权威解读，让国人充分了解3D打印技术的实质及发展瓶颈

华南理工大学机械与汽车工程学院刘斌教授

本文深度介绍3D打印技术，从概念原理到发展瓶颈，以及与传统制造行业的发展关系。使国人充分了解3D打印技术的实质及存在的本质问题，从而做到客观、公正、冷静、充分地了解3D打印技术。

自2012年以来，3D打印技术出现了新一轮的研究开发热度期，并且，其热度远远大于第一次的热度。在这次热度中，3D打印技术的研究与应用如火如荼，对3D打印技术的宣传几乎做到了妇孺皆知。下面由华南理工大学机械与汽车工程学院刘斌教授为大家权威解读3D打印技术，使国人充分了解3D打印技术的实质及存在的本质问题，从而做到客观、公正、冷静、充分地了解3D打印技术。

本文采用问答形式，对3D打印技术中存在的十几个关键问题进行了思考与回答，以共飨读者。

目录:  
1、什么叫3D打印技术
定义
3D打印技术原理   
3D打印技术的主流工艺介绍
2、3D打印技术的优点及缺点是什么
3D打印技术的优点
3D打印技术的缺点
3、为什么3D打印技术只有到上世纪80年代末才开始出现商品化的设备
4、为什么说材料是3D打印技术的核心
3D打印材料分类   
3D打印材料的基本性能
5、为什么说3D打印不能用于批量化生产        
6、为什么说3D打印不能替代传统的制造工艺        
7、为什么说3D打印技术不能替代传统的制造产业        
8、为什么说3D打印只是增材制造技术的一个分支
9、为什么说3D打印技术的服务市场有限
10、为什么3D打印技术又出现新的一轮火热
11、为什么说有人称3D打印技术能带来“第三次工业革命”
12、3D打印技术的关键技术及瓶颈是什么
3D打印技术的关键技术
3D打印机的发展瓶颈
13、3D打印技术的发展方向及趋势是什么
14、3D打印技术的真实市场定位是什么
15、3D打印技术与传统制造技术的关系是什么

1、什么叫3D打印技术？

1.1定义

3D打印（ThreeDimension Printing，简称3DP）技术，是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造或增材制造（AdditiveManufacturing，简称AM）技术，以前称为快速成型（RapidPrototyping，简称RP）技术。

作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、精密机械、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备，它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。

3D打印技术，从狭义上来说，主要是指增材成型技术；从成型工艺上看，3D打印技术突破了传统成型方法，它通过快速自动成型系统与计算机数据模型结合，无需任何附加的传统模具制造和机械加工，就能够制造出各种形状复杂的原型，这使得产品的设计生产周期大大缩短，生产成本大幅下降。

1.2 3D打印技术原理

3D打印技术【以前被称为快速成型、快速成形】是上世纪80年代末期开始商品化的一种高新制造技术，它有不同的英文名称，如RapidPrototyping（快速原型制造、快速成型、快速成形）、FreeformManufacturing（自由形式制造）、AdditiveFabrication（增材制造）等，常常简称为RP。该技术将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体（如图1所示）。

图1  快速成形——多种先进技术的集成

3D打印技术的原理是：依据计算机上构成的工件三维设计模型（图2（a）），对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓（图2（b））。按照这些轮廓，成形头选择性地固化一层层的液态树脂（或切割一层层的纸，烧结一层层的粉末材料，喷涂一层层的热熔材料或粘结剂等），形成各个截面轮廓（图2（c））并逐步顺序迭加成三维工件（图2（d））。

图2  三维—二维—三维的转换

3D打印技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法——部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件，而采用全新的“增长”加工法——用一层层的小毛坯逐步迭加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合，因此，它不必采用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法的10％～30％的工时和20％～35％的成本，就能直接制造出产品样品或模具（图3）。由于3D打印技术具有上述突出的优势，所以近年来发展迅速，已成为现代先进制造技术中的一项支柱技术，是实现并行工程（ConcurrentEngineering，简称CE）的必不可少的手段。

左图（a）传统加工；右图（b）快速成形

图3  传统加工与快速成形的比较

1.3 3D打印技术的主流工艺介绍

3D打印技术的主流工艺介绍如下：

（1）分层物体制造（LaminatedObject Manufacturing，简称LOM）
这是历史最为悠久的3D打印技术之一，也是最为成熟的3D打印技术之一。
LOM技术自1991年问世以来得到了迅速的发展。由于该工艺多使用纸材、PVC片材等薄形材料，价格低廉且成型精度较高，因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造等方面应用广泛。其成型原理如图4所示。

图4  分层物体制造工艺原理图

分层物体制造系统主要包括计算机、数控系统、原材料存储与运送部件、热粘压部件、激光切系统、可升降工作台等部分组成。其中，计算机负责接收和存储成型工件的三维模型数据，这些数据主要是沿模型高度方向提取的一系列截面轮廓。原材料存储与运送部件将把存储在其中的原材料（底面涂有粘合剂的薄层材料）逐步送至工作台上方。激光切割器将沿着工件截面轮廓线对薄层材料进行切割，可升降的工作台能支撑成型的工件，并在每层成型之后降低一个材料厚度，以便送进将要进行粘合和切割的新一层材料，最后热粘压部件将会一层一层地把成型区域的薄层材料粘合在一起，就这样重复上述的步骤，直到工件完全成型。

（2）立体光固化成型（StereoLithography Apparatus，简称SLA）

又称立体光刻成型。该工艺最早由美国CharlesW. Hull于1984年提出并获得美国国家专利，是最早发展起来的3D打印技术之一。CharlesW. Hull在获得该专利后两年便成立了3DSystems公司，并于1988年发布了世界上第一台商用3D打印机SLA-250。

