1.2　3D打印的优势与劣势

当前大多数人听到3D打印机时，通常会联想到的还是那些老式的、常见的桌面打印机。其实，喷墨打印机和3D打印机的最大区别仅在于两者的维度的不同，二维打印机是普通桌面打印机，它是通过在平面纸张上喷涂墨水，而3D打印机则是可以制造出拿在手上的三维立体物体。

3D打印机主要根据计算机传递的操作指令，通过层层堆积原材料制造产品，这点不同于人们以往的认识。在人类历史的大部分时间里，我们都是通过切割原料或通过模具成型来制造新的实体物品。简而言之，3D打印机做的是加法，而我们之前大部分生产工作一直做的是减法。

所以在专业领域，3D打印又被称为“增材制造”，这种叫法是对实际打印过程一种比较贴切的描述。正因为这些基础思想的不同，3D打印能够凭借独特的制造技术制造出许多前所未有的、各种形状的物品。虽然严格来说，3D打印已在制造加工车间中默默地工作了几十年，并不是一项全新的技术。但在过去的几年里，凭借计算机普及、新型设计软件、新材料应用以及互联网进步等因素的推动，3D打印技术得以迅猛发展，进入千千万万个普通家庭，为更多人所熟知。

在3D打印过程中计算机发挥着相当关键的作用，如果没有计算机进行运算、发出指令，那么3D打印机根本无法独立工作。启动3D打印机前，必须先输入一个设计好的指令集（例如GCode，详见第8章）或设计文件，由它们负责告诉3D打印机如何移动、何时打印等。所以说，3D打印机没有连接计算机以及设计文件的话是没有用处的，就如同没有储存音乐的MP3一样。

通常3D的打印过程为：根据设计文件计算得到的指令集，3D打印机将喷头或激光发射器按预定路径移动，同时喷出固体粉末或熔融的液态材料。通过材料喷出或激光照射形成一个固化的平面薄层。当完成第一层的固化操作后，3D打印机打印头移动到下一层的开始位置，接着在第一层外部再次形成另一薄层。待第二层固化后，打印头再次返回，并在第二层外部形成另一薄层。如此循环往复，通过许多薄层的累积最终形成人们所需要的三维物品（图1-7）。

通过了解3D打印机工作的过程，我们可以发现3D打印机与传统制造机器的不同之处在于，传统制造设备大部分是通过切割或模具塑造来制造物品，而3D打印机则是通过层层堆积形成实体物品的，这种生产的方式非常符合现今人类社会，符合现实世界的数字化趋势。随着人们将越来越多现实中的世界数字化后，3D打印机将会越来越成为生产制造的首选设备，它可以将人们虚拟化、数字化的物品，在便捷的传播扩散之后，再快速地还原到实体世界之中。

1.2.1　3D打印技术的六大优势

3D打印机与传统的制造设备不同之处，在于其不像传统制造设备那样通过切割或模具塑造来制造物品。3D打印机通过层层堆积的方式来形成实体物品，恰好从物理的角度扩大了数字概念的范畴。当人们要求具有精确的内部凹陷或互锁部分的形状设计时，3D打印技术便具备了与生俱来的优势。通过具体分析，我们认为3D打印技术至少包含了以下六个方面的优势。

（1）高复杂度、多样化物品的生产将不会增加成本

其实，3D打印设备制造一个形状复杂的物品与打印一个简单的方块消耗成本是相同的。就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。但对于3D打印机而言，制造形状复杂的物品其成本并不会相应增长（图1-8）。制造一个华丽的、形状复杂的物品也同打印一个相同体积、简简单单的方块，所消耗的时间、原材料或成本都相差无几。

像这种制造复杂物品而不增加成本的打印将从根本上打破传统的定价模式，并改变我们整个制造业成本构成的方式。一台3D打印机可以打印的形状，甚至材料都可以有多种，它可以像经验丰富的工匠一样，每次都做出不同形状的物品。而大部分传统的制造设备功能都比较单一，能够做出的形状种类比较有限。3D打印机还将省去技术人员的培养成本和新设备的采购费用，当需生产一款新产品时，并不需要升级设备、培训员工，而只需要导入不同的数字设计文件和一批新的原材料就可以了。

