§3D打印為何物

3D打印發展概況

1.3D打印的起源

過去三百年來，在歐美等國發生了兩次工業革命，促進了資本主義的發展和工業生產技術的革新。出於科學研究和產品設計的需要，一種名為“3D打印”的快速成型技術也在18到19世紀開始萌芽，威廉姆光刻實驗室也就在這段時期開展了商業探索。遺憾的是，由於受到技術的限製，這種設想在當時並沒有獲得突破性的進展。到了20世紀80年代，3D打印技術才在商業領域獲得真正意義的發展，湧現了幾次3D打印技術浪潮。2007年，開源的桌麵級3D打印設備發布，開始醞釀了新一輪的3D打印浪潮。2012年4月，英國著名經濟學雜誌《經濟學家》將“第三次工業革命”作為封麵文章（圖2-1），掀起了新一輪3D打印浪潮。

從3D打印技術的發展曆程來看，Blanther（1892）首次提出用層疊成型法來製作地形圖的構想，Perera（1940）也提出了可以沿等高線輪廓切割硬紙板然後層疊成型製作三維地形圖的方法。Matsubara（1972）基於紙板層疊技術率先提出了一種新的成型方法，即嚐試使用光固化材料、光敏聚合樹脂塗於耐火顆粒，然後這些顆粒將被填充到疊層，加熱後會生成與疊層對應的板層，光線有選擇地投射到該板層上將指定部分硬化，未掃描部分將會使用化學溶劑溶解掉，這樣板層將會不斷堆積直到最後形成一個立體模型，這樣的方法適用於製作傳統工藝難以加工的曲麵。Swainson（1977）提出可以通過激光選擇性照射光敏聚合物的方法直接製造立體模型，與此同時Battelle實驗室的Schwerzel也開展了類似研究工作。日本學者Nakagawa（1979）開始用薄膜技術製作出落料模、注塑模和成型模等實用工具。Hideo　Kodama（1981）首次提出了一套功能感光聚合物快速成型係統的設計方案。Charles　W.Hull（1982）試圖將光學技術應用於快速成型領域，並於1986年成立了3D　Systems公司，研發了後來成為CAD/CAM係統接口文件格式工業標準的STL文件格式，1988年推出了世界上第一台基於SLA技術的商用3D打印機SLA-250（如圖2-2所示）——體積非常大的“立體平板印刷機”。盡管SLA-250身形巨大且價格昂貴，但它的麵世標誌著3D打印商業化的起步。Scott　Crump（1988）發明了另一種3D打印技術即熔融沉積快速成型技術（Fused　Deposition　Modeling,　FDM），並於1988年成立了專門從事3D打印業務的Stratasys公司。

C.　R.Dechard（1989）在德克薩斯大學奧斯汀分校發明了選擇性激光燒結工藝（Selective　Laser　Sintering,　SLS），該技術得到廣泛應用並支持尼龍、蠟、陶瓷，甚至金屬等多種材料成型，從而使3D打印生產走向多元化。1992年，Stratasys公司推出了第一台基於FDM技術的3D打印機——“3D造型者（3D　Modeler）”，這標誌FDM技術進入商用階段。MIT的Emanual　Sachs（1993）發明了三維印刷技術（Three-Dimension　Printing，3DP），3DP技術使用粘接劑把金屬、陶瓷等粉末粘合成型。

到了1995年，快速成型技術被列為我國未來十年十大模具工業發展方向之一，國內的自然科學學科發展戰略調研報告也將快速成型與製造技術、自由造型係統以及計算機集成係統研究列為重點研究領域之一。1996年，3D　Systems、Stratasys、Z　Corporation各自推出了新一代的快速成型設備Actua　2100、Genisys和Z402，此後快速成型技術便有了更加通俗的稱謂——“3D打印”。1999年，3D　Systems推出了售價80萬美元的SLA　7000。2002年，Stratasys公司推出Dimension係列桌麵級3D打印機（如圖2-3所示），Dimension係列價格相對低廉，主要也是基於FDM技術以ABS塑料作為成型材料。

