其實(shí)3D打印的學(xué)名叫做“增材制造”，是一種快速成型的技術(shù)。以三維數字模型文件為基礎，運用塑料或者粉末狀金屬等可粘合材料，通過(guò)逐層堆積的方式來(lái)制造物體。

3D打印過(guò)程

3D打印的原理和用途

下面是美國標準委員會(huì )對3D打印工藝的一種分類(lèi)，相對來(lái)說(shuō)比較權威。

光固化

液體光敏樹(shù)脂經(jīng)過(guò)光照以后發(fā)生固化反應，凝固成產(chǎn)品形狀。

激光燒結

粉末原料(金屬、塑料、石膏等)通過(guò)能量束(激光或電子束等)照射，層層融化成型;或是通過(guò)一些膠粘劑，對粉末進(jìn)行粘接成型。

層壓

一種比較古老的3D打印工藝，最早應用在考古學(xué)，對恐龍化石或者人頭骨復原的時(shí)候，利用切割硬紙板的方式，來(lái)制作化石的模型。

熔融沉積

比較常見(jiàn)的工藝，桌面機是以擠出工藝為主的機器。使用的材料多種多樣，不僅有塑料，還包括一些食物，如巧克力、豆沙，甚至建筑類(lèi)材料，如水泥，泥漿等糊狀物。

定向能量沉積

把金屬粉末或金屬絲直接在產(chǎn)品表面熔融固化，適合修復零件，也在統一零件使用多種材料。這種技術(shù)我們國還是比較領(lǐng)先，獲得了國家科學(xué)進(jìn)步一等獎來(lái)自北航的王華明團隊,就是利用這種技術(shù)制作了四米左右的飛機的部件，并用在了航天航空相關(guān)的工業(yè)上。

混合增材

這是比較新的技術(shù)，是CNC數控機床的配套增材制造包，典型材料是金屬粉、金屬絲和陶瓷。因為幾乎所有的3D打印作品并不是打印完畢就結束了，都需要進(jìn)行后處理。所以這種增材和減材并用的技術(shù)，可以同時(shí)解決后處理的問(wèn)題。

3D打印的用途大致可以分為三種：概念建模，原型測試，和直接數字制造。

概念建模和原型測試是比較傳統的兩種用途，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是制作模型，主要功能是做驗證，如結構驗證，外觀(guān)驗證，功能驗證和裝配驗證。直接數字制造是現在流行的一種趨勢，即打印出來(lái)的成品可以直接作為一個(gè)最終的產(chǎn)品或者是零件直接使用到終端。

可以給大家舉幾個(gè)例子。比如概念建模，我們公司和雪佛蘭合作做了一個(gè)公益的活動(dòng)，內容是征集小朋友對未來(lái)汽車(chē)的想象.通過(guò)他們的畫(huà)筆畫(huà)出汽車(chē)圖案，而我們把圖案變?yōu)閿底帜Ｐ?，再通過(guò)打印和后期的著(zhù)色形成一個(gè)實(shí)體物品。這是一個(gè)夢(mèng)想變成現實(shí)的過(guò)程，可以把一個(gè)原始的想法變?yōu)橐粋€(gè)漂亮的樣品。

另外還有一個(gè)機器人公司在我們公司做原型測試。最初我們會(huì )打印他們設計的圖紙，但一旦中間有不符合要求部件就立刻更換。通過(guò)不斷的迭代，反復的驗證，終于打印出一整合格的外殼。大家可以看到下圖中最開(kāi)始的設計和最終的成品間差距還是挺大的。

直接數字制造的例子是與時(shí)裝相關(guān)，一個(gè)武漢大學(xué)學(xué)生的作品。手鐲和服裝都是采用尼龍打印，設計師設計完畢后我們打印把整個(gè)概念展示出來(lái)，再經(jīng)過(guò)穿戴和韌性的測試后模特把它穿到了T臺上。

直接制造工具這方面一般都是與金屬類(lèi)相關(guān)的，目前的價(jià)格還是比較高，多數用在跟國防、航空等有減重和保密要求的行業(yè)。國家正在建造的世界上最大的天文臺望遠鏡天眼里有些關(guān)鍵零部件就由我們來(lái)設計和通過(guò)金屬打印完成制造的。

