【簡介：】3D打印――改變世界格局源動力隨著人類社會的發(fā)展以及文化、藝術(shù)、生產(chǎn)工具和技術(shù)的進步，經(jīng)濟不斷向前發(fā)展。在幾千年的歷史長河中，中國以其卓越的文明遙遙領(lǐng)先于世界各國，特別

3D打印――改變世界格局源動力隨著人類社會的發(fā)展以及文化、藝術(shù)、生產(chǎn)工具和技術(shù)的進步，經(jīng)濟不斷向前發(fā)展。在幾千年的歷史長河中，中國以其卓越的文明遙遙領(lǐng)先于世界各國，特別是經(jīng)濟實力尤為突出。從英國人安格斯?麥迪森所著《世紀(jì)經(jīng)濟千年史》我們可以看出，中國經(jīng)濟總量占世界經(jīng)濟的比重，公元1000年為22.7%，公元1500年為25%，公元1600年為29.2%，東方文明領(lǐng)先于西方世界。然而這一格局在17世紀(jì)以后發(fā)生了根本的變化。隨著資本主義制度在英國的確立，蒸汽機開始應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，機器生產(chǎn)代替手工生產(chǎn)，整個世界從“手工業(yè)時代”跨入“蒸汽時代”，第一次工業(yè)革命拉開大幕，極大地推動了歐洲各國的經(jīng)濟發(fā)展。由于生產(chǎn)方式的改變，生產(chǎn)能力得到大幅提高，國內(nèi)市場無法及時消化日益增長的商品生產(chǎn)，于是英、法、德、意、荷等資本主義國家紛紛向亞、非等其他各洲拓展殖民地，尋找新的市場與原料供應(yīng)地。顯然以英、法、德、意、荷為代表的歐洲文明已經(jīng)趕上并超過亞洲，從而形成東方從屬于西方的局面，可謂制造改變世界格局。最具實質(zhì)性的變化是在第二次工業(yè)革命到20世紀(jì)中葉。1870年以后，由于電力的廣泛應(yīng)用，世界由“蒸汽時代”邁向“電氣時代”，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，各種新技術(shù)、新發(fā)明層出不窮，并被迅速應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，大大促進了世界經(jīng)濟的發(fā)展。特別是美國的崛起，足以說明制造業(yè)對一個國家有著重要的作用。18世紀(jì)末，美國獨立以后仿效英國走工業(yè)化現(xiàn)代化的道路。由于英國自伊麗莎白時代開始, 制造業(yè)得到國家的鼓勵, 商業(yè)勢力開始向全球擴展。法國在路易十四統(tǒng)治時期, 工商業(yè)取得了長足的進步, 西班牙、葡萄牙在世界各地?fù)屨即罅可虡I(yè)據(jù)點, 連俄國與土耳其等國家也在發(fā)展商業(yè)與制造業(yè)。這是一個時代的潮流。因此, 美國意識到只有致力于工商業(yè)發(fā)展, 特別是制造業(yè)的發(fā)展與使用機器，美國才能躋身于世界大國的行列?；谶@種理念，美國大力發(fā)展制造業(yè)。19世紀(jì)上半葉, 美國最主要的發(fā)展是創(chuàng)立新的工廠體制。它把原來的一些分散的制作過程加以合并,實行新的分工, 而后將制造某種商品的所有工序集中在一個工廠, 置于統(tǒng)一的管理之下。經(jīng)過一百余年的發(fā)展，到十九世紀(jì)末，世界金融中心由倫敦轉(zhuǎn)移至紐約，美國成為世界上最發(fā)達的國家，世界第一經(jīng)濟大國。可以說制造業(yè)不僅改變著世界格局，而且其發(fā)展水平?jīng)Q定著一個國家的發(fā)達程度。如美國68%的財富來自于制造業(yè)，國民總產(chǎn)值的49%是由制造業(yè)提供的。我國自改革開放以后制造業(yè)得到迅猛發(fā)展，2011年，我國高技術(shù)制造業(yè)年總產(chǎn)值達9.2萬億元，約占我國GDP比重19.51%，加工貿(mào)易出口總產(chǎn)值達8354億美元，約占我國GDP比重為11.2%。制造業(yè)的發(fā)展不僅為老百姓的日常生活提供了保障，也為提升我國的綜合國力奠定了基礎(chǔ)。