3D打印技術(shù)新進(jìn)展，正帶來(lái)哪些產(chǎn)業(yè)新機(jī)會(huì)？

我國(guó)首次“太空3D打印”實(shí)驗(yàn)，也是國(guó)際上第一次在太空中開(kāi)展連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印實(shí)驗(yàn)，其目的主要是為了支持未來(lái)空間站的長(zhǎng)期在軌運(yùn)行，以及發(fā)展空間超大型結(jié)構(gòu)在軌制造和擴(kuò)建。

這相當(dāng)于是計(jì)劃在太空中搭建一個(gè)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(shè)備的環(huán)節(jié)，直接提供“建筑材料”即可維持空間站的建設(shè)了。

3D打印技術(shù)，曾經(jīng)在15、16年火爆科技圈的黑科技，和同樣火爆的無(wú)人機(jī)、VR眼鏡等設(shè)備，一度成為小眾的科技愛(ài)好者紛紛種草的新技術(shù)。

不過(guò)經(jīng)過(guò)幾年的觀察，3D打印技術(shù)也同樣沒(méi)有迎來(lái)消費(fèi)級(jí)產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)。對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，入手一臺(tái)入門級(jí)3D打印機(jī)的成本并不高，但使用場(chǎng)景和使用需求確實(shí)非常尷尬。廉價(jià)使用的工業(yè)品基本可以滿足日常所需，而個(gè)性化的產(chǎn)品往往對(duì)設(shè)計(jì)和工藝要求都很高，普通設(shè)備難以搞定。

但是3D打印技術(shù)一直在持續(xù)進(jìn)化，正在成為眾多科技領(lǐng)域和制造業(yè)企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)配置。我們不妨進(jìn)到3D打印技術(shù)的縱深，來(lái)看下這一曾經(jīng)備受矚目的黑科技有了哪些新進(jìn)展，將來(lái)技術(shù)的大規(guī)模產(chǎn)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(gè)三維立體空間中制造東西。其技術(shù)原理也很簡(jiǎn)單，最直觀的理解就如同蛋糕師將奶油一點(diǎn)點(diǎn)擠出疊加形成各種形狀的裱花。只不過(guò)3D打印可以使用的材料更多、可以制造的物品更為復(fù)雜。不過(guò)，這仍然沒(méi)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(méi)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(lái)材料重量差不多，這就是等材制造。這類工藝已經(jīng)有 3000 多年的歷史了，它的特點(diǎn)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(xiàn)的新技術(shù)，就是在零部件、工具制造過(guò)程中，對(duì)材料進(jìn)行各種切割以得到想要的形狀，因而會(huì)出現(xiàn)材料的耗損，比如現(xiàn)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(shí)間，卻讓整個(gè)世界進(jìn)入了工業(yè)時(shí)代。

與等材制造和減材制造的工藝不同，3D打印則帶來(lái)了一種全新的生產(chǎn)制造方式——增材技術(shù)，3D打印技術(shù)也被稱為增材制造，即通過(guò)一種自底而上的打印工藝來(lái)制造產(chǎn)品，能夠制造出傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這一技術(shù)被形容為“古登堡印刷機(jī)”的發(fā)明帶給西方文明進(jìn)步的意義一樣，被稱為“第三次工業(yè)革命”的顛覆性技術(shù)。

3D打印代表的增材制造，所代表著生產(chǎn)方式的顛覆性變革，主要體現(xiàn)在以下方面：

第一，3D打印可以完成無(wú)損耗生產(chǎn)。比如原先制造一個(gè)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，傳統(tǒng)減材工藝要使用300公斤的原材料，最后制成一個(gè)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(shì)，又能滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(jià)格下，人們會(huì)更有意愿購(gòu)買個(gè)性化、定制化的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。設(shè)計(jì)端將得到極大發(fā)展，而3D打印和耗材的普及則會(huì)將生產(chǎn)成本大幅降下來(lái)。未來(lái)無(wú)論是服裝設(shè)計(jì)、家居裝飾，還是日用生活品，各個(gè)產(chǎn)業(yè)的商家都可以提供盡可能多的定制化方案，來(lái)滿足消費(fèi)者的個(gè)性化需求。