SLA的工艺耗材是光敏树脂。SLA工艺以光敏树脂作为成型材料，在计算机的控制下，紫外激光将对液态的光敏树脂进行扫描，从而让其逐层固化成型。SLA工艺能以简洁且全自动的方式制造出精度较高的几何立体模型。SLA的基本原理如图5所示。

图5  立体光固化成型工艺原理图

在图5中，液槽里会先盛满液态的光敏树脂，氦-镉激光器或氩离子激光器发射出来的紫外激光束，在计算机的操纵下，按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描，这使扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化，从而形成工件的一个薄层。当一层树脂固化完毕后，工作台将下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面上再覆盖一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的激光扫描固化。

新固化的一层将牢固地粘合在前一层上，如此重复，直至整个工件层叠完毕，这样最后就能得到一个完整的立体模型。

当工件完全成型后，首先需要把工件取出并把多余的树脂清理干净，接着还需要把支撑结构清除掉，最后还需要把工件放到紫外灯下进行二次固化。

（3）熔融沉积成型（FusedDeposition Modeling，简称FDM）

它是继LOM和SLA工艺之后发展起来的一种3D打印技术。

该技术由ScottCrump于1988年发明，随后ScottCrump创立了Stratasys公司。1992年，Stratasys公司推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——3DModeler，这也标志着FDM技术步入商用阶段。

熔融沉积又被称为熔丝沉积。它将丝状的热熔性材料进行加热融化，通过带有微细喷嘴的热喷头把材料挤出来。热喷头可以沿X、Y方向进行移动，工作台则沿Z轴方向移动，熔融的丝材被挤出后，随即会和前一层材料粘合在一起。一层材料沉积完成后，工作台将按预定的增量下降一个高度，然后重复以上的步骤，直到工件完全成型。其原理如图6所示。

热熔性丝料（通常为ABS或PLA等热塑性材料）先被缠绕在供料辊上，由步进电机驱动辊子旋转，丝料在主动辊与从动辊的摩擦力作用下，向热喷头的喷嘴送出。在供料辊和热喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成，以便丝料能够顺利准确地由供料辊送到热喷头的内腔。热喷头的上方有电阻丝式加热器，在加热器的作用下，丝料被加热到熔融状态，然后通过热喷嘴把熔融材料挤压到工作台上，材料冷却后便形成了工件的一个截面。

图6  熔融沉积成型工艺原理

采用FDM工艺制作具有悬空结构的工件原型时，需要制作支撑结构。为了节省材料成本和提高成型效率，新型的FDM设备采用双喷头设计，即：一个喷头负责挤出成型材料，另一个喷头负责挤出支撑材料。

一般来说，用于成型的材料丝相对更精细一些，而且价格较高，沉积效率也较低；用于制作支撑的材料丝相对较粗一些，而且成本较低，但沉积效率会更高些。支撑材料一般选用水溶性材料或比成型材料熔点低的材料，这样在后期处理时，通过物理或化学的方式就能很方便地把支撑结构去除干净。

（4）选择性激光烧结（SelectiveLaser Sintering，简称SLS）

该工艺最早是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年在其硕士论文中提出的，随后C.R.Dechard创立了DTM公司，并于1992年发布了基于SLS技术的工业级商用3D打印机Sinterstation。

SLS工艺使用粉末状材料。激光器在计算机的操控下对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合，就这样，材料层层堆积实现成型。SLS的成型原理如图7所示。

图7  选择性激光烧结成型原理

选择性激光烧结过程是：先采用压辊将一层粉末平铺到已成型工件的上表面，数控系统操控激光束按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射，使粉末的温度升至熔化点，从而进行烧结，并与下面已成型的部分实现粘合。当一层截面烧结完后，工作台将下降一个层厚，这时压辊又会均匀地在上面铺上一层粉末，并开始新一层截面的烧结，如此反复操作，直到工件完全成型。

在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂起着支撑的作用，因此，SLS成型时不需要制作支撑结构。SLS工艺使用的材料，除了石蜡、聚碳酸酯、尼龙、陶瓷等材料外，还可以是金属材料。

（5）三维打印（Three-DimensionPrinting，简称3DP）

该工艺由美国麻省理工学院的EmanualSachs教授发明于1993年。
3DP的工作原理类似于喷墨打印机的工作原理，是形式上最为贴合“3D打印”概念的成型技术之一。3DP工艺与SLS工艺也有着类似的地方，采用的都是粉末状材料，如陶瓷粉末、金属粉末或塑料粉末等，但与其不同的是，3DP使用的粉末并不是通过激光烧结粘合在一起的，而是通过喷头喷射粘合剂将工件的截面“打印”出来，并一层层堆积成型的。3DP的技术原理如图8所示。

图8  三维打印的技术原理示意图

首先，在工作槽中的工作台上铺上一层指定厚度的粉末，接着喷头会按照一定的路径将液态粘合剂喷射在粉层上的指定区域中，成型一个截面，此后不断重复上述步骤，直到工件完全成型，然后除去模型上多余的粉末材料即可。
3DP技术成型速度非常快，适用于制造结构复杂的工件，也适用于制作复合材料或非均质材料的零件。

（6）PolyJet【聚合物喷射】

该工艺是以色列Objet公司于2000年初推出的专利技术。

PolyJet技术也是当前最为先进的3D打印技术之一，它的成型原理与3DP有点类似，不过喷射的不是粘合剂而是聚合物材料。PolyJet聚合物喷射系统的结构如图9所示。PolyJet的喷射打印头沿X轴方向来回运动，工作原理与喷墨打印机十分类似，不同的是喷头喷射的不是墨水而是光敏聚合物。

