當前，以信息技術與制造技術深度融合為特征的智能制造模式，正在引發整個制造業的深刻變革。作為制造業有代表性的顛覆性技術，3D打印正逐步成為各企業搶占未來產業制高點的焦點領域。在《經濟學人》雜志中，將智能制造稱為第三次工業革命，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展指明了一條路徑，也為傳統制造業轉型、升級指出了一個方向，已成為全球先進制造業的又一風口。

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3D打印帶來的制造業變革

3D打印，如其名曰“打印出3D的物品”，是一種快速成型技術。與普通打印機工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”層層疊加，最終把計算機上的藍圖變成實物。早期常用于模具制造、工業設計等領域，現主要用于一些產品的直接制造，比如人體關節或飛機部件等。

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、加工地點靈活等優勢，從兩個方面深刻改變了傳統制造業的形態：一是使制造工藝發生深刻變革，二是使生產模式發生革命性變化。一方面，在制造工藝上，首先，對于具有精確內部凹陷或互鎖部分的形狀設計，3D打印是首選加工設備；其次，3D打印零時間交付，及時減少了企業實物庫存；3D打印還能夠使用與傳統制造相比更少的材料，而傳統的金屬制造中，90%的金屬原材料常被丟棄浪費；另外，3D打印設備能夠自由移動，實現便攜制造。另一方面，3D打印給生產模式也帶來了巨大變更。隨著信息化發展，人們逐漸追求個性化的消費，傳統大批量、標準化生產的模式已難以滿足這種需求，而3D打印的特點恰好順應并推動了產品向個性化、定制化和分散化的轉變。

隨著大量3D打印機涌入市場，影響力是不容分辯的。比如，通用電氣將3D打印應用于制造他們的高級LEAP噴氣式飛機引擎部件里的燃料噴嘴，傳統的噴嘴需要來自不同供應商的20多個不同的配件組合，而新的3D打印噴嘴僅需要一步完成，不僅生產周期短，還比傳統的噴嘴重量輕25%，耐受度提高了5倍。再比如，美國海軍2014年開始將3D打印機安裝在艾塞克斯號航空母艦上，方便在偏遠環境下迅速的制造關鍵武器部件，這種加工地點的自由度，傳統制造業是做不到的。

3D打印發展歷史

下圖展示了3D打印從誕生到現在的重大歷史事件：

圖1 3D打印發展歷史

3D打印現狀

3D打印技術支撐

簡單來說，經典3D打印機的功能與傳統噴墨打印機的功能非常相似。兩者都從數字文件獲得打印信息，但是噴墨打印機將墨水應用于紙張，而3D打印機以連續的圖案注入材料來構建三維固體物體。3D打印的具體步驟分為三步：首先，進行數字模型的創建，使用CAD等設計程序或掃描儀進行打印對象3D虛擬影像的信息獲取，并進行模型“切片”的創建。其次，材料的添加，這是用來制造最終物體的材料，比如金屬、聚合物、陶瓷等。最后，利用3D打印機進行物件的創建工作。

圖2 3D打印流程（來源DHL, flaticon.com）

在3D打印的背后必然離不開成熟的技術支撐。圖3展示了人們對于不同的技術的期待值隨著該技術成熟度的變化趨勢，以及技術距離走入主流市場的時間。可以看到，目前已經有多種技術逐漸成熟并廣為使用，比如：

圖3 3D打印技術的成熟度、期望和主流適用能力（來源：Gardner）

材料擠出（MaterialExtrusion）：最簡單的3D打印技術，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，與傳統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）：打印過程中在粉末層之上加入粘合劑層的技術，使各層之間相互連續。

槽光固化（Stereolithography）：第一種商用的3D打印技術，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域，形成想要的形狀。