（2）产品无需组装、缩短交付时间

3D打印机还具备着可以使部件一体化成形的特点，这样对减少劳动力和运输方面的花费将有显著地帮助。传统的大规模生产是建立在产业链和流水线基础上的，在现代化工厂中，机器生产出相同的零部件，然后由机器人或工人进行组装。产品组成部件越多，供应链和产品线都将拉得越长，组装和运输所需要耗费的时间和成本就越多。而3D打印由于其生产特点，则可以做到同时打印一扇门以及上面的配套铰链，从而可以一体化成形，无需再次组装。3D打印能够实现一体成型这一特点将可以很好地缩短供应链，节省在劳动力和运输方面的大量成本。

同时，3D打印机还可以根据人们的需求按需打印，这样将可以最大程度上减少库存和运输成本。这种即时生产不仅将带来商业模式上的革新，同时其带来的便利也将大大减少企业的实际库存量，使得企业可以根据用户的订单来启动3D打印机，制造出特别的或定制的产品来满足客户需求，许多新的商业模式将成为可能。如果人们所需的物品可以按需就近生产，那么这种零库存、零时间交付的生产方式还将可以最大限度地减少长途运输成本。供应链越短、库存和浪费则越少，生产制造对社会造成的污染也将越少，这些都将对减少社会污染有着极其显著地帮助。

（3）制作技能门槛降低、设计空间无限

目前在传统制造业中，培养一个娴熟的工人往往需要很长的时间，而3D打印机的出现将可以显著降低生产技能的门槛。通过在远程环境或极端情况下批量生产，以及计算机控制制造，这些都将显著降低对生产人员技能的要求。3D打印机从设计文件中自动分割计算出生产需要的各种指令集，制造同样复杂的物品，3D打印机所需要的操作技能将比传统设备少很多（图1-9）。这种摆脱原来高门槛的非技能制造业，将可以进一步引导出众多新的商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。

从制造物品的复杂性来看，3D打印机相比传统制造技术同样具备优势，甚至能制作出目前只能存在于设计之中、人们在自然界未曾见过的形状。传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。而3D打印则有望突破这些局限，开辟巨大的设计和制造空间。

（4）不占空间、便携制造

3D打印的优点还在于可以自由移动，并制造出比自身体积还要庞大的的物品。就单位生产空间而言，3D打印机与传统制造设备相比，其制造能力和潜力都更加强大。例如，注塑机只能制造比自身小很多的物品，与此相反，3D打印机却可以制造和其打印台一样大的物品。3D打印机调试好后，打印设备还可以自由移动，打印制造出甚至比自身还要大的物品。由于其较高的单位空间生产能力，使得3D打印机更加适合家用或办公使用，这些都是有赖于3D打印机所需更小物理空间这一优势。

（5）节约原材料，并可以多种材料无限组合

相对于传统的金属制造技术来说，3D打印机制造时产生的副产品更少。传统金属加工有着十分惊人的浪费量，一些精细化生产甚至会造成90％原材料的丢弃浪费。相对来说，3D打印机的浪费量将显著减少。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能取代传统工艺成为更加节约环保的加工方式。

此外，原材料之间还可以任意组合，将不同原材料结合成单一产品对当今的制造机器而言是一项技术难题，因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中难以将多种原材料结合在一起，但3D打印机则可以避开这一难题。相信随着多材料3D打印技术的发展，我们有能力将不同原材料无缝融合在一起。以前无法混合的原料混合后将形成色调种类繁多、具有独特的属性和功能的全新材料（图1-10）。