图9  PolyJet聚合物喷射系统的结构

当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，紫外光灯将沿着喷头工作的方向发射出紫外光，对光敏聚合物材料进行固化。完成一层的喷射打印和固化后，工作台会精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料，并进行下一层的打印和固化。就这样一层接一层，直到整个工件打印制作完成。在工件成型过程中，使用两种不同类型的光敏树脂材料：一种是用来成型实际模型的材料，另一种是用来制作支撑的树脂材料。当整个打印成型过程完成后，再把支撑材料去除。其工艺过程如图10、11所示。

图10  采用PolyJet聚合物喷射系统制造人体脚关节的过程

图11  采用PolyJet聚合物喷射系统制造人体脚关节的实物图

3D打印技术，除了上述六种常用的工艺外，市场上还有多种不同类型的成型工艺，但究其成型原理，都是基于“分层制造，层层叠加”的离散化制造思想，故在此不再赘述，感兴趣的读者可查阅相关资料。

2、3D打印技术的优点及缺点是什么？

2.1 3D打印技术的优点

（1）节省材料。不用剔除边角料，提高了材料的利用率，通过摒弃生产线而降低了成本；
（2）能做到较高的精度和很高的复杂程度，可以制造出采用传统方法制造不出来的、非常复杂的制件；
（3）不需要传统的刀具、夹具、机床或任何模具，就能直接把计算机的任何形状的三维CAD图形生成实物产品；
（4）它可以自动、快速、直接和比较精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短了产品研发周期；
（5）3D打印无需集中的、固定的制造车间，具有分布式生产的特点；
（6）3D打印能在数小时内成形，它让设计人员和开发人员实现了从平面图到实体的飞跃；
（7）它能打印出组装好的产品，因此，它大大降低了组装成本，甚至可以挑战大规模生产方式。

2.2 3D打印技术的缺点

（1）存在成本高、工时长的软肋

3D打印仍是比较昂贵的技术。由于用于增材制造的材料研发难度大、而使用量不大等原因，导致3D打印制造成本较高，而制造效率不高。

目前，3D打印技术在我国主要应用于新产品研发，且制造成本高，制造效率低，制造精度尚不能令人满意。3D打印目前并不能取代传统制造业。在未来制造业发展中，“减材制造法仍是主流”。

（2）在规模化生产方面尚不具备优势

3D打印技术既然具有分布式生产的优点，那么相反，在规模化生产方面就不具备优势。目前，3D打印技术尚不具备取代传统制造业的条件，在大批量、规模化制造等方面，高效、低成本的传统减材制造法更胜一筹。

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汽车时均摊到每辆汽车上的成本。

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、定制化”的3D打印生产方式更加经济。

（3）打印材料受到限制

3D打印技术的局限和瓶颈主要体现在材料上。目前，打印材料主要是塑料、树脂、石膏、陶瓷、砂和金属等，能用于3D打印的材料非常有限。

尽管已经开发了许多应用于3D打印的同质和异质材料，但是开发新材料的需求仍然存在，一些新的材料正在研发中。这种需求包含两个层面，一是不仅需要对已经得到应用的材料—工艺—结构—特性关系进行深入研究，以明确其优点和限制；二是需要开发新的测试工艺和方法，以扩展可用材料的范围。

（4）精度和质量问题

由于3D打印技术固有的成型原理及发展还不完善，其打印成型零件的精度（包括尺寸精度、形状精度和表面粗糙度）、物理性能（如强度、刚度、耐疲劳性等）及化学性能等大多不能满足工程实际的使用要求，不能作为功能性零件，只能做原型件使用，从而其应用将大打折扣。

而且，由于3D打印采用“分层制造，层层叠加”的增材制造工艺，层与层之间的结合再紧密，也无法和传统模具整体浇铸而成的零件相媲美，而零件材料的微观组织和结构决定了零件的使用性能。

3、为什么3D打印技术只有到上世纪80年代末才开始出现商品化的设备？

3D打印技术的核心思想最早起源于美国。早在1892年，J.E.Blanther在其专利中曾建议用分层制造法构成三维地形图。1902年，CarloBaese的专利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。1904年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些硬纸板粘结成三维地形图的方法（如图12所示）。20世纪50年代之后，出现了上百个有关3D打印的专利。

图12  采用3D打印制造三维地形图

现代3D打印技术的出现，起源于二十世纪八十年代中后期。此后，3D打印技术有了根本性的发展，出现了更多的专利。如：1986年Hull发明了立体光固化成型（SLA，StereoLithography Appearance），1988年Feygin发明了分层物体制造，1989年Deckard发明了粉末材料选择性激光烧结技术（SLS,Selective Laser Sintering），1992年Crump发明了熔融沉积成型技术（FDM，FusedDepositionModeling），1993年Sachs在麻省理工大学发明了3D打印技术等。

随着各类3D打印专利技术的不断发明，其相应的生产设备也被相继研发而出。如：1988年，美国的3DSystems公司根据Hull的专利，生产出了世界上第一台现代3D打印设备——SLA-250（立体光固化成型机），开创了3D打印技术发展的新纪元。在此后的多年中，3D打印技术蓬勃发展，涌现出了十余种新工艺及相应的3D打印设备。