2005年，Z　Corporation推出世界上第一台高精度彩色3D打印機Spectrum　Z510，讓3D打印走進了彩色時代。2007年，3D打印服務創業公司Shapeways正式成立，Shapeways公司建立起了一個規模龐大的3D打印設計在線交易平台，為用戶提供個性化的3D打印服務，深化了社會化製造模式（Social　Manufacturing）。2008年，第一款開源的桌麵級3D打印機RepRap發布，RepRap是開源3D打印機研究項目，由英國巴恩大學Adrian　Bowyer團隊在2005年立項，得益於開源硬件的進步與歐美實驗室團隊的無私貢獻，桌麵級的開源3D打印機為新一輪的3D打印浪潮翻起了暗湧。2009年，Bre　Pettis帶領團隊創立了著名的桌麵級3D打印機公司——Makerbot（如圖2-4所示），Makerbot的設備主要基於早期的RepRap開源項目，但對RepRap的機械結構進行了重新設計，發展至今已經曆幾代的升級，在成型精度、打印尺寸等指標上都有長足的進步。

Makerbot承接了RepRap項目的開源精神，其早期的產品同樣是以開源的方式發布，在互聯網上能非常方便地找到Makerbot早期項目所有的工程材料，Makerbot也出售設備的組裝套件，此後國內的廠商便以這些材料為基礎開始了仿造工作，國內的桌麵級3D打印機市場也由此打開。

2012年，英國《經濟學家》雜誌將“第三次工業革命”作為封麵文章，全麵地掀起了新一輪的3D打印浪潮。2012年9月，3D打印的兩個領先企業Stratasys和以色列的Objet宣布進行合並，交易額為14億美元，合並後的公司名仍為Stratasys，進一步確立了Stratasys在高速發展的3D打印及數字製造業中的領導地位。2012年10月，麻省理工大學的Media　Lab團隊成立Formlabs公司並發布了世界上第一台廉價的高精度SLA消費級桌麵3D打印機Fom1（圖2-5），從而引起了業界的重視。此後在著名眾籌網站Kickstarter上發布的3D打印項目呈現出百花齊放的盛況。國內的生產商也開始了基於SLA技術的桌麵級3D打印機研發。

同期，中國3D打印技術產業聯盟正式宣告成立，其由亞洲製造業協會聯合清華大學、北京航空航天大學和華中科技大學等權威科研機構以及3D行業領先企業共同發起。國內關於3D打印的門戶網站、論壇、博客如雨後春筍般湧現，各大報刊、網媒、電台、電視台也爭相報道關於3D打印的新聞。2013年12月8日，在南京也成立了由80家高校、院所、企業參加的“3D打印產業技術聯盟”，西安交通大學的盧秉恒院士擔任理事長，西北工業大學的黃衛東教授等擔任副理事長。

2013年，3D打印位列《環球科學》即《科學美國人》中文版評選的“2012年最值得銘記、對人類社會產生影響最為深遠的十大新聞”的第九名。

2014年12月12日，全球最大的分布式3D打印服務平台3D　Hubs在匯集了來自全球各地2279位經過認證的3D打印機用戶的評論的基礎上，發布了《2015年3D打印機指南（2015　3D　Printer　Guide）》，把3D打印機分成了五個不同的類別：發燒級類（Enthusiast）、即插即用類（Plug-n-Play）、套件/DIY類（Kit/DIY）、經濟類（Budget）和光敏樹脂類（Resin）。

2.3D打印行業發展

3D打印技術在藝術設計、航空航天、地理信息、軍工、醫療和消費電子產品等多個領域都得到了應用。美國的技術谘詢服務協會Wohlers專門從事增材製造技術，根據其公布的2011年度報告，2010年3D打印技術行業的銷售額是13.25億美元，市場的年均複合增長率達到24.1%，該公司預計至2020年，增材製造市場可能達到52億美元。與此不同的是，全球工業分析公司（GIA）給出了保守的預測，認為2018年該市場將達到30億美元的規模。Wohlers的“2011年度報告”分析了增材製造技術在各行業的應用情況，消費品/電子占20.62%，汽車占17.92%，醫療/牙科占15.92%，工業/商用機器占12.91%，航空航天占9.91%，科研占7.91%，政府/軍事占6.31%，建築/地理占4.00%，增材製造技術主要應用功能是功能模型、直接數字/快速製造、裝配模型、快速模型原型、直接教具、金屬鑄造模型、展示模型、科研教育和工模具模型，分別占19%、15%、13%、12%、12%、9%、8%、6%和3%；美、日、德、中等國成為3D打印設備的主要設備擁有國，分別占41%、10%、9%和6%。

