读《一本书读懂3D打印》
读《一本书读懂3D打印》
本书 是一 本 介绍 3D 打印 的 幽默 科普读物， 内容 涉及 3D 打印 的 方方面面。 从 3D 打印 的 产生 背景、 发展 历史、 基本概念、 关键 技术， 到 3D 打印 的 困境、 未来、 应用 领域， 再到 国内外 3D 打印 发展 现状， 本书 始终 紧紧 围绕 3D 打印 发展前沿 的 热点 问题， 比较 全面、 通俗 地 介绍 3D 打印 基础理论 和 应用 实践 的 最新 成果， 以 独特 的 视角 深入浅出 地 为人 家 解读 3D 打印 的 特点、 原理 和 应用，
从 3D Systems， Stratasys 3D 等 一大批 3D 打印 设备 制造商 的 崛起， 到 Shapeways， Sculpteo 等 3D 打印 领域 服 务商 的 壮大， 3D 打印 不论 在 大型 复杂 制造 还是 追求 品质 的 私人 定制 方面 都已 经 取得 了 巨大 成就。
打印 头 一直 保持 高温， 这 需要 耗费 大量 的 电力； 粉尘 污染 问题， 特别是 采用 金属 耗 材 的 3D 打印机， 超 细的 金属 粉末 会 泄漏， 形成 粉尘 污染， 还有 高温 导致 的 塑 料耗 材 挥发， 也会 污染空气。 这些 问题 不 妥善解决， 必然会 影响 3D 打印机 的 普及。
从 2001 年的《 星际 迷航》 到 最近 热 播 的《 生活 大 爆炸》， 导演 们 在 寻求 新思想、 高科技 的 展现 的 过程中， 都 心 有灵 犀 地 选择 了 3D 打印 技术， 从 虚幻 地 打印 食品 到 打印 人体， 再到 现实 地 打印 玩偶， 3D 打印 在 影片 中 成为 一个 吸引 眼球 的 新 宠。
美国 上映 了 一部 关于 3D 打印 崛起 的 纪录片《 打印 传奇（ Print the Legend）》， 算是 3D 打印机 的 自述 片 了。 影片 重点 记录 了 真实 3D 打印 初创 企业 从无到有、 从 有 到 优 的 全过程， 同时 也 真实 记录 了 这些 初创 企业 与 3D 打印 巨头 的 利益 纷争， 包括 起诉、 兼并、 收购 等。
制造业 的 水平 取决于 当前 的 生产工具 和 生产 工艺， 从 手工 到 蒸汽 动力 的 机械 加工， 再到 数字化 的 智能 制造 设备， 制造业 已经 发展 到了 可谓 登峰造极 的 地步。 大量 的 工业 产品 丰富 着 人们 的 生活。 电器、 汽车 都由 先进 的 工业 机器人 快速 地 生产 着。 各类 快速 制造 技术 也为 新产品 的 开发 提供 了 便捷 的 平台， 耳熟能详 的 诸如 数控 机床、 CNC 加工 中心， 为 产品 的 快速 更新 提供 了 坚强 后盾。
被称为“ 影响 未 来的 八 大 技术 之一” 的 3D 打印 技术， 正 悄悄 来到 人们 身边， 这 将是 制造业 的 一 枝 新芽。 3D 打印机 可以 直接“ 打印” 出 真实 物体， 这个 突出 的 优点 应用 在 工业 生产 中， 无需 机械 加工 或 模具， 就能 直接 从 计算机 图形 数据 中 生成 任何 形状 的 物体， 从而 极大 地 缩短 产品 的 研制 周期， 提高 生产率 和 降低 生产 成本。
如果 说 Web 2. 0 革命 改变 了 音乐、 传媒 等 产业， 那么 可以说 3D 打印 所 引起 的 革命 将 变革 制造业。 可以 把 3D 打印 技术 称为“ 工业 2. 0”，它将 使得 普通 用户 拥有 独立 设计 与 制造 工业 产品 的 能力。 这是 因为 现代 的 制造业 还没有 出现 真正 的“ 个性化” 与“ 去 中心 化”。
3D 打印 技术 的 普及 应用 将会 大大 改变 现代 制造业 的 运行 模式， 部分 产品 的 生产 制造 可能 在用 户 手中 完成， 用户 需要 购买 的 不再 是 产品 实物 本身， 而 只是 物品 的 3D 数据 和 配套 的 原材料。
一般 把 蒸汽机、 煤、 铁 和 钢 认为是 促成 工业革命 技术 加速 发展 的 4 个 主要 因素。 第一次 工业革命 的 时间 为 18 世纪 60 年代 到 19 世纪 中期（ 人类 开始 进入 蒸汽 时代）， 一系列 发明 和 改进， 使得 蒸汽 机能 用于 工业 生产。
第二次 工业革命 的 时间 为 19 世纪 下半 叶 到 20 世纪 初（ 人类 开始 进入 电气 时代）， 18 世纪 后期 开始 的 工业革命 已 稳步 地、 不懈 地 继续 到 这个时候。 从 19 世纪 六 七十年代 开始， 出现 了 一系列 电气 发明。
第三次 工业革命 由 第三次 技术革命 引爆。 第三次 工业革命 从 20 世纪 四五 十年 代 开始， 以 原子能 技术、 航天 技术、 电子 计算机 技术 的 应用 为 代表， 还包括 人工合成 材料、 分子 生物学 和 遗传工程 等高 新技术。
