3D打印技术的前景及影响

引言

变革性技术是历史的产物。举几个例子来说，蒸汽机，电灯泡，原子能，微晶片等，都曾坚定不移地改变着我们的世界。从原始发明到改变我们的做事方式，这样的突破经常要时隔几十年才能实现。而且，其潜在的影响在早期开发过程中几乎是无法预测和想象的。

作为当今另一项可能改变世界的新技术，添加制造（Additive Manufacturing，简写为AM ）备受青睐，它又形象地被称为3D打印。作为一项革命性新技术，它可能会产生深刻的地域、经济、社会、人口、环境和安全的影响，从而颠覆持续两个世纪之久的传统设计和制造方法。

如其字义，AM用层层叠加的方法构建产品，而不是传统的做法——从一块较大的材料中切削材料，比如从一块钛合金中切削出一个起落架。与传统的切削制造（或称之为减法制造）相比，表面上看起来仅仅是加或减的问题，区别似乎不大，但事实上，这种改变的意义要深远的多。

这意味着对于许多产品来说，可以减少甚至消除装配线和供应链。最终产品或者类似汽车的大件产品可以采用AM一步制得。人们不再需要像传统方法那样组装成百上千的部件，这些部件常常是从全球各地的工厂舶来——那些工厂又使用着其他不可胜计的工厂提供的零部件来组装他们的产品。

这意味着“设计”而非产品，可在世界范围内流通，就如数据文件可以被处于任何地点的、任一满足设计参数的打印机上被打印一样。互联网在信息世界中消除了距离因素，如今AM又消除了物质世界的距离因素。如同一份书面文件可以用PDF格式邮件发送，或者平面打印出来。一份STL1设计文件可以通过互联网被即时传送到地球的另一面，然后被立体打印出来。产品可以根据要求打印，无需建立新产品和备件的库存清单。给定的生产设施不用重组就能够打印一系列类型的产品，而且每次打印不需额外成本就能够为用户自定义使用。

这意味着因为生产更贴近消费者，生产和物质产品的投递都可以全球化。制造业可能撤出中国这样的制造平台，回到产品消费国，这样就减少由于出口国的盈余降低和进口国对进口商品的依赖缩减而带来的不平衡。同时，在生产过程中，制造、运输以及能源使用全过程中的碳排放量可以显著降低，从而大幅提高全球的资源生产率，减少碳排放量。

这也意味着生产过程中对劳动力需求的降低，可能会在某些经济体中造成政治不稳定。而其他的经济体，尤其像一些老龄化社会，能够以更少的劳动力生产更多的商品，从而减少对进口的依赖。

1 AM基 础

1.1 什么是AM

与儿童把一张折叠的纸切成雪花类似，传统制造把一块原材料通过切除的方式做成产品，虽然中间包括一系列复杂的铸造、成型、熔模和加工，但其核心是削减，因此传统制造工艺可以被称作减法技术。减法技术催生了工业革命，形成今天我们所处的世界，功不可没，但它也包含了固有的局限性，急需新的方法去解决问题。

相比较而言，AM通过从底层向上逐次叠加材料横截面而创建物体，这与小孩堆积木或玩乐高玩具存在概念上的相似。AM的一般步骤参见图1。

AM从物体的3D模型开始，往往通过CAD软件或者已存工件的扫描图像来创建。通过专业软件把模型分解成横截面层，并创建计算机文件输入AM机器。AM机器再通过材料的选择性定位（或成型）形成层次来创建对象。

由于使用叠加的方法，AM过程能够建立复杂的几何模型，而其他方法则不行。因此AM在工程设计当中可提供最大的几何自由，给我们的工业设计行业带来大量新机遇。采用AM，可以生产无需装配的功能部件，从而节省了生产时间和成本。最后，AM还能减少浪费，把诸如蚀刻和清洗溶剂等有害化学物质降到最低，并且为可循环材料的使用提供了可能性。综上好处，AM已经具备了在以创新为主的制造业充当变革性技术力量的实力。

