3D打印机 这是一场革命风暴.docx

1、3D打印机 这是一场革命风暴背景 3D打印已经成为一种潮流，并开始广泛应用在设计领域，尤其是工业设计，数码产品开模等，可以在数小时内完成一个磨具的打印，节约了很多产品到市场的开发时间。 3D 打印机可以用各种原料打印三维模型，使用3D 辅助设计软件，工程师设计出一个模型或原型之后，无论设计的是一所房子还是人工心脏瓣膜，之后通过相关公司生产的3D打印机进行打印，打印的原料可以是有机或者无机的的材料，例如橡胶、塑料、甚至是人体器官，不同的打印机厂商所提供的打印材质不同。1 原理 3D打印是添加剂制造技术的一种形式，在添加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D打印机相对于其他的添加剂

2、制造技术而言，具有速度快，价格便宜，高易用性等优点。 3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备，功能上与激光成型技术一样，采用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统的去除材料加工技术完全不同。称之为“打印机”是参照了其技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。随着这项技术的不断进步，我们已经能够生产出与原型的外观、感觉和功能极为接近的3D模型。 说的简单一点，3D打印是断层扫描的逆过程，断层扫描是把某个东西“切“成无数叠加的片，3D打印就是一片一片的打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。 设计 2010年3月，一位名为恩里科 迪尼（Enrico Dini

3、 ）的发明家设计出了一种神奇的3D打印机，它甚至可以“打印”出一幢完整的建筑。 据恩里科迪尼介绍，这种打印机的原料主要是沙子。当打印机开始工作时，它的上千个喷嘴中会同时喷出沙子和一种镁基胶。这种特制的胶水会将沙子粘成像岩石一样坚固的固体，并形成特定的形状，然后只需要按照预先设定的形状一层层喷上这种材料，最终就可以“打印”一个完整的雕塑或者教堂建筑。 特点 恩里科迪尼表示，这种打印机比常规建筑方法要快四倍，而且所使用的原料也只有原来的三分之一到二分之一，更重要的是几乎不会产生任何废弃物。 应用 3D打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。以色列的Objet公司认为，3D打印机

4、需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。 前景 恩里科迪尼称，他已经在和建筑大师诺曼福斯特、阿尔塔空间公司等进行讨论，希望能设计出一种可以使用月球尘土的打印机，届时在月球上就可以使用这种打印机快速的建造出人类的月球基地。1 美国发明3D打印机 三维打印机不仅使立体物品的造价降低，且激发了人们的想象力。未来三维打印机的应用将会更加广泛。 据报道，美国科学家近日发明了一种可打印出三维效果的打印机，并已将其成功推向市场。普通打印机能打印一些报告等平面纸张资料。而这种最新发明的打印机打印出的都是塑料制成的固体制品，它不仅使立体物品的造价降低，且激发了人们的想象力。未来

5、三维打印机的应用将会更加广泛。 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。他们主要用来打印像珠宝、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不到的零部件。 现在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，目前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打印机打印出更实用的物品。 3D打印机可打印人体骨骼 据国外媒体报道，在不久的将来外科医生们或许就将可以在手术

6、中现场利用打印设备打印出各种尺寸的骨骼用于临床使用。这种神奇的3D打印机现在已经被制造出来了，而用于替代真是人体骨骼的打印材料则正在紧锣密鼓地测试之中。 在实验室测试中，这种骨骼替代打印材料已经被证明可以支持人体骨骼细胞在其中生长，并且其有效性也已经在老鼠和兔子身上得到了验证。未来数年内，打印出的质量更好的骨骼替代品或将帮助外科手术医师进行骨骼损伤的修复，用于牙医诊所，甚至帮助骨质疏松症患者恢复健康。 3D打印技术最近迅速兴起，成为炙手可热的新型产业，它可以打印的立体产品种类正迅速增加。为了打印骨骼材料，博斯和她的同事们使用了一台商业销售的ProMetal 3D打印机进行测试。这种3D打印机最

7、初的设计目的是为了打印金属件。它会逐层喷洒塑料胶粒在一层粉末基底之上并逐层成型。每一层的厚度仅相当于人的头发丝宽度的一半。 这种骨骼支架的主要材料成分是磷酸钙，其中还额外添加了硅和锌以便增强其强度。当它被植入人体内之后可以暂时起到骨骼的支撑作用，并在此过程中帮助正常骨骼细胞生长发育并由此修复之前的损伤，随后这种材料可以在人体内自然溶解。 科学家们花费4年时间才找出这种材料的合适配方，其中涉及化学，材料学，生物学和工艺科学的诸多学科。3几乎为零的设计门槛5月30日，荷兰首都阿姆斯特丹。当天，一场聚焦3D打印技术最新成果的现代艺术展在这里拉开帷幕。在这一期的展会上，参展商展示了利用各种新型材料、借