自2008年美國金融導(dǎo)致的全球經(jīng)濟危機爆發(fā)以來，世界經(jīng)濟似乎始終都未走出低谷，盡管期間也曾多次試圖反彈，但最終仍因后勁不足而增長乏力。歷史經(jīng)驗反復(fù)證明，在全球經(jīng)濟陷入衰退之時，正是新經(jīng)濟萌芽和新技術(shù)誕生之時。全球經(jīng)濟之萎靡不振，表明傳統(tǒng)的生產(chǎn)關(guān)系已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了生產(chǎn)力的發(fā)展，變革將成為生產(chǎn)關(guān)系新的動力。今年以來，對第三次工業(yè)革命的探討達到高潮。美國學(xué)者杰里米?里夫金稱，互聯(lián)網(wǎng)與新能源的結(jié)合，將會產(chǎn)生新一輪工業(yè)革命――這將是人類繼19世紀(jì)的蒸汽機和20世紀(jì)的電氣化之后的第三次“革命”。而英國《經(jīng)濟學(xué)人》雜志也指出，3D打印技術(shù)市場潛力巨大，勢必成為引領(lǐng)未來制造業(yè)趨勢的眾多突破之一。這些突破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，這便是第三次工業(yè)革命到來的標(biāo)志。3D打印技術(shù)屬于一種非傳統(tǒng)加工工藝，也稱為增材制造、快速成型等，是近30年來全球先進制造領(lǐng)域興趣的一項集光/機/電、計算機、數(shù)控及新材料于一體的先進制造技術(shù)。與切削等材料“去除法”不同，該技術(shù)通過將粉末、液體片狀等離散材料逐層堆積，“自然生長”成三維實體，該技術(shù)將三維實體變?yōu)槿舾啥S平面，大大降低了制造復(fù)雜程度。理論上，只要在計算機上設(shè)計出結(jié)構(gòu)模型，就可以應(yīng)用該技術(shù)在無需刀具、模具及復(fù)雜工藝條件下快速地將設(shè)計變?yōu)閷嵨?。該技術(shù)特別適合于航空航天、武器裝備、生物醫(yī)學(xué)、模具等領(lǐng)域中批量小、結(jié)構(gòu)非對稱、曲面多及內(nèi)容結(jié)構(gòu)零部件（如航空發(fā)動機空心葉片、人體骨骼修復(fù)體、隨形冷卻水道）的快速制造，符合現(xiàn)代和未來的發(fā)展趨勢。3D打印技術(shù)的起源與發(fā)展3D打印技術(shù)的核心制造思想最早起源于美國。早在1892年,J.E.Blanther在其專利中曾建議用分層制造法構(gòu)成地形圖。1902年，Carlo Baese的專利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。1904年，Perera提出了在硬紙板上切割輪廓線，然后將這些紙板紙板粘結(jié)成三維地形圖的方法。20世紀(jì)50年代之后，出現(xiàn)了幾百個有關(guān)3D打印的專利。80年代后期，3D制造技術(shù)有了根本性的發(fā)展，出現(xiàn)的專利更多，僅在1986-1998年間注冊的美國專利就有24個。1986年Hull先生發(fā)明了光固化成型(SLA，Stereo lithography Appearance )，1988年Feygin發(fā)明了分層實體制造，1989年Deckard發(fā)膽了粉末激光燒結(jié)技術(shù)( SLS,Selective Laser Sintering)，1992年Crump發(fā)明了熔融沉積制造技術(shù)(FDM,Fused Deposition Modeling )，1993年Sachs先生在麻省理工大學(xué)發(fā)明了3D打印技術(shù)。隨著3D打印專利技術(shù)的不斷發(fā)明，相應(yīng)地用于生產(chǎn)的設(shè)備也被研發(fā)出來。1988年美國的3D Systems公司根據(jù)Hull的專利,生產(chǎn)出了第一臺現(xiàn)代3D打印設(shè)備――SLA-250（光固化成形機），開創(chuàng)了3D打印技術(shù)發(fā)展的新紀(jì)元。