3D打?。?D Printing）是以數(shù)字模型文件為基礎，運用可黏合材料，通過疊加打印的方式構造三維物體的技術，又稱增材制造（Additive Manufacturing）。早在2011年，英國《經(jīng)濟學人》雜志就指出這項技術蘊含的巨大影響力：“三維打印使得生產(chǎn)單個物品與批量生產(chǎn)幾乎一樣便宜，這就削弱了規(guī)模經(jīng)濟。它對社會影響的深遠程度可能同1450年的印刷機、1750年的蒸汽機和1950年的晶體管一樣，沒人能輕易預料。它迅速發(fā)展著，對每個相關領域都產(chǎn)生著巨大的影響?！睍r至今日，3D技術在工業(yè)、消費和社會文化領域的應用越來越廣泛。

在鋼結構博物館，收藏著一個利用3D打印技術制作的鋼結構節(jié)點。該節(jié)點通高14厘米，通寬10厘米，最大直徑5.4厘米，重500克，自奧雅納荷蘭公司購得。

鋼結構博物館館藏3D打印鋼結構節(jié)點

2015年，奧雅納團隊采用增材制造技術為復雜建筑項目設計了關鍵的鋼結構部件。據(jù)團隊負責人之一莎樂美·蓋亞德（Salomé Galjaard）介紹，這項技術可以更高效地制造大量復雜的獨立設計產(chǎn)品，“具有同樣作用的建筑構件，使用增材制造技術要比使用傳統(tǒng)方法制造時高度低一半，而每個構件的直接重量減少了75％?！绻且粋€建筑工程，這意味著我們可以將整體結構的重量減少超過40％。但真正令人興奮的是，這種技術可能被應用于任何使用復雜的、高品質金屬制品的行業(yè)?！?/p>

構件應力對比云圖

01. 3D打印的歷史

3D打印的概念最早可追溯至1950年代，當時美國科普作家雷蒙德·瓊斯（Raymond F. Jones）在文章中首次描述了3D打印中使用的一般概念和步驟。1971年，美國人約翰內(nèi)斯·哥特瓦爾德（Johannes F. Gottwald）申請了液態(tài)金屬記錄儀專利US3596285A，其工作原理與3D打印類似。1974年，英國化學家和作家戴維·瓊斯（David E. H. Jones）在《新科學家》雜志常規(guī)專欄中提出了3D打印的概念。

3D打印機

早期的3D打印設備和材料是在20世紀80年代發(fā)展起來的。1981年，日本名古屋市工業(yè)研究所的小玉秀男發(fā)明了利用光硬化聚合物制造三維塑膠模型的方法。1984年，三維系統(tǒng)公司的查爾斯·赫爾（Charles Hull）發(fā)明立體光刻，用紫外激光固化高分子光聚合物將原材料層疊起來，此后他又于1986年成立了世界上第一家生產(chǎn)3D打印設備的公司，專注發(fā)展3D打印技術。赫爾也被譽為“3D打印之父”。1995年，麻省理工學院的兩名學生把打印機墨盒里的墨水替換成膠水，用膠水黏結粉末床上的粉末，打印出立體物品。他們將這種方法稱作3D打印，3D打印從此開始慢慢流行。同年，美國ZCorp公司從麻省理工學院獲得唯一授權并開始開發(fā)3D打印機，至2005年，該公司研制成功市場上首個高清晰彩色3D打印機Spectrum Z510。

