3D打印：梦想与现实之间(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：曹汉阳,乐锐锋

出版社：电子工业出版社

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3D打印：梦想与现实之间试读：

推荐序1

本书作者曹汉阳先生是武汉创客组织的联合创始人。曹先生以现代智慧创造者——创客的身份较全面地对当今人们热心关注的3D打印技术产业的发展进行了多角度的分析，并将其与创客世界相联系，为人们的创新想象打开了更大的视角空间，为创客们的创造性思维增添了内涵丰富的基础性信息。“让抽象变成现实，让世界更加精彩”，3D打印技术正以其技术的独特性、创造性改变着人们固有的思维习性、行为方式和行动结果。因此，3D打印技术正在全球范围内受到人们尤其是经济、技术发达国家和地区的人们的高度关注。正在创造性地构建世界第一、第二大经济体国家新型大国关系的中美两国元首习近平主席和奥巴马总统近期都在不同场合对3D打印技术的发展表示出极大的关注。中美两国也都成功地将3D打印技术引入到本国尖端工业的发展之中，正在为国家的尖端建设创造出前无古人的业绩。

本书作者以通俗易懂、简明扼要的形式向人们介绍了3D打印技术的发展历程、发展现状和未来发展趋势，以及该项技术对人们未来生活和工作的影响及蕴含的商机等，同时还述及了正在兴起的创客运动与3D打印技术等前沿型科技的关系。本书有别于专业性的技术读本，不但适合3D打印技术从业者、创业者、投资人、创客群体、其他技术行业从业者等阅读，也适合作为大众性的科普读物。

作为中国3D打印技术产业的从业者、先驱者、中国3D打印技术产业联盟副理事长，我在对本书作者为撰写此书热心宣传3D打印技术而付出辛勤劳动表示衷心感谢的同时，也真诚地向广大读者推荐此读本。我相信3D打印技术将成为广大新时代的创客们实现更有创新型创造性构想的优选路径。连宁世界3D打印技术产业联盟理事中国3D打印技术产业联盟副理事长江苏省3D打印产业技术创新战略联盟理事长2014年08月08日

推荐序2 踩好未来世界大潮流的“鼓点”

看到本书之前，我先讲一段3D打印“半日游”感触。

2014年5月的一个上午，正值武汉掀起一场创业大赛的高潮期，各路高新技术领域创业达人登台亮相。有一位来自武汉光谷软件园的80后3D打印领域的创业者。在他的办公楼展示馆，本人看到了各类生活题材的3D打印产品，一个个微缩版雕塑，活灵活现。这里并不是一间蜡像馆，而是由特殊材料通过3D打印机打印出来的产品。在公司的后台，一台产自美国的打印机器“嗡嗡”作响，这是3D打印机的“大脑”，其核心部件、材料并不掌握在中国人手里。

根据2013版的沃勒斯（Wohlers）显示，2013年全球3D打印市场规模约40亿美元，较上一年翻番。未来3至5年是3D打印技术最为关键的发展机遇期，到2015年中国3D打印机的市场规模将达百亿元，有望超越美国成为全球最大的市场。

虽然我们已掌握3D打印前沿技术，但我们并没有放下身段深层次钻研即将引领全球性的技术变革。犹如足球起源于中国，却没有在中国本地发扬光大；又犹如指南针在中国发明，但我们痛失了一个航海的时代，落后于西方百余年，从GDP占世界44％（英国学者预测）滑落至5％以内。

经过2012年至2013年期间有关3D打印喧嚣高潮后，我们还要看到，今年新一期的世界经济论坛发布的可能改变未来社会状况的十大新兴技术中，我们已不见3D打印的身影，那些身体自适应可穿戴电子产品、通过海水淡化提取金属物质、脑机接口技术等开始时髦起来。2014年8月，莫言在广州大剧院以一场“喧嚣与真实”的演讲中说，“让每个人在看待社会问题的时候，在面对社会喧嚣的时候，能够冷静的来想一想喧嚣背后的另一面”。

30余年的改革开放，让中国迎来全面发展的黄金期。2010年中国成为世界第二大经济体，成绩斐然。经过30余年喧嚣后，中国经济需要回归真实的理性经济。我们已证明自己是经济大国，但并不是经济强国。在世界强国林立中，中国在尖端科技领域差距明显。

回过头来看3D打印，中国面临的瓶颈不仅仅是打印材料，而是在于创新型人才的缺失。在电影《功夫熊猫》中，熊猫的老爸是一只鸭子。在中国长大的小朋友无论如何也产生不了这么奇怪的想法？作者讲到，创新能力的培养重在以兴趣为导向，因而，中国要将教育转到培养小孩子们的兴趣爱好的正确方向。只有这样，中国才能大步迈向技术创新之路，中国的3D打印技术才能引领一个新时代的开端，才能迎来真正属于中国的21世纪。

中国已痛失航海、蒸汽机、计算机时代的引领者角色，在大数据、3D打印时代等高涨的呼声下，随着国人财富效应的增长，未来个性化的需求将越来越令人遐思，3D打印将无限精彩！袁阳平《支点》杂志主笔第四届北京大学《财经》法律经济学奖学金项目获得者

推荐序3

If your background is computer science or mechanical engineering, you may manage to understand the technologies of 3D printing in a relatively short time by reading existing tutorials or technical reports. However, not everyone has background or energy to learn a new technology, given so many things are being created, developed, derived and renamed every day. From virtual server to cloud computing, from artificial intelligence to smart city, terms are being created rather than technology itself. Advanced technology is promising, but sometimes confusing and misleading common people.

We expect a book that educates general public on 3D printing, rather than exaggerating technical terms. This book serves this purpose.

Media news for 3D printing is scattered in small pieces. However, news is not sufficient in nutrition, just like fast food. White news can be manipulated to catch eye balls for a short period of time, books are far more honest, because they are written using heart, time and passion. This book systematically provides readers an introduction to the technologies and applications of 3D printing. New technology does not only mean new opportunities, but also possibly leads to traps and failures. Smart people can benefit from this book and succeed with higher probabilities.

3D printing is a relatively new technology with deep root in additive manufacturing. It is interdisciplinary across at least mechanic engineering, automation control, computer science, material science and art design. Thus, it naturally involves a broad range of audience. 3D printing is also very practical and close to life, just like computer and Internet. There will be one day that 3D printers will be used in our everyday life. Whenever a repair part is needed for cell phone, car or home appliance, we can download a digital 3D model, print it in a workshop and have it shipped to us. The applications and opportunities of 3D printing are only bounded by our imagination.

One example of opportunities is to supply 3D printing consumables. Companies in China are doing very well in developing and manufacturing printing materials. I founded the JET filament as a brand under America Instrument. I outsource the manufacturing of printing materials to China and it is very successful so far. Cost is effective and quality is competitive. To my knowledge, there are quite a few companies focusing on 3D printing materials and have been enjoying fast growth in the past years.

If we look beyond the industry value-chain of 3D printing, we will see a promising land that can culture intelligence, innovations and commercial values. I hope people in China can seize, develop and create opportunities in 3D printing, just like what we did and are doing on the Internet. Surfing Internet is fun, but creating new jobs, new revenues and new trends is more fun. Readers of this book will be inspired in many ways by the fun of 3D printing.Jet Lei, PhDAssociate ProfessorThe University of Texas at Brownsville

推荐序4

近几年来，3D打印渐成新潮，如打印生活用品、办公用品、工业用品，甚至是汽车、房子也都是可以打印出来的。随着可以打印对象覆盖到越来越多的行业，3D打印也被贴上了越发神奇的标签。打开《3D打印：梦想与现实之间》这本书，从叙述3D打印的昨天与今天到3D打印是怎样改变我们的生活，其中也不乏3D打印机的发展方向和未来商机介绍，让人受益良多。而其中每一个生动有趣的小故事，更是引人入胜。相信无论你是想对3D打印机做简单的了解，还是准备从本书中寻求新的创业机会，本书都是不错的选择。

2013年《环球科学》中文版，在“2012年最值得铭记、对人类社会影响最为深远的十大新闻”的评选中，3D打印经过数轮的探讨评选名列第九位。其实早在20世纪80年代末开始，快速成型技术就在商业上获得了真正意义的发展。2007年开源的桌面级3D打印设备发布，也为新一轮的3D打印浪潮做了铺垫。2012年4月，《The Economist》的一篇3D打印的封面文章全面发起了又一波的3D打印浪潮。

法国作家维克多·雨果曾经说过：“科学到了最后阶段，便遇上了想象。”在梦想与现实之间，3D打印技术似乎是一台可以造就万物的机器。在英国，技术人员通过记录奥运短跑运动员跑步时的脚和脚踝的情况，把数据输入电脑，经过简单的计算之后就可以通过3D打印机打印出每个运动员私人定制的专属运动鞋；在日本，一位准妈妈通过超声波图像，便通过3D打印机打印出了栩栩如生的胎儿模型；而在美国，研究人员通过3D打印机打印出了形状复杂的宇宙飞船金属部件。这些制造奇迹不断发生，相信在不远的将来我们便可以通过3D打印机实现我们更多的梦想。也许有一天我们可以拥有3D食物打印机，那么我们就将不再需要厨房；我们还可以打印电路板，自己DIY制作手机；我们甚至可以制作一个超级3D打印机，让它帮助人类实现太空移民计划。

这本书包含了3D打印的发展史、应用和发展方向，还为准备创业的朋友介绍了3D打印的未来商机，对读者来说具有很好的指导价值。如果你对3D打印技术感兴趣，这本书一定是一个不错的选择。51CTO传媒总裁熊平2014年8月

自序

早在2011年的时候，我就关注到了3D打印，并一直很看好它的发展前景，但是从没想到过要写书。直到2013年6月，一个偶然的机会，电子工业出版社王敬栋先生联系上我，问我是否愿意写一本3D打印方面的书。当时3D打印正被媒体大肆宣传，许多人已经知道3D打印，而国内3D打印方面的书还几乎没有。大部分人对它只有一个概念的认识，真正了解的人极少。

正好我想对整个3D打印行业进行深入、系统、全面的了解，也觉得可以以此为契机，让大家更好地认识3D打印，所以就欣然接受了。当然这对我来说是一个非常大的挑战和考验。

3D打印对于从事产品开发的人来说具有非同一般的意义，它对我们从事科技创新具有极大的推动作用。不仅如此，3D打印对很多行业都将造成影响，甚至影响到我们今后工作、生活的方方面面。如果有哪一个行业能与互联网对我们的工作与生活造成的影响相媲美，在我看来，非3D打印莫属。

曾以《第三次浪潮》一书风靡中国大陆的世界著名未来学家阿尔文·托夫勒，在他2006年的著作《财富的革命》中重点强调产消合一者的概念，意指一种生产者即消费者，或消费者即生产者的现象。阿尔文·托夫勒几十年前的大量预言在今天很多都变成了现实。我们有理由相信，产消合一者在未来也将出现。将来，3D打印机在我们的生活、工作中大面积普及应用，各种生活用品，我们都可以自行生产，这不正符合了产消合一者的理念吗？在阿尔文·托夫勒另外一本著名未来学书籍《未来的冲击》一书中提到了大规模定制生产，定制模式实际上就预示着个性化消费。在将来，个性化定制将会成为一种消费潮流。而3D打印机可以说是最重要的个性化定制工具。

大部分人对于新兴科技，并不一定关注它的技术，会更多关心它将给我们带来的影响，毕竟我们大多数人只是普通人，而非技术专家。所以在写3D打印这本书的时候，我尝试从科普的角度着手，尽量让语言通俗易懂，让3D打印这种看起来冷冰冰的科技变得有趣和鲜活起来，这样大众群体才更易于阅读和了解。当然，对于看好3D打印，试图进入这个行业的创业者和投资人士来说，书中对3D打印的未来发展趋势和商业机会都做了介绍，也非常有参考价值。对于从事传统行业的人士，也可以从中了解到3D打印在将来会给他们所从事的行业带来哪些影响。

