有時用傳統方法制作一個零部件很困難，從鑄錠、制坯到開模具，繁瑣復雜，缺少專業化設備甚至無法實現。但如果用3D打印來做可能就很容易。

有時用傳統方法制作一個零部件很困難，從鑄錠、制坯到開模具，繁瑣復雜，缺少專業化設備甚至無法實現。但如果用3D打印來做可能就很容易。3D打印技術有很多好處，如組織結構很細，力學性能很好，可以實現多材料制作。而且工藝過程中有很多優勢，如不再需要模具和工裝等。

但長期以來，由于熱應力上的一些問題不易解決，用3D打印做一些大型零部件非常困難。但是隨著技術的不斷進步，這道屏障已經在2010年由北京航空航天大學教授王華明帶領的科研團隊攻克。王華明利用3D打印技術，制造出我國C919大飛機機頭的主風擋窗框。它有著4×3×2米的超大規格，而把它“打印”出的3D打印裝備則更加龐大，完全突破了人們固有的觀念。就在同一年，用鈦合金制作的機翼和機體銜接部位，也被成功地打印出來。這兩件事是我國3D打印領域的標志性事件。

由于保密需要，這些成就隔了一段時間才得以公開。上述突破意味著作為一種短流程、低成本的數字化制造技術，3D打印技術將有一個更廣闊的發展空間和更美好的未來。

增材制造又名3D打印，這項技術并非一項新興技術。它誕生于上個世紀的80年代，從那時至今的30年中，大部分時間里3D打印設備一般都作為制造企業設計部門的一種輔助性設備，而非是生產的必要設備。如果企業資金富裕，則可以購置一臺，否則就放棄。制造企業對它的關注遠遠遜于數控機床等設備。

這是很多年前的情況了。

  

不斷進步的技術

最近幾年，3D打印已成為人們關注的焦點，這是由于一批關鍵性專利技術的開放和解禁讓其技術水平和應用水平有了長足發展，一批影響力的案例亦隨之涌現。

從配角到骨干

現在金屬3D打印裝備已成為現代規模化生產的必備設備。近10年來，大功率激光器件、金屬打印工藝和技術、材料和設備，取得了決定性的、非凡的進步。金屬3D打印技術已不僅局限于個性化制造領域，而且是在批量生產領域，與傳統制造技術既有競爭，又有合作。

3D打印在一體化成形、內流道、材料梯度結構、熔覆強度4個方面有傳統制造設備和工藝無法比擬的優勢。

首先是一體化成形的復雜程度比以前大大提高。通俗地說，一體化就是把很多零件做成一個。一體化成形是3D打印的一個特長。以往，它打出來的一體化零部件比較簡單，無法滿足更加復雜精密的應用需求。現在則完全不同。美國GE公司生產的LEAP噴氣發動機上的燃油噴嘴，它由20個零件組成，按傳統方法生產需要一個個把零件做出來。而在2014年7月，GE用某種型號的3D打印機，只需要打一次，噴嘴就被一次性地制造出來，20個零件簡化成了1個，20 in 1!僅此一項就能讓飛機發動機的效率提高15%。而15%的提升對發動機來說，已經是一種質變，它已升級到了新一代的發動機。以往，更新一代發動機需要投入十幾億美元的研制費用。可見，3D打印一個小小動作所釋放的威力，竟然有如此之大。

其次是3D打印可以加工出更為復雜的內流道。以前的內流道需要靠機械加工去鉆孔，且無法實現內部彎曲，加之其表面光潔度不理想，其熱傳導的性能并不是太好，所以需要加裝很多冷卻管道，這勢必會令其體積增加。現在由于3D打印能很好地完成內流道的特殊表面處理工藝，用很少的管道就可以滿足降溫需求，從而讓燃油噴嘴的體積縮小，這對發動機而言有著重大的意義。

再次，就是在材料梯度結構上，3D打印可以把不同的材料熔覆在一起，用以滿足復雜甚至是互逆的需求。如在某零部件內部需要導熱良好，而外部卻需要防腐，若用同一種材料制造則無法同時滿足這兩種需求;或者用兩種材料去加工一個零件，用傳統制造手段也不易實現，但現在的3D打印技術則可以滿足上述需求。

最后是在熔覆強度上可以滿足要求。一些結構件在很多條件下無法進行焊接，這時可以利用3D打印把它們熔覆在一起。而且，相較焊接或噴涂，熔覆的界面強度更高，熱影響區卻更小。

