第三次工業(yè)革命與當(dāng)代中國(guó)：3D打印重組世界

　　3D打印(3DPrinting)技術(shù)，又稱“添加制造”(AdditiveManufacturing)技術(shù)。根據(jù)美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)2009年成立的添加制造技術(shù)子委員會(huì)F42公布的定義，“添加制造”技術(shù)是“一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反的，基于三維數(shù)字模型的，通常采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來(lái)的工藝，同義詞包括添加成型、添加工藝、添加技術(shù)、添加分層制造、分層制造，以及無(wú)模成型”。不過(guò)，為與現(xiàn)下流行的“3D”概念相契合，人們又為該技術(shù)起了一個(gè)更通俗的名字——“3D打印”，其內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品生命周期前端的“快速原型”(RapidPrototyping)、全生產(chǎn)周期的“快速制造”(RapidManufacturing)，以及其他所有添加工藝、技術(shù)、系統(tǒng)類別和應(yīng)用。“3D打印”和“添加制造”這兩種稱謂，均表示同一概念。自1984年CharlesHull制作出第一臺(tái)3D打印機(jī)以來(lái)，3D打印技術(shù)歷經(jīng)了近30年的發(fā)展，正逐步成為最有生命力的先進(jìn)制造技術(shù)之一，其主要特點(diǎn)有：

　　第一，設(shè)計(jì)制造一體化。由三維模型直接驅(qū)動(dòng)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、制造的一體化，這是三維打印技術(shù)的一個(gè)最顯著特點(diǎn)。

　　第二，高度柔性。添加制造技術(shù)不受零件的形狀和結(jié)構(gòu)的任何約束，使復(fù)雜模型的直接制造成為可能。

　　第三，縮短新產(chǎn)品的研制周期，降低研發(fā)成本。三維打印技術(shù)可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)換成真實(shí)的產(chǎn)品模型，從而可以對(duì)正處于設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品做出快速評(píng)價(jià)、修改及功能試驗(yàn)，這樣既有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，又降低了經(jīng)濟(jì)損耗。

　　3D打印原理：

　　所謂3D打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這一成型過(guò)程不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床就可以打造出任意形狀。它可以自動(dòng)、快速、直接和精確地將計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為模型。

　　3D打印機(jī)采用分層加工，迭加成型方式來(lái)“造型”，會(huì)將設(shè)計(jì)品分為若干薄層，每次用原材料生成一個(gè)薄層，再通過(guò)逐層疊加獲得3D實(shí)體。這一點(diǎn)它與噴墨打印機(jī)工作方法十分類似，3D打印是一層一層地印，而噴墨打印機(jī)是一條直線一條直線地噴，通過(guò)若干直線的疊加形成圖像。它通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)中三維軟件的識(shí)別，進(jìn)行STL(三角網(wǎng)格格式)轉(zhuǎn)換，再結(jié)合切層軟件確定擺放方位和切層路徑，并進(jìn)行切層工作和相關(guān)支撐材料的構(gòu)造。

　　最后使用噴頭將固態(tài)的線型成型材料加熱成半熔融狀態(tài)之后擠出來(lái)，和支撐材料自下而上，一次一層的構(gòu)鑄成最終實(shí)體。簡(jiǎn)單地說(shuō)，可以理解為軟件把物體分成若干個(gè)橫截面，而三維打印機(jī)將這些橫截面一次一層的沉淀、堆積，最終形成我們所需的實(shí)體。

　　3D打印簡(jiǎn)史：

　　1986年，CharlesHull開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)。

　　1993年，麻省理工學(xué)院獲3D印刷技術(shù)專利。

　　1995年，美國(guó)ZCorp公司從麻省理工學(xué)院獲得唯一授權(quán)并開始開發(fā)3D打印機(jī)。

　　2005年，市場(chǎng)上首個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)SpectrumZ510由ZCorp公司研制成功。

　　2010年11月，世界上第一輛由3D打印機(jī)打印而成的汽車Urbee問(wèn)世。

　　2011年6月6日，發(fā)布了全球第一款3D打印的比基尼。

　　2011年7月，英國(guó)研究人員開發(fā)出世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī)。

　　2011年8月，南安普敦大學(xué)工程師開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)。

　　2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞首次用3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織。

　　3D打印的意義和影響：

　　以3D打印技術(shù)為典型代表的新型制造技術(shù)成為引領(lǐng)未來(lái)制造業(yè)變革的重要技術(shù)之一，該技術(shù)有可能從根本上改變生產(chǎn)組織方式。3D打印技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，后者采用分層加工、疊加成形，即將連續(xù)的薄型層面堆棧起來(lái)，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。其工作原理與普通打印機(jī)基本相同，與計(jì)算機(jī)連接后，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