此外在本书第七章，介绍了正在全球兴起的创客运动，第一次将国内创客这个群体呈现在大众面前，旨在推广创客的理念，让更多的人加入到创新创造的大潮中来。最后一章，充分发挥了想象力，对未来的生活方式等做了各种预测，以期让大家对未来有一个大致的认识。

我一直在思考，人类将会走向哪里。5年后，我们的生活场景是如何的；10年后，我们将会如何工作和生活；50年后呢，我们又将在哪里？毋庸置疑，未来，科技会越来越发达，机器会越来越智能，产品会越来越丰富，我们的生活会更加的方便和个性化。预测未来最好的方式就是创造未来。在我看来，创造未来，3D打印机是最佳的一个工具，而创客则是其中的主角。

在将来，只要你有想法，就可以将它们变成现实，因为有了3D打印。未来属于有梦想、敢想敢做的人。3D打印，可以说是梦想与现实之间的桥梁。

虽然已经竭尽所能，但本书不可能完全描述清楚3D打印，因为3D打印太具有想象空间了，所带来的改变是超出任何人的想象的。既然如此，就让我们持续关注它的发展，见证它在未来给我们所带来的变化。

感谢出版社王敬栋先生一年多来的持续鼓励与支持，这本书才得以完成。当然，还要感谢更多朋友的关注和鼓励。没有乐锐锋博士在繁忙之中抽出时间对整本书进行整体把关、修改，仅靠我自己，是不可能完成的。对于理工科出身的我来说，乐博士在文笔、写作思路上都给了我很大帮助。当然，我从3D打印行业相关人士，以及创客们那里也获得了很多宝贵的资讯，在此一并感谢。曹汉阳2014年8月

第一章 为什么中国需要3D打印

3D打印：新的希望

科技创新，唯有科技创新，才是中国制造业的出路。这是当今有识之士的共识。

而3D打印技术就是这样一项对制造业有着重大影响的关键技术。

那么，什么是3D打印技术呢？

我们经常使用打印机打印纸张，十分方便。这种打印机可称为2D打印机，因为它打印出来的东西是平面的（即2D）。而3D打印机，打印出来的东西是立体的（即3D）。

实际上3D打印这个词并不准确，它是为了使我们大多数人易于接受所发明出来的名词，学名叫做“增材制造”。

增材制造（Additive Manufacturing，AM）是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，它由零件的三维数据直接制造零件，不需要有生产流水线，只要根据图纸放入需要的材料，就能快速生产出所需要的东西。

图1-1所示就是一台典型的3D打印机。图1-1 3D打印机实物

3D打印是一种有别于传统制造的智能制造方式，具有以下4个方面的特征。（1）全新的制造技术：3D打印可以使用塑料、尼龙、金属、陶瓷、橡胶等材料，将设计好的3D图纸，通过层层叠加的方式转变成实物，而无需借助其他制造工具和复杂的制造工艺。（2）应用领域广泛：3D打印技术已广泛应用于产品开发、建筑设计、汽车船舶、航空航天、教育文化等领域，在珠宝、鞋类、服饰等与生活息息相关的领域也有所应用，预计将来会涉及更多的领域。（3）效率高：3D打印技术提高了产品的生产效率，减少了原材料和能源的消耗。（4）适用群体广：将来的消费者需求更加个性化，制造业将从现在的大规模生产转向个性化定制。3D打印让每个人都可以轻松制造产品，任意定制想要的东西。

3D打印可以说是生产制造方式的一种重大变革，可以让任何人以小批量的方式生产出自己需要的产品。3D打印能够实现产品本土化直接生产，省去了物流、配送等时间，因此生产成本大大降低。

3D打印可以制造出传统技术无法生产的零件，适用于生产小批量、多品种的定制化产品，尤其在复杂产品制造上独具优势。一旦3D打印技术发展到一定的阶段，很多产品的大规模生产将被个性化定制所取代，这也是一个历史发展的趋势。而生产方式的改变也必然带来销售模式和消费习惯的改变。在大规模生产时代慢慢过去，制造业开始向小批量、定制化生产时代转变的过程中，3D打印机所起到的关键作用，不是任何其他科技可以相提并论的。

中国是一个制造大国，3D打印机在科技创新上具有非常重要的意义。它可以辅助并加速设计与研发，大大缩短新产品开发的周期，降低成本和风险，让设计和创新不再有任何现实的阻力。有了3D打印机，更多的企业和个人将愿意进行新产品的开发，进行更多的科技创新，这对中国制造业的产业升级将具有极大的促进作用。随着3D打印机和机器人的大量采用，低端制造业将被逐渐淘汰，整个制造业将向以创新和科技为主的高端产业转型，发展新兴、高附加值的产业。

阿基米德曾说：“给我一个支点，我能撬动地球。”3D打印机就是那个支点，以此为契机，将可以迎来中国制造业发展的新一轮浪潮。

3D打印会给中国制造业带来什么

个性化量产和16世纪前的少量定制的生产方式类似，但又存在很大的不同。个性化量产采用了一系列自动化流程，这样可以大大降低产品的生产成本，提高生产效率，并能保证产品质量，是少量定制所采用的纯手工生产所无法比拟的。

3D打印机是个性化量产阶段最重要的生产工具。当3D打印机成为生产和日常生活的一部分的时候，就标志着个性化量产时代的真正到来，今天很多被大规模生产的商品以后将被3D打印出来。在那些需要小批量生产且复杂零部件的行业这已经成为现实，比如牙套，使用注射模具的方式来制造不大现实，这个时候，3D打印就派上用场了。目前每天都有5万个牙套被3D打印出来，在世界各地被广泛使用，每一个牙套都是量身定做的。

当前，全球正在兴起新一轮数字化制造浪潮。智能机器人、人工智能、3D打印是实现数字化制造的关键技术。事实证明，3D打印正在重塑全球制造业的格局，并渗透至每一个行业里。

从传统的加工制造业来看，中国与世界先进水平还存在一定的差距。但是，当前中国在3D打印技术上与国际先进水平差距并不大。如果能引起社会各界足够的重视，在3D打印这一新领域世界领先，抢占先机，对中国来讲将是一个很好的机遇。那么3D打印对中国的制造业又会带来哪些影响呢？（1）3D打印可以直接生产出复杂、特殊、个性化产品，有助于攻克技术难关。（2）运用3D打印技术能够缩短创意转化为产品的时间，开发人员将能够专注产品本身，而无须太多考虑生产的问题。创新速度将大大加快，新产品将能够以更快的速度进入市场。（3）今后的新产品将融合新材料、纳米技术及印制电子元器件于一体，从而具备各种神奇的新特性。越来越多的新产品将被创造出来，各种新产品将层出不穷的出现，将会极大地丰富我们的生活。（4）3D打印应用的趋势在于个人化，它的优势并不在于颠覆传统的制造行业，而在于颠覆人们创造东西的能力。拥有了3D打印机，就相当于给了每个人一个可以创造事物的工具，这样的工具能够极大地提高个人的创造力。未来的趋势是将创造力从企业、工厂中释放出来，将创新的能力交还给每个人，实现个性化制造。发明家和产品设计师、产品开发人员将大量涌现。（5）利用3D打印技术，越来越多的公司将能提供3D打印服务，为用户提供各式各样的定制化服务。（6）3D打印大大提高了产品的生产效率，极大地降低了产品研发成本和生产成本，提高产品质量与性能，同时也极大地解放了劳动力。（7）随着3D打印的普及，个性化定制将成为重要的生产模式。3D打印与现代服务业的紧密结合，将衍生出新的细分产业、新的商业模式，创造出新的经济增长点。如可以通过购置或者租赁低成本的3D打印设备，利用电子商务等平台提供服务，为消费者定制生活用品、工艺礼品等各类中小产品，激发个性化需求，形成一个新兴的文化创意制造产业，并增加社会就业。（8）3D打印的推广应用将提升我国的产品开发水平，加快工业设计的发展，促进中国产业结构调整，加快制造业产业升级，提升我国创新能力。

尽管3D打印增长迅速，但是相对于整个制造业来说，其产值仍然是微不足道的。跟传统制造业相比，3D打印目前还有许多缺陷，并不能完全替代传统制造业，在精度、生产效率和成本上与传统制造技术还有不少差距。3D打印的大规模推广还有待时日。在3D打印机的快速发展及应用过程中，同时也会给我国制造业的发展带来巨大的挑战。（1）时代在进步，需求在提升，人们已不再满足于千篇一律的东西，消费日益追求个性与时尚，这对产品设计提出了新要求。这对主要从事同质化产品生产的中国传统制造业提出了挑战。中国制造业企业面临重重压力和困难。（2）3D打印改变了过去大规模生产的制造模式，所需工人将大幅减少，使得劳动力成本在生产成本中的比重降低，我国劳动力成本的比较优势将被削弱，这将对当前以劳动密集型为主的我国制造业带来较大冲击。

第二章 3D打印的昨天与今天

3D打印的发展历程

3D打印近两年被媒体炒得火热，引起了社会的广泛关注。实际上，早已有之，它并不是一项新技术，只是一直不为大众所熟知。3D打印的思想最早可以追溯到19世纪末的美国。18～19世纪，欧美国家的商品经济在两次工业革命中得到了飞速发展，生产技术也进行了大量革新，3D打印的思想就是在这一时期开始萌芽的。当然，那个时候并没有3D打印这一说法，毕竟“3D”也是近几十年才兴起的概念。

20世纪80年代末，3D打印才开始了真正意义上的发展。这20多年来，3D打印涌现了几波浪潮，但受限于当时的技术、经济和消费意识，未能大面积的普及应用。直到2008年，随着桌面级3D打印技术的开源，3D打印新一轮浪潮的兴起才具备了更加成熟的条件。近几年3D打印进入了快速发展期，有理由相信它在21世纪势必能得到更加广泛的应用。

3D打印发展简史

那么3D打印具体经过了哪些发展历程呢？我们列出了3D打印史上的一些里程碑似的事件，供大家参考。

1892年，Blanther提出利用分层制造法制作立体地形图的构想。

1940年，Perera提出类似的设想，他提出可以沿等高线轮廓切割硬纸板，然后层叠成型制作三维地形图的方法。

1972年，在纸板层叠技术的基础上，Matsubara提出使用光固化材料——光敏树脂涂在耐火的颗粒上面，然后把这些颗粒填充到叠层，加热后会生成与叠层对应的板层。再将光线有选择地投射到这个板层上，将指定部分硬化，把没有投射到的部分使用化学溶剂溶解掉，这样板层将会不断堆积，最后形成一个立体模型。

1977年，Swainson提出可以通过激光选择性照射光敏聚合物的方法直接制造立体模型。与此同时，Battelle实验室的Schwerzel也开展了类似的研究工作。

1979年，日本东京大学的Nakagawa教授开始使用薄膜技术制作实用工具。

1981年，Hideo Kodama提出功能感光聚合物快速成型系统的方案。

1982年，Charles W.Hull试图将光学技术应用于快速成型领域。

1986年，Charles W.Hull成立了3D Systems公司，这是世界上第一家生产3D打印设备的公司。他研发出了著名的STL文件格式，STL格式逐渐成为CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准。

1988年，3D Systems公司推出了世界上第一台基于SL（立体光固化）技术的工业级3D打印机SLA-250，其体积非常大，并且价格昂贵，但它的面世标志着3D打印机开始了商业化的应用。同年，Scott Crump发明了另一种3D打印技术，即熔融沉积成型技术（FDM），并于1989年成立了Stratasys公司。

