3D打印技術新進展，正帶來哪些產業(yè)新機會？

我國首次“太空3D打印”實驗，也是國際上第一次在太空中開展連續(xù)纖維增強復合材料的3D打印實驗，其目的主要是為了支持未來空間站的長期在軌運行，以及發(fā)展空間超大型結構在軌制造和擴建。

這相當于是計劃在太空中搭建一個建造工廠，直接為空間站提供建筑材料，而省去從地球發(fā)射笨重設備的環(huán)節(jié)，直接提供“建筑材料”即可維持空間站的建設了。

3D打印技術，曾經在15、16年火爆科技圈的黑科技，和同樣火爆的無人機、VR眼鏡等設備，一度成為小眾的科技愛好者紛紛種草的新技術。

不過經過幾年的觀察，3D打印技術也同樣沒有迎來消費級產業(yè)的爆發(fā)。對于大多數人來說，入手一臺入門級3D打印機的成本并不高，但使用場景和使用需求確實非常尷尬。廉價使用的工業(yè)品基本可以滿足日常所需，而個性化的產品往往對設計和工藝要求都很高，普通設備難以搞定。

但是3D打印技術一直在持續(xù)進化，正在成為眾多科技領域和制造業(yè)企業(yè)的標準配置。我們不妨進到3D打印技術的縱深，來看下這一曾經備受矚目的黑科技有了哪些新進展，將來技術的大規(guī)模產業(yè)化還有哪些新可能？

3D打?。侯嵏矀鹘y(tǒng)制造業(yè)的“古登堡革命”

3D打印，顧名思義，就是不同于我們的平面打印，它是在一個三維立體空間中制造東西。其技術原理也很簡單，最直觀的理解就如同蛋糕師將奶油一點點擠出疊加形成各種形狀的裱花。只不過3D打印可以使用的材料更多、可以制造的物品更為復雜。不過，這仍然沒有理解3D打印帶給制造業(yè)的革命性的變化。

傳統(tǒng)制造業(yè)有兩種制造工藝，一種是等材制造，一種是減材制造。

等材制造就是在加工制作前后，材料沒有損耗。如同古代鑄劍，就是把銅或鐵融化，倒入磨具，然后不斷敲打、淬火成形，鑄成劍的重量跟原來材料重量差不多，這就是等材制造。這類工藝已經有 3000 多年的歷史了，它的特點是局限性很大，可以制造的工具非常有限。

減材制造，是隨著工業(yè)革命的發(fā)展而出現的新技術，就是在零部件、工具制造過程中，對材料進行各種切割以得到想要的形狀，因而會出現材料的耗損，比如現代金屬制造業(yè)，使用的車、刨、磨、鉆等切割工藝，就是這種減材制造。雖然這類工藝只有300年時間，卻讓整個世界進入了工業(yè)時代。

與等材制造和減材制造的工藝不同，3D打印則帶來了一種全新的生產制造方式——增材技術，3D打印技術也被稱為增材制造，即通過一種自底而上的打印工藝來制造產品，能夠制造出傳統(tǒng)工藝難以實現的復雜結構。這一技術被形容為“古登堡印刷機”的發(fā)明帶給西方文明進步的意義一樣，被稱為“第三次工業(yè)革命”的顛覆性技術。

3D打印代表的增材制造，所代表著生產方式的顛覆性變革，主要體現在以下方面：

第一，3D打印可以完成無損耗生產。比如原先制造一個渦輪發(fā)動機，傳統(tǒng)減材工藝要使用300公斤的原材料，最后制成一個50公斤的成品。而3D打印只需要50公斤的原材料就可以制成渦輪的成品。既保持了與等材制造工藝的成本優(yōu)勢，又能滿足復雜結構產品的制造，極大降低了制造的成本。

第二，3D打印可以滿足大規(guī)模定制需求。只要一件商品在相同價格下，人們會更有意愿購買個性化、定制化的設計產品。設計端將得到極大發(fā)展，而3D打印和耗材的普及則會將生產成本大幅降下來。未來無論是服裝設計、家居裝飾，還是日用生活品，各個產業(yè)的商家都可以提供盡可能多的定制化方案，來滿足消費者的個性化需求。

第三，3D打印能夠完成復雜工藝生產。由于3D打印的層疊打印的生產特性，幾乎可以打印出無比復雜的內部結構和紋理，像傳統(tǒng)工藝需要精雕細刻的鏤空設計，對于3D打印來說就是簡單不過的一件事情了。比如在珊瑚礁保護上，之前的方案是人們使用混凝土之類的東西來代替珊瑚礁，但是無法模擬原始珊瑚礁供魚類躲藏的細小洞穴。而一些海洋生物學家利用3D打印技術，使用砂巖作為材料，就可以打印出各種形狀的珊瑚礁，完美解決這一問題。制造超級復雜和特殊形狀的物體，成為3D打印技術的獨特優(yōu)勢。

