本文作者：张荣升博士 原文出处：超越实验室

NPZ Technology Ltd 、
西安锐普3D打印机公司（RepRapPro-China）
创建人和执行董事
Beyond Laboratory 合伙人


3D打印是一个时髦的称呼，准确来说“增材生产技术”（Additive manufacturing AM ）更能体现3D打印是一种层层叠加的生产过程。这项技术早在上世纪80年代就提出来了，因为缺少计算机和互联网技术的强力支持，该项技术发展缓慢，并且非常昂贵。


Chuck Hull 发明的第一台3D打印机  1983年

提起3D打印，很多的第一印象就是“了不起，高科技！”其实，2009年以前，3D打印机只有少数的工业企业和研究机构使用。随着桌面级（FDM）机型的开源化（即RepRap），这个技术名词开始被大众熟悉。随后，市场引进了低成本的RepRap 3D打印机概念，有关3D打印的新闻开始井喷式爆发。

然而，作为一项产业，目前国内的3D企业赚钱的并不多。其中原因多多，今天这篇文章就专门为3D打印做一次“相对深入”的科普。

1、什么是3D打印？

3D打印是一个有趣的生产过程，通过数字化的设计创造出一个立体的物体。有各种不同的3D打印技术和材料可供选用，但他们的基本原理都一样，就是通过材料的层层累加，将一个数字模型变成一个固体的三维物体。

每一个3D打印开始前，你首先要为你想得到的物体做一个电子版的设计文件，就像一张蓝图。跟我们平常打印文件一个道理，空白文档是什么也打不出来的。3D打印的设计图可以精细到每一层，然后的工作扔给3D打印机就好了。

具体的打印过程视技术而不同，简单的比如用一台台式打印机融化塑料材料后一层层铺在打印平台上，复杂的比如要打印一台工业机器，要用激光有选择性的让金属粉末在高温下融化。根据物体的大小，打印过程可能需要数个小时，打印出的物体通常还要经过后处理来达到令人满意的效果。

打印的材料根据打印机的类型有所不同，从塑料到橡胶、沙石、金属、合金材料都有，每一年都有很多新材料在市场上出现。


2 、3D打印的主要类型

3D打印因为技术的不同分为以下几个主要类型。

1、FDM技术
FDM技术使用一般塑料材料，适用于快速、低成本打印的需求，应用范围很广。



2、SLA&DLP技术
使用高性能光敏树脂材料，利用光固化原理成型。用于打印表面光滑的高精度元器件，多用于制作高细节要求的雕塑件、珠宝模具和样品机。不适用于大型物体的打印。

目前，潘多拉科技研发的VLC新技术，不需要紫外线和激光，而利用自然光对树脂进行光固化，大幅降低了设备成本。


3、SLS技术
使用SLS尼龙材料 ，用于生产功能性样品、元件和一些终端产品，采用镭射烧结技术的最大优点是可能做到几乎完全自由的设计，可以打印出极其复杂的物体。不过也需要相对较长的冷却时间。



4、材料喷射技术
材料多样，包括刚性不透明塑料、透明塑料、类橡胶塑料、模拟聚丙烯材料等。目前最为精确的3D打印技术，层厚度小于一根头发丝的直径。适用于打印各种高精度物体。


5、粘合喷射技术
以着色沙石为材料，可用于生产各类建筑模型和大型雕塑。和SLS技术一样，因为材料本身的特性，不需要额外的支撑就可以制造出形状复杂的物体。



6、SLM技术
原材料为工业金属，被认为是3D打印产业的“圣杯”。广泛应用于航空航天、自动化和健康医疗产业，可用于生产一系列高科技、小体积的样品和终端产品。




3、3D打印的优势


3D打印（“增材生产技术”）的发展带来生产技术领域的一场变革，将在技术、经济和社会各方面带来巨大的效益。



1、实现小体积产品和大众个人用品的经济化生产

受益于“低工具需求”和数字化的特性，3D打印技术能够顺利进入大众消费品领域，可以精确满足消费需求。结合3D扫瞄技术，可以完全个性化的实现个人用品比如助听设备的生产和植入，价格也会变得非常经济。



