影响未来的颠覆性技术:多元材料混合智造的3D打印1)

李坚 许民 包文慧

(东北林业大学木材仿生智能科学研究中心，哈尔滨，150040)

责任编辑:张 玉。

美国麦肯锡全球研究院预测:3D 打印是“影响未来的颠覆性技术”之一。

3D 打印制造技术，是融合了计算机软件、材料、机械、控制、网络信息等多学科知识的系统性、综合性技术，是制造业领域的一项新兴技术;其依托信息技术、精密机械、材料科学等多学科尖端技术。其采用特殊材料，通过选择性粘结逐层叠加形成实体。

近年来，3D 打印技术发展迅速，在各领域都取得长足进步，在航空航天、汽车制造、生物医疗、教学科研等领域发挥重要作用。当前，在发达国家大力倡导再工业化、再制造化的背景下，以3D 打印技术为代表的数字化制造技术将引发第三次工业革命，对产品设计、制造工艺、制造设备及生产线、材料制备、相关工业标准、制造企业形态乃至整体制造体系，将产生全面、深刻的变革。当前，我国制造业大而不强，在信息化与工业化融合推进、走新型工业化道路进程中，应大力发展3D 打印制造技术，对增强我国制造业创新能力、提升工艺制造能力、破解制造业发展与资源环境困局、培育新兴产业及调整产业结构等具有极其重要的战略意义。

林产工业做为一种传统产业，其与森林资源息息相关。建国后的60 余年，历经辉煌、平稳、低谷和复苏4 个时期，面临新世纪产业革命和环境保护的双重压力，对于从事林业行业的生产者，如何提高生产效率获取最大利益、如何实现产品快速更新换代、如何能在多方压力下保证林业行业更加节能环保，这些都需要生产者从设计、生产、销售等其他各个环节去综合考虑的。3D 打印技术的出现，在一定程度上这些问题也将会促使林业产业产生巨大变革。如果能使这项技术为林业生产企业服务，可为企业节约更多的时间成本;3D 打印技术的增材加工方式，若能在木制品生产中大规模使用，也将比现有的减材加工方式节约大量原材料，减少制作过程中能耗。通过3D 智能数字化技术的发展，将“中国制造”转变为“中国智造”，非常适合现在我国可持续发展环境友好的经济发展方针，具有跨时代重要意义［1］。

1 3D 打印技术

1.1 3D 技术概念

3D 打印技术，最早于19 世纪末起源于美国，20世纪80年代得到实现与发展。3D 打印技术作为快速成型领域的一种新兴技术，是目前一种迅猛发展的潮流。近一段时间，3D 打印技术吸引了国内外新闻媒体和社会公众的热切关注。英国《经济学人》杂志2011年2月刊载封面文章，对3D 打印技术的发展作了介绍和展望，文章认为:3D 打印技术未来的发展将使大规模的个性化生产成为可能，这将会带来全球制造业经济的重大变革。很多新闻媒体乐观地认为:3D 打印产业将成为下一个具有广阔前景的朝阳产业［2］。

3D 打印技术，是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造。作为一种综合性应用技术，3D 打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量［3］。3D 打印又称三维打印，工业上称快速成型;最近，行业内部又统一更规范的专业术语——增材制造。3D 打印，可以说是这项技术的“乳名”，“快速成型”可以说是它的“学名”，“增材制造”可以理解为它的专业术语［4］。

1.2 3D 打印原理

3D 打印基本原理，是断层扫描的逆过程。断层扫描，是把某个物品“切”成无数叠加的片;3D 打印，则是逐片打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。3D 打印机，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、叠加成形，即通过逐层增加材料生成3D 实体，与传统的去除材料加工技术完全不同［5］。3D 打印机是3D 打印的核心装备，是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等，也是3D 打印技术体系的重要组成部分。称之为“打印机”，是参照其技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。

3D 打印机，又称快速成型机;3D 打印机可支持多种材料，较为普遍的有树脂、尼龙、石膏、塑料等可塑性较强的材料。3D 打印机的精确度极高，即便是低档廉价的型号，也可以打印出模型中的大量细节;而且与铸造、冲压、蚀刻等传统方法相比，更能快速创建原型，特别是传统方法难以制作的特殊结构模型。通过3D 打印获得一件物品，需要经历建模、分层、打印和后期处理4 个主要阶段，具体流程如图1所示［6］。

图1 3D 打印的设计和制作流程

1.3 3D 打印实体制造方法

3D 打印技术，按照技术路径分为分层、叠加2个步骤。分层，是将设计者需要的实体，通过设计软件扫描并快速计算转换成表面网格结构;叠加，是采用各种不同类型材料，逐层堆垛成型的过程。2 个步骤所涉及到的关键技术，即设计软件和成型技术。