每項技術在不同的應用中有不同的效果，下表展現了幾項主要的3D技術及其在不同制造過程中的效果：

表1 幾種3D打印技術在不同制造過程中的表現

可以看出，傳統而簡單的3D打印技術材料擠出（Material Extrusion）和槽光固化 （Stereolithography）在生產概念模型時具有較好的效果。而在原型制作中，這幾種技術都有較不錯的效果。遞進到強化生產的階段，直接能量沉積（Directed EnergyDeposition）和材料噴射（Material Jetting）展現出優勢。在后兩項制造領域和可替代的制造領域，可以看到幾種技術表現都差強人意，但值得注意的是，粉末床熔融（Powder Bed Fusion）技術在可替代的制造領域比其它技術表現出了更多的優勢。

市場規模

3D打印作為一項前沿性的先進制造技術，已經受到世界各國的高度關注，其市場規模呈幾何級增長態勢。在2016年全球3D打印市場規模已經達到了60.63億美元，同比增長34.62%，預計2020年將突破200億美元。與此同時，國內的3D市場規模也在逐漸擴大，截止到2015年，市場已經達到7.78億美元，復合增長率為69%。

圖4 3D打印市場市場規模

產業鏈

3D打印的產業鏈如下圖：

圖5 3D打印產業鏈

一些知名3D打印公司有：

3Dsystems（美國）：1986年創立，是世界上第一家3D打印公司，主營設備制造、耗材開發、服務提供。就設備制造來說，兼及桌級和業級設備。就打印技術來說，主要使用SLA(光固化，光敏樹脂材料)、SLS(選擇性激光燒結，工程塑料)。應用領域非常廣泛，有航空航天、醫療、汽車這些工業級別的，也有建筑、藝術等設計行業的，另外還兼顧消費品、珠寶首飾領域。

Stratasys（美國）：1989年成立，主營設備制造、耗材開發、服務提供。就設備制造來說，兼及桌級和業級設備。就打印技術來說，主要指向FDM(熔融沉積、工程程塑)和Polyjet(噴墨技術、光敏樹脂材)。應用領域與3Dsystems一樣非常廣泛。

EOS（德國）：1989年成立，專注于工業級設備研發20年的嚴肅3d設備制造商，技術只聚焦在高端的SLS技術，并且只針對金屬材料。早年就開始為奔馳、寶馬這些公司提供打印設備。

應用領域

當前，全球制造業格局正在發生深刻變化，新一代信息技術和工業融合發展呈現新趨勢——智能制造。在互聯網時代下，智能制造引領的制造業轉型已勢在必行，預計到2018年全球智能制造及智能工廠相關市場規模將達到2500億美元。作為智能制造領域的急先鋒，3D打印也已被應用于諸多領域。以我國為例，排名前三的是汽車、消費產品和商用機器設備，它們分別占市場份額的31.7%、18.4%和11.2%。

圖6 中國3D打印應用領域格局

3D打印未來發展

3D打印已經坐上了技術發展的高速列車，被賦予了“第三次工業革命的大背景”，以3D技術為代表的快速成型技術被看作是引發新一輪工業革命的關鍵要素。人們對3D打印都給予了高度的關注和極大熱情，那么在不久的將來，3D打印技術的未來將走向何方？

技術

4D 打印技術

4D打印，比3D打印多了一個“D”，即時間維度，通過軟件設定模型和時間，變形材料在設定的時間內變形為所需形狀。與3D相比，4D打印技術比3D打印技術更具有前瞻性和顛覆性，隨著環境變化而自行改變。不僅是生產工具的革命，更是由生產材料改變引發的未來整個商業生態結構方式改變的一種技術。

目前，人們對4D技術正處于研究階段，并且取得了初步進展。2015 年 1 月，在美國 CES 消費電子展上，Tibbits 利用模型設計軟件設定的時間和組合樣式，讓 2279 塊 3D 打印機打印出來的三角模塊，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題，根據穿戴者的體型情況進行自我改變。此外，還可以自動變化造型，并隨人體形態而變化，即使變胖或變瘦，4D 裙也不會不合身。Tibbits 和他的團隊還打印出了世界上第一雙 4D 鞋，可以根據人腳的形狀和大小自我調節，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電子科學 ARC 實驗中心也是 4D 技術的重要引領者，他們在不斷的測試中尋找各種刺激下影響的合成物質，目前已經取得許多重大進展，已經應用于醫療、軍事、汽車和機器人制造。