1989年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard发明了选择性激光烧结工艺（SLS）。SLS使用的材料最广泛，如尼龙、蜡、陶瓷，甚至是金属，几乎所有粉末材料都可以打印。

1991年，Helisys推出第一台分层实体成型（LOM）系统。

1992年，Stratasys公司推出第一台基于FDM技术的3D打印机， FDM技术步入了商用阶段。

1993年，美国麻省理工学院MIT的Emanual Sachs教授发明了三维印刷技术（3DP），3DP技术类似于二维打印机中的喷墨打印技术。而与SLS工艺类似之处在于，它们都采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂进行连接的。

1995年，Z Corporation获得MIT的许可，开始开发基于3DP技术的打印机。

1996年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation公司各自推出了新一代的快速成型设备Actua 2100、Genisys和Z402。此后快速成型技术才正式开始使用3D打印这一称呼。

1998年，Optomec成功开发出LENS激光烧结技术。

1999年，3D Systems公司推出了SLA 7000，售价80万美元。

2000年，Objet更新SLA技术，使用紫外线光感和液滴喷射综合技术，大幅度提高了制造精度。

2001年，Solido公司开发出第一代桌面级3D打印机。

2002年，Stratasys公司推出了Dimension系列桌面级3D打印机， Dimension系列主要基于FDM技术，以ABS作为成型材料。

2003年，EOS开发DMLS激光烧结技术。

2005年，Z Corporation公司推出世界上第一台高精度彩色3D打印机Spectrum Z510，让3D打印走进了彩色时代。

2007年，3D打印服务公司Shapeways正式成立。Shapeways公司建立了3D打印设计在线交易平台，为用户提供个性化的3D打印服务。

2008年，第一款开源桌面级3D打印机RepRap发布。RepRap是英国巴恩大学Adrian Bowyer团队立项于2005年的开源3D打印机研究项目。随着开源硬件的兴起，开源桌面级3D打印机为新一轮3D打印浪潮奠定了基础。同年，Objet Geometries公司推出革命性的Connex500快速成型系统，这是第一台可以同时使用不同材料打印的3D打印机。

2009年，Bre Pettis带领团队创立了著名的桌面级3D打印机公司——Makerbot。Makerbot打印机主要基于RepRap开源项目，但对RepRap的机械结构进行了重新设计。同时，Makerbot还出售DIY套件，购买者可自行组装3D打印机，由此，个人3D打印机开始兴起。

2012年，英国著名经济学杂志《The Economist》上的一篇关于第三次工业革命的封面文章全面掀起了新一轮的3D打印浪潮。同年9月，3D打印的两个领先企业Stratasys和以色列的Objet宣布进行合并。2012年10月，来自MIT的团队成立Formlabs公司，并发布了世界上第一台廉价高精度SLA消费级桌面3D打印机Fom1，引起了业界的重视。此后在著名众筹网站Kickstarter上发布的3D打印项目呈现百花齐放的盛况，国内也开始了基于SLA技术的桌面级3D打印机研发。

2013年，《环球科学》即《科学美国人》（Scientific American）的中文版邀请科学家，经过数轮讨论评选出了2012年最值得铭记、对人类社会产生影响最为深远的十大新闻，其中3D打印位列第九。同时，麦肯锡公司将3D打印列为12项颠覆性技术之一。

2013年5月29日，首届世界3D打印大会在北京拉开了帷幕，世界3D打印技术产业联盟也在同期成立。

何为3D打印

日常生活中的普通打印机是二维的，使用墨水和纸张进行打印。3D打印机与普通打印机的工作原理类似，但是打印的实物是三维的，并且打印材料有所不同，3D打印机可以使用金属、陶瓷、塑料、尼龙等材料。在将来，几乎任何材料都可以用来进行3D打印。

这听起来有点让人难以理解，好像变魔术不是吗？如果我们了解了3D打印的工作原理，就不会觉得奇怪了。

目前物体成型的方式主要有以下四类：减材成型、受压成型、生长成型、增材成型。

减材成型：主要运用分离技术把多余部分的材料有序地从基体上剔除出去，如传统的车、铣、磨、钻、刨、电火花和激光切割都属于减材成型。

受压成型：主要利用材料的可塑性在特定的外力下成型，传统的锻压、铸造、粉末冶金等技术都属于受压成型。受压成型多用于毛坯阶段的模型制作，但也有直接用于工件成型的例子，如精密铸造、精密锻造等。

生长成型：指利用材料的活性进行成型的方法，自然界中的生物个体发育就属于生长成型。随着活性材料、仿生学、生物化学和生命科学的发展，生长成型技术将得到长足的发展。

增材成型：又称堆积成型，主要利用机械、物理、化学等方法，通过有序地添加材料堆积成型。

3D打印技术从狭义上来说主要是指增材成型技术，将材料逐层添加来制造三维物体。

3D打印机利用热熔喷嘴、激光束等方式，将塑料、金属粉末、陶瓷粉末、细胞组织等材料进行逐层堆积黏结，一层层叠加成型，最终形成三维实体产品。3D打印的工作方式大大降低了制造的复杂度，不需要复杂的工艺，不需要各种其他的设备，不需要众多的人力，可以直接将电脑图形数据转换成任何形状的物品，可以说是一项具有革新性的生产制造方式。

3D打印技术发展至今，其主流生产工艺可分为以下五类。（1）熔融沉积（简称FDM）。熔融沉积主要是把塑料材料用高温熔化成液态，然后通过热熔喷嘴挤压出一个个很小的球状颗粒，这些颗粒在喷出后立即固化，逐层堆积形成三维实物。这种成型技术成本较低，不需要昂贵的激光器等，特别适合有空隙的结构，可节约材料，缩短成型时间，设备体积小。但是，该技术成型速度较慢，精度较低，主要应用于主流的桌面级3D打印机。（2）立体光固化（简称SLA）。立体光固化是最早出现、技术最成熟和应用最广泛的快速成型技术，它主要使用光敏树脂为材料。通过紫外光或者其他光源照射液态光敏树脂使其快速凝固，逐层固化，最终形成三维实物。相比于熔融沉积工艺，其优点是精度高，可以达到每层厚度为0.05～0.15mm，打印的表面比较平滑；缺点是可以使用的材料有限，只能单色打印。（3）选择性激光烧结（简称SLS）。选择性激光烧结利用粉末材料在激光照射下烧结的原理。其具体做法是，首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结成型，接着不断重复铺粉、烧结的过程，最终打印出三维实物。选择性激光烧结最大的优点在于使用的材料广泛，如尼龙、蜡、金属和陶瓷粉末等都可以使用。它的制造工艺简单，材料利用率高，成型速度快，主要应用于铸造业，并且可以用来直接制作快速模具；不足之处是使用成本较高，设备费用较贵。（4）三维印刷（简称3DP）。三维印刷使用粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等。它先铺一层粉末，然后使用喷嘴将黏合剂喷在需要成型的区域，让粉末黏结，形成截面，再不断重复铺粉、喷涂、黏结的过程，层层叠加，最终打印出三维实物。（5）分层实体制造（简称LOM）。分层实体制造工作原理是，供料机构将涂有热溶胶的薄材一段段地送至工作台的上方，切割系统按照电脑提取的横截面轮廓用激光束或其他切割头将工作台上的打印材料割出轮廓线，然后由热压机构将一层层打印材料压紧并黏合在一起，最后形成三维实物。

不同的生产工艺对材料的要求不同，目前熔融沉积主要使用丝状热熔性塑料，立体光固化主要采用液态光敏树脂，选择性激光烧结使用尼龙、蜡、金属和陶瓷等粉末。材料本身的物理特性又会限制不同技术的应用。

按产品应用范围划分，3D打印主要分为工业级、医用级和民用级。其中，前两种级别的3D打印机精度很高，不仅可以打印塑料和树脂，还可以打印金属和高分子材料，以及航空航天所需的部件、医用人造牙齿和关节，甚至包括人体器官。不过，这些设备的价格昂贵，售价在几十万元到几百万元不等。而在民用级市场，3D打印的精度较低，所使用的材料通常为塑料，主要用来制造模型和玩具，或者人偶等。民用设备售价从几千元到几万元都有，体积也更小，适合个人使用。

3D打印的优缺点

相比于传统的制造方法，3D打印有着许多优势，特别适合新产品的开发和单件小批量产品的生产。那么，3D打印究竟有哪些优点呢？让我们对它进行更详细的说明。（1）制造复杂产品不增加成本。传统制造方式，产品形状越复杂，制造成本就越高。而使用3D打印机，制造形状复杂的产品并不增加成本，也无须特殊技能，传统的定价模式将被改变。（2）产品多样化不增加成本。传统制造方式，不同形状的产品，制造工艺不同，需要使用不同的制造设备。而一台3D打印机可以打印几乎任意形状的产品，无须使用其他的制造设备，节约了购买设备的成本。（3）无须组装。传统的大规模生产建立在组装线基础上。在现代工厂里，机器生产出相同的零部件，然后进行组装。产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。3D打印机可以直接打印出来，不需要组装，缩短了供应链，节省了在劳动力和运输方面的成本。（4）零时间交付。3D打印机可以按需打印，即时生产。企业根据客户的需求进行定制生产。可以实现产品的按需就近生产，无须库存，零时间交付将成为可能。（5）零技能制造。传统制造要求的特定技能需要长时间的学习才能掌握。机器虽然降低了对技能的要求，然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3D打印机做同样复杂的物品，所需要的操作技能要少得多。（6）不占空间、便携制造。与传统制造机器相比，3D打印机占地少，制造能力更强。而且3D打印机还可以更自由地移动，适合家用或办公使用。（7）减少废弃副产品。与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时浪费较少，而传统金属加工的浪费量惊人。（8）扩展产品设计空间。传统制造方式生产的产品形状有限，制造的产品形状受制于所使用的工具。3D打印机可以突破这些局限，大大扩展产品的设计空间，可以打印几乎任何形状的产品，这是传统制造技术无法比拟的。（9）精确的实体复制。借助3D扫描技术，3D打印机可以将实体世界的物品进行完整的复制。（10）材料无限组合。目前的制造机器很难将不同材料生产成单一的产品，因为传统的制造机器不能轻易地将多种材料融合在一起。随着3D打印技术的发展，3D打印机将可以把不同材料融合在一起，生产出的产品由多种材料组成，可以具备多种颜色和性能。

3D打印的优点很多，有些是已经实现的，而其他会在将来成为现实。当然，还有更多的优点有待我们去发掘。不过，3D打印也有它的局限性。（1）精度欠缺。传统的精密加工，精度起码要达到微米级，也就是千分之一毫米。而目前世界上最好的3D打印机，其打印精度很难达到百分之一毫米，这种精度难以满足许多高精度领域的使用要求。（2）强度不够。对于一般要求较低、专业性不强的部件，3D打印可以满足要求。但对于强度要求高的产品，3D打印就明显力不从心了，这是快速成型技术本身就存在的缺陷和局限性。（3）成本高。工业级3D打印机的价格从几十万元到几百万元不等，高昂的价格，不但个人，连很多企业都无法承受。民用级3D打印机虽然现在的价格比以前已经便宜了很多，最便宜的已经降到几千元以内，但是普通家庭愿意购买的仍然很少。（4）效率过低。目前3D打印机的打印速度很慢，一个小东西，打印出来就需要几个小时，虽然比传统的速度快得多，但是如果要进行批量的生产，效率还是过低。（5）材料局限。制约3D打印发展的最大瓶颈应该算打印材料了。目前，3D打印机可以使用的材料非常有限，主要是石膏、光敏树脂、塑料等，但这些材料还远远不够。要打印各种东西，还需要更多的材料支持。