“3D打印之父”查爾斯·赫爾

此后，3D打印持續(xù)在不同領域取得突破。2010年，世界上第一輛由3D打印的汽車Urbee在美國問世。2011年，英國南安普敦大學開發(fā)出第一架3D打印飛機。2012年，蘇格蘭科學家利用人體細胞首次用3D打印機打印出人造肝臟組織。2013年，全球首次成功拍賣一款名為“ONO之神”的3D打印藝術品。同年，美國3D打印公司“固體概念”（Solid Concepts）設計制造出3D打印金屬手槍。2018年，俄羅斯宇航員利用國際空間站上的3D生物打印機，在零重力條件下打印出實驗鼠的甲狀腺。同年，荷蘭MX3D公司完成世界上第一座完全3D打印的鋼橋，長12米。2019年1月14日，美國加州大學圣迭戈分校首次利用快速3D打印技術，制造出模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)結構的脊髓支架，在裝載神經(jīng)干細胞后植入脊髓嚴重受損的大鼠脊柱內(nèi)，成功幫助大鼠恢復了運動功能。同年4月15日，以色列特拉維夫大學以病人自身組織為原材料，打印出全球首顆擁有細胞、血管、心室和心房的完整心臟。2020年5月5日，中國長征五號B運載火箭搭載3D打印機升空，這是中國首次太空3D打印實驗，也是國際上第一次在太空中開展連續(xù)纖維增強復合材料3D打印實驗。

世界首個3D打印心臟

02. 原理、過程和應用

3D打印與日常普通打印的工作原理基本相同，只是在打印材料上，普通打印機使用的是墨水和紙張，而3D打印機內(nèi)部裝載的是砂、金屬、陶瓷、塑料等原材料。3D打印機與電腦相連，通過電腦控制把上述“打印材料”層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖轉變成實物。

3D打印過程的主要環(huán)節(jié)包括建模（三維設計）、切片處理和打印。建模是通過計算機輔助設計軟件或者三維掃描儀，獲得真實物體的形狀、外表等的電子數(shù)據(jù)，并以此為基礎生成三維電腦模型，切片是將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，最終打印機對照切片完成逐層打印。在實際操作中，可以先用標準分辨率打印一個比要求稍大的模型，然后用高分辨率的削減程序將多余的材料移除，這樣就能得到更為精確的3D模型。

用于3D打印的CAD模型

基于打印材料和疊加方法的不同，3D打印包含有多種技術工藝，主要包括擠壓沉積、顆粒結合、層壓和光聚合等，不同工藝都有各自的優(yōu)缺點。擠壓沉積是使材料熔化或軟化從而產(chǎn)生層，通常適用于熱塑性塑料、共晶系統(tǒng)金屬和可食用材料；顆粒結合是在顆粒床上對材料進行選擇性融合，適用于幾乎所有合金和熱塑性粉末、塑料等；層壓是使用薄塑料或薄金屬片對材料進行層壓成型，一般用于紙張、金屬膜、塑料薄膜；光聚合是采用立體光刻技術，從液體中分離固體成品的方法，主要用于光聚合物，如環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯等。除了上述四種主流工藝外，還有金屬線路型和粉末噴墨針頭型兩種方法，前者適用于幾乎所有金屬合金，后者主要用于石膏。

熔融長絲制造工藝示意圖

自20世紀80年代以來，基于快速成型設計和研究目的，工業(yè)3D打印機越來越多地應用于服裝、汽車、飛機、建筑、武器、醫(yī)藥、電腦、太空等多種領域。世界上制造工業(yè)用3D打印機的公司包括Renishaw、Objet Geometries、Stratasys、3D System和Z Corporation公司。

使用3D打印技術制作的奧迪RSQ汽車

03. 打印與建筑

長期以來，傳統(tǒng)建筑技術存在著人工投入量大、建設周期長、環(huán)境污染重、資源浪費多、易發(fā)生安全事故、產(chǎn)生較多建筑垃圾等問題。3D打印技術的發(fā)展和應用，對于解決這些問題具有重要意義。根據(jù)相關測算，3D打印理論上可以節(jié)約建筑材料30～60%，縮短工期50～70%，減少人工50～80%，使建筑成本總體降低50%以上。