那么，为什么3D打印技术只有到上世纪80年代末才开始出现商品化的设备呢？本文作者认为，主要原因有两点：

（1）与三维CAD软件有关。由于3D打印技术采用分层制造的原理，因此，被制造零件的各层截面数据的来源是非常重要的。只有三维CAD软件的成熟，才能轻松、方便、快捷、随意地获取被制造零件的任意截面的数据。因此，只有到了上世纪80年代末，成熟的三维CAD软件为3D打印技术提供了数据保障。

（2）与相关材料有关。由于3D打印技术采用“分层制造，层层叠加”的制造原理，因此，3D打印材料的性能需满足“制造每一层时的材料结合效果、层与层之间的材料结合效果”较好的要求，并与其打印成型工艺相适应。

4、为什么说材料是3D打印技术的核心？

3D打印技术是一种跨学科的交叉技术，打印材料是该技术的核心。一种材料的出现，直接决定了其三维打印的成型工艺、设备结构、成型件的性能等。从1988年的立体光固化成型（SLA）技术的出现到当今的三维打印成型，都是由于某一种新材料的出现而引起的，如：液态光敏树脂决定了SLA工艺与设备，薄层材料决定了LOM工艺与设备，丝状材料决定了FDM工艺与设备等。由于材料在物理形态、化学性能等方面存在差别，才形成了今天3D打印材料的多品种和3D打印的不同成型方法。

3D打印技术在这几十年的发展中，新材料是3D打印技术的重要推动力。全世界从事3D打印技术的公司和大学等都在积极地研发用途更为广泛、打印成型更为简便的新材料。

4.1 3D打印材料分类

（1）按材料的化学性能分类

目前，3D打印涉及的成型材料主要有四大类：
1）高分子材料，如液态光敏树脂材料、塑料（ABS、尼龙、PLA等）丝料或粉料或片材等；
2）无机材料，如石蜡、石膏粉末、陶瓷粉末、砂等；
3）金属材料，如合金金属粉末、金属薄板料等；
4）生物医学材料、复合材料等。

（2）按材料的物理状态及形状分类
目前，3D打印涉及的成型材料主要有四大类：
1）液态材料：如光敏树脂等；
2）固态粉末材料：非金属粉，如蜡粉，塑料粉，覆膜陶瓷粉等；金属粉，如不锈钢粉，钛金属粉等；
3）固态薄片材料：如纸、塑料、金属等；
4）固态丝状材料，如蜡丝、ABS丝料、PLA丝料等。
图13所示为几种常用的3D打印材料。

（a）塑料粉（b）金属粉（c）丝材

图13 几种常用的3D打印材料

4.2 3D打印材料的基本性能

（1）3D打印对材料性能的一般要求
1）有利于快速、精确地打印成型原型零件；
2）打印成型的制件应当接近最终性能要求；
3）应尽量满足对强度、刚度、耐潮湿性、热稳定性能等要求；
4）应该有利于后续处理工艺。

（2）不同应用目标对材料性能的要求
3D打印成型件的四个应用目标是：概念型零件、测试型零件、模具型零件和功能型零件。应用目标不同，对成型材料的要求也不同。
1）概念型零件。对材料成型精度和物理化学特性要求不高，主要要求成型速度快。
2）测试型零件。对于成型后的强度、刚度、耐温性、抗蚀性能等有一定要求，以满足测试要求。如果用于装配测试，则要求成型件有一定的精度要求。
3）模具型零件。要求材料适应具体模具制造要求，如强度、硬度等。
4）功能型零件。要求材料具有一定的力学和化学性能，使打印成型件具有一定的服役特性，从而满足正常的工程使用要求。

5、为什么说3D打印不能用于批量化生产？

3D打印技术对传统制造技术的替代作用不强。虽然在部分产品的小批量生产和模具生产上颇有优势，但在大批量生产（如图14所示）上，3D打印的速度和成本都比不过传统制造方式。

图14  注塑车间的大批量生产

另外，3D打印材料品种的单一和昂贵的成本，使其局限于对价格敏感度不高的产品，市场应用领域有限。

当然，不可否认3D打印技术的魅力：不需要复杂的工艺，不需要庞大的机床，不需要众多的人力，能直接从计算机的三维图形数据生成实物零件，使生产制造得以向更广的人群延伸。因此，可以乐观地预测，“只要有合适的材料，3D打印机将来不是要取代某一个制造业，而是要取代所有的制造业。”

但是，相比于传统制造工艺，3D打印效率还是很低，成本依然很高。并且，打印效率与打印质量也呈现负相关关系。如果需要非常高的打印精度，打印速度就会变慢，效率则会很低。基于这样的打印特征，3D打印只能用于单件、个性化产品的生产，不能用于大批量（如图14所示）产品的生产。如果是工业企业的大规模化生产，一定是选择性价比最高的模具化生产。

对于3D打印，争议比较多的是，它是否会引起生产模式的变化？譬如，一件复杂产品的设计变成了计算机的三维数据模型，工艺由打印机完成，普通大众不用学习传统的复杂制造工艺，只需要操作计算机就可以生产出实物产品，这样，大工厂的流水线生产模式可能又回归到原始的家庭作坊。对此，有专家指出，3D打印可以生产的产品实际上还是受限制的，达不到大规模生产的地步，后者仍需要通过传统的集中生产来进行。但是，对一些使用比较少的部件或零件，3D打印应该是一个比较好的方式。因此，3D打印所起到的作用，更多的是个性化生产（如图15所示），而不是大规模制造。千万不要有3D打印的出现，就有否定传统制造工艺的想法。对于大规模制造而言，铸造、锻造、模具成型都不可替代。成本上竞争不过，质量上、稳定性上更不用说。所以在现阶段，3D打印是在某些特定情况下使用，不能用于批量化生产。

