3D打印庐山面目

3D打印热由来

　　3D打印实际上是对一系列“增材制造”技术的总称。所谓增材制造，是指不经过车、铣、钻等传统“减材”切削加工，而是通过堆叠材料来直接形成最终产品的一种制造理念。这和平面打印机技术并无关联，为什么会得到一个3D打印的美名呢？

　　这要归功于1990年由美国麻省理工学院申请的专利“三维印刷技术”。该学院的四名科研人员从喷墨打印机原理出发，研制出一种能在平铺着“塑料”粉末的平面上喷洒各种颜色“胶水”的打印机。当打印生成一层平面后，在平面上薄薄地铺一层新粉末，再继续打印。打印完毕后，吹走多余的粉末，就能得到一个彩色的实体物品。

　　自这项专利见诸报端后，所有的增材制造技术就逐渐被媒体统称为3D打印了。运用麻省理工学院的这个专利，一些企业造出了按三维空间位置制造产品的“打印机”。其打印过程新增数字化三维模型构建，用处理软件生成不同高度的模型横截面图，将图形转化为打印控制代码。最终，3D打印机通过执行这段代码，逐层打印、固化，生成理想中的物品。

　　3D打印既缩短了生产时间，又减少了原材料浪费，还能做出减材制造做不出来的超复杂结构。

　　既然3D打印技术大多是上世纪研发成功的，为何从2012年起才受到如此大规模的高度关注？原因见仁见智，但桌面级开源（用于客户端且开放源代码的）3D打印机在其中起到重要作用。

　　以Reprap（三维打印原型机）为代表的桌面级3D打印机，作为开源硬件通过“创客运动”（使用数字工具设计制造产品并通过互联网分享成果）在全球呈现爆炸性增长。特别是1992年取得美国专利的“熔融沉积成型技术”（FDM）在2009年过期后，以美国Makerbot公司为代表的一批硬件创业公司开始大规模销售廉价的开源FDM 3D打印机，并鼓励用户复制、改进相关设计，最终把FDM 3D打印机带到普通大众身边，也让媒体、政府、相关领域的科研和工业界人士对3D打印有了更深的理解。

　　挑破泡沫

　　目前国内外对于3D打印的热捧导致某些报道有点玄乎，比如能直接打印汽车、打印肾脏云云。在了解以上3D打印信息之后，让我们再以一种冷静的眼光重新审视这些“神技”吧。

　　美国、加拿大公司联合研制的所谓“3D打印车”Urbee已问世一年有余。它是一种两人乘坐的三轮混合动力车，其主要动力为电力，辅以燃料乙醇，目标是成为最绿色的汽车。可惜媒体报道时通常偏离其环保目标，而称它为“第一辆完全通过3D打印制造的车”。真是这样吗？事实是现在仍无法仅通过3D打印的方式制造汽车里的关键部件，比如电机。这辆车全身上下唯一用3D打印来制造的部分只有外壳而已。Urbee团队本想用玻璃钢制造车外壳，但在对比后选择了FDM 3D打印技术。最终，他们通过2500小时打印，得到50个零件并组装出了Urbee的外壳。

　　由此可见，3D打印并不意味着将车的设计文件输入机器，就能够无中生有造出一台功能完整的车。就连宝马、现代等传统车商，迄今也刚刚做到用FDM 3D打印技术加速开发新型方向盘和仪表面板。

　　现在看来，想用3D打印作为生产方式来取代大规模生产不太可能。且不说3D打印技术目前尚且不具备直接生产像汽车这样复杂的混合材料产品，即使该技术在未来取得长足进步，完全打印一辆车只怕要耗时好几个月，在成本上远远高于大规模生产车时均摊到每辆车上的成本。所以，对于生产有大量刚性需求的产品来说，具有规模经济优势的大规模生产仍比重点放在个性化、可定制的3D打印生产方式更加经济。

