當(dāng)前，以信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合為特征的智能制造模式，正在引發(fā)整個(gè)制造業(yè)的深刻變革。作為制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù)，3D打印正逐步成為各企業(yè)搶占未來(lái)產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)的焦點(diǎn)領(lǐng)域。在《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志中，將智能制造稱為第三次工業(yè)革命，把3D打印描述成智能制造的急先鋒。3D打印既為智能制造發(fā)展指明了一條路徑，也為傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型、升級(jí)指出了一個(gè)方向，已成為全球先進(jìn)制造業(yè)的又一風(fēng)口。

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3D打印帶來(lái)的制造業(yè)變革

3D打印，如其名曰“打印出3D的物品”，是一種快速成型技術(shù)。與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過(guò)電腦控制把“打印材料”層層疊加，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。早期常用于模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，現(xiàn)主要用于一些產(chǎn)品的直接制造，比如人體關(guān)節(jié)或飛機(jī)部件等。

作為智能制造的急先鋒，3D打印利用其打印精度高、速度快、消耗材料少、加工地點(diǎn)靈活等優(yōu)勢(shì)，從兩個(gè)方面深刻改變了傳統(tǒng)制造業(yè)的形態(tài)：一是使制造工藝發(fā)生深刻變革，二是使生產(chǎn)模式發(fā)生革命性變化。一方面，在制造工藝上，首先，對(duì)于具有精確內(nèi)部凹陷或互鎖部分的形狀設(shè)計(jì)，3D打印是首選加工設(shè)備；其次，3D打印零時(shí)間交付，及時(shí)減少了企業(yè)實(shí)物庫(kù)存；3D打印還能夠使用與傳統(tǒng)制造相比更少的材料，而傳統(tǒng)的金屬制造中，90%的金屬原材料常被丟棄浪費(fèi)；另外，3D打印設(shè)備能夠自由移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)便攜制造。另一方面，3D打印給生產(chǎn)模式也帶來(lái)了巨大變更。隨著信息化發(fā)展，人們逐漸追求個(gè)性化的消費(fèi)，傳統(tǒng)大批量、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的模式已難以滿足這種需求，而3D打印的特點(diǎn)恰好順應(yīng)并推動(dòng)了產(chǎn)品向個(gè)性化、定制化和分散化的轉(zhuǎn)變。

隨著大量3D打印機(jī)涌入市場(chǎng)，影響力是不容分辯的。比如，通用電氣將3D打印應(yīng)用于制造他們的高級(jí)LEAP噴氣式飛機(jī)引擎部件里的燃料噴嘴，傳統(tǒng)的噴嘴需要來(lái)自不同供應(yīng)商的20多個(gè)不同的配件組合，而新的3D打印噴嘴僅需要一步完成，不僅生產(chǎn)周期短，還比傳統(tǒng)的噴嘴重量輕25%，耐受度提高了5倍。再比如，美國(guó)海軍2014年開(kāi)始將3D打印機(jī)安裝在艾塞克斯號(hào)航空母艦上，方便在偏遠(yuǎn)環(huán)境下迅速的制造關(guān)鍵武器部件，這種加工地點(diǎn)的自由度，傳統(tǒng)制造業(yè)是做不到的。

3D打印發(fā)展歷史

下圖展示了3D打印從誕生到現(xiàn)在的重大歷史事件：

圖1 3D打印發(fā)展歷史

3D打印現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)支撐

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，經(jīng)典3D打印機(jī)的功能與傳統(tǒng)噴墨打印機(jī)的功能非常相似。兩者都從數(shù)字文件獲得打印信息，但是噴墨打印機(jī)將墨水應(yīng)用于紙張，而3D打印機(jī)以連續(xù)的圖案注入材料來(lái)構(gòu)建三維固體物體。3D打印的具體步驟分為三步：首先，進(jìn)行數(shù)字模型的創(chuàng)建，使用CAD等設(shè)計(jì)程序或掃描儀進(jìn)行打印對(duì)象3D虛擬影像的信息獲取，并進(jìn)行模型“切片”的創(chuàng)建。其次，材料的添加，這是用來(lái)制造最終物體的材料，比如金屬、聚合物、陶瓷等。最后，利用3D打印機(jī)進(jìn)行物件的創(chuàng)建工作。

圖2 3D打印流程（來(lái)源DHL, flaticon.com）

在3D打印的背后必然離不開(kāi)成熟的技術(shù)支撐。圖3展示了人們對(duì)于不同的技術(shù)的期待值隨著該技術(shù)成熟度的變化趨勢(shì)，以及技術(shù)距離走入主流市場(chǎng)的時(shí)間?？梢钥吹?，目前已經(jīng)有多種技術(shù)逐漸成熟并廣為使用，比如：