8、助3D打印技术制作出来的时装、饰品、玩具等。其成熟的技术及炫目的效果，让人叹为观止。3D打印的应用范围之广让人难以置信。助听器和战斗机上科技含量较高的零件已经可以按个性化定制的形状打印出来。供应链的地理格局也将转变。在沙漠中央工作的工程师发现自己缺少某件工具，他不必再让人从离他最近的城市送来，只要简单地下载工具设计图然后把工具“打印”出来即可。工程项目因需要一套工具而被迫中止，顾客抱怨他们再也找不到之前买过的备用零件，这样的日子或许有一天将一去不复返。其他的变化也差不多如此。新型材料比旧材料更轻，强度更大，更耐损耗。从飞机到山地车，碳纤维正在取代钢铁和铝，成为制造这些产品的主要材料。新技术使工

9、程师可以用很小的尺寸塑造物品。纳米技术让产品的功能变强，如止血的绷带、效率更高的引擎和更易清洁的瓷器。因特网让更多的设计师可以合作开发新产品，因此设计的门槛正在降低。当年福特需要花很多钱来建造他那间位于胭脂河旁的庞大工厂，而他的现代同行们除了一台笔记本和发明的渴望之外，几乎可以从零开始。尽管这是一个相对稚嫩的技术，但大多数人或许已经拥有在3D打印机协助下生产的产品了。它可能是一双鞋子，在批量生产前作为一种设计原型被实体印制出来。它或许是一部助听器，为个人定制以适合使用者的耳型。它甚至有可能是件首饰，由3D打印机浇铸成型或者采用越来越多的可打印材料直接做成。厂大人多的时代终结日产汽车位于英国桑德

10、兰的工厂建于1986年，目前是欧洲生产效率最高的汽车厂之一。1999年，它雇佣4594名员工，共生产了271157辆汽车。2011年，该厂制造了480485辆汽车，是英国产量最高的汽车厂，而它的员工只有5462名。劳斯莱斯是英国的一家企业，它生产喷气式飞机的发动机和其他动力系统，其工程与技术部门主任科林史密斯称：“我们不能指望使用过时的手动工具生产现代化的部件，厂大人多的时代已经一去不复返了”。随着直接从事制造行业的人数的减少，劳动力成本在整个生产成本中的比例也将随之下降。这将鼓励制造商将一部分制造行业迁回发达国家，因为新技术使得制造商能更快地适应当地市场需求的变化，而且成本更为低廉。产品制造

11、的原材料也在发生变化。例如，不管是山地自行车还是大型客机的生产，碳纤维复合材料正在逐步取代钢铁和铝。再过些时日，甚至连制造设备都有可能不再是机器了，而是由经过基因工程改造后的微生物来完成。大企业应当未雨绸缪，因为这种即将完成的技术将会使中小企业甚至个体企业家变得更具有竞争力。产品创新将会更为容易，成本更低。改变的不只是商业以上所有变革的结果将促成第三次工业革命。第一次工业革命始于18世纪晚期英国的纺织业机械化。在工业革命以前，纺织业工作种类繁杂，需要许多工人在数百间纺织工坊里面手工完成，后来工作都集中到一间纺织厂里面，工厂就这样诞生了。第二次工业革命始于20世纪早期，那时候亨利福特发明了装配流

12、水线，迎来了大规模生产的时代。前两次工业革命让人们更加富裕，同时使得人口更加向城市集中。现在第三次工业革命正在展开，制造业正往数字化的方向发展。生产方式像个轮子一样兜了个圈又回到了原点，从大规模生产方式又转到了更加个性化的生产方式。这一转变反过来将会把制造业的某些就业岗位带回发达国家，这些工作岗位一度被发达国家丢弃至新兴世界。像所有的革命一样，这一场革命将是破坏性的。这就好比纺织厂让手工织布机退出舞台、福特的T型老爷车让蹄铁匠失业那样。许多人看到未来的工厂会感到震惊。未来的工厂不会有积满灰尘的机器，机器边上也不会站着满身是油污穿工装裤的工人。工厂里面的机器将非常干净，而且几乎都是无人看管的。一