2、适用于高附加值的复杂产品生产

3D打印的层叠生产过程打破了传统生产过程的限制，可以生产出形状复杂的产品。设计者有了更多的自由空间去提高产品的价值，比如可以使用形状复杂的晶格和拓扑结构去提高产品的功能和性能。



3、减少对环境的影响

3D 打印技术适应复杂几何结构的产品生产，可以减少对原材料的需求并提高产品回收利用的效益，从而减少生产过程带来的环境负担。航空和自动化工业正在使用这一技术减轻产品质量来提高发动机的燃烧效率。



4、便于分段生产催生新的供应链

就像互联网改变了我们获得音乐和影视资源的渠道一样，3D打印技术能改变我们获得有形产品的方式。通过互联网整合3D打印平台，消费者可以参与设计过程，再通过文件分享平台，在世界任何一个角落就近生产自己想要的产品，而不必依赖中心化的工厂。新的商业和消费需求，正在催生新的供应链和商业模式。



4、3D打印发展路在何方？

新技术带来巨大的想象空间，对3D打印产业来说，最重要的是拨开过度宣传的迷雾，认真思考其真正的价值前景。

从纯经济的角度考量，3D打印在规模上无法与传统生产相比，所以问题之一就是：在生产创新、响应能力和消费市场和降低操作复杂性的方面，这项技术究竟有哪些优势？以及：设计文件的开源共享会带来哪些风险，是否应该允许第三方修改设计？

这些问题的答案目前还不明朗，相关企业必须明了，3D打印技术的独特优势和风险是同时存在的。他们必须清楚的界定允许修改设计的程度，这个决策的过程不仅包括了自身发展的可能性，还应考虑生产者和相应服务提供者的潜在利益。

5、3D打印的投资价值

为加速3D打印技术在生活中的应用， 各国政府纷纷对增材制造的研发给予了重视。比如： 加拿大政府投入1900万加币，英国政府投资1470万英镑，中国政府投资4500万美金，新加坡计划5年内投入4亿美金，德国投入2460万美金，美国投入3.9亿美元，来支持3D打印产业的发展。

同时，政府投资需要与私人或商业投资相结合。 以英国2013年6月3日正式启动1470万英镑投资为例，Innovate UK 通过政府各个基金机构出资840万英镑， 公司或者私人投资630万英镑。其目的是协助企业通过3D打印技术解决生产过程问题，比如，医疗健康和能源技术方面。

这笔投入的效果调查报告也于2016年2月完成。如下图所示：

图片来自：2、Mapping UK Research and Innovation in Additive manufacturing， A review of the UK’s publicly funded R&D activities in， additive manufacturing between 2012 and 2015，February 2016,

图中的TRL是指技术成熟水平（TRL），一般用来评估一项技术从研究阶段达到完全商业化的水平阶段。 TRL1是技术还处于概念阶段，TRL9是指完全可以商业化。该图显示了这项投资对技术各项3D打印技术普遍有提高2-3级别。（其他评估结果不一一列出。）

总之，这次投资提高了3D打印方面研究活动，带动了各方面的投资，这些投资分布在244个研究项目中。涉及到的商业机构也从2012-2016 5年的57增加到165，涉及的大学从24增加到41所。Innovate UK在2016年6月30日又投资450万英镑鼓励数字化和3D打印结合项目，特别是大尺寸打印和平台建立，加速3D打印在自动化制造业中的应用。  

不难看出，这些投资会很快带动该产业的新的商业机会，随着这些技术进一步成熟，3D技术将如同电脑、手机一样成为日常生活的必需品。笔者认为，这类投资将会集中体现在两个方面：