圖3 3D打印技術(shù)的成熟度、期望和主流適用能力（來(lái)源：Gardner）

材料擠出（MaterialExtrusion）：最簡(jiǎn)單的3D打印技術(shù)，讓材料選擇性分配的從噴嘴中擠出，通常只有一種材料。

材料噴射（MaterialJetting）：是一種讓材料（例如光聚合物或蠟）一層一層疊加的增材制造技術(shù)，與傳統(tǒng)2D打印原理類似，只是將液體的墨水變成了固體的材料。

粘合劑噴射（BinderJetting）：打印過(guò)程中在粉末層之上加入粘合劑層的技術(shù)，使各層之間相互連續(xù)。

槽光固化（Stereolithography）：第一種商用的3D打印技術(shù)，將光聚合物放置在槽中，利用激光選擇性的照射，使其每一層固化為特定的形狀。

直接能量沉積（DirectedEnergy Deposition）：用熱能量將一層一層疊放的材料熔融，形成想要的形狀。

粉末床熔融（PowderBed Fusion）：利用熱能量，有選擇的熔融粉末床的部分區(qū)域，形成想要的形狀。

每項(xiàng)技術(shù)在不同的應(yīng)用中有不同的效果，下表展現(xiàn)了幾項(xiàng)主要的3D技術(shù)及其在不同制造過(guò)程中的效果：

表1 幾種3D打印技術(shù)在不同制造過(guò)程中的表現(xiàn)

可以看出，傳統(tǒng)而簡(jiǎn)單的3D打印技術(shù)材料擠出（Material Extrusion）和槽光固化 （Stereolithography）在生產(chǎn)概念模型時(shí)具有較好的效果。而在原型制作中，這幾種技術(shù)都有較不錯(cuò)的效果。遞進(jìn)到強(qiáng)化生產(chǎn)的階段，直接能量沉積（Directed EnergyDeposition）和材料噴射（Material Jetting）展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。在后兩項(xiàng)制造領(lǐng)域和可替代的制造領(lǐng)域，可以看到幾種技術(shù)表現(xiàn)都差強(qiáng)人意，但值得注意的是，粉末床熔融（Powder Bed Fusion）技術(shù)在可替代的制造領(lǐng)域比其它技術(shù)表現(xiàn)出了更多的優(yōu)勢(shì)。

市場(chǎng)規(guī)模

3D打印作為一項(xiàng)前沿性的先進(jìn)制造技術(shù)，已經(jīng)受到世界各國(guó)的高度關(guān)注，其市場(chǎng)規(guī)模呈幾何級(jí)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。在2016年全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了60.63億美元，同比增長(zhǎng)34.62%，預(yù)計(jì)2020年將突破200億美元。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的3D市場(chǎng)規(guī)模也在逐漸擴(kuò)大，截止到2015年，市場(chǎng)已經(jīng)達(dá)到7.78億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率為69%。

圖4 3D打印市場(chǎng)市場(chǎng)規(guī)模

產(chǎn)業(yè)鏈

3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈如下圖：

圖5 3D打印產(chǎn)業(yè)鏈

一些知名3D打印公司有：

3Dsystems（美國(guó)）：1986年創(chuàng)立，是世界上第一家3D打印公司，主營(yíng)設(shè)備制造、耗材開(kāi)發(fā)、服務(wù)提供。就設(shè)備制造來(lái)說(shuō)，兼及桌級(jí)和業(yè)級(jí)設(shè)備。就打印技術(shù)來(lái)說(shuō)，主要使用SLA(光固化，光敏樹(shù)脂材料)、SLS(選擇性激光燒結(jié)，工程塑料)。應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，有航空航天、醫(yī)療、汽車這些工業(yè)級(jí)別的，也有建筑、藝術(shù)等設(shè)計(jì)行業(yè)的，另外還兼顧消費(fèi)品、珠寶首飾領(lǐng)域。

Stratasys（美國(guó)）：1989年成立，主營(yíng)設(shè)備制造、耗材開(kāi)發(fā)、服務(wù)提供。就設(shè)備制造來(lái)說(shuō)，兼及桌級(jí)和業(yè)級(jí)設(shè)備。就打印技術(shù)來(lái)說(shuō)，主要指向FDM(熔融沉積、工程程塑)和Polyjet(噴墨技術(shù)、光敏樹(shù)脂材)。應(yīng)用領(lǐng)域與3Dsystems一樣非常廣泛。

EOS（德國(guó)）：1989年成立，專注于工業(yè)級(jí)設(shè)備研發(fā)20年的嚴(yán)肅3d設(shè)備制造商，技術(shù)只聚焦在高端的SLS技術(shù)，并且只針對(duì)金屬材料。早年就開(kāi)始為奔馳、寶馬這些公司提供打印設(shè)備。