1.2 AM的应用

最初，AM被称为“快速原型”，主要用于快速制造新产品的概念模型形式和适应型评估。建筑师可以在计算机上设计新建筑，再以立体模式打印出来呈现给顾客，或进一步优化设计。汽车工程师可以设计和打印车辆的前仪表板。由于材料性能和过程可重复性的提高，AM技术的使用从单一的创建原型演化到为功能测试创建部件，再到为注模和砂型铸造制造工具，最后到直接生产最终部件。

用AM方法来生产部件的成功工业案例包括：

——汽车配件：AM不适合大量生产，更多的是用于生产高端部件，如，专业型汽车。例如，F1赛车的发动机部件是直接用金属激光烧结制造的。

——飞机配件：航空航天领域的小批量生产由于AM的影响使其成为另外一个市场。其中一个例子是F-18的环境控制系统的风管。AM提供的复杂程度使装配能够重新设计，把涉及的部件数量从16降低到1。

——自定义矫正：A l i g n Technology公司利用AM为全球成千上万的病人生产透明的定制牙齿矫正器。特别地，运用立体光刻根据每个病人的牙齿影象的立体扫描数据来制造模型。食品及药物管理局批准的聚合物被用来浇铸制造矫正器的模具。

——定制助听器：德国西门子和瑞士峰力公司应用激光烧结制造定制助听器。基于耳沟的立体扫描影像制成的助听器非常适合病人的耳朵，而且从外面几乎看不见。

2 AM的优势与不足

2.1 优势

AM具有超过传统制造技术（比如注模，铸造、冲压、加工）的诸多好处。

增加部件的复杂性。一个非常明显的好处就是创建复杂形状的能力，而用其他方法是做不到的。例如，弯曲的内部冷却通道可以集成到部件里面。从根本上说，AM过程允许设计者有选择性地把材料放在需要的地方。从自然界获得灵感（例如珊瑚、木材和骨骼），设计者能够制造多孔材料——结实坚硬且重量轻的结构（如图2）。

数字化设计和制造。所有的AM工艺直接根据标准的数据文件(.STL)创建三维固体模型。这些计算机的控制过程减少了创建对象时的人工交互，仅需较低的操作知识就够了。创建过程无需监控，大大减少产品的生产时间——从而减少设计迭代之间的时间。直接用计算机模型创建零件，可以确保创建的零件准确表达设计师的意图，从而降低传统制造过程中的误差。

复杂性是免费的。在传统金属铸造和注模中，新产品需要新的模具来铸造部件。加工时，需要变换几次工具生产成品。而AM是“单一工具”过程——无论所需几何形状多么复杂，也不需改变过程的任何方面。这实际上使形状自由变化——在创建复杂和简单对象之间无需额外的成本或交付时间。就这点而言，AM非常适合创建定制的、复杂的几何形状。任何的传统制造工艺都不能如此经济地提供这么复杂的定制。

全球范围内的即时生产。用数字文件表示物理结构，能够实现快速的全球产品分销，从而很可能与MP3改变了音乐的分销一样，改变产品的分销方式。数据文件可以传送到任何地方的任何打印机，按照文件内的设计参数生产任何产品。

降低浪费。AM工艺在本质上就“绿色”。由于材料层层叠加，只有需要的材料才会被用于生产，所以几乎是零浪费。这与传统的减法制造形成了鲜明的对比。拿加工来说，用一块钢坯刻出所需的部分——往往在获得最终产品的同时留下大量被浪费的材料碎片（可能还包括大量的油性切削液)。

2.2 不足

虽然AM技术与传统制造工艺相比具有明显的优势，但也有局限性，无法解决所有问题。

在当前的技术水平下，AM工艺无法实现大规模生产，当需要的批量成千上万时，AM就不具有经济性了。平均而言，AM工艺能够在约一小时内生产1.5英寸的立方体。但传统的注模机不要1分钟就可以生产几个相似的零件。虽然AM在速度上还在不断提升，但估计较难达到模具技术那么快的速度。速度的瓶颈源自3D打印的基本物理性质——激光扫描、固化材料以及重新涂层都需要一定时间。不过，当需要定制零件是小批量时，AM还是胜任的。此外，如果生产分散，采用3D打印在靠近市场的地方进行生产也可能是经济上合算的（因为节约了运输、仓储成本）。