在此后的10年中，3D打印技術(shù)蓬勃發(fā)展，涌現(xiàn)出了十余種新工藝和相應(yīng)的3D打印設(shè)備。1991年Stratasys的FDM設(shè)備、Cubital的實體平面固化（SGC,Solid Ground Curing）設(shè)備和Helisys的LOM設(shè)備都實現(xiàn)了商業(yè)化。1992年DTM（現(xiàn)在屬于3D Systems公司）SLS技術(shù)研發(fā)成功。1994年德國公司EOS推出了EOSINT選擇性激光燒結(jié)設(shè)備。1996年3D Systems公司使用噴墨打印技術(shù)制造出其第一臺3D打印機――Actua 2100。同年Z Corp也發(fā)布了Z402 3D打印機?？傮w而言，美國在設(shè)備研制、生產(chǎn)銷售方面占全球主導(dǎo)地位，其發(fā)展水平及趨勢基本代表了世界的發(fā)展水平及趨勢。歐洲和日本也不甘落后，紛紛進行相關(guān)技術(shù)研究和設(shè)備研發(fā)。當(dāng)時雖然臺灣大學(xué)擁有LOM設(shè)備，但臺灣各單位及軍方的引進安裝4SL系列設(shè)備，香港生產(chǎn)力促進局和香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、香港城市大學(xué)等都擁有RP設(shè)備，其重點是有關(guān)技術(shù)的應(yīng)用與推廣。 鄧小平同志說，科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。3D打印技術(shù)作為目前最為先進的一種制造方式，也代表了目前全球最前沿的科學(xué)技術(shù)。黨和國家歷來重視科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在上世紀(jì)80年代中期，黨中央、國務(wù)院就提出了實施了高技術(shù)研究發(fā)展計劃，對中國未來經(jīng)濟和社會發(fā)展有重大影響的生物技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、新材料技術(shù)、激光技術(shù)等眾多領(lǐng)域，確立了15個主題項目作為突破重點，以追蹤世界先進水平。在這種形勢下，1994年作為國內(nèi)第一家從事3D打印的北京隆源自動成型有限公司成立，公司注冊資金200萬美元，專門進行快速成型設(shè)備的研發(fā)和銷售，并于當(dāng)年成功制造了中國第一臺SLS快速成型設(shè)備――AFS-360。這種設(shè)備以聚丙烯（PP）、塑料粉末（PS）等為原材料，用于生產(chǎn)假牙、高爾夫球桿球頭、頭骨等。3D打印技術(shù)與裝備水平在裝備的研發(fā)方面，德國、美國和日本在該領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，并已形成了多家專業(yè)化和規(guī)?；兄坪蜕a(chǎn)3D打印設(shè)備的知名企業(yè)，如德國EOS、美國3D Systems以及日本CMET公司。3D Systems公司生產(chǎn)的SLA裝備在國際市場上占最大比例。該企業(yè)自1988年以來相繼推出了SLA-250、250HR、3500、5000、7000以及Viper Pro System等SLA裝備（最大形成空間達到1500×750×550mm）其主要技術(shù)優(yōu)勢為裝備使用壽命長（5000小時以上），成形精度高（層厚可達0.025mm），成形效率高。日本的Denken工程公司和Autostrade公司打破SLA裝備使用紫外線光源的常規(guī)，率先使用680nm左右波長的半導(dǎo)體激光器作為光源，大大降低了SLA裝備的成本。在SLS裝備方面，德國EOS公司和美國3D Systems公司是世界上該技術(shù)的主要提供商。成形材料由早期的高分子材料拓展至金屬、陶瓷等功能材料，成形精度約為0.1-0.2mm，成形空間逐漸增大，最大臺面超過500mm。