應(yīng)用領(lǐng)域

當(dāng)前，全球制造業(yè)格局正在發(fā)生深刻變化，新一代信息技術(shù)和工業(yè)融合發(fā)展呈現(xiàn)新趨勢(shì)——智能制造。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下，智能制造引領(lǐng)的制造業(yè)轉(zhuǎn)型已勢(shì)在必行，預(yù)計(jì)到2018年全球智能制造及智能工廠相關(guān)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2500億美元。作為智能制造領(lǐng)域的急先鋒，3D打印也已被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。以我國(guó)為例，排名前三的是汽車、消費(fèi)產(chǎn)品和商用機(jī)器設(shè)備，它們分別占市場(chǎng)份額的31.7%、18.4%和11.2%。

圖6 中國(guó)3D打印應(yīng)用領(lǐng)域格局

3D打印未來(lái)發(fā)展

3D打印已經(jīng)坐上了技術(shù)發(fā)展的高速列車，被賦予了“第三次工業(yè)革命的大背景”，以3D技術(shù)為代表的快速成型技術(shù)被看作是引發(fā)新一輪工業(yè)革命的關(guān)鍵要素。人們對(duì)3D打印都給予了高度的關(guān)注和極大熱情，那么在不久的將來(lái)，3D打印技術(shù)的未來(lái)將走向何方？

技術(shù)

4D 打印技術(shù)

4D打印，比3D打印多了一個(gè)“D”，即時(shí)間維度，通過(guò)軟件設(shè)定模型和時(shí)間，變形材料在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)變形為所需形狀。與3D相比，4D打印技術(shù)比3D打印技術(shù)更具有前瞻性和顛覆性，隨著環(huán)境變化而自行改變。不僅是生產(chǎn)工具的革命，更是由生產(chǎn)材料改變引發(fā)的未來(lái)整個(gè)商業(yè)生態(tài)結(jié)構(gòu)方式改變的一種技術(shù)。

目前，人們對(duì)4D技術(shù)正處于研究階段，并且取得了初步進(jìn)展。2015 年 1 月，在美國(guó) CES 消費(fèi)電子展上，Tibbits 利用模型設(shè)計(jì)軟件設(shè)定的時(shí)間和組合樣式，讓 2279 塊 3D 打印機(jī)打印出來(lái)的三角模塊，在水中慢慢自合變形成了一件鏤空的連衣裙。該裙子解決了不合身的問(wèn)題，根據(jù)穿戴者的體型情況進(jìn)行自我改變。此外，還可以自動(dòng)變化造型，并隨人體形態(tài)而變化，即使變胖或變瘦，4D 裙也不會(huì)不合身。Tibbits 和他的團(tuán)隊(duì)還打印出了世界上第一雙 4D 鞋，可以根據(jù)人腳的形狀和大小自我調(diào)節(jié)，附有彈性的材料可以讓制鞋的成本縮減到最小。此外，澳大利亞伍倫貢大學(xué)電子科學(xué) ARC 實(shí)驗(yàn)中心也是 4D 技術(shù)的重要引領(lǐng)者，他們?cè)诓粩嗟臏y(cè)試中尋找各種刺激下影響的合成物質(zhì)，目前已經(jīng)取得許多重大進(jìn)展，已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、汽車和機(jī)器人制造。

納米3D打印技術(shù)（Nanoscale 3DP）

納米3D打印技術(shù)（3DP）使用專門的3D打印技術(shù)和相關(guān)工藝來(lái)創(chuàng)建具有更精細(xì)、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或特征?；诩{米尺度和微尺寸的打印不僅需要專門的3DP設(shè)備和光學(xué)元件，還需要額外的加工，如機(jī)械和化學(xué)，可以用于小型化的物件，比如微型傳感器，微型機(jī)器人，小型工藝品，可打印的電子產(chǎn)品等。

未來(lái)一個(gè)令人驚嘆的可能性是，利用納米3D打印出分子級(jí)別的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。伊利諾伊大學(xué)已經(jīng)成功的制造出這樣一臺(tái)3D打印連接分子的機(jī)器。期待未來(lái)能夠通過(guò)納米3D打印技術(shù)制造出種類數(shù)以億計(jì)的分子結(jié)構(gòu)，并且方便化學(xué)家創(chuàng)造新的化合物，大大降低成本。

宏3D打印技術(shù)（Macro 3DP）

宏3D打印技術(shù)是指使用多種材料，包括砂和粘合劑，混凝土，塑料盒金屬等來(lái)打印2米或更大尺寸物體的系統(tǒng)。比如Cincinnati的“BAAM”打印出了尺寸為8*20*6制造機(jī)，比3D打印機(jī)打體積大10倍，可以用于大型航空航天，汽車，建筑等領(lǐng)域。由于設(shè)備更大，且更昂貴，目前投資較少，技術(shù)不成熟，