　　新型制造技術(shù)的單個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)成本與大規(guī)模生產(chǎn)的單位產(chǎn)品成本的無(wú)差將顛覆傳統(tǒng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)理論。大規(guī)模產(chǎn)品生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)的削弱使得中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)家變得更具有競(jìng)爭(zhēng)力，并使集約式的生產(chǎn)模式向著分布式生產(chǎn)的方向發(fā)展。此外，新型制造技術(shù)可以極大地釋放人的創(chuàng)造力和想象力，使創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)商業(yè)模式成為可能。一臺(tái)筆記本計(jì)算機(jī)和一個(gè)3D打印機(jī)便可完成產(chǎn)品的制造，同時(shí)將導(dǎo)致勞動(dòng)力成本占總成本的比例會(huì)越來(lái)越小，新興國(guó)家的低勞動(dòng)力成本優(yōu)勢(shì)將急劇下降。靠廉價(jià)勞動(dòng)力獲得大量就業(yè)崗位的新興國(guó)家，可能又要將這些崗位拱手讓給發(fā)達(dá)國(guó)家，并改變世界產(chǎn)業(yè)格局。

　　3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀及未來(lái)前景：

　　在過(guò)去的一年多時(shí)間里，3D打印業(yè)界進(jìn)入了高度活躍期，與3D打印相關(guān)的新聞和概念頻頻出現(xiàn)在公眾視野中，越來(lái)越多的中國(guó)民眾開始了解3D打印。事實(shí)上，3D打印技術(shù)和3D打印機(jī)在一些歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍。

　　近期全球第一本全面講述3D打印技術(shù)及其應(yīng)用的圖書——《3D打印：從想象到現(xiàn)實(shí)》，根據(jù)多年來(lái)對(duì)3D打印技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的研究成果，該書作者從不同層面和角度為讀者描述了3D打印的技術(shù)原理、歷史和現(xiàn)狀、廣泛應(yīng)用、未來(lái)前景以及困難與挑戰(zhàn)。根據(jù)本書介紹，我們可以從以下幾方面來(lái)理解3D打印的現(xiàn)狀及未來(lái)前景：

　　第一，3D打印已蔓延至日常生活的每個(gè)角落。

　　越來(lái)越多的事實(shí)表明，3D打印機(jī)已不再是設(shè)計(jì)師和科學(xué)家的專屬機(jī)器，它已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室和工廠逐漸走出來(lái)，走進(jìn)學(xué)校和家庭，與我們每個(gè)普通人的生活息息相關(guān)。3D打印的衣服和鞋子已經(jīng)多次出現(xiàn)在全球各大時(shí)裝展，3D打印的餅干和蛋糕已經(jīng)成為一些家庭餐桌上最受歡迎的小點(diǎn)心，3D打印的咖啡桌和個(gè)性家具頗受年輕人的喜愛(ài)，而在自行車和汽車等交通工具的設(shè)計(jì)中也越來(lái)越多地體現(xiàn)出3D打印元素。從小朋友的“喜羊羊”牙刷和定制玩具，到父母的立體婚紗照，再到爺爺奶奶的助聽器和義齒，3D打印讓家庭中的每個(gè)成員都感到驚喜并從中受益。正如書中所描繪的，3D打印技術(shù)正在遵循三步走的發(fā)展路線，逐漸從打印物體外形過(guò)渡到打印物體內(nèi)部構(gòu)成，最終發(fā)展到可以打印物體的高級(jí)功能和行為的階段，因此我們相信：在不遠(yuǎn)的將來(lái)，每個(gè)人都可以在家中打印可通話的手機(jī)、爬來(lái)爬去的迷你機(jī)器人，以及其他新奇好玩的電子產(chǎn)品。

　　第二，3D打印將波及各行各業(yè)。

　　3D打印這種新式制造方法將使你的工作方式發(fā)生巨大改變，也許變得更有效率，也許變得更困難，作者針對(duì)這一趨勢(shì)在書中列舉了很多有代表性的案例。如果你是一位中學(xué)老師，當(dāng)你帶著花費(fèi)數(shù)小時(shí)用3D打印制作的恐龍化石或者喜馬拉雅山模型來(lái)到教室，這堂課一定會(huì)令你的學(xué)生們印象深刻;如果你是一位資深醫(yī)生，當(dāng)你將帶著使用3D打印機(jī)制造的與患者身體完美匹配的骨骼或者心臟瓣膜走進(jìn)手術(shù)室時(shí)，整個(gè)醫(yī)療界必定為之振奮;如果你是一位考古工作者，利用3D掃描和3D打印技術(shù)快速?gòu)?fù)制那些脆弱、不可觸碰的珍貴文物，那么繁冗細(xì)致的考古研究工作必將事半功倍;如果你是一位藝術(shù)品設(shè)計(jì)師，使用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)你的設(shè)計(jì)，此時(shí)自然界中那些美妙復(fù)雜的曲線和外形都不再遙不可及，人們的審美標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)大幅提升。然而，如果你是一位立體雕刻大師，那么3D打印出的作品會(huì)使你自嘆不如;如果你擁有一間模型制作工廠，3D打印技術(shù)極有可能使你的業(yè)務(wù)量大幅縮水。諸如此類，3D打印必將影響各行各業(yè)的工作模式，或者增強(qiáng)很多行業(yè)的生命力，或者導(dǎo)致某些行業(yè)走向消亡。