现代 的 创 客 们 作为 热衷于 创意、 设计、 制造 的 个人 设计 制造 群体， 最有 意愿、 活力、 热情 和 能力 在 信息 时代 和 知识 社会 创新 形态 的 创新 2. 0 时代 为 自己 同时 也为 人们 去 创建 一种 更美 好的 生活。 现代 的 创 客 最重要的 标志 是 掌握 了 自 生产工具， 并 坚守 创新、 持续 实践、 乐于 分享， 而且 追求 美好生活。
Fab Lab 所 提供 的 技术 环境 涵盖 开发 的 全 流程， 从 设计、 制造， 到 测试、 调试、 监控 和 分析， 再到 文档 整理。 尽管 有一个 基本 的 工具 集 作为 基础， 但 根据 特定 需求， 充分 利用 特定 环境 下 的 资源 和 工具 同样 重要。 因此， Fab Lab 也为 用户 提供 了 制造 自己 所需 工具 的 能力， 用户 可以 在 Fab Lab 的 技术 环境 里 自行 创造 实验 过程中 所需 的 特定 用途 的 工具。
3D 打印 在 某些方面 就 已经 做到 更加 廉价、 快捷 和 便利。 首先， 3D 打印 在 生产 时间上 具有 传统 开 模 工艺 无可 匹敌 的 时间 优势， 是 名副其实 的“ 快速 制造 工艺”，“ 快速” 是 3D 打印 最 显著 的 特点。 传统 的 开 模， 需要 设计、 制 胚、 灌 造、 加工 等 许多 环节， 3D 打印 则 能够 在 极短 时 间内 就 将 模型 制作 出来， 这 为 新产品 快速 研发 和 改进 提供 了 极大 的 便利。 其次， 在 用料 上， 3D 打印 也可以 节省 不少，最后， 3D 打印 在 诞生 之初 并没有 想到 另一个 可以 广泛 应用 的 领域， 那就 是 产品 个性化， 甚至 可以 说是 终极 的 个性化。
世界上 最大 的 激光 3D 打印机 在 大连 诞生， 这 款 打印机 打印 方式 很 特别， 是 基于“ 轮廓 失效” 的 激光 三维 打印 方法（ 在 打印 过程中， 激光 3D 打印机 只需 打印 零件 每 一层 的 轮廓 线， 使 轮廓 线上 砂子 的 覆 膜 树脂 碳化 失效， 再按 照常 规 方法 在 180 ℃ 加热炉 内 将 打印 过 的 砂子 加热 固化 和 后 处理 剥离， 就可以 得到 原型 件 或 铸模）， 使用 这种 加工 方式 可使 其 加工 时间 缩短 35%， 制造 成本 降低 40%。
对于 普通 用户 而言， 3D 打印机 体积 越小、 操作 越 简便， 才会 越 受 亲 睐。 目前 市售 最小、 最轻 的 3D 打印机 是 来自 Systems 的 Cube， 尺寸 为 260mm × 260mm × 340mm（ 不含 打印 耗 材）， 质量 为 4. 3kg，
德国 Nanoscribe GmbH 公司 在 美国 旧金山 发布 了 迄今为止 最 高速 的 纳 米 级别 微型 3D 打印机—— Photonic Professional GT，
微软 公司 发布 了 操作系统 Windows 8. 1， 通过 内建 API 实现 了 对 3D 打印 的 支持， 这也 表示 Windows 8. 1 成为 目前 首 款 支持 3D 打印 的 系统。
现在 提到 的 3D 打印 技术 更 擅 长的 是 复制， 精 准 复制 出 一切 三维 结构。 这种 复制品 的 高 精确性 使得 其 在 医疗 领域 的 应用 前景 广泛。
斯 科 特· 克 伦 普： 3D 打印 的 缔造者；为此， 他用 1 万 美元 买了 一台 数字 制图 设备， 花了 很多 个 周末 待在 工作 室里 潜心 研究， 以便 实现 制造 过程 的 自动化。 一年 以后， 女儿 的 青蛙 玩具 做 出来了， 他也 获得 了 FDM（ 熔融 沉积 成型） 技术 的 专利。 这是 3D 打印 的 里程碑 技术。 作为 FDM 的 发明人， 他 创立 了 Stratasys 公司。
随着 消费市场 的 扩大， 工业 制造 市场 也 将 日益 壮大。 该市 场 分为 两大 细分 市场—— 增强 制造 市场 和 替代 制造 市场， 前者 利用 3D 打印 技术 生产 用于 制造 的 工具， 后者 运用 3D 打印 技术 生产 最终 使用 的 产品 或 部件。 3D 打印机 的 使用， 可以 降低 生产 风险、 提高 产品 收益。
查 克· 赫 尔（ Chuck Hull）， 1939 年 5 月 12 日出 生于 美国， 是 3D 打印 技术 的 发明者， 也是 3D System 公司 的 联合 创始人 兼 执行 副总裁 和 首席 技术 官。 查 克· 赫 尔 在 1983 年 发明 了 SLA 3D 打印 技术， 类似于 多层 印刷， 由此 3D 打印 技术 也 正式 诞生。 1986 年， 查 克· 赫 尔 在 加州 成立 了 3D Systems 公司。
RepRap Pro Ormerod 3D 打印机 是 现有 的 3D 打印机 中最 万能 的， 其 功能 容易 拓展， 可 快速 自我 复制 和 装配。 买 一台 RepRap Pro Ormerod 3D 打印机， 就可以 通过 它 获得 更多 的 打印机。