第三，3D打印能夠完成復(fù)雜工藝生產(chǎn)。由于3D打印的層疊打印的生產(chǎn)特性，幾乎可以打印出無(wú)比復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和紋理，像傳統(tǒng)工藝需要精雕細(xì)刻的鏤空設(shè)計(jì)，對(duì)于3D打印來(lái)說(shuō)就是簡(jiǎn)單不過(guò)的一件事情了。比如在珊瑚礁保護(hù)上，之前的方案是人們使用混凝土之類的東西來(lái)代替珊瑚礁，但是無(wú)法模擬原始珊瑚礁供魚(yú)類躲藏的細(xì)小洞穴。而一些海洋生物學(xué)家利用3D打印技術(shù)，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(wèn)題。制造超級(jí)復(fù)雜和特殊形狀的物體，成為3D打印技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

因此，使用3D打印來(lái)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(shù)的鳳毛麟角的能力。我們可以繼續(xù)速覽下如今3D技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的一些逆天功能。

3D打印新進(jìn)化：新光固化、微米級(jí)多材質(zhì)與4D活化技術(shù)

3D打印從概念提出到技術(shù)成熟，已經(jīng)有一百多年的時(shí)間了。1892年，美國(guó)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(shù)，成為3D打印技術(shù)的最初形態(tài)。而直到上世紀(jì)80年代，3D打印技術(shù)才真正開(kāi)始走向成熟。

1984年，美國(guó)科學(xué)家查爾斯·胡爾發(fā)明了立體平板印刷技術(shù)（SLA），利用光來(lái)催化光敏樹(shù)脂，然后成型，首次開(kāi)始嘗試將3D打印商業(yè)化。1986年，美國(guó)Helisys公司研發(fā)出分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）。1988年，美國(guó)人斯科特·克魯普發(fā)明了熔融沉積成型技術(shù)（FDM），并在1992年推出第一臺(tái)基于FDM技術(shù)的3D工業(yè)級(jí)打印機(jī)。

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

值得提到的是，美國(guó)一家名為Carbon3D的公司，在2015年發(fā)布了一種新的光固化技術(shù)——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(shù)都快25到100倍。

（Carbon 3D公司的樹(shù)脂加速3D打印機(jī)）

這種方法可以將工作臺(tái)浸沒(méi)于樹(shù)脂容器中，隨后用投影儀將預(yù)先編程過(guò)的圖像通過(guò)容器底部的透明窗口照射到工作臺(tái)上。然后采用激光照射方式一次性固定一層樹(shù)脂，底部窗口因?yàn)榭梢酝高^(guò)央企組織窗口區(qū)出現(xiàn)固化反應(yīng)，工作臺(tái)則不斷上升，將完成部分從液態(tài)樹(shù)脂從拉出。

（目前世界上最快的樹(shù)脂3D打印機(jī)）

在這一技術(shù)的基礎(chǔ)上，美國(guó)西北大學(xué)的化學(xué)家Chad Mirkin及其同事研發(fā)出新的高速樹(shù)脂3D打印機(jī)，比2015年時(shí)的設(shè)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(yīng)。同時(shí)這層油還起到了冷卻劑的作用，將帶走打印過(guò)程中產(chǎn)生的熱，防止打印出的部件變形。這也意味著這種打印機(jī)不僅僅可以打印厭氧的樹(shù)脂，為3D打印打開(kāi)了廣闊的新材料空間。

