3D打印的未來(lái)世界

　未來(lái)的制造業(yè)一定是數(shù)字世界和物理世界的智能對(duì)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(guó)副總裁

　　2014年年初，GE公司的研究人員宣布，未來(lái)50年內(nèi)，3D打印技術(shù)將能夠成功“打印”出一臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)。要知道，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是當(dāng)今裝備制造業(yè)的皇冠，它對(duì)材料技術(shù)和制造工藝的要求極高，其制造過(guò)程又非常的復(fù)雜。GE的這一宣稱，無(wú)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(lái)，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(huì)誤以為3D打印是橫空出世的新技術(shù)，其實(shí)3D打印技術(shù)已經(jīng)悄然發(fā)展了一個(gè)多世紀(jì)。

　　近20年的高速發(fā)展，是因?yàn)椴迳狭嘶ヂ?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(dòng)生產(chǎn)力的進(jìn)步和技術(shù)的革新，使得3D打印機(jī)的成本不斷下降，3D打印的“硬件基礎(chǔ)”也已成型。

　　“被打印出來(lái)”的新玩法

　　食品行業(yè)

　　很難想象，3D食物打印機(jī)將是完美的廚師。我們?cè)O(shè)想把食物的材料和配料預(yù)先放入容器內(nèi)，再輸入食譜，余下的烹制程序會(huì)由它去做，輸出來(lái)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(jī)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(guò)混合之后加入到擠壓設(shè)備中，混合好的食物通過(guò)噴嘴直接打印成任何形狀。

　　2014年8月6日美國(guó)軍方對(duì)外發(fā)布了一款食品3D打印機(jī)，這臺(tái)打印機(jī)所打印出來(lái)的東西可以直接讓士兵們吃掉，這臺(tái)軍用后勤3D打印機(jī)所使用的打印材料是營(yíng)養(yǎng)含量極高的物質(zhì)，能夠?yàn)橛?xùn)練、戰(zhàn)斗了一天的士兵提供充足的熱量，恢復(fù)身體機(jī)能，補(bǔ)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(jì)劃打印出一些包含沙子和無(wú)機(jī)粘合劑的6×9（米）的建筑框架，然后用纖維強(qiáng)化混凝土進(jìn)行填充。最終的成品建筑會(huì)采用單流設(shè)計(jì)，由上下兩層構(gòu)成。該工程預(yù)計(jì)在2014年年底完成。

　　美國(guó)南加州大學(xué)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(shí)的時(shí)間內(nèi)建造一幢面積為2500平方英尺的建筑。該項(xiàng)目獲得美國(guó)宇航局和美國(guó)軍方的支持和資助�；羰矁�(nèi)維斯相信他的項(xiàng)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(lái)某天看到成為現(xiàn)實(shí)。

　　“輪廊工藝”的概念在設(shè)計(jì)上很簡(jiǎn)單，但是實(shí)施起來(lái)相當(dāng)復(fù)雜。該工藝由一個(gè)巨型的三維擠出機(jī)械構(gòu)成。它的操作很像我們見(jiàn)到的打印機(jī)操作原理，不過(guò)有一個(gè)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(dú)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(tīng)器、齒科手術(shù)模板等。根據(jù)美國(guó)組織AmputeeCoalition的統(tǒng)計(jì)，目前美國(guó)有約200萬(wàn)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(duì)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(huì)得到明顯改善。不過(guò)最后裝進(jìn)患者嘴巴，至少需要3 天。

　　對(duì)于助聽(tīng)器，3D打印把傳統(tǒng)的9個(gè)工序縮短到了3個(gè)步驟，即掃描、制模和打印。掃描過(guò)程利用數(shù)字照相機(jī)創(chuàng)造了大約10萬(wàn)到15萬(wàn)個(gè)參照點(diǎn)，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(yīng)用到耳朵印模上。在這個(gè)步驟中，技術(shù)人員會(huì)試驗(yàn)多種組合和幾何模型，以便訂做出適合特定客戶群的助聽(tīng)器，外殼用樹(shù)脂打印出來(lái)，再裝配上必要的通氣孔和電子器件。