　　不过，也正因为这个原因，在某些生产规模无法达到“汽车”规模经济效应的领域，3D打印正逐渐成为主力生产方式之一。飞机工业就是一个典型。由于飞机产量较小，结构复杂，用传统制造方式成本高昂，浪费原料，周期很长。因此，波音公司正借助3D打印生产某些零件，并已装配到美国空军现役战机上；中国西北工业大学正尝试用“电子束热熔”技术制造飞机用钛合金零件；2012年度中国国家技术发明一等奖获奖项目正是“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”。

　　在需要高度定制化的某些医疗领域，3D打印也可以大展拳脚！今年3月初，一位美国患者借助3D打印技术及计算机断层扫描/磁共振成像数据，用美国“牛津高性能材料”公司的生物兼容塑料替换了自己75%的受损颅骨。

　　无独有偶，美国男孩卢克因膀胱频繁渗尿，导致肾功能受损。美国威克森林再生医学研究所曾用3D打印技术为卢克定制了膀胱模子，并使其自身细胞在模子内发育成可发挥膀胱功能的器官。这个人造器官让卢克避免了终生依赖透析的命运。但这种打印技术目前还无法制成有实用价值的肾脏等结构、功能更复杂的器官，此前媒体盛传的3D打印肾脏还深藏在实验室中，不能植入人体。目前，威克森林研究所正尝试利用喷墨打印机原理，用细胞替代墨水，直接打印制造人体组织和器官。

　　此外，3D打印技术还可用于博物馆展品复制、个性化玩具及首饰定制等等需要精确仿造或异想天开的设计等领域。

　　悬疑待解

　　3D打印虽好，但还不是一种像传统平面打印那样人人可用的技术。抛开价格不谈，设计三维模型这个技能就不是人人都能掌握。虽然Makerbot Digitizer等廉价3D扫描仪已经问世，但其主要功能是复制现有物品，3D打印粉丝们则更希望创造全新物品。

　　即便有了三维模型后，在逐层打印时仍需针对预设结构，调整被打印物的朝向和打印参数，这道工序需要丰富的3D打印经验才能较好完成。此外，已达实用水平的所有3D打印技术，在打印完成后都需做各种后期处理：比如用水溶解或者人工剥离支撑材料；冲洗零件表面多余的光敏树脂；甚至通过烤制去除混入材料的连接剂。

　　但是也别灰心。以生产吸尘机器人Roomba闻名于世的美国iRobot公司今年初提交了一项专利申请，提出简化3D打印设想：如果能让在任意位置、摆出任意角度的工业机器人作为打印平面，就能消除目前主流打印技术对支撑结构的依赖，在逐层打印时就无需考虑朝向或参数问题。等这个专利所描述的机器人面世那一天，任何人都有望像操作平面打印机一样操作3D打印机了。不过值得关注的是，3D打印也有“双刃剑”效应。如果生活是一部电影，编剧就一定会让大反派利用3D打印来制造武器，这已不是影视作品的夸张渲染了。美国德州大学奥斯汀分校的学生科迪?威尔逊就以设计、分享可供3D打印的枪支零件为己任。依据美国法律，击发并自动退壳的步枪下机闸是受管制部件。但威尔逊使用“光固化立体造型”打印技术制成下机闸,并与其他美境内可自由购买的步枪零件组装成一把仿AR-15自动步枪。在历经两次改进和第三版设计后，该步枪在打光预存的600余发子弹后完好无损。也许威尔逊有一天会因此进监狱，但正如媒体惊呼，难道“已经没有人能阻止互联网传播这些武器设计了吗”？

　　目前来看，虽然作为生产方式，3D打印还难以取代大规模生产而成为最主流的生产方式，但却能满足散布在世界各地的种种个性化需求；作为快速原型制造工具，3D打印使得硬件创新更加容易，带动了硬件的复兴；作为一种思想，3D打印让我们看到了科幻作品中描述的未来科技成真的曙光；作为一种制造几乎任何物品的能力，3D打印让我们对“自由”重新思考。