由于有上述4個方面的優點，金屬3D打印在制造業中的地位也發生了重大變化，已經由原來可有可無的次要角色迅速成長為不可或缺的骨干。還以GE公司制造發動機上的燃油噴嘴為例。GE需要4萬個這種零件。如此大的需求量已經可以考慮用傳統制造方式大規模生產了，但是GE并未這么做，而是選擇了3D打印，因為它有更為出色的且其他制造方式無法替代的加工能力與加工品質。

由此可以看出，3D打印在原有個性化的小批量生產的優勢基礎上又增加了大規模生產的應用趨勢。

據清華大學教授顏永年介紹，目前3D打印已經進入到大批量規模化生產應用階段，當然這必須借助網絡。網絡化的業務時代，是3D打印一個重要的發展新階段。如德國斯圖加特公司，把單臺激光打印機與多臺焊接機器人組成了一個叫“Laser Net work”的網絡，可以在定制化的基礎上實現大規模生產。但前提是3D打印機要集成到網絡中去，與其他設備相互協同配合，而不能以一個自動化孤島的方式存在。這實際上與工業4.0的某些特征吻合了。

隨著自身技術的不斷進步和生產方式的日趨完善，3D打印的應用范圍必將日益擴展。

重要應用領域

盡管在未來大規模生產中3D打印肯定會占有重要的一席之地，但是就當下而言，它最重要的舞臺還是在定制化、個性化要求較高的領域。現在，航空航天、消費者電子和醫療市場是3D打印應用的重要領域。

目前消費類電子中， 可穿戴設備非常流行。青少年購買使用它們有一個很重要的考量是為了彰顯個性。3D打印在此領域能夠提供豐富的解決方案。

3D打印技術在醫療上的應用也很多，而且醫療行業更需要個性化的定制。我們知道，每個人的骨骼都是不一樣的，交通事故中的損傷情況更是差異很大。通過CT數據反求建模，然后用3D打印機直接做一個，快捷且匹配性好。在對脊柱側彎的病人進行骨科手術時，為了矯形要進行打孔。這個打孔操作是個風險很大的技術含量高的過程，一旦打到脊柱神經上就會致殘。現在的解決方案是，先根據CT掃描數據進行變形結構的測量并規劃打孔點，然后用3D打印技術制作導航模板進行精確定位，再進行打孔，簡單且安全。還有在骨科修復上，通過三維反求，可術前規劃好破損結合面，然后用固定鈦網植入人工骨，從而實現完美的接合。

采用這個技術，即使只有兩三年工作經驗的年輕醫生都可以做骨科手術，而且能實現百分百的成功率，現在已經有100多個成功案例。像假牙的配型方面，3D打印技術也已有成功的應用。據英國專業調查公司IDTechEx稱，3D打印的牙齒和下巴等將帶動商用3D打印市場的成長，預估未來10年將飆升500%。

在航天航空領域，長期以來飛機上大型機構件的傳統生產主要采用“鍛造+機加工”的方法，該方法繁瑣低效，采用激光3D打印技術直接制造大型鈦合金結構件顯示了巨大的優勢。

同時3D打印技術直接制造高性能金屬零部件，還可制造出薄壁、微孔、中空等特殊結構零部件，在航空航天等重要領域具有廣泛的應用前景。在“神八”與“神九”飛船、天宮一號空間站以及蛟龍號載人深潛器，都應用到了3D打印的技術。

在不算短的一段時間內，3D打印機不會徹底取代車床、鉆頭、沖壓機、制模機等傳統工具，傳統的標準化生產方式仍然會是主流。3D打印不會把傳統制造方式“逼上梁山”，反而會成為后者的“好搭檔”。但是，隨著新工業革命的到來，3D打印所占的份額會不斷擴大，其重要性會逐步凸顯。

新工業革命中的生力軍

眼下，新一輪工業革命的浪潮正在襲來，它實質上是以信息技術為代表的新一代技術革命。計算機將大量代替人類的智力勞動，產品的設計與生產模式將由大批量流水線再一次回到多品種小批量的個性化制造。

對于3D打印而言，沒有計算機及軟件所承載的信息，也就沒有3D打印自身。3D打印本身就是信息技術的天然凝聚者。因此，從誕生那一刻起，它就是新工業革命的物質基礎之一。而在新工業革命中，它必將發揮著強力支撐的頂梁作用。

改變工業設計模式

以前的工業設計完成后需要制作模型來驗證產品的設計，或手工制作，或制作各種簡單乃至復雜的模具來得到產品樣板。而應用3D打印后，只須將3D設計轉換成通用規范的格式文件，就可以直接打印產品樣板，而不再耗時耗工制作模具或手工制作樣板，大大提高了設計效率。這將給工業設計模式來重大改變。

