正在兴起的打印热潮

杨先碧

如果要把电脑中的文字或图片显示在纸片上，我们需要打印机才能完成这个任务。如果想要打印出一个实实在在的物品，这能实现吗？随着3D打印机的出现，我们的梦想将逐步变为现实。如今，3D打印不但可以用于人造器官、无人机这样的尖端制造项目，还逐渐进入人们的日常生活，帮助我们打印出各种生活用品。甚至有美国媒体预测，在不久的将来，3D打印机很可能改变人们的购物模式，引发第三次工业革命。

3D打印的起源和发展

3D打印突然大热，令我们以为它是横空出世的新技术。其实，任何新奇技术都不是一蹴而就的。3D打印从正式出现到现在较为广泛的应用，已经有将近三十年的历史了。

3D打印技术的核心制造思想最早起源于19世纪末的美国，到20世纪80年代后期3D打印技术发展成熟并被广泛应用。1892年，美国登记了一项采用层合方法制作三维地图模型的专利技术。1979年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法。1980年，日本人小玉秀男又提出了光造型法。虽然日本人研究出3D打印的一些方法，但是此后二十多年的时间里，把这些科学方法转化为实际用途的都是美国人。

最早从事商业性3D打印制造技术的是美国发明家查尔斯·赫尔。1986年，查尔斯离开了紫外光产品公司，开始成立一家名为“3D系统”的公司，开始专注发展3D打印技术，这是世界上第一家生产3D打印设备的公司，而它所采用的技术当时被称为“立体光刻”，是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。1988年，查尔斯生产出世界上首台以立体光刻技术为基础的3D打印机SLA-250，体型非常庞大。

1988年，美国人斯科特·克朗普发明了一种新的3D打印技术——熔融沉积成型。该工艺用于产品的概念建模及形状和功能测试，适合中等复杂程度的中小原型，不适合制造大型零件。1989年，美国人德卡德发明了选择性激光烧结技术。这种技术的特点是选材范围广泛，比如尼龙、蜡、ABS、金属和陶瓷粉末等都可以作为原材料。1992年，美国人赫利塞思发明层片叠加制造技术。

在1995年之前，还没有3D打印这个名称，那时比较为研究领域所接受的名称是“快速成型”。1995年，美国麻省理工学院的两名大四学生吉姆和蒂姆的毕业论文选题是便捷的快速成型技术。两人经过多次讨论和探索，结果想到利用当时已经普及的喷墨打印机。他们把打印机墨盒里面的墨水替换成胶水，用喷射出来的胶水来黏接粉末床上的粉末，结果可以打印出一些立体的物品。他们兴奋地将这种打印方法称作3D打印（3DPrinting），将他们改装的打印机称作3D打印机。此后，3D打印一词慢慢流行，所有的快速成型技术都归到3D打印的麾下。

3D打印如同蚕织茧

什么是3D打印？简单地说，3D打印就像我们平时所用的打印方式一样，是把电脑中的文档打印出来。只不过，我们平常所用的打印机是把文字和图像打印在纸张或其他介质上，是一种平面的打印过程。而3D打印是把电脑中的立体图形直接打印成一个真实的物品。

3D打印机不用纸或墨，而是通过计算机辅助设计、远程数据传输、激光扫描、材料熔融等一系列技术，使塑料粒、金属粉、陶瓷粉等材料熔化，并按照3D电脑图像的结构，将材料一层层叠加起来，最终把电脑图像变成实物。简单地说，3D打印的原理和蚕织茧有些类似，蚕吐出很细的丝，一层一层把自己包裹起来，就形成了一个“立体”的茧。虽然目前材料和工艺不一样，但3D打印的基本原理都是根据要打印的物体形状，通过一层层地堆积建成一个立体的物品。

传统制造业制造物品往往是用减法，就是把一些材料通过截断、裁剪、打磨等方法来获得制造物品所需的尺寸，制造的过程中免不了浪费原材料，还会带来一定程度的污染。然而，3D打印物品做的是加法，就是将粉末、液体、片状等细碎材料逐层堆积成一个物品，就好像一层层打印上去一样。因此，3D打印又被专业人士称为“增材制造”。

就像普通打印机打印文字和图像需要有电脑文档一样，3D打印也需要有相应的3D文档。一般先在电脑中用专业的3D设计软件进行产品建模，再将建成的3D模型“分区”成逐层的截面，再转换为打印格式，输入3D打印机进行打印。听起来好像非常简单，实际上比较复杂，输入的图纸需要精确的参数才能提高成品精度，这也是为什么3D打印目前还只是专业人士和发烧友才能玩的技术。

广泛运用于尖端技术

虽然3D打印的出现已经有近三十年的历史了，但是它起初并不为人们所熟悉，这是因为它目前广泛应用的领域是尖端制造业。在我国“神舟九号”飞船中，3位宇航员的坐垫就是天津市快速成型技术工程中心利用3D打印机制造出来的。

