数字建筑与增强打印技术：3D打印的概念及应用

3D打印并非是新鲜的技术，它源自100多年前美国研究的照相雕塑和地貌成形技术，上世纪80年代已有雏形，其学名为“快速成型”。在20世纪80年代中期，SLS被在美国得克萨斯州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利，项目由DARPA赞助的。1979年，类似过程由RF Housholder得到专利，但没有被商业化。

1995年，麻省理工创造了“三维打印”一词，当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson修改了喷墨打印机方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案，而不是把墨水挤压在纸张上。

中国物联网校企联盟把3D打印称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。早期的3D打印机数量很少，大多集中在“科学怪人”和电子产品爱好者手中。他们主要用来打印像珠宝、玩具、工具、厨房用品之类的东西。甚至有汽车专家打印出了汽车零部件，然后根据塑料模型去订制真正市面上买到的零部件。人们可以在一些电子产品商店购买到这类打印机，工厂也在进行直接销售。不过物以稀为贵，一套3D打印机的价格从一般的750美元到上等质量的27000美元不等。但它的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。

3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。3D打印技术被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”，早期由于价格昂贵，技术不成熟，并没有得到推广普及，经过20多年发展，该技术已更加娴熟精确。

3D打印技术可以加工传统方法难以制造的零件。过去传统的制造方法就是一个毛坯，把不需要的地方切除掉，是多维加工的，或者采用磨具，把金属和塑料融化灌进去得到这样的零件，这样对复杂的零部件来说加工起来非常困难。立体打印技术对于复杂零部件而言具有极大的优势，立体打印技术可以打印非常复杂的东西。它实现了首件的净型成形，这样后期辅助加工量大大减小，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度，尤其适合一些高保密性的行业，如军工、核电领域。再次由于制造准备和数据转换的时间大幅减少，使得单件试制、小批量出产的周期和成本降低，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的出产。

这些速度快、高易用性等优势使得3D打印成为一种潮流，并且在很多领域得到了应用。如今3D打印机已经在建筑设计、医疗辅助、工业模型、复杂结构、零配件、动漫模型等领域都已经有了一定程度的应用。尤其在飞机、核电和火电等使用重型机械、高端精密机械的行业，3D打印技术“打印”的产品是自然无缝联结的，结构之间的稳固性和联结强度要远远高于传统方法。

归纳优点有：一是最直接的好处就是节省材料，不用剔除边角料，提高材料利用率，通过摒弃生产线而降低了成本；二是能做到很高的精度和复杂程度，除了可以表现出外形曲线上的设计；三是不再需要传统的刀具、夹具和机床或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件；四是它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效的缩短产品研发周期；五是3D打印能在数小时内成形，它让设计人员和开发人员实现了从平面图到实体的飞跃；六是它能打印出组装好的产品，因此它大大降低了组装成本，它甚至可以挑战大规模生产方式。

和所有新技术一样，3D打印技术也有着自己的缺点，它们会成为3D打印技术发展路上的绊脚石，从而影响它成长的速度。3D打印也许真的可能给世界带来一些改变，但如果想成为市场的主流，就要克服种种担忧和可能产生的负面影响。

①材料的限制

仔细观察周围的一些物品和设备，就会发现3D打印的第一个绊脚石，那就是所需材料的限制。虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但目前无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，现在的打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持我们在日常生活中所接触到的各种各样的材料。研究者们在多材料打印上已经取得了一定的进展，但除非这些进展达到成熟并有效，否则材料依然会是3D打印的一大障碍。(www.xing528.com)

②机器的限制

众所周知，3D打印要成为主流技术（作为一种消耗大的技术），它对机器的要求也是不低的，其复杂性也可想而知。目前的3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平，几乎任何静态的形状都可以被打印出来，但是那些运动的物体和它们的清晰度就难以实现了。这个困难对于制造商来说也许是可以解决的，但是3D打印技术想要进入普通家庭，每个人都能随意打印想要的东西，那么机器的限制就必须得到解决才行。

③知识产权的限制

在过去的几十年里，音乐、电影和电视产业中对知识产权的关注变得越来越多。3D打印技术毫无疑问也会涉及这一问题，因为现实中的很多东西都会得到更加广泛的传播。人们可以随意复制任何东西，并且数量不限。如何制定3D打印的法律法规用来保护知识产权，也是目前面临的问题之一，否则就会出现泛滥的现象。

④道德的挑战

道德是底线。什么样的东西会违反道德规律，我们是很难界定的，如果有人打印出生物器官或者活体组织，是否有违道德？我们又改如何处理呢？如果无法尽快找到解决方法，相信我们在不久的将来会遇到极大的道德挑战。

⑤费用的限制

3D打印技术需要承担的花费是高昂的，对于普通大众来说更是如此。例如第一台在京东上架的3D打印机的售价为1万5，又有多少人愿意花费这个价钱来尝试这种新技术呢？也许只有爱好者们吧。如果想要普及到大众，降价是必须的，但又会与成本形成冲突。如何解决这个问题，制造商们估计要头疼了。

每一种新技术诞生初期都会面临着这些类似的障碍，但相信找到合理的解决方案3D打印技术的发展将会更加迅速，就如同任何渲染软件一样，不断地更新才能达到最终的完善。所以，3D打印技术要成为主流的生产制造技术还尚需时日。3D打印机目前的实际使用仍属于快速成型范畴，即为企业在生产正式的产品前提供产品原型的制造，业内也将这类原型称作手板。据统计，3D打印机生产的产品中80%依旧是产品原型，仅有20%是最终产品。虽然3D打印机技术近年来已取得不小的进步，比如材料增多、打印机和原材料价格逐渐下降，但从目前看，依旧是一项年轻的技术，在没有变得更加成熟和廉价前，并不会被企业大规模采用。