首先，由于很方便地可以打印出樣板或樣品，將會使工業設計師更關注工業設計本身，而不必考慮實現的工藝，這種專業分工的細化將會令工業設計的水平大幅提升。

其次，有助于產品的推敲和及時修改，與客戶的交流溝通更為方便順暢，從而提高客戶對產品的滿意度，而且，工業設計的客戶群體將不再只是生產企業和經銷商，普通人也需要工業設計師來定制出具有個人特色的產品。讓個性化設計及后續的個性化制造得到普及。

最后， 消費者即是設計師的情況將會出現。3D打印為產品制造帶來極大便利，將會使設計不再是一小群人的專利，每個有想法的人都能成為設計師。人們的商品不再局限于企業提供的種類，有創意精神的消費者甚至可以自己設計并制造新的個性化產品。

屆時， 消費者和設計師的界限將消弭。

這實際上離消費者即是生產者的境界只差一步了。最終，3D打印將讓社會所有成員互為消費者與生產者，“人人為我，我為人人”不再成為一句空言，而有了物質上和社會生產方式上的保證。

當然，這一天離人們還很遙遠，還需要3D打印技術的長期進步和人們思想觀念的逐步提升乃至生活水準的不斷積累。不過，眼前，已經有專業人士注意到了3D打印對工業設計觀念的改變了。

工業設計的一個重要定位是制造服務業。它是服務于制造業的，必須要關注制造業。3D打印有一個口號：所想即所得。而工業設計所做的就是怎么想，如何去想，這是一種在制造之上的思維方式。所以，3D打印對工業設計的影響幾乎是全方位的。

3D打印對工業設計的影響，不要僅僅視之為模型的驗證。目前我國很多高校可能買部幾千元的打印機，僅僅是為了做個驗證。而實際上，3D打印是對工業設計思維的整體改變。

設計師完全可以擺脫傳統生產工藝的制約。以往設計師設計出來的東西，一定要由結構部門審核，這是一段漫長的、復雜的、低效的溝通過程。此過程中設計部門和結構部門在交接配合時會存在很多問題。但是3D打印廣泛應用起來的話，這個環節中間的矛盾會大大減小。所以，工業設計人員將會更加關注3D打印技術的發展情況。工藝設計的本質內容是思考人、技術和市場這三者的關系。將來的工業設計師必須要懂基本技術，而不能沉浸在窄小的藝術觀里。因此就要求他們要敞開胸懷，擁抱新的3D打印技術。

其實，從對工業設計流程的再造，人們不難發現3D打印已經具備改變制造業模式的力量了。

完美契合工業4.0

當下，工業4.0的話題很熱，乃至股市都有了“4.0”板塊。工業4.0的核心要義就是要用智慧技術打造一個新型工業革命的藍圖。新工業革命的目標，新工業革命的夢想，正是人類靠自身智慧、知識，通過新的工業化手段來實現。

前幾次的工業革命都無法滿足人類個性化需求，而工業4.0則強調了今后的智慧工廠必須要能滿足人的個性化需求。將來，用戶的各種各樣的訴求可以直接利用網絡表達，通過一定的信息處理方式，讓作為生產設備的機器知曉這種需求后進行生產動作，生產出用戶所需要的產品。

目前國人對工業4.0有著多種理解。有人認為，工業4.0的核心是互聯和集成。互聯就是通過CPS(Cyber-Physical Systems，賽博物理系統)，打破人與人、物與物、人與物、現實世界和虛擬世界的界限和障礙;而集成則可以視之為人的所有的思維流和業務流在必要時的凝聚和附著。還有人把工業4.0的特征概括為綠色生產、敏捷制造和泛在制造。無論從哪個角度來闡釋工業4.0的精神，3D打印都能完全與之契合。

3D打印有以下幾個特點：一，它以數字模型文件為基礎，這就能夠很方便地進行信息的傳遞，也可以輕易地操控打印機實施生產——不妨可以視為人機之間的互聯;二，它是以粉末狀金屬或塑料作為生產材料，打印機本身和生產材料所占用的存儲空間很小，所以容易實現在物理空間上的遍布，又能很方便地通過網絡彼此聯通——這既是機器與機器之間互聯，又具備了泛在形式;三、它是一種逐漸“堆積”起來的增材制造，所以基本上無污染，易于在包括家庭在內的各種環境下組織生產——這既是一種綠色生產模式，而且還是一種生產的集成;四，它是一種快速成形技術，所以非常方便直觀，可以省掉大量繁瑣重復環節(諸如開模、試制等)——這無疑就是敏捷制造。