3D打印在中国

3D打印虽然存在一些缺点，但比起传统制造技术，无疑是一种革命性的进步。

1988年10月底，从美国加州大学洛杉矶分校做完访问学者回国的清华大学颜永年投身于这一领域。他多次邀请美国学者来华讲学，并建立了清华大学激光快速成型中心。颜永年与香港殷发公司——美国3D Systems公司的代理商，形成合作关系。由清华大学提供场地、人员，香港殷发公司提供设备，成立了北京殷华快速成型模具技术有限公司，这是国内第一家3D打印公司，由颜永年担任董事长。

1991年，在时任校长、已故著名机械制造专家黄树槐的主持下，华中科技大学成立快速制造中心，研发基于纸材料的快速成型设备。

1994年，西安交通大学教授卢秉恒牵头成立了先进制造技术研究所。由于资金不足，卢秉恒从软件开发起步，进而试制紫外激光器并进行材料开发，最终制造出一台具有基本功能的3D打印机样机。同年，华中科技大学快速制造中心研制出国内第一台基于薄材纸的LOM样机。

1995年，西北工业大学教授黄卫东把3D打印技术和同步送粉激光熔覆技术相结合，形成一种新技术，用于直接制造可以承载高强度力学载荷的致密金属零件。

1997年，航空科学基金首次设立重点项目，黄卫东团队的“金属粉材激光熔凝的显微组织与力学性能研究”项目，在评审组长左铁钏的力挺下得以通过。同年，黄卫东的激光定向凝固研究项目又获得国家自然科学基金的资助。同一年，卢秉恒团队卖出了国内第一台光固化快速成型机。

1998年，颜永年将快速成型技术引入生命科学领域，提出“生物制造工程”学科概念和框架体系。同一年，华中科技大学快速制造中心引进史玉升，专门负责选择性激光烧结技术和选择性激光熔化技术，这是目前直接获得金属件最成功的方法。

1999年，史玉升用他们自己的技术与装备造出了第一个产品——电脑鼠标外壳。

2001年，黄卫东团队申请了中国第一批关于激光立体成型的源头创新专利，至今已获得激光立体成型的材料、工艺和装备相关的国家发明和实用新型专利12项。颜永年研制出生物材料快速成型机，为制造科学提出一个新的发展方向。此后，西北工业大学、华中科技大学等多家单位都将生物制造视为重要方向。

2006年，上海民营企业凯泉泵业引进了滨湖机电的激光烧结3D打印机。后来，凯泉泵业在争取一个小批量、个性化设计的核泵项目时，这台3D打印机起了作用。

2010年，史玉升团队取得突破，研制出工业级的1.2m×1.2m快速制造装备，这是世界上此类装备的最大工作面，超过德国EOS公司和美国3D系统公司的同类产品。

2012年10月15日下午，中国3D打印技术产业联盟正式宣告成立。

近几年，国内关于3D打印的门户网站、论坛、博客如雨后春笋般涌现，各大报刊、网媒、电台、电视台也争相报道关于3D打印的新闻。

20世纪八九十年代，3D打印在中国刚开始起步，经过20多年的发展，中国在3D打印科研方面已经具备了一定的实力，为将来3D打印在中国的发展奠定了基础，但目前的3D打印离普及应用还有很长的路要走。通过了解3D打印在中国的发展进程，相信对今后3D打印的发展是有指导和借鉴作用的。

千奇百怪的3D打印机

从20世纪80年代，3D打印机在美国走出意义重大的第一步开始，经过这些年的发展，3D打印的应用领域越来越广。在美国，3D打印机的概念普及和技术应用最广泛。美国人热衷于DIY，对这个新鲜事物很热情。3D打印机是非常方便的新工具，越来越多小型的3D打印机开始进入美国普通大众的日常生活。

3D打印机的功能远远超出我们现在的想象，它有着非常广泛的用途。根据不同的用途，将会有不同的3D打印机，那就让我们先一睹千奇百怪的3D打印机吧。

便携式3D打印机

目前的3D打印机主要应用于工业上，体积比较大，价格昂贵，动辄几十万元，甚至几百万元。对于普通用户来说，当然是没有办法承担的。幸好，桌面型3D打印机逐渐多起来，主要针对个人用户，体积越来越小巧，价格也越来越“平民”了。

图2-1所示的桌面型3D打印机J-Rev由Japica的创始人Benjamin McDaniel发明，设计非常独特，它只有公文包那么大，选用了FFF （Fused Filament Fabrication）工艺作为立体成型的解决方案。与其他桌面3D打印机不同，J-Rev拥有独特的机械结构。图2-1 桌面型3D打印机J-Rev

J-Rev使用CoreXY技术驱动喷头X轴和Y轴的传动，设计上采用了体积更大的Nema 17步进电动机，但并不增加设备顶部的重量。相比于其他3D打印机，J-Rev挤出机的质量和体积更小，这样的设计能够有效控制出料流量。

J-Rev的外形和打印过程都十分有趣。打印的过程就像一个升降台缓缓升起，四个可伸缩的支柱慢慢托起设备的顶部平台，喷头通过传动装置实现XY方向的平移。

除了上面的便携式3D打印机，我们再介绍一款可以装在手提箱里的多功能3D打印机。Ilan Moyer和Nadya Peek利用业余时间联手开发了一个名为PopFab的多功能工具包，这个工具可以包装在一个手套箱里，如图2-2所示。图2-2 PopFab多功能工具包

除了3D打印功能外，这个工具箱还可以用来切割塑料、研磨和绘图。

德国工业设计师Stefan Reichert也打造出了一款造型小巧的3D打印机——XEOS，如图2-3所示。XEOS的设计非常紧凑，长、宽、高分别为47cm、25cm、43cm，但由于机器本身尺寸的限制，XEOS的最大打印尺寸为122mm×122mm×122mm。图2-3 XEOS3D打印机

这款XEOS 3D打印机采用了一种全新的打印机控制臂，机身外壳的尺寸比一般的机型减少了66％，而且能够使用户直接在桌面上迅速地创建和验证几何图形。

XEOS的外观和控制功能设计得都很简洁，外壳上只有一个“stop and open（停止并打开）”硬件按钮来进行打印控制并避免超载运行。XEOS 3D打印机在停止工作15分钟后会自动进入待机模式，并在接收到下一个打印作业信号时重新运行。通过打印机遮光玻璃后非常清晰的大号LED屏状态栏，用户可以监视打印进度。

相比于国外的几款，国内福建海源三维打印高科技有限公司推出的折叠式3D打印机，整体的设计更加美观，已经是上市销售的成熟产品了。这款折叠式桌面级3D打印机的外观设计独特，可进行折叠收纳，方便携带和移动，配备了一个彩色显示屏，可以随时了解打印动态，如图2-4所示。软件可实现一键打印，操作简单，用户体验也是非常好的，并且它达到了准工业级的性能，打印精度最高可达0.1mm，打印尺寸为180mm×180mm×170mm。图2-4 福建海源三维打印高科技有限公司推出的折叠式3D打印机

如果说这些3D打印机还不够轻巧，那下面这款3D打印机应该够小了吧，如图2-5所示。研究者在维也纳技术大学，使用一种“双光刻”的工艺去打印结构比一粒沙还小的东西。它的尺寸很小，机器总质量也仅仅为1.5公斤，预计的售价约为1300欧元。从它的外观判断，顶多只能打印戒指、耳环等尺寸极小的东西。这款迷你3D打印机的工作原理是将原本柔软的树脂材质堆栈成型，以LED灯光连续照射加以硬化，逐步堆出3D模型。

每天都有很多新的3D打印机出现，谁能说这就是世界上最小的3D打印机呢？但是可以肯定的是，它确实非常的小，尺寸只有牛奶盒那么大。图2-5 迷你3D打印机

全彩桌面3D打印机

普通桌面级3D打印机目前只能打印单色的产品，虽然有双喷头，三喷头3D打印机可以打印双色、三色的产品，但毕竟一次打印的颜色有限，更复杂的颜色就无法打印出来了。还好，现在桌面级3D打印机也有全彩的了，让普通用户也可以打印出色彩缤纷的产品出来。

美国纽约的软件开发公司botObjects推出的ProDesk3D全彩桌面3D打印机，成了大众关注的焦点，如图2-6所示。标准版本的ProDesk3D 3D打印机预定售价为2849美元，配有一套5色墨盒等相关配件。图2-6 ProDesk3D全彩桌面3D打印机及其打印实物

这款3D打印机最大的亮点是全彩3D打印，它采用5色的PLA墨盒系统，能够像传统的喷墨打印机一样通过双喷嘴对3D打印对象进行渲染，形成各种丰富的颜色。目前官方支持预订墨盒，每套墨盒售价为49.95美元。另外，在使用PLA或PVA材料的时候，该打印机可将精度误差控制在25µm以内，甚至支持打印ABS材质。

虽然可以对3D模型进行表面着色，但如果从一开始就能用3D打印机制造出彩色3D模型，则可省去其中的麻烦。

吃进去的是沙子，吐出来的是艺术

沙子和玻璃有很多相同的成分，如果有一种3D打印机，能够直接使用沙子进行打印的话，那就美妙了。沙漠里面的沙子几乎是取之不尽、用之不竭的，有了这种3D打印机，就可以变废为宝，用沙子来建造房子了。

工业设计师Markus Kayer还真发明了这样一款3D打印机，可以利用沙子和太阳光打印出不可思议的作品。他用了半年的时间制作出两台装置。第一台装置叫太阳能切割机Sun Cutter，技术含量不高，通过大型球面透镜把太阳光聚焦到一个平面上，并用一个摄像系统进行控制，当平面在聚焦光线下移动时，它就会像激光一样对平面物体进行切割。

Markus Kayer接着又开始研究3D打印。他把沙漠中最丰富的两种资源（沙子和阳光）进行了充分利用，发明了第二种装置：太阳能烧结装置Solar Sinter，这种装置可以使用阳光熔化沙子，然后做出3D物体。2013年5月中旬，在埃及Siwa沙漠，Markus Kayer对这两款设备进行了为期两周的测试。如图2-7所示。图2-7 Markus Kayer的测试图2-7 Markus Kayer的测试（续）

以纸张做原料的3D打印机

传统的打印机使用纸张和墨水进行打印，那么3D打印机能不能使用纸张和墨水呢？如果是一年多前，我们还不敢明确的回答，但是现在，答案是肯定的。图2-8所示的3D打印机Matrix 300＋可以使用普通的纸张作为材料进行打印，不同于其他的3D打印机需要使用特殊的材料，而且这些材料一般地方买不到。这款3D打印机使用的纸张就是我们平时使用的A4纸张，以及水性胶黏剂，这些都可以很轻易地购买到，这样确保了打印的产品环保无害。图2-8 Matrix 300＋3D打印机

图2-9所示的水果，看起来和真正的水果一模一样，如果不告诉大家，谁又会想到它们竟然是用纸张打印出来的呢。拿起这些水果，就会发现它们其实非常坚硬。因为使用的是纸张，所以打印的成本相对来说就非常低廉了。如果这么实用的3D打印机价格适中的话，则将是非常有市场前景的。目前高达几十万元的价格可不是一般人能承受得了的，看来我们还得等它价格足够低的时候再考虑了。图2-9 用纸张打印出来的水果

3D巧克力打印机

如果说前文提及的那些3D打印机离我们的生活还很远，大部分人还用不上，那么相信3D巧克力打印机大家会感兴趣，尤其是那些热爱生活的“美食家”们。早在2012年4月，全球首款3D巧克力打印机Choc Creator 1就诞生了，如图2-10所示。