第一． 对3D打印过程技术方面和以材料为导向的技术投资，这个属于早期的基础投资，就比如早期的手机或者个人电脑硬件技术方面投资。 但不同的是，3D技术因为应用和材料的差异，采用的打印技术会完全不一样，比如生物3D打印会考虑到其打印的产品是否具备生物兼容性和安全性，而金属3D打印会考虑生产过程中速度和精度，以及具体的金属性能。

第二，3D打印在行业应用方面的投资，正如平面打印店一样，提供专门的广告设计和打印服务。这类专业3D打印公司或平台将来会遍布世界各处，客户只需要上载自己的设计图或者提出自己的想法，3D打印公司就会在几小时后打印出产品。实际上，Amazon已经开始布局这样的个人定制服务。

在天津2016夏季达沃斯论坛中 ，引起“第四次工业革命”的3D打印技术成为最具热度的话题之一。在世界经济论坛创始人兼执行主席克劳斯·施瓦布看来，这场全新革命已经到来。

参考文献
1、What is 3D Printing? The definitive guide to additive manufacturing, https://www.3dhubs.com/what-is-3d-printing, access on 31st August 2016
2、Mapping UK Research and Innovation in Additive manufacturing， A review of the UK’s publicly funded R&D activities in， additive manufacturing between 2012 and 2015，February 2016, https://www.gov.uk/government/pu ... ch-into-3d-printing , access on 31st August 2016
3、3D打印的发展机遇与当前障碍, xy@3D科学谷 3D科学谷, 2016-08-28
4、MAKING 3D PRINTING WORK FOR YOU: Defining Business Models for Additive Manufacturing， MATTHIAS HOLWEG, KAI HOBERG, JAKOB HEINEN & FRITS PIL， P71-76， The European Business Review July - August 2016

3D打印技术图例来自：
1、What is 3D Printing? The definitive guide to additive manufacturing, https://www.3dhubs.com/what-is-3d-printing, access on 31st August 2016

本文作者：张荣升博士 原文出处：超越实验室

NPZ Technology Ltd 、
西安锐普3D打印机公司（RepRapPro-China）
创建人和执行董事
Beyond Laboratory 合伙人


3D打印是一个时髦的称呼，准确来说“增材生产技术”（Additive manufacturing AM ）更能体现3D打印是一种层层叠加的生产过程。这项技术早在上世纪80年代就提出来了，因为缺少计算机和互联网技术的强力支持，该项技术发展缓慢，并且非常昂贵。


Chuck Hull 发明的第一台3D打印机  1983年

提起3D打印，很多的第一印象就是“了不起，高科技！”其实，2009年以前，3D打印机只有少数的工业企业和研究机构使用。随着桌面级（FDM）机型的开源化（即RepRap），这个技术名词开始被大众熟悉。随后，市场引进了低成本的RepRap 3D打印机概念，有关3D打印的新闻开始井喷式爆发。

然而，作为一项产业，目前国内的3D企业赚钱的并不多。其中原因多多，今天这篇文章就专门为3D打印做一次“相对深入”的科普。

1、什么是3D打印？

3D打印是一个有趣的生产过程，通过数字化的设计创造出一个立体的物体。有各种不同的3D打印技术和材料可供选用，但他们的基本原理都一样，就是通过材料的层层累加，将一个数字模型变成一个固体的三维物体。

每一个3D打印开始前，你首先要为你想得到的物体做一个电子版的设计文件，就像一张蓝图。跟我们平常打印文件一个道理，空白文档是什么也打不出来的。3D打印的设计图可以精细到每一层，然后的工作扔给3D打印机就好了。

具体的打印过程视技术而不同，简单的比如用一台台式打印机融化塑料材料后一层层铺在打印平台上，复杂的比如要打印一台工业机器，要用激光有选择性的让金属粉末在高温下融化。根据物体的大小，打印过程可能需要数个小时，打印出的物体通常还要经过后处理来达到令人满意的效果。