英国《 经济 学人》 杂志 在《 第三次 工业革命》 一 文中， 将 3D 打印 技术 作为 第三次 工业革命 的 重要 标志 之一， 引发 了 世人 对 3D 打印 的 强烈 关注。 快速 成型 技术 与 传统 的 加工 方式 不同， 通过 分层 制造、 逐渐 叠加 的 方式 生产 最终 产品。 该 技术 的 特点 是 不需要 模具， 可以 一次 加工 完成。 快速 成型 技术 的 另外 一个 特点 是 可以 加工 结构 非常 复杂 的 产品， 不再 需要 传统 的 刀具、 夹具 和 机床 就可以 打造 出任 意 形状。
利用 3D 打印 制造 飞机 属于 机械 工程学 上 的 高端 技术， 这项 技术 在 中国 其实 早就 应用于 其他 领域， 例如 将 熔化 的 塑料 拉丝 制成 玩具、 手机 外壳 和 汽车 配件 等。
这一 路 走了 近 30 年， 3D 打印 编年史 悉数 如下。 1986 年， 查 克· 赫 尔 开发 了 第一 台商 业 3D 印刷机。 1993 年， 麻省 理工 学院 获 3D 印刷 技术 专利。 1995 年， 美国 ZCorp 公司 从 麻省 理工 学院 获得 唯一 授权 并 开始 开发 3D 打印机。 2005 年， 市场 上首 个 高 清晰 彩色 3D 打印机 Spectrum Z510 由 ZCorp 公司 研制 成功。 2010 年 11 月， 世界上 第 一辆 由 3D 打印机 打印 而成 的 汽车 Urbee 问世。
2011 年 6 月， 全球 第一 款 3D 打印 的 比基尼 发布。 2011 年 7 月， 英国 研究人员 开 发出 世界上 第 一台 3D 巧克力 打印机。 2011 年 8 月， 南 安 普 敦 大学 的 工程师 们 开 发出 世界上 第 一架 3D 打印 的 飞机。 2012 年 11 月， 英国 科学家 利用 人体 细胞 首次 用 3D 打印机 打印 出人 造 肝脏 组织。 2013 年 10 月， 全球 首次 成功 拍卖 一 款 名为“ ONO 之神” 的 3D 打印 艺术品。 2013 年 11 月， 美国 得克萨斯 州 奥斯汀 的“ 固体 概念” 3D 打印 公司 设计 制 造出 3D 打印 金属 手枪。
增 材 制造（ Additive Manufacturing， AM） 技术， 也就是 3D 打印 的 学名， 顾名思义 就是 采用 材料 逐渐 累加 的 方法 制造 实体 零件 的 技术， 是 一种“ 自下而上” 的 制造 方法。
狭义 的 3D 打印 是指 采用 打印 头、 喷嘴 或 其他 打印 技术 沉积 材料 来 制造 物体 的 技术， 这些 增 材 制造 设备 相对 价格 较低， 总体 功能 较弱。 从 更 广义 的 原理 上 来看， 以 三维 CAD 设计 数据 为基础， 将 材料（ 包括 液体、 粉 材、 线材 或 块 材 等） 自动化 地 累加 起来 成为 实体 结构 的 制造 方法， 均可 视为 增 材 制造 技术。
除了 英、 美 外， 其他 一些 发达国家 也 积极 采取措施， 以 推动 增 材 制造 技术 的 发展。 德国 建立 了 直接 制造 研究中心， 主要 研究 和 推动 增 材 制造 技术 在 航空、 航天 领域 中 结构 轻量 化 方面 的 应用； 法国 增 材 制造 协会 致力于 增 材 制造 技术标准 的 研究； 在 政府 资助 下， 西班牙 启动 了 一项 发展 增 材 制造 的 专项， 研究 内容 包括 增 材 制造 共性 技术、 材料、 技术交流 及 商业 模式 等 四方 面 内容； 澳大利亚 政府 于 2012 年 2 月 宣布 支持 一项 航空 航天 领域 革命 性的 项目——“ 微型 发动机 增 材 制造 技术”，
当然， 在 过热 的 3D 打印 经济 背后 必须 得 警惕 3D 打印 的 泡沫。 无论是 个人 创业 还是 工业 运用， 3D 打印 的 远景 足够 美好， 但 短期 状况 不容 乐观。 可 国内外 资本 市场 还 是对 3D 打印 轮番 炒作。 在 3D 打印 热潮 中， 资本 市场 无疑 是最 为 亢奋 的， 众多 涉及 3D 打印 概念 的 股票 涨幅 惊人，
iBox Printers 公司 推 出了 一 款 名为 iBox Nano 的 3D 打印机， 定位 家庭 用户 和 个人， 满足 人们 用于 打印 细小 物件 的 想法， 让人 人 都能 无障碍 地 感受 3D 打印 的 乐趣。
随着 技术 的 发展， 三维 扫描 仪 种类 日益 丰富， 用途 也 越来越 广。 大 到 可以 扫描 地球 表面， 小到 可以 扫描 分子 内部 结构。 让人 咂 舌 的 地面 三维 激光 扫描 技术（ 也称 为 三维 激光 扫描 系统）， 是 继 GPS（ Global Position System， 全球 定位 系统） 技术 以来 测绘 领域 的 又一次 技术革命， 这是 一种 先进 的 全自动 高精度 立体 扫描 技术， 又 称为 实 景 复制 技术， 它 能 精确 地 测量
