺寸范围增加10倍，制品的尺寸稳定性、耐热性和防潮性大幅度提高，才能获得更加广泛的工业应用。
结 论
新工业革命的核心是数字化网络化制造，是基于互联网的商务和生产模式，以更多的虚拟活动取代现实活动，减少资源的消耗和浪费，保护环境，使人们和子孙后代能够生活得更好。
三维打印在很大程度上体现和顺应了这一潮流，从而对未来社会、经济、生产、教育将产生一定影响。但不能够把三维打印看作就是新工业革命，过分夸大它的作用，没有互联网，没有新材料，没有人们观念的变化，三维打印仅仅是制造物品的一种新工艺。
在新一轮的工业革命中，三维打印扮演的角色是一个车轮，而绝非整个火车头，其作用不能过分夸大。
本文发表于《中国电子科学研究院学报》第8卷第6期，版权归学报所有，阅读全文请联系我们。
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