打印的材料根据打印机的类型有所不同，从塑料到橡胶、沙石、金属、合金材料都有，每一年都有很多新材料在市场上出现。


2 、3D打印的主要类型

3D打印因为技术的不同分为以下几个主要类型。

1、FDM技术
FDM技术使用一般塑料材料，适用于快速、低成本打印的需求，应用范围很广。



2、SLA&DLP技术
使用高性能光敏树脂材料，利用光固化原理成型。用于打印表面光滑的高精度元器件，多用于制作高细节要求的雕塑件、珠宝模具和样品机。不适用于大型物体的打印。

目前，潘多拉科技研发的VLC新技术，不需要紫外线和激光，而利用自然光对树脂进行光固化，大幅降低了设备成本。


3、SLS技术
使用SLS尼龙材料 ，用于生产功能性样品、元件和一些终端产品，采用镭射烧结技术的最大优点是可能做到几乎完全自由的设计，可以打印出极其复杂的物体。不过也需要相对较长的冷却时间。



4、材料喷射技术
材料多样，包括刚性不透明塑料、透明塑料、类橡胶塑料、模拟聚丙烯材料等。目前最为精确的3D打印技术，层厚度小于一根头发丝的直径。适用于打印各种高精度物体。


5、粘合喷射技术
以着色沙石为材料，可用于生产各类建筑模型和大型雕塑。和SLS技术一样，因为材料本身的特性，不需要额外的支撑就可以制造出形状复杂的物体。



6、SLM技术
原材料为工业金属，被认为是3D打印产业的“圣杯”。广泛应用于航空航天、自动化和健康医疗产业，可用于生产一系列高科技、小体积的样品和终端产品。




3、3D打印的优势


3D打印（“增材生产技术”）的发展带来生产技术领域的一场变革，将在技术、经济和社会各方面带来巨大的效益。



1、实现小体积产品和大众个人用品的经济化生产

受益于“低工具需求”和数字化的特性，3D打印技术能够顺利进入大众消费品领域，可以精确满足消费需求。结合3D扫瞄技术，可以完全个性化的实现个人用品比如助听设备的生产和植入，价格也会变得非常经济。



2、适用于高附加值的复杂产品生产

3D打印的层叠生产过程打破了传统生产过程的限制，可以生产出形状复杂的产品。设计者有了更多的自由空间去提高产品的价值，比如可以使用形状复杂的晶格和拓扑结构去提高产品的功能和性能。



3、减少对环境的影响

3D 打印技术适应复杂几何结构的产品生产，可以减少对原材料的需求并提高产品回收利用的效益，从而减少生产过程带来的环境负担。航空和自动化工业正在使用这一技术减轻产品质量来提高发动机的燃烧效率。



4、便于分段生产催生新的供应链

就像互联网改变了我们获得音乐和影视资源的渠道一样，3D打印技术能改变我们获得有形产品的方式。通过互联网整合3D打印平台，消费者可以参与设计过程，再通过文件分享平台，在世界任何一个角落就近生产自己想要的产品，而不必依赖中心化的工厂。新的商业和消费需求，正在催生新的供应链和商业模式。



4、3D打印发展路在何方？

新技术带来巨大的想象空间，对3D打印产业来说，最重要的是拨开过度宣传的迷雾，认真思考其真正的价值前景。

从纯经济的角度考量，3D打印在规模上无法与传统生产相比，所以问题之一就是：在生产创新、响应能力和消费市场和降低操作复杂性的方面，这项技术究竟有哪些优势？以及：设计文件的开源共享会带来哪些风险，是否应该允许第三方修改设计？

这些问题的答案目前还不明朗，相关企业必须明了，3D打印技术的独特优势和风险是同时存在的。他们必须清楚的界定允许修改设计的程度，这个决策的过程不仅包括了自身发展的可能性，还应考虑生产者和相应服务提供者的潜在利益。