在设计软件领域中离不开STL 文件。STL 文件格式，是由3D SYSTEMS 公司于1988年制定的一个接口协议，是一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式。STL 文件在计算机图形应用系统中，主要通过三角形网格表述。其文件格式简单，只能描述三维物体的几何信息，不支持颜色材质等信息。STL 是最多快速原型系统所应用的标准文件类型。STL 文件一旦创建，3D 打印机将模型切“片”，存为一系列横截面的文件。STL 文件需要水密后，才可以进行三维打印。水密最好的解释，是无孔的有体积固体。虽然设计者设计的固体已经创建完成，但可能在模型中仍存在没有被留意的小孔。STL 文件也存在一定弊端，其在数字切片处理时，会删除一些设计细节，影响打印实体精度。为了更好处理复杂网格的设计文件，人们将STL 文件升级，采用新标准AMF(增材制造格式)。AMF 保留了STL 格式的曲面网络结构，新增了可以处理不同颜色、不同类型材料、创建格子结构以及处理详细内部结构的功能。与之前的标准相比，更准确描述实体曲面。

3D 打印主流技术包括FDM、SLA、SLS、LOM、DLP、3DP 等。

FDM(Fused Deposition Modeling)，熔融沉积成型。该工艺属于丝材挤出热熔成型，也称熔丝制造。技术原理:将直径约为2 mm 丝状热塑性材料通过喷头加热熔化;喷头底部带有微细喷嘴(直径为0.2～0.6 mm)，材料以一定压力挤喷出来，同时喷头沿水平方向移动，挤出的材料与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台垂直下降一个层厚度继续熔融沉积，直至完成完整实体造型。FDM 工艺使用两种材料:一种是成型材料;另一种为支撑材料，以防空腔或悬臂部分坍塌。由于FDM 操作环境洁净、安全，没有产生毒气和化学污染，无须激光器等贵重元器件;原材料以卷轴丝形式提供，方便搬运更换。目前，市场上的桌面级3D 打印机多使用这种工艺。但该技术产品成型后，表面粗糙、精度较低，还需后续处理。

SLA(Stereo Lithography Appearance)，光固化立体成型。即在树脂液槽中盛满透明、有黏性的液态光敏树脂，在紫外激光束的照射下会快速固化。成型开始时，光束按照预定截面轮廓要求进行扫描。扫描区域树脂固化，工作台下降让液面覆盖固化层，开始新的扫描。由于耗材为液态，SLA 制作的试件尺寸精度较高，适合做较小精细零件。但树脂类耗材价格相对偏高，力学性能、使用性能有局限性，SLA 自身设备价格、维护成本较高。工作环境要求苛刻。

SLS(Selective Laser Sintering)，选择性激光烧结。其利用粉末在激光照射下选择性烧结。首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用高强度的CO2激光器有选择地在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点;然后烧结形成黏结;之后再次铺粉、烧结，直至完成整体模型。SLS 使用耗材相对广泛，成件效率高、时间短，无需支撑材料。但表面粗糙，需后处理工艺。

LOM(Laminated Object Manufacturing)，分层实体制造。利用激光或刀具切割薄层纸，然后通过热压或其他形式层层黏结，叠加获得三维实体零件。

DLP(Digital Light Processing)，数字光处理技术。采用高分辨率数字光处理器投影仪，固化液态光聚合物。

3DP(Three Dimensional Printing and Gluing)，三维打印黏结成型。该技术利用喷头喷黏结剂，选择性黏结粉末。层层叠加得到三维实物。

2 国内外研究发展现状

3D 打印技术的发展已近30年，本文从专利申请、检测标准、企业概况、应用领域、科研发展等方面分析国内外发展现状。

专利检索:国外3D 打印技术自诞生到1993年有80 件专利，申请数量较低、分布较为分散。在1995年之前，该技术还处于萌芽期，专利申请量增长缓慢，主要申请人有麻省理工学院、3D 公司等;在1996—1998年期间，专利申请处于平稳增长期［7］;1999—2003年，专利申请量呈快速增长趋势，2003年达到高峰，进入快速增长期。从专利占有比例看，美国、欧洲、日本，专利申请比例较大。随后，专利申请总量出现下滑趋势，技术发展进入相对成熟时期。国内，自20 世纪90年代才开始涉足3D 打印技术领域;1999年之前，专利申请量较少;2000—2007年，专利申请量稳步增长;2007年之后，专利申请量快速增长，直到2011年达到133 件;说明我国还处于研发的快速成长阶段。国外，专利权人以企业为主，3D 公司是该领域技术研发最活跃、技术水平领先者，也是进行产业化运作的主要企业。国外，重视企业合作、区域合作、协同创新的研发模式。通过企业之间的密切合作，不仅能使专利申请量提高，也使得企业互相取长补短，增强企业的技术创新能力，扩大在该技术领域的影响力和竞争力。国内，专利权人主要以高校、科研机构为主，华中科技大学、西安交通大学是国内最早相继进行研发的单位。我国缺少大型独立研发企业，且合作意识不强，企业之间缺少交流。相关企业依托高校产学研相结合方式获得研发动力。从专利技术研究内容看，国内研究，主要是基于分层实体制造、熔融沉积、光固化成型等技术研发及成型系统的研制。除此之外，还研究通过金属粉末、陶瓷、热塑性塑料等类型材料生成3D 打印制品过程中涉及到的材料配方优化及成型工艺、模型制作、成型设备等。国外公司主要从事的研究内容，有微滴喷射技术、全彩3D 打印技术、熔融材料高分辨率选择性逐层喷射技术、光敏固化技术等方面。

