§3D打印为何物

3D打印发展概况

1.3D打印的起源

过去三百年来，在欧美等国发生了两次工业革命，促进了资本主义的发展和工业生产技术的革新。出于科学研究和产品设计的需要，一种名为“3D打印”的快速成型技术也在18到19世纪开始萌芽，威廉姆光刻实验室也就在这段时期开展了商业探索。遗憾的是，由于受到技术的限制，这种设想在当时并没有获得突破性的进展。到了20世纪80年代，3D打印技术才在商业领域获得真正意义的发展，涌现了几次3D打印技术浪潮。2007年，开源的桌面级3D打印设备发布，开始酝酿了新一轮的3D打印浪潮。2012年4月，英国著名经济学杂志《经济学家》将“第三次工业革命”作为封面文章（图2-1），掀起了新一轮3D打印浪潮。

从3D打印技术的发展历程来看，Blanther（1892）首次提出用层叠成型法来制作地形图的构想，Perera（1940）也提出了可以沿等高线轮廓切割硬纸板然后层叠成型制作三维地形图的方法。Matsubara（1972）基于纸板层叠技术率先提出了一种新的成型方法，即尝试使用光固化材料、光敏聚合树脂涂于耐火颗粒，然后这些颗粒将被填充到叠层，加热后会生成与叠层对应的板层，光线有选择地投射到该板层上将指定部分硬化，未扫描部分将会使用化学溶剂溶解掉，这样板层将会不断堆积直到最后形成一个立体模型，这样的方法适用于制作传统工艺难以加工的曲面。Swainson（1977）提出可以通过激光选择性照射光敏聚合物的方法直接制造立体模型，与此同时Battelle实验室的Schwerzel也开展了类似研究工作。日本学者Nakagawa（1979）开始用薄膜技术制作出落料模、注塑模和成型模等实用工具。Hideo　Kodama（1981）首次提出了一套功能感光聚合物快速成型系统的设计方案。Charles　W.Hull（1982）试图将光学技术应用于快速成型领域，并于1986年成立了3D　Systems公司，研发了后来成为CAD/CAM系统接口文件格式工业标准的STL文件格式，1988年推出了世界上第一台基于SLA技术的商用3D打印机SLA-250（如图2-2所示）——体积非常大的“立体平板印刷机”。尽管SLA-250身形巨大且价格昂贵，但它的面世标志着3D打印商业化的起步。Scott　Crump（1988）发明了另一种3D打印技术即熔融沉积快速成型技术（Fused　Deposition　Modeling,　FDM），并于1988年成立了专门从事3D打印业务的Stratasys公司。

C.　R.Dechard（1989）在德克萨斯大学奥斯汀分校发明了选择性激光烧结工艺（Selective　Laser　Sintering,　SLS），该技术得到广泛应用并支持尼龙、蜡、陶瓷，甚至金属等多种材料成型，从而使3D打印生产走向多元化。1992年，Stratasys公司推出了第一台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者（3D　Modeler）”，这标志FDM技术进入商用阶段。MIT的Emanual　Sachs（1993）发明了三维印刷技术（Three-Dimension　Printing，3DP），3DP技术使用粘接剂把金属、陶瓷等粉末粘合成型。

到了1995年，快速成型技术被列为我国未来十年十大模具工业发展方向之一，国内的自然科学学科发展战略调研报告也将快速成型与制造技术、自由造型系统以及计算机集成系统研究列为重点研究领域之一。1996年，3D　Systems、Stratasys、Z　Corporation各自推出了新一代的快速成型设备Actua　2100、Genisys和Z402，此后快速成型技术便有了更加通俗的称谓——“3D打印”。1999年，3D　Systems推出了售价80万美元的SLA　7000。2002年，Stratasys公司推出Dimension系列桌面级3D打印机（如图2-3所示），Dimension系列价格相对低廉，主要也是基于FDM技术以ABS塑料作为成型材料。