图15  采用3D打印技术生产的个性化产品

6、为什么说3D打印不能替代传统的制造工艺？

通常，制造业特别是金属制造业采用的是减法工艺，即通过车、铣、刨、磨、钻等金属切削工艺对被加工件进行减材制造（如图16所示），而3D打印则采用的是加法工艺，即通过不断地进行材料的有序堆积，最终加工出成品，因此，3D打印也被称为增材制造。而3D打印与传统加工工艺的差别也就体现在这“增减”上。

图16 传统的制造工艺

3D打印的特有优势也体现在这加法工艺上。譬如说，几乎可以百分之百地利用原材料，制造出传统工艺无法实现的特殊结构的产品，因而节省开模费用，在小批量生产上具有成本优势，在新产品研发过程中可以快速制造原型件或样品，可以实现分布式制造等。的确，3D打印技术的这些优异特点无疑是传统制造工艺难以实现的。如果一台3D打印机具备这些特点，无疑将会对传统的制造工艺带来强劲的冲击，甚至颠覆性的变化。

但是，迄今为止，人们常常规避3D打印在规模制造中的经济性这一关键指标。譬如说，制作飞机舷窗样件，3D打印的成本是传统开模成本的十分之一，同时省去很长的开模时间。但是，飞机高昂的研发成本是靠批量摊薄的，这个数字应该远远不止十架，传统加工方式的优势就显现出来。再譬如，饮誉二战的远洋货轮“自由轮”，战时共制造了2751艘，随着工艺和管理水平的提升，“自由轮”的建造时间从最初的244天，缩短到平均42天，最快记录是4天15小时30分钟，这是大规模工业化制造的经典之作。

同时，我们还应该注意的是，3D打印设备与工艺的紧耦合现象，即3D打印设备很难做成通用设备。这在塑料熔融沉积成型工艺中比较突出，要根据不同的打印原料更换相应的打印头，甚至是打印机。这种非通用的特点，削弱了3D打印的分布式制造色彩，毕竟，并不是所有3D打印的支持者都有经济实力来购置多台3D打印设备的。如果3D打印不能在足够多的制造领域替代传统的制造工艺，那么，就要慎言3D打印技术将颠覆整个传统制造业了。

事实上，既然3D打印无法完全替代传统制造工艺，那么，从产业高度看，传统制造技术和3D打印技术就应该是互补技术，只不过在不同的制造领域或者不同的产品制造上，两者在产品制造过程中工艺占比不同罢了。

7、为什么说3D打印技术不能替代传统的制造产业？

在传统制造业领域，开模是一件非常令人头疼的事情，耗时长、难度大、成本高。而3D打印技术的优势恰恰体现在产品设计（模型设计）方面。凡是能够设计出来的任何复杂的个性化产品，都能够通过3D打印技术把模型样件打印出来，甚至直接生产制造出产品。

3D打印技术虽然能够打印出我们所需要的多种产品，但是从成本核算、材料约束、生产效率、工艺水平、产品性能等多方面因素综合比较来看，3D打印并不能够替代传统的生产方式。

3D打印的核心意义体现在两个方面：

一是传统生产方式不能生产制造的个性化、复杂、高难度产品，通过3D打印技术都能够直接制造；

二是虽然传统方式能够生产制造，但是投入成本太高，周期太长，通过3D打印技术可以实现快捷、方便、缩短周期、降低成本的目的。
3D打印能够解决传统技术所不能解决的技术难题，对传统制造业的转型升级和结构性调整将起到积极的作用（如图17所示）。

图17 3D打印通过与铸造技术相结合，快速铸造出发动机的部件

但是，传统制造业所擅长的批量化、规模化、精益化生产，恰恰是3D打印技术的短腿。同时，3D打印技术在原材料、精密度、工艺稳定性等诸多方面还面临着瓶颈。因此，3D打印技术将替代传统制造业并不现实，一是成本并不划算，达不到规模化的要求；二是3D打印也不可能使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具。3D打印技术作为传统生产方式的一次重大变革，是传统生产方式有益的补充。

宣扬“3D打印技术将完全取代传统制造业”这种观点是一种严重的误导，既不科学，也不符合实际，是不可能做到的。关键原因在于，我们生产生活中所需要的任何商品都具有功能性，而任何功能性的商品都是由不同的材料制造而成的。我们生产生活中需要很多种类的商品，但是，我们每一个家庭不可能都成为工厂，去采购许多种材料。如果我们需要的任何东西都靠自己打印制造，首先是成本将大大超过商场中购买的同类商品；其次，传统制造业经过数千年的发展，在生产工艺等方面都比3D打印技术更为成熟。

8、为什么说3D打印只是增材制造技术的一个分支？

增材制造（AdditiveManufacturing，简称AM）技术是采用材料逐渐累加的方法制造实物零件的技术，相对于传统的材料去除加工技术，是一种“加法”的制造方法。

近二十多年来，AM技术取得了快速的发展，“快速原型制造（RapidPrototyping）”、“3D打印（3DPrinting）”、“实体自由制造（SolidFree-formFabrication）”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。
快速成型（RapidPrototyping，简称RP），诞生于20世纪80年代中后期，是一种基于材料堆积的新型成型技术，被认为是近20多年来制造领域的一个重大成果。它可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。

目前，国内传媒及专家学者习惯把快速成型技术叫做“3D打印”或者“三维打印”，显得比较生动形象，但实际上，“3D打印”或者“三维打印”只是快速成型的一个分支，只能代表部分快速成型工艺（如图18所示）。