可見，無論從哪個方面看，3D打印都完美契合著工業4.0的理念和特點。如果工業4.0的生產方式得到普及，3D打印無疑也將會盛行。一個3D打印得到充分普及的環境，其制造模式肯定會因之出現深刻變革。

孕育新的制造模式

中國工程院院士、西安交通大學教授、增材制造領域專家盧秉恒在2014年提出了一種新型的制造模式，叫集散制造。它實質上是在信息充分互聯條件下，以集成各種需求、創意和資源為依托的一種泛在制造(本刊2014年10月刊有詳細介紹)。

集散制造模式的特點， 就是全民參于、互通有無，這可以用六個字形容：“眾需、眾創、眾包”。“眾需”——通過信息交互平臺將小眾的需求，甚至個性化的需要集成為大的訂單;“眾創”——將復雜的設計任務分解成眾多工程師、創客的共同設計;“眾包”——將分散的設計資源集成一個大的能量，將分散的制造資源集成一個虛擬的、沒有圍墻的但生產能力無限的企業。

如果沒有3D打印機作為生產設備，人們會發現，這種制造模式很難維繼下去，甚至根本不存在。

現在這種集散制造模式只存在于專家的理性推論中，在現實生活中尚未出現。但是，隨著3D打印機的普及和3D打印生產方式的門檻的不斷降低，人們是很有可能目睹這種新的制造模式改變自己生活的。在歐洲，這種新型制造模式已經嶄露頭角。

法國一家3D打印公司推出了一項服務，這項服務就讓用戶設計自己的iPhone手機殼。用戶可以從5個可用的模板(更多的模板還在制造)中選擇一個，然后通過調整外形，轉換顏色或者添加圖片和文本實現定制設計。整個過程花費不到一分鐘。這一切都是互聯網上完成的。公司接到訂單后，開始進行生產——就是利用3D打印機打印。歐洲客戶將在兩天內拿到手機殼成品，北美用戶則需要4天。這款產品售價不到15美元。

法國這家3D打印公司印證了盧秉恒院士的關于集散制造的設想絕非空想，只要網絡和營銷平臺達到一定基礎，它將很快流行開來。

欲變世界 先變自身

以現在的產品、技術周期而論，3D打印是一項老技術，但是在新工業革命來到時，它卻擁有著非常美好的未來。所以，制造業先進國家都非常重視這項技術，把它視為通往未來智能制造的鑰匙。因此，他們不惜花大力氣保持在該領域的領先地位。

我國近幾年3D打印發展勢頭良好，某些領域還處于世界領先水平。但是，“頂層設計”

的缺乏和某些部門和某些人的短視恐怕會影響它前進的腳步，所以，中國的3D打印發展急需一套完整的規劃。

國外形勢

2013年底，世界經濟論壇評出的“有望改變生活、商業和全球經濟的12大顛覆技術”

中，3D打印技術位列第9，排在新材料、頁巖氣之前。國外專業機構預計，到2025年，3D打印產業的產值將達2000億~6000億美元。由目前30億美元增長到數千億美元，增長的空間相當巨大。為了搶占這塊“大蛋糕”，也為了保持競爭優勢，無論在企業層面，還是政府層面，他們對3D打印的發展都有強烈的發展意愿。

企業層面 美國3D System公司自1995年以來，至今已投入了1.8億美元的研發費用，占銷售額收入的10%左右，超過經營其他業務公司平均水平2~3個百分點。其目的就是為了筑起行業門檻，使公司具備了持續的發展能力，拉大與其他公司的差距。

而另一個3D打印巨頭Stratasys公司的專利擁有量數由2002年的22個猛增至2014年的144個，并且呈逐年遞增之勢，用這些專利筑起了高高的行業門檻。這與近幾年的專利開放解禁浪潮形成了鮮明的對比。

在提供3D打印服務領域，有一組數字對比需要引起國人的注意。還在上世紀90年代時，美國Troy服務公司，就已擁有了100臺3D打印設備，年產值達到6500萬美元。而2013年，美國一家牙科康復公司，一次性地購進150臺SLA(Stereo Lithography Apparatus，立體光固化成型法)設備，這遠非國內同類公司所能比擬。我國此類企業，主要局限在珠三角和長三角地區，自身規模較小，平均擁有的設備臺數僅為2~3臺，無法滿足應用企業的需求，自身也掙扎在生死線上。