5、3D打印的投资价值

为加速3D打印技术在生活中的应用， 各国政府纷纷对增材制造的研发给予了重视。比如： 加拿大政府投入1900万加币，英国政府投资1470万英镑，中国政府投资4500万美金，新加坡计划5年内投入4亿美金，德国投入2460万美金，美国投入3.9亿美元，来支持3D打印产业的发展。

同时，政府投资需要与私人或商业投资相结合。 以英国2013年6月3日正式启动1470万英镑投资为例，Innovate UK 通过政府各个基金机构出资840万英镑， 公司或者私人投资630万英镑。其目的是协助企业通过3D打印技术解决生产过程问题，比如，医疗健康和能源技术方面。

这笔投入的效果调查报告也于2016年2月完成。如下图所示：

图片来自：2、Mapping UK Research and Innovation in Additive manufacturing， A review of the UK’s publicly funded R&D activities in， additive manufacturing between 2012 and 2015，February 2016,

图中的TRL是指技术成熟水平（TRL），一般用来评估一项技术从研究阶段达到完全商业化的水平阶段。 TRL1是技术还处于概念阶段，TRL9是指完全可以商业化。该图显示了这项投资对技术各项3D打印技术普遍有提高2-3级别。（其他评估结果不一一列出。）

总之，这次投资提高了3D打印方面研究活动，带动了各方面的投资，这些投资分布在244个研究项目中。涉及到的商业机构也从2012-2016 5年的57增加到165，涉及的大学从24增加到41所。Innovate UK在2016年6月30日又投资450万英镑鼓励数字化和3D打印结合项目，特别是大尺寸打印和平台建立，加速3D打印在自动化制造业中的应用。  

不难看出，这些投资会很快带动该产业的新的商业机会，随着这些技术进一步成熟，3D技术将如同电脑、手机一样成为日常生活的必需品。笔者认为，这类投资将会集中体现在两个方面：

第一． 对3D打印过程技术方面和以材料为导向的技术投资，这个属于早期的基础投资，就比如早期的手机或者个人电脑硬件技术方面投资。 但不同的是，3D技术因为应用和材料的差异，采用的打印技术会完全不一样，比如生物3D打印会考虑到其打印的产品是否具备生物兼容性和安全性，而金属3D打印会考虑生产过程中速度和精度，以及具体的金属性能。

第二，3D打印在行业应用方面的投资，正如平面打印店一样，提供专门的广告设计和打印服务。这类专业3D打印公司或平台将来会遍布世界各处，客户只需要上载自己的设计图或者提出自己的想法，3D打印公司就会在几小时后打印出产品。实际上，Amazon已经开始布局这样的个人定制服务。

在天津2016夏季达沃斯论坛中 ，引起“第四次工业革命”的3D打印技术成为最具热度的话题之一。在世界经济论坛创始人兼执行主席克劳斯·施瓦布看来，这场全新革命已经到来。

参考文献
1、What is 3D Printing? The definitive guide to additive manufacturing, https://www.3dhubs.com/what-is-3d-printing, access on 31st August 2016
2、Mapping UK Research and Innovation in Additive manufacturing， A review of the UK’s publicly funded R&D activities in， additive manufacturing between 2012 and 2015，February 2016, https://www.gov.uk/government/pu ... ch-into-3d-printing , access on 31st August 2016
3、3D打印的发展机遇与当前障碍, xy@3D科学谷 3D科学谷, 2016-08-28
4、MAKING 3D PRINTING WORK FOR YOU: Defining Business Models for Additive Manufacturing， MATTHIAS HOLWEG, KAI HOBERG, JAKOB HEINEN & FRITS PIL， P71-76， The European Business Review July - August 2016

3D打印技术图例来自：
1、What is 3D Printing? The definitive guide to additive manufacturing, https://www.3dhubs.com/what-is-3d-printing, access on 31st August 2016