这款桌面级3D巧克力打印机，使用巧克力作为打印材料，采用注射的方式进行打印，打印头安装简单，使用非常方便，还可以随时进行更换和清洗。对于美食爱好者来说是很好的工具，可以让他们可以充分发挥创造性，获得更丰富的美食体验。

它的打印尺寸为175mm×175mm×70mm，最大打印线速度约为30mm/s。虽然速度不算太快，但可以让每个顾客都能够轻松地打造个人专属的巧克力，还是相当不错的。如果能用巧克力打印出立体的个人化信息，如某人的脸部图像，肯定会大受欢迎。图2-10 Choc Creator 13D打印机及其打印的巧克力图2-10 Choc Creator 13D打印机及其打印的巧克力（续）

Choc Creator 1 3D巧克力打印机售价约2888英磅，大家可能会觉得贵。更大的不足是，它的外观设计不够美观，更像是工业原型机，而不是我们平时所使用的食品机、咖啡机、泡茶机和电饭煲等家用电器。用如此贵的价格去购买看起来如此粗糙的产品，估计大家都不会接受。

还好，现在又有了新款的3D巧克力打印机ChocoByte，由悉尼的发明者Quinn Karaitiana设计，售价仅约为600元人民币（如图2-11所示），实在够便宜，而且这款机器的设计更加精密和美观。图2-11 ChocoByte的3D巧克力打印机

ChocaByte上有一个可填充的巧克力墨盒，只需要把巧克力墨盒放在微波炉或热水中微微加热一下，然后放入打印机中，按下开始键打印即可。不到10分钟，新鲜的巧克力模型就出炉了，最大打印尺寸为50mm×50mm×25mm。

用户可以根据自己的喜好，随意打印各种不同形状的巧克力。我们可以从ChocaByte网站的模型库里下载心仪的巧克力设计。同时，机器自带的软件上也会提供一些不错的图案。当然，我们也可以随意发挥想象力，自己设计巧克力的形状。

除了这些国外的3D巧克力打印机之外，国内也有相关的公司推出了类似的产品，青岛尤尼科技即将推出的3D巧克力打印机如图2-12所示。这款巧克力打印机的外形设计更像是普通桌面级3D打印机，它使用巧克力粉作为打印材料。既然能够使用巧克力粉，想必今后也可以将其他食品做成粉末进行打印了，估计很快就会有3D面条打印机、3D面包打印机和3D饼干打印机等各式各样的食品打印机问世。图2-12 国内生产的3D巧克力打印机

相信将来的3D巧克力打印机和其他食品打印机的使用会非常简单，就如我们使用电饭煲煮饭一样，而且价格也会足够便宜。等各种食品打印机批量上市，对于美食家们来说就真是有口福了，随时可以享受各种美食，而且是享受自己DIY的乐趣。但这是否会对厨师们的工作造成影响呢？

多功能3D传真机

集成扫描、打印、传真于一体的打印机司空见惯，而且价格便宜，千元左右就可以购买到。那么3D打印机呢？除了打印之外，如果也能支持传真，那么便犹如千里传物般，可以直接进行实物的远程传输了。

现在这已经不是问题了。据媒体报道，创业团队AIO Robotics计划推出一款名叫Zeus的3D打印机，如图2-13所示。与普通3D打印机不同，它还支持扫描、复印及传真等功能。图2-13 Zeus3D打印机

3D打印机Zeus配备了一块7英寸的彩色触摸屏，内置了基于ARM芯片的电脑，这样无须连接电脑，就可以独立进行工作了，而且操作起来也非常方便，就如普通打印机般，可以傻瓜式操作。当然， Zeus需要连接互联网。

Zeus的设计思路，应该是参考了普通打印机。将来家用或者办公用3D打印机，很有可能就是这样的样式了。不仅仅是打印，还可以用它对产品进行扫描，然后再复制出一模一样的东西。扫描出来的3D模型，或者其他3D模型，也可以直接传真给别人，在其他机器上打印，功能实在够强大和神奇。

对于3D打印爱好者来说，还有一个好消息，那就是AIO Robotics团队将提供一个开放源码包，里面包括了所有传感器和电动机的控制接口，同时还有所有必要的硬件安装图纸。这样大家就可以对Zeus自行进行修改，DIY出自己的多功能3D传真机了。

全能一体化3D打印机

3D打印机确实是个好东西，可以让大家随意打印自己喜欢的产品。但是，目前的3D打印机种类很多，没有普适性，总不能想要什么东西就去买一台吧？那样就太浪费了。那么有没有一台可以集多种功能于一身，可以打印各种东西的3D打印机呢？答案是有的。

意大利的一家创业公司FABtotum开发了一款集合了3D扫描、3D打印、裁切和抛光于一身的全能一体化3D打印机，如图2-14所示。它带有升降旋转平台，一机多用，比多功能3D传真机更进一步，更加实用了，还是让我们先一起来看看这台“神器”吧。

这款全能一体化3D打印机FABtotum使用的是可拆卸的打印头，可以装载多个模型削减钻头或一个打印喷头。例如，更强大的电动机、一个小的激光二极管模块（用于剪纸）、一个取放夹或注射器。FABtotum甚至可以用于复杂的线圈绕线、激光切割和磨双面PCB，甚至做4轴等离子切割。图2-14 FABtotum全能一体化3D打印机

FABtotum用普通FFF方式（Fused Filament Fabrication）进行打印，打印尺寸为210mm×240mm×240mm，精度为0.47µm，它带有一个双头的雕刻和抛光主轴电动机，可用于加工木材和黄铜等常见材料。

一个完整的FABtotum DIY套件只需999美元，而组装好的FABtotum售价为1099美元，全球包邮。这么强大的功能，这个价格还是很有吸引力的。

3D打印的先行者

通过了解3D打印的发展历程，我们对3D打印产业的一些先行者有了大致的认识。这些先行者在整个3D打印产业的发展过程中做出了巨大贡献。很多先行者现在依然活跃在3D打印产业的前沿。3D打印从最开始在实验室里默默无闻，不被外人所知，到现在3D打印技术越来越成熟，应用面也越来越广，都得归功于这些先行者这么多年的持续付出，所以在此有必要给予他们更多的关注。

3D打印专利情况

在3D打印技术多年的发展历程中，大量的科学家和研究人员参与其中，产生了大量的专利技术。各个国家和地区3D打印发展的情况，在一定程度上可以通过专利技术的数量和质量得以反映。

3D打印技术自诞生到1993年，国外总共产生了80件专利，专利数量较少且分布较为分散。1995年之前，3D打印技术还处于萌芽期，专利申请量增长缓慢。1996—1998年期间，专利申请量平稳增长。1999—2003年，专利申请呈现出快速增长的趋势，2003年达到了高峰，美国、欧洲、日本的专利申请所占比重较大。随后专利申请量出现下滑的趋势，处于技术发展的相对成熟期，主要是由于3D打印材料及打印对象的限制所导致的。

美国、日本、德国、韩国是拥有3D打印技术专利最多的国家，申请专利达1750件，占全部专利的69.3％。其中，美国是3D打印技术领先、实力最雄厚的国家，专利主要集中在大型的3D设计软件、3D扫描技术，以及基于熔融材料、黏结材料的成型技术等方面。欧洲、日本的实力也不容小觑。英国的优势在于Reprap开源项目的3D桌面打印技术；日本的优势则在于对基于气泡技术的三维打印机喷头的研究。

我国从20世纪80年代末开始涉足3D打印领域，在1999年之前专利申请量较少，还处于萌芽时期，并没有引起足够的重视。2000—2007年间，专利申请量开始稳步增长。2007年之后，专利申请量快速增长，目前中国专利申请总量达到了824件，并且已经处在研发的快速成长阶段。

在科学家和研究人员的努力下，3D打印技术得以显著进步。但真正能够将3D打印推向市场还得靠企业。下面我们就来看看国内外有哪些3D打印的知名企业吧。

国外3D打印知名企业

说到3D打印产业，有两家公司是不得不提的，它们是3D打印产业的先行者，同时也是目前全球3D打印产业中最大的两家企业。这就是美国的3D Systems公司和以色列的Stratasys公司，两者均成立于20世纪80年代。3D Systems公司于1986年由开发出立体光固化技术（SLA）的查尔斯·胡尔（Charles W.Hull）创立。Stratasys公司于1989年由开发出熔融沉积成型（FDM）技术的斯科特·克伦普（ScottCrump）创立。

两家公司在全球3D打印市场中都处于领先地位，主要体现在专业3D打印机领域。2010年全球专业3D打印机销量中，两家公司共占据了74％的份额，其中Stratasys公司占56％，3D Systems公司占18％。此外，3D Systems公司在个人3D打印机市场中也处于领先位置，2010年销售量达到2500台，占个人3D打印机全球销量的42％。

3D Systems公司的业务较广，除了生产销售3D打印机外，还涉及3D打印材料和3D打印服务等。3D Systems公司最初只生产专业和工业级3D打印机，此后通过并购如ZCorp和Vidar等企业开始涉足个人3D打印机。

Stratasys公司拥有uPrint、Dimension和Fortus几个品牌的3D打印机产品。在2011年收购了Solidscape公司，获得了该公司DoD技术及其一系列产品。2012年12月，Stratasys公司同以色列公司Objet合并，又拥有了Objet公司基于Polyjet技术的系列产品，是目前全球最大的专业及工业级3D打印机生产商。

ExOne公司成立于2003年，于2013年2月在纳斯达克交易所上市，是继3D Systems公司和Stratasys公司之后全球第三家3D打印行业的上市公司。ExOne公司主要从事工业级3D打印机的生产销售，以及3D打印服务。2012年主营业务收入达2865.7万美元，ExOne公司的收入和毛利润自2010年以来连续上升，2011、2012年的收入增长率分别为13.8％和87.4％，毛利润增长率分别为18.8％和233.3％。

除了上面三家已经上市的3D打印机公司外，发展不错的还有一些从事个人3D打印机的公司。MakerBot公司在3D打印机的个人用户中可谓是无人不知的。MakerBot公司的3D打印机Replicator2和Replicator2X可以说是最经典的个人3D打印机。与几家大的3D打印机公司相比，MakerBot公司的个人3D打印机更受个人用户青睐。MakerBot公司虽然2009年才成立，但是发展非常迅速。从2009年到2011年，MakerBot占据了16％的3D打印机市场份额，而2011年达到了21.6％。到2012年，份额上升到25％以上。MakerBot公司在2011年8月就获得了包括亚马逊的创始人杰夫·贝索斯等人在内的1000万美元的投资，并于2013年6月被Stratasys公司以4.03亿美元收购。

国内3D打印知名企业

在2013年，全球从事3D打印行业的企业，包括研发机构、设备商、材料商和服务商，大约有100多家，而国内有近40家。到了2014年，中国已经达到了上百家，从数量上看是不少了，但总体规模都不是很大。设备商中，3D打印机年产量超过千台的仅数家，主要集中在低价桌面级3D打印机市场，如北京太尔时代、杭州铭展和金华闪铸等。拥有核心技术的，那就更少了。不过发展势头不错，目前也有为数不少的创业团队在进行着3D打印机的组装和开发。

北京太尔时代科技有限公司，前身是北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司，成立于1993年。太尔时代从事多种工艺的3D打印设备生产，专业级3D打印机和个人3D打印机都有研发与销售，广泛应用于工业制造、航空航天、医疗、教育等多个领域。太尔时代的技术依靠的是清华大学颜永年教授的科研团队。2012年，太尔时代的UP！3D打印机获得美国《Make》杂志个人3D打印机的最高评价。