荷蘭一家初創(chuàng)公司正在嘗試?yán)煤?D打印建造一座橋梁，這座橋梁預(yù)計(jì)將在今年完成，并橫跨阿姆斯特丹的一條著名河道。北京華商騰達(dá)公司計(jì)劃在45天之內(nèi)3D 打印出一套400平米的別墅。這些都展現(xiàn)出宏3D打印技術(shù)在建造業(yè)極有希望的前景。

材料

毫無(wú)疑問(wèn)，材料將成為未來(lái)3D打印的主力市場(chǎng)，有市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，全球3D打印材料市場(chǎng)將從2016年的5億3010萬(wàn)美元增長(zhǎng)到2021年的14億950萬(wàn)美元，而目前已有并應(yīng)用的材料具有非常大的局限性。那么，未來(lái)的3D市場(chǎng)需要什么材料呢？

表2 未來(lái)可用于3D打印的材料列表

海航未來(lái)的可能--3D打印與物流

作為一家集科技與物流于一體的公司，物流板塊在海航中處于至關(guān)重要的地位。然而，在3D打印時(shí)代，沒(méi)有了復(fù)雜的JIT配送，物流如果僅僅依靠為客戶存儲(chǔ)和配送3D打印耗材，那么物流企業(yè)之間就很難實(shí)現(xiàn)差異化運(yùn)營(yíng)，因此，結(jié)合3D打印并充分利用3D打印是物流發(fā)展的必然趨勢(shì)。那么，未來(lái)海航可以從哪些方面結(jié)合3D打印呢？我們認(rèn)為以下幾個(gè)方面是值得討論的：

按需打印備件：傳統(tǒng)的產(chǎn)品零備件，比如飛機(jī)的備件（我們海航擁有幾百架飛機(jī)），大多是提前生產(chǎn)好，儲(chǔ)存在倉(cāng)庫(kù)里，等到需要更換或維修時(shí)再?gòu)膫}(cāng)庫(kù)取出調(diào)配，想象一下成百上千萬(wàn)的零備件儲(chǔ)存在倉(cāng)庫(kù)而不用，不僅浪費(fèi)資源還占用了空間。這就可以用3D打印來(lái)解決，我們可以將3D打印機(jī)放置于各倉(cāng)庫(kù)及物流點(diǎn)，因其大大縮短的周期以及質(zhì)量的保障，那么就可以先得知需求，然后打印，最后運(yùn)出。這樣一個(gè)革新的流程，不僅節(jié)省資源與空間，還節(jié)省了貨物調(diào)配的時(shí)間（比如傳統(tǒng)情況下那個(gè)倉(cāng)庫(kù)沒(méi)有貨，就要從別的倉(cāng)庫(kù)調(diào)運(yùn)，而有了3D打印就不用擔(dān)心了，我們可以直接將打印好的備件裝入卡車或飛機(jī)）。

從物流環(huán)節(jié)為顧客提供個(gè)性化的定制服務(wù)：需要大批量生產(chǎn)的商品，比如鞋子、包包等，是很難從一開(kāi)始的生產(chǎn)環(huán)節(jié)就做到為每位顧客定制的（因?yàn)楣逃械纳a(chǎn)流水線）。那么如若要滿足很多用戶的定制服務(wù)怎么辦？從物流環(huán)節(jié)下手是個(gè)不錯(cuò)的選擇。這當(dāng)然也要結(jié)合3D打印，比如每個(gè)買鞋子的用戶想要適合自己腳型的鞋墊，那就可以直接在物流環(huán)節(jié)中做到打印出來(lái)，接著配送，這樣一個(gè)順序。比如我們海航科技物流最近做的智能集裝箱項(xiàng)目，如若在集裝箱中裝配3D打印機(jī)，在物流的途中滿足這種顧客的定制化需求，是個(gè)非常炫酷的主意。

直接服務(wù)于商家或消費(fèi)者的3D打印實(shí)體店：隨著3D打印的成本降低，直接提供3D打印的實(shí)體店在未來(lái)會(huì)逐漸進(jìn)入市場(chǎng)。比如在機(jī)場(chǎng)就可以設(shè)置這樣的店，旅客們?nèi)粲屑毙瑁ū热缧枰浑p拖鞋、一個(gè)充電器、一把雨傘等），可以直接自助打印出需要的東西；又比如在旅游景點(diǎn)，有這樣一個(gè)實(shí)體店可以配合旅客打印定制化的紀(jì)念幣或其它類型的紀(jì)念品