　　另外， 3D打印已經(jīng)進(jìn)入到人體活器官的“按需打印”領(lǐng)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(xiàng)技術(shù)也存在器官來(lái)源不足、排異反應(yīng)難以避免等弊端。不過(guò)，隨著未來(lái)“生物打印機(jī)”的問(wèn)世，這些問(wèn)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(gè)零部件，建造它花費(fèi)了44個(gè)小時(shí)，最低售價(jià)1.1萬(wàn)英鎊（約合人民幣(6.1195, -0.0032, -0.05%)11萬(wàn)元）。 這輛由美國(guó)Local Motors公司設(shè)計(jì)制造、名叫“Strati”的小巧兩座家用汽車開(kāi)啟了汽車行業(yè)新篇章。

　　“Strati”轎車整個(gè)車身上靠3D打印出的部件總數(shù)為40個(gè)，相較傳統(tǒng)汽車20000多個(gè)零件來(lái)說(shuō)可謂十分簡(jiǎn)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(qiáng)度，這一制造設(shè)計(jì)尚屬首創(chuàng)。汽車由電池提供動(dòng)力，最高時(shí)速約64公里/小時(shí)，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(jì)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(jī)，能打印長(zhǎng)3米、寬1.5米、高1米的大型零件，而普通的3D打印機(jī)只能打印25立方厘米大小的東西。

　　推動(dòng)創(chuàng)客化浪潮

　　互聯(lián)網(wǎng)讓有電腦的人都有機(jī)會(huì)成為企業(yè)家，如今，新科技催生了DIY（自助式）微制造運(yùn)動(dòng)，這樣一來(lái)，任何人都可以同時(shí)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(shì)，甚至是具有革命意義的趨勢(shì)。下面讓我們看看3D打印和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的幾個(gè)新玩法：

　　線上設(shè)計(jì)與線下生產(chǎn)

　　3D打印所引發(fā)的創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)是網(wǎng)民和現(xiàn)實(shí)世界交集的開(kāi)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(gòu)買3D打印機(jī)，就可以很容易將他們的想法付諸現(xiàn)實(shí)。你不需要懂技術(shù)，因?yàn)闄C(jī)器會(huì)完成所有工作。事情變得越來(lái)越簡(jiǎn)單，只要按下按鈕，結(jié)果就出來(lái)了。

　　傳統(tǒng)制造中，越復(fù)雜的產(chǎn)品如果需要改動(dòng)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(gè)性化的產(chǎn)品并不會(huì)花費(fèi)更多額外的成本，因?yàn)橹恍枰�改�?dòng)模型參數(shù)，最重要的是互聯(lián)網(wǎng)讓有電腦和3D打印機(jī)的人，都有機(jī)會(huì)成為創(chuàng)業(yè)家，任何人都可以同時(shí)成為投資者和制造商。也許只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)，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(wàn)件。隨之而來(lái)的，必將是一波龐大的創(chuàng)業(yè)機(jī)會(huì)。

　　創(chuàng)業(yè)生產(chǎn)輕量化

　　在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的人們?cè)絹?lái)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(wù)。互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)的吸引力在于它的低門(mén)檻及長(zhǎng)尾市場(chǎng)的廣泛存在，各類細(xì)分業(yè)務(wù)總能找到自己生存的空間。而傳統(tǒng)制造業(yè)限于場(chǎng)地及設(shè)備，過(guò)高的啟動(dòng)門(mén)檻將大部分人拒之門(mén)外。3D打印機(jī)則大幅降低了進(jìn)入門(mén)檻，理論上使人人都具備開(kāi)展制造業(yè)務(wù)的能力。

　　借助于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，產(chǎn)品制造的成本問(wèn)題解決了，于是小型工廠將會(huì)大量出現(xiàn)，甚至家庭也將成為一個(gè)制造車間。制造業(yè)的長(zhǎng)尾市場(chǎng)被前所未有地開(kāi)發(fā)與覆蓋，每種個(gè)性化的需求都能找到制造者和消費(fèi)者。圍繞這些設(shè)備與工廠，又將誕生一系列的周邊服務(wù)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(yùn)動(dòng)將把這種趨勢(shì)延展到制造領(lǐng)域。創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)不會(huì)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(méi)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(yùn)動(dòng)能開(kāi)發(fā)出越來(lái)越多的長(zhǎng)尾市場(chǎng)，而大公司的業(yè)務(wù)會(huì)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(shì)，但小批量、個(gè)性化的生產(chǎn)則不是它們熟悉和擅長(zhǎng)的，如果它們想和新興的小型公司在這個(gè)市場(chǎng)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，就需要吸取創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，加快自己的創(chuàng)新速度，比如建立一個(gè)開(kāi)源平臺(tái)，讓小公司進(jìn)來(lái)參與項(xiàng)目的分包。

