第3节 3D打印：智能制造的超级符号

从时间轴来看，3D打印从概念提出到实际应用，已经走过了近130年历史。

1892年，美国登记了一项采用叠合方法制作三维地图模型的专利技术。1979年，前东京大学的中川威雄教授发明了叠层模型造型法。如今，3D打印已经逐渐在各行各业深入应用。这就是3D打印的前世今生。

倘若用一句话概括3D打印，最为贴切的应该是“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。其实，任何技术的成熟都不是一蹴而就的，但像3D打印这样经历了百年进化史的新技术，确实非常少见。

“逆向增材”里的玄机

虽然被称为“打印”，但3D打印的本质其实是制造的一种工艺。

在传统的制造场景中，主要有两种塑形工艺：一种是减材，另一种是等材。假如，我们现在需要制作一个手机的金属模型。减材就是将一块长方形的金属块，通过机床进行各种切割和挖空。这是比较通用的做法，其优点是速度较快，但缺点是浪费材料。

而等材则是将材料熔化成为液体形态，倒入磨具当中，然后经历锻打和淬火等过程，铸成一个和原材料差不多重的手机模型。这样的工艺已经有3000多年的历史，比如我们熟知的铸剑、铸币和铸鼎等。等材的优点当然是节省材料，但缺点是可制造的产品非常有限，其自身的精度也受到模具精度的限制。

相较之下，3D打印是一种全新的制造工艺——逆向增材。

简单来说，在3D打印场景中，产品会先被后台系统虚拟“切割”成无数个平面，接着打印喷嘴会从底部开始，将每一个平面喷涂打印并依次叠加上去，最终成为一个由无数“面”叠加而成的“体”。这种从下至上、从少到多的逆向增材制造工艺在一定程度上解构了传统制造流程，可以实现一些复杂体结构的快速生产。

基于其独特的工艺，3D打印也带来了生产方式的极大改变：

首先，实现无损耗生产。比如工业领域常见的涡轮发动机叶片，结构复杂且精度较高，往往只能采用减材制造手段。有时候，为了加工一种50千克的叶片，经常需要300千克的原材进行切挖。而3D打印则只需要50千克的原材就可以打印叶片，既满足了复杂的工艺要求，也减少了庞大的物料浪费。

其次，实现大规模定制。尽管柔性生产、C2M（用户直连制造）等概念的提出已经过去很多年，但制造业对定制化的问题一直没有解决。主要的问题是开模成本居高不下，一套模具少则几十万元，多则上百万元，只生产一件产品显然非常不经济。3D打印则完全不用担心开模成本的问题，只需在后台将产品的3D模型构建好，机器便会按照系统要求进行定制化生产。

最后，实现复杂工艺生产。复杂工艺的实现源于3D打印独特的层叠式生产过程。比如在珊瑚礁保护方面，过去的方案是用混凝土代替珊瑚礁，但无法模拟其表面复杂的沟壑与细小的洞穴，导致鱼类无法依附安家。现在，海洋生物学家可以使用3D打印技术，将石英砂作为材料，制造出各种形状的珊瑚礁形态，助力海洋生态的保护。

重工业加速器

重工业是一个独特的行业，包括化工、石油和天然气、造船、铁路和采矿等。重工业的零件生产通常是少量制造，并且按订单设计以满足特定的应用需求，其小批量生产的特点通常也导致时间长和成本高。

面对重工业的“大考”,3D打印的表现又如何呢？

2019年初，南京地铁四、五、六号线同时开工，庞大的工程量需要很多台盾构机通过巨大的刀头切削岩石，进而打通地下隧道。由于长时间的隧道挖掘作业，许多盾构机的刀头磨损非常快。为了保证工期按时完成，就必须及时更换刀头。

对此，南京的中科煜宸公司采用了3D打印的解决方案。其原理非常简单，中科煜宸先构建出刀头的三维模型，然后将它输入到3D打印设备中。接下来，系统会根据刀头磨损情况进行自动分层和打印规划，再将特制的金属粉末通过激光烧熔后形成打印原料，一层一层地“涂抹”在原有刀头上，使其变得再度锋利起来。