3.3D打印核心企業

對於3D打印機行業，從全球來看，在市場中占據絕大多數份額的是美國的兩家公司，它們分別是3D　Systems和Stratasys。此外，在此領域具有較強技術實力和特色的企業/研發團隊還有美國的Fab@Home和Shapeways、英國的Reprap等。3D　Systems是世界上第一家生產3D打印設備的公司，也是全世界最大的快速成型設備開發公司。2011年11月，在3D　Systems公司收購了Z　Corporation（3D打印技術的最早發明者和最初專利擁有者）之後，3D　Systems占據3D打印領域的龍頭位置。2010年Stratasys公司與傳統打印行業的巨頭惠普公司簽訂OEM合作協議，生產HP品牌的3D打印機。繼2011年5月收購Solidscape公司之後，2012年4月Stratasys又與以色列著名3D打印係統提供商Objet宣布合並。當前，國際3D打印機製造業正處於快速的整合和迅速的兼並過程中，呈現出加速崛起行業巨頭的態勢。

各代表企業采用的工藝、材料和麵向市場情況如表2-2所示。增材製造技術工作組及其路線圖如表2-3所示。

4.3D打印學術發展

國外有關快速製造、增材製造和3D打印研究的學術會議和專業刊物都已經出現。1991年，Dagton大學主辦的“快速製造國際會議”（Int.Conf.on　Rapid　Prototyping）是最早的3D打印學術會議。1996年，美國**E協會的RPA分會主辦的Int.Conf.on　Rapid　Prototyping　and　Manufacturing會議則側重於快速成型技術的應用，同時進行商業展覽，參加會議人數達610人。歐洲和日本也相應舉辦了快速製造、3D打印技術（Rapid　Prototyping　and　Manufacturing）年會。快速製造、3D打印技術己成為許多國際會議的熱點主題。己創刊的快速製造、3D打印技術專業雜誌有美國CAD/CAM雜誌的每月新聞通訊Rapid　Prototyping　Reports，美國MCB大學出版的1995年創刊的Rapid　Prototyping　Journal和美國RPA協會季刊Rapid　Prototyping。概括起來，這些會議和雜誌涉及新的快速製造、3D打印技術方法和工藝、新材料開發、快速模具製造、製件精度、軟件及新應用等。

美國3D打印產業發展的經驗

美國是當今世界能夠製造高精尖裝備的大國之一，也是現在3D打印技術的發源地。無論是在產業發展上，還是在技術上，目前美國都處於遙遙領先的地位。美國3D打印產業發展的成功經驗具有如下幾個方麵：

1.充分的市場競爭

當前，美國的3D打印技術工藝包括立體光刻、選擇性激光燒結、三維打印及熔融沉積製造等，這些技術均掌握於美國企業。全球的3D打印市場競爭十分激烈，美國企業要想獲得市場份額也必須通過市場競爭。也正是通過參與激烈的市場競爭，從而使美國誕生了3D　Systems公司和Stratasys公司兩大巨頭。

2.完善的配套產業

3D打印產業的發展離不開配套產業的支撐，尤其是3D打印所需的CAD軟件和打印材料。美國3D打印的配套產業非常發達，不僅能夠提供3D打印機，而且基本上都能夠為客戶提供一體化的3D打印解決方案。美國的CAD軟件產業以及熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末等打印材料都比較發達，從而為美國的3D打印企業提供了有力的支撐。

3.強大的政府資助

鑒於3D打印技術及其產業展現出對傳統製造業的革命性突破，美國聯邦政府對此給予了高度重視和大力的財政支持。2012年3月，美國總統奧巴馬批準，以10億美元投資設立國家製造業創新網絡（The　National　Network　for　Manufacturing　Innovation,　NNMI）。由15個不同地區的製造業創新研究所構成的國家製造業創新網絡，采取“官產學”方式進行合作，以加強美國製造業的創新，提升美國在全球的競爭力。NNMI首當其衝納入考慮的範疇即是增材製造，2012年8月，美國建立國家增材製造創新研究院（National　Additive　Manufacturing　Innovation　Institute,　NAMII）。美國俄亥俄州的揚斯敦商業孵化器是首個獲得NAMII資格的機構，國家航空和航天局、國防部、商務部、能源部和國家科學基金會五家聯邦機構總共投入300萬美元，西弗吉尼亞州、賓夕法尼亞州和俄亥俄州政府及工業界配套投入400萬美元。西弗吉尼亞州、賓夕法尼亞州和俄亥俄州技術帶總共有32000家製造業企業，是全美的第三大製造業中心（僅次於德克薩斯州和加利弗尼亞州），這些企業都在揚斯敦商業孵化器的輻射範圍之內。

4.協會的長期推動

全美製造工程師學會（The　Society　of　Manufacturing　Engineers,　**E）在很大程度上推動了美國3D打印技術的應用和產業化。該學會作為全球3D打印技術的年度盛會RAPID的組織者，快速技術和增材製造（Rapid　Technologic　and　Additive　Manufacturing,　RTAM）團體就是由其在20世紀80年代中期開始建立，並由該團體積極推動3D打印技術的應用和產業化。