短距离 三维 激光 扫描 仪 最长 扫描 距离 不超过 3m 的 三维 激光 扫描 仪 属于 短距离 三维 激光 扫描 仪， 一般 最佳 扫描 距离 为 0. 6 ～ 1. 2m， 通常 这类 扫描 仪 适合 用于 小型 模具 的 测量， 不仅 扫描 速度快 且 精度 较高， 可以 扫描 多达 30 万个 点， 精度 高达 0. 018mm。
中距离 三维 激光 扫描 仪 最长 扫描 距离 小于 30m 的 三维 激光 扫描 仪 属于 中距离 三维 激光 扫描 仪， 多用 于 大型 模具 或 室内 空间 的 测量。
扫描 距离 大于 30m 的 三维 激光 扫描 仪 属于 长距离 三维 激光 扫描 仪， 主要 应用于 建筑物、 矿山、 大坝、 大型 土木工程 等 的 测量。
扫描 距离 通常 大于 1km， 并且 需要 配备 精确 的 导航 定位 系统 的 三维 激光 扫描 仪 属于 航空 三维 激光 扫描 仪， 可 用于 大 范围 地形 的 扫描 测量。
手持 式 三维 扫描 仪， 是一 种 可以 用手 持 扫描 来 获取 物体 表面 三维 数据 的 便携式 三维 扫描 仪。 这种 扫描 仪 是 为了 解决 工业 领域 的 设计 和 制造 需求 而 诞生 的， 其 主流 技术 从 出现 到 现在， 已经 发展 到了 第 四代。 第 一代 是 接触 式 测量 技术， 第二 代 是 线 激光 扫描 技术， 第三代 是 结构 光 扫描 技术。 第三代 技术 与 前 两代 相比， 效率 更高、 成本 更低、 使用 更 便捷， 因而 很快 在 世界范围 内 得到 推广。
手持 式 三维 扫描 技术， 使用 线 激光 来 获取 物体 表 面点 云， 用 视觉 标记 来 确定 扫描 仪 在 工作 过程 中的 空间 位置。 手持 式 三维 扫描 仪 虽然 具有 灵活、 高效、 易用 的 优点， 代表 今后 的 发展 方向， 但 由于 手 的 运动 是 随意 的， 位置 也不 确定， 因此 如何 精确、 实时 地 确定 手持 式 三维 扫描 仪 的 空间 位置 便 成为 该 技术 的 核心 问题。
人体 三维 扫描 系统 也称 三维 人体 测量 系统、 人体 数字化 系统， 广泛 应用于 服装、 动画、 人机 工程 以及 医学 等 领域。 是 发展 人体（ 人 脸） 模式 识别， 特种 服装 设计（ 如 航空、 航天 服、 潜水 服 等）， 人体 特殊 装备（ 人体 假肢、 个性化 武器装备 等）， 以及 开展 人机 工程 研究 的 理想 工具。
2015 年， 睿 之 鲲 研发 中心 黄 子 帆 先生 推出 了 独家 研发 的 混 色 3D 打印机 Mixing 3， 如图 2- 29 所示。 该 产品 属于 全球 独家 首 发， 虽然 国外 国内 公司 曾经 均 推出 过 双 混 色 3D 打印 技术， 但是 在 全球 三色 混合 的 3D 打印 技术 还是 绝无仅有。
采用 分层 实体 制造 法 设计 的 实体 成型 系统 主要 包括 计算机、 数控 系统、 原材料 存储 与 运送 部件、 热 粘 压 部件、 激光 切 系统、 可 升降 工作台 等 部分。
立体 光 固化 成型 工艺（ Stereolithography APParatus， SLA） 又称 为 立体 光 刻成 型， 该 工艺 最早 由 查 克· 赫 尔 于 1984 年 提出 并 获得 美国 国家 专利， 是最 早 发展 起来 的 3D 打印 技术 之一。SLA 工艺 以 光敏 树脂 作为 材料， 在 计算机 的 控制下， 紫 外 激光 将对 液态 的 光敏 树脂 进行 扫描， 从而 让 其 逐 层 凝固 成型， SLA 工艺 能以 简洁 且 全自动 的 方式 制造 出 精度 极高 的 几何 立体 模型。
选择性 激光 烧结 工艺（ Selective Laser Sintering， SLS） 最早 是由 美国 得克萨斯 大学 奥斯汀 分校 的 德 卡 德（ Dechard） 于 1989 年 在 其 硕士 论文 中 提出 的， 随后 德 卡 德 创立 了 DTM 公司， 并于 1992 年 发布 了 基于 SLS 技术 的 工业 级 商用 3D 打印机 Sinterstation。
熔融 沉积 成型 工艺（ Fused Deposition Modeling， FDM） 是 继 LOM 工艺 和 SLA 工艺 之后 发展 起来 的 一种 3D 打印 技术。 该 技术 由 斯 科 特· 克 伦 普 在 1988 年 发明， 随后 斯 科 特· 克 伦 普 创立 了 Stratasys 公司。 1992 年， Stratasys 公司 推出 了 世界上 第一 台基 于 FDM 技术 的 3D 打印机—— 3D 造型 者（ 3D Modeler）， 这也 标志着 FDM 技术 步入 商用 阶段。 FDM 工艺 无需 激光 系统 的 支持， 所用 的 成型 材料 也 相对 低廉， 总体 性 价 比高， 这也 是 众多 开源 桌面 3D 打印机 主要 采用 的 技术 方案。
