有时用传统方法制作一个零部件很困难，从铸锭、制坯到开模具，繁琐复杂，缺少专业化设备甚至无法实现。但如果用3D打印来做可能就很容易。

有时用传统方法制作一个零部件很困难，从铸锭、制坯到开模具，繁琐复杂，缺少专业化设备甚至无法实现。但如果用3D打印来做可能就很容易。3D打印技术有很多好处，如组织结构很细，力学性能很好，可以实现多材料制作。而且工艺过程中有很多优势，如不再需要模具和工装等。

但长期以来，由于热应力上的一些问题不易解决，用3D打印做一些大型零部件非常困难。但是随着技术的不断进步，这道屏障已经在2010年由北京航空航天大学教授王华明带领的科研团队攻克。王华明利用3D打印技术，制造出我国C919大飞机机头的主风挡窗框。它有着4×3×2米的超大规格，而把它“打印”出的3D打印装备则更加庞大，完全突破了人们固有的观念。就在同一年，用钛合金制作的机翼和机体衔接部位，也被成功地打印出来。这两件事是我国3D打印领域的标志性事件。

由于保密需要，这些成就隔了一段时间才得以公开。上述突破意味着作为一种短流程、低成本的数字化制造技术，3D打印技术将有一个更广阔的发展空间和更美好的未来。

增材制造又名3D打印，这项技术并非一项新兴技术。它诞生于上个世纪的80年代，从那时至今的30年中，大部分时间里3D打印设备一般都作为制造企业设计部门的一种辅助性设备，而非是生产的必要设备。如果企业资金富裕，则可以购置一台，否则就放弃。制造企业对它的关注远远逊于数控机床等设备。

这是很多年前的情况了。

  

不断进步的技术

最近几年，3D打印已成为人们关注的焦点，这是由于一批关键性专利技术的开放和解禁让其技术水平和应用水平有了长足发展，一批影响力的案例亦随之涌现。

从配角到骨干

现在金属3D打印装备已成为现代规模化生产的必备设备。近10年来，大功率激光器件、金属打印工艺和技术、材料和设备，取得了决定性的、非凡的进步。金属3D打印技术已不仅局限于个性化制造领域，而且是在批量生产领域，与传统制造技术既有竞争，又有合作。

3D打印在一体化成形、内流道、材料梯度结构、熔覆强度4个方面有传统制造设备和工艺无法比拟的优势。

首先是一体化成形的复杂程度比以前大大提高。通俗地说，一体化就是把很多零件做成一个。一体化成形是3D打印的一个特长。以往，它打出来的一体化零部件比较简单，无法满足更加复杂精密的应用需求。现在则完全不同。美国GE公司生产的LEAP喷气发动机上的燃油喷嘴，它由20个零件组成，按传统方法生产需要一个个把零件做出来。而在2014年7月，GE用某种型号的3D打印机，只需要打一次，喷嘴就被一次性地制造出来，20个零件简化成了1个，20 in 1!仅此一项就能让飞机发动机的效率提高15%。而15%的提升对发动机来说，已经是一种质变，它已升级到了新一代的发动机。以往，更新一代发动机需要投入十几亿美元的研制费用。可见，3D打印一个小小动作所释放的威力，竟然有如此之大。

其次是3D打印可以加工出更为复杂的内流道。以前的内流道需要靠机械加工去钻孔，且无法实现内部弯曲，加之其表面光洁度不理想，其热传导的性能并不是太好，所以需要加装很多冷却管道，这势必会令其体积增加。现在由于3D打印能很好地完成内流道的特殊表面处理工艺，用很少的管道就可以满足降温需求，从而让燃油喷嘴的体积缩小，这对发动机而言有着重大的意义。

再次，就是在材料梯度结构上，3D打印可以把不同的材料熔覆在一起，用以满足复杂甚至是互逆的需求。如在某零部件内部需要导热良好，而外部却需要防腐，若用同一种材料制造则无法同时满足这两种需求;或者用两种材料去加工一个零件，用传统制造手段也不易实现，但现在的3D打印技术则可以满足上述需求。

最后是在熔覆强度上可以满足要求。一些结构件在很多条件下无法进行焊接，这时可以利用3D打印把它们熔覆在一起。而且，相较焊接或喷涂，熔覆的界面强度更高，热影响区却更小。

