透过“工程赛”了解3D打印

耿瑶+刘传杰+陈威

2016年5月27～29日，“2016中国工程机器人大赛暨国际公开赛”在山东日照成功举办。2013以来，新加入的3D打印竞赛项目，经过新加坡国际赛、法国国际赛的积累，在和各个国家、地区充分交流后，2015年做为正式竞赛项目，这也是目前唯一的3D打印项目的国际竞赛。

一种新兴的的技术——3D打印

1.什么是3D打印

3D打印即快速成型技术的一种，1986年由查克？赫尔（Chuck Hull）发明，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

2.3D打印中的诸多技术

3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、聚乳酸、ABS树脂、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料等。

3.3D打印过程

本次工程赛中展示“打印”出的三维产品其过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。

①三维设计

通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等三维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。

②分层切割

由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到电脑中以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理，即将模型切分成一层层的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。

③打印喷涂

由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到三维空间中，根据工作原理的不同，有多种实现方式。比较流行的做法是先喷一层胶水，然后在上面撒一层粉末，如此反复；或是通过高能激光融化合金材料，一层一层地熔结成模型。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质和工艺耗时几分钟到数天不等。

④后期处理

模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等，才能最终完成所需要的模型的制作。

4.3D打印的应用

①航天科技

2015年11月10日，中国航天科技集团公司211厂采用激光选区熔化成形技术，完成了国内首个钛合金叶轮的生产制造，并顺利通过试验考核，实现了复杂结构件的快速研制。这一技术的突破，验证了“3D打印”金属结构件在超高速旋转条件下应用的技术可行性，为火箭发动机系统的快速研制提供了新的技术途径。

2016年6月1日，全球第一架3D打印飞机THOR问世，在柏林舍内费尔德机场的国际航空航天博览会空中客车展台上，THOR博得了全世界的瞩目。迷你飞机Thor在四周各式各样的巨型喷气式飞机当中显得特别矮小——空中客车（Airbus）公司出品的这一微型飞机是全球首架3D打印飞机。去年11月，THOR在德国北部城市汉堡完成了首次试飞。

没有窗户，重量只有21kg，长度不到4m，这家名叫THOR的飞机——THOR是“Test of High-tech Objectives in Reality”（现实中高科技目标试验）的缩写——看起来就像一个大型的白色飞机模型。

②医学领域

医学的道具、模型、用品等材料都可以通过3D打印来获得。利用3D打印的技术，可将计算机的影像数据信息形成实体结构，用于医学教学和手术的模拟。传统的医学教学模型制作的方法时间长，且搬运过程也容易损坏，使用3D打印技术，可以有效来减少制作的时间，根据需要随时的来制作，并降低搬运损坏的风险。目前，3D打印医学模型已获得了较好的技术支持，具备一定的打印速度，能使用多种材质进行打印，应用程度高，有着很好的应用前景。

2016年5月6日，全球首发金属3D打印人体植入物——人工椎体诞生并获CFDA注册批准，标志着在3D打印植入物领域，我国已居世界领先水平，中国制造将造福更多患者。而产品国产化后也将打破国外产品对高端市场的垄断，大幅降低价格，为患者节约大笔医疗支出，对推动整个3D打印产业链的发展具有里程碑式意义。

③汽车行业

2016年6月21日，OFweek3D打印网讯，自动驾驶汽车制造商洛克汽车公司与国际商业机器股份有限公司（IBM）的沃森超级计算机平台合作，成功打造了一款搭载沃森人工智能系统的3D打印自动驾驶小型巴士“奥利”，并且已准备好投入使用。洛克汽车公司生产的“奥利”可于几小时内在“微型工厂”中按具体要求“打印”完成，且最多可载12人。乘客需乘车时可以通过手机应用操作，与使用优步类似。

根据权威机构Wohlers Report 2015报告，3D打印在2015年覆盖了41亿美元的市场。该行业过去3年里复合年增长率为33.8%，增长强劲。Wohlers预测，2016年全球总销售额将增加至73亿美元，2018年这个数字将是127亿美元，到2020年市场预计将达到212亿美元。

3D打印发展趋势

3D打印在我国既得到政府层面的大力支持，也受到资本市场的追捧。未来几年中国3D打印市场仍将保持40%左右的增长速度，到2018年有望突破200亿元。

1.突破技术局限

除了通用和福特这样将3D打印技术规划进程大肆曝光的公司，还有很多企业选择安静地进行技术研发，并且取得了不少令人惊叹的成绩。据了解，未经宣传曝光的3D打印突破性技术不止一个。它们有的涉及到3D打印耗材，有的是3D打印设备，在2016年一经应用，必将激起整个领域的改革。

2.外包3D打印获利年

目前看来，大多数在线3D打印服务商都属于“产用一体化”模式，不过其中也存在不少问题，首先3D打印机在使用过程中出现的问题不少，如果不是专业人士，解决起来很是麻烦。另外，一旦出现订单量增大的情况，无论是制作还是运送都是不小的问题。而其他经验纯熟的供应商显然在各方面都更有优势，比如运送时间保证等。未来，设计师和工程师将业务外包给供应商的情况一定会越来越普遍。

3.虚拟库存将成为现实

打印的特点之一就是成本低，其中一项关键性因素就在于“去除不必要的库存”。当各大制造商应用3D打印技术后，可以按需及时制作物品，最大程度降低浪费的情况出现。

4.分布式制造

过去10年，亚马逊依靠云端伺服器改变了整个计算机世界，让企业在网络上找到需求量。可以预估的是，制造业也将走上这条路，只是时间长短的问题。2016年，说不定就有制造商宣布建造这样一种系统，且让我们拭目以待。

5.整体制造

对于传统制造来说，要生产出一个完整的产品，不同的部件往往来自不同的国家，需要把它们运送到同一个地方，再组装完成。3D打印则可以实现一次成型，并且这样机器对于作业环境的限制正在一步步被突破，未来制造商们会倾向于选择这种节省时间、成本的技术。

6.物联网与3D打印的结合

不得不说“物联网”是现代化产品一项重要的元素，越来越多的消费品被安装上传感器或者其他电子部件，比如上次日本某企业推出的3D打印自行车。未来，运用人工智能设计产品将成为主流，而这些智能产品的很多部件目前只能用3D打印制作出来。

虽然3D打印技术和3D打印服务商在很早之前就出现了，不过在过去，这些服务大多属于简单的原型制造。2016年，企业将把重心放在制造终端产品上，制作能真正用于生活的3D打印消费品。对比传统制造工艺，3D打印的优势在于：生产的连贯性、安全性、材料可追踪性等。

7.真正的制造出现

透过“2016中国工程机器人大赛暨国际公开赛”发现，3D打印产业已上升国家级战略层面，2015年8月23日，中共中央政治局常委、国务院总理李克强主持国务院专题讲座，讨论加快发展先进制造与3D打印等一系列问题；“中国制造2025”迈向工业强国蓝图，离不开3D打印技术的进步和发展；3D打印显然已成为工业4.0下的新型制造模式的重要组成部分。总之，3D打印未来市场空间巨大，发展潜力无限，将为我国经济社会发展，加快产业结构调整作出巨大贡献。

作者单位：曲阜师范大学