2005年，Z　Corporation推出世界上第一台高精度彩色3D打印机Spectrum　Z510，让3D打印走进了彩色时代。2007年，3D打印服务创业公司Shapeways正式成立，Shapeways公司建立起了一个规模庞大的3D打印设计在线交易平台，为用户提供个性化的3D打印服务，深化了社会化制造模式（Social　Manufacturing）。2008年，第一款开源的桌面级3D打印机RepRap发布，RepRap是开源3D打印机研究项目，由英国巴恩大学Adrian　Bowyer团队在2005年立项，得益于开源硬件的进步与欧美实验室团队的无私贡献，桌面级的开源3D打印机为新一轮的3D打印浪潮翻起了暗涌。2009年，Bre　Pettis带领团队创立了著名的桌面级3D打印机公司——Makerbot（如图2-4所示），Makerbot的设备主要基于早期的RepRap开源项目，但对RepRap的机械结构进行了重新设计，发展至今已经历几代的升级，在成型精度、打印尺寸等指标上都有长足的进步。

Makerbot承接了RepRap项目的开源精神，其早期的产品同样是以开源的方式发布，在互联网上能非常方便地找到Makerbot早期项目所有的工程材料，Makerbot也出售设备的组装套件，此后国内的厂商便以这些材料为基础开始了仿造工作，国内的桌面级3D打印机市场也由此打开。

2012年，英国《经济学家》杂志将“第三次工业革命”作为封面文章，全面地掀起了新一轮的3D打印浪潮。2012年9月，3D打印的两个领先企业Stratasys和以色列的Objet宣布进行合并，交易额为14亿美元，合并后的公司名仍为Stratasys，进一步确立了Stratasys在高速发展的3D打印及数字制造业中的领导地位。2012年10月，麻省理工大学的Media　Lab团队成立Formlabs公司并发布了世界上第一台廉价的高精度SLA消费级桌面3D打印机Fom1（图2-5），从而引起了业界的重视。此后在著名众筹网站Kickstarter上发布的3D打印项目呈现出百花齐放的盛况。国内的生产商也开始了基于SLA技术的桌面级3D打印机研发。

同期，中国3D打印技术产业联盟正式宣告成立，其由亚洲制造业协会联合清华大学、北京航空航天大学和华中科技大学等权威科研机构以及3D行业领先企业共同发起。国内关于3D打印的门户网站、论坛、博客如雨后春笋般涌现，各大报刊、网媒、电台、电视台也争相报道关于3D打印的新闻。2013年12月8日，在南京也成立了由80家高校、院所、企业参加的“3D打印产业技术联盟”，西安交通大学的卢秉恒院士担任理事长，西北工业大学的黄卫东教授等担任副理事长。

2013年，3D打印位列《环球科学》即《科学美国人》中文版评选的“2012年最值得铭记、对人类社会产生影响最为深远的十大新闻”的第九名。

2014年12月12日，全球最大的分布式3D打印服务平台3D　Hubs在汇集了来自全球各地2279位经过认证的3D打印机用户的评论的基础上，发布了《2015年3D打印机指南（2015　3D　Printer　Guide）》，把3D打印机分成了五个不同的类别：发烧级类（Enthusiast）、即插即用类（Plug-n-Play）、套件/DIY类（Kit/DIY）、经济类（Budget）和光敏树脂类（Resin）。

2.3D打印行业发展

3D打印技术在艺术设计、航空航天、地理信息、军工、医疗和消费电子产品等多个领域都得到了应用。美国的技术咨询服务协会Wohlers专门从事增材制造技术，根据其公布的2011年度报告，2010年3D打印技术行业的销售额是13.25亿美元，市场的年均复合增长率达到24.1%，该公司预计至2020年，增材制造市场可能达到52亿美元。与此不同的是，全球工业分析公司（GIA）给出了保守的预测，认为2018年该市场将达到30亿美元的规模。Wohlers的“2011年度报告”分析了增材制造技术在各行业的应用情况，消费品/电子占20.62%，汽车占17.92%，医疗/牙科占15.92%，工业/商用机器占12.91%，航空航天占9.91%，科研占7.91%，政府/军事占6.31%，建筑/地理占4.00%，增材制造技术主要应用功能是功能模型、直接数字/快速制造、装配模型、快速模型原型、直接教具、金属铸造模型、展示模型、科研教育和工模具模型，分别占19%、15%、13%、12%、12%、9%、8%、6%和3%；美、日、德、中等国成为3D打印设备的主要设备拥有国，分别占41%、10%、9%和6%。