北京隆源自动成型系统有限公司是我国较早进入3D打印市场的企业，公司于1994年成立，创始人是当时清华大学高分子材料研究所的研究员冯涛先生。公司创立当年便研制成功了中国第一台利用选择性激光烧结技术（SLS）的快速成型设备。2003以后，隆源又与华南理工大学合作研究选择性激光烧结技术（SLS）。现在隆源的业务范围的重点是航空军事、汽车制造领域，对医疗领域也有涉足。2012年，北京隆源设备销售的营业额达到3000多万元，已成为我国3D行业的领头企业之一。

武汉滨湖机电技术产业有限公司是由华中科技大学、武汉市科委和深圳创新投资公司共同组建的高新技术企业，于1996年成立，现由华中科技大学快速制造中心主任史玉升教授担任董事长。该公司主要从事工业级3D打印机的研究开发，所开发生产的大型激光粉末烧结（SLS） 3D打印机在国际上领先。滨湖机电还先后开发了多种3D打印机，已经商品化生产的产品包括分层实体制造（LOM）快速成型系统、立体光固化（SLA）快速成型系统、金属粉末熔化（SLM）快速成型系统。

陕西恒通智能机器有限公司成立于1997年，是西安交通大学快速成型工程研究中心3D打印技术的产业化平台，由研究中心主任卢秉恒院士担任董事长。该公司主要的打印技术是立体光固化（SLA），并于1997年研制并销售国内第一台光固化快速成型机。该公司现已经推出个人3D打印机，售价不到7000元。

南京紫金立德电子有限公司成立于2008年9月，位于南京经济技术开发区，是由江苏紫金电子集团有限公司与以色列Solidimension公司合资建立的，专业生产桌面式三维立体打印机。紫金立德公司现拥有年产5千台桌面式3D打印机的生产能力。

湖南华曙高科技有限责任公司于2009年由许小曙博士回国创建，专门从事不同3D打印材料的研究，包括塑胶、金属、陶瓷等。华曙高科已经成功研制出中国首台高端选择性激光烧结尼龙3D打印机，成为继美国3D systems公司、德国EOS公司后，世界上第三家该项设备制造商；同时，也成功研制出了可用于3D打印的尼龙材料，成为继德国Evonik公司后，世界上第二家该类材料制造商；除了生产设备和材料外，华曙高科还从事终端产品的加工服务，已经形成了选择性激光烧结技术（SLS）完整的产业链，目前还是全球唯一一家。

中航重机于2011年7月同其控股子公司中航（沈阳）高科技有限公司、王华明研发团队共同投资成立中航激光成形制造有限公司，正式进入3D打印行业。王华明教授是北京航空航天大学激光制造的学术带头人，其团队因在飞机钛合金大型整体关键构件激光成型技术研究的卓越成就而获得2012年度国家技术发明奖一等奖。

以上就是部分国内比较知名的3D打印企业。虽然相对国外有些起步较晚，但发展势头非常迅猛，有理由相信在不久的将来，我国的3D打印企业将会在国际上占有重要地位。

3D打印产业的今天

经过20多年的发展，3D打印已经应用于很多领域。从行业分布来看，消费电子领域的应用占主导地位，大约占20.3％的市场份额，其他主要领域依次是汽车（19.5％）、医疗和医科（15.1％）、工业及商用机器（10.8％）等。

原来的3D打印机基本上都只出现于大医院、研究机构及相关企业中。但现在，3D打印机可以做到和普通的喷墨打印机一样的大小，离人们的生活越来越近，3D打印机也越来越“平民”化。很多创业公司都开始提供各种各样的3D打印机，如MakerBot的3D打印机、香港Makible售价仅为2000元钱的3D打印机；还有一些创业公司提供3D打印服务，如MakieLab、GrabCAD、Formlabs等。

前面我们介绍过国内外知名的3D打印企业，事实上，随着3D打印产业的快速发展，越来越多的大公司看到其中的前景，开始跨界进入这个行业。

震旦集团，中国办公行业领导品牌，2013年9月25日宣布与全球3D打印技术领导品牌Stratasys公司进行合作。震旦取得了Stratasys公司灵感系列商品在中国的总代理权，将主推灵感系列Mojo与U-print等共三个型号。而在将来，震旦还有望成为Stratasys公司另外两个系列（制造系列和创造系列）的中国总代理。当然震旦并不是唯一一个进入3D打印机领域的办公设备公司。

著名2D打印机生产商惠普公司也于2013年10月宣布进军3D打印市场，并将于2014年中期发布3D打印产品。惠普推出的3D打印机将专注于打印的速度和成本，是面向企业的3D打印机，而不是消费者市场。其实早在2012年，惠普就启动了RAGNAROK项目，惠普实验室正在着力研究将玻璃作为3D打印材料的可能性。因为玻璃易于回收利用，属于环保材料，而且玻璃的价格便宜。

著名电脑商戴尔也冲进了3D打印行业，这就让人有些惊讶了。2014年初，戴尔宣布将与MakerBot公司合作，向美国中小企业提供Replicator 3D打印机和3D扫描仪等产品，合作于2014年2月20日开始。MakerBot 3D打印机将加入戴尔旗下的工作站产品线，这将帮助客户利用3D设计方案简化和测试新产品的设计。

震旦、惠普和戴尔这些大公司的进入只是开始，随着3D打印大部分专利技术将到期，以及大家慢慢意识到3D打印的广阔前景和重要性，更多的公司将逐渐加入到3D打印行业中来，这将更进一步加快3D打印行业的发展。

全球3D打印市场规模

作为新兴产业，3D打印行业与传统行业相比，在全球究竟占有多大的市场份额呢？如果您不满于“很少”、“比较少”、“有潜力”这些模糊的描述，我们将为您提供答案。

据Wohlers Associates统计，从1988年到2012年这25年间，3D打印产品和服务的收入复合年增长率为25.4％，2012年销售额达到22.04亿美元，相比于2011年17.14亿美元的规模增长了29％。而2010年到2012年这三年的复合年增长率达27.4％。从区域分布来看，北美地区（40.2％）、欧洲（29.1％）、亚洲（26.3％）三大区域占主导地位，其中亚洲地区主要集中于日本（38.7％）及中国（32.9％）。未来5～10年间，3D打印行业仍将以年均20％以上的速度增长，至2021年全行业实现产值将达到108亿美元。

世界范围内，生产和购买3D打印机最多的国家均是美国，中国所占的份额还很小。截至2011年，全球累计销售的4.9万台专业3D打印机中，有近四分之三是美国制造的，以色列和欧洲各国的份额分别占到9.3％和10.2％，而中国3D打印设备仅占到3.6％。如果将2012年被美国Stratasys公司收购的以色列Objet计入美国，美国所占的市场份额就更大了。此外，美国还是拥有3D打印设备保有量最多的国家。根据《沃勒斯报告2013》的预测，截至2012年底，世界38％的工业级3D打印机在美国，中国占到8.7％，此外日本和德国占比也比较大，分别占到9.7％和9.4％。

相比2D打印，每年几百亿乃至上千亿美元的市场来说，3D打印每年的市场空间只有几亿到十几亿美元，还是一个孕育中的市场。未来广阔的应用前景及3D打印技术的长期影响没有人能预测。

何去何从？中国3D打印产业

中国的3D打印产业尚处于发展的初级阶段，仍有不少核心技术与材料依赖进口，核心技术尚被美国、德国、以色列等国家所掌控，如Stratasys公司和3D Systems公司就各持有了几百项专利。在3D打印软件领域，我国的技术近乎空白。目前我国3D打印产业的规模还很小，大部分3D打印公司还处于投入阶段，具有良好产出的公司并不多。

从以下两个方面，我们可以具体了解一下现在我国3D打印产业是什么样子的。

1．技术研发

3D打印领域，我国部分技术已处于世界先进水平。其中，激光烧结技术较为领先，已能够满足特种零部件的使用要求，率先应用于航天、航空装备制造。而生物3D打印技术也取得了显著进展，已可以制造简单的生物组织。

但我国3D打印企业的规模普遍较小，研发力量不足。与3D打印产业的引领者3D Systems公司和Stratasys公司相比，差距就会非常明显。这两家公司每年都投入1000多万美元用于研发新技术，研发投入占销售收入的10％左右。它们不仅研发设备、材料和软件，而且以合作开发、直接购买等方式，获得大量来自企业外部的相关专利技术。

2．产业应用

国内一些知名的、技术实力强的3D打印公司，基本都是依托于高校的成果转化，对3D打印技术进行产业化，如北京殷华依托于清华大学、陕西恒通智能机器依托于西安交通大学、湖北滨湖机电依托于华中科技大学。北京太尔时代生产的桌面3D打印机的价格和质量已具备了国际竞争力，在欧美市场已经有一定知名度和市场占有率。更多的3D打印机公司是从代理经销国外公司的3D打印设备和3D打印材料等起步的。有些企业通过购买国内外各类3D打印设备，专门为相关企业提供3D打印服务，如广东省工业设计中心、杭州先临快速成型技术有限公司等。

虽然技术上我国和欧美国家还有一定的差距，但作为一项新兴产业，各国基本处于同一起跑线。发达国家在3D打印产业上是有优势，但我国的差距并不太大，因此，只要措施得当，我们未必不能迎头赶上。

我们可以做的是：（1）打造3D打印产业链

作为一个起步中的新兴行业，3D打印的发展离不开大量企业的参与，也少不了政府的扶持。在财政和政策上，国家应该鼓励和支持企业在3D打印的研发、生产和应用等方面的投资。

3D打印产业的发展需要具备完善的产业体系，如工业设计机构、3D打印机生产商、3D打印材料生产商、3D打印设备经销商、3D打印服务商等，很多环节中国都比较欠缺。因此我国需要培育一批3D打印企业，打造并逐渐完善3D打印产业链，同时创建国家级的3D打印产业基地。（2）积极参与到3D打印产业中

3D打印的发展需要有金融资本的参与，由政府进行前期引导，学校和研究机构进行前期的基础研发，而企业进行后期的应用开发，以及市场化运作。这方面我们做得还不够，但是已经取得了一定的成就。如果国内各地政府，以及众多高校和研究机构，相关企业加入3D打印产业中来，那么3D打印的发展将会更加迅速，5年内就可以实现跨越性的进步，追赶欧美也不再是梦想。（3）建立3D打印产业联盟、行业协会

3D打印产业有着广泛的应用领域、庞大的产业链和巨大的市场前景。整个3D打印产业要发展起来，不是一两个企业，也不是一两个行业就可以推动发展起来的。需要众多企业和众多行业都参与其中，形成产业联盟、行业协会来共同推动发展。

我们应积极引导工业设计企业、3D数字化技术提供商、3D打印机及材料研发企业和机构、3D打印服务应用商组建产业联盟，加强与发达国家的技术合作，尽快将3D打印机推向市场；利用有关学会、协会的平台加强研讨和交流，共同推动3D打印技术的研发和行业标准的制定，规范市场。（4）建立3D打印服务平台

建立3D打印服务机构，采取政府、大学、企业共建的方式，收集各行业对3D打印的需求，开展3D打印技术科技研发、产品制造和3D打印服务等。（5）加大对3D打印产业的扶持力度

设立3D打印产业发展专项基金，重点扶持打印软件、设备、材料等核心技术与工艺的研发，加大对3D打印产学研的扶持；推动企业进行3D打印产业化，在市场销售、社会推广上给予更多的支持和宣传。（6）加强3D打印教育培训

3D打印产业的发展需要大量的3D打印行业人才。目前3D打印产业是新兴行业，相关的人才还非常欠缺，这一定程度上会限制3D打印产业的发展。那么通过3D打印教育培训进行相关人才的培养就变得迫在眉睫了。