在金屬直接3D打印方面，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多家成熟的裝備制造商，包括德國EOS公司（EOSING M270）、美國MCP公司（Realizer系列）、德國Concept laser公司（M Cusing系列）。瑞典Acram公司的EBM裝備也占有重要地位。北京隆源公司自1994年研制成功第一臺激光快速成型機開始，便傾力開發(fā)選區(qū)激光粉末燒結(jié)（SLS）快速成型機，同時致力于快速原型的應(yīng)用加工服務(wù)。先后推出了AFS-360、500、laserCore5100、5300、7000等型號的SLS裝備（最大成形空間為1400×700×400mm），目前擁有110多家設(shè)備用戶及100多家加工服務(wù)用戶，市場主要集中在航空航天、汽車制造、軍工和鑄造行業(yè)等。作為公司總經(jīng)理的馮濤，畢業(yè)于清華大學(xué)，曾任職于清華大學(xué)高分子材料研究所，具有較好的高分子材料和激光光學(xué)理論知識和實踐經(jīng)驗，是我國最早從事激光快速自動成型技術(shù)研究的專家之一。他對于3D打印技術(shù)的應(yīng)用與材料有著很深的造詣。早在1995年他就提出將SLS應(yīng)用于快速精密制造。與其他3D打印機技術(shù)相比，SLS最突出的優(yōu)點在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說，任何加熱后能夠形成原子間粘結(jié)的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。目前可成功進行SLS成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復(fù)合粉末材料。由于SLS成型材料品種多、用料節(jié)省、成型件性能分布廣泛，適合多種用途以及SLS無需設(shè)計和制造復(fù)雜的支撐系統(tǒng)，所以SLS的應(yīng)用越來越廣泛。在他的帶領(lǐng)下，隆源公司成功研制出鑄造熔模、蠟?zāi)盒图拌T造型殼等復(fù)雜工藝制作方法，后來又研制出聚苯乙烯粉末、資材料在3D打印中的應(yīng)用方法，如今馮濤又著手研究金屬粉末在SLS技術(shù)中的應(yīng)用，并取得了一定的成效。在他看來，實現(xiàn)使用高熔點金屬直接燒結(jié)成型零件，對用傳統(tǒng)切削加工方法難以制造出高強度零件對3D打印技術(shù)更廣泛的應(yīng)用具有特別重要的意義。SLS成形技術(shù)在金屬材料領(lǐng)域中研究方向應(yīng)該是單元體系金屬零件燒結(jié)成型，多元合金材料零件的燒結(jié)成型，先進金屬材料如金屬納米材料，非晶態(tài)金屬合金等的激光燒結(jié)成型等，尤其適合于硬質(zhì)合金材料微型元件的成型。此外根據(jù)零件的具體功能及經(jīng)濟要求來燒結(jié)形成具有功能梯度和結(jié)構(gòu)梯度的零件。隨著對激光燒結(jié)金屬粉末成型機理的掌握對各種金屬材料最佳燒結(jié)參數(shù)的獲得，以及專用的快速成型材料的出現(xiàn)，SLS技術(shù)的研究和引用必將進入一個新的境界。廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域作為一項集光/機/電、計算機、數(shù)控及新材料于一體的先進制造技術(shù)，3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工與武器、汽車與賽車、電子、生物醫(yī)學(xué)、牙科、首飾、游戲、消費品和日用品、食品、建筑、教育等眾多領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見的是，3D打印技術(shù)將更趨向于日常消費品制造、功能零件制造及組織與結(jié)構(gòu)一體化制造的方向。