图18  增材制造的范围图

美国材料与试验协会（ASTM）F42国际委员会对增材制造和3D打印有明确的概念定义：增材制造是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程，相对于减法制造，它通常是逐层累加过程。3D打印是指采用打印头、喷嘴或其他打印技术沉积材料来制造物体的技术，3D打印也常用来表示“增材制造”技术，在特指设备时，3D打印是指相对价格或总体功能低端的增材制造设备。
从广义的原理来看，以设计数据为基础，将材料（包括液体、粉材、线材或块材等）自动化地累加起来成为实体结构的制造方法，都可视为增材制造技术。

9、为什么说3D打印技术的服务市场有限？

整个增材制造市场，可按价值链划分为设备、材料和服务三个大类。
2012年，设备市场6.2亿美元，占比并不大，约占市场容量的28%，包括设备硬件、软件、系统更新、售后支持等；材料市场4.2亿美元，占19%；服务市场则占54%，主要来自服务供应商利用设备进行材料加工的零部件收入。

据有关数据显示，图19为各国3D打印设备产业及安装统计数据。2012年，中国3D打印产业实现产值3亿元左右，全球约100亿元。中国3D打印技术产业联盟透露，2013年中国3D打印产业产值突破10亿元，未来中国将成为全球最大的3D打印技术市场。

图19  各国3D打印设备产业及安装统计数据（1988~2012年）

实际上，3D打印市场曾长期面临容量有限的状况，全球总产值曾长期徘徊在10亿美元左右。据沃勒斯同仁公司的推测，到2019年，全球3D打印产品和服务的收入将达69亿美元，其中零部件制造业务预计将占80%。从这个角度来说，3D打印产业的发展还有一段很长的路要走。

3D打印可以在比较短的时间内制造一个实物样件出来，其效率是高于传统工业加工手段的，因此它适合小批量制造或是产品原型的快速开发。从成本曲线来看，除去设计成本，其生产成本接近于水平线。传统制造手段前期投入很大，但其成本会随着产量的增加而迅速摊平，因此成本曲线左高右低。这种简单的现实决定了3D打印和传统制造有各自的价格优势区。只有在生产数量低于一定限度的情况下，3D打印才有成本和时间优势可言，这也就是它的商业价值所在。

目前，国内市场购买3D打印机的主要群体主要集中在工业客户上，如商业交通工具、航空航天、电子消费品、教育、文创、医疗、制鞋、家电等行业，如图20所示。

图20  3D打印的应用领域及其份额

3D打印机的定位一直是研发设备，应用在新产品开发的前端，用来做手板模型。因此，现在市场上超过90%的装机客户都是工业（商用）客户。民用客户（个人3D打印机客户、家庭3D打印机客户）的数量虽然在递增，但是装机量还是非常少。
另外，由于三维打印材料和固有工艺原理的限制，打印出来的零件的性能非常受限，尤其是其精度、力学性能等还不能完全满足功能件的要求，因此，三维打印技术的服务市场还是有限的。如三维打印金属零件，如果这个金属零件是常规的工程零件（如齿轮、曲轴、手柄等），可用传统的制造工艺加工出来，那么用三维打印制造这个金属零件，无论从原材料成本、加工成本、生产效率、零件精度、零件性能等方面都没有优势，因此，三维打印金属零件需找准其服务市场定位（如航空航天工业用的金属零件、医疗器械类金属零件、军工类金属零件等），才具有一定的实际生产意义和生产效益。

10、为什么3D打印技术又出现新的一轮火热？

早在二三十年前，3D打印技术就已经能用树脂、塑料、石膏等材料制作三维产品了。近几年，由于3D打印可处理的材料范围扩大到了金属材料和生物医学材料，而且成功地将几十年前就有的工艺技术重新组合利用，例如结合信息技术，使用激光和电子束进行表面工程和增材制造。此外，由于激光、振镜、热喷头和电子枪等关键元器件品质不断提高等原因，使得3D打印技术更加成熟。而在2012年，美国总统奥巴马宣布实施振兴美国制造的新举动，成立了3D打印创新研究院，同时奥巴马政府将3D打印技术作为其重振美国制造业的重要支撑技术之一。

赶着这股热潮，在中国，3D打印改变过去“政府不疼，市场不爱”的萎靡态势，一下子跃为政府、产业界、学界、资本市场等各方的心头爱。人们开始相信，“小批量与个性化”代表着迅速积累的财富、不可思议的传奇和摧枯拉朽的颠覆。乐观者表示，未来我们的模具制造行业、机床行业、玩具行业、轻工产品行业或许都可能被淘汰，而取代他们的就是3D打印机，致使3D打印技术又出现新的一轮火热。

11、为什么说有人称3D打印技术能带来“第三次工业革命”？

3D打印是对传统制造业的一种颠覆性变革，有人甚至将3D打印机看成是第三次工业革命的影子，与蒸汽机和电力相提并论，如图21所示。

图21  三次工业革命

很显然，与传统制造相比，3D打印的制作工序、个性化需求及人力成本具有颠覆性变革意义。从操作工序上来说，传统的制造工艺是对原材料进行剪裁、拼接后连接而成，而3D打印是通过软件设计，一层一层堆积材料把产品做出来。3D打印通过将材料层层堆积的方法直接制造复杂的塑料制品、金属零件和合金元件等，而不是像以前那样对材料进行切割、锻打和弯曲等工艺，不再需要工序麻烦地制作很多不同的元件，然后再去组装它，可以不用传统的大规模机床来制造小型的零部件。