标准制定:2002年，美国汽车工程师协会发布第一个增材制造标准，即宇航材料规范——AMS4999《退火Ti－6AL－4V 钛合金激光沉积产品》，该标准的颁布是该技术在美国航空航天领域走向实际应用的重要标志［8］。2009年，美国材料与试验协会(ASTM)成立专门的增材制造技术委员会ASTM F－42;ASTM F－42 已经颁布4 项标准，包括术语、文件格式等基础标准和产品标准等。2011年，国际标准化组织(ISO)也成立增材制造技术委员会ISO TC 261;目前，ISO TC 261 进行的一项工作是制定ISO 17296《增材制造——快速技术(快速原型制造)》标准。此外，还有很多其他标准在制定计划中，例如:增材制造坐标系与命名标准、增材制造试验结果报告的惯例、网络结构术语、设计指南、文件格式标准规范等。我国增材制造技术标准的发展落后于国外，没能充分反映国内技术发展的水平;已经应用到产品领域的增材制造技术产品，均采用各企业的技术条件和规范;没有形成统一指标。由于缺少对沉积工艺过程的表征、控制和认证的规定，技术的大范围推广受到不同程度的制约，使已有的技术优势并没有迅速转化为产品优势和市场优势。因此，迫切需要开展增材制造技术的标准化工作。

企业发展:国外企业，在工艺技术、研发投入、人才基础、产业形态等领域都强于我国;企业规模比国内大，企业销售收入都在10 亿元人民币左右。美国3D Systems 和Stratasys 两家公司，占据全球3D 行业绝大多数份额［9］。国内还没有一家企业收入过1 亿人民币，超过5 000 万元人民币的没有几家，大多数保持在两三千万元人民币的水平。销售收入直接影响企业对研发经费的投入。目前，国内很多企业以直接或间接的方式与高校合作，利用其优质研究资源。而像北京殷华、湖南华曙高科，都是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术处于低端。还有一些企业，采取与国外公司合作发展，如:南京紫金立德电子有限公司、无锡飞而康快速制造有限公司。从企业运营模式看，国外企业采取设备销售与加工服务相结合的商业运作模式，有利于开拓市场，也有利于技术进一步完善。国内企业，基本上还采取传统制造模式，生产设备卖设备;只有北京隆源自动成型系统公司、武汉滨湖机电科技公司等少数几家企业，推行与加工服务相结合的运营模式。无论国外还是国内企业，3D 打印行业基本上还是各自为政，小而散的局面不利于形成产业链，也不利于技术发展推广。2012年，我国率先成立中国3D 打印技术产业联盟，而产业基地、基础配套设施也都随着国家政策扶持相继建立起来。

应用领域:目前，3D 打印技术的应用可分为3个领域:工业应用、家庭应用、生物医疗。其在新产品开发、个性化复杂产品定制、文化创意、教育培训等多方面，均有较好发展潜力［10］。在国家和地方的支持下，在全国建立20 多个服务中心，设备用户遍布医疗、航空航天、汽车、军工、模具、电子电器、造船等行业，推动我国制造技术的发展。近5年，国内增材制造市场发展不大，主要还在工业领域应用，没有在消费品领域形成快速发展的市场。我国增材制造技术主要应用于模型制作，工业领域的金属零件直接制造技术也达到国际领先水平的研究与应用，例如:北京航空航天大学、西北工业大学、北京航空制造技术研究所制造出大尺寸金属零件，并应用在新型飞机研制过程中，显著提高了飞机研制速度［11］。生物3D 打印，以活细胞、生物活性因子为基本成形单元，用于设计制造人体器官、植入细胞三维结构、药物开发、生物制药等领域。2013年2月22日，美国康奈尔大学通过3D 打印技术，帮助治疗先天性耳朵畸形或耳朵缺失人群直接打印耳朵。此外，他们还可以修复人体退化的脊椎间盘。

科学研究:我国自20 世纪90年代初，在国家科技部等多部门持续支持下，西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京隆源公司等，在典型的成形设备、软件、材料等方面研究和产业化方面获得重大进展。随后，国内许多高校和研究机构也开展相关研究，如:西北工业大学、北京航空航天大学、华南理工大学、南京航空航天大学、上海交通大学、大连理工大学、中北大学、中国工程物理研究院等单位，都在做探索性的研究和应用工作。我国研发出一批增材制造装备，在典型成形设备、软件、材料等方面的研究和产业化获得重大进展，到2000年，初步实现设备产业化接近国外产品水平，改变该类设备早期仰赖进口的局面。我国增材制造装备的部分技术水平，与国外先进水平相当;但在关键器件、成形材料、智能化控制和应用范围等方面，较国外先进水平落后。在增材的基础理论与成形微观机理研究方面，我国在一些局部点上开展了相关研究;但国外的研究，更基础、系统和深入。在工艺技术研究方面，国外是基于理论基础的工艺控制;而我国则更多依赖经验和反复的试验验证，导致我国增材制造工艺关键技术整体上落后于国外先进水平。