AM另一个显著的问题来自材料。AM使用专有聚合物，这些聚合物目前的一些物理特性还弱于传统制造中的相应部分。同样，在某些AM工艺当中，零件强度不统一——由于层层叠加的制造工艺，零件强度往往在构建的方向上较弱。因此，AM的可重复性亟待提高。由不同机器生产的零件往往具有不同的性能。这些都会带来最终产品的质量不统一。

解决这些问题未来需要多学科的融合与突破。目前已经有很多文章探讨学科持续融合的前景，特别是所谓的NBIC(纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学）。AM可以提供新颖的方法，这一方法可以把NBIC技术融入原型和成品。而且，这样跨学科的方法可以提供更好的设计灵活性，以及提高AM生产零件的质量。

3 AM对世界的颠覆性影响

尽管AM技术已经有30年以上的历史，但现在它前所未有地展现出革命性的影响。受到成本降低和直接金属技术发展的刺激，AM的应用越来越广泛，并开始对全球的产品设计以及制造方式带来颠覆性变化。

3.1 对生产制造的影响

AM在很多重要方面改变了制造过程。其中在某些方面可能比其他方面早些，这些改变也会以不同的速度应用到不同的终端产品中。总的来说，AM使生产更贴近消费者，AM允许按需打印，无需建立产品库存。拿电子书和纸质图书比较，纸质图书必须被打印、运输和存储，如果未售出的话还要被退回（往往被切碎）。

AM不仅不需要保持大量的库存，而且很多情况下不再需要保持备件库存，或者备件的大量运输。备件打印能力对商业、军事和消费者具有重要意义。尤其是军方需要在船舶、外国军事基地和前线维持大量的库存备件。通过部署打印机和材料来生产一系列备件能够降低成本，而不是将所有可能的备件带到可能需要的地方。美国国防高级研究计划局(DARPA)正在研制打印技术，尤其是备件的打印技术。

制造将会撤出像中国这样的“制造平台”，从原料产地转移到另一个本地的大型工厂，回到产品消费国去。

AM的出现也可能引起很多老产品的再发明，从而带来非凡的创新。事实上，AM工艺能够打印电脑上设计的任何物体——从而消除由机械工具、冲压和成型带来的限制——工程师和设计者在设计当中将不再被之前的生产技术所限制。无需采用新的设计和生产工艺，就能够生产出让竞争者望尘莫及的好产品。

AM会促进创新，为把生产带回美国提供重要的新动力。打印技术允许工程师或设计者随即打印自己的想法，以评价产品的可行性并纳入设计变化。

即时变更设计和改进产品允许产品持续更新和修改以满足用户使用和专业化要求。设计者和产品之间由于过去200年的生产方法造成的紧张关系，将会因为3D打印的出现而缓解，从而再次激发人们对工程和工业设计的兴趣。

3.2 对环境保护的影响

作为另一项隐性福利，AM可能会帮助解决国际社会面临的最紧迫的环境和资源问题。

由于设计而非产品在全球内“运输”，生产和运输产品过程中的碳排放量将会降低。这些设计在数字化后备传输至个人或公司，然后在靠近购买和使用的地方“打印”产品。通过缩减或消除复杂的批量生产零部件的供应链，最终产品的碳排放量将会被进一步降低。此外，生产最终产品所需的能源总量也可以被减少，至于减少多少则取决于被打印产品的结构、组件数目以及材料的复杂性。

通过大大减少生产过程中的浪费，AM也可以提高全球的“资源生产率”，即利用同样数量的资源生产更多的产品。对不可再生资源（例如稀土金属）来说，这可能会缓解供给和需求之间越来越大的差距。相同数量的钢铁、水泥、塑料和其他原材料将能够生产出更多的最终产品，从而节约宝贵的资源。此外，尤其是对于低端产品来说，AM可以提高塑料和金属等材料的循环利用能力。可大幅减少或消除浪费的另一个来源是过度生产或未售出的生产，以及库存和备件的存储成本。这可以减少维持新产品和备件库存的直接货币成本。