　　盡管仍有待完善，但3D打印技術(shù)勢(shì)必成為引領(lǐng)未來(lái)制造業(yè)趨勢(shì)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(jī)、制模機(jī)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(jì)學(xué)人》 雜志再登封面文章《第三次工業(yè)革命》，再次強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)的重要性。在此前后，《福布斯》、《紐約時(shí)報(bào)》、《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(dān)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(lǐng)域。

　　根據(jù)美國(guó)消費(fèi)者電子協(xié)會(huì)發(fā)布的年度報(bào)告，2011年全球3D打印的市場(chǎng)規(guī)模為17億美元，其中消費(fèi)品和電子領(lǐng)域約占20.3%，機(jī)動(dòng)車領(lǐng)域占19.5%，醫(yī)療和牙科領(lǐng)域占15.1%。 隨著汽車、航空航天、醫(yī)療保健等市場(chǎng)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)其市場(chǎng)規(guī)模到2017年可達(dá)50億美元，雖然看起來(lái)仍然是很小的規(guī)模，但預(yù)示著未來(lái)有無(wú)限大的可能。

　　3D打印在實(shí)體制造中的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，省去了冗長(zhǎng)而昂貴的模具制造過(guò)程，且成本很低，并能夠制造出傳統(tǒng)方法無(wú)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(kāi)量產(chǎn)的傳統(tǒng)制造方法。

　　局限與未來(lái)

　　制造業(yè)的革新與升級(jí)是一項(xiàng)漫長(zhǎng)且復(fù)雜的工程，如果認(rèn)為單靠3D打印就能帶來(lái)第三次工業(yè)革命，顯然有些過(guò)于樂(lè)觀了。但是3D打印一定是推動(dòng)第三次工業(yè)革命發(fā)生與前進(jìn)的技術(shù)之一。

　　工藝制造

　　除了市場(chǎng)的發(fā)育需要時(shí)間和外力的推動(dòng)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(wú)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(shí)間的大幅延長(zhǎng)。同時(shí)由于難以克服的問(wèn)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(fèi)大、甚至根本制作不出來(lái)的精度要求的復(fù)雜形狀，比如飛機(jī)或F1賽車上某些抗壓強(qiáng)度大、質(zhì)量輕的部件。

　　材料領(lǐng)域

　　3D打印還未形成廣泛的工業(yè)應(yīng)用，最主要原因是各類適用材料不能滿足設(shè)計(jì)要求。

　　3D打印材料是用于逐層堆積制作零部件的基礎(chǔ)原材料，也是此項(xiàng)應(yīng)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(qiáng)度、剛度等力學(xué)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(jìn)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(yīng)用于3D打印的材料種類較少，大量材料的應(yīng)用潛能也未開(kāi)發(fā)出來(lái)，但這恰恰意味著3D打印將迎來(lái)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(jìn)入，以及政府主導(dǎo)下的產(chǎn)業(yè)布局都預(yù)示著3D打印將迎來(lái)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(huì)探索如何用3D打印技術(shù)制造飛機(jī)零部件。隨著大企業(yè)對(duì)3D制造的興趣日益濃厚，新的原材料會(huì)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(shí)打印機(jī)技術(shù)本身也會(huì)不斷迭代，而普通消費(fèi)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(jī)殼，但是未來(lái)就會(huì)買到打印的手機(jī)了。

　　3D打印可以說(shuō)是制造業(yè)向智能化的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代邁進(jìn)的重要一步。當(dāng)前我國(guó)制造業(yè)正面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)的挑戰(zhàn)，信息化和工業(yè)化的深度融合是各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)有之義，3D打印的階段性成功為我國(guó)智能制造業(yè)的推進(jìn)指明了方向。

　　在北京、西安、成都和武漢等城市，我國(guó)政府已經(jīng)陸續(xù)開(kāi)始著手對(duì)3D打印相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行布局和規(guī)劃，從設(shè)備研發(fā)、軟件設(shè)計(jì)、材料制備和技術(shù)服務(wù)等眾多環(huán)節(jié)全面鼓勵(lì)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。