MakerBot推出最新個人3D打印機(jī)，能讓使用者設(shè)計任何東西，例如玩偶、小配件、珠寶等，并讓他們的設(shè)計出現(xiàn)在眼前。目前使用者只能設(shè)計410立方英尺的物品，大概是鞋子大小。售價為2199美元。

周日特別策劃
    “家里有一臺3D打印機(jī)，孩子想要一個玩具，在3D設(shè)計模型平臺上選好自己喜歡的風(fēng)格，重新定義尺寸之后點擊打印，20分鐘后，玩具就已經(jīng)在孩子手中了。”也許你會認(rèn)為這是科幻片里的情景，但它確實是媒體報道的事實。

看到這個報道，王女士顯得很興奮。“真是太好了，這樣就不用再為給小孩買玩具來回奔波了，而且一個玩具沒玩兩天她就煩了，還要換新的，有這樣一臺打印機(jī)，她想怎么換就怎么換。”

“3D打印”究竟有多神奇？甚至有人放言，它可能引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革命。果真如此嗎？

“3D打印”是什么

 最近，國內(nèi)有關(guān)3D打印的報道可謂頻頻，甚至有人預(yù)測：未來工廠流水線將會被一臺3D打印機(jī)取代；家里來客人了，缺一把椅子，通過打印機(jī)隨手就可以打印出來……

 真的有這么神奇？3D打印究竟是如何實現(xiàn)的？

 在中國科學(xué)院自動化所研究員王飛躍看來，3D打印的原理并不復(fù)雜。他介紹說，最初的技術(shù)是計算機(jī)首先會將3D模型分層掃描，一個物體模型會被切分成很多的薄層。然后3D打印機(jī)會像普通打印機(jī)一樣把每一個薄層打印出來，只是不是打印在紙上，而是打印在一些能夠快速成型的塑料、陶瓷等材料粉末上。墨盒里裝的也不再是墨，而是特殊的膠水。一層一層的膠水，將粉末粘結(jié)成需要的形狀，當(dāng)所有的薄片都被打印出來之后，一個物體就這樣通過薄片粘貼而成了。

 北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授王華明認(rèn)為，3D打印，專業(yè)的說法應(yīng)該是“增材制造”技術(shù)，包括快速原型制造技術(shù)和高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)兩大類。

 “現(xiàn)在媒體報道的3D打印制造技術(shù)，主要是指快速原型制造技術(shù)。”王華明說。

 這項技術(shù)上世紀(jì)80年代就開始發(fā)展起來了，包括“3D打印”“立體印刷”“疊層實體造型”“熔融沉積造型”“選擇性激光燒結(jié)”等五大類。主要制造由樹脂、石蠟、陶瓷等材料組成的尺寸較小的原型樣件或模型，這些原型樣件原則上不能直接用于裝備制造，但可以縮短新產(chǎn)品研制周期，降低產(chǎn)品研發(fā)和制造成本。

 王華明所做的則是第二類——“高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)”，主要采用高功率激光束（或電子束）對粉末或絲材進(jìn)行逐層熔化、快速凝固逐層堆積、直接制造出全致密高性能金屬零部件，具有無需重型鍛造裝備及鍛造模具、材料利用率高、加工量小、柔性高效等優(yōu)點，被譽(yù)為是一種“革命性”的短周期、低成本、數(shù)字化制造技術(shù)。

 過去，飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件主要采用傳統(tǒng)鍛造和機(jī)械加工來制造，不僅耗時費(fèi)力，而且技術(shù)難度高，需要數(shù)萬噸級重型液壓鍛造工業(yè)裝備及大型鍛造模具加工，材料利用率通常不足10%、生產(chǎn)周期長、制造成本高。

 “以我國C919大型客機(jī)機(jī)頭工程樣件研制所需的鈦合金主風(fēng)擋窗框為例，從歐洲訂購至少要兩年才能拿到零件，4個框，每個框的鍛造模具費(fèi)就要50萬美元。2009年，采用我們激光直接制造技術(shù)，從制造零件到裝上飛機(jī)，僅用了55天，而且零件費(fèi)用還不到他們模具費(fèi)的五分之一。”

 “上世紀(jì)90年代底，該技術(shù)開始在美國發(fā)展，難度很大，迄今除我國外世界上其他國家一直還未能突破大型構(gòu)件激光直接制造關(guān)鍵技術(shù)，是當(dāng)前增材制造技術(shù)的熱點、難點和國際競爭制高點和發(fā)展方向。”王華明說。

 能否引發(fā)第三次產(chǎn)業(yè)革命

 美國著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家、趨勢學(xué)家杰里米·里夫金在其《第三次工業(yè)革命》一書中指出，智能制造是未來最可能引發(fā)第三次產(chǎn)業(yè)革命的領(lǐng)域之一。到那時，搜索就是制造，搜索就是生產(chǎn)，搜索就是消費(fèi)。

 對此，王飛躍說：“未來每一個人的不同需求，幾乎都能通過3D打印得到滿足。到時候我們在谷歌或百度上就不是搜一個名詞，而是尋找3D文件，或是可以完成設(shè)計的人。”

 早在今年9月19日，美國就有報道稱，MakerBot公司新推出的低端3D打印機(jī)Replicator 2的價格僅為2199美元，高端的 Replicator 2X也只有2799美元；并且，幾年后價格可能會降到99美元；屆時，每個人都將擁有3D打印機(jī)，比計算機(jī)還要普及。