从制造模式来说，过去是生产线规模化生产，今后则可能更多的是个性化的定制生产，产品上市时间缩短，同时不再需要库存大量的零部件，也不需要大量生产。

3D打印适应越来越苛刻的个性化消费需求。传统的大批量制造生产几乎能够提供任何人们最基本的吃穿住行玩等消费产品，但是这些产品都是标准化的，比较千篇一律，在个性化方面已经无法满足人们日益增长的需求。而手工生产的个性化东西虽然地道，品质精良，内涵丰富，但是手工制造耗时巨大；而3D打印技术既可以满足人们对个性化产品的追求欲望（如市面上买不到某件产品，3D打印机或许可以满足你的心愿），还可以大大提高产品的生产效率。

从生产成本来说，3D打印无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机的三维图形自动生成实物零件，从而极大地缩短了产品的研制周期，大幅减少了材料的浪费，提高了生产效率，降低了生产成本；它还可以制造出传统生产技术无法制造的、形状结构极其复杂的零件。另外，3D打印极大地解放了劳动力，一个技术工人可以看管数台打印机，就像纺织工人看管织布机一样，可以节省大量的劳动力，而劳动效率却有数倍甚至数十倍的提高。

正因为具备上述特点，3D打印被认为是先进制造技术和生产方式变革的产物。
眼下，智能软件、新材料、机器人、新制造方法（例如3D打印）及基于网络的商业服务模式这五大要素，正共同推动制造业向数字化方向发展，我们即将迎来第三次工业革命。

正因为如此，美国政府捷足先登，将3D打印揽入怀中，试图成为新一轮工业革命的领导者，继续占据全球工业的制高点。

12、3D打印技术的关键技术及瓶颈是什么？

12.1 3D打印技术的关键技术

3D打印技术的关键技术需要依托多个学科领域的尖端技术，主要包括以下方面：

（1）材料科学。即用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化等，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的精度（如尺寸精度、形状精度和表面粗糙度等）、物理性能和化学性质。3D打印完成后零件的性能是由其材料的微观组织和结构决定的，因此，材料是3D打印技术的关键与核心。

（2）信息技术。即要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向；为三维打印设备提供一切所需的打印处理数据，如彩色信息、分层截面信息等，并具有一定的处理速度和精度。

（3）精密机械及元器件。3D打印技术以“每层的叠加”为加工方式，产品的生产要求高精度，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求；另外，对组成三维打印设备的关键零部件和元器件的精度、速度、使用寿命和可靠性提出了更高的要求。

客观地说，目前3D打印技术尚不成熟，作为一项多学科交叉的高新技术，还需要在各个相关领域投入较大的研发力量，才能掌握完整的核心技术。

12.2 3D打印机的发展瓶颈

（1）价格因素

大多数桌面级3D打印机的售价在1万元人民币左右，近来，一些国内的桌面级3D打印机的售价可以低到3000多元。对于桌面级3D打印机来说，由于仅能打印塑料产品，因此，其使用范围非常有限，而且对于家庭用户来说，3D打印机的使用成本仍然很高，因为在打印一个物品之前，人们必须会懂得3D建模，然后将数据转换成3D打印机能够读取的格式，最后再进行打印。

对于工业级的3D打印机，其售价还是偏高，并且打印出来的零件，其精度、物理性能和化学性能等方面与真实功能零件还是具有一定的差距。

（2）原材料

3D打印不是一项高深艰难的技术，它与普通打印的区别就在于打印材料。
以色列的Object是掌握最多打印材料的公司，它已经可以使用10多种基本材料，并在此基础上混搭出100多种材料。但是，这些材料的种类与人们生活的大千世界里的材料相比，还相差甚远。不仅如此，这些材料的价格，便宜的一公斤几百元，最贵的要四万元左右。

另外，对于金属3D打印和生物医疗类3D打印，目前能用的原材料的种类就更少了，并且这几种原材料的价格也是比较贵的。

（3）社会风险成本

如同核反应既能发电，又能破坏一样。3D打印技术在初期就让人们看到了一系列隐忧，而未来的发展也会令不少人担心。如果什么都能彻底复制，想到什么就能制造出什么，听上去很美的同时，也着实让人恐惧。

（4）3D打印存在的悖论

3D打印是采用一层层来制作物品，如果想把物品制作得更精细，则需要每层厚度减小；如果想提高打印速度，则需要增加层厚；而这些势必都会影响产品的精度与质量。若生产同样精度的产品，3D打印同传统的大规模工业生产相比，没有成本上的优势，尤其是考虑到时间成本和规模成本之后。

（5）整个行业没有标准，难以形成产业链

现在，3D打印机生产厂商是百花齐放，如战国时代。3D打印机缺乏标准，同一个3D模型给不同的打印机打印，所得到的结果是大不相同的。

此外，打印原材料也缺乏标准。目前，3D打印机厂商都想让消费者买自己提供的打印原料，这样他们能获取稳定的收入。这样做虽然可以理解，毕竟普通打印机也走这一模式，但3D打印机生产厂商所用的原料一致性太差，从形式到内容千差万别，这让材料生产厂商很难进入，研发成本和供货风险都很大，难以形成产业链。表面上，是3D打印机捆绑了3D打印材料，而事实上，却是材料捆绑了打印机，非常不利于降低成本和抵抗风险。

