3D打印的未來世界

　未來的制造業(yè)一定是數(shù)字世界和物理世界的智能對接，而我們現(xiàn)在還更多停留在物理世界里。

　　■ 文/許 正，直方大管理創(chuàng)新中心創(chuàng)始人、原GE中國副總裁

　　2014年年初，GE公司的研究人員宣布，未來50年內(nèi)，3D打印技術(shù)將能夠成功“打印”出一臺航空發(fā)動機。要知道，航空發(fā)動機是當今裝備制造業(yè)的皇冠，它對材料技術(shù)和制造工藝的要求極高，其制造過程又非常的復雜。GE的這一宣稱，無疑又一次激起了人們的極大興趣：3D打印真的將顛覆傳統(tǒng)的制造業(yè)嗎？

　　從2012年以來，關(guān)于“3D打印”的話題井噴式的出現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)和媒體上，很多人會誤以為3D打印是橫空出世的新技術(shù)，其實3D打印技術(shù)已經(jīng)悄然發(fā)展了一個多世紀。

　　近20年的高速發(fā)展，是因為插上了互聯(lián)網(wǎng)的翅膀，使得3D打印的“軟件核心”——“數(shù)字模型”得以高速發(fā)展，再加上勞動生產(chǎn)力的進步和技術(shù)的革新，使得3D打印機的成本不斷下降，3D打印的“硬件基礎”也已成型。

　　“被打印出來”的新玩法

　　食品行業(yè)

　　很難想象，3D食物打印機將是完美的廚師。我們設想把食物的材料和配料預先放入容器內(nèi)，再輸入食譜，余下的烹制程序會由它去做，輸出來的不是一張又一張的文件，而是真正可以吃下肚的食物。

　　3D食物打印機所使用的材料可以有很多種，有飲用水、植物油、蛋白質(zhì)、碳水化合物、維生素劑和巧克力，這些材料經(jīng)過混合之后加入到擠壓設備中，混合好的食物通過噴嘴直接打印成任何形狀。

　　2014年8月6日美國軍方對外發(fā)布了一款食品3D打印機，這臺打印機所打印出來的東西可以直接讓士兵們吃掉，這臺軍用后勤3D打印機所使用的打印材料是營養(yǎng)含量極高的物質(zhì)，能夠為訓練、戰(zhàn)斗了一天的士兵提供充足的熱量，恢復身體機能，補充維生素。

　　建筑行業(yè)

　　3D打印將徹底顛覆傳統(tǒng)的建筑行業(yè)。2013年1月，荷蘭建筑師Janjaap Ruijssenaars與意大利發(fā)明家Enrico Dini一同合作，他們計劃打印出一些包含沙子和無機粘合劑的6×9（米）的建筑框架，然后用纖維強化混凝土進行填充。最終的成品建筑會采用單流設計，由上下兩層構(gòu)成。該工程預計在2014年年底完成。

　　美國南加州大學工業(yè)與系統(tǒng)工程教授比洛克?霍什內(nèi)維斯一直在研究一種新工藝——不到20小時的時間內(nèi)建造一幢面積為2500平方英尺的建筑。該項目獲得美國宇航局和美國軍方的支持和資助�；羰矁�(nèi)維斯相信他的項目可以幫助全世界大約10億急需改善住房條件的人提供足夠住房。他把該工藝稱為“輪廊工藝”，并且很希望在將來某天看到成為現(xiàn)實。

　　“輪廊工藝”的概念在設計上很簡單，但是實施起來相當復雜。該工藝由一個巨型的三維擠出機械構(gòu)成。它的操作很像我們見到的打印機操作原理，不過有一個明顯不同的地方：它擠出的是混凝土。

　　醫(yī)療行業(yè)

　　在醫(yī)療界，3D打印技術(shù)也正顯現(xiàn)出它的獨特與便利。體外醫(yī)療器械包括醫(yī)療模型、醫(yī)療器械——如假肢、助聽器、齒科手術(shù)模板等。根據(jù)美國組織AmputeeCoalition的統(tǒng)計，目前美國有約200萬人使用3D打印假肢。