为什么尖端制造需要3D打印技术？这是因为3D打印不走样。研究人员怎么设计的，3D打印机就可以一模一样地打印出来。因此，航空航天中一些精密度要求高、结构复杂且需求量少的零配件，有时则需要3D打印来完成。最近，欧洲空间局正尝试利用3D打印技术，以就地取材的方式建立月球基地。按照设计，首先利用太空火箭将管状模块发射到月球上，并在月球上沿一端展开成充气式的圆屋结构。中空的闭孔结构特点是强度大、重量轻。机器人操作的3D打印机将利用月球土壤，在圆屋周围构建基地。

传统的制造业往往会建设流水线，生产一些需求量小的尖端产品不仅周期长，而且很不划算。3D打印最初叫“快速成型”技术，表明它具有快速制造的优势，可以让用户在装配和维修尖端产品的过程中快速得到零配件。2009年，我国在制造C919大型客机主风挡窗框时，当时从国外订购至少需要两年时间，模具费要1300万；而采用3D打印技术，两个月就做出来了，成本还不足模具费的1/10。

利用3D打印制造一些个性化专业产品也独具优势。比如，传统的假肢生产出来的假肢像服装一样是有尺码的，残疾患者只能选择一个比较接近自己需求的尺寸，有时会因为尺码不完全合适而很痛苦。有了3D打印，符合残疾患者个性化需求的假肢就可以生产出来了。3D打印甚至有望打印出具有生物活性的人造器官，美国康奈尔大学研究人员詹森·斯佩克特等人打印出“以假乱真”的人造耳朵。不仅如此，他们在3D打印模架中注入胶原蛋白凝胶，其中有生物活性的成骨细胞，3个月之内这些柔韧的人造耳朵中将“长出”软骨组织。

逐渐步入生活

3D打印走进我们生活的脚步将越来越快，甚至会爆发出几何增长级的能量。食物、玩具、服饰、艺术品、人造假体、交通工具、房子，都可以是它的杰作。更大的变革，或许是生活方式。有了取代流水线的3D打印机，在小城镇、在乡村，自给自足、优化生活、实现创意皆成为可能。或者，人们真的不必都涌入大城市了。

在未来，人人都可以是设计师，利用3D打印技术在家里制造出各种各样属于我们自己的个性化用品。有人预测，未来的家具生产商将不再需要设计千篇一律、缺乏新意的产品，而是由顾客提供自行设计的产品图。购物网站可能只需提供产品设计图，由顾客在家自行打印成品，从而大幅减少运费。

如果家里有一台3D打印机，孩子想要一个玩具，在3D设计模型平台上选好自己喜欢的风格，重新定义尺寸之后点击打印。20分钟后，玩具就已经在孩子手中了。在商店里，要找到一双特别合脚的鞋子并不容易。美国一家工作室开始了3D打印鞋的服务，他们打印出来的第一双鞋子是结构复杂的凉鞋，是按照公司一位女职员的脚部尺寸完成的。那位女职员穿上之后连称“没有任何夹脚的感觉”。日本一家公司已经推出世界上第一家3D打印照相馆，而我国也出现了好几家3D照相馆，第一家在西安。整个制造过程分为三个阶段：拍照、建模、打印。15分钟后，和顾客一模一样的小人偶就打印出来了。

由于3D打印机现在还比较贵，每家买一台还很不现实。因此，美国一家公司开发出3D打印自动售货机。你可以把自己设计的产品，或者从网络上下载的3D模型，通过电子邮件发送给3D打印服务公司的自动服务系统。然后，你到离家最近的3D打印自动售货机，输入打印密码，你需要的物品就自动打印出来了。如果你不想亲自观看打印过程，你可以选择让公司把你需要打印的物品邮寄或快递到家。

可能引发第三次工业革命

3D打印技术可能将极大地影响人们未来的职业选择，因为一些专家预测，3D打印技术极可能在不久的将来引发第三次工业革命。面对即将到来的变革，我们要有充分的心理准备和知识储备，才不会在将来被时代的大潮所淹没。

具有更高的精度的3D打印已经应用到许多领域，而且未来几年这一趋势还将扩大。美国《时代》周刊曾将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”之一。有专家预测，到2015年，桌面型3D打印机及专属材料将实现产业化。到2020年，工业商用型3D打印机可实现规模产业化。

英国《经济学人》杂志2012年发表文章称，3D打印采用“增材”制造，相对传统的“减材”制造是一种颠覆性的变革。3D打印技术是制造方式和手段的革命化创新，代表着未来制造业信息化、智能化的发展方向。工业革命不会因为3D打印技术的出现而立刻发生，但是，当3D打印给工业生产和经济模式带来颠覆式的改变时，工业革命就不远了。

2012年3月，美国总统奥巴马宣布了重振美国制造业计划，提出要建立15家制造创新研究所，将3D打印技术确定为首个制造创新研究院的主攻方向，并成立了国家增材制造研究院。同时在1000所美国大学配备3D打印设备，其目标是培养新一代系统设计师和生产创新者。这是美国看到了3D打印技术对未来产业、经济发展将产生的重大影响而采取的举措。

在30年前，世界上大部分人没有见过电脑。如今，世界上不少人都会熟练地操作电脑。这样的情形很快将出现在3D打印领域。或许你现在没有见过3D打印机，但是在几年或者十几年后，你就会熟练地利用3D打印机为自己和他人制造物品了。对于3D打印的未来，或许丹麦哥本哈根未来研究学院的名誉主任约翰·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。”