3 3D 打印的材料和特点

3D 打印材料是3D 打印技术发展的重要物质基础;在某种程度上，材料的发展决定着3D 打印能否有更广泛的应用。目前，3D 打印材料，主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等;除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料，也在3D 打印领域得到了应用［12］。3D 打印所用的这些原材料都是专门针对3D 打印设备和工艺研发的。通常根据打印设备的类型及操作条件的不同以选取不同类型的材料，材料形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。以粉末状3D 打印材料为例，其粒径大小由1～100 μm 不等;为使粉末保持良好的流动性，一般要求粉末具有高球形度［13］。

1)工程塑料。指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。工程塑料是当前应用最广泛的一类3D 打印材料，常见的有Acrylonitrile Butadiene Styrene(ABS)类材料、Polycarbonate(PC)类材料、尼龙类材料等［4］。

ABS 材料是Fused Deposition Modeling(FDM，熔融沉积造型)快速成型工艺常用的热塑性工程塑料。具有强度高、韧性好、耐冲击等优点，正常变形温度超过90 ℃，可进行机械加工(钻孔、攻螺纹)、喷漆及电镀［14］。

PC 材料是真正的热塑性材料。具备工程塑料的所有特性:高强度、耐高温、抗冲击、抗弯曲，可以作为最终零部件使用。使用PC 材料制作的样件，可以直接装配使用，应用于交通工具及家电行业。PC 材料的强度比ABS 材料高出60%左右，具备超强的工程材料属性，广泛应用于电子消费品、家电、汽车制造、航空航天、医疗器械等领域［15］。

尼龙玻纤是一种白色粉末。与普通塑料相比，其拉伸强度、弯曲强度有所增强，热变形温度以及材料的模量有所提高，材料的收缩率减小;但表面变粗糙，冲击强度降低。材料热变形温度为110 ℃。主要应用于汽车、家电、电子消费品领域。

PC－ABS 材料是一种应用最广泛的热塑性工程塑料。PC－ABS 具备ABS 的韧性和PC 材料的高强度及耐热性，大多应用于汽车、家电及通信行业［16］。使用该材料配合Fortus 设备，制作的样件强度比传统的FDM 系统制作的部件强度高出60%左右;所以，使用PC－ABS 能打印出包括概念模型、功能原型、制造工具及最终零部件等热塑性部件。

Polycarbonate－ISO(PC－ISO)材料是一种通过医学卫生认证的白色热塑性材料。具有很高的强度，广泛应用于药品及医疗器械行业，用于手术模拟、颅骨修复、牙科等专业领域。同时，因为具备PC的所有性能，也可用于食品及药品包装行业，做出的样品也可以作为概念模型、功能原型、制造工具及最终零部件使用。

Polysulfone(PSU)类材料是一种琥珀色的材料。热变形温度为189 ℃，是所有热塑性材料里面强度最高、耐热性最好、抗腐蚀性最优的材料，通常作为最终零部件使用，广泛用于航空航天、交通工具及医疗行业。PSU 类材料能带来直接数字化制造体验，性能非常稳定，通过与Fortus 设备的配合使用，可以达到令人惊叹的效果。

2)光敏树脂。即Ultraviolet Rays(UV)树脂，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光(紫外光)引发剂(或称为光敏剂)。在一定波长的紫外光(250～300 nm)照射下，能立刻引起聚合反应，完成固化。光敏树脂一般为液态，可用于制作高强度、耐高温、防水材料。目前，研究光敏材料3D 打印技术的主要有美国3D System 公司和以色列Object 公司［17］。

3)橡胶类材料。具备多种级别弹性材料的特征，这些材料所具备的硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域［18］。3D 打印的橡胶类产品，主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。

4)金属材料。近年来，3D 打印技术逐渐应用于实际产品的制造，其中，金属材料的3D 打印技术发展尤其迅速。在国防领域，欧美发达国家非常重视3D 打印技术的发展，不惜投入巨资加以研究，3D 打印金属零部件一直是研究和应用的重点。3D 打印使用的金属粉末，一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前，应用于3D 打印的金属粉末材料，主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢、铝合金材料等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。

5)陶瓷材料。具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。但由于陶瓷材料硬而脆的特点，使其加工成形尤其困难，特别是复杂陶瓷件需通过模具来成形，模具加工成本高、开发周期长，难以满足产品不断更新的需求［19］。3D打印用的陶瓷粉末，是陶瓷粉末和某一种黏结剂粉末所组成的混合物;由于黏结剂粉末的熔点较低，激光烧结时只是将黏结剂粉末熔化而使陶瓷粉末粘结在一起，在激光烧结之后，需将陶瓷制品放入到温控炉中，在较高的温度下进行后处理;陶瓷粉末和黏结剂粉末的配比会影响到陶瓷零部件的性能。