将3D打印纳入相关学科的课程体系是一种非常好的方式，让学生可以接触到这一最前沿的科技，对他们的学业和将来的工作都会有很大的帮助。我们还可以依靠行业协会、博览会、论坛等形式进行3D打印技术和周边应用的培训。在科技馆、文化艺术中心、青少年活动中心等相关的公共场所进行3D打印的展示、宣传和推广，这样会有更多的人特别是青少年关注3D打印，为整个行业的发展注入活力和后劲。3D打印也可以走入社区、商圈、高校等人气集中的地方进行活动展示，让普通大众和大学生等都可以近距离地了解3D打印机，可以起到很好的科普作用。（7）打开3D打印应用市场

3D打印产业发展最大的问题在于如何打开应用市场，3D打印行业只有真正赚钱了才能持久地、更好地发展下去，也才会有更多的人和公司加入到3D打印产业中来。仅靠概念的炒作，只能让人乘兴而来，失望而归。

第三章 3D打印，影响未来的全新产业

3D打印时代来了

经过近年来电视、网络等媒体的大肆宣传，许多人对3D打印已经有了一个初步的认识。今天，3000元的桌面级3D打印机已经足够便宜，完全进入了普通大众的承受范围。虽然精度还不尽如人意，并且只能使用ABS和PLA等塑料，但进行简单模型的打印还是绰绰有余的。我们生活中能用到的物品，比如简单的水杯、汤勺，复杂一些的拼装玩具等，几乎全都能用它打印出来。

实际上3D打印机在发达国家已经被应用于多个领域了，其中家庭、个人消费群体增长速度较快，尤其在收藏品定制、儿童玩具，以及游戏人物模型等应用上，很受欢迎。在德国，消费者可以通过多种渠道购买3D打印机，一是专门销售3D打印机的网店，既有打印机，也有各种配件；二是eBay、亚马逊等网上购物平台；三是大型电器连锁店。3D打印机价格多在1000～2000欧元，更便宜的甚至只要499欧元。

美国生产的工业和民用3D打印机已经逐渐打开全球市场；日本、荷兰研究人员成功用它制造人体组织，以助医疗；欧美企业还用3D打印机制造工业品、零部件和艺术品；全球知名大学也纷纷将3D打印技术列为重要课程。嗅觉灵敏的微软也不甘落后，微软最新操作系统Windows 8.1集成了3D打印功能，可通过单击“打印”按钮完成直接打印过程，据悉微软还计划在其官方Store开售MakerBot 3D打印机。

3D打印已经不仅仅是一个噱头，或者概念的炒作了，它正以前所未有的步伐，向我们走来。

3D打印将带我们走进一个神奇的时代。未来的飞机、汽车、家电的零件可能都将来自3D打印。医疗机构用它打印血管和人体器官，并应用于手术中。从智能手机外壳到珠宝饰品，3D打印将可以满足所有个性化的需求。建筑不再是建筑大师和建筑工人的专利，我们甚至可以用它复制古埃及的金字塔，重构中国雄伟的万里长城，还原秦朝的阿房宫和清代的圆明园。在3D打印时代，这些天马行空的想象将不再是空想。

现在，3D打印机的购买者主要是专业人士和时尚追求者，普通消费者还很少。今后越来越多的人会找到使用3D打印机的理由。对小孩子来说，3D打印机是最酷的玩具生产工具；文艺范的人可能用来定制礼品或工艺品；开网店的人可以将3D打印机作为生产设备，制造商品并进行网络销售。随着时代的发展，3D打印将逐步从专业领域走入普通大众的日常生活。3D打印机要想在民用市场普及，需要融入吃、玩、娱乐等元素，能使用它打印出好吃、好玩的东西出来，给大家带来乐趣，那么消费者才会愿意接受和使用。我想这一天将很快到来。

将来3D打印机会给人们生活带来什么样的改变呢？也许在不久的将来，3D打印机将会跟普通打印机一样便宜，我们去家乐福等超市，花1000元就可以买到3D打印机，而且操作会更便捷。在学校里，3D打印机被用于教学和演示。十年内，3D打印机将进入每个家庭，就如现在的电视、冰箱一样，成为家用必备物品，而那时的3D打印机能打印出各种颜色，精度更高、品质更好，可打印的材质将不只是塑料，还有食品。

未来的3D打印机将会摆在每个人的家里或者办公桌上，就如我们使用的电脑一般。至于具体能用它来做什么，将会超出我们的想象。正如70年代的人绝对想象不到我们现在正在用电脑做什么一样。

3D打印，科技创新的引擎

科技创新是引领时代发展的重要动力。重大科技创新，影响力则更大，会对很多行业产生影响，并极大地改变我们每个人的生活。比如互联网，它是20世纪非常伟大的创新。虽然互联网真正的发展才二十多年，但我们已经再也无法离开它了，我们的学习、工作、娱乐、购物、通信等都受到互联网的极大影响。到了21世纪，是否有什么科技创新会像互联网般对我们造成如此大的改变呢？3D打印应该当之无愧，未来的10年，它将大面积普及应用，与每个人的生活、工作息息相关，让我们再也离不开它，就如现在的手机、电脑一样。同时它会对我们的生产模式造成变革，并将成为各种新科技的发展引擎。

作为一种不同于以往的生产技术，3D打印将改变第二次工业革命以来的以流水生产线为代表的大批量生产方式，它将使产品的生产向个性化、定制化转变，实现生产方式的根本变革。消费者可根据自身喜好，通过3D打印机实现产品的量身定制，真正实现以人为本，满足每个人的个性需求。

3D打印机降低了新产品的制造门槛，让我们更容易将想法变成现实。任何人只要有创意和想法，无须懂得传统制造业的各种生产工艺，利用3D打印机就可以创造出新产品。3D打印可以缩短产品开发设计周期，这意味着新产品将以更快的方式推向市场来占得先机。

3D打印机将加快新产品的推出速度，从而将创新更快地推向消费者，加速科技创新的速度。在美国，已有公司通过收集用户的各类奇思妙想，打印出小批量成品销售，如市场反响好，再交给工厂大规模制造，这样就走通了产业化的道路，也大大降低了创意产品的门槛，令创意更易变成生意。

毫无疑问，3D打印会加速科技创新。今后材料、工艺、软件、设计、创意等领域，将会有非常广阔的市场前景。3D打印给想象插上了翅膀，给创新带来了动力，极大地释放了人们的创造力和想象力，拓展了发明和创新的外延，并将催生出新的、创造性的商业模式。

3D打印，战略性新兴产业

在欧美，3D打印已被视为一项极其重要的新兴产业。美国《时代》周刊将其列为“美国十大增长最快的工业”；英国《经济学人》更指出， 3D打印机将会颠覆传统的大规模集中化生产制造业，就像蒸汽机在第一次工业革命中的地位那样。

3D打印在中国的起步稍晚，但发展势头良好。几年前，普通大众根本不知3D打印为何物，更不会觉得3D打印会对个人有用。3D打印的发展状况与当初的个人电脑十分相似。起初它的市场都很小，更多的是应用在某些特定领域，以及一小部分人的兴趣与爱好，但后来就走入了千家万户。经过二十多年的发展，3D打印离普通大众越来越近，大面积普及应用只是个时间的问题。目前所缺乏的，是关键技术和市场的成熟，以及一个类似苹果这样的巨人去推动它的发展。当人们都用它打印日常用品，而无须再出门或者网上购买时，3D打印产业就慢慢成熟了。

中国的工业界和经济界普遍对3D打印寄予厚望，业内人士认为3D打印将推动第三次工业革命。

为了推动我国3D打印产业化、市场化进程，加快与国际间的对话交流，促进3D打印技术与传统制造技术的有机结合，由亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等权威科研机构和3D打印行业领先企业于2012年10月15日共同发起成立了中国3D打印技术产业联盟，成为全球首家3D打印产业联盟。

国内越来越多的地方政府也开始重视并做出响应，支持3D打印产业的发展。在3D打印产业领域，武汉走在了全国前列。2013年12月20日，湖北省3D打印产业技术创新战略联盟在光谷未来科技城成立。这是湖北省首个3D打印产业联盟，也是目前国内仅有的几家省级3D打印产业联盟。联盟现有成员单位20多家，包括打印设备制造的滨湖机电、3D打印云工厂运营的金运激光、3D服装应用的微思科技、华中数控等。通过联盟组织，围绕产业链充分整合湖北省在3D打印方面的优势资源，发展包括材料、软件、装备和服务于一体的3D打印产业链，实现产学研用协同创新。除了成立3D打印产业联盟，武汉东湖高新已在未来科技城首期规划了500亩用地，用于建设3D打印产业园，并成立了3D打印孵化器，通过提供场地、税收等优惠政策，吸引3D打印产业联盟成员单位及相关企业入驻。

而在长沙，华曙高科将投资百亿元建3D打印研究中心及工业园，分三期实施，总建设周期为8年。继武汉、长沙等城市之后，成都、青岛等相关部门也相继出台了相应政策，扶持3D打印产业发展。未来3D打印技术最有可能在美国和中国率先大规模产业化。为了应对这一局势，中国有关主管部门也在积极制定相关产业扶持政策，科技部已经将3D打印技术纳入国家“863”计划，3D打印技术越来越受到各方面的重视。

3D打印产业的上下游

3D打印要成为具有重大影响的战略性新兴行业，不仅取决于3D打印机自身，还取决于整个3D打印产业上下游的发展。从产业链的角度看，3D打印企业主要可以分为三类：上游的材料企业、中游的3D打印设备企业、下游的服务应用企业。未来材料、设备、服务都将是3D打印产业的重要发展领域。就上游而言，材料一直是我国制造业的软肋，不少3D打印材料需要进口，价格昂贵，一定程度上限制了3D打印的发展。目前中国有些企业和研究机构正在抓紧进行材料的研发。中游的3D打印设备领域，美国的两大巨头占据先发优势，且正在大力开拓亚太市场。国内大部分企业主要生产桌面级3D打印机，能生产出工业级3D打印机的企业屈指可数，和国外巨头还无法相提并论。相比中上游，我国下游的服务应用领域要成熟一些，尤其是在航天军工领域，对3D打印的需求增长得非常快。这与航天军工市场所用的零部件比较复杂、要求快速响应、所用材料成本高昂有关。在医疗和日常消费领域，3D打印也有着不小的应用空间，但相关市场需要长时间培育。

3D打印的产业化是一项庞大的工程，不是一家企业一个环节能够实现的，从材料到设备生产，再到服务应用，是一个完整的产业链，缺一不可，需要同步发展。与其他产业相比，3D打印产业最关键的可能不是设备生产，而是材料研发。因为用于3D打印的材料较为特殊，对材料工艺的要求极高。

3D图纸也是不可或缺的，3D打印是将3D图纸打印成3D实物，所以如果没有3D图纸的话，3D打印是无法进行的。今后的3D图纸将逐渐取代实物产品，我们将不再需要去超市或者网上购买物品，而变成去3D打印店购买3D图纸或者在网上下载。当然，也可以使用3D设计软件设计出3D图纸。除了自己打印之外，还可以将3D图纸放到网上去销售，供大家下载使用。3D打印机要如电脑般普及，3D图纸就需要和现在的电脑软件一样容易获取。

对于专业人士来说，3D打印工艺分析、3D打印仿真软件也是需要的。在没有打印生产之前，可以通过对工艺的分析，从而保证打印的产品达到预想的效果。而对打印进行仿真，可以提前了解打印的过程，避免打印出现问题。3D打印产品的力学分析、结构应力性等软件也会派上用场。目前这方面的软件更加欠缺，需要相关的企业去开发。