同样的应用还出现在采矿领域。矿井内有多种腐蚀性物质，为了保证采煤机械正常运行，必须每年在机械表面电镀上一层防腐材料，防止其氧化和锈蚀。然而，电镀是一种污染极大的工艺，许多地区已经将它列入负面清单。

3D打印就是电镀更好的替代。工业3D打印机可以对采煤机械进行外层打印，覆盖一层极厚的抗氧化金属膜。不但价格仅有电镀的1/3，其寿命也能达到10年左右，大幅降低了机械维护成本。

从本质上看，3D打印为重工业提供了一种节约成本的解决方案。无论客户需要1个还是100个零件，每个零件的成本和交货时间都能稳定不变。而从趋势上看，3D打印正在为重工业迈向高精密制造提供工具。

高精密制造已经成为全球制造业竞争的焦点。由此带来的精密化、精准化和微小化，导致制造难度不断提高、制造成本显著提升，传统方式难以达到要求。

位于重庆市两江新区的摩方精密科技有限公司（以下简称“摩方精密”），是目前全球唯一能制造打印精度达2微米的超高精密3D打印系统的企业，业内普遍精度水平为50微米。目前，摩方精密已为全球超过25个国家、近700家企业与院所提供了超高精密的3D打印设备、材料和打印服务。

骨骼打印

不只是制造行业，另一个正被3D打印改变的是医疗领域。

当前，3D打印在医疗领域应用最广的是假体和器官打印。在人的身体中，可替换程度最高的是骨骼与牙齿。这些部位的功能比较单一，结构也非常简单，大多用于辅助人体动作。所以，假肢与假牙等早已进入医疗领域，补全病患的身体功能。

传统义体和假肢的制作造价高昂，且非常依赖医生的经验。一旦出现测量误差，就会造成假体匹配程度差的情况，影响病人的后续生活质量。而3D打印与人工智能成像技术的结合，可以很好地规避这些问题。

2019年3月，澳大利亚塞斯洛（CSIRO）公司使用3D打印技术，为一位54岁的胸壁肉瘤女性患者打造了一块全钛合金的胸骨。他们使用人工智能成像技术，先对患者胸骨的缺损部位进行设计，然后将相关数据输入3D打印系统，制造出了一体化的胸骨结构。在手术过程中，这块残缺的胸骨几乎以100%的匹配程度实现安装，而且仅花了不到800美元的材料费用。在手术完成之后的两年中，患者的身体情况一切良好，没有出现任何排斥问题。

假体制作顶多只是3D打印的“常规操作”，它最为神奇的应用是器官的打印。人体的每一个器官都有大量的血管，越是体积庞大的器官，血管系统越是复杂。此外，只是打印出形状远远不够，血管还要求拥有一定的膨胀度，以便在血流变化时给予弹性的流量支持。

2019年5月，美国《科学》杂志刊登了莱斯大学生物工程师乔丹的一项生物3D组织打印技术，正好攻克了血管打印这一障碍。团队将此前的3D打印技术进行了改良，更换了更加细小的打印喷头，并将打印材料换成液体的水凝胶溶液。

在打印过程中，系统一次生产一层软水凝胶，并通过旁边的蓝光发射器将其逐层固化。通过这种方式，该系统可以在几分钟内生产出具有复杂内部结构的柔软生物相容性凝胶。这些凝胶打印出来的组织，不但坚固而且极具弹性，还可以在血液流动和心脏跳动的过程中实现弹性化的扩展与收缩，与真的血管几乎一模一样。

为了验证打印组织的可用性，团队还将打印出来的肝组织植入实验小鼠体内。结果发现，这些打印组织不仅能够成功存活，还完成了小鼠的肝细胞损伤治疗，震惊了整个医学界。

目前来看，尽管3D打印器官只是一项停留在实验室中的技术成果，但它有朝一日必定会为器官损伤修补提供强大的支撑。