因此，使用3D打印來制作人像、卡通、打印各種日常生活的物品，僅僅只是發(fā)揮出3D打印技術的鳳毛麟角的能力。我們可以繼續(xù)速覽下如今3D技術可以實現的一些逆天功能。

3D打印新進化：新光固化、微米級多材質與4D活化技術

3D打印從概念提出到技術成熟，已經有一百多年的時間了。1892年，美國專利局就登記了一種采用層合方法制作三維地圖模型的專利技術，成為3D打印技術的最初形態(tài)。而直到上世紀80年代，3D打印技術才真正開始走向成熟。

1984年，美國科學家查爾斯·胡爾發(fā)明了立體平板印刷技術（SLA），利用光來催化光敏樹脂，然后成型，首次開始嘗試將3D打印商業(yè)化。1986年，美國Helisys公司研發(fā)出分層實體制造技術（LOM）。1988年，美國人斯科特·克魯普發(fā)明了熔融沉積成型技術（FDM），并在1992年推出第一臺基于FDM技術的3D工業(yè)級打印機。

此后3D打印技術進入飛速迭代的發(fā)展時期，像新出現的激光燒結技術、紫外線光感和液滴噴射綜合技術等，大大提高了制造的精度和范圍。到2007年，有公司已經嘗試用3D打印機制作另一臺3D打印機。到2012年，3D打印機可以打印出完整的汽車和飛機，也可以打印出身體的下顎假體以及利用人體細胞打造出人造肝臟組織。

值得提到的是，美國一家名為Carbon3D的公司，在2015年發(fā)布了一種新的光固化技術——連續(xù)液態(tài)界面制造（CLIP），可以比以往任何一種3D打印技術都快25到100倍。

（Carbon 3D公司的樹脂加速3D打印機）

這種方法可以將工作臺浸沒于樹脂容器中，隨后用投影儀將預先編程過的圖像通過容器底部的透明窗口照射到工作臺上。然后采用激光照射方式一次性固定一層樹脂，底部窗口因為可以透過央企組織窗口區(qū)出現固化反應，工作臺則不斷上升，將完成部分從液態(tài)樹脂從拉出。

（目前世界上最快的樹脂3D打印機）

在這一技術的基礎上，美國西北大學的化學家Chad Mirkin及其同事研發(fā)出新的高速樹脂3D打印機，比2015年時的設備又得到了十倍的速度提升。Mirkin選擇將一層清油泵到容器的底部以阻止高分子反應。同時這層油還起到了冷卻劑的作用，將帶走打印過程中產生的熱，防止打印出的部件變形。這也意味著這種打印機不僅僅可以打印厭氧的樹脂，為3D打印打開了廣闊的新材料空間。

3D打印的另外一項進展則是多種粘性材料的3D打印，可以實現微米尺度上控制打印物體的材料性質。

今年初，《自然》雜志發(fā)布了這種新的打印技術，只需一個噴頭就可以在各種粘性材料中快速切換，同時還可以用多個噴頭，大大減少特定結構的打印時間。這一技術受到3D打印軟體或生物材料的“墨水直寫”工藝的啟發(fā)，但難點在于如何實現高頻切換多種材質。該研究團隊開發(fā)了一種微流控噴頭，噴頭尖端最多能有8種粘性流體形成互相分離的細絲，其工作原理是按順序對不同流體加壓，就能以最高50Hz的頻率切換材料，打印特征尺度可達250微米。

這種切換頻率之高，足以打印出“體素式”結構——即讓3D網格中每個代表結構的點（體素）都可以擁有不同的材料性能，從而讓需要精確控制局部材料性能的各種3D打印成為可能，比如采用不同硬度材料制作按折痕折疊的紙張，使用不同硬度硅膠做成的軟體機器人。

新材料的應用又為3D打印加入了新的維度，那就是時間性。也就是通過結合形狀記憶聚合物，這些材料會在環(huán)境溫度和濕度改變的情況下作出反應，讓3D打印的物體具有一定的機械運動能力，這一技術可以被稱為4D打印。

其中一類4D打印方法是引入變化的外部磁場來觸發(fā)動作。其中一種3D打印柵格狀結構中可以填充一種隨磁場變硬的液體，如果在遭遇撞擊的情況下變硬，可以應用于未來汽車座椅的防護當中。

更具應用前景的4D打印可以應用在人體器官當中，包括像可壓縮伸展的血管支架，可以精確控制其到達血管的指定位置后再進行打開拓展結構。目前已經實現了像寬度僅為50微米的4D打印支架，實現皮膚、肝臟器官組織的打印，但最雄心勃勃的發(fā)展方向就是打印出完整功能的身體器官，但當前技術還遠未能達到應用于人體器官移植的水平。

新工藝的發(fā)明促進了新材料的應用，而新材料的應用又將創(chuàng)新出各種各樣的產品特性。當3D打印技術越來越從微觀層面來控制物體的組成，即打印出由不同材質、不同特性組成的物體，那么這將必然對眾多材料、制造產業(yè)帶來全新的可能。