13、些汽车制造商比起约10年前，已经能以同样的人力生产两倍数目的汽车。这场革命不仅将影响到如何制造产品，还将影响到在哪里制造产品。过去，工厂常搬到低工资的国家以降低劳动力成本。但劳动力成本的重要性日渐降低：一台售价499美元的第一代iPad，只有33美元是加工劳动力成本，而最终在中国装配的成本只占8美元。越来越多的国外生产项目迁回发达国家，这不是因为中国工资成本在上升，而是因为这些公司想贴近客户，以更快地应对市场需求的变化。并且，因为一些产品很精密，所以让设计人员和生产人员在同一个地方更有利于沟通。波士顿咨询集团预计，在诸如运输、电脑、金属制品和机械制造等领域，美国有10%30%的产品从中国进口，

14、而到2020年这些产品全部可以在美国本土制造，使美国出口总值每年增加200亿到550亿美元。延伸阅读何谓3D打印机3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备，功能上与激光成型技术一样，采用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统的去除材料加工技术完全不同。称之为“打印机”是参照了其技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。随着这项技术的不断进步，我们已经能够生产出与原型的外观、感觉和功能极为接近的3D模型。3D打印已经成为一种潮流，并开始广泛应用在设计领域，尤其是工业设计、数码产品开模等，可以在数小时内完成一个磨具的打印，节约了很多产品到市场的开发时间。其原料

15、可以是有机或者无机的材料，例如橡胶、塑料。具有速度快，价格便宜，高易用性等优点。积分775帖 12345 将建筑打印出来3D 打印的诞生，为疯狂的设计师们找到了灵感的出口。意大利发明家恩里科迪尼（Enrico dini）发明了一台巨大的 3D 打印机，这台机器可以用沙子直接打印立体的建筑。有了这台机器，未来不搭脚手架，不需要工人，人们就能完成造房子的事情。为了测试这台大型打印机，恩里科迪尼为诺曼福斯特公司在阿布扎比建造的全球首个绿色乌托邦“马斯达尔城（Masdar City）”，打印了一部分建筑的骨架外墙，结果证明完全可行。现在，他正与诺曼福斯特建筑设计公司以及阿尔塔太空公司合作，研究设计一种

16、可以使用月球尘埃打印的3D打印机，届时可以在月球上快速建造人类基地。恩里科迪尼告诉外滩画报记者，这个打印机的灵感来源于麻省理工学院的那项三维打印技术。当他看到C-corporation 的 3D 打印机在办公室工作的场景时，他突然想：为什么不能用它来造房子呢？在投入这个项目之前，恩里科迪尼是一位土木工程师。在仔细阅读快速成型的相关技术后，他认为打印建筑结构是完全可行的。“我让我的数学家朋友们改进软件，然后自己设计机械电路图、制造装配、布线、测试等等。”2004年11月，第一台建筑打印机的概念机面世。经过改进，2007 年 4 月正式完工。同年，恩里科在伦敦成立了一家主营3D建筑打印的公司。“传

17、统的打印机有个弱点，只能打出很薄很薄的一层，我把这个机器改进了，使得大量的胶水能落下来，打印出50 毫米厚的一层，然后再一层一层叠加起来。”恩里科说。印刷过程由一层薄薄的沙子开始，印刷机从喷嘴处喷出以镁为主要原料的粘合胶，这些粘合胶跟沙子结合并在印刷机对其施压后变成岩石。之后再放上一层薄薄的沙子，重复以上的操作，岩石层就会越来越厚，最终印刷成设计中所需要的构造物形状。成品可以是一座雕塑或整个大教堂等等。已经做成的实验品是一只布满空洞的蛋状建筑结构，恩里科管它叫“放射馆”，这个复杂的结构可以有力证明和测试这一开创性的施工技术。“这个 6 米长、6 米高的机器是我造过的最大的机器，用3D打印，你想

18、造多大的东西，就得造多大的机器。这算是个缺点吧。”恩里科说。不过据他介绍，使用这台机器印刷出来的建筑物比传统方式要快四倍，原料成本只是普通水泥的1/2到1/3，生产出的废料极少。“因为我不需要用水泥，并且原料是沙子。我尽量使用当地的材料，减少运输成本，沙子到处都有，尽管也有一定的要求。我希望我去上海造房子时，上海能有我想要的沙子。”恩里科强调，用这台打印机打印建筑，造出高迪式的弯曲结构简直易如反掌。恩里科十分推崇建筑大师高迪的作品，他希望有生之年能用3D打印机完成高迪的未完成作品位于西班牙巴塞罗那的“神圣家族大教堂”。就像打印机逐步进入办公室和家庭的步骤一样，3D打印还有很长的路要走。尽管现在