3.3D打印核心企业

对于3D打印机行业，从全球来看，在市场中占据绝大多数份额的是美国的两家公司，它们分别是3D　Systems和Stratasys。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。3D　Systems是世界上第一家生产3D打印设备的公司，也是全世界最大的快速成型设备开发公司。2011年11月，在3D　Systems公司收购了Z　Corporation（3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者）之后，3D　Systems占据3D打印领域的龙头位置。2010年Stratasys公司与传统打印行业的巨头惠普公司签订OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。继2011年5月收购Solidscape公司之后，2012年4月Stratasys又与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处于快速的整合和迅速的兼并过程中，呈现出加速崛起行业巨头的态势。

各代表企业采用的工艺、材料和面向市场情况如表2-2所示。增材制造技术工作组及其路线图如表2-3所示。

4.3D打印学术发展

国外有关快速制造、增材制造和3D打印研究的学术会议和专业刊物都已经出现。1991年，Dagton大学主办的“快速制造国际会议”（Int.Conf.on　Rapid　Prototyping）是最早的3D打印学术会议。1996年，美国**E协会的RPA分会主办的Int.Conf.on　Rapid　Prototyping　and　Manufacturing会议则侧重于快速成型技术的应用，同时进行商业展览，参加会议人数达610人。欧洲和日本也相应举办了快速制造、3D打印技术（Rapid　Prototyping　and　Manufacturing）年会。快速制造、3D打印技术己成为许多国际会议的热点主题。己创刊的快速制造、3D打印技术专业杂志有美国CAD/CAM杂志的每月新闻通讯Rapid　Prototyping　Reports，美国MCB大学出版的1995年创刊的Rapid　Prototyping　Journal和美国RPA协会季刊Rapid　Prototyping。概括起来，这些会议和杂志涉及新的快速制造、3D打印技术方法和工艺、新材料开发、快速模具制造、制件精度、软件及新应用等。

美国3D打印产业发展的经验

美国是当今世界能够制造高精尖装备的大国之一，也是现在3D打印技术的发源地。无论是在产业发展上，还是在技术上，目前美国都处于遥遥领先的地位。美国3D打印产业发展的成功经验具有如下几个方面：

1.充分的市场竞争

当前，美国的3D打印技术工艺包括立体光刻、选择性激光烧结、三维打印及熔融沉积制造等，这些技术均掌握于美国企业。全球的3D打印市场竞争十分激烈，美国企业要想获得市场份额也必须通过市场竞争。也正是通过参与激烈的市场竞争，从而使美国诞生了3D　Systems公司和Stratasys公司两大巨头。

2.完善的配套产业

3D打印产业的发展离不开配套产业的支撑，尤其是3D打印所需的CAD软件和打印材料。美国3D打印的配套产业非常发达，不仅能够提供3D打印机，而且基本上都能够为客户提供一体化的3D打印解决方案。美国的CAD软件产业以及热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末等打印材料都比较发达，从而为美国的3D打印企业提供了有力的支撑。

3.强大的政府资助

鉴于3D打印技术及其产业展现出对传统制造业的革命性突破，美国联邦政府对此给予了高度重视和大力的财政支持。2012年3月，美国总统奥巴马批准，以10亿美元投资设立国家制造业创新网络（The　National　Network　for　Manufacturing　Innovation,　NNMI）。由15个不同地区的制造业创新研究所构成的国家制造业创新网络，采取“官产学”方式进行合作，以加强美国制造业的创新，提升美国在全球的竞争力。NNMI首当其冲纳入考虑的范畴即是增材制造，2012年8月，美国建立国家增材制造创新研究院（National　Additive　Manufacturing　Innovation　Institute,　NAMII）。美国俄亥俄州的扬斯敦商业孵化器是首个获得NAMII资格的机构，国家航空和航天局、国防部、商务部、能源部和国家科学基金会五家联邦机构总共投入300万美元，西弗吉尼亚州、宾夕法尼亚州和俄亥俄州政府及工业界配套投入400万美元。西弗吉尼亚州、宾夕法尼亚州和俄亥俄州技术带总共有32000家制造业企业，是全美的第三大制造业中心（仅次于德克萨斯州和加利弗尼亚州），这些企业都在扬斯敦商业孵化器的辐射范围之内。

4.协会的长期推动

全美制造工程师学会（The　Society　of　Manufacturing　Engineers,　**E）在很大程度上推动了美国3D打印技术的应用和产业化。该学会作为全球3D打印技术的年度盛会RAPID的组织者，快速技术和增材制造（Rapid　Technologic　and　Additive　Manufacturing,　RTAM）团体就是由其在20世纪80年代中期开始建立，并由该团体积极推动3D打印技术的应用和产业化。