由于有上述4个方面的优点，金属3D打印在制造业中的地位也发生了重大变化，已经由原来可有可无的次要角色迅速成长为不可或缺的骨干。还以GE公司制造发动机上的燃油喷嘴为例。GE需要4万个这种零件。如此大的需求量已经可以考虑用传统制造方式大规模生产了，但是GE并未这么做，而是选择了3D打印，因为它有更为出色的且其他制造方式无法替代的加工能力与加工品质。

由此可以看出，3D打印在原有个性化的小批量生产的优势基础上又增加了大规模生产的应用趋势。

据清华大学教授颜永年介绍，目前3D打印已经进入到大批量规模化生产应用阶段，当然这必须借助网络。网络化的业务时代，是3D打印一个重要的发展新阶段。如德国斯图加特公司，把单台激光打印机与多台焊接机器人组成了一个叫“Laser Net work”的网络，可以在定制化的基础上实现大规模生产。但前提是3D打印机要集成到网络中去，与其他设备相互协同配合，而不能以一个自动化孤岛的方式存在。这实际上与工业4.0的某些特征吻合了。

随着自身技术的不断进步和生产方式的日趋完善，3D打印的应用范围必将日益扩展。

重要应用领域

尽管在未来大规模生产中3D打印肯定会占有重要的一席之地，但是就当下而言，它最重要的舞台还是在定制化、个性化要求较高的领域。现在，航空航天、消费者电子和医疗市场是3D打印应用的重要领域。

目前消费类电子中， 可穿戴设备非常流行。青少年购买使用它们有一个很重要的考量是为了彰显个性。3D打印在此领域能够提供丰富的解决方案。

3D打印技术在医疗上的应用也很多，而且医疗行业更需要个性化的定制。我们知道，每个人的骨骼都是不一样的，交通事故中的损伤情况更是差异很大。通过CT数据反求建模，然后用3D打印机直接做一个，快捷且匹配性好。在对脊柱侧弯的病人进行骨科手术时，为了矫形要进行打孔。这个打孔操作是个风险很大的技术含量高的过程，一旦打到脊柱神经上就会致残。现在的解决方案是，先根据CT扫描数据进行变形结构的测量并规划打孔点，然后用3D打印技术制作导航模板进行精确定位，再进行打孔，简单且安全。还有在骨科修复上，通过三维反求，可术前规划好破损结合面，然后用固定钛网植入人工骨，从而实现完美的接合。

采用这个技术，即使只有两三年工作经验的年轻医生都可以做骨科手术，而且能实现百分百的成功率，现在已经有100多个成功案例。像假牙的配型方面，3D打印技术也已有成功的应用。据英国专业调查公司IDTechEx称，3D打印的牙齿和下巴等将带动商用3D打印市场的成长，预估未来10年将飙升500%。

在航天航空领域，长期以来飞机上大型机构件的传统生产主要采用“锻造+机加工”的方法，该方法繁琐低效，采用激光3D打印技术直接制造大型钛合金结构件显示了巨大的优势。

同时3D打印技术直接制造高性能金属零部件，还可制造出薄壁、微孔、中空等特殊结构零部件，在航空航天等重要领域具有广泛的应用前景。在“神八”与“神九”飞船、天宫一号空间站以及蛟龙号载人深潜器，都应用到了3D打印的技术。

在不算短的一段时间内，3D打印机不会彻底取代车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具，传统的标准化生产方式仍然会是主流。3D打印不会把传统制造方式“逼上梁山”，反而会成为后者的“好搭档”。但是，随着新工业革命的到来，3D打印所占的份额会不断扩大，其重要性会逐步凸显。

新工业革命中的生力军

眼下，新一轮工业革命的浪潮正在袭来，它实质上是以信息技术为代表的新一代技术革命。计算机将大量代替人类的智力劳动，产品的设计与生产模式将由大批量流水线再一次回到多品种小批量的个性化制造。

对于3D打印而言，没有计算机及软件所承载的信息，也就没有3D打印自身。3D打印本身就是信息技术的天然凝聚者。因此，从诞生那一刻起，它就是新工业革命的物质基础之一。而在新工业革命中，它必将发挥着强力支撑的顶梁作用。

改变工业设计模式

以前的工业设计完成后需要制作模型来验证产品的设计，或手工制作，或制作各种简单乃至复杂的模具来得到产品样板。而应用3D打印后，只须将3D设计转换成通用规范的格式文件，就可以直接打印产品样板，而不再耗时耗工制作模具或手工制作样板，大大提高了设计效率。这将给工业设计模式来重大改变。