航空航天：航空航天產(chǎn)品具有形狀復(fù)雜、批量小、零件規(guī)格差異大、可靠性要求高等特點，產(chǎn)品的定型是一個復(fù)雜而精密的過程，往往需要多次的設(shè)計、測試和改進，耗資大、耗時長，傳統(tǒng)方法難以制造，3D打印技術(shù)以其靈活多樣的工藝方法和技術(shù)優(yōu)勢而在現(xiàn)代航空航天產(chǎn)品的研制與開發(fā)中具有獨特的應(yīng)用前景。在國外3D打印技術(shù)很早就應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。美國波音公司應(yīng)用3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相結(jié)合，制造出鋁合金、鈦合金、不銹鋼等不同材料的貨艙門托架等制件；通用公司應(yīng)用3D打印技術(shù)制造航空航天與船舶葉輪等關(guān)鍵制件；比利時Materialise公司的Mammoth激光快速成型系統(tǒng)，其一次性最大加工尺寸可達2200mm；在國內(nèi)，北京隆源憑著自身的技術(shù)優(yōu)勢，我國航天部等部門及飛機制造公司提供直升機發(fā)動機、直升機機匣、蝸輪泵、鈦機架、排氣道（最大高度達到2800mm）、飛機懸掛件、飛輪殼等飛機零部件的生產(chǎn)服務(wù)。軍事工業(yè)：3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，具有簡單化，易操作性等特點，特別是對于一些新材料的加工，成效尤為顯著。比如鋁合金一直是軍事工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料。鋁合金具有密度低、強度高、抗腐性好，耐高溫等特點，作為結(jié)構(gòu)材料，因其加工性能優(yōu)良，可制成各種截面的型材、管材、高筋板材等，以充分發(fā)揮材料的潛力，提高構(gòu)件剛、強度。所以，鋁合金是武器輕量化首選的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。美國軍方應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助制造導(dǎo)彈用彈出式點火器模型，取得了良好的效果。在我國鈦合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自行火炮炮塔、構(gòu)件、裝甲車、坦克、軍用直升機等的制造。1999年，北京隆源自動成型有限公司利用3D打印技術(shù)，參與完成了若干項國家重點項目的開發(fā)研制任務(wù)，如：用于大推力火箭的液氧－煤油和液氧－液氫發(fā)動機；JS-Ⅱ型新式坦克的渦輪增壓器，衛(wèi)星陀螺儀框體；紅外制導(dǎo)儀觀測鏡殼體等，進一步推動了我國軍事工業(yè)的發(fā)展。汽車制造：目前德國奧迪汽車公司（Audi）使用3D打印技術(shù)成功的KUKA機器人來制造的Audi RSQ汽車。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車產(chǎn)量的迅猛增長，但其中一些關(guān)鍵性零部件日趨復(fù)雜化、大型化和輕量化，要求零部件的整體化、集成化制造，采用模具進行翻砂制模的傳統(tǒng)工藝，模具越來越復(fù)雜，活塊數(shù)量也急劇增加，這些因素都制約了我國汽車工業(yè)的發(fā)展。為此，北京隆源公司總經(jīng)理馮濤展開3D打印技術(shù)生產(chǎn)汽車發(fā)動機的研究。SLS是利用紅外激光光束所提供的熱量熔化熱塑性材料以形成三維零件。加工開始時先將一層很薄(100μm～250μm)的熱塑性粉末均勻地鋪在工作平臺上，輔助加熱裝置將其加熱到熔點以下的溫度，在均勻的粉末表面，計算機控制激光按照零件當(dāng)前層的信息掃描，激光掃描到的地方粉末燒結(jié)形成固體，激光未掃描到的地方仍是粉末，可以作為下一層的支撐并能在成型完成后去除。上一層制作完畢后成型活塞下降一層，供粉活塞上升，用鋪粉滾筒將粉體從供粉活塞移到成型活塞，將粉體鋪平后即可掃描下一層。不斷重復(fù)這個輔粉和選區(qū)燒結(jié)過程直到最后一層，這樣一個三維實體就制作出來了。