AM也可以减少在生产过程中有毒化学物质的使用。这将减少这些化学品处置的难度和费用，以及减少其生产的总体需要。

3.3 对全球经济的影响

AM的广泛使用深刻地影响着全球经济。由于许多商品更贴近消费者的需求，物质产品的生产和分配开始全球化。因为出口国的盈余减少和进口国对进口的依赖缩小，一种新形式的“进口替代”占据了上风，所以这种生产的本地化可能会减少全球经济失衡。

AM将创造新的产业和行业。生产各种精密的3D打印机很可能是一个新的行业。从个人家用打印机到制造中心的创建，从商店打印到政府机构打印，将出现了一个不断增长的客户群。在未来几十年内，全球制造向AM工艺转移，这可能涉及数万亿美元的业务，包括生产产品的价值，打印机和耗材的价值，以及包含产品工程和设计等专业服务的价值——还有知识产权（IP）保护和争端解决时所赚取的律师费。

由于产品的设计有可能得到广泛的传播，以及兼容性的打印机能够生产相同的产品，AM知识产权的保护可能会是一个挑战——复制软件盗版的问题。此外，在过去的几十年里，由于热情的年轻工程师和企业家期待“改变世界”，抓住这个新兴行业的潜力赚取财富。跟随软件产业的发展模式，产品设计可能是一个新的产业。最后，各种材料不同规模的打印机“墨盒”的生产和销售，也可能是一个发展的行业——可能是一个主要的利润来源，因为它已经存在于惠普和其他打印机制造商的2D印刷世界。

发展中国家将是AM生产的主要受益者，但同时也是出口就业机会衰减的失败者。由于AM允许采用包括再生材料在内的本地材料来设计和打印更适合当地消费的产品，发展中国家，可以减少对昂贵进口商品的依赖，生产更加实用的产品，并从生产中获得利润。但是在另一方面，这将大大降低与制造业相关的就业机会。

老龄化社会，特别是在发达国家，可能会从AM中受益。3D打印技术将减少对劳动力和进口产品的需求，从而可能会大大增加这些社会的整体生产力。AM带来的健康利益也可能降低老人的医疗保健费用。

3.4 对地缘政治的影响

全球经济的发展趋势对地缘政治的看法起到了关键作用。财富和权力从西方向东方的转移，在过去十年中一直特别显著。预计在不确定的未来当中，这一转移将继续，并随后塑造二十一世纪的地缘政治。在未来的几十年里，除了权力转移以外，其他的趋势也可能带来巨大的挑战。特别是水、能源和非可再生材料，在面对世界人口增长、城市化水平提高以及不断扩大的全球中产阶级对资源消耗越来越多的要求时，就显得日益稀缺。

AM会影响所有这些趋势的轨迹。像中国、日本和德国这样的国家通过出口为主导的经济增长，尤其是消费类产品的出口，建立了自己的繁荣和政治权力。随着越来越多的生产转移到消费国以及进口需求的下降，这些国家的增长可能会遇到一个相对的下降。不过尽管出口市场的损失和生产过程中的可能发生颠覆性变化，像中国、印度、印度尼西亚和巴西等拥有庞大的国内市场的国家，仍可以成功地过渡到一个AM经济体，而繁荣却丝毫不减。

对每个国家还存在这样转变机会，即从现有经济实力中，衍生出在3D打印机的设计生产以及打印最终产品的设计方面的新能力。如果能在AM打印机的生产和最令人满意且适销对路的设计两个方面成为领跑者，尤其是美国可能会遇到一个在创新、设计、知识产权出口和制造业方面的复兴；欧洲和经合组织（OECD）的其他国家也有可能是这场制造业革命的早期推动者；发展中国家可以更迅速地改善自己的经济条件，以及减少对如中国这样的产品生产者的依赖。

4 结论

AM有望超越单纯的新兴技术而成为一种真正的变革性创新。在当地可以打印出几乎所有存于脑海中的设计，这样的能力在我们的社会将引起强烈反响。因此，从现在开始，技术人员和政策制定者开始更紧密的对接是至关重要的。虽然未来难以预测，但在AM这一颠覆性创新的发展过程中，具有远见的、先进的规划是很有必要的。