5.健全的技術標準

基於美國測試和材料協會（American　Society　for　Testing　and　Material,　ASTM）的基礎，ASTM　International逐步發展起來，成為全球自願達成的工業標準的主要製定者。2009年，ASTM　International設立一個委員會，被稱為F42委員會，TC261是其在國際標準組織150的對應機構，目的是專門負責增材製造技術。2011年，ASTM和150簽署合作協議，將共同推動3D打印技術的國際標準工作。近兩年來，在雙方的合作下，3D打印的技術標準得到不斷完善，成為推動3D打印技術應用和產業化規範發展的重要推動力量。

6.發達的金融支撐

強大的風險投資基金和發達的金融支持是美國創新的重要組成部分，也是推動3D打印產業不斷發展和壯大的重要原因。3D打印產業的形成和發展都得到了美國風險投資基金的支持，一是在Stratasys成立伊始，創始人通過向風險資本出售35%的公司股權，獲得了120萬美元的風險投資，對企業發展發揮了重要的推動作用；二是2011年3D　Systems購買了一家公司的全部股權，並斥資1.37億美元收購另外一家公司，2013年又收購了3D模型設計公司的軟件企業。

7.強大的市場需求

3D打印設備是當前3D打印技術中一種常見的終端應用產品，融合了許多高精尖技術。初期在生產規模比較小的時候，單個打印設備的價格比較高，市場需求也比較小，除了少部分打印機用於科學研究、科普展覽等領域外，大多數的買家主要是一些大型製造企業。如Stratasys公司在剛成立時，由於找不到適合的市場，於是專門為通用汽車、3M、Prat＆whitney等大客戶量身定做了3D打印設備，使得企業才開始有了起步的動力，並由此開辟了3D打印設備的市場。可見，大型製造企業的強大市場需求是美國3D打印設備能夠實現產業化的重要推動力。

8.整合的技術路線

3D打印設備要能夠正常的工作，需要許多與之相配套的產業，這就需要及時對相關的技術和產業進行整合，從而不斷提高3D打印設備的技術水平和功能。比如美國，在開發3D打印技術的過程中，既有專業的3D打印技術企業如Stratasys和3D　Systems，也有一大批掌握了這項技術的大型製造企業。在這種情況下，就需要通過購買股權等方式對不同的技術路線進行有效的整合。Stratasys和3D　Systems公司就是通過不斷的整合，從而實現公司的發展壯大。

中國3D打印的發展曆程

1.艱難起步

3D打印技術在中國興起於上個世紀八九十年代，此時，也正是美國和日本3D打印產業真正成規模發展的時期。1988年10月，被認為是中國快速成形技術的先驅人物之一的清華大學顏永年教授，結束在美國加州大學洛杉磯分校訪問之後，回到國內，開始專攻3D打印。他建立了清華大學激光快速成形中心，並多次邀請美國學者來華講學。顏永年希望能從美國引進設備進行研究，但設備太貴，顏永年不得已找到美國3D　Systems的代理商——香港殷發公司尋求合作。雙方達成協議，設備由香港殷發公司提供，人員和場地等由清華大學提供，成立了國內第一家3D打印公司——北京殷華快速成型模具技術有限公司。

被視為國內3D打印業另一先驅人物的西安交通大學教授、中國工程院盧秉恒院士，在1992年赴美做高級訪問學者時發現快速成形技術在汽車製造業中的應用，回國後隨即轉向這一領域。1994年，西安交通大學成立了先進製造技術研究所，從做軟件開發起步，進而試製紫外激光器、材料開發，最終研製出一台具有基本功能的樣機。1995年9月18日，在國家科委論證會上，盧秉恒的樣機獲得了很高的評價，同時也爭取到了“九五”國家重點科技攻關項目250萬元的資助。1997年國內第一台光固化快速成型機由盧秉恒團隊銷售出。從此，依托西安交通大學的陝西恒通智能機器有限公司成為國內供應SLA光固化工業型成型機的第一家企業。