5.健全的技术标准

基于美国测试和材料协会（American　Society　for　Testing　and　Material,　ASTM）的基础，ASTM　International逐步发展起来，成为全球自愿达成的工业标准的主要制定者。2009年，ASTM　International设立一个委员会，被称为F42委员会，TC261是其在国际标准组织150的对应机构，目的是专门负责增材制造技术。2011年，ASTM和150签署合作协议，将共同推动3D打印技术的国际标准工作。近两年来，在双方的合作下，3D打印的技术标准得到不断完善，成为推动3D打印技术应用和产业化规范发展的重要推动力量。

6.发达的金融支撑

强大的风险投资基金和发达的金融支持是美国创新的重要组成部分，也是推动3D打印产业不断发展和壮大的重要原因。3D打印产业的形成和发展都得到了美国风险投资基金的支持，一是在Stratasys成立伊始，创始人通过向风险资本出售35%的公司股权，获得了120万美元的风险投资，对企业发展发挥了重要的推动作用；二是2011年3D　Systems购买了一家公司的全部股权，并斥资1.37亿美元收购另外一家公司，2013年又收购了3D模型设计公司的软件企业。

7.强大的市场需求

3D打印设备是当前3D打印技术中一种常见的终端应用产品，融合了许多高精尖技术。初期在生产规模比较小的时候，单个打印设备的价格比较高，市场需求也比较小，除了少部分打印机用于科学研究、科普展览等领域外，大多数的买家主要是一些大型制造企业。如Stratasys公司在刚成立时，由于找不到适合的市场，于是专门为通用汽车、3M、Prat＆whitney等大客户量身定做了3D打印设备，使得企业才开始有了起步的动力，并由此开辟了3D打印设备的市场。可见，大型制造企业的强大市场需求是美国3D打印设备能够实现产业化的重要推动力。

8.整合的技术路线

3D打印设备要能够正常的工作，需要许多与之相配套的产业，这就需要及时对相关的技术和产业进行整合，从而不断提高3D打印设备的技术水平和功能。比如美国，在开发3D打印技术的过程中，既有专业的3D打印技术企业如Stratasys和3D　Systems，也有一大批掌握了这项技术的大型制造企业。在这种情况下，就需要通过购买股权等方式对不同的技术路线进行有效的整合。Stratasys和3D　Systems公司就是通过不断的整合，从而实现公司的发展壮大。

中国3D打印的发展历程

1.艰难起步

3D打印技术在中国兴起于上个世纪八九十年代，此时，也正是美国和日本3D打印产业真正成规模发展的时期。1988年10月，被认为是中国快速成形技术的先驱人物之一的清华大学颜永年教授，结束在美国加州大学洛杉矶分校访问之后，回到国内，开始专攻3D打印。他建立了清华大学激光快速成形中心，并多次邀请美国学者来华讲学。颜永年希望能从美国引进设备进行研究，但设备太贵，颜永年不得已找到美国3D　Systems的代理商——香港殷发公司寻求合作。双方达成协议，设备由香港殷发公司提供，人员和场地等由清华大学提供，成立了国内第一家3D打印公司——北京殷华快速成型模具技术有限公司。

被视为国内3D打印业另一先驱人物的西安交通大学教授、中国工程院卢秉恒院士，在1992年赴美做高级访问学者时发现快速成形技术在汽车制造业中的应用，回国后随即转向这一领域。1994年，西安交通大学成立了先进制造技术研究所，从做软件开发起步，进而试制紫外激光器、材料开发，最终研制出一台具有基本功能的样机。1995年9月18日，在国家科委论证会上，卢秉恒的样机获得了很高的评价，同时也争取到了“九五”国家重点科技攻关项目250万元的资助。1997年国内第一台光固化快速成型机由卢秉恒团队销售出。从此，依托西安交通大学的陕西恒通智能机器有限公司成为国内供应SLA光固化工业型成型机的第一家企业。