19、3D打印机的成本不断下降，最便宜的机器仍然在1万美元以上。英国巴斯大学有一项新设计，这项新设计能用大约700美元制造一个3D打印机，用户甚至可以用这台机器制造另一台3D打印机的塑料部件。在那个名为“万能制造机”的故事里，也有相同的情节。当一台3D打印机能够制造另一台3D打印机，这是多么引人遐想的美好未来。名的经济学人最近描述了 3D 打印技术的前景这是一种新型的生产方式，能够促成第三次工业革命。在我们的认知中，工业革命以往发生过两次。第一次工业革命以蒸汽机的发明为标志，认为新的技术革命产生了流水式作业的方式，单一大批量的生产某种产品，这催生了工厂与工人，也让制造业从原始的手工制造转为机械制造。

20、第二次工业革命同样也是一次技术革命，以电力、无线电、钢铁和化学等领域的巨大发展为标志，在各个不同领域进步的影响下，人们的生产方式也发生了变化，这一次工厂不再满足于单一产品的生产，而是转为大规模生产。那么第三次工业革命与前两次工业革命相比，有何不同之处？经济学人指出，在 3D 打印技术得到广泛运用的情况下，制造业也许不再运用工厂这种将人力、资金、设备等生产要素大规模集中化的生产方式，而转变为一种以 3D 打印机为基础的，更加灵活、所需要投入更少的生产方式。经济学人将这种趋势称之为“社会化制造（Social Manufacturing）”，当这种方式得到广泛的运用，那么每个人都可以是一家工厂。杂志

21、同时用一张图来形象的表明第三次工业革命会带了的变化：为什么 3D 打印机将成为一种生产工具？为什么 3D 打印技术将改变人类的生产方式？如果是从事着建筑和设计行业的人，他们对 3D 打印技术其实并不陌生，因为他们经常需要用到一种叫“快速成型”的技术，将设计的原型给制作出来，展示给客户看。在从前，这种原型的制作非常麻烦，因为工厂首先需要制作一个模具，然后把原料浇铸在里面，这样才能把原型制作出来。但当工厂制作完成之后，模具就变得没有用处这种生产方式浪费原料，生产成本自然比较高，所需要的生产周期自然也比较长。与这种先制作模具，然后才能把设计原型制作出来的生产方式相比，3D 打印机拥有相当的优异性，它

22、能够一次性、直接地把客户所需要的设计原型给制作出来。由于无需经过制作模具这一步骤，客户能够节约时间，工厂能够节约成本，同时所制作出来的物体，也将和设计图纸一样，能够更加精确。原因在于，3D 打印机能够直接将物体“打印”出来首先人们能够通过电脑创建一个三维设计图（通常是 SLT 或 CAD 文件），然后打印机对这个立体原型进行“切片”，分成一层一层的，然后打印机开始工作，将原材料按照设计图一层又一层的叠加上去，直到最终成型。当然，3D 打印机所使用的材料，自然不是喷墨打印机里面的墨水，而是一些可以发生固化反应的材料，现在可以作为原材料的东西已经多种多样，包括树脂、塑料、陶瓷、金属等等。实际上，发

23、明家 Charles Hull 生产出第一台 3D 打印机以来，3D 打印技术已经发展了近 30 个年头。而从一个为设计书、建筑师、实验室生产原型的工具，到媒体、大众所关注的议题。这种变化体现了 3D 打印技术在这几十年间取得的突飞猛进的发展，设备的价格从昂贵到便宜，性能从低下到强大，设备体积从大到小，使用范围从窄到广。1986 年，Charles Hull 离开了原来为之工作的 Ultra Violet Products，开始成立一家名为 3D Systems 的公司，开始专注发展 3D 打印技术，这是世界上第一家生产 3D 打印设备的公司，而它所采用的技术被称之为“立体光刻（Stereol

24、ithography）”，利用紫外线照射将树脂凝固成形，以此来制造物体。到 1988 年，3D Systems 开始生产第一台 3D 打印机 SLA-250，体型非常庞大：自 1986 年之后，涌现了很多不同的 3D 打印技术： 1988 年，Scott Crump 发明了另外一种 3D 打印技术 Fused Deposition Modeling，并成立公司 Stratasys。这个技术的特点是它能利用腊、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体，具备性能优良的特点； 1989 年，C.R. Dechard 发明 Selective Laser Sintering，利用高强度激光将材料粉末烤