“這將徹底改變我們的世界。”王飛躍說，傳統(tǒng)的制造方式依靠規(guī)模生產(chǎn)降低成本，但絕大多數(shù)的需求并不需要規(guī)模生產(chǎn)，過去只能由手工制作或歸為奢侈品來滿足，而現(xiàn)在可以通過3D打印技術(shù)高質(zhì)量且經(jīng)濟(jì)地解決。

“3D打印成本的下降和應(yīng)用的普及，意味著增材制造的Microsoft、Google、QQ、阿里巴巴和微博時代的同時到來。正如Google依靠大規(guī)模的計算機(jī)服務(wù)器陣列來滿足人們信息搜索的需求，從而改變?nèi)祟惿�活與工作方式一樣，我們可以設(shè)想未來的3D打印機(jī)組成大規(guī)模的制造陣列，實時方便地滿足人類對各種個性化產(chǎn)品的物質(zhì)需求，進(jìn)而更加深刻地改變我們生活的社會。這就是為什么3D打印將改變我們的世界，這就是為什么社會制造將帶來一場產(chǎn)業(yè)革命。”談到這里，王飛躍顯得很有信心。

而王華明似乎對此有所保留。

“有媒體報道說瑞典開發(fā)了一臺3D打印機(jī)，存儲了100多種軟件，能打印出來100多種巧克力，這根本就不是制造。還有說打印手槍都沒問題，那是塑料玩具手槍。真正的一把小小的金屬材料手槍根本不需要3D打印，因為‘打印’出的手槍金屬零件精度達(dá)不到要求、成本還高、速度也不快，而用傳統(tǒng)機(jī)床去加工這些手槍等簡單金屬小零件、既不費(fèi)料、也不費(fèi)時、不僅速度快、精度高、而且成本還更低。”王華明說。

但他同時認(rèn)為，3D打印至少對那些高性能的難加工的大型復(fù)雜金屬構(gòu)件是一次革命，因為它是高性能難加工金屬材料制備與零件成形一體化制造技術(shù)，而且流程短、成本低、近終成形。從這個意義上說，它代表著高性能難加工大型復(fù)雜關(guān)鍵金屬構(gòu)件制造技術(shù)的發(fā)展方向，當(dāng)然也代表了3D打印制造技術(shù)的發(fā)展方向。

“3D打印制造技術(shù)不能與第三次產(chǎn)業(yè)革命劃等號，但它無疑是第三次產(chǎn)業(yè)革命中一個重要的元素。”王華明說。

前景很光明，難題仍很多

 雖然經(jīng)過幾十年的發(fā)展，但直到1995年“3D打印”這個名詞才正式出現(xiàn)。“而且這兩年發(fā)展勢頭很猛。”王飛躍說。

2012年3月19日，美國總統(tǒng)奧巴馬在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)宣布創(chuàng)立美國“制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)”計劃。由政府主導(dǎo)、聯(lián)邦政府和工業(yè)部門共同斥資10億美元逐步建立15個“制造創(chuàng)新中心”，組成創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。8月16日，“國家增材制造創(chuàng)新中心”作為其首個“樣板示范”創(chuàng)新中心剪彩成立。作為新技術(shù)研究、開發(fā)、示范、轉(zhuǎn)移和推廣的基礎(chǔ)平臺，號稱要成為增材制造技術(shù)全球卓越中心并提升美國制造全球競爭力。至此，3D打印的發(fā)展更是如日中天。

 3D打印之所以如此受青睞，是因為其代表了未來制造業(yè)發(fā)展的新方向——增材制造或加式制造。

王飛躍表示，加式制造是相對于傳統(tǒng)制造方式而言的，傳統(tǒng)制造方式主要通過模具、車銑等機(jī)械加工技術(shù)與工具將原材料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，其特點是利用縮削、減少材料來生產(chǎn)部件。而加式制造是利用逐層增加材料的方式生產(chǎn)各種產(chǎn)品，無須模具，因此也被稱為無形制造技術(shù)。3D打印只是實現(xiàn)加式制造的一種主要方式。

雖然前景很讓人憧憬，而且人們也的確用3D打印技術(shù)打印出了人體器官、建筑、飛機(jī)零部件等很多東西。但“從現(xiàn)在看，還沒有能力立刻取代傳統(tǒng)制造業(yè)。”王飛躍說。

而且3D打印仍然面臨著許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，美國一項研究曾將其面臨的主要問題歸納為以下幾個方面：材料的刻畫，材料的研制，過程控制問題，過程的建模與分析，機(jī)器的驗證與標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器的模塊化構(gòu)造與組合，設(shè)計工具與軟件。

王飛躍認(rèn)為，其中最難解決的是材料問題。目前，不但能夠用于3D打印的材料非常有限，主要為塑料、陶瓷等容易塑形的材料，而且很多材料的強(qiáng)度和硬度都無法達(dá)到預(yù)期。例如，打印一把可以使用的錘子就比較困難，因為硬度達(dá)不到要求。

王華明的擔(dān)憂似乎遠(yuǎn)不止這些。有數(shù)據(jù)顯示：2012年，世界增材制造的總產(chǎn)值大概是11億美元，而我國是兩億人民幣左右。“在制備過程中控制材料的結(jié)構(gòu)和性能的確很重要，但經(jīng)過30多年的發(fā)展，為什么其產(chǎn)值才這么點兒。我想3D打印到底適合干什么，找到它合適的定位，這才是其是否能發(fā)展成為一種產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。”