荷蘭MX3D公司打印的鋼橋

目前3D打印技術在建筑領域較為成熟的應用主要在兩個階段。一是建筑設計階段，主要是用于制作建筑和城市規(guī)劃模型。通過3D打印方式制作的模型，速度快、成本低、工藝精美且綠色環(huán)保。二是建筑施工階段，主要是建造足尺建筑，通俗地說就是“打印”可供居住和使用的房子。國內(nèi)外一些案例如中國盈創(chuàng)、美國“輪廓工藝”、意大利“D-shape”、荷蘭“Kamer Maker”、英國奧雅納等，都對建筑3D打印技術進行了深入研究，取得開創(chuàng)性成果。

立體光刻工藝示意圖

2016年，由中建鋼構有限公司自主研發(fā)的“一種塔式3D打印機及其打印方法”獲得國內(nèi)鋼結構行業(yè)首個國家發(fā)明專利授權。這項技術針對建筑施工作業(yè)塔吊安裝技術改造而設計的3D打印機，其控制系統(tǒng)根據(jù)3D 模型的坐標位置向機動系統(tǒng)發(fā)送控制指令來控制塔吊的上下運動、水平運動和打印系統(tǒng)的位置滑動，使打印系統(tǒng)精確定位到需要打印的坐標位置上，控制物料添加系統(tǒng)向打印系統(tǒng)輸送摻有一定比例粘合劑的建筑物料，并遠程操作打印系統(tǒng)精準進行3D打印，可以省略大部分手動施工作業(yè)，節(jié)約大量勞動力、物力，提高施工效率，同時通過在地上的控制系統(tǒng)遠程遙控塔吊的水平和垂直移動，避免了塔吊駕駛人員高空作業(yè)安全隱患，給現(xiàn)場施工作業(yè)提供安全保障。

位于迪拜的全球首座3D打印全功能辦公室

總體而言，建筑3D打印技術目前仍處于探索階段，存在人才短缺、技術不成熟、新材料不足、標準體系有待完善等短板，但是新模式、新技術和新材料（如釩鈦合金材料）的發(fā)展正在快速彌補這些不足。從長遠看，基于其獨特優(yōu)勢，未來3D打印將在建筑構件、雕塑小品、應急用房、防風固沙、太空基地等方面發(fā)揮重要作用。假以時日，它必將為建筑業(yè)帶來更加深刻的變化。

04. 打印未來

諾貝爾獎得主、以色列材料化學家丹尼爾·舍特曼(Daniel Shechtman)認為在未來，“3D打印將會成為一個碾壓性的技術”。中國工程院院士、西安交通大學教授盧秉恒預言未來三至五年，中國的3D打印應用將在航空航天、醫(yī)療、個性化電子產(chǎn)品領域迎來爆發(fā)，五至十年內(nèi)，3D打印產(chǎn)品將在百姓生活中隨處可見。美國經(jīng)濟學家杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin)把3D打印視作第三次工業(yè)革命開始的信號。

3D打印的限量版首飾，原材料為玻璃纖維填充的染色尼龍

除了相關領域的技術革新，這項技術給環(huán)境帶來的變化也顯而易見。3D打印減少了生產(chǎn)所需原材料的能源，實現(xiàn)了本地化生產(chǎn)，大大降低了運輸所產(chǎn)生的能源消耗和溫室氣體排放。

3D打印技術在各領域的分布

3D打印技術也引發(fā)了社會學領域的諸多爭議。美國前財政部長勞倫斯·薩默斯(Lawrence Summers)其對傳統(tǒng)就業(yè)和企業(yè)創(chuàng)新造成消極影響，諾貝爾經(jīng)濟學獎得主邁克爾·斯彭斯(Michael Spence)則關注技術革新帶來的邊際效益。此外，在打印過程中也會無可避免地遭遇專利、工業(yè)設計使用權、著作權、商標權等的保護問題，如何應對3D打印武器的管理、如何保障3D打印產(chǎn)品如建筑、汽車等的安全性也迫切需要慎重思考，而打印人體組織和器官更是引發(fā)道德倫理方面的激烈討論。

未來海洋城市

毫無疑問的是，在未來，3D打印將徹底改變我們的生活。

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