陈根：从无所为到有所为，3D打印承载未来制造想像_风闻

文/陈根

很难想像，作为近些年才被广泛认识的3D打印，早在1983年就已经诞生。

2012年，英国《经济学人》杂志刊文，将3D打印技术视为“第三次工业革命”的重大标志之一，这引起了全球的广泛关注。然而，眼看着就可以造天造地、颠覆产业无所不能的3D打印在风靡一时之后，再一次遵循了令人无可奈何的技术成熟度曲线。近年来，3D打印一次次被****热炒，也一次次考验着人们的耐心。

事实上，世界上到处都是前途无量、却从未真正推广的技术。那些成功普及的技术，往往得益于外部事件。无疑，对于3D打印来说，新冠疫情正是那个外部事件。

事实也确实如此，根据国内B2C跨境电商平台全球速卖通的数据显示，疫情以来该平台上3D打印机的销售额和去年相比已经翻了一番，尽管今年3D打印机的海外仓备货大幅增加，但疫情之下这些备货已被抢空。其中，4月份中国3D打印设备产量同比大幅增长344.7%。

3D打印何以如此？随着技术的逐步成熟，3D打印又是否春天将至？从小众走向大众，3D打印还有什么未经之路？

3D打印有所为

3D打印，顾名思义，三维打印。相较于常见的二维平面打印，3D打印有所同，也有所不同。

不论是二维平面打印还是三维立体打印，本质上都是一种打印技术。不同的是，平面打印最后以平面形状的方式将文件内容打印出来。除了传递信息，平面打印并不具备实际的功能。相比于平面打印的文件，3D打印却可以直接实现功能。

3D打印需将想要打印的物品的三维形状信息写入到3D打印机可以解读的文件，再等3D 打印机解读文件后，以材料逐层堆积的方式打印出立体形状。可以说**，三维的形状就是功能的基础，打印出了形状，也就打印出了功能**。

此外，与“减材制造”相对，3D打印又称为“增材制造”。对于现阶段的制造业来说，目前通常所使用的材料加工技术多为“减材制造”技术，即对原材料进行去除、切削、组装等加工，使原材料具备特定的形状并可执行特定的功能。而“增材制造”则直接将原材料逐层堆积成特定的形状，以实现特定的功能。

增材制造工作过程主要包括三维设计和逐层打印两个过程**：**先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型分区成为逐层的截面，指导打印机逐层进行打印。相比于传统的减材制造方式，增材制造无疑具备很多优势。

一是****缩短生产制造的时间，提高效率。用传统方法制造出一个模型通常需要数天，这根据模型的尺寸以及复杂程度而定，而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数小时。因此，相比减材制造而言，增材制造尤其适合制造形状复杂的零部件。当然，这也受其打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度的影响。

**二是提高原材料的利用效率。**与传统的金属制造技术相比，增材制造机制造金属时只产生较少的副产品。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。

**三是完成复杂结构的实现以提升产品性能。**传统减材制造方式在复杂外形和内部腹腔结构的加工上具有局限性，而增材制造可以通过进行复杂结构的制造来提升产品性能，在航空航天、模具加工等领域具备减材制造方式无可比拟的优势。

比如，一台 3D 打印机可以打印出许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同的零件。对于传统的机床生产线来说，要加工不同形状的零件，需要对产线进行复杂的调整。因此，增材制造尤其适合定制化的、非批量生产的物品。

事实上，一开始，3D打印主要是在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于某些产品或零部件的直接生产制造，包括在航空航天、工程施工、医疗、教育、地理信息系统、汽车等垂直领域都有所应用。 

2015年，美国国家航空航天局（NASA）基于3D打印技术，打印出航空火箭发动机的头部。这使得零件大量减少，焊缝也随之减少，降低了火箭发动机出现故障概率的同时，使得迭代周期缩短、成本降低。

在迪拜，政府选择用3D打印来建造政府大楼。3D打印建筑主要作业由机器完成，一体成型，建筑速度快，工人的作用多为操作和检验3D打印机的工作情况，因此对人力的需求比传统建筑行业少。

2019年，以色列特拉维夫大学宣布该学校实验室3D打印出了一颗“心脏”，这不仅是一个外观打印的心脏，这是世界上第一个利用患者自己的细胞和生物材料3D打印出的三维血管化的工程心脏，也就是具有血管组织的三维人造心脏。

而今年5月我国首飞成功的长征五号B运载火箭上，搭载着我国新一代载人飞船试验船，船上还搭载了一台“3D打印机”。这是我国首次太空3D打印实验，也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。

显然，随着技术的逐步成熟，3D打印也不断展现着其商业价值，但在从小众走向大众前，3D打印仍然面对一些悬而未决的困境。

3D打印的未经之路

当3D打印逐渐地走进人们的生产生活中时，人们也在一步步在把万物皆可打印推向现实，巨大发展前景和广阔应用空间令行业期待。但是同时，作为一项快速发展的技术，要想发挥3D打印的积极影响，仍有很长的路要走。