國家層面 目前，韓國政府、美國政府都非常重視3D打印的普及與發展。

據盧秉恒院士介紹， 韓國已經把國家戰略決策聚焦在3D打印上。根據Wohl e r sAssociates統計，韓國的3D打印產業在2012年的收入占大約2900萬美元，僅僅占有全球市場的2.3%。韓國政府期望其計劃將可以促進行業的增長，到2020年，韓國公司可以獲得整個3D打印市場的15%收入。為此，韓國有一個宏大計劃，準備培訓1000萬人作為3D打印的人才。其目的是為了繼續保持在制造業上的競爭優勢，尤其是在與中國制造業的較量中。要知道韓國總人口不足5000萬。

2014年11月初，美國“航空航天增材制造峰會”在洛杉磯召開。會上，有人強調了中國3D打印的發展對美國的威脅，并號召所有與會者加強游說國會議員支持3D打印的發展。就像上世紀50年代至90年代的太空技術是美蘇對抗的焦點領域一樣，今天的3D打印技術已被美國政府視為美中競爭的焦點。美國3D打印界普遍對中國3D打印的發展感到強烈的不安，并以此為依據，希望美國政府和國會對3D打印給予更大的支持。

美國不但已在2009年形成了國家增材制造(3D打印)路線圖，而且各個工業和科技部門也都普遍形成了自己的3D打印路線圖。比如，NASA的空間增材制造計劃明確提出了“forspace”(為空間)和“in space”(在空間)應用兩部分。其中“in space”應用路線圖包含地面微重力環境模擬(含飛機拋物飛行)、空間站應用和地外表面(月球、火星和小行星表面)應用諸方面。地面模擬始于2012年，2014年9月已將3D打印機送上空間站進行應用研究和測試，2015年~2018年詳細研究各種可能在空間發展的3D打印技術和可能的應用方向，2020年~2025年重點研究月球表面3D打印技術，2030年~2040年發展火星表面3D打印技術。

美國擁有全世界最先進的創新體系， 但仍然希望通過建立更優越的“國家制造業創新網絡”來強化其制造業創新能力。這個創新體系，除了政府的引導外，科技界、工業界和社會公眾本身都有強烈的創新愿望，這是美國目前顯著優越于中國的地方。

國內現狀與世界工業強國相比，我國3D打印設備的增長很快。增材制造設備的數量比例在一定程度上反映了一個國家的經濟活力與創新能力。從1988年到2011年的24年里，中國的增材制造設備臺數由占世界總量的6.5%增長到8.6%，目前暫居在日本、德國之后，處于世界第4位。而同期，美國則由41.1%降至38.3%。

雖然中國的總量仍然遠遠低于美國，但是卻是處在一個上升的態勢，而且這個勢頭還會持續相當長的一段時間。

但是，我國本土的3D打印設備制造企業基本以高校的校辦企業、高新技術小企業為主，滾動發展緩慢，設備總產量僅為國際著名的3DSystem公司的2%~3%。而且企業的運營負擔較大，創新能力普遍薄弱。

更令人擔心的是，雖然現在處于一個3D打印迅猛發展的機遇期，但是還有一些部門對此形勢認知不夠，在制訂一些政策時顯得猶豫不決。有些人士還把這個大發展期誤判為是“過熱”，竟然主張應該“降溫”，令人啼笑皆非。

我國增材制造路線圖

有鑒于此，盧秉恒院士草擬了一份《中國增材制造的路線圖》(見表1)，并以呈報國家有關部門。這份路線圖分為5年計劃和10計劃兩個階段。其要點如下。

5年內，能形成這個直接產值100億元到300億元，制造業的擴展效益能達到1500億元，基本形成一個產業鏈，樹脂類、金屬類裝備的國產化率達到60%~80%。3D打印的軟件行業的開始形成，軟件是非常重要的，但是中國老是重硬件輕軟件。另外希望對各個制造領域都產生示范的效應，這是一些把3D打印作為產品開發的一個必要手段，這是產品開發的周期或費用都降低一半。

10年內，直接產值達到1000億至1500億元，擴展產值能達到6000到1萬億元，打印材料基本能自給，價值大的元器件能實現國產化。

我國現在任務就是逐步從制造大國走向制造強國。中國工程院所做的《中國制造技術三步路線圖》指出，2025年中國制造能夠進入世界制造的第二方陣，2035年能夠成為第二方陣的前列，2045年后能夠擠進第一方陣。目前排在第一方陣的就是美國，第二方陣前列的就有德國、日本等。制約中國由制造大國走向制造強國的短板就是高端制造裝備。

而3D打印技術的普及與發展有望培養并增加全社會的創新能力，有利于我國升級制造模式，進而補足我們中國制造的短板。

我國正在處于工業化信息化融合發展的機遇期，希望全社會都能夠重視3D打印技術，很好地發揮它在兩化深度融合中的作用，來助推我國制造業的成功轉型升級并在新常態下持續向好。