6)生物质材料。以木粉、农作物秸秆等生物质粉末为原料，与相适应的高分子聚合物粉末混合，制成木塑复合材料粉末。如:将木粉与PES(聚醚砜)粉末混合，通过选择性激光烧结获得成型件［20］。为了提高制件硬度，尚需对木塑复合材料进行增强处理，其中渗腊处理即可增加力学强度，又可改善制件外观。江苏锦禾高科技股份有限公司，采用秸秆、稻壳、淀粉等天然可再生植物纤维与高分子树脂经特殊工艺复合，形成新型绿色环保复合材料。广州优塑塑料有限公司，采用可降解壳聚糖改性的羟基丁酸脂做为3D 打印耗材。

7)其他3D 打印材料。除了上面介绍的3D 打印材料外，目前用到的还有彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等材料。

4 3D 打印应用领域

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［21］。目前，3D 打印技术已在工业设计、文化艺术、机械制造(汽车、摩托车)、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、雕刻、首饰等领域，都得到了应用。随着技术自身的发展，其应用领域将不断拓展。这些应用主要体现在以下10 个方面［22］:

1)设计方案评审。借助3D 打印的实体模型，不同专业领域(设计、制造、市场、客户)的人员，可以对产品实现方案、外观、人机功效等进行实物评价。

2)制造工艺与装配检验。3D 打印，可以较精确地制造出产品零件中的任意结构细节;借助3D 打印的实体模型，结合设计文件，可有效指导零件和模具的工艺设计，或进行产品装配检验，避免结构和工艺设计错误。

3)功能样件制造与性能测试。3D 打印的实体原型，本身具有一定的结构性能，同时利用3D 打印技术可直接制造金属零件，或制造出熔(蜡)模;再通过熔模铸造金属零件，甚至可以打印制造出特殊要求的功能零件和样件等。

4)快速模具小批量制造。以3D 打印制造的原型作为模板，制作硅胶、树脂、低熔点合金等快速模具，可便捷地实现几十件到数百件零件的小批量制造。

5)建筑总体与装修展示评价。利用3D 打印技术可实现模型真彩及纹理特点的打印，可快速制造出建筑的设计模型，进行建筑总体布局、结构方案的展示和评价。

6)科学计算数据实体可视化。计算机辅助工程、地理地形信息等科学计算数据，可通过3D 彩色打印，实现几何结构与分析数据的实体可视化。

7)医学与医疗工程。通过医学CT 数据的三维重建技术，利用3D 打印技术，制造器官、骨骼等实体模型，可指导手术方案设计，也可打印制作组织工程和定向药物输送骨架等。

8)首饰及日用品快速开发与个性化定制。利用3D 打印制作蜡模，通过精密铸造实现首饰和工艺品的快速开发和个性化定制。

9)动漫造型评价。借助于动漫造型评价，可实现动漫等模型的快速制造，指导和评价动漫造型设计。

10)电子器件的设计与制作。利用3D 打印，可在玻璃、柔性透明树脂等基板上设计制作电子器件和光学器件，如:RFID、太阳能光伏器件、OLED 等。

5 3D 打印的优势与问题

5.1 优势

3D 打印核心优势，在于可以实现传统制造业难以解决的个性化、复杂化、高难度的制造难题;对于传统制造业，加工件形状复杂制造成本高;3D 打印的出现，可以解决部分高精尖、复杂零件制造难题。3D 打印可提供一些个性化定制服务，例如:在模具模型、教育培训、文化创意、生物医疗等多领域，均可提供个性化定制服务［23］，并且随着时间的推移、技术的进步，可更广泛的应用到人们生产生活中。可以利用该技术解决航空发动机飞行叶片的复杂制造、在生物医疗领域进行人造器官的修复、在材料工程领域实现多组分材料的混合搭配以制造新材料。除此之外，该技术可提升设计创造空间。如果3D打印技术进入校园，有助于激发学生的创新性，提高学生的动脑动手能力。对产品开发，可快速实现设计制造，缩短研发周期，使新的产品更早上市。在能源利用方面，其可降低贵重资源的消耗，实现稀缺材料和其他资源的高效利用。超过90%的原材料可以回收再利用，此技术具有节料、节能、环保的特点。这对节约一些大量应用于国民经济和国防工业的稀缺资源具有重要的战略意义。

5.2 目前存在的主要问题

1)3D 打印的耗材。耗材，是目前制约3D 打印技术广泛应用的关键因素。目前已研发的材料，主要有塑料、树脂和金属等;然而，3D 打印技术要实现更多领域的应用，需要开发更多的可打印材料。根据材料特点，深入研究加工、结构与材料之间的关系，开发质量测试程序和方法，建立材料性能数据的规范标准等。此外，在一些关键产业领域，寻找合适的材料也是一大挑战，例如:空客概念飞机的仿真结构，要求机身必须透明且有很高的硬度;为符合这些要求;需要研发新型复合材料。此外，目前对金属材料进行3D 打印的需求尤为迫切，如:工具钢、不锈钢、钛合金、镍基合金、银和金等，但目前这些打印技术尚未完全突破［24］。