当然，3D打印产业所涉及的还远不止这些，整个产业链还需要不断地去发展和完善。

材料才是关键

在3D打印产业中，材料是非常关键的因素，现在我们可以详细地了解一下。

看似神奇的3D打印其实并不复杂，与传统制造业的做减法不同，它采用的是加法原则。在这种生成原理下，不同的3D打印机有不同的工艺方法。但是不论哪种工艺，都需要使用材料进行打印，通过材料，才能将数字世界的3D图纸转变成现实世界的实物。3D打印的发展在很大程度上取决于材料。

目前，塑料是最常见的3D打印材料，也是桌面级3D打印机主要使用的材料，比较常见的用品，如杯子、牙刷、遥控器、鼠标等，都是使用塑料来打印的。塑料的种类有很多种，如ABS、PLA、PVC等。不过目前使用塑料打印出来的产品表面精度不够，还达不到我们日常生活所用产品的要求。

国内成规模的3D打印塑料材料生产企业并不多，而且都处于研发投产阶段。广东东莞的材料工厂比较集中，但是规模都不大，生产的材料多以出口或者为国外客户代工为主。在国内塑料材料生产企业中，武汉的斯瑞迪规模算比较大的。斯瑞迪（武汉）三维打印材料有限公司于2013年4月在武汉成立，目前在武汉东湖综合保税区占地100亩的新厂房正在兴建中。预计建成后，材料月产量将达到100吨，有望成为全国最大的3D材料生产基地。该公司目前已成功研发77种材料，投产了23种，产品销往全球20多个国家。该公司研发投产的塑料材料中，有可以变色的，也有具有夜光功能的等各种不同种类。

在塑料材料领域，深圳市光华伟业实业有限公司是值得一提的。该公司成立于2002年，致力于PLA、PCL等可生物降解材料产业化的研究。自2007年开始从事3D打印材料的研制，现已成功开发出了PLA、ABS、PVA、PC、HIPS、导电和尼龙等各类3D打印材料，并且拥有自主开发的专业生产线，以及自主知识产权的配方。该公司易生（ESUN）牌3D打印材料90％出口欧美市场，在国内外各大3D打印产业展会上都可以看到，如图3-1所示。图3-1 易生牌3D打印材料

现有的材料中，除了塑料之外，光敏树脂、尼龙、石膏等材料也相对比较常见，立体光固化3D打印机就主要使用光敏树脂。如果真要打印出工业产品，光靠这些材料还是远远不够的，还需要金属材料。在3D打印发展的早期，3D打印这种技术被认为并没有多大的实际用处，主要就是因为那时的3D打印机还不能制造金属零件，也就不能打印工业产品。现在一些先进的工业级3D打印机已经可以打印钢、钛，甚至钨这样的传统制造工艺很难加工的硬质合金了。目前市场上使用较多的金属材料主要就是钛及钛合金，其他金属材料比较少。

将来金属材料的应用领域将非常广阔，但目前许多金属材料被国外厂家垄断，价格非常昂贵，只有特定的行业才能用得起。国内从事3D打印金属材料研发的企业还很少，基本要依赖进口，这大大限制了国内3D打印产业的发展。

家具、地板等，基本都是用木质材料制作的。大家可能会想，如果能够使用木质材料进行打印的话就好了，那么家具也可以被打印出来了。打印个性化的家具对许多人来说都是非常有吸引力的。这确实能够做到，目前国内已经有厂家推出了供3D打印使用的木质材料，它的大部分成分是木粉，再加上少部分的塑料。普通的桌面级3D打印机也可以使用这种木质材料进行打印，使用起来和普通的塑料材料差别并不大。使用木质材料打印出来的产品，外观与木材很相似，具有木材的纹理和质感，没有塑料材料打印出来的那种粗糙度，同时还可以被打磨、涂漆，与其他木质材料产品几乎一样，如图3-2所示。图3-2 用木质材料打印出的产品

在生物医学领域，3D打印技术已非常成熟，但受制于生物材料的限制。而石头等可塑性不高的材料的加工目前暂时无法实现。纳米材料、复合材料、智能材料等这些未来都有可能成为3D打印材料的重要发展方向。当3D打印技术足够成熟之后，成本降低了，任何一种3D打印材料都会有巨大的市场，因为材料将是最大的消耗品。

除了这些常见的材料之外，还有更多的材料等待我们去开发。

3D图纸，数字世界和现实世界的桥梁

前文我们提及，3D图纸是很重要的。正是因为3D图纸的存在，我们才能将模型打印成实物，它可以说是数字世界和现实世界的桥梁。

3D图纸将来也会成为一种商品，就好比现在网上热卖的游戏光盘、各种软件一样。因为对于一些精度不高、材料简单的产品，完全可以仅仅销售设计，让用户下载3D图纸后自行打印。3D图纸的需求将会变得非常庞大，那么它本身将成为一门新生意。

对于大部分人来说，设计3D图纸是比较困难的事情，这很大程度上会限制3D打印机进入家庭。还好，现在有不少3D图纸可以网上免费下载使用。各种3D图纸搜索引擎可以帮我们的忙。比如Defcad，这款搜索引擎采用了传统搜索引擎的输入方式，只要在输入框输入需要的关键词然后单击“搜索”按钮，3D图纸就会以图文的方式显示出来并附带下载链接，可以在下载3D图纸后用各种3D设计软件或者3D打印软件直接打开查看，并进行打印。除了Defcad之外，yeggi和3dpartsource也是类似的3D图纸搜索引擎，相信大家以后会用得上。

除了3D图纸搜索引擎外，还有专门销售3D图纸的网站，如瑞典的3D Burrito，这个新型网上商店让人们能够购买和销售3D图纸用于3D打印。3D Burrito的目标是建立一个类似苹果iTunes的在线市场，提供3D图纸的免费与付费下载。类似于一个公共设计平台，每个人都可以上传和分享他们自己的设计，而3D图纸销售利润的70％会分给设计师。

网上下载的都是现成的3D图纸，很多是不容易进行修改的。如果我们需要打印自己的商品，就不得不进行3D设计了。对于专业设计人士来说，他们能熟练运用UG、Catia、SolidWorks、3D Max、Maya等功能强大的3D设计软件，但是对于普通大众来说，这就很困难了。所以，我们必须让3D设计变得更简单。

如何让普通用户也能快速地创建出3D模型呢？Pirate3D充分考虑到了这点，于是设计了一款适合普通用户使用的软件——智能对象（Smart Objects）。Pirate3D的智能对象的出现有着不一般的意义，它让原本有着技术壁垒的3D设计工作变得更直观和简单。用户只需单击并拖动对象上的点就可以修改其形状，并通过移动滑块或按下一个按钮来改变对象的属性。智能对象可以用于创建各种各样的物体，如杯子和玩具等。对象创建完后，用户可以将其导出为3D模型文件或创建对象的链接与朋友分享，而文件将被保存在云空间里，可使用Pirate 3D打印机直接打印。Pirate3D计划为他们的智能对象推出软件开发工具包（SDK），允许其他用户开发自己的智能对象应用。

荷兰的Rick Companje也开发了一款非常简单易用、直观的素描软件——Doodle3D。它可不是一般的设计软件，它可以将简单的2D图像转成3D图纸，然后直接通过3D打印机进行打印。它的主要原理是通过对2D图像的扭动和挤压来实现的。也就是说，用户只要会握笔，就能画出3D图纸，而无须复杂的3D设计。

Doodle3D还配备了一个Wi-Fi盒子，它可以让用户将手机或者电脑通过Wi-Fi连接上3D打印机。目前Doodle3D Wi-Fi盒可支持的3D打印机包括Ultimaker、Printrbot、RepRap等，这样用户就可以实现无线实时3D打印了。

不论是3D图纸搜索引擎、3D图纸网站，还是智能对象这样的设计软件，都可以让我们很快速地获得3D图纸。除此之外，我们还可以通过3D扫描仪来对现有的物体进行扫描来获取3D图纸，这样可以极大地扩展3D图纸的来源。

如果将来电子商务行业能有公司超越阿里巴巴的话，很可能就是3D图纸、专利、商标等无形商品的交易平台了。因为将来我们通过网上购买的更多的是无形商品，而不是现在的有形商品。有了3D打印机，许多不太复杂的物品都能在家里打印出来，3D图纸等无形商品会变得更加重要，它将是一个广阔的市场。

后处理，让3D打印更完美

桌面级3D打印机打印的物品，目前精度普遍只能达到0.1 mm到0.2 mm，离我们日常生活中直接使用的物品表面效果还是有一定的差距的。因此对打印后的物品进行一定的表面处理，才容易被大家所接受。

现在一般用丙酮蒸汽来对3D打印物品进行化学抛光，效果非常不错，比起费时费力的传统物理打磨方法好多了。我们将不用再担心精度不够的问题。

整个过程其实非常简单，在一个大号玻璃罐里面加入一汤勺的丙酮，然后放在一个平台上加热到110℃。这时丙酮蒸汽将充满整个罐子。将物品放入玻璃罐里面，丙酮蒸汽就与物品的每一层进行完全的化学反应。

打印出来的精度为0.35 mm物品，经过丙酮蒸汽的抛光，只需1分钟时间，精度比0.1 mm的还要光滑闪亮，抛光的效果还是非常明显的，如图3-3所示。图3-3 后处理

使用丙酮蒸汽是一种表面处理的方式，但是毕竟不适合普通用户使用，应该有更简单的方式进行抛光处理。于是两名UC Berkeley（加利福尼亚大学伯克利分校）的工程学硕士学生Ross Yeager（电气工程师）和David（工业工程师）设计并制作了3D抛光机。

这台3D抛光机的工作原理是：不断旋转3D打印成品，并通过加压和恒定流量的有机溶剂环境，产生溶胀作用，使其达到均匀打磨的效果。换言之，3D抛光机可以在短时间内使你的3D打印品变成高质量的成品。

这样的3D抛光机易于大众使用，而3D抛光机中最重要的就是所使用的抛光液。通过不同的抛光液，将可以让抛光的表面呈现不同的精度、颜色，以及所要达到的表面效果，从而产生不同的抛光效果。针对不同材质的物品，可以使用不同的抛光液。

物品经过抛光后，通常还需要做表面喷漆和印刷，这样才能达到市场上可以销售的商品要求。目前的喷漆和印刷设备，都是专业设备，喷漆和印刷都是由专业的工厂进行的。如果要达到普通用户都可以使用的程度，还有必要研制桌面型的喷漆和印刷设备，让个人也可以轻松地使用。

3D打印让一切重新想象

1912年前后出现的电话、汽车、无线电、放大器等发明都推动了社会的发展。然而处于那个时代的人，没人能预料到这些科技发明会对今天产生如此大的影响。到了21世纪，3D打印能否扮演新一轮产业革命的主角，我们将拭目以待。有理由相信，随着技术和市场的成熟，3D打印的应用范围将会超出我们的预料之外，它将会让一切重新想象。

家里的杯子摔破了，那就上网下载一个杯子的3D图纸，然后把它打印出来就可以了。需要定制一双运动鞋吗？那就自己设计或者找人设计一双全新的，同样可以打印出来。我们将可以打印各种东西，如木质家具、小孩玩具、生日礼品等。需要一个新的肾吗？那就打印一个吧，再也不需要找器官捐助者了，也不用担忧你的免疫系统会排斥它，因为这是根据你的需求进行定制的。

近年来，一些制造业直接或间接地涉及3D打印技术，未来几年其比例将会持续增长。在医疗行业，3D打印将可以用于打印药物或者器官组织。3D打印也可以应用到设计行业，如建筑沙盘，用3D打印做出来就非常漂亮；在鞋类、眼镜和游戏手柄的生产中，也可以应用3D打印技术直接将设计模型做成实物，如图3-4所示。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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