§3D打印为何物（第1页）

§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CADCAM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。Sp（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-Dimensi，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（Soufag）。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。

&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（2uide）》，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（KitDIY）、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Shaperap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。　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。　Rapid　Prototyping　and　Manufag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　Manufag）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CADCAM杂志的每月新闻通讯Rapid　Prototypis，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