同期，华中科技大学的王运赣教授在美国参观访问中，接触到了刚问世不久的快速成型机。最初，王运赣想从最早出现的基于光敏树脂原料的光固化立体成型技术做起。然而，该实验的成本太高。一方面是液态光敏树脂材料价格太高，国际市场价格大约是每公斤2000元人民币，做一次实验至少要6000元以上。另一方面是快速成型设备也很贵，仅机器上的一个激光器就要3万美元。在时任校长、已故著名机械制造专家黄树槐的主持下，快速制造中心在华中科技大学成立，转攻基于纸原料的分层实体制造技术（LOM）。1994年，国内第一台基于薄材纸的LOM样机由快速制造中心研制出，1995年在北京机床博览会上引发巨大反响。LOM技术制作冲模，大大缩短生产周期，相比传统方法，节省了大约二分之一的成本。在此阶段，光固化技术、分层实体制造等技术蹒跚起步，在打印产品模型和铸造用蜡模等领域开始使用，但尚未直接制作出功能零件。

2.直接制造

1995年，西北工业大学教授黄卫东在学生做激光熔覆实验上得到启发，提出了一个新想法：结合3D打印技术和同步送粉激光熔覆，形成一种新技术；这种技术能够用于直接制造致密金属零件，可以承载高强度力学的载荷，适合用于生产飞机发动机零件。1997年，航空科学基金首次设立重点项目，在评审组长左铁钏的支持下，黄卫东团队的“金属粉材激光熔凝的显微组织与力学性能研究”项目，顺利得到通过。

同年，国家自然科学基金对黄卫东的激光定向凝固研究项目也进行了资助。2000年以后，对于激光立体成型的立项，国家自然科学基金、863计划、973计划等也开始支持。这个研究成果，很快应用在新型航空发动机的研制中。2001年，关于激光立体成型的源头创新，黄卫东团队申请了中国的第一批专利。到目前，已获12项激光立体成形的材料、工艺和装备等相关的国家发明和实用新型专利。

对于这方面的研究工作，基于快速自由精确成型和高强度控制的目标，并以同步实现这两个目标为总体思路，北京有色金属研究总院、华中科技大学、清华大学、北京工业大学和北京航空航天大学等先后开始展开。1998年，华中科技大学快速制造中心引进了选择性激光烧结技术和选择性激光熔化技术，这两项技术由史玉升专门负责。目前这是能够直接得到金属件最成功的方法，具有典型的代表性的就是美国3D　Systems公司采用的粉末烧结技术——金属粉末和有机黏结剂相混合。史玉升使用聚苯乙烯粒料替代尼龙粉末作为激光烧结材料，从而解决了研发激光烧结设备及其合适的粉末材料的课题，并于1999年造出了第一个产品——计算机鼠标外壳。2010年，史玉升研制出工业级的1.2米×1.2米快速制造装备，超越了美国3D　Systems公司和德国EOS公司的同类产品，成为全球该类装备的最大工作面。如今，1.4米×1.4米工作面的快速制造装备正在研制中，以满足重要行业整体快速制造大型复杂制件的要求。

另外，基于航空发动机和大型飞机等国家重大战略需求的考虑，对于相关关键构件激光成型工艺、成套装备和应用关键技术，北京航空航天大学教授王华明团队在国际上实现了首次的全面突破，使得中国成为目前全球唯一掌握大型整体钛合金关键构件激光成型技术、并对装机工程成功实现应用的国家。

1998年，清华大学的颜永年又将生命科学领域引入快速成形技术，“生物制造工程”学科概念和框架体系即是由其提出的。2001年生物材料快速成型机被研制出，这为制造科学提出了一个新的发展方向。之后，生物制造被西北工业大学、华中科技大学等多家单位看成重要的方向。2001年，西安交通大学与第四军医大学合作完成了世界首例人类下颌骨3D打印修复手术。

3.产业化难题

相对于科研的艰难推进，3D打印技术在中国的商业推广更为艰难。华中科技大学教授史玉升最开始推广3D打印技术时曾被当作“骗子”。后来，经过多次参加各种交流会，史玉升的团队派教师、博士后和研究生到生产现场，寻求与企业通力合作，努力与企业里的技术人员一起攻关，使得这项成果逐步获得企业的认可。到2011年，史玉升团队的3D打印设备才被更多企业接纳，尤其是被欧洲空客公司等单位选中，联合承担了欧盟框架下的七个项目，为欧洲航天局和空客等单位，制作卫星、飞机、航空发动机用大型复杂钛合金零部件的铸造蜡模。但是，2011年中国装机量仅占全球9%的份额。虽然中国的3D打印技术在某些领域已经领先全球，但商业化滞后、规模较小，尚未形成产业链。