25、结，直至成型。这种技术的特点在选材范围广泛，比如尼龙、腊、ABS、金属和陶瓷粉末等都可以作为原材料； 1992 年，Helisys 发明 Laminated Object Manufacturing，利用薄片材料、激光、热熔胶来制作物体。然而该 3D 打印技术的原材料一直仅限于纸，性能低下； 1993 年，麻省理工大学教授 Emanual Sachs 发明 Three-Dimensional Printing 技术（非本文泛指的 3D 打印技术），利用金属、陶瓷等粉末，通过粘接剂在一起成型。这种技术的有点在于制作速度快，价格低廉，然而成品的强度较低。1995 年，Z Corporation 获

26、得麻省理工大学的许可，利用技术来生产 3D 打印机。 1996 年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation 分别推出 Actua 2100、Genisys、Z402，第一次使用了“3D 打印机”的称谓。 2005 年，Z Croporation 发布 Spectrum Z510，这是世界上第一台高精度彩色 3D 打印机；同一年，英国巴恩大学的 Adrian Bowyer 发起开源 3D 打印机项目 RepRap，它的目标是作出“自我复制机”，通过 3D 打印机本身，能够制造出另一台 3D 打印机。 2008 年，第一版 RepRap 发布，代号“Darwin”，能

27、够打印自身 50% 的元件，它的体积仅一个箱子大小。从这段发展历史中，我们可以看出，随着 3D 打印技术的种类变多，3D 打印机可选的原材料范围也在变广，从树脂到塑料到陶瓷到金属。然而，最重要的是，3D 打印机的价格在下降，1999 年 3D Systems 的 SLA 7000 要价 80 万美元，而公司今年年初推出的 Cube 要价仅 1299 美元。而且，Cube 性能不低，不仅支持彩色打印，还支持无线连接，免费提供设计软件，让平板电脑发挥设计的潜力。除了 3D System 这样老牌的 3D 打印机生产商以外，一些新兴的 3D 打印机生产商也把目标放在“低价 3D 打印机”上，比如 2

28、009 年成立的 MakerBot，它的产品就只有 1749 美元。不仅如此，最近创立的 Soldoodle 所生产的 3D 打印机仅 499 美元（Basic 版）。而在 Kickstarter 上，出现了售价仅为 300 美元的 3D 打印机 Makibox。个人电脑的普及，也让 3D 打印机的价格下降。回顾前文中 SLA-250 的外观，我们会发现它就是一个工作站，不仅包括了负责将物体打印出来的 3D 打印机部分，还有负责设计的电脑部分。在 1988 年，电脑的价格不像现在这般便宜，也不如现在这般普遍，将 3D 打印机连同 3D 打印机一起卖给客户，是当时合理的选择。然而，时至今日，电脑

29、已经得到了广泛的应用，而且性能有了长足的进步，3D 打印机不必连同电脑一起卖给客户，价格自然得到了降低。此外，以往价格高昂 3D 设计软件也有越来越多的价格低廉的替代品，有些甚至是完全免费的开源软件，比如 123D、OpenSCAD、Tinkercard。这些因素都让 3D 打印成本得到降低。随着 3D 打印机的成本越来越低，围绕着它所提供的服务也越来越多。最典型的，就像参加 CES 2012 的 Sculpteo，它允许用户上传或直接在网站设计 3D 草图，然后公司将物体打印出来之后，再快递到用户的手中（Sculpteo 还有商城等其它服务）。最近几年关于 3D 打印的消息层出不求，它的使用

30、范围越来越广。比如： 3D 打印的原材料扩展到金、银以及强度极高的钛，还有不锈钢； 德国 Voxljet 制造了尺寸为 4m x 2m x 1m 的 3D 打印机； Cornell 大学尝试利用 3D 打印机直接打印出食物出来； Exeter 大学的研究人员，制造出以巧克力为原材料的 3D 打印机； 哈佛大学的实验室开发可以实现生物细胞打印的设备； 德国 Fraunhofer Institue 利用 3D 打印技术将血管给打印了出来； Loughborough 大学的一个研究小组正在尝试让混凝土成为 3D 打印的原材料； Organovo 开始研究如何利用 3D 打印机来打印人体器官。总结以上的趋势，那就是 3D 打印技术的部署成本越来越低，以现在的价格，几乎每个人都可以拥有一台 3D 打印机。而随着选材范围越来越广，3D 打印机可制作的物品越来越多，从汽车、飞机零件，到食物，到人体器官等等。加之如今网络的发达，每个人都能够成立一个像 Sculpteo 这样的网站，按客户需求，个性化定制物品，让“社会化制造”成为可能。