王雪莹
(上海市科学学研究所，上海 200235)
摘要：3D打印技术是一种新兴的快速成型技术，近一段时间以来受到了社会的广泛关注。文章对3D打印的 技术体系和国内外产业发展现状、发展态势作了综合介绍，以国际产业调查资料为依据对3D打印领域未来的 产业发展前景和技术发展趋势作了预见性分析，并对现阶段的3D打印产业投资和技术研发提出建议。
关键词：3D打印；快速成型；添加制造；智能制造
中图分类号：TP751 文献标识码：A 文章编号：1009-2374 (2012)26-0003-03
3D打印(3D Printing)技术作为快速成型领 域的一种新兴技术，目前正成为一种迅猛发展的潮 流。近一段时间，3D打印技术吸引了国内外新闻媒 体和社会公众的热切关注。英国《经济学人》杂志 2011年2月刊载圭寸面文章，对3D打印技术的发展作 了介绍和展望，文章认为：3D打印技术未来的发展 将使大规模的个性化生产成为可能，这将会带来全 球制造业经济的重大变革。很多新闻媒体乐观地认 为：3D打印产业将成为下一个具有广阔前景的朝阳 产业。
1 3D打印技术简介
3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层 增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除 材料加工技术不同，因此又称为添加制造(AM, Add it ive Manufac turing)。作为一种综合性应 用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技 术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿 技术知识，具有很高的科技含量°3D打印机是3D打 印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等 为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械 系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组 成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制 软件等也是3D打印技术休系的重要组成部分。
目前，3D打印技术主要被应用于产品原型、模 具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些 领域传统依赖的精细加工工艺°3D打印可以在很大 程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在 生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术 的引入也为创新开拓了广阔的空间。如2010年澳大 利亚Inve tech公司和美国Organovo公司合作，尝试 以活体细胞为“墨水”打印人体的组织和器官，是 医学领域具有重大意义的创新。
2 3D打印技术及产业国际国内发展现状
2.1国际情况
经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长 足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实 现600dp i的精细分辨率。目前国际上较先进的产品 可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24 位色彩的彩色打印。
目前，在全球3D打印机行业，美国3D Sys tems 和St ra tasys两家公司的产品占据了绝大多数市场 份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的 企业/研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、 英国的Reprap等。3D Sys tems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者z Corpora tion公司之 后，3D Systems奠定了在3D打印领域的龙头地位。Strat asys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公 司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。继2011年5月收购Solidscape公司之后，St ra tasys 又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商 Obje t宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处 于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。
表1 3D打印领域国际主要企业/研发团队
目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形 成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和 汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成 本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂 而精细的造型。另外，3D打印技术获得应用的领域 是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司 Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技 术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推 出60种创新产品，年收入达到100万美元。
22国内情况
自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D 打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理 论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科 研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面 有优势，并已推出了 HRP系列成型机和成型材料； 西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发 了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到 0.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射 装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。但 总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还 有较大差距。
近年来，国内如深圳维示泰克、南京紫金立 德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现了3D打印机 的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外 归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同 类产品相比尚处于低端。目前，国产3D打印机在打 印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还 难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。 在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用 进口 3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其 服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、 文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区 3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台 主要着重于技术应用，而非自主研发。
3 3D打印产业的未来发展前景
根据国际快速制造行业权威报告《Wohlers Report 2011》发布的调查结果，全球3D打印产业 产值在1988〜2010年间保持着26.2%的年均增长速 度。报告预期，3D打印产业未来仍将持续较快地增 长，到2016年，包含设备制造和服务在内的产业总 产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元。
但3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间， 目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是成本方 面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一 步普及应用带来了困难。二是打印材料方面，目前 3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限 性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也 存在一定隐患。三是精度、速度和效率方面，目前 3D打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远不适 应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限 制，打印精度与速度之间存在严重冲突。四是产业 环境方面，3D打印技术的普及将使产品更容易被复 制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识 产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。
Gar tner公司2011年发布的最新技术发展展望 报告判断：3D打印技术目前正在进入概念炒作的 高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有 待进一步培育°Gar tner公司研究人员认为，3D打 印技术成熟到适应市场需求还将需要5〜10年的时 间。在这一较为漫长的发展过程中，产业可能会面 临增长期望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等 风险。
总之，从中长期看来3D打印产业具有较为广阔 的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距 离，对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高 估。因此，现阶段产业界对3D打印领域的投入应以 加强创新研发、技术引进和储备为主，尤其要重视 自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞 争中占据有利地位。如受到概念炒作影响，在技术 尚未充分完善的现阶段大规模投入产能扩张，则投 资回报将面临着较大的风险。
4 3D打印技术未来发展的主要趋势
随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技 术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造 领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来， 3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用 化以及便捷化等主要趋势。
提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打 印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方 法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实 现直接面向产品的制造；开发更为多样的3D打印材 料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均 质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技 术有可能成为今后研究与应用的又一个热点；3D打 印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更 简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的 需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现 CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软 件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展3D打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。
参考文献
[1] Print me a StradivariusJ]. Economist, 2011 -2-10.
[2] The printed worldJ]. Economist,2011-2-10.
[3] Wohlers Associates Inc. Wohlers Report 2011[R]. 2011.
[4] Gartner Inc,上海市科学学研究所.新兴技术的炒作周期 曲线[R]. 2011.
[5]古丽萍.蓄势待发的3D打印机及其发展[J].数码印刷， 2011,(10).
[6] 刘厚才,莫健华,刘海涛.三维打印快速成形技术及其应 用[J].机械科学与技术,2008,(9).
[7] 陈步庆，林柳兰，陆齐，等.三维打印技术及系统研究[J]. 机电一体化,2005,(4).
[8] Dim it rov D, Schreve K, de Beer N. Advances in Three Dimensional Printing-State of the Art and Future Perspectives[A].10th European Forum on Rapid Prototyping and Manufacturing[C].Paris,France Sep,2004.
基金项目:上海市软科学基金项目(项目编号暂时待定)
作者简介:王雪莹(1981-),男，江苏人，上海市科学学研 究所创新战略研究室副主任,博士,研究方向：科技创新发展 战略、高新技术产业化等。