3D打印的常規的流程

首先是要有數據，如果有實(shí)物可以通過(guò)3D掃描建立3D打印模型，如果有2D圖紙可以通過(guò)軟件轉化成一個(gè)3D模型。如果什么都沒(méi)有的話(huà)，那就只有從零開(kāi)始用軟件來(lái)建模。然后把模型用切片軟件，完成切片之后就可以開(kāi)始3D打印了。打印完成之后絕大部分還需要做后處理(打磨、電鍍、噴霧、拉伸等，上色是可選項)，否則就是個(gè)半成品。

3D打印的主要優(yōu)勢

首先是省時(shí)，跟傳統工藝對比來(lái)說(shuō)的，本身的建造速度老實(shí)講現在還是有點(diǎn)慢。其次是省料，它幾乎不產(chǎn)生廢料。再者是精確，特別是對曲面還有復雜工藝的還原。最后是個(gè)性，能滿(mǎn)足越來(lái)越個(gè)性化，復雜原型的設計。所以從整體上來(lái)說(shuō)，3D打印非常適合個(gè)性、復雜、小批量、非標件的原型生產(chǎn)。

但其最大的優(yōu)勢在于，隨著(zhù)零件復雜度的提升，其制造工藝難度和成本并不會(huì )增加。也就是設計師只需要考慮零件功能的實(shí)現，并不需要過(guò)于糾結該采用怎樣的制造工藝去生產(chǎn)。

3D打印對于復雜件的制造有非常大的優(yōu)勢，所以它還是主要用于工業(yè)制造上。這就涉及到了3D打印應用層次的問(wèn)題，也就是為什么我們并沒(méi)有感覺(jué)到3D打印對我們的生活有什么直接的改變。

3D打印應用的層次

“原型制造”是3D打印最低層次的應用，比如制造模型、原型等單個(gè)的東西，但這也是3D打印最傳統的應用。

第二級別是“代替”。制作代替現在的某個(gè)零件。但應用并不廣泛，因為傳統制造工藝非常適合大規模批量化的生產(chǎn)，3D打印并不占優(yōu)。

第三個(gè)是“零件整合”。單一零件制作3D打印可能并不占優(yōu)勢，但是如果能將多個(gè)零件整合成一個(gè)零件打印出來(lái)，整體的價(jià)值便上去了。

最高級的應用不僅整合了多零件，而且還進(jìn)行了優(yōu)化。因為3D打印可以做非常復雜的工藝，這是其他工藝沒(méi)法實(shí)現的。通用航空之前用3D打印做了一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機的噴油嘴，這是一個(gè)里程碑式的案例。這個(gè)噴油嘴整合了20多個(gè)零件，里面還有非常復雜的冷卻管道、潤滑管道。不僅提高燃油效率高，還不需要生產(chǎn)20多個(gè)零件裝配起來(lái)，使用壽命也延長(cháng)了5倍。

因此3D打印如何影響每一個(gè)人，可能需要在思維上做一些調整。在未來(lái)某一天，我們設計的時(shí)候，不需要考慮用什么工具來(lái)生產(chǎn)，甚至連思考如何設計這個(gè)過(guò)程也會(huì )發(fā)生變化。只需要去考慮設計目標，給出邊界值，通過(guò)數學(xué)和計算機模擬就能得到最優(yōu)的結果。比如去年英國的一個(gè)最高設計獎，就給了這樣一個(gè)案例。一個(gè)航天的小部件，通過(guò)拓撲優(yōu)化的方式，重量是原來(lái)的一半都不到，但是強度是原來(lái)的一倍多，最后采用3D打印的制造方式。這樣，優(yōu)勢就很明顯了。

3D打印的經(jīng)濟化分析

產(chǎn)品數量在千個(gè)之內還是比較明顯，但隨著(zhù)3D打印成本的下降，數量范圍是不斷增加的。以鑄造為例，在數量、生產(chǎn)時(shí)間、復雜度這幾個(gè)因素中也有一個(gè)平衡點(diǎn)。未來(lái)我們會(huì )見(jiàn)到越來(lái)越多奇形怪狀的物件，它是直接由數學(xué)和計算機來(lái)決定的形狀。這種工藝復雜度的增加，不會(huì )給3D打印帶來(lái)困難，但是對傳統工藝來(lái)說(shuō)，這種增加就是噩夢(mèng)。