2)3D 打印机本身。据报道，世界上目前只有一种3D 打印机能够同时打印出多种材料的产品。由于3D 打印工艺发展还不完善，快速成型零件的精度和表面质量大多不能满足工程直接使用要求，只能做原型使用。3D 打印产品，由于采用叠加制造工艺，层与层之间连接得再紧密，目前也很难与传统锻件相媲美。

3)3D 打印的价格。目前，3D 打印不具备规模经济的优势，价格方面的优势尚不明显。目前，1 kg打印材料少则几百元人民币，多则4 万元人民币左右;因此，3D 打印技术，在一段时间内还无法全面取代传统制造技术。但是，在单件小批量、个性化定制和网络社区化生产方面，对于大多数产品，不管打印1 件还是100 件，价格相差无几，因而3D 打印具有无可比拟的优势。

4)知识产权的保护。3D 打印技术的意义，不仅在于改变资本和工作的分配模式，而且也在于它能改变知识产权的规则。该技术的出现，使制造业的成功不再取决于生产规模，而取决于创意。然而，单靠创意也是很危险的，模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上快速推出新产品，极有可能像当初的音乐领域一样面临盗版的威胁。

5)3D 打印机的操作技能。3D 打印技术需要依靠数字模型进行生产，但是，普通用户学会使用计算机辅助设计工具(CAD)还有一定难度。随着社会发展，未来会有越来越多的人们学习并掌握这方面的技能，而且企业也会提供一些简单的产品数据库，用户不必学会3D 设计技能就能制作模型，如同傻瓜相机的发展一样。

6)政策方面。3D 打印技术的研发，需要大量的政府投入或产业界的资金支撑。如:在医疗领域，可能会因缺少药品监管部门的许可，从而造成许多临床医疗产品应用的滞缓。

6 3D 打印与传统制造技术的关系

3D 打印技术与传统制造可以形成优势互补，两者相互依存，缺一不可。

所谓传统制造业，即指以劳动密集型与资金密集型为主导，以生产广泛面向市场的、不具备过高科学技术含量、附加值不高、满足基础设施和基础生活需要的产品的一类制造业的统称。传统制造技术经过数千年的积累与发展，已经在生产工艺、生产技术、材料应用等方面非常成熟，并形成配套完善、功能齐全、社会各界广泛认可的产业基础。但近些年来，随着全球资源的枯竭、劳动成本的攀升、经济萎靡，传统制造业所引发的问题及其自身的缺点越发明显。首先，利润较低——传统制造业制造成本逐年提高，而产品自身附加值并没有明显改变，致使利润降低，企业自身生存受到严重威胁。其次，创新性缺失——传统制造业对创新的重视与投入严重不足，缺乏核心技术，产业竞争力较差。第三，效率问题－－传统制造业以高能耗、高污染、粗犷式、单一固定式的生产模式换取经济利益。在当前社会大背景下，这种生产模式显然与未来发展趋势背道而驰。

为改变传统制造业生产格局，使经济结构发生根本性转变;传统制造业产业升级转型，变得尤为重要。产业转型升级的关键，在于科技创新;以数字化、智能化、节能化，高科技含量为特征的3D 打印技术，被认定为传统制造业创新的重要引擎。3D 打印技术相对传统制造技术，是一次重要的技术革命。它可以设计制造任何复杂、高难度的传统制造方式不能生产或生产加工周期很长的产品。除此之外，它节能环保，可以实现快捷、方便、低成本创新设计，解决传统制造所不能解决的技术难题。由于3D 打印技术，目前成本较高、打印耗材种类较少、实际应用性不强、工艺水平还不成熟、产业规模较小，它并不具备传统制造业所擅长的大批量化、规模化、精细化生产;所以，它并不能取代传统制造技术。但3D打印技术，可与传统制造技术相结合，带动引领传统制造业的发展，相互补充，发挥各自优势。

7 3D 打印技术市场占有率与认知度

所谓市场占有率，即在目标区域内某种技术产品或其他，在交易总额中所占比例大小。3D 技术市场占有率，主要取决3 方面因素:规模经济、竞争能力、产业化。本文仅从这3 个方面分析3D 打印技术市场占有率。

《国际增材制造行业发展报告》显示，2011年，3D 打印技术全球直接产值17.14 亿美元;2012年，全球市场规模20 亿美元。3D 打印机销量同比上升25%，其中:38%产自美国，10%产自中国。2013年，3D 技术实现产值不足40 亿美元。麦肯锡公司预测，到2025年，3D 打印对全球经济贡献值将为2 000～6 000 亿美元。目前，全球从事3D 打印机研发的单位和生产商、材料商、配套服务商不足100 家，国内大小企业仅三四十家。2012年，国内3D 打印设备销售和服务，约在10 亿元人民币的水平;2013年，已突破20 亿元人民币;2014年，有望达到40～50 亿元人民币规模。由此可见，目前3D 打印技术规模占制造业领域还是非常小的;但其具有广泛的发展空间。市场占有率小的另一方面原因，3D 打印技术与传统制造技术相比，不具备强劲竞争力;其自身还处于初级发展阶段，并不是替代性很强的技术，不能取代传统制造技术，更不是无所不能的技术。虽在一些领域得到很好的应用，但无法改变传统制造业格局。另一方面，3D 打印技术难以找准市场定位，市场导向与用户需求并不明确，也造成3D 打印技术有势无场的尴尬局面。