同期，華中科技大學的王運贛教授在美國參觀訪問中，接觸到了剛問世不久的快速成型機。最初，王運贛想從最早出現的基於光敏樹脂原料的光固化立體成型技術做起。然而，該實驗的成本太高。一方麵是液態光敏樹脂材料價格太高，國際市場價格大約是每公斤2000元人民幣，做一次實驗至少要6000元以上。另一方麵是快速成型設備也很貴，僅機器上的一個激光器就要3萬美元。在時任校長、已故著名機械製造專家黃樹槐的主持下，快速製造中心在華中科技大學成立，轉攻基於紙原料的分層實體製造技術（LOM）。1994年，國內第一台基於薄材紙的LOM樣機由快速製造中心研製出，1995年在北京機床博覽會上引發巨大反響。LOM技術製作衝模，大大縮短生產周期，相比傳統方法，節省了大約二分之一的成本。在此階段，光固化技術、分層實體製造等技術蹣跚起步，在打印產品模型和鑄造用蠟模等領域開始使用，但尚未直接製作出功能零件。

2.直接製造

1995年，西北工業大學教授黃衛東在學生做激光熔覆實驗上得到啟發，提出了一個新想法：結合3D打印技術和同步送粉激光熔覆，形成一種新技術；這種技術能夠用於直接製造致密金屬零件，可以承載高強度力學的載荷，適合用於生產飛機發動機零件。1997年，航空科學基金首次設立重點項目，在評審組長左鐵釧的支持下，黃衛東團隊的“金屬粉材激光熔凝的顯微組織與力學性能研究”項目，順利得到通過。

同年，國家自然科學基金對黃衛東的激光定向凝固研究項目也進行了資助。2000年以後，對於激光立體成型的立項，國家自然科學基金、863計劃、973計劃等也開始支持。這個研究成果，很快應用在新型航空發動機的研製中。2001年，關於激光立體成型的源頭創新，黃衛東團隊申請了中國的第一批專利。到目前，已獲12項激光立體成形的材料、工藝和裝備等相關的國家發明和實用新型專利。

對於這方麵的研究工作，基於快速自由精確成型和高強度控製的目標，並以同步實現這兩個目標為總體思路，北京有色金屬研究總院、華中科技大學、清華大學、北京工業大學和北京航空航天大學等先後開始展開。1998年，華中科技大學快速製造中心引進了選擇性激光燒結技術和選擇性激光熔化技術，這兩項技術由史玉升專門負責。目前這是能夠直接得到金屬件最成功的方法，具有典型的代表性的就是美國3D　Systems公司采用的粉末燒結技術——金屬粉末和有機黏結劑相混合。史玉升使用聚苯乙烯粒料替代尼龍粉末作為激光燒結材料，從而解決了研發激光燒結設備及其合適的粉末材料的課題，並於1999年造出了第一個產品——計算機鼠標外殼。2010年，史玉升研製出工業級的1.2米×1.2米快速製造裝備，超越了美國3D　Systems公司和德國EOS公司的同類產品，成為全球該類裝備的最大工作麵。如今，1.4米×1.4米工作麵的快速製造裝備正在研製中，以滿足重要行業整體快速製造大型複雜製件的要求。

另外，基於航空發動機和大型飛機等國家重大戰略需求的考慮，對於相關關鍵構件激光成型工藝、成套裝備和應用關鍵技術，北京航空航天大學教授王華明團隊在國際上實現了首次的全麵突破，使得中國成為目前全球唯一掌握大型整體鈦合金關鍵構件激光成型技術、並對裝機工程成功實現應用的國家。

1998年，清華大學的顏永年又將生命科學領域引入快速成形技術，“生物製造工程”學科概念和框架體係即是由其提出的。2001年生物材料快速成型機被研製出，這為製造科學提出了一個新的發展方向。之後，生物製造被西北工業大學、華中科技大學等多家單位看成重要的方向。2001年，西安交通大學與第四軍醫大學合作完成了世界首例人類下頜骨3D打印修複手術。

3.產業化難題

相對於科研的艱難推進，3D打印技術在中國的商業推廣更為艱難。華中科技大學教授史玉升最開始推廣3D打印技術時曾被當作“騙子”。後來，經過多次參加各種交流會，史玉升的團隊派教師、博士後和研究生到生產現場，尋求與企業通力合作，努力與企業裏的技術人員一起攻關，使得這項成果逐步獲得企業的認可。到2011年，史玉升團隊的3D打印設備才被更多企業接納，尤其是被歐洲空客公司等單位選中，聯合承擔了歐盟框架下的七個項目，為歐洲航天局和空客等單位，製作衛星、飛機、航空發動機用大型複雜鈦合金零部件的鑄造蠟模。但是，2011年中國裝機量僅占全球9%的份額。雖然中國的3D打印技術在某些領域已經領先全球，但商業化滯後、規模較小，尚未形成產業鏈。