3D打印的另外一項(xiàng)進(jìn)展則是多種粘性材料的3D打印，可以實(shí)現(xiàn)微米尺度上控制打印物體的材料性質(zhì)。

今年初，《自然》雜志發(fā)布了這種新的打印技術(shù)，只需一個(gè)噴頭就可以在各種粘性材料中快速切換，同時(shí)還可以用多個(gè)噴頭，大大減少特定結(jié)構(gòu)的打印時(shí)間。這一技術(shù)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(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)高頻切換多種材質(zhì)。該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(xì)絲，其工作原理是按順序?qū)Σ煌黧w加壓，就能以最高50Hz的頻率切換材料，打印特征尺度可達(dá)250微米。

這種切換頻率之高，足以打印出“體素式”結(jié)構(gòu)——即讓3D網(wǎng)格中每個(gè)代表結(jié)構(gòu)的點(diǎn)（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(jī)器人。

新材料的應(yīng)用又為3D打印加入了新的維度，那就是時(shí)間性。也就是通過(guò)結(jié)合形狀記憶聚合物，這些材料會(huì)在環(huán)境溫度和濕度改變的情況下作出反應(yīng)，讓3D打印的物體具有一定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)能力，這一技術(shù)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(chǎng)來(lái)觸發(fā)動(dòng)作。其中一種3D打印柵格狀結(jié)構(gòu)中可以填充一種隨磁場(chǎng)變硬的液體，如果在遭遇撞擊的情況下變硬，可以應(yīng)用于未來(lái)汽車座椅的防護(hù)當(dāng)中。

更具應(yīng)用前景的4D打印可以應(yīng)用在人體器官當(dāng)中，包括像可壓縮伸展的血管支架，可以精確控制其到達(dá)血管的指定位置后再進(jìn)行打開(kāi)拓展結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了像寬度僅為50微米的4D打印支架，實(shí)現(xiàn)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(dāng)前技術(shù)還遠(yuǎn)未能達(dá)到應(yīng)用于人體器官移植的水平。

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

3D打印的產(chǎn)業(yè)新機(jī)：新生產(chǎn)方式與新供應(yīng)鏈方式

當(dāng)3D打印的技術(shù)已經(jīng)到達(dá)微米級(jí)、多材質(zhì)、活性材料融合的創(chuàng)新節(jié)點(diǎn)，3D打印在產(chǎn)業(yè)端的大規(guī)模應(yīng)用似乎也已經(jīng)是近在咫尺的事情了。那么，3D打印技術(shù)對(duì)各大產(chǎn)業(yè)和日常生活將產(chǎn)生哪些顛覆性影響呢？

（以色列科學(xué)家通過(guò)細(xì)胞3D打印的“可跳動(dòng)的心臟”）

首先，最主要就是3D技術(shù)的工藝、結(jié)構(gòu)和材料創(chuàng)新將帶來(lái)全新的產(chǎn)品。

1、全新工藝帶來(lái)新型的產(chǎn)品創(chuàng)新。在醫(yī)療行業(yè)，醫(yī)生需要對(duì)患者進(jìn)行特別個(gè)性化的診斷，如需要應(yīng)用到人體的醫(yī)療設(shè)備也需要極為定制化的制造工藝，如適合股骨頭壞死的關(guān)節(jié)，可以承受咳嗽、打噴嚏壓力的3D打印氣管，以及可運(yùn)動(dòng)的心臟。對(duì)于一些復(fù)雜的腫瘤切除手術(shù)，醫(yī)生可以通過(guò)3D建模，通過(guò)3D打印出逼真的器官模型，供醫(yī)生進(jìn)行預(yù)先練習(xí)。

在服裝鞋類的生產(chǎn)中，也可以通過(guò)最新光固化成型技術(shù)，進(jìn)行像橡膠的鞋底夾層，美式足球運(yùn)動(dòng)員生產(chǎn)頭盔襯里等產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)。

2、3D打印的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新也會(huì)帶來(lái)全新的突破。比如使用計(jì)算機(jī)和機(jī)器人來(lái)精確控制自動(dòng)化澆筑，來(lái)用3D混凝土打印出更穩(wěn)定也更長(zhǎng)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(shì)在于可以生產(chǎn)傳統(tǒng)制造方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的幾何構(gòu)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(kāi)始使用3D打印來(lái)制造噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬部件，這種方法比銑削更便宜并使得復(fù)雜構(gòu)件更為輕巧。