所谓认知度，是指一个社会组织被公众所认识、知晓的程度。3D 打印技术，还没有像互联网那样渗透到人们生产生活的各个角落，也没有带来非常直接的变化和直观感受，所以一直得不到广泛关注和重视。社会各界，对3D 打印技术的认知、市场的推广应用、材料、人才等方面，还存在明显不足。随着近些年的发展，用于设计和创意领域的桌面级3D打印机，已陆续走进校园和家庭。越来越多的年轻人对其产生浓厚兴趣，使更多的学生、设计人员进一步了解3D 打印技术。为了让大家认知这项技术，国家应积极创造条件，让广大传统制造业企业和用户更直观接触到3D 打印技术;而不仅仅是用户观望，商家仅停留在概念阶段炒作。3D 打印技术产业创新中心的出现，可以向大家展示产品技术。而这个开放式的服务平台，也可以促使行业企业之间沟通交流、增进相互了解。2012年，美国总统奥巴马更是将3D 打印做为重塑美国制造业的关键技术，由此，3D 打印技术在社会公众中更引起较大兴趣和强烈反响。而公众，更应该通过学习、交流等媒介对3D 打印技术做出科学客观的评价，增强对其先进性、重要性的认识。只有这样，才有利于技术的应用与发展。

8 3D 打印与第三次工业革命的关系

第一次工业革命，始于18 世纪的英国，它开创以机器代替手工劳动的时代。第二次工业革命，是指19 世纪中期，电器开始代替机器，成为补充和取代以蒸汽机为动力的新能源。第三次工业革命，早在20 世纪70年代末由西方提出;现今对第三次工业革命的认识与核心内容，还存在很多争议;但其特征，基本包括互联网、可再生能源、新材料、数字化、智能化、3D 打印技术等。目前，3D 打印技术与第三次工业革命的关系，主要有以下两种观点:第一种观点，即3D 打印技术将引领第三次工业革命;另一种观点，是3D 打印技术不会引发第三次工业革命。

《经济学人》、《福布斯》、《纽约时报》等杂志，宣称3D 打印技术将推动“第三次工业革命”。美国经济学家杰里米·里夫金，在他的《第三次工业革命》书中预言，以互联网和新能源相结合为基础的新经济即将到来，成为世界的第三次工业革命。美国总统奥巴马，将3D 打印技术作为引发制造业革命的一项战略举措。西方媒体，将3D 技术誉为第三次工业革命的新技术;将3D 打印技术认为是先进制造技术与生产方式变革的产物，对传统制造业是一种颠覆性变革，必将推动第三次工业革命的发展。

富士康总裁郭台铭公开表示:3D 打印绝不等于第三次工业革命，因为它无法用于大量生产，不具有商业价值。世界3D 打印技术产业联盟创始人罗军，认为3D 技术能否推动引领第三次工业革命，还缺乏实例支撑。柏林工业大学3D 实验室主任哈特穆特·施万特教授说:尽管3D 打印技术对于科学和经济已有一个重要作用，并且赢得一个非常有活力的发展，设备和软件被不断研发更新，有越来越多的应用领域。但笔者认为:现阶段，说3D 打印将带来第三次工业革命是夸张的，目前还没有人可以做这样的断言。《麻省理工技术评论》编辑大卫·罗特曼指出，关于通过3D 打印技术彻底改变工业生产方式的结论，往往是由于对目前工业现实缺乏认识所造成的。哥本哈根未来研究学院(CIFS)的名誉主任约翰·彼得·帕鲁坦的一句话值得深思:我们的社会通常会高估新技术的可能性，同时却又低估它们的长期发展潜力。其实，该技术自诞生之时就饱受争议，技术的可实现性、生产工艺能否达到产品质量标准、技术昂贵、无法广泛应用等多项缺点，它能否引领第三次工业革命还有待观察［25］。

所谓革命，指推动事物发生根本变革，引起事物从旧质到新质的飞跃。从工业革命角度看，它的变革是从生产组织形式、劳动效率、产品价值、制造形式等多方面体现。以3D 打印技术为代表的新兴制造技术，会对传统工业有着深远意义;对新型工业化的建设和促进传统产业的升级起到十分重要的引领作用;但由于3D 打印技术还仅仅是一项非常基础前沿制造技术，还处于刚刚起步阶段，虽然有很大发展前景，但还不能对传统工业起到颠覆性作用［26］。中国3D 打印技术产业联盟联席理事长、华中科技大学材料学院副院长史玉升教授指出:这种技术不是取代传统技术，而是跟传统技术相结合，形成良好的优势互补。中国工程院院士、中国工程物理研究院徐志磊研究员认为:3D 打印是在第三次工业革命之内重要的一个环节，也是重要的领域［27］。中国工程院院士李培根认为:增材制造技术，将引发新一轮的科技革命［28］。显然短时间内，3D 打印技术与第三次工业革命的关系还不能确定;而其做为一种新技术，对技术革命有重大影响的看法已经成为广泛共识。

