3D打印技術這35年：從做個模型到制造業(yè)的未來

1983年，美國發(fā)明家Chuck Hall發(fā)明了世界上第一臺3D打印機，采用立體光刻技術，但這一技術由于機器龐大和費用高昂，市場并沒有很快接受這個概念。但隨著更加便宜的3D打印技術（熔絲制造和選擇性激光燒結技術）被研發(fā)出來，在90年代有多個3D打印公司被創(chuàng)立，這項技術才有了更多的人力和資源來支持其的發(fā)展。

35年前，3D打印只能夠打印簡單模型，而現(xiàn)在3D打印出來的人工關節(jié)，在2012年國內就有患者裝上了，而家用的3D打印機在淘寶上也可以隨意購買。越來越普及的3D打印技術卻一直停留在模型和少數產品的制作階段，如果要進一步打開市場，3D打印需要進入制造業(yè)，給傳統(tǒng)的制造方式帶來一場方式上的革新。

不同于傳統(tǒng)的制造業(yè)，3D打印的優(yōu)勢在于：不需要花大量的時間來制造生產磨具，產品從設計到生產周期短，可以造出傳統(tǒng)制造業(yè)造不出的復雜結構，對于原材料消耗小等。但相對于傳統(tǒng)的制造業(yè)，3D打印最后成品依舊面對著材料強度物理性能不達標，產品外觀不光滑，實際生產時間較長，成本高等缺陷。

今天我們就著3D打印的三個大板塊：金屬打印，塑料打印，陶瓷玻璃打印， 來分析一下3D打印這項科技目前的發(fā)展現(xiàn)狀和在制造業(yè)前景。

金屬打�。狐c“粉”成“金”
金屬打印目前主要以直接金屬激光燒結（DMSL）為主，通過用激光融化金屬顆粒來成型。在打印的時候激光掃過一層金屬粉末，激光高溫融化需要融化的粉末，形成2D圖像。當這一層金屬冷卻成型之后，機器鋪上另外一層顆粒，重復之前過程，最后形成3D形狀。

直接金屬激光燒結部件

直接金屬激光燒結技術能夠打印出來較為復雜的結構，而且隨著金屬納米粉末制造技術的成熟，這一技術能實現(xiàn)較好的外觀和物理性能。但是由于這一技術的生產時間相對傳統(tǒng)的CNN金屬切割成型技術過長，而且納米金屬粉末的成本很高，目前還停留在模型制作的階段。

塑料打印：百花齊放

塑料3D打印從30年前研發(fā)出來的熔絲制造（FFF/FDM），已經發(fā)展成多種固態(tài)，液態(tài)粉末態(tài)的打印形式了。除了固體狀態(tài)下的熔絲制造，還有粉末狀態(tài)下的選擇性激光燒結（SLS）和液態(tài)光定型制造（CLIP）等各種技術

熔絲制造（FFF/FDM）是最常見的3D打印技術，通過融化塑料絲，移動打印頭來構造一層2D圖像，然后一層一層搭成3D形狀。利用這項技術的3D打印機因為占地面積不大，操作方便簡單，已經非常普及。同時由于這項技術發(fā)展多年，市場上的各種塑料都有為這一技術做熔絲，所以這一項技術在材料方面有很大的選擇空間。

熔絲制造多彩的熔絲原材料（圖片來源WWW.DELL.COM）

然而，熔絲制造的缺陷在于最后成品并不美觀，表面會留下塑料絲融化過的痕跡，需要通過后期加工磨砂拋光才能讓表面光滑。 同時該技術由于在打印垂直和橫向方向的內部結構和材料密度不一樣，產品的物理各向異性特別明顯，不適合用于打印要承受較大重量的部件。不過由于這項技術的方便快捷以及材料多的特點，已經在生產支具，做產品模型中被較為廣泛的應用。

熔絲制造（圖片來源：視覺中國）

選擇性激光燒結（SLS）的技術原理和直接金屬激光燒結技術非常相似，主要通過用激光融化塑料顆粒來成型。和金屬的激光燒結技術一樣，塑料選擇性激光燒結也需要大型機器和專業(yè)人員來操作。同時相比金屬的激光燒結可以達到納米級別的顆粒，塑料并沒有納米級別的顆粒，這也限制了產品最后表面的光滑性和美觀性。

不過這一技術由于不需要額外支撐材料，可以打印出非常復雜的結構。這一技術另一大優(yōu)點是原材料較為便宜，答應時間較短，有成為大批量生產主力軍的潛力。

選擇性激光燒結部件 （來源：stratasysdirect.com）

液態(tài)光定型制造（CLIP）是利用液態(tài)的原始材料在光照的驅動下固化成型來制造的。通過投影技術在液態(tài)材料與空氣的接觸面上投影需要打印的2D圖像，在固化之后將打印好的圖像向上移動，打印下一層。 該技術的優(yōu)點在于液態(tài)材料可以形成光滑的表面，打印出來的成品美觀。

液態(tài)光定型制造（CLIP）跑鞋 （來源：carbon3d.com）

目前擁有這一項技術的公司Carbon3D已經通過這一技術和阿迪達斯聯(lián)合生產出了一款跑鞋的超輕超彈中底，各位有錢的大佬們有興趣可以考慮一下。

陶瓷玻璃打�。耗壳安⒉怀墒�
由于陶瓷的高熔點，陶瓷的3D打印技術目前還沒有商業(yè)化的推廣，陶瓷的3D答應也停留在一個基礎的熔絲制造階段。但是，麻省理工大學的的“黑科技制造廠”媒體實驗室（Media Lab）已經做出了玻璃3D打印的藝術品燈罩。該項技術熔絲的直徑目前還又有有效的減小，打印出來的成品表面還是會非常凹凸。

玻璃3D打印部件 （來源：media.mit.edu）

3D打印技術能替代制造業(yè)么，未來還能為我們做什么？

在小范圍內，Carbon3D和阿迪達斯的合作已經充分證明了3D打印的好處，它的從設計到出產品時間短，能構造相對復雜的結構。金屬3D打印在美觀和物理性能方面已經接近傳統(tǒng)工業(yè)屆要求，但生產時間長，價格高。塑料3D打印由于發(fā)展之間長，較為成熟，被應用得較為廣泛，但是其主要問題還是成品美觀不行，物理性能不達標。

陶瓷3D打印技術還處在較為基礎的階段，需要不斷的研發(fā)。這些成本，技術和性能的問題不解決，在廣義程度上3D打印離制造業(yè)還有距離。

目前已經有一些人開始試驗3D打印的水泥房子，不需要砌磚，不需要人工，只需要一塊空地。這項技術目前還處在“隔壁家小強搗鼓出來了“的階段，沒有被較為廣泛的推廣。不過想想不打地基的房子是不是會有被風吹走的危險呢？

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工研究團隊研究出來的3D打印出的人造心臟 （來源：www.ethz.ch）

實際上已經有多家實驗室開始利用3D打印能制造復雜精確結構的優(yōu)點開始打印器官：瑞士聯(lián)邦理工大學的一組研究團隊就研究出了3D打印的心臟。該心臟只要模擬血流的流動，就可以像正常心臟一樣搏動。但是由于塑料還是比不過天生的肌肉，目前這個心臟只能存活45分鐘的時間，短暫的曇花一現(xiàn)�？梢韵胂蟮�，未來3D打印將在器官制造上有大作為，也許可以解決器官短缺的問題。

來源：鈦媒體