（6）精确的实体复制

传统的黑胶唱片和磁带，往往只能通过实体物理传递来确保信息不被丢失。而数字音乐文件的出现则带来了革命性的变化，使得信息脱离了载体，可以被无休止地精确复制却不会降低音频质量。在将来，3D打印技术也将在整个生产制造领域，把数字精度延伸到实体世界之中。通过3D扫描技术和打印技术的运用，我们可以十分精确的对实体进行扫描、复制操作。扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率，缩小实体世界和数字世界的距离。我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件（图1-11）。

以上部分优势有的已经得到证实，有的可能会在未来的一二十年成为现实。3D打印将一次次突破人们熟悉的、历史悠久的传统制造技术的瓶颈，推陈出新，为整个人类社会今后的创新提供一个更加广阔的舞台。

1.2.2　3D打印技术的三大劣势

金无足赤，人无完人。任何新技术都不可能一出现便完美无缺、无所不能，一定既存在优势同时又有缺点，3D打印技术也是如此，除了前面提到的六大优势外，它最少还存在以下三方面的劣势。

（1）材料性能差，产品受力强度低

就现在的科技水平而言，与传统制造业相比，3D打印所制造的产品在很多方面（如强度、硬度、柔韧性、机械加工性等），都与传统加工方式有一定差距。房子、车子固然能“打印”出来，但要能够牢固地驱寒供暖，要能在路上安全可靠地高速行驶，还有很长的路要走。

在之前也有3D打印机能打印手枪的新闻被海量的媒体大肆宣传，这样说也虽然没有错误，但打印出来的手枪真的能发射子弹？并且完整的手枪是否能打印出来还是只能打印出一部分？至少对于当前最新的企业级3D打印设备而言，其也只能做到基本的枪身由3D打印制作而成（图1-12），至于膛线、枪管以及撞针，还是需要用传统工艺来制造。

由于3D打印机的制作工艺是层层叠加的增材制造，这就决定了层和层之间即使黏结得再紧密，也无法达到传统模具整体浇铸成型的材料性能。这意味着如果在一定外力条件下，特别是沿着层与层衔接处，打印的部件将非常容易解体。虽然现在出现了一些新的金属快速成型技术，但是要满足许多工业需求、机械用途或者进一步机加工的话，还不太可能。目前3D打印设备制造的产品也多只能作为原型使用，要达到作为功能性部件的要求还是十分勉强（图1-13）。

（2）可供打印的材料有限，且成本高昂

目前可供3D打印机使用的材料只有少数的几种，常用的主要有石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料、金属粉末等。如果真要用3D打印机打印房屋或汽车，光靠这些材料还是差得很远的。如果要使用3D打印进行金属材料加工，即使只是一些常见的材料，前期设备投入也普遍都在数百万元以上，其成本高昂可想而知（图1-14）。

用3D打印机进行生产制造，除了前期设备价格高昂之外，在日常工作中也有相当大的投入。比如要制作一个金属的电机外壳，目前打印这种样品的原装金属粉末耗材每千克都在数万元，甚至数十万元人民币。计算成本时除了成型材料，还需要考虑支撑材料，所以使用高端3D打印机打印样品模型时往往都需要耗费数万元。这相比采用传统的工艺方法去工厂开模打样，使得在不考虑时间成本的基础上，3D打印的优势荡然无存。相信随着3D打印技术的日愈推广，对原材料需求的增加，将一定程度上拉低常用3D打印原材料的价格。目前国产的廉价光敏树脂已经在市场上可以看到，价格也只有国外进口的十分之一甚至几十分之一，但相比传统制造而言，其原材料成本仍然要昂贵许多。

（3）制造精度问题

由于分层制造存在台阶效应，每个层虽然都分解得非常薄，但在一定微观尺度下，仍会形成具有一定厚度的多级“台阶”（图1-15），如果需要制造的对象表面是圆弧形，那么就不可避免地会造成精度上的偏差。

此外，许多3D打印工艺制作的物品都需进行二次强化处理，当表面压力和温度同时提升时，3D打印生产的物品会因为材料的收缩与变形，进一步造成精度降低。