1.1　3D打印基本简介

3D打印（3D printing）技术又称三维打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无须机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。灯罩、身体器官、珠宝、根据球员脚型定制的足球靴、赛车零件、固态电池以及为个人定制的手机、小提琴等都可以用该技术制造出来。

1.1.1　3D打印发展历史

3D打印技术的核心制造思想最早起源于19世纪末的美国，20世纪80年代已有雏形，其学名为“快速成型”（SLS）。1979年，类似过程由RF. Housholder获得专利，但没有被商业化。在20世纪80年代中期，SLS被美国德克萨斯州大学奥斯汀分校的Deckard博士开发出来并获得专利。到20世纪80年代后期，3D打印技术发展成熟并被广泛应用。

1995年，麻省理工学院创造了“三维打印”一词，当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson修改了喷墨打印机方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案，而不是把墨水挤压在纸张上的方案。

在此之前，三维打印机数量很少，大多集中在“科学怪人”和电子产品爱好者手中，他们主要用来打印如珠宝、玩具、工具、厨房用品之类的东西，甚至有汽车专家打印出了汽车零部件，然后根据塑料模型去订制真正市面上买到的零部件。

人们可以在一些电子产品商店购买到这类打印机，工厂也在进行直接销售。不过物以稀为贵，一套三维打印机的价格从一般的750美元到上等质量的27000美元不等。

科学家们表示，三维打印机的使用范围还很有限，不过在未来的某一天人们一定可以通过3D打印机打印出更多更实用的物品。

2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。

2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。

2011年6月6日，发布了全球第一款3D打印的比基尼。

2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。

2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。

2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。

2013年10月，全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。

2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”（SolidConcepts）设计制造出3D打印金属手枪。

3D打印带来了世界性制造业革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的出现，将会颠覆这一生产思路，这使得企业在生产部件时不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。它无须机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，从而极大地缩短了产品的生产周期，提高了生产效率。尽管仍有待完善，但3D打印技术市场潜力巨大，势必成为未来制造业的众多突破技术之一。

1.1.2　3D打印的应用领域

利用3D打印机，工程师可以验证开发中的新产品，把手中的CAD数字模型用3D打印机制造成实体模型，可以方便地对设计进行验证并及时发现问题，相比传统的方法可以节约大量的时间和成本。

3D打印机也可以用于小批量产品的生产，这样就可以快速地把产品的样品提供给客户，或进行市场宣传，不用等模具制造好后才制造成品，对于某些小批量定制的产品甚至连模具的成本都可以省去，如电影中用到的各种定制道具。如图1-1所示，左边的是某工艺品的原型，右边的是3D打印出来的复制品，从造型上看，两者基本上没有什么差别。如图1-2所示，电影《机械公敌》中的奥迪RSQ汽车就是使用3D打印制作的。

至于家用和个人市场方面，应用就因人而异了，不过要推广开来的话可是困难重重，首先目前个人用3D打印机并不便宜，价格从几千到几万都有。其次，3D打印的原材料也不便宜，这些材料的价格便宜的几百元一公斤，最贵的要四万元左右。

1.1.3　3D打印技术五大发展趋势

在近几年中，更多的资本、更多的公司、更多的创意都涌向了3D打印领域。据此，行业也对未来3D打印发展前景进行了预测，认为未来3D打印的以下五大发展趋势值得关注。

1. 更好、更快、更廉价

企业家正从各方面涌向3D打印领域。在未来，3D打印不仅是一种打印、扫描和共享内容的新方式，而且还将增加打印的精密度、规模以及更好的选择材料，而且打印成本也将下降。总体而言，功能性材料将进入市场，而且还将出现更加先进的打印程序，不久的将来将会看到更加先进的3D打印机走向市场。一些初创型企业也会研发出更快、更便宜的3D打印设备。

2. 传统公司需要创新和改进

为了维持自己在快速增长的3D打印行业内的统治地位，传统的3D Systems公司和Stratasys公司都将执行简单的战略，即要么收购对方，要么阻击对方。然而这种并购并不一定会产生效果，毕竟，整合业务或业务并购都非常困难，因此这样的措施或许还会适得其反。随着惠普等公司进入3D打印市场，再加上一些初创企业的冲击，促使传统的3D打印巨头急需加速内部创新，并努力推出更好、更便宜的解决方案，从而增加他们的市场份额。对这些公司而言，需要改进的两大重要领域就是3D打印速度和材料价格。