　　3D技術(shù)打印一顆牙只需10分鐘搞定。相對于傳統(tǒng)的種牙技術(shù)，患者需要往返醫(yī)院多次的情況將會得到明顯改善。不過最后裝進患者嘴巴，至少需要3 天。

　　對于助聽器，3D打印把傳統(tǒng)的9個工序縮短到了3個步驟，即掃描、制模和打印。掃描過程利用數(shù)字照相機創(chuàng)造了大約10萬到15萬個參照點，然后發(fā)送給技術(shù)人員或模型師，他們把模板和幾何形狀應用到耳朵印模上。在這個步驟中，技術(shù)人員會試驗多種組合和幾何模型，以便訂做出適合特定客戶群的助聽器，外殼用樹脂打印出來，再裝配上必要的通氣孔和電子器件。

　　另外， 3D打印已經(jīng)進入到人體活器官的“按需打印”領域。器官移植可以拯救很多人體器官功能衰竭或損壞的患者生命，但這項技術(shù)也存在器官來源不足、排異反應難以避免等弊端。不過，隨著未來“生物打印機”的問世，這些問題將迎刃而解。

　　汽車行業(yè)

　　2014年9月15日，世界上第一輛3D打印汽車面世。這輛汽車只有40個零部件，建造它花費了44個小時，最低售價1.1萬英鎊（約合人民幣(6.1195, -0.0032, -0.05%)11萬元）。 這輛由美國Local Motors公司設計制造、名叫“Strati”的小巧兩座家用汽車開啟了汽車行業(yè)新篇章。

　　“Strati”轎車整個車身上靠3D打印出的部件總數(shù)為40個，相較傳統(tǒng)汽車20000多個零件來說可謂十分簡潔。充滿曲線的車身由黑色塑料制造，再層層包裹碳纖維以增加強度，這一制造設計尚屬首創(chuàng)。汽車由電池提供動力，最高時速約64公里/小時，車內(nèi)電池可供行駛190~240公里。

　　盡管汽車的座椅、輪胎等可更換部件仍以傳統(tǒng)方式制造，但用3D制造這些零件的計劃已經(jīng)提上日程。制造該轎車的車間里有一架超大的3D打印機，能打印長3米、寬1.5米、高1米的大型零件，而普通的3D打印機只能打印25立方厘米大小的東西。

　　推動創(chuàng)客化浪潮

　　互聯(lián)網(wǎng)讓有電腦的人都有機會成為企業(yè)家，如今，新科技催生了DIY（自助式）微制造運動，這樣一來，任何人都可以同時成為投資者和制造商。

　　3D打印結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)，正在重塑傳統(tǒng)的制造產(chǎn)業(yè)，這是新趨勢，甚至是具有革命意義的趨勢。下面讓我們看看3D打印和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的幾個新玩法：

　　線上設計與線下生產(chǎn)

　　3D打印所引發(fā)的創(chuàng)客運動是網(wǎng)民和現(xiàn)實世界交集的開始，基于那些在電腦屏幕上玩創(chuàng)意的網(wǎng)民，只需要在網(wǎng)上購買3D打印機，就可以很容易將他們的想法付諸現(xiàn)實。你不需要懂技術(shù)，因為機器會完成所有工作。事情變得越來越簡單，只要按下按鈕，結(jié)果就出來了。

　　傳統(tǒng)制造中，越復雜的產(chǎn)品如果需要改動的地方越多，意味著越高的成本。但在數(shù)字化制造中，這一切都在改變。制作個性化的產(chǎn)品并不會花費更多額外的成本，因為只需要改動模型參數(shù)，最重要的是互聯(lián)網(wǎng)讓有電腦和3D打印機的人，都有機會成為創(chuàng)業(yè)家，任何人都可以同時成為投資者和制造商。也許只需點擊鼠標，創(chuàng)意先在電腦里生成，然后上傳至云端，并投入任何規(guī)模的生產(chǎn)，可以只生產(chǎn)一件，也可以生產(chǎn)一萬件。隨之而來的，必將是一波龐大的創(chuàng)業(yè)機會。