9 3D 打印技术在林业行业的应用预测

3D 打印技术的魅力，在于它不需要在工厂操作，汽车小零件、灯罩、小提琴等小件物品，只需要一台类似台式电脑的小打印机即可，放在办公室或者房间的角落中［29］，人们只需要在打印过程中，控制特定的材料以及精密度［12］。因此，可以将这一技术引入林业行业。

1)森林资源普查。国家每5年对森林资源做一次大的普查工作，以计算5年森林蓄积量的变化。可以利用扫描仪对森林进行现场扫描、收集数据信息;然后，利用3D 技术复制打印出森林的详细信息资料，能够准确、快捷地获得森林地理地貌的详细信息。

2)活立木勘探复原。针对原始森林中的珍贵树种进行扫描探测，及时了解活立木的生长情况，监控其材质变化。利用扫描仪进行内部精度扫描，准确定位掌握每颗树木的健康状况，发现问题及时补救处理。

3)改变传统产业的生产模式。传统的木制品制作模式，是设计、画图、选料、锯削、刨削、胶结等生产方式，既浪费大量的优质资源，又导致加工工程高能耗、高污染、高噪音，严重影响工作人员的身心健康。如果将3D 技术应用于木质家具和装饰领域，针对用户要求绘出效果图，按照一定比例打印出家具样品，并进行房间的布置和装饰，使用户置身其中体验感受未来家具和房间布局，依据自己的喜好改变和修改，能够减少很多纠纷和矛盾。

4)异质复合新材料的开发研究。现有的熔融沉积打印(FDM)主要使用PLA 和ABS。以此为聚合物，加入生物质粉料，先制作生物质复合丝状材料，通过界面改性和工艺技术创新，制备以生物质聚合物复合材料为原料的3D 产品，并将聚合物种类扩展到PP、PE 等通用塑料。改变现有木塑制品使用挤出成型单一的生产模式，将中低档木塑复合制品扩大到中高端市场，增加其使用范围和应用领域。另外，尝试将木质橡胶类复合材料应用到3D 打印，真正实现集材料、功能、技术、创新多位一体的多领域共同发展、协同创新的生产模式。

总之，3D 打印技术逐渐从打印物体外包造型过渡到打印物体的内部构成，最终发展到打印物体的高级功能和行为阶段。3D 打印技术在世界上的发展速度已经开始加速，3D 打印技术已初步形成一套体系，同时该技术可应用的领域也逐渐扩大，已涵盖产品设计、模具设计与制造、材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等各个领域，前景远大。期望在不远的将来，3D 技术能够应用在林业产业，并且不断提高打印技术和应用水平，持续推动林业产业快速、健康的发展。

10 发展及展望

3D 打印技术诞生于上世纪80年代。在30 多年的发展历史中，3D 打印已应用到多个领域。近些年，全球资源日益匮乏、经济衰退，以美国为首的西方发达国家大力倡导“再工业化，再制造化”战略，提出数字化、智能化、新能源、新材料等关键制造技术为突破，以此来巩固提升制造业主导权。在这样背景下，具备以上特点的3D 打印，即增材制造技术被广泛热议，被认定为第三次工业革命的重要因素、关键标志之一;而互联网、可再生能源、数字化、智能化，被认定为第三次工业革命的核心及主要特征。而以这些特征为主的工业革命，势必推动一些新型产业的诞生及发展，从而导致社会生产方式、制造模式、生产组织发生重大变革［30］。例如:大规模生产转向大规模个性化定制、工业化生产转向社会化生产，以3D 打印为例的新型制造系统改变传统刚性生产系统，面向“柔性制造”、“批量定制”，赋予制造业更具包容性、灵活性、创新性的生产特点［31］。在此背景下，3D 打印面临如下机遇与挑战。

1)在大批量制造等方面，增材制造尚不具备取代传统工业制造的条件，不可能对现代制造产业产生颠覆性作用。增材制造也不是无所不能，但它势必会引发一场科技革命，它的主要作用是形成与传统批量制造互补的个性化制造模式。

2)增材制造技术的发展，将削弱我国劳动力成本的优势，弱化中国制造［32］。我国企业应有强烈的危机意识，针对我国产业大而不强、设计创新能力薄弱、以量取胜的特点，应以此为机提升研发能力，抓住第三次工业革命的历史机遇，促进产业由大变强，推动我国由工业化大国向工业化强国的转变。

3)政府制定相关政策法规，给予相关产业积极扶植。普及增材制造相关知识，加强教育培训、基础理论的研究，鼓励大学、实验室、企业加强研究和人才的培养，激发青少年对3D 打印的兴趣爱好［3］。

4)推动3D 打印产业化，并组织制定发展路线图和中长期发展战略，开展基础研究，完善3D 打印技术规范与标准制定。加大财税政策引导力度，加大对增材制造研发、产业化支持力度，适时筹建相关行业组织。

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