3D打印（3D 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(gòu)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(jié)構(gòu)博物館，收藏著一個利用3D打印技術制作的鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)博物館館藏3D打印鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)件的直接重量減少了75％。……如果是一個建筑工程，這意味著我們可以將整體結(jié)構(gòu)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(zhì)金屬制品的行業(yè)?！?/p>

構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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?qū)⒍嘤嗟牟牧弦瞥@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(jié)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(jié)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(gòu)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(jié)構(gòu)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?cè)藛T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(gòu)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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