3. 3D照相馆的崛起

一些公司已经开设了一些小规模的店内3D大头照拍摄馆。简单的3D扫描设备和软件将会越来越普及，而且消费成本也会越来越低，甚至还会出现一些便携式的3D拍摄设备。以后还将有更多的新企业开设3D拍摄馆。更为重要的是，这些扫描和拍照工具将为大规模的定制化拍摄奠定基础，并能够让更多的公司为每一个客户拍摄定制化的3D照片。

4. 战争武器

尽管使用类似于机器人的热熔胶枪来制作一支真枪，并不是获得武器的最有效方式，但这种做法肯定会产生轰动效应。以后更多的枪支、手榴弹以及一些更夸张的武器将会出现。管理者也会担忧3D打印机可能会成为混乱状态的最终工具。

5. 医疗神器

3D打印技术最具潜力的作用将体现在医疗健康领域。人们已经看到从颅骨和面部植入假体材料到低成本的假体，再到可更换的气管等在内的诸多3D打印产品。未来，在此领域还将充满更多的新创意。尽管打印完全功能的器官还需要一段时间，但是，为个别患者定制打印某种器官的能力将会出现。医生们也因为有了强大的3D打印工具而更加舒适，并能够获得更好的体验，与此同时，人们的生活也会因此而更加美好。

1.1.4　发展前景

1. 价格因素

大多数桌面级3D打印机的售价在2万元人民币左右，一些仿制品价格可以低到6000元。但是据3D打印机代理商透露，这些仿制的3D打印机虽然价格低，但质量很难保障。

对于桌面级3D打印机来说，由于仅能打印塑料产品，因此使用范围非常有限，而且对于家庭用户来说，3D打印机的使用成本仍然很高。因为在打印一个物品之前，用户必须要懂得3D建模，然后将数据转换成3D打印机能够读取的格式，最后再进行打印。

2. 原材料

3D打印不是一项高深艰难的技术，它与普通打印的区别就在于打印材料。

据了解，以色列的Object是掌握最多打印材料的公司。它已经可以使用14种基本材料并在此基础上混搭出107种材料，两种材料的混搭使用、上色也已经成为现实。但是，这些材料种类与人们生活的大千世界里的材料相比，还相差甚远，而且价格很高。

3. 社会风险成本

如同核反应既能发电，又能破坏一样。3D打印技术在初期就让人们看到了一系列隐忧，而未来的发展也会令不少人担心。如果任何物体都能彻底复制，想到什么就能制造出什么，听上去很美的同时，也着实让人恐惧。

4. 著名的3D打印悖论

3D打印是一层层地来制作物品，如果想把物品制作得更精细，则需要每层厚度减小；如果想提高打印速度，则需要增加层厚，而这势必影响产品的精度质量。若生产同样精度的产品，同传统的大规模工业生产相比，没有成本上的优势，尤其是在考虑到时间成本和规模成本之后。

5. 整个行业没有标准，难以形成产业链

21世纪3D打印机生产商是百花齐放。3D打印机缺乏标准，同一个3D模型用不同的打印机打印，所得到的结果是大不相同的。

此外，打印原材料也缺乏标准，3D打印机厂商都想让消费者买自己提供的打印原料，这样他们能获取稳定的收入。这样做虽然可以理解，毕竟普通打印机也走这一模式，但3D打印机生产商所用的原料一致性太差，从形式到内容千差万别，这让材料生产商很难进入，研发成本和供货风险都很大，难以形成产业链。

表面上是3D打印机捆绑了3D打印材料，事实上却是材料捆绑了打印机，非常不利于降低成本和抵抗风险。

6. 意料之外的工序：3D打印前所需的准备工序，打印后的处理工序

很多人可能以为3D打印就是在计算机上设计一个模型，不管多复杂的内面、结构，单击一下按钮，3D打印机就能打印一个成品。这个印象其实不正确。真正设计一个模型，特别是一个复杂的模型，需要大量的工程、结构方面的知识，需要精细的技巧，并根据具体情况进行调整。用塑料熔融打印来举例，如果在一个复杂部件内部没有设计合理的支撑，打印的结果很可能是会变形的。后期的工序也通常避免不了。媒体将3D打印描述成打印完毕就能直接使用的神器。可事实上制作完成后还需要一些后续工艺：或打磨，或烧结，或组装，或切割，这些过程通常需要大量的手工工作。

7. 缺乏杀手锏产品及设计

都说3D打印能给人们巨大的生产自由度，能生产前所未有的东西。可直到现在，这种“杀手”级别的产品还很少，几乎没有。做些小规模的饰品、艺术品是可以的，做逆向工程也可以的，但要谈到大规模工业生产，3D打印还不能取代传统的生产方式。如果3D打印能生产别的工艺所不能生产的产品，而这种产品又能极大提高某些性能，或能极大改善生活的品质，这样或许能更快地促进3D打印机的普及。