1 3D打印那些事儿

人猿相揖别，是因为古人能够手工制造工具并且使用；今人区别于古人，是因为能够用机器自动化大规模制造工具。人类进化至今，一个崭新的文明标志就是能够用机器制造机器。从某种意义上说，当前被赋予无限想象力的3D打印机正是这种能够制造机器的机器。

本章导读：

●3D打印技术成长史和现状

●3D打印的原理及打印耗材

●3D打印的相对优势

●3D打印机导购

1.1 3D打印的前世今生

3D打印（3D Printing），即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或者塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常采用数字技术材料打印机来实现。过去3D打印技术常在模具制造、工业设计等领域用于制造模型，现在正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术直接生产的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、武器制造以及其他领域都有所应用。

1.1.1 萌芽期

即便是今天，在多数人看来3D打印还是一种新事物，然而其实在20年前3D打印的设想就已经开始酝酿。设计领域有许多人都知道3D CAD（3D计算机辅助技术），从20世纪70年代诞生到现在，3D CAD经历了几十年的发展，已经成为广大设计人员的有力工具之一和很多设计领域的重要标准。而快速成型（Rapid Prototyping，RP）技术几乎与3D CAD的发展同步，人们从使用3D CAD的那天起就希望方便地将设计“转化”为实物，因此也就有了发明3D打印机的必要。

在目前的3D打印机行业中，Z Corporation和Stratasys两家公司的产品占有绝大多数市场份额。提到3DP（Three Dimensional Printing，三维打印）几乎就是美国Z Corporation公司的代称，如图1-2所示。早在1994年，几个来自MIT（麻省理工学院）的科研和技术专家就发明了3DP技术并申请了专利。1997年，为了将3DP技术推向市场，Z Corporation公司正式成立。从那时起，Z Corporation就一直占据着3D打印机市场的半壁江山。2012年，3D Systems公司完成了对Z Corporation公司的收购。

成立于1990年的美国Stratasys公司（Logo如图1-3所示）率先推出了基于熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling, FDM）技术的快速成型机，并很快发布了基于FDM技术的Dimension系列3D打印机。由于FDM技术有其得天独厚的优势，适合汽车、家电、电动工具、机械加工、精密铸造以及工艺品制作等领域使用，因此Stratasys的FDM快速成型机目前在全球RP市场已经占有近半的比例。

我国对3D打印技术也同样有着十分强烈的需求。自20世纪90年代初国内就有多所高校开始进行具有自主知识产权的RP技术研发，但是相比RP技术领先的美国、日本等国家，国内还没有一款达到国际水平的3D打印机推向市场，只有部分有实力的企业和科研院所到专业的RP或者3D打印服务商那里租用3D打印机或者订制模型。国内RP技术在研究队伍、资金投入和普及范围等多方面还有很长的路要走。比较而言，港台地区RP技术应用更为广泛。港台地区相比内地RP技术起步较早——很多高校、企业都有自己的3D打印设备。只不过，港台地区RP技术的重点是应用与推广，而并非是自主研发。

1.1.2 成长期

根据《3D打印：从梦想到现实》的作者之一胡迪·利普森提供的数据，关于“3D打印”的新闻搜索从2011年才开始猛增，而这项技术其实早在20世纪80年代就出现了。中国物联网校企联盟将其称作“19世纪的思想，20世纪的技术，21世纪的市场”。的确，在全球范围内，“3D打印”的走红似乎都是这两年内的事。

30年前诞生的技术为何现在才火？长期关注3D打印的中国电子信息产业发展研究院装备工业研究所副所长左世全表示，价格下降和技术进步是最重要的两个原因。

据悉，最早的Stratasys 3D打印机每台售价高达13万美元。别说家庭用户，就连企业用户闻其价也退避三舍，Stratasys在成立3年后才卖出自己的第一台3D打印机。时至今日，3D打印机早已不是当年乏人问津的奢侈品，其价格已降至2000美元左右，国产的3D打印机甚至只需1000美元上下。价格的下跌，直接促成了3D打印机进入家庭。在2009～2011年间，美国3D打印机的销量增长了4倍。

与此同时，近30年间，3D打印的技术也在不断成熟。从打印单一材料的模型到直接打印多种材料的产品，再配合计算机软件设计技术的发展，从理论上来说，3D打印机正在日益成为一台能制造万物的神奇机器，人们在它身上看到了越来越多的可能。