　　創(chuàng)業(yè)生產(chǎn)輕量化

　　在互聯(lián)網(wǎng)時代的人們越來越容易獲得各種生產(chǎn)資源，工廠和規(guī)�；�生產(chǎn)可以轉(zhuǎn)化為各種互聯(lián)網(wǎng)服務�；ヂ�(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)的吸引力在于它的低門檻及長尾市場的廣泛存在，各類細分業(yè)務總能找到自己生存的空間。而傳統(tǒng)制造業(yè)限于場地及設備，過高的啟動門檻將大部分人拒之門外。3D打印機則大幅降低了進入門檻，理論上使人人都具備開展制造業(yè)務的能力。

　　借助于網(wǎng)絡平臺，產(chǎn)品制造的成本問題解決了，于是小型工廠將會大量出現(xiàn)，甚至家庭也將成為一個制造車間。制造業(yè)的長尾市場被前所未有地開發(fā)與覆蓋，每種個性化的需求都能找到制造者和消費者。圍繞這些設備與工廠，又將誕生一系列的周邊服務商業(yè)鏈條。

　　生產(chǎn)分包

　　互聯(lián)網(wǎng)上存在很多小公司，它們比大公司更快速、更靈活，現(xiàn)在創(chuàng)客運動將把這種趨勢延展到制造領域。創(chuàng)客運動不會馬上摧毀舊有的制造業(yè)模式，而是創(chuàng)造出一種全新的制造模式，就像互聯(lián)網(wǎng)至今仍沒有摧毀所有傳統(tǒng)媒體，而只是增加了一種媒介一樣。

　　創(chuàng)客運動能開發(fā)出越來越多的長尾市場，而大公司的業(yè)務會發(fā)生轉(zhuǎn)變，部分產(chǎn)品依舊面向大眾，還有一部分產(chǎn)品屬于小眾。在大規(guī)模制造中，傳統(tǒng)制造業(yè)依舊占據(jù)優(yōu)勢，但小批量、個性化的生產(chǎn)則不是它們熟悉和擅長的，如果它們想和新興的小型公司在這個市場進行競爭，就需要吸取創(chuàng)客運動的經(jīng)驗，加快自己的創(chuàng)新速度，比如建立一個開源平臺，讓小公司進來參與項目的分包。

　　盡管仍有待完善，但3D打印技術(shù)勢必成為引領未來制造業(yè)趨勢的眾多突破口之一。這些突破口將使工廠徹底告別車床、鉆頭、沖壓機、制模機等傳統(tǒng)工具，改由更加靈巧的電腦軟件主宰。

　　2012年4月，《經(jīng)濟學人》 雜志再登封面文章《第三次工業(yè)革命》，再次強調(diào)了3D打印技術(shù)的重要性。在此前后，《福布斯》、《紐約時報》、《連線》等諸多西方主流媒體都先后在頭版刊文，集體看好3D打印。就連擔任《連線》雜志主編11年的克里斯?安德森也選擇辭職，投身到3D打印領域。

　　根據(jù)美國消費者電子協(xié)會發(fā)布的年度報告，2011年全球3D打印的市場規(guī)模為17億美元，其中消費品和電子領域約占20.3%，機動車領域占19.5%，醫(yī)療和牙科領域占15.1%。 隨著汽車、航空航天、醫(yī)療保健等市場需求的持續(xù)增長，預計其市場規(guī)模到2017年可達50億美元，雖然看起來仍然是很小的規(guī)模，但預示著未來有無限大的可能。

