第三次工業(yè)革命與當代中國：3D打印重組世界

　　3D打印(3DPrinting)技術(shù)，又稱“添加制造”(AdditiveManufacturing)技術(shù)。根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)2009年成立的添加制造技術(shù)子委員會F42公布的定義，“添加制造”技術(shù)是“一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反的，基于三維數(shù)字模型的，通常采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的工藝，同義詞包括添加成型、添加工藝、添加技術(shù)、添加分層制造、分層制造，以及無模成型”。不過，為與現(xiàn)下流行的“3D”概念相契合，人們又為該技術(shù)起了一個更通俗的名字——“3D打印”，其內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品生命周期前端的“快速原型”(RapidPrototyping)、全生產(chǎn)周期的“快速制造”(RapidManufacturing)，以及其他所有添加工藝、技術(shù)、系統(tǒng)類別和應(yīng)用。“3D打印”和“添加制造”這兩種稱謂，均表示同一概念。自1984年CharlesHull制作出第一臺3D打印機以來，3D打印技術(shù)歷經(jīng)了近30年的發(fā)展，正逐步成為最有生命力的先進制造技術(shù)之一，其主要特點有：

　　第一，設(shè)計制造一體化。由三維模型直接驅(qū)動，在一定程度上實現(xiàn)了設(shè)計、制造的一體化，這是三維打印技術(shù)的一個最顯著特點。

　　第二，高度柔性。添加制造技術(shù)不受零件的形狀和結(jié)構(gòu)的任何約束，使復(fù)雜模型的直接制造成為可能。

　　第三，縮短新產(chǎn)品的研制周期，降低研發(fā)成本。三維打印技術(shù)可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)換成真實的產(chǎn)品模型，從而可以對正處于設(shè)計階段的產(chǎn)品做出快速評價、修改及功能試驗，這樣既有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，又降低了經(jīng)濟損耗。

　　3D打印原理：

　　所謂3D打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的。這一成型過程不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機床就可以打造出任意形狀。它可以自動、快速、直接和精確地將計算機中的設(shè)計轉(zhuǎn)化為模型。

　　3D打印機采用分層加工，迭加成型方式來“造型”，會將設(shè)計品分為若干薄層，每次用原材料生成一個薄層，再通過逐層疊加獲得3D實體。這一點它與噴墨打印機工作方法十分類似，3D打印是一層一層地印，而噴墨打印機是一條直線一條直線地噴，通過若干直線的疊加形成圖像。它通過對計算機中三維軟件的識別，進行STL(三角網(wǎng)格格式)轉(zhuǎn)換，再結(jié)合切層軟件確定擺放方位和切層路徑，并進行切層工作和相關(guān)支撐材料的構(gòu)造。

　　最后使用噴頭將固態(tài)的線型成型材料加熱成半熔融狀態(tài)之后擠出來，和支撐材料自下而上，一次一層的構(gòu)鑄成最終實體。簡單地說，可以理解為軟件把物體分成若干個橫截面，而三維打印機將這些橫截面一次一層的沉淀、堆積，最終形成我們所需的實體。

　　3D打印簡史：

　　1986年，CharlesHull開發(fā)了第一臺商業(yè)3D印刷機。

　　1993年，麻省理工學院獲3D印刷技術(shù)專利。

　　1995年，美國ZCorp公司從麻省理工學院獲得唯一授權(quán)并開始開發(fā)3D打印機。

　　2005年，市場上首個高清晰彩色3D打印機SpectrumZ510由ZCorp公司研制成功。

　　2010年11月，世界上第一輛由3D打印機打印而成的汽車Urbee問世。

　　2011年6月6日，發(fā)布了全球第一款3D打印的比基尼。

　　2011年7月，英國研究人員開發(fā)出世界上第一臺3D巧克力打印機。

　　2011年8月，南安普敦大學工程師開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機。

　　2012年11月，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。

　　3D打印的意義和影響：

　　以3D打印技術(shù)為典型代表的新型制造技術(shù)成為引領(lǐng)未來制造業(yè)變革的重要技術(shù)之一，該技術(shù)有可能從根本上改變生產(chǎn)組織方式。3D打印技術(shù)是通過計算機輔助設(shè)計技術(shù)完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機上，后者采用分層加工、疊加成形，即將連續(xù)的薄型層面堆棧起來，直到一個固態(tài)物體成型。其工作原理與普通打印機基本相同，與計算機連接后，通過計算機控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。