　　第三，3D打印將催生眾多新機(jī)會(huì)，同時(shí)也帶來(lái)很多新挑戰(zhàn)。

　　如前所述，一些傳統(tǒng)行業(yè)將受到3D打印技術(shù)的沖擊而逐漸萎縮，然而我們必須意識(shí)到3D打印同樣會(huì)催生大量前所未有的行業(yè)和巨大機(jī)遇。最顯而易見的機(jī)會(huì)就是，隨著廉價(jià)家用3D打印機(jī)需求的增長(zhǎng)，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈(包括零配件制造、打印材料等行業(yè))也會(huì)進(jìn)入高速發(fā)展期。更重要的機(jī)會(huì)在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，圍繞3D打印會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的電子商務(wù)模式，例如在線3D打印服務(wù)、個(gè)人定制設(shè)計(jì)制造服務(wù)、共享3D打印模型小區(qū)以及面向云制造的3D打印網(wǎng)絡(luò)。與互聯(lián)網(wǎng)類似，移動(dòng)信息平臺(tái)和智能手機(jī)的普及也為某些簡(jiǎn)單易用卻十分有趣的3D打印增值服務(wù)提供了理想的應(yīng)用推廣平臺(tái)。還有就是基于3D打印的實(shí)體商業(yè)模式將迅速成長(zhǎng)，例如遍布大街小巷和旅游景點(diǎn)的3D打印店與3D打印照相館。

　　然而，我們必須認(rèn)識(shí)到在3D打印創(chuàng)造無(wú)數(shù)新機(jī)會(huì)的同時(shí)，它也帶來(lái)了許多前所未有的挑戰(zhàn)：3D打印行業(yè)的人才培養(yǎng)問(wèn)題，現(xiàn)有設(shè)計(jì)軟件與3D打印的不匹配問(wèn)題，3D打印物品的版權(quán)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛問(wèn)題，以及3D打印設(shè)備和3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量安全問(wèn)題，還有就是3D打印產(chǎn)品對(duì)公共安全和環(huán)境構(gòu)成的威脅，等等。這些問(wèn)題迫切需要3D打印業(yè)界人士、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究者、法律工作者以及公共事務(wù)管理者通過(guò)共同努力來(lái)解決。

　　第四，3D打印將改變現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，沖擊中國(guó)經(jīng)濟(jì)模式。

　　毋庸置疑，3D打印將創(chuàng)造新的商業(yè)模式，改變現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大影響。最近一段時(shí)間，主要發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛開始布局，陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)政策和投資發(fā)展計(jì)劃，大力發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，旨在占領(lǐng)新工業(yè)革命的前沿陣地。美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在2013年2月“國(guó)情咨文”中多次提及3D打印，并籌劃建立3D打印國(guó)家創(chuàng)新中心，旨在提升美國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。從歐美各國(guó)最新的太空探索計(jì)劃中，也可以看到對(duì)3D打印技術(shù)相關(guān)項(xiàng)目的巨額資助。

　　同時(shí)應(yīng)該指出，3D打印技術(shù)將會(huì)給中國(guó)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)一些直接的負(fù)面影響。首先，隨著中國(guó)制造業(yè)勞動(dòng)力成本上漲，基于3D打印技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的全球云制造模式將體現(xiàn)出更廉價(jià)、更快捷并且更綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，這將有可能部分取代現(xiàn)有的中國(guó)制造模式。其次，3D打印的廣泛應(yīng)用使得整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程都可以在企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行，這將使研發(fā)周期縮短并且很好地保護(hù)了設(shè)計(jì)方案。然而，對(duì)于大量依靠模仿而生存且缺乏原創(chuàng)設(shè)計(jì)力量的中國(guó)微小企業(yè)來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是一個(gè)沉重的打擊。令人欣慰的是，在中國(guó)北京、西安、成都和武漢等城市，政府已經(jīng)陸續(xù)開始著手對(duì)3D打印相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行布局和規(guī)劃，從設(shè)備研發(fā)、軟件設(shè)計(jì)、材料制備和技術(shù)服務(wù)等眾多環(huán)節(jié)全面鼓勵(lì)發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，相信中國(guó)能夠把握此次制造業(yè)轉(zhuǎn)型改革機(jī)遇，成為世界3D打印產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)。

　　綜上所述，3D打印時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，我們的生活、工作以及思考方式都會(huì)為之改變，世界經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)格局也將受其影響。因此我國(guó)必須及早謀劃，更好應(yīng)對(duì)，以免被動(dòng)落后。