SLS最大特點一個是成型過程與復(fù)雜程度無關(guān)，因此特別適合于內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的發(fā)動機缸體、缸蓋、進排氣管等部件；另一個重要的特點是成型材料廣泛，特別是可以用鑄造的樹脂砂和可消失熔模材料成型，因此，可以通過與鑄造技術(shù)結(jié)合，快速鑄造出發(fā)動機的部件。SLS技術(shù)將快速成型與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)有效結(jié)合快速制造復(fù)雜金屬零件的技術(shù)。發(fā)動機的缸體、缸頭一般都是鑄造產(chǎn)品，利用快速鑄造技術(shù)可以在很短時間內(nèi)得到與最終產(chǎn)品材料一致、性能接近的發(fā)動機產(chǎn)品供測試與檢驗。馮濤認(rèn)為，SLS技術(shù)與鑄造技術(shù)結(jié)合，衍生出快速鑄造技術(shù)，其工藝特征是簡捷、準(zhǔn)確、可靠和具有延展性，可有效地應(yīng)用于發(fā)動機設(shè)計開發(fā)階段中樣機的快速制造。其適合單件和小批量試制和生產(chǎn)的特點，可迅速響應(yīng)市場和提供小批量產(chǎn)品進行檢測和試驗，有助于保證產(chǎn)品開發(fā)速度。其成型工藝過程的可控性，可在設(shè)計開發(fā)階段低成本地即時修改，以便檢驗設(shè)計或提供裝配模型。有助于提高產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量，其快速成型原材料地多元性，為產(chǎn)品開發(fā)階段提供了不同地工藝組合，由于SLS原材料的國產(chǎn)化和成型工藝可與傳統(tǒng)工藝有機結(jié)合，有助于降低開發(fā)成本，其組合工藝的快捷性，支持產(chǎn)品更新?lián)Q代頻次的提高，有助于推動產(chǎn)品早日進入市場。利用3D打印技術(shù)，為汽車制造商生產(chǎn)發(fā)動機缸體、缸蓋、變速箱殼等，不僅制造速度快而且精度高，從而使得汽車復(fù)雜零部件制造變得數(shù)字化、精密化、柔性化、綠色化。如今，國內(nèi)眾多的高鐵、動車、地鐵的發(fā)動機都有隆源的產(chǎn)品。生物醫(yī)藥：目前3D打印技術(shù)也被應(yīng)用到生物醫(yī)藥方面，包括骨骼、牙齒、人造肝臟、人造血管、藥品制造等。在生物制造方面，歐美等發(fā)達國家研究較多、范圍較廣且已經(jīng)取得臨床應(yīng)用：在美國利用SLA制造技術(shù)，使用生物相容樹脂可以制作醫(yī)用助聽器、眼睛水晶體模型、人工牙齒等；在意大利利用SLA制造技術(shù)制造了人體骨骼修復(fù)體。1998年，北京隆源公司與北京大學(xué)口腔醫(yī)院合作，由口腔醫(yī)院將患者的CT掃描數(shù)據(jù)從CT工作站經(jīng)Magics軟件處理后傳輸至PC機上 ,以標(biāo)準(zhǔn)格式(Dicom 格式)刻錄存儲 ,提供給北京隆源公司，北京隆源公司利用開發(fā)研制AFS-320型快速成型機, 采用選區(qū)激光粉末燒結(jié)法 ,原料為聚苯乙烯粉末 ,制作成實體模型,醫(yī)治顴上頜骨骨纖維異常增生癥，取得了很好的療效，同時在陳舊性顴骨顴弓粉碎性骨折的治療，臨床應(yīng)用結(jié)果表明治療效果良好。重要的戰(zhàn)略意義3D打印技術(shù)有著廣

3D打印，又稱三維打印，在維基百科上面是這么解釋的：快速成形技術(shù)的一種，它是運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過一層又一層的多層打印方式，構(gòu)造零對象。模具制造、工業(yè)設(shè)計用 于建造模型，現(xiàn)正發(fā)展成產(chǎn)品制造，形成“直接數(shù)字化制造”。一些高價值應(yīng)用（如髖關(guān)節(jié)或牙齒，或飛機零部件）已經(jīng)有打印而成的零部件出現(xiàn)?！?D打印”意 味著這項技術(shù)的普及。 詳見3D打印機