三维 印刷 工艺（ Three Dimension Printing， 3DP） 是 美国 麻省 理工 学 院的 伊 曼 纽 尔· 萨克斯（ Emanual Sachs） 教授 在 1993 年 发明 的， 3DP 的 工作 原理 类似于 喷墨 打印机， 是 形式上 最为 符合 3D 打印 概念 的 成型 技术 之一。 3DP 工艺 与 SLS 工艺 也有 着 类似 的 地方， 采用 的 都是 粉末状 的 材料， 如 陶瓷、 金属、 塑料。
PolyJet 技术 也是 当前 最为 先进 的 3D 打印 技术 之一， 它的 成型 原理 与 3DP 有点 类似， 不过 喷射 的 不是 胶 黏 剂 而是 聚合 成型 材料。
格雷 戈· 马克 创立 了 MarkForged 公司 并 发布 了 可以 打印 部分 连续 碳 纤维 材料 的 3D 打印机—— Mark One， 如图 3- 9 所示。 它的 配置 有 阳极 氧化铝 合金 一体 成型 机身 和 半透明 打印 床。
采用 ABS 树脂 作为 耗 材 的 3D 打印机 实用性 高， 应用 比较 普遍， 只要 是 采用 熔融 沉积 成型 工艺 的 3D 打印机， 一般 就可以 实现 ABS 树脂 材料 的 物体 打印。 MakerBot 2X 3D 打印机 就是 采用 ABS 树脂 作为 打印 材料 的，
常见 的 聚 乳酸 产品 有 新鲜 蔬 果 包装、 电子 产品 包装 等， 这 已经 是 PLA 应用 的 主导 方向。 在这 些 用途 中， PLA 高 透明度， 高 光泽 度， 高 钢 性 等 优点 被 体现 得 淋漓尽致。 另外， 在 园艺 上 的 应用 也 开始 获得 重视， 在 斜坡 绿化、 沙尘 暴 治理 等 领域 已有 所 应用。 还有 就是 大家 熟知 的 光盘 盘片 采用 的 也是 PLA 材料。
说到 PVA 在 3D 打印 材料 的 应用， 我国 的 3D 打印 公司 在 2014 年 就 引进 了 PVA 水溶 材质 3D 打印机 耗 材，
在 3D 打印 领域， Recreus 公司 制造 出了 热 塑性 弹性体 塑料 丝 Filaflex， 打开 了 3D 打印 鞋子 的 新 大门。 Recreus 推出 的 Sneakerbot Ⅱ 3D 打印 运动鞋， 成功 吸引 了 广泛 的 关注。
光敏 树脂 在 3D 打印 领域 应用 较早， 改良 的 激光 快速 成型 光敏 树脂 是一 种 用于 SLA 成型 机 的 低 黏度 液态 光敏 树脂， 能 制作 耐用、 坚硬、 防水 的 功能 零件。 用此 材料 制作 的 样件 呈 半透明 状，
在 3D 打印 领域， 来自 上海 的 3D 打印 材料 制造商 Polymaker 与 先进 化学 材料 开发 商 Covestro（ 前 身为 拜 耳 材料 科技） 联手， 共同 开发 出了 两 款 专门 针对 桌面 3D 打印机 的 全新 聚 碳 酸酯 3D 打印 线材—— Polymaker PC—— Plus 和 Polymaker PC—— Max， 如图 3- 17 所示。 这 两 款 线材 经过 特殊 配方， 已经 将 打印 温度 从 300 ～ 320 ℃ 降到 250 ～ 270 ℃。
3D Marble- Eco Design 项目 的 目标 就 是将 大理石 生产 过程 中产 生的 废料 和 粉尘 进行 再利用。 如果 采用 普通 的 工业 垃圾处理 技术， 大理石 废料 和 粉尘 的 处理 既 复杂 又 昂贵。 但 通过 混合 特殊 树脂， 并使 用 紫外线 催化， 这些 废料 就能 变废为宝， 成为 3D 打印 的 理想 原料， 可以 用于 产品 设计、 艺术创作 和 时尚 行业。
金属 粉末 一般 用在 熔融 沉积 成型 工艺 或 金属 激光 烧结 技术 的 3D 打印 机上， 通过 高温 将 金属 固体 或 粉末 融化 成 整体。 根据 打印 对象 的 不同， 可以 采用 各 类型 的 金属 粉末， 如 钛合金、 不锈钢 等。
水泥、 木材 等 建筑材料 也 逐步 被 3D 打印机 采用。 美国 明尼苏达 州 的 工程师 安德烈· 鲁 坚 科（ Andrey Rudenko） 经过 两年 的 努力， 完成 了 水泥 质地 的 3D 打印 城堡，
中国、 美国、 德国 的 大 工厂、 小 作坊 都在 诠释 对 3D 打印 的 理解， 全球 排名 前 30 的 3D 打印机 生产 厂家 中， 我国 就有 8 个， 美国 最多—— 11 个， 形形色色 的 3D 打印机 也 层出不穷。
3D Systems 公司 不仅 是 SLA 技术 发明 专利 的 拥有 者， 同时 也是 STL 文件 格式 的 专利 拥有 者， 除此之外 公司 还 拥有 选择性 激光 烧结（ SLS） 技术 专利、 多 喷射 建模（ Multi- Jet Modeling） 技术 和 膜 转印 成像（ Film Transfer Imaging） 技术 等 专利。 尽管 3D Systems 并不是 3D 打印 领域 唯一 的 公司， 但是 这家 公司 能够 为 消费者 提供 最 实用、 最 简化 的 技术。