首先，由于很方便地可以打印出样板或样品，将会使工业设计师更关注工业设计本身，而不必考虑实现的工艺，这种专业分工的细化将会令工业设计的水平大幅提升。

其次，有助于产品的推敲和及时修改，与客户的交流沟通更为方便顺畅，从而提高客户对产品的满意度，而且，工业设计的客户群体将不再只是生产企业和经销商，普通人也需要工业设计师来定制出具有个人特色的产品。让个性化设计及后续的个性化制造得到普及。

最后， 消费者即是设计师的情况将会出现。3D打印为产品制造带来极大便利，将会使设计不再是一小群人的专利，每个有想法的人都能成为设计师。人们的商品不再局限于企业提供的种类，有创意精神的消费者甚至可以自己设计并制造新的个性化产品。

届时， 消费者和设计师的界限将消弭。

这实际上离消费者即是生产者的境界只差一步了。最终，3D打印将让社会所有成员互为消费者与生产者，“人人为我，我为人人”不再成为一句空言，而有了物质上和社会生产方式上的保证。

当然，这一天离人们还很遥远，还需要3D打印技术的长期进步和人们思想观念的逐步提升乃至生活水准的不断积累。不过，眼前，已经有专业人士注意到了3D打印对工业设计观念的改变了。

工业设计的一个重要定位是制造服务业。它是服务于制造业的，必须要关注制造业。3D打印有一个口号：所想即所得。而工业设计所做的就是怎么想，如何去想，这是一种在制造之上的思维方式。所以，3D打印对工业设计的影响几乎是全方位的。

3D打印对工业设计的影响，不要仅仅视之为模型的验证。目前我国很多高校可能买部几千元的打印机，仅仅是为了做个验证。而实际上，3D打印是对工业设计思维的整体改变。

设计师完全可以摆脱传统生产工艺的制约。以往设计师设计出来的东西，一定要由结构部门审核，这是一段漫长的、复杂的、低效的沟通过程。此过程中设计部门和结构部门在交接配合时会存在很多问题。但是3D打印广泛应用起来的话，这个环节中间的矛盾会大大减小。所以，工业设计人员将会更加关注3D打印技术的发展情况。工艺设计的本质内容是思考人、技术和市场这三者的关系。将来的工业设计师必须要懂基本技术，而不能沉浸在窄小的艺术观里。因此就要求他们要敞开胸怀，拥抱新的3D打印技术。

其实，从对工业设计流程的再造，人们不难发现3D打印已经具备改变制造业模式的力量了。

完美契合工业4.0

当下，工业4.0的话题很热，乃至股市都有了“4.0”板块。工业4.0的核心要义就是要用智慧技术打造一个新型工业革命的蓝图。新工业革命的目标，新工业革命的梦想，正是人类靠自身智慧、知识，通过新的工业化手段来实现。

前几次的工业革命都无法满足人类个性化需求，而工业4.0则强调了今后的智慧工厂必须要能满足人的个性化需求。将来，用户的各种各样的诉求可以直接利用网络表达，通过一定的信息处理方式，让作为生产设备的机器知晓这种需求后进行生产动作，生产出用户所需要的产品。

目前国人对工业4.0有着多种理解。有人认为，工业4.0的核心是互联和集成。互联就是通过CPS(Cyber-Physical Systems，赛博物理系统)，打破人与人、物与物、人与物、现实世界和虚拟世界的界限和障碍;而集成则可以视之为人的所有的思维流和业务流在必要时的凝聚和附着。还有人把工业4.0的特征概括为绿色生产、敏捷制造和泛在制造。无论从哪个角度来阐释工业4.0的精神，3D打印都能完全与之契合。

3D打印有以下几个特点：一，它以数字模型文件为基础，这就能够很方便地进行信息的传递，也可以轻易地操控打印机实施生产——不妨可以视为人机之间的互联;二，它是以粉末状金属或塑料作为生产材料，打印机本身和生产材料所占用的存储空间很小，所以容易实现在物理空间上的遍布，又能很方便地通过网络彼此联通——这既是机器与机器之间互联，又具备了泛在形式;三、它是一种逐渐“堆积”起来的增材制造，所以基本上无污染，易于在包括家庭在内的各种环境下组织生产——这既是一种绿色生产模式，而且还是一种生产的集成;四，它是一种快速成形技术，所以非常方便直观，可以省掉大量繁琐重复环节(诸如开模、试制等)——这无疑就是敏捷制造。