　　新型制造技術(shù)的單個產(chǎn)品生產(chǎn)成本與大規(guī)模生產(chǎn)的單位產(chǎn)品成本的無差將顛覆傳統(tǒng)的規(guī)模經(jīng)濟理論。大規(guī)模產(chǎn)品生產(chǎn)優(yōu)勢的削弱使得中小企業(yè)甚至個體企業(yè)家變得更具有競爭力，并使集約式的生產(chǎn)模式向著分布式生產(chǎn)的方向發(fā)展。此外，新型制造技術(shù)可以極大地釋放人的創(chuàng)造力和想象力，使創(chuàng)新經(jīng)濟商業(yè)模式成為可能。一臺筆記本計算機和一個3D打印機便可完成產(chǎn)品的制造，同時將導致勞動力成本占總成本的比例會越來越小，新興國家的低勞動力成本優(yōu)勢將急劇下降。靠廉價勞動力獲得大量就業(yè)崗位的新興國家，可能又要將這些崗位拱手讓給發(fā)達國家，并改變世界產(chǎn)業(yè)格局。

　　3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀及未來前景：

　　在過去的一年多時間里，3D打印業(yè)界進入了高度活躍期，與3D打印相關(guān)的新聞和概念頻頻出現(xiàn)在公眾視野中，越來越多的中國民眾開始了解3D打印。事實上，3D打印技術(shù)和3D打印機在一些歐美發(fā)達國家的應(yīng)用已經(jīng)相當普遍。

　　近期全球第一本全面講述3D打印技術(shù)及其應(yīng)用的圖書——《3D打印：從想象到現(xiàn)實》，根據(jù)多年來對3D打印技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的研究成果，該書作者從不同層面和角度為讀者描述了3D打印的技術(shù)原理、歷史和現(xiàn)狀、廣泛應(yīng)用、未來前景以及困難與挑戰(zhàn)。根據(jù)本書介紹，我們可以從以下幾方面來理解3D打印的現(xiàn)狀及未來前景：

　　第一，3D打印已蔓延至日常生活的每個角落。

　　越來越多的事實表明，3D打印機已不再是設(shè)計師和科學家的專屬機器，它已經(jīng)從實驗室和工廠逐漸走出來，走進學校和家庭，與我們每個普通人的生活息息相關(guān)。3D打印的衣服和鞋子已經(jīng)多次出現(xiàn)在全球各大時裝展，3D打印的餅干和蛋糕已經(jīng)成為一些家庭餐桌上最受歡迎的小點心，3D打印的咖啡桌和個性家具頗受年輕人的喜愛，而在自行車和汽車等交通工具的設(shè)計中也越來越多地體現(xiàn)出3D打印元素。從小朋友的“喜羊羊”牙刷和定制玩具，到父母的立體婚紗照，再到爺爺奶奶的助聽器和義齒，3D打印讓家庭中的每個成員都感到驚喜并從中受益。正如書中所描繪的，3D打印技術(shù)正在遵循三步走的發(fā)展路線，逐漸從打印物體外形過渡到打印物體內(nèi)部構(gòu)成，最終發(fā)展到可以打印物體的高級功能和行為的階段，因此我們相信：在不遠的將來，每個人都可以在家中打印可通話的手機、爬來爬去的迷你機器人，以及其他新奇好玩的電子產(chǎn)品。

　　第二，3D打印將波及各行各業(yè)。

　　3D打印這種新式制造方法將使你的工作方式發(fā)生巨大改變，也許變得更有效率，也許變得更困難，作者針對這一趨勢在書中列舉了很多有代表性的案例。如果你是一位中學老師，當你帶著花費數(shù)小時用3D打印制作的恐龍化石或者喜馬拉雅山模型來到教室，這堂課一定會令你的學生們印象深刻;如果你是一位資深醫(yī)生，當你將帶著使用3D打印機制造的與患者身體完美匹配的骨骼或者心臟瓣膜走進手術(shù)室時，整個醫(yī)療界必定為之振奮;如果你是一位考古工作者，利用3D掃描和3D打印技術(shù)快速復(fù)制那些脆弱、不可觸碰的珍貴文物，那么繁冗細致的考古研究工作必將事半功倍;如果你是一位藝術(shù)品設(shè)計師，使用3D打印技術(shù)實現(xiàn)你的設(shè)計，此時自然界中那些美妙復(fù)雜的曲線和外形都不再遙不可及，人們的審美標準也會大幅提升。然而，如果你是一位立體雕刻大師，那么3D打印出的作品會使你自嘆不如;如果你擁有一間模型制作工廠，3D打印技術(shù)極有可能使你的業(yè)務(wù)量大幅縮水。諸如此類，3D打印必將影響各行各業(yè)的工作模式，或者增強很多行業(yè)的生命力，或者導致某些行業(yè)走向消亡。