3D Systems 公司 推 出了 多 款 3D 打印机， 个头 从 桌面 级 小型 3D 打印机 到 大型 工业 3D 打印机 一应俱全， 采用 的 快速 成型 技术 也 包罗万象。 打印 材料 种类 繁多， 包含 工程 塑料、 复合材料 和 金属。 为 客户 提供 的 专用 软件 工具 包括 Alibre Design， Cubify Invent 和 Rapidform 等， 并提 供 内容 库 和 内容 创建 应用 程序 库， 当然 售后 的 服务 包括 应用 程序 开发、 安装、 维护 服务 等， 一项 不少。 如果 自己 没有 产品 设计 能力， 可以 通过 公司 的 Quickparts 和 Cubify 网 站 获得 线上 产品 设计 和 制作 的 服务。
在 中国， 无锡 易 维 为 3D Systems 公司 在华 的 业务 拓展 提供 了 经验丰富 的 销售 和服 务 团队， 实现 在 我国 更 广泛 的 业务 覆盖。 3D 打印 服务 也 展示 了 其 强大 的 生产 能力， 中国 地区 的 大众、 日产、 飞 利 浦、 欧姆 龙、 百 得、 松下、 霍 尼 韦 尔等 企业 也 通过 无锡 易 维 模型 设计 制造 有限公司有限公司 与 3D Systems 公司 开展 主流 业务 合作， 这些 业务 包括 汽车 制造、 医疗、 消费品 制造。
Ultimaker 公司 是由 3 位 荷兰 的 年轻“ 创 客” 共同 创立 的。 相比 于 MakerBot 的 3D 打印机， Ultimaker 3D 打印机 具有 更高 的 速度 和 更 高的 性 价 比， 打印 尺寸 更大， 如果 使用 植物 制作 而成 的 PLA 塑料 来 进行 打印， 速度 更快， 而且 更加 稳定。 同时 还是 一个 开源 的 3D 打印机， 3D 打印机 的 爱好者 完全可以 自己 根据 Ultimaker 打印机 的 资料 来自 己 制作 3D 打印机。 和 Makerbot3D 打印机 一样， Ultimaker 3D 打印机 也是 使用 ASB 塑料 或 PLA 塑料 来 打印 产品 的， 采用 的 也是 FDM 技术，
由于 Ultimaker 打印机 性能 卓越 且 开源， 因而 国内 出现 了 越来越多 基于 Ultimaker 技术 的 3D 打印机 生产 厂商， 如 我国 上海 富 置 电气 器材 有限公司 旗下 的 朗 信 LXMaker 系列 打印机， 可以 完全 兼容 Ultimaker 3D 打印机， 但在 打印 精度、 稳定性 和 最大 物体 尺寸 上 还有 些 差距。
MakerBot 公司 主要 设计 生产 消费 级 桌面 个人 3D 打印机 产品， 适用于 家庭、 学校， 以及 各种 科研 机构。 利用 MakerBot 公司 的 3D 打印机 可以 很 方便 地 将 各种 原型 产品 设计 变成 实体 物品， 从而 大大 缩短 实验 周期 并 节约 实验 成本。 这也 使得 公司 的 3D 打印机 在 普通 家庭 获得 大量 应用， 如 小孩子 需要 一件 玩具， 大人 可以 扫描 相同 玩具 实物， 再通过 MakerBot 的 3D 打印机 打印 出来， 这 更 像是 实物 的“ 克隆”。自 MakerBot 公司 创立 至今， 该 公司 售出 的 3D 打印机 总数 已 超过 2 万 台。 MakerBot 公司 网 站上 展示 了 超过 8 万 款 3D 模型 和 设计， 其中 包括 国际象棋、 钥匙 扣、 钻头 把手、 艺术品 和 时尚 饰品， 用户 可以 获得 丰富 的 设计 支持。
RepRap 公司 的 3D 打印机 的 工作 原理 类似于 其他 公司 的 热 熔 沉积 型 3D 打印机， 也是 把 原料 加热， 再一 层 一层 地 抹 出 一个 物体， 精度 一般， 可能 需要 后期 手工 修饰。 打印 的 材料 主要 以 ABS 和 PLA 为主。 RepRap 公司 提供 的 3D 打印机 也是 开放 源 代码 的， 旨在 鼓励 演化， 可由 设计师 进行 自由 的 修改 和 替换， 因此 衍生 出 许多 版本。
从 桌面 设计 到 后台 管理， Autodesk 公司 都 提供 了 专业 细致 的 软件 和解 决 方案。 在工作中 人们 也 经常 会 接触 到 一些 Autodesk 公司 的 产品， 在 今后 3D 打印 普及 的 潮流 中， 可能 会用 到 更多 的 Autodesk 软件。
达 索 公司 ENOVIA 品牌 的 软件 为 大、 中、 小 企业 带来 全新 水平 的 3D 数字化 协同 能力。 不管 是 复杂 产品 还是 简单 产品， 企业 采用 ENOVIA 的 软件， 都能 够 完全 掌握 产品 的 创建 并 管理 其生 命 周期。 其中， ENOVIA VPM 软件 由 一套 能用 于 建立 数字化 企业 的 软件 产品 组成。 这套 软件 是 支持 多 Cax 产品 的 系统， 用于 激发 产品 创新、 缩短 开发 时间 和 改进 产品 质量。