可见，无论从哪个方面看，3D打印都完美契合着工业4.0的理念和特点。如果工业4.0的生产方式得到普及，3D打印无疑也将会盛行。一个3D打印得到充分普及的环境，其制造模式肯定会因之出现深刻变革。

孕育新的制造模式

中国工程院院士、西安交通大学教授、增材制造领域专家卢秉恒在2014年提出了一种新型的制造模式，叫集散制造。它实质上是在信息充分互联条件下，以集成各种需求、创意和资源为依托的一种泛在制造(本刊2014年10月刊有详细介绍)。

集散制造模式的特点， 就是全民参于、互通有无，这可以用六个字形容：“众需、众创、众包”。“众需”——通过信息交互平台将小众的需求，甚至个性化的需要集成为大的订单;“众创”——将复杂的设计任务分解成众多工程师、创客的共同设计;“众包”——将分散的设计资源集成一个大的能量，将分散的制造资源集成一个虚拟的、没有围墙的但生产能力无限的企业。

如果没有3D打印机作为生产设备，人们会发现，这种制造模式很难维继下去，甚至根本不存在。

现在这种集散制造模式只存在于专家的理性推论中，在现实生活中尚未出现。但是，随着3D打印机的普及和3D打印生产方式的门槛的不断降低，人们是很有可能目睹这种新的制造模式改变自己生活的。在欧洲，这种新型制造模式已经崭露头角。

法国一家3D打印公司推出了一项服务，这项服务就让用户设计自己的iPhone手机壳。用户可以从5个可用的模板(更多的模板还在制造)中选择一个，然后通过调整外形，转换颜色或者添加图片和文本实现定制设计。整个过程花费不到一分钟。这一切都是互联网上完成的。公司接到订单后，开始进行生产——就是利用3D打印机打印。欧洲客户将在两天内拿到手机壳成品，北美用户则需要4天。这款产品售价不到15美元。

法国这家3D打印公司印证了卢秉恒院士的关于集散制造的设想绝非空想，只要网络和营销平台达到一定基础，它将很快流行开来。

欲变世界 先变自身

以现在的产品、技术周期而论，3D打印是一项老技术，但是在新工业革命来到时，它却拥有着非常美好的未来。所以，制造业先进国家都非常重视这项技术，把它视为通往未来智能制造的钥匙。因此，他们不惜花大力气保持在该领域的领先地位。

我国近几年3D打印发展势头良好，某些领域还处于世界领先水平。但是，“顶层设计”

的缺乏和某些部门和某些人的短视恐怕会影响它前进的脚步，所以，中国的3D打印发展急需一套完整的规划。

国外形势

2013年底，世界经济论坛评出的“有望改变生活、商业和全球经济的12大颠覆技术”

中，3D打印技术位列第9，排在新材料、页岩气之前。国外专业机构预计，到2025年，3D打印产业的产值将达2000亿~6000亿美元。由目前30亿美元增长到数千亿美元，增长的空间相当巨大。为了抢占这块“大蛋糕”，也为了保持竞争优势，无论在企业层面，还是政府层面，他们对3D打印的发展都有强烈的发展意愿。

企业层面 美国3D System公司自1995年以来，至今已投入了1.8亿美元的研发费用，占销售额收入的10%左右，超过经营其他业务公司平均水平2~3个百分点。其目的就是为了筑起行业门槛，使公司具备了持续的发展能力，拉大与其他公司的差距。

而另一个3D打印巨头Stratasys公司的专利拥有量数由2002年的22个猛增至2014年的144个，并且呈逐年递增之势，用这些专利筑起了高高的行业门槛。这与近几年的专利开放解禁浪潮形成了鲜明的对比。

在提供3D打印服务领域，有一组数字对比需要引起国人的注意。还在上世纪90年代时，美国Troy服务公司，就已拥有了100台3D打印设备，年产值达到6500万美元。而2013年，美国一家牙科康复公司，一次性地购进150台SLA(Stereo Lithography Apparatus，立体光固化成型法)设备，这远非国内同类公司所能比拟。我国此类企业，主要局限在珠三角和长三角地区，自身规模较小，平均拥有的设备台数仅为2~3台，无法满足应用企业的需求，自身也挣扎在生死线上。

国家层面 目前，韩国政府、美国政府都非常重视3D打印的普及与发展。

据卢秉恒院士介绍， 韩国已经把国家战略决策聚焦在3D打印上。根据Wohl e r sAssociates统计，韩国的3D打印产业在2012年的收入占大约2900万美元，仅仅占有全球市场的2.3%。韩国政府期望其计划将可以促进行业的增长，到2020年，韩国公司可以获得整个3D打印市场的15%收入。为此，韩国有一个宏大计划，准备培训1000万人作为3D打印的人才。其目的是为了继续保持在制造业上的竞争优势，尤其是在与中国制造业的较量中。要知道韩国总人口不足5000万。