　　第三，3D打印將催生眾多新機會，同時也帶來很多新挑戰(zhàn)。

　　如前所述，一些傳統(tǒng)行業(yè)將受到3D打印技術(shù)的沖擊而逐漸萎縮，然而我們必須意識到3D打印同樣會催生大量前所未有的行業(yè)和巨大機遇。最顯而易見的機會就是，隨著廉價家用3D打印機需求的增長，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈(包括零配件制造、打印材料等行業(yè))也會進入高速發(fā)展期。更重要的機會在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，圍繞3D打印會出現(xiàn)越來越多的電子商務(wù)模式，例如在線3D打印服務(wù)、個人定制設(shè)計制造服務(wù)、共享3D打印模型小區(qū)以及面向云制造的3D打印網(wǎng)絡(luò)。與互聯(lián)網(wǎng)類似，移動信息平臺和智能手機的普及也為某些簡單易用卻十分有趣的3D打印增值服務(wù)提供了理想的應(yīng)用推廣平臺。還有就是基于3D打印的實體商業(yè)模式將迅速成長，例如遍布大街小巷和旅游景點的3D打印店與3D打印照相館。

　　然而，我們必須認識到在3D打印創(chuàng)造無數(shù)新機會的同時，它也帶來了許多前所未有的挑戰(zhàn)：3D打印行業(yè)的人才培養(yǎng)問題，現(xiàn)有設(shè)計軟件與3D打印的不匹配問題，3D打印物品的版權(quán)和知識產(chǎn)權(quán)糾紛問題，以及3D打印設(shè)備和3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量安全問題，還有就是3D打印產(chǎn)品對公共安全和環(huán)境構(gòu)成的威脅，等等。這些問題迫切需要3D打印業(yè)界人士、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟研究者、法律工作者以及公共事務(wù)管理者通過共同努力來解決。

　　第四，3D打印將改變現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，沖擊中國經(jīng)濟模式。

　　毋庸置疑，3D打印將創(chuàng)造新的商業(yè)模式，改變現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，對世界經(jīng)濟產(chǎn)生巨大影響。最近一段時間，主要發(fā)達國家紛紛開始布局，陸續(xù)出臺了相關(guān)政策和投資發(fā)展計劃，大力發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，旨在占領(lǐng)新工業(yè)革命的前沿陣地。美國總統(tǒng)奧巴馬在2013年2月“國情咨文”中多次提及3D打印，并籌劃建立3D打印國家創(chuàng)新中心，旨在提升美國制造業(yè)的競爭力。從歐美各國最新的太空探索計劃中，也可以看到對3D打印技術(shù)相關(guān)項目的巨額資助。

　　同時應(yīng)該指出，3D打印技術(shù)將會給中國產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟帶來一些直接的負面影響。首先，隨著中國制造業(yè)勞動力成本上漲，基于3D打印技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)平臺的全球云制造模式將體現(xiàn)出更廉價、更快捷并且更綠色環(huán)保的優(yōu)勢，這將有可能部分取代現(xiàn)有的中國制造模式。其次，3D打印的廣泛應(yīng)用使得整個產(chǎn)品研發(fā)過程都可以在企業(yè)內(nèi)部進行，這將使研發(fā)周期縮短并且很好地保護了設(shè)計方案。然而，對于大量依靠模仿而生存且缺乏原創(chuàng)設(shè)計力量的中國微小企業(yè)來說，這無疑是一個沉重的打擊。令人欣慰的是，在中國北京、西安、成都和武漢等城市，政府已經(jīng)陸續(xù)開始著手對3D打印相關(guān)產(chǎn)業(yè)進行布局和規(guī)劃，從設(shè)備研發(fā)、軟件設(shè)計、材料制備和技術(shù)服務(wù)等眾多環(huán)節(jié)全面鼓勵發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，相信中國能夠把握此次制造業(yè)轉(zhuǎn)型改革機遇，成為世界3D打印產(chǎn)業(yè)強國。

　　綜上所述，3D打印時代已經(jīng)到來，我們的生活、工作以及思考方式都會為之改變，世界經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)格局也將受其影響。因此我國必須及早謀劃，更好應(yīng)對，以免被動落后。