現在采用3D打印工藝做生產(chǎn)的企業(yè)是越來(lái)越多了，前一陣通用就收購了兩家3D打印的公司，做金屬3D打印的。許多人認為，這或許是3D打印進(jìn)入主流制造業(yè)的一個(gè)標志。另外，3D打印還有一些在醫學(xué)上的應用，還有人用它來(lái)打印一些光學(xué)器件。未來(lái)，建筑，飛機等各式各樣的應用，都會(huì )涉及到。3D打印其實(shí)是一種基礎工具性的東西，就像互聯(lián)網(wǎng)或者高速公路一樣，是所有人都會(huì )用得到的。

3D打印涉及的東西非常的多，我們去年做了一萬(wàn)多個(gè)案例，涉及各式各樣的應用，這里我簡(jiǎn)單的介紹一下，舉幾個(gè)例子，比如工業(yè)，醫療，科研，3D人像，建筑，游戲，動(dòng)漫，個(gè)性制造，3D打印都會(huì )涉及。一個(gè)比較傳統的案例，用石蠟法來(lái)鑄造模具，用有限元來(lái)分析力學(xué)熱學(xué)等因素來(lái)分析和生產(chǎn)的一個(gè)應用。

還有3D打印的醫療上的一個(gè)應用，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是用CT或核磁共振的一些數據，把它們變成3D打印的模型，再變成實(shí)物，可以成為術(shù)前的模型，為精準醫療做些模擬，如果用鈦合金打印，也可以成為植入體，植入人體內。

魔獸電影上映的時(shí)候推出的一個(gè)衍生品，是影視周邊的嘗試。它其實(shí)是一個(gè)杯子，從原型到上色，再去做批量生產(chǎn)。

個(gè)性化制造的案例就是包貝爾的婚鞋。當時(shí)是包貝爾夫婦親自挑選，高跟鞋踩著(zhù)一個(gè)小兔子，腳底下有兩個(gè)人的指紋和名字，是世界上獨一無(wú)二的鞋子。通過(guò)設計、打印、后處理，得到效果非常棒的一雙鞋。

什么是3D掃描

3D掃描也是一個(gè)重要的數據來(lái)源，它可以非?？斓陌褜?shí)物變成3D數據，各種工業(yè)設備或者人物、藝術(shù)相關(guān)的掃描都可以得到這樣從實(shí)物到數據的過(guò)程。這里有一些通過(guò)掃描變成實(shí)物的案例。例如人體的掃描大家可能都有所耳聞，還有像文物相關(guān)的掃描，如果文物有缺損，通過(guò)掃描得到相關(guān)數據之后用數字手段做出需要補全的部分，之后再打印出來(lái)，從而能夠做到文物模型的完整修復。之前我們和故宮做過(guò)一些相關(guān)的合作。

還有一個(gè)比例縮放的例子。作為交車(chē)儀式的一部分，主辦者要將車(chē)鑰匙模型交到中方手里。我們通過(guò)掃描把小鑰匙的數據提取之后再放大，最后做出一個(gè)大約40厘米左右的鑰匙模型。

未來(lái)的暢想

3D打印本身是零技能操作，關(guān)鍵是要補充3D數據這一環(huán)。如果將來(lái)有豐富的3D數據庫可以使用，必然會(huì )帶動(dòng)3D打印更大范圍的普及。

未來(lái)的在線(xiàn)工具能把3D數據做一個(gè)快速的處理，開(kāi)源分享給他人，一起優(yōu)化設計。將來(lái)有可能做成“3D數據銀行”，或者叫“原型設計類(lèi)銀行”，任何人都可以很方便的對3D數據進(jìn)行建模，甚至可以和VR、AR相結合，讓普通人也可以直接處理3D數據。這樣3D打印就是3D數據輸出一個(gè)最好的橋梁。