納米3D打印技術（Nanoscale 3DP）

納米3D打印技術（3DP）使用專門的3D打印技術和相關工藝來創建具有更精細、復雜的結構或特征?；诩{米尺度和微尺寸的打印不僅需要專門的3DP設備和光學元件，還需要額外的加工，如機械和化學，可以用于小型化的物件，比如微型傳感器，微型機器人，小型工藝品，可打印的電子產品等。

未來一個令人驚嘆的可能性是，利用納米3D打印出分子級別的結構構造。伊利諾伊大學已經成功的制造出這樣一臺3D打印連接分子的機器。期待未來能夠通過納米3D打印技術制造出種類數以億計的分子結構，并且方便化學家創造新的化合物，大大降低成本。

宏3D打印技術（Macro 3DP）

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

荷蘭一家初創公司正在嘗試利用宏3D打印建造一座橋梁，這座橋梁預計將在今年完成，并橫跨阿姆斯特丹的一條著名河道。北京華商騰達公司計劃在45天之內3D 打印出一套400平米的別墅。這些都展現出宏3D打印技術在建造業極有希望的前景。

材料

毫無疑問，材料將成為未來3D打印的主力市場，有市場研究機構預測，全球3D打印材料市場將從2016年的5億3010萬美元增長到2021年的14億950萬美元，而目前已有并應用的材料具有非常大的局限性。那么，未來的3D市場需要什么材料呢？

表2 未來可用于3D打印的材料列表

海航未來的可能--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重要的地位。然而，在3D打印時代，沒有了復雜的JIT配送，物流如果僅僅依靠為客戶存儲和配送3D打印耗材，那么物流企業之間就很難實現差異化運營，因此，結合3D打印并充分利用3D打印是物流發展的必然趨勢。那么，未來海航可以從哪些方面結合3D打印呢？我們認為以下幾個方面是值得討論的：

按需打印備件：傳統的產品零備件，比如飛機的備件（我們海航擁有幾百架飛機），大多是提前生產好，儲存在倉庫里，等到需要更換或維修時再從倉庫取出調配，想象一下成百上千萬的零備件儲存在倉庫而不用，不僅浪費資源還占用了空間。這就可以用3D打印來解決，我們可以將3D打印機放置于各倉庫及物流點，因其大大縮短的周期以及質量的保障，那么就可以先得知需求，然后打印，最后運出。這樣一個革新的流程，不僅節省資源與空間，還節省了貨物調配的時間（比如傳統情況下那個倉庫沒有貨，就要從別的倉庫調運，而有了3D打印就不用擔心了，我們可以直接將打印好的備件裝入卡車或飛機）。

從物流環節為顧客提供個性化的定制服務：需要大批量生產的商品，比如鞋子、包包等，是很難從一開始的生產環節就做到為每位顧客定制的（因為固有的生產流水線）。那么如若要滿足很多用戶的定制服務怎么辦？從物流環節下手是個不錯的選擇。這當然也要結合3D打印，比如每個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節中做到打印出來，接著配送，這樣一個順序。比如我們海航科技物流最近做的智能集裝箱項目，如若在集裝箱中裝配3D打印機，在物流的途中滿足這種顧客的定制化需求，是個非常炫酷的主意。

直接服務于商家或消費者的3D打印實體店：隨著3D打印的成本降低，直接提供3D打印的實體店在未來會逐漸進入市場。比如在機場就可以設置這樣的店，旅客們若有急需（比如需要一雙拖鞋、一個充電器、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，有這樣一個實體店可以配合旅客打印定制化的紀念幣或其它類型的紀念品