（6）意料之外的工序

它是指3D打印前所需的前处理工序和打印完成之后的后处理工序。

很多人可能以为，3D打印就是在计算机上设计一个模型，不管这个模型有多复杂的表面和结构，只要按一下按钮，3D打印机就能打印出一个实物成品，其实这个印象是不正确的。真正设计一个三维CAD模型，特别是一个复杂的模型，需要大量的工程、结构方面的知识，需要精细的技巧，并根据具体情况进行调整，譬如塑料的熔融沉积成型打印，如果在一个复杂部件内部没有设计合理的支撑结构，则打印出的零件很可能是会变形的。因此，前处理工序应包括：三维CAD模型的准备、打印成型方向的选择、成型工艺参数的确定等。

另外，3D打印完成之后的后处理工序通常也是避免不了的。媒体将3D打印描述成打印完毕后零件就能直接使用的神器，可事实上，打印完成后还需要一些后处理工艺，如：去除支撑、烧结、组装、切割、表面打磨、抛光、喷涂等，这些后处理工艺通常需要大量的手工工作和处理时间。

13、3D打印技术的发展方向及趋势是什么？

随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。

3D打印机将呈现四个方面的发展趋势：

（1）3D打印材料更加多样化

随着先进材料的不断发展，智能材料、纳米材料、新型聚合材料、合成生物材料等将成为3D打印材料。开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是能够直接打印金属功能零件的各种金属材料，是今后研究与应用的又一个热点。

（2）3D打印速度、效率和质量将不断提升

随着开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，3D打印速度和效率有望获得更大提升。随着对3D打印材料和打印工艺的深入研究，将大大提升3D打印零件的质量（包括精度、表面质量、物理力学性能和化学性能等），以实现直接面向真实产品的制造。

（3）3D打印机价格大幅下降

一些较小规模的3D打印机制造厂商已经开始推出一万美元以下的3D打印机。随着3D打印技术的不断进步及推广应用，3D打印机的价格有望大幅下降。目前，在国内，一些桌面型的3D打印机，其价格已经降到只有3000多元人民币了。而工业级的3D打印机，由于其3D打印精度高、打印尺寸比较大，故其价格仍然比较高。

（4）3D打印机应用领域更加广泛

3D打印机的体积小型化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布式生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求。软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造。

3D打印机诞生后，早期主要用于机械、模具、工艺品、航空航天、医疗、建筑等行业的模型制作。随着3D打印技术进一步走向成熟，3D打印机已开始用来制造汽车、飞机等高科技含量零部件，以及皮肤、骨骼等生物活体组织。积极拓展3D打印技术在生物医学、机械模具（直接打印金属功能零件）、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。有专家预计，在不久的将来，从鞋、眼镜到厨房用具、汽车等各种产品都可以用3D打印机生产出来。

14、3D打印技术的真实市场定位是什么？

3D打印诞生近三十年了，但产业化远未形成。虽然3D打印的名气很大，但到今天仍然处于科普阶段。

3D打印技术作为一项前沿性、先导性很强的技术，主要是满足个性化、定制化、复杂、高难度产品的需求（如图22所示），并不具有批量化、规模化的优势。目前，3D打印技术主要应用于：产品原型（样件）、模具制造以及艺术创作、珠宝制作、生物医疗模型与假体等领域。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精度。除此之外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。

图22  3D打印个性化、定制化的产品

但3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战，具体包括：

（1）成本方面。现有3D打印机造价仍普遍较贵，尤其是工业级的3D打印机，价格昂贵，给其进一步普及应用带来了一些困难。另外，3D打印零件的成本也较贵，不利于市场推广。

（2）打印材料方面。目前3D打印材料的种类有限，品种不多，供使用者选择的局限性较大，且打印出来的零件的精度、物理性能等还不能完全满足客户的要求，而且在使用安全方面也存在一定的隐患。

（3）精度、速度和效率方面。目前，3D打印零件的精度还不尽人意，打印效率还远不能适应大规模生产的需求，而且受3D打印工作原理的限制，打印精度与打印速度之间存在严重的冲突。

（4）产业环境方面。3D打印技术的普及，将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。
3D打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要大概5~10年的时间。在这一较长的发展过程中，3D打印产业可能会面临着一些技术和市场风险。

总之，从中长期来看，3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有一定的距离。因此，现阶段，产业界对3D打印领域的投入应以“加强创新研发、技术引进和储备”为主，尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据有利地位。如果受到概念炒作的影响，在技术尚未充分完善的现阶段就大规模投入产能扩张，则投资回报将面临着一定的风险。

15、3D打印技术与传统制造技术的关系是什么？

当前这个时代，3D打印，家喻户晓，如火如荼，已无处不在，为我们开启了无限的想象力。三维打印车子、房子、工业品或许仅仅是个开始，按3D打印技术原理来讲，任何东西其实都是可以打印的。但业界也同时指出，它不会替代传统制造业。

作为一项基础性的制造技术，3D打印的确是一个颠覆性的技术，它具有很多传统制造业所不具有的特点和优势，但只是解决传统制造业解决不了的难题。与传统制造业批量化的特点不同，目前，3D打印技术多应用于一条生产链上某个部分，还不是生产线上全面的应用，目前还是一个小众的市场。所以，对大多数的传统制造业来说，它带来的是技术的改进和产业的提升。两者的关系是互为补充，而不是谁替代谁。

3D打印技术作为一个新技术的发展，不能脱离已有的技术孤立地发展，与原有技术互相补充是基本的发展理念。

3D打印与传统制造技术不是取代的关系，而是结合的关系。3D打印应与传统制造技术相结合，反过来，传统制造技术也要与3D打印相结合。3D打印仍是趋于成熟的新兴技术，必须与传统制造技术相结合，互相取长补短才会有光明的未来。


转自：前沿数控技术 作者：刘斌