2014年11月初，美国“航空航天增材制造峰会”在洛杉矶召开。会上，有人强调了中国3D打印的发展对美国的威胁，并号召所有与会者加强游说国会议员支持3D打印的发展。就像上世纪50年代至90年代的太空技术是美苏对抗的焦点领域一样，今天的3D打印技术已被美国政府视为美中竞争的焦点。美国3D打印界普遍对中国3D打印的发展感到强烈的不安，并以此为依据，希望美国政府和国会对3D打印给予更大的支持。

美国不但已在2009年形成了国家增材制造(3D打印)路线图，而且各个工业和科技部门也都普遍形成了自己的3D打印路线图。比如，NASA的空间增材制造计划明确提出了“forspace”(为空间)和“in space”(在空间)应用两部分。其中“in space”应用路线图包含地面微重力环境模拟(含飞机抛物飞行)、空间站应用和地外表面(月球、火星和小行星表面)应用诸方面。地面模拟始于2012年，2014年9月已将3D打印机送上空间站进行应用研究和测试，2015年~2018年详细研究各种可能在空间发展的3D打印技术和可能的应用方向，2020年~2025年重点研究月球表面3D打印技术，2030年~2040年发展火星表面3D打印技术。

美国拥有全世界最先进的创新体系， 但仍然希望通过建立更优越的“国家制造业创新网络”来强化其制造业创新能力。这个创新体系，除了政府的引导外，科技界、工业界和社会公众本身都有强烈的创新愿望，这是美国目前显著优越于中国的地方。

国内现状与世界工业强国相比，我国3D打印设备的增长很快。增材制造设备的数量比例在一定程度上反映了一个国家的经济活力与创新能力。从1988年到2011年的24年里，中国的增材制造设备台数由占世界总量的6.5%增长到8.6%，目前暂居在日本、德国之后，处于世界第4位。而同期，美国则由41.1%降至38.3%。

虽然中国的总量仍然远远低于美国，但是却是处在一个上升的态势，而且这个势头还会持续相当长的一段时间。

但是，我国本土的3D打印设备制造企业基本以高校的校办企业、高新技术小企业为主，滚动发展缓慢，设备总产量仅为国际著名的3DSystem公司的2%~3%。而且企业的运营负担较大，创新能力普遍薄弱。

更令人担心的是，虽然现在处于一个3D打印迅猛发展的机遇期，但是还有一些部门对此形势认知不够，在制订一些政策时显得犹豫不决。有些人士还把这个大发展期误判为是“过热”，竟然主张应该“降温”，令人啼笑皆非。

我国增材制造路线图

有鉴于此，卢秉恒院士草拟了一份《中国增材制造的路线图》(见表1)，并以呈报国家有关部门。这份路线图分为5年计划和10计划两个阶段。其要点如下。

5年内，能形成这个直接产值100亿元到300亿元，制造业的扩展效益能达到1500亿元，基本形成一个产业链，树脂类、金属类装备的国产化率达到60%~80%。3D打印的软件行业的开始形成，软件是非常重要的，但是中国老是重硬件轻软件。另外希望对各个制造领域都产生示范的效应，这是一些把3D打印作为产品开发的一个必要手段，这是产品开发的周期或费用都降低一半。

10年内，直接产值达到1000亿至1500亿元，扩展产值能达到6000到1万亿元，打印材料基本能自给，价值大的元器件能实现国产化。

我国现在任务就是逐步从制造大国走向制造强国。中国工程院所做的《中国制造技术三步路线图》指出，2025年中国制造能够进入世界制造的第二方阵，2035年能够成为第二方阵的前列，2045年后能够挤进第一方阵。目前排在第一方阵的就是美国，第二方阵前列的就有德国、日本等。制约中国由制造大国走向制造强国的短板就是高端制造装备。

而3D打印技术的普及与发展有望培养并增加全社会的创新能力，有利于我国升级制造模式，进而补足我们中国制造的短板。

我国正在处于工业化信息化融合发展的机遇期，希望全社会都能够重视3D打印技术，很好地发挥它在两化深度融合中的作用，来助推我国制造业的成功转型升级并在新常态下持续向好。