3D打印的產業(yè)新機：新生產方式與新供應鏈方式

當3D打印的技術已經到達微米級、多材質、活性材料融合的創(chuàng)新節(jié)點，3D打印在產業(yè)端的大規(guī)模應用似乎也已經是近在咫尺的事情了。那么，3D打印技術對各大產業(yè)和日常生活將產生哪些顛覆性影響呢？

（以色列科學家通過細胞3D打印的“可跳動的心臟”）

首先，最主要就是3D技術的工藝、結構和材料創(chuàng)新將帶來全新的產品。

1、全新工藝帶來新型的產品創(chuàng)新。在醫(yī)療行業(yè)，醫(yī)生需要對患者進行特別個性化的診斷，如需要應用到人體的醫(yī)療設備也需要極為定制化的制造工藝，如適合股骨頭壞死的關節(jié)，可以承受咳嗽、打噴嚏壓力的3D打印氣管，以及可運動的心臟。對于一些復雜的腫瘤切除手術，醫(yī)生可以通過3D建模，通過3D打印出逼真的器官模型，供醫(yī)生進行預先練習。

在服裝鞋類的生產中，也可以通過最新光固化成型技術，進行像橡膠的鞋底夾層，美式足球運動員生產頭盔襯里等產品的規(guī)模化生產。

2、3D打印的結構創(chuàng)新也會帶來全新的突破。比如使用計算機和機器人來精確控制自動化澆筑，來用3D混凝土打印出更穩(wěn)定也更長的橋梁；一家叫Relativity Space的初創(chuàng)公司正在用3D打印的方式制造火箭，其優(yōu)勢在于可以生產傳統(tǒng)制造方法無法實現的幾何構型的制冷通道；而像波音、勞斯萊斯、普拉特·惠特尼等航空公司開始使用3D打印來制造噴氣式發(fā)動機的金屬部件，這種方法比銑削更便宜并使得復雜構件更為輕巧。

3、新材料的使用也會帶來全新的生產方式。比如3D打印技術可以利用一種稱為微晶格的新金屬材料，內部是空的，完全透明，但是彈性極好，適合于飛機艙壁、艙門等高安全性低質量的需求。由于結構復雜，傳統(tǒng)工業(yè)制造流程難以應用，使用3D打印技術卻可輕松完成這類材料的制造。

再則，3D打印技術還將極大改變供應鏈系統(tǒng)。

比如英國的一家醫(yī)療團隊在坦桑尼亞的野外進行瘧疾寄生蟲的診斷，而光學顯微鏡的一些設備部件和耗材經常損壞或短缺。研究人員設計了一套顯微鏡的3D模型，通過3D打印機可以在野外打印除相機、電機和鏡頭之外的其他部件。

而像開頭我國在太空艙試驗的3D復合材料打印，也正是為未來太空建設提前進行技術積累。未來只要有成熟高效的打印設備，只需獲得想要制造產品的數據模型，就可以實現本地化的取材和打印，這將徹底改變傳統(tǒng)耗時、遲滯、臃腫和線性的供應鏈系統(tǒng)。

現在，我們已經看到3D打印技術，在醫(yī)療器械、航空航天、建筑、汽車、工業(yè)制造等領域已經帶來眾多變革。而從目前的態(tài)勢來看，這種改變會越來越快，波及的領域也會越來越廣。

未來，3D打印將顛覆傳統(tǒng)產業(yè)的生產方式，也會帶給更多全新的產業(yè)機會。

創(chuàng)作《奇點臨近》這本書的大神級的未來學家?guī)炱濏f爾，曾使用過一個“荷塘效應”的比喻來形容技術的指數級增長。假如荷葉鋪滿一半荷塘花了8天時間，那么鋪滿整個荷塘就不會再花費另外8天時間，而只需要一個晚上就可以了。

3D打印技術的發(fā)展也似乎帶有這種潛移默化的指數性增長的特性。從概念提出到真正技術落地用了將近100年時間，而從技術剛剛起步到今天的微米級、多材質、活化等技術花費了30年時間，而接下來3D技術的大規(guī)模生產和應用可能將更快加速，我們也許會在接下來10年中，看到越來越多由3D技術制造的產品出現在我們的生活當中。

最后開一個腦洞。

在這個“地攤經濟”火爆的夏天里，對于有想法、有設計能力的你，是否就可以入手一臺入門級的3D打印機，來為路過的用戶提供各種個性化的玩偶、頭像、飾品的設計打印呢？

你看，僅靠小小“盲盒”就發(fā)家致富的泡泡瑪特已經申請港股上市了，你的創(chuàng)業(yè)之路可能就從一臺3D打印機就開啟了呢？

至少，這樣非常“人間煙火氣”的地攤經濟是不是一下子就有點高科技的味道呢？