　　3D打印在實體制造中的優(yōu)勢顯而易見，省去了冗長而昂貴的模具制造過程，且成本很低，并能夠制造出傳統(tǒng)方法無法企及的形狀。但是3D打印由于技術(shù)與材料發(fā)展的限制，它目前的作用還主要集中于模型制作與修改，待模型確定后，依舊離不開量產(chǎn)的傳統(tǒng)制造方法。

　　局限與未來

　　制造業(yè)的革新與升級是一項漫長且復雜的工程，如果認為單靠3D打印就能帶來第三次工業(yè)革命，顯然有些過于樂觀了。但是3D打印一定是推動第三次工業(yè)革命發(fā)生與前進的技術(shù)之一。

　　工藝制造

　　除了市場的發(fā)育需要時間和外力的推動之外，現(xiàn)階段3D打印技術(shù)本身也存在新的挑戰(zhàn)。比如3D打印不適合直接制造高精度的東西。由于3D打印材質(zhì)是一層一層堆積成形，無論如何，每一層都有它的厚度，這決定了它的精度難以企及傳統(tǒng)的減材制造方法。若追求更高精度，則需不斷降低每一層的厚度，這又意味著制造時間的大幅延長。同時由于難以克服的問題，它很難生產(chǎn)類似于軸承、滾珠類的產(chǎn)品。

　　用3D打印技術(shù)制造可直接裝配的零件，只適用于難加工的貴重材料，或用傳統(tǒng)方法制作浪費大、甚至根本制作不出來的精度要求的復雜形狀，比如飛機或F1賽車上某些抗壓強度大、質(zhì)量輕的部件。

　　材料領域

　　3D打印還未形成廣泛的工業(yè)應用，最主要原因是各類適用材料不能滿足設計要求。

　　3D打印材料是用于逐層堆積制作零部件的基礎原材料，也是此項應用的技術(shù)核心。由于3D打印技術(shù)采用在水平面內(nèi)逐行成型、在三維結(jié)構(gòu)內(nèi)逐層堆積的技術(shù)原理，致使打印材料性能直接決定了成品的強度、剛度等力學性能，粗糙度等表面質(zhì)量，以及防潮性、熱穩(wěn)定性、生物相容性等其他特殊性能，而材料性能又能進一步影響熱處理、表面理化處理、精加工、拋光鍍膜等后續(xù)工藝，直接影響生產(chǎn)成本和成型效率。

　　目前可應用于3D打印的材料種類較少，大量材料的應用潛能也未開發(fā)出來，但這恰恰意味著3D打印將迎來新一輪的技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)新，眾多巨頭企業(yè)的進入，以及政府主導下的產(chǎn)業(yè)布局都預示著3D打印將迎來新的發(fā)展階段。

　　幕后推手

　　3D打印真正的潛力還有賴企業(yè)界發(fā)掘——比如像空客公司這樣的企業(yè)就會探索如何用3D打印技術(shù)制造飛機零部件。隨著大企業(yè)對3D制造的興趣日益濃厚，新的原材料會不斷突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸以及原材料成本的隨之下降，同時打印機技術(shù)本身也會不斷迭代，而普通消費者能買到用更多種類材料打印的物品。就像今天我們還只能買到打印的iPhone手機殼，但是未來就會買到打印的手機了。

　　3D打印可以說是制造業(yè)向智能化的物聯(lián)網(wǎng)時代邁進的重要一步。當前我國制造業(yè)正面臨轉(zhuǎn)型升級的挑戰(zhàn)，信息化和工業(yè)化的深度融合是各產(chǎn)業(yè)領域的應有之義，3D打印的階段性成功為我國智能制造業(yè)的推進指明了方向。

　　在北京、西安、成都和武漢等城市，我國政府已經(jīng)陸續(xù)開始著手對3D打印相關(guān)產(chǎn)業(yè)進行布局和規(guī)劃，從設備研發(fā)、軟件設計、材料制備和技術(shù)服務等眾多環(huán)節(jié)全面鼓勵發(fā)展3D打印產(chǎn)品，我們有理由相信3D打印將顛覆更多的產(chǎn)業(yè)和影響我們的生活。