第1章 引论

人类发展历史上的每一次革命性技术进步都会给整个社会生活和行业生态带来巨大的变革和机遇。作为一项新型技术，增材制造（Additive Manufacturing,AM）开始在各个领域展现出前所未有的巨大潜能，并吸引了众多国家和产业巨头对此投以极大的关注和资本投入。增材制造，俗称三维打印（Three-Dimensional Printing,3D Printing）或者快速原型制造（Rapid Prototyping,RP），它基于离散—堆积（Discrete-Collecting）原理，由零件三维数据驱动直接制造零件，是传统制造工艺的全新升级。

人类制造技术的发展已有几千年历史，制造工艺经历了“手工制造”“等材制造”“减材制造”和“增材制造”4个阶段。其中，“手工制造”是最原始的方法，它通过简易的工具对材料进行加工。该方法制作出来的产品一般精度不高、功能简单，而且对原材料的浪费也很大。“等材制造”则是指采用锻造、铸造、焊接、粉末冶金等热加工材料制造方法，在加工的过程中原材料基本不会损失。“减材制造”则是指采用车、铣、磨等技术，在加工过程中原材料会损失一部分。直到近30年来，采用材料逐渐累加制造实体零件的技术，也就是所谓的“增材制造”技术才逐步发展起来并成为一种引起社会广泛关注的新型技术，采用该技术进行制造，不会对原材料造成浪费。西方媒体把这种实体自由成型制造技术誉为将带来“第四次工业革命”的新技术。《连线》杂志（Wired）主编克里斯·安德森（Chris Anderson）曾说过，“3D打印是一件比互联网更重大的事情。”我们同样也有理由相信，3D打印技术与当年工业革命所带来的庞大工厂整合一样，人们可以将工厂整合到计算机屏幕上一个简单的图标—制造。

3D打印，作为一种快速成型技术，它是一种以数字模型文件为基础，将金属粉末、流体材质、塑料等各种类型的可粘合材料，通过计算机软件程序控制，使用逐层堆叠材料的方式来构建物体的立体成型技术。3D打印机（3D Printers）（见图1-1）作为3D打印技术具体呈现的可操作实体装备，一般根据用途和所采用的打印材料，具有各种不同的外观和形态。目前，我们能想象的很多东西，如房子、汽车、衣服、飞机零部件、人们日常吃的煎饼和巧克力甚至是人体部分器官等都可以通过3D打印机“打印”出来。

无论如何，3D打印实现了一种可能：只要你拥有一台打印机，一个创意或想法，无论你是身处边远乡村，抑或是繁华都市，都可以通过自己的方式去改造这个世界——至少可以先改变自己的世界。

图1-1中，左例为一款以ABS材质为原料的通用3D打印机实物图；右例为一款煎饼打印机实物图（煎饼打印机所用原料为精面粉、牛奶、鸡蛋、白糖等按照一定比例混合调配而成的流体状可食用材料）。

3D打印技术起源于20世纪90年代中期，经过20多年的发展，现在技术日趋成熟和稳定。随着3D打印技术应用的不断拓展，它将不再局限于制造技术领域，而是逐渐成为一种社会创新的工具。特别是在当前“大众创业，万众创新”的大环境下，这种工具使人人都可以成为创造者，从而支撑创新型社会的快速发展。随着3D打印开辟新的前沿领域，普通民众可以方便快捷地通过拥有3D打印机，从而拥有以前难以轻易获取的设计和生产制造工具的能力，制造业和商业模式将发生巨大的变革，现有的知识产权法也将面临巨大的挑战。一些传统的行业将受到3D打印技术冲击逐渐萎缩直至消失。然而，更多的新兴行业可能因此脱颖而出并衍生出各种新的商业生态。例如，基于云计算技术和3D打印技术的分布式制造系统的出现，从根本上颠覆了传统的工厂来料加工制造模式，客户仅需要一个好的想法就可以通过3D打印云平台对接在线的创意设计师，将客户的想法变成可打印的三维数字切片文件，然后通过分布在不同地域的联机3D云打印机，将最终产品通过订制化的流程制造出来。在这种模式下，生产周期将极大缩短，同时生产流程的客户现场参与感将大幅度提升。

随着技术的迅猛发展，对于3D打印技术潜在优势的预测，在现阶段还无法做到十分准确的描述。然而，通过对不同行业、不同专业背景、不同技术水平和不同认知水平群体的调查和分析，可以将3D打印在减少生产成本、时间和空间复杂度方面所体现出来的技术优势做如下归纳。

1.制造复杂物品不增加成本

就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对于3D打印机而言，制造形状复杂的物品不增加成本，制造一个华丽的、形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，并改变人们计算制造成本的方式。

2.产品多样化不增加成本

传统的制造设备功能较少，做出的形状种类有限。一台3D打印机却可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。

3.无需组装

传统的大规模生产建立在组装线基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后由机器人或工人（甚至跨洲）组装，产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。3D打印能使部件一体化成型。3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装。省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短，污染也就越少。

4.零时间交付

3D打印机可以按需打印。即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品来满足客户需求，所以3D打印机将使新的商业模式成为可能。如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。

5.设计空间无限

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。3D打印机则可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。

6.零技能制造

虽然计算机自动控制下的机器制造降低了对人员技能的要求，但是传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准以及其他相关操作，这些操作很多时候非常依赖技术人员的经验和技能累积。若采用3D打印技术进行制造，机器在生产制造过程中会从设计文件里自动获得各种操作指示，大幅降低了对技术人员的依赖程度。生产一件传统制造方式下相当复杂的物品，3D打印机所需要的操作技能相比之下将会更少。从某种意义上说，非技能制造开辟了一种新的商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。

7.不占空间、便携制造

就单位生产空间而言，与传统制造机器相比，3D打印机的制造能力更强。例如，一台注塑机只能制造比自身小很多的物品，然而，3D打印机通常可以制造如其打印台一样大的物品。通过3D打印设备的自由移动，甚至可以制造出比自身还要大的物品。较高的单位空间生产能力使得3D打印机适合家用或办公使用，因为它们所需的物理空间小。

8.减少废弃副产品

与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。传统金属加工的浪费量惊人，90%的金属原材料被丢弃在工厂车间里。3D打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步，“净成型”制造可能成为更环保的加工方式。

9.材料无限组合

对当今的制造机器而言，将不同原材料结合成单一产品是件难事，因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。随着多材料3D打印技术的发展，人们有能力将不同原材料融合在一起。以前无法混合的原料混合后将形成新的材料，这些材料色调种类繁多，具有独特的属性或功能。

10.精确的实体复制

数字音乐文件可以被无休止地复制，音频质量并不会下降。未来，3D打印将数字精度扩展到实体世界。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，人们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。

正是这些已经部分得到实证的优势，让很多传统企业在审慎的思考后，将前瞻性的目光凝视、定格于这个依然在蓬勃发展的新技术上，并以此为未来发展规划的战略制高点。在后续的章节，我们将逐步揭开3D打印技术的神秘面纱，一起走进3D打印技术的神奇世界，共同探讨该技术如何改变我们的生活、工作，乃至衣食住行的各个方面。