3、新材料的使用也會(huì)帶來(lái)全新的生產(chǎn)方式。比如3D打印技術(shù)可以利用一種稱為微晶格的新金屬材料，內(nèi)部是空的，完全透明，但是彈性極好，適合于飛機(jī)艙壁、艙門等高安全性低質(zhì)量的需求。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)工業(yè)制造流程難以應(yīng)用，使用3D打印技術(shù)卻可輕松完成這類材料的制造。

再則，3D打印技術(shù)還將極大改變供應(yīng)鏈系統(tǒng)。

比如英國(guó)的一家醫(yī)療團(tuán)隊(duì)在坦桑尼亞的野外進(jìn)行瘧疾寄生蟲(chóng)的診斷，而光學(xué)顯微鏡的一些設(shè)備部件和耗材經(jīng)常損壞或短缺。研究人員設(shè)計(jì)了一套顯微鏡的3D模型，通過(guò)3D打印機(jī)可以在野外打印除相機(jī)、電機(jī)和鏡頭之外的其他部件。

而像開(kāi)頭我國(guó)在太空艙試驗(yàn)的3D復(fù)合材料打印，也正是為未來(lái)太空建設(shè)提前進(jìn)行技術(shù)積累。未來(lái)只要有成熟高效的打印設(shè)備，只需獲得想要制造產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型，就可以實(shí)現(xiàn)本地化的取材和打印，這將徹底改變傳統(tǒng)耗時(shí)、遲滯、臃腫和線性的供應(yīng)鏈系統(tǒng)。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)看到3D打印技術(shù)，在醫(yī)療器械、航空航天、建筑、汽車、工業(yè)制造等領(lǐng)域已經(jīng)帶來(lái)眾多變革。而從目前的態(tài)勢(shì)來(lái)看，這種改變會(huì)越來(lái)越快，波及的領(lǐng)域也會(huì)越來(lái)越廣。

未來(lái)，3D打印將顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)方式，也會(huì)帶給更多全新的產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)。

創(chuàng)作《奇點(diǎn)臨近》這本書(shū)的大神級(jí)的未來(lái)學(xué)家?guī)炱濏f爾，曾使用過(guò)一個(gè)“荷塘效應(yīng)”的比喻來(lái)形容技術(shù)的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。假如荷葉鋪滿一半荷塘花了8天時(shí)間，那么鋪滿整個(gè)荷塘就不會(huì)再花費(fèi)另外8天時(shí)間，而只需要一個(gè)晚上就可以了。

3D打印技術(shù)的發(fā)展也似乎帶有這種潛移默化的指數(shù)性增長(zhǎng)的特性。從概念提出到真正技術(shù)落地用了將近100年時(shí)間，而從技術(shù)剛剛起步到今天的微米級(jí)、多材質(zhì)、活化等技術(shù)花費(fèi)了30年時(shí)間，而接下來(lái)3D技術(shù)的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用可能將更快加速，我們也許會(huì)在接下來(lái)10年中，看到越來(lái)越多由3D技術(shù)制造的產(chǎn)品出現(xiàn)在我們的生活當(dāng)中。

最后開(kāi)一個(gè)腦洞。

在這個(gè)“地?cái)偨?jīng)濟(jì)”火爆的夏天里，對(duì)于有想法、有設(shè)計(jì)能力的你，是否就可以入手一臺(tái)入門級(jí)的3D打印機(jī)，來(lái)為路過(guò)的用戶提供各種個(gè)性化的玩偶、頭像、飾品的設(shè)計(jì)打印呢？

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

至少，這樣非常“人間煙火氣”的地?cái)偨?jīng)濟(jì)是不是一下子就有點(diǎn)高科技的味道呢？