**一方面，对于标准产品的加工，3D 打印的规模效益不如传统的加工方式。**相比传统的加工方式来说，3D 打印制造过程中的固定成本更少，这导致在规模化生产标准产品时，3D打印制造的边际成本下降不如传统的加工方式。

比如，使用传统的注塑方式加工一个橡胶零部件，所使用的模具属于固定成本。由于产品是标准化的，批量加工该零部件时，就使得每个零部件分摊的该项固定成本变小。因此，利用该模具加工的零件趋向于无限多，则每个零部件均摊的成本趋近于0；而如果利用3D打印加工该零部件，不需要用到任何模具，因此即使用该技术批量加工完全相同的零部件，也不存在均摊的固定成本降低的情况。

**另一方面，对于3D打印来说，**当前可用的原材料种类仍然有限。从当前的情况来看，3D打印技术能加工的材料种类不如传统加工方式多，主要有两个原因：一是由于对于性质不同的原材料，往往使用的设备原理有所不同，因此可以使用的原材料种类的开发，受限于对应的设备研发进展。

二是由于 3D 打印的原材料往往需要特定的形态，例如金属 3D 打印常使用金属粉末作为原材料，且对金属粉末的均匀度、含氧量、颗粒大小等都有所要求。相对于型材来说，粉末的加工难度更高，且相应的产业链尚不如传统材料那样广泛而庞大。

而对于利用ABS 塑料、光敏树脂等非金属进行的打印来说，目前市场上已经有比较多的原材料供应商，原材料的成本已经不是制约该技术发展的瓶颈。但对于金属、高端聚合物材料来说，由于供应产能的限制，价格仍然比较昂贵。

此外，3D打印的零部件力学性能以及金属 3D 打印在加工精度、表面粗糙度、加工效率等方面仍有空间精进。同时，成品是否坚固耐用，用户认知度是否提升**，知识产权是否面临更多的侵权风险都是3D打印在发展过程中必经却未经之路**。

3D打印承载未来制造想像

从3D打印的商业应用和市场化来看，经过 30 多年的发展，3D 打印行业已经形成一条比较完成的产业链。包括上游的制造 3D 打印设备所需的零部件、打印过程中所使用的各类原材料、设计和逆向工程所需要的软硬件；中游的3D打印设备及服务，下游的航空航天、汽车、医疗、教育等下游应用领域。

事实上，无论在全球范围内还是我国市场内，3D打印的行业规模都呈现快速增长趋势。据咨询机构Wohlers Associates统计，2013年全球 3D打印行业总产值为30.3 亿美元，2018年达到了96.8 亿美元，5 年间的复合增速达26.1%。该机构同时预测**，**从2019年-2024年间，全球3D打印行业仍将保持着年均 24%左右的复合增速。

相比全球平均水平，我国3D 行业的市场规模增速更高，2013年国内3D打印产业规模仅 3.2亿美元，2018年规模达23.6亿美元，5年的复合增速达49.1%。预计2023年，我国3D打印行业总收入将超过 100亿美元。

显然， 3D 打印已逐渐从导入期步入成长期，而疫情无疑加速了这一进程。3D打印的不受空间的制约，能够缩短供应链流程，生产效率更高，并且制造门槛也更低，这就为摆脱供应链提供了可行方案。于是，受海外医疗防护物资紧缺影响，利用3D打印设备制作出的口罩、医用面罩、护目镜等一时间成了“救场奇兵”。

其中，国内消费级3D打印机制造商创想三维，既是这一波3D打印风潮中的获益者，同时也是国内3D打印行业的主要参与力量。创想三维3月出货量达5万多台，4月初接到订单近16万台，4月销售额2.2亿元。此外，闪铸、爱用科技、光华伟业、潮阔电子等出口型3D企业也反馈了更多积极消息。

事实上，许多技术创新站在取得突破的门槛上，但其中却少有几项技术有望逆转生产率增长的下降。但3D打印不同——它从设计上就是一种有助于提高生产率的工具。如果将3D打印和机器人结合起来，它的影响将会更大。机器人在3D空间中非常灵活，而3D打印机可以构建复杂的东西。将这两者结合起来，没有理由不能从零开始构建任何结构。

过去四十年里，我国制造业经历了由复苏向崛起的快速发展，总量规模不断扩大，产业结构转型加快，综合头力和国际竞争力显著增强。在制造业飞速发展至工业4.0 智能制造的今天，智能制造最大的挑战，也从数量过渡到了质量。大规模定制、开放式创新与智能化工厂，这些变化也将是3D打印智能制造最直接的体现。

3D打印技术承载了人们对未来制造模式的无限想象，是数字时代人类技术积累到一定阶段所孕育出来的新技术，3D打印技术赋予了人类对未来的巨大想象。在未来，传统制造的物理限制和空间限制将不再那么重要，设计、生产将更加扁平化、更加开放。