如果 购买 一台 3D 打印机 觉得 囊中羞涩 的 话， 完全可以 利用 Shapeways 公司 提供 的 服务 完成 自己的 3D 打印 作品， 这 比 自己 买 设备 要 便宜 很多。 就 目前 而言， Shapeways 提供 的 在 线 3D 打印 服务 当之无愧 地 居于 全球 领先地位， 公司 的 Logo 如图 4- 13 所示， 他们 主要 帮助 设计 人员 和 3D 打印 爱好者 销售 自己的 3D 设计 或 3D 打印 产品。
Magicfirm（ 杭州 铭 展 网络 科技 有限公司） 成 立于 2009 年 6 月 10 日， 是 国内 最早 关注 并 致力于 消费 级 3D 打印 设备 的 生产 商 及 专业 的 3D 专业 打印 服 务商，
这种 涂鸦 笔 目前 的“ 墨水” 采用 耗 材 是 ABS 和 PLA 塑料。 WobbleWorks 称 他们 已经 做了 一年 多的 技术 研发 工作， 产品 原型 已经 做 出来了， 希望 通过 众 筹 实现 量 产。 除了 生产 一般 的 涂鸦 笔， 还会 针对 一些 艺术家 生产 特别 版 的“ 3Doodle”。 除此之外， 还会 生产 各种 颜色 的 打印 耗 材， 以 满足 不同 用户 的 需要，
2011 年， 世 界首 款“ 打印 汽车” 亮相， 这 款 被 命名为“ Urbee” 的 打印 汽车， 并 不会 像 大家 所 担心 的 那样 会在 短时间 内分 解， 它 至少 可以 使用 30 年。 这 款 汽车 采用 汽油 和 电力 混合 发动机 驱动， 是 世界上 最 环保 的 汽车 之一。 Urbee 并不 孤独， 除 它 之外， 还有 许多 公司 正 致力于 采用 3D 打印 技术 设计、 生产 汽车。
这种 用 3D 打印 技术 制造 的 房子 造价 便宜 30%， 人工 节省 近 一半， 最重要的 是， 建造 时间 大幅 缩短。 通过 3D 打印 的 房屋 外墙 中间 是 空的， 其中 可以 填充 保 温层， 既可以 提高 房屋 保温 效果， 也能 减少 用料， 更能 降低 造价。 外墙 全由 3D 打印机 打印， 特殊 的 部分 由人 工 切割 拼接， 省去 不少 劳动力。
医学 技术 的 发展 已经 到了 可以 制造 人体 器官 的 阶段， 3D 打印 技术 的 发展 成熟， 为 这个 领域 添加 了 新的 利器。 从 细胞 培育 到 组织 堆叠， 3D 打印 技术 的 精 准 和 快捷 为 医学 领域 的 生产 制造 提供 了 新的 平台。
为此， 在 纽约 时装 周 上， 时装 设计 工作室 Chromat 和 英特 尔 公司 联合 推 出了 一 款 3D 打印 的 智能 运动 Bra， 该 Bra 内置 了 英特 尔 控制 芯片， 可以 感知 用户 的 体温 变化、 呼吸 和 排汗 等， 通过 控制 可以 打开 一些 预留 的 小 通风口， 以 散热 降温， 以防 出汗 过多。
除 衣服 外， 3D 技术 打印 的 鞋 更让 人 感到 这种 技术 正 以 迅雷 不及 掩耳 之势 进入 人们 的 生活。 它不 仅能 为人 们 制造 更加 合脚 的 鞋， 而且 能量 身 定做 出 个性 十足 的 产品， 这 原来 可是 只有 社会 名流 才能 享有 的 待遇。 如今 的 制鞋 师 已在 采用 3D 技术 量 脚 制鞋。 他们 可 根据 客户 脚 码 设计 出 相应 的 材质、 色彩、 形状、 款式。
用户 在 线 完成 可 视 化 模型 之后， 可以 选择 想要 戒指 的 材质， 如 金、 银、 钢， 甚至 钛合金， 价格 和 戒指 大小 会 实时 显示 在 计算机 屏幕 上。 剩下 的 工作 由 Skimlab 的 合作 伙伴—— 3D 打印 公司 i. materialise 把 3D 模型 打印 出来， 并 送到 用户 家门 口，
青岛 尤 尼 科技 有限公司 致力于 3D 打印 技术 在前 沿 生物 及 数字化 医疗 领域 的 研发 与 应用， 自主 研发 了 中国 首台 多 喷头 活性 细胞 及 生物 支架 材料 3D 生物 打印机， 及 亚洲 首台 高精度 彩色 手术 模拟 软 质 模型 3D 打印机。
越来越多 的 传统 打印机 厂商 将 3D 打印 视为 企业 自身 发展 的 商 机， 并 积极 投身 于此。 如 惠普 公司 早 前 计划 于 2014 年中 期 进入 3D 打印 市场； 柯 尼 卡 美能达 即将 签订 的 一份 协议， 意图 在 美国 销售 3D 打印机； 其他 传统 打印机 厂商 也 跃跃欲试， 准备 在 不久 的 将来 进入 这一 大有作为 的 领域。
到 目前 为止， 3D 打印 技术 还 存在 一些 局限性， 如 材料 限于 塑料、 树脂 和 金属， 精度 也 只能 精确 到 几十 毫米， 在 规模 化 生产 方面 也不 具备 优势。 3D 打印机 还不 是 万能 制造 机。 从 3D 打印 面临 的 挑战 来看， 3D 打印 距离 能够 改变 现有 生产 模式、 转变 消费 观念 还有 很长 距离。 在 技术 方面， 目前 应用于 3D 打印 的 耗 材 非常 有限， 现有 的 市 场上 的 耗 材 主要 应用于 模型、 玩具 等 轻工业 民用产品 领域， 离 汽车、 航空 等 领域 还 较远， 而且 即便 耗 材 研发 成功， 规模 化 生产、 材料 配比 等 都是 问题，