1.1.3 现状

3D打印技术作为一种高科技技术，综合应用了CAD/CAM技术、激光技术。随着技术的进步，3D打印机除了在产品设计、建筑设计、工业设计、医疗用品设计等领域发挥作用外，在电影动漫、气象、教育、外科医疗等领域也都能发挥其独特的作用。

2011年9月BBC NEWS报道，德国弗劳恩霍夫研究所的一个小组，使用3D打印技术和一种称为“多光子聚合”的技术，成功打印出人造血管，如图1-4所示。通过这一过程打印出来的血管可以与人体组织相互“沟通”，不会遭器官排斥。打印时使用的“墨水”是生物分子与人造聚合体。

2011年10月，一辆名为“Urbee”的汽车在加拿大温尼伯艺术画廊举行的展会上首次公开亮相，如图1-5所示，它包括玻璃嵌板在内的所有外部组件都是通过3D打印设备生产的。它用电和汽油作为混合动力，车速可达每小时100公里至110公里。

2011年12月，Theo Jansen展示一套采用3D打印机制作的风动机械装置，唯一使用的材料就是PVC，如图1-6所示。这个机械装置需要通过风驱动上面的大扇叶，带动内部的机械齿轮让装置行走，就像一个多足的机器人在那里爬行。

2012年的TED大会上，能打印出肾的3D打印机使人眼前一亮。这次打印出的肾组织只是一个雏形，只是用于实验操作，短期内不能被用于临床应用中，但神奇的效果却产生了震撼效应，如图1-7所示。

2012年3月，来自维也纳科技大学的研究人员推出了“纳米级”3D打印机，如图1-8所示。它可以创建复杂的对象，比如微型F1赛车、维也纳圣史蒂芬大教堂和伦敦塔桥的微型模型等，它们甚至比一粒沙子还要小。这种打印机使用液态树脂，采用一种名为“双光子光刻”的高新技术，通过激光使树脂硬化成型。

如今类似的3D服务公司在世界各地蓬勃发展。除了最有名的Shapeways，3D打印机的生产厂商之一的3D Systems也设立了一家合资公司Mqast，这家公司的机器已可以支持使用铝和不锈钢来打印。目前全球最先进的3D打印机，已可以用激光烧结直接制造复杂的塑料、金属和合金元件。它们不光可以离开传统的大规模机床来制造小数量的部件，还可以用不同方法来制造不同材质的物品。

3D打印技术在国内也取得了很好的发展成果。科研方面的应用相对发展较快，一些科研成果已经被应用到航空航天以及生物、医学等尖端领域。目前，依托高校成果，对3D打印设备进行产业化运作的公司实体主要有：陕西恒通智能机器（依托西安交通大学）和湖北滨湖机电（依托华中科技大学）等。这些公司都已实现了一定程度的产业化，部分公司生产的便携式桌面3D打印机的价格已具备国际竞争力，成功进入欧美市场。一些中小企业成为国外3D打印设备的代理商，经销全套打印设备、成型软件和特种材料。还有一些中小企业购买了国内外各类3D打印设备，专门为相关企业的研发、生产提供服务。国内目前也出现了一些依托3D打印技术的创意打印商店，目前正处于发展阶段。

在光鲜的荣誉及发展背后，3D打印技术现如今也面临着一些问题。第一，现在3D打印技术的精度约为0.1mm，而且打印机本身的售价偏高，不过，随着技术的进步和成本的降低，这个缺点会得到改善甚至会和普通的激光打印机成本一样；第二，生物3D打印机也面临着诸多挑战，其中之一是其打印出的物体如何与身体其他器官尤其是大的组织更好地结合，因为任何打印出来的器官或者身体组织都需要同身体的血管相连，而这可能非常难实现。一旦克服了这个技术障碍，在未来几十年内，生物打印技术将成为一项标准技术；第三，除去技术方面的问题，3D打印还将面对一个更严重的社会问题—安全。3D打印技术即将走进寻常百姓家，只需要有枪械的设计图纸，以及一台3D打印机，即可自行生产出枪械。这会给社会治安带来很大的影响，所以未来是否会有相关的立法和限制措施来进行管控是影响3D打印发展的一个重要因素。