目前， 潍坊 3D 打印 技术 创新 中心 投资 1 亿元， 聚集 3D 打印 企业 7 家， 与 清华大学、 东北 大学、 郑州 机械 研究所、 山东 大学 等 7 家 高校 科研 机构 达成 合作 意向， 重点 打造 集“ 产、 学、研、 用” 于 一体， 具有 产业 集聚 和 发展 引领 示范作用 的 区域性 科普、 加工 服务、 研发、 创意、 体验 中心。 中心 建成 后 逐步形成 全国 技术 领先、 面向 行业 应用 的 3D 打印 产业 发展 平台。
3D 打印 能够 打印 出 立体 物品 仅仅是 第一步， 即 3D 打印 1. 0 时代； 能够 打印 出 功能 性 产品 则是 第二 步 跨越， 即 3D 打印 2. 0 时代； 能够 与 大 数据、 云 计算、 物 联网、 智能 材料、 人工智能 技术 等 其他 先进 技术 融合 发展， 成为 众多 智能 服务 平台 的 一部分， 具有 语音 识别、 信息处理 的 能力， 则是 第三步 跨越， 即 3D 打印 的 3. 0 时代。
中华 人民 共和国 工业 和 信息 化 部 等 三部 委 联合 发布 了《 国家 增 材 制造 产业 发展 推进 计划（ 2015—— 2016 年）》， 首次 从政 府 层面 高度 评价 了 3D 打印 技术 的 意义 和 作用， 提出 了 推进 意见。 与此同时， 国务院 发布 的《 中国 制造 2025》 也 多次 谈到 对 3D 打印 技术 的 培育 和 扶持， 再次 肯定 了 3D 打印 作为 新兴 技术 在 智能 制造 中的 重要 作用，《
目前 国内 3D 打印 工业 的 应用 及 发展 主要 集中 在 航空 和 国防 工业 领域。 在 航空 领域， 由于 3D 打印 解决 了 偏析 问题（ 合金 成分 等 均匀 问题） 和 初步 成形 问题， 已经 基本 满足 实际 应用 要求， 但 满足 不了 飞机 冲击 韧 性的 高 要求， 所以 必须 将 3D 打印 与 传统 挤压 锻造 方法 结合， 才能 保证 在 航空 方面 放心 地 应用。
Autodesk 公司 最近 发布 了 一套 相当 神奇 的 3D 建模 软件 Autodesk 123D， 如图 6- 14 所示。 有了 它， 只需 要 简单 地 为 物体 拍摄 几张 照片 就能 轻松 地 自动 生成物 体 的 3D 模型。 这不 需要 复杂 的 专业知识， 任何人 都能 从 身边 的 环境 中 轻松 迅速 地 捕捉 物体 的 三维 模型， 制作 成立 体 影片， 也可以 通过 3D 打印机 把这 些 模型 制作 成 实物 艺术品。 如此 专业 好用 的 3D 建模 工具 相当 诱人。 更让 人 意外 的 是， Autodesk 123D 还是 完全 免费 的， 明显 符合 创 客 的 特征。
目前， 建造 这种 塔形 的 3D 太阳能 电池 板 的 成本 还是 高于 普通 的 平板 太阳能 电池 板， 但它 的 效率 更高， 也可以 节省 很多 的 空间， 这 在 寸土 寸 金 的 拥挤 都市 的 应用 场景 下 还是 相当 具有 竞争力 的。 这 款 折叠 塔形 的 太阳能 电池 组 还有 一个 优势 就是 可以 折叠 起来 运输，
对于 打印， 最为 熟知 的 是 2D 打印， 也就 是在 平面 上 打印， 比如 打印 个 文档、 文件、 图纸、 照片 之类， 这 是由 x 轴 和 y 轴 构成 的 维 度。 而 3D 打印， 则是 在 x 轴 和 y 轴 维 度 的 基础上 增加 一个 z 轴 的 维 度， 构成 了 三维 立体 打印。 但到 了 4D 打印， 除了 x 轴、 y 轴 和 z 轴 所 构成 的 立体 维 度外， 还 增加 了 时间 维 度。 简单 理解 4D 打印 就是 在 一个 立体 维 度 的 基础上， 再 增加 一个 时间 维 度。 这种 4D 打印机 就可以 随时 间 变化 而 改变 所 打印 的 物体， 这种 改变 可以 理解 为 自我 组装。
这是 麻省 理工 学院 关于 4D 打印 最为 直观 的 一项 演示 试验。 其中 有几个 非常 关键 的 要素， 一是 材料 能够 具备 对“ 时间” 的 认知； 二 是 触发 自我 组装 的 介质 不能 只是 水， 而 必须 根据 不同 的 打印 材料 来 选择， 可能 是 光、 热、 声音、 震动、 气体， 甚至 是 电子 的 触发。
4D 打印 市场 将 经历“ 温和 增长”。 这项 报告 涵盖 了 预期 中的 4D 打印 技术 主要 应用 行业， 如 航空 航天、 汽车、 服装、 建筑、 国防 军工、 医疗 保健 和 公用事业 等。
在 3D 时代， 很少 有人 会 去 花 高价 购买 知名 商品， 相反 人们 更 愿意 用 低廉 的 成本 购买 原材料， 在家 里 打印 所需 产品。 假如 众多 消费者 如此“ 合理 使用”， 其 结果 显然 是 逼迫 商家 破产。 由此可见， 3D 打印 对现 有的 知识产权 合理 使用 制度 提出 了 挑战。