📖 ZKIZ Archives

這項技術目前還不能推翻或取代製造業原有手段， 在工程技術上只是補充性的◎ 本刊記者 于達維 文yudawei.blog.caixin.com 2013年1月18日上午，在北京人民大會堂舉行的2012年度國家科學技術獎勵大會上， “飛機鈦合金大型複雜整體構件激光成形技術”獲得國家技術發明獎一等獎。該技術的獲獎，被業界廣泛解讀為中國3D 打印技術在大型金屬結構件直接製造方面取得重大突破，標誌著中國3D 打印技術的發展進入新的高端。

該技術由北京航空航天大學教授王華明領軍的研究團隊完成。王華明還有一個身份，是中航天地激光科技有限公司（下稱中航激光）技術負責人。受到其獲獎消息的刺激，持有中航激光股份的相關上市公司，連日來股票紛紛漲停。

與此同時，3D 打印技術也成為公衆關注的話題。所謂3D 打印技術，通俗說就是三維立體成型技術，在掌握了物體形狀的相關信息後，運用合適的材料，對物體直接進行成型複制。

理想狀態下，通過3D 打印，可以打印飛機、打印賽車、打印槍支，甚至可以打印血管、打印器官，更有人預測：到2020年， 你可以在自己打印的房子里，吃一頓自己打印的飯。當然，上述設想目前只是理論狀態，現實情況還相差甚遠。作為中國3D 打印領域的領軍人物之一，王華明告訴財新記者，目前這種技術最多只能作為傳統制造業的一種補充，說它能夠帶來第三次製造業革命，“我覺得還到不了那個層次。 ”

快速成型

實際上，3D 打印技術早在上世紀80年代已經出現，比日本佳能公司推出噴墨打印機的時間只晚了四年。

1984年，美國發明家查爾斯· 霍爾（Charles Hull）給自己的一項技術起了一個新奇的名字——Stereolithography，該單詞是將通常用于印刷集成電路的lithography（平板印刷）加上一個前綴Stereo（立體） 。這種被稱為“立體印刷”的新技術，成為目前被廣泛應用的3D 打印技術的鼻祖。

查爾斯· 霍爾利用的材料，是一種可以在紫外光的照射下固化的樹脂，通過計算機控制紫外光束的移動，可以讓一層層的樹脂形成特定的圖形，這樣一層層的疊加在一起，就形成了立體的形狀。1986年他的專利申請獲得通過後，查爾斯 · 霍爾立刻成立了一家名為3D Systems的公司， 專門開發商業化的“立體印刷”設備。

隨著“立體印刷”概念逐漸深入人心，科學家們逐漸開發出有別于霍爾的光固化技術的其他立體成型技術，其中 熔 融 沉 積 成 型（Fused Deposition Modeling，FDM）和選擇性激光燒結 （Selective Laser Sintering ，SLS）把立體成型技術所能使用的材料拓展到更加廣泛的領域。

FDM 工藝由美國學者斯科特 · 克魯姆普（Scott Crump）于1988年研製成功，並于次年成立了 Stratasys公司。

1993年，3D 打印在麻省理工學院誕生。該學院的兩位教授米歇爾· 西瑪（Michael Cima）和艾瑪紐埃爾· 薩什（Emanuel Sachs）製造了一種立體化的噴墨打印設備，並把它叫做3D打印機。

該打印機通過多個噴嘴噴射成型材料和粘接劑來逐層打印3D 實物。這種技術最大的優點是，可選材料非常廣泛，而且可以直接把計算機中設計好的模型快速塑造出來。3D 打印逐漸成為幾種快速成型技術的統稱。

1995年 Z Corporation 公 司 獲 得了麻省理工學院多項3D 打印技術的授權，開始商業化這一技術。2012年，這家公司被3D Systems 收購，目前3D Systems和Stratasys都在納斯達克上市，每年銷售額近2億美元。

3D 打印技術的方法是將產品在計算機上設計成型後，將其分割成一系列數字切片，並將這些切片的信息傳送到3D 打印機上，後者會連續地將這些薄型層面通過特殊膠水堆疊起來，直到形成一個固態物體成型。因此在專業上又叫快速成型技術 ；由於這種方法和傳統的通過切削、鑽孔等方法的減材製造工藝相反，又被稱為增材製造技術。

3D打印技術的應用範圍越來越廣：英超聯賽的球員們已經穿上利用激光燒結技術定制的“完美合腳”的運動鞋，駐阿富汗的美軍已經可以在野外的快速製造車間中得到維修坦克和直升機必需的零件。2012年2月，比利時 Hasselt 大學科學家宣佈，他們將核磁共振得到的下顎圖像輸入3D 打印機，成功為一位83歲的老婦人制成鈦合金下顎替代品。

2012年底，霍爾的3D Systems 公司獲得了來自美國空軍的29.5億美元的投資，開發使用激光熔融技術的3D 打印系統，這套系統將用于製造 F-35戰機和其他武器系統。對於飛機這樣的非大批量生產的產品，3D 打印機將是一個理想的生產工具。

中國跟進

上世紀80年代末，清華大學機械系教授顏永年在美國瞭解到了快速成型技術，回國後就四處收集資料，並邀請外國專家來華講學，從此中國科學家也開始從事這方面研究。

顏永年告訴財新記者，當時他在美國做訪問學者，任務是考察高性能陶瓷的最新進展，在1988年底一次學術會議上， 他看到一個宣傳單， 介紹了查爾斯·霍爾的光固化快速成型技術，直接把數據模型變成物理模型。他說，這種技術的核心是 CAD（計算機輔助設計）模型的驅動，不是人去操縱機床，而是靠數字模型去驅動，把人的腦力勞動和體力勞動轉化成計算機的工作。

後 來 他 們 從 香 港 買 來 一 台3D ystems 公司出品的機器，從美國請來 一位教授，到各個高校去辦講座。顏永年稱，當時的體制就是這樣，有個好東西就希望大家都來做， “當時的科研體制下，都是出于全國一盤棋的思想，很開放，軟件也自由分享，相互之間沒有保留，所以做起來比較快。 ”他說，現在國內做3D 打印商業研發的主要是清華、西安交大、華中科技三所大學和一家北京隆源公司，這四家是真正有開發能力、有自主的技術的。

這三家高校，也分別成立了北京太爾時代、西安瑞特、武漢濱湖等企業進行商業化開發。

此次王華明團隊的“飛機鈦合金大型複雜整體構件激光成形技術”獲得2012年度國家技術發明獎一等獎，對中國3D打印研究領域無疑具有推動意義。

據顏永年介紹，王華明團隊的技術，屬於激光近淨成型技術（Laser Engineered Net Shaping，LENS） ， 這 種技術1999年在美國被推出時，曾經被評為當年最富創造力的25項技術之一，這種技術的優勢在於可以打造緻密金屬零件。2010年，他們利用激光直接製造了國產大飛機 C919的中央翼根肋，比傳統方法節省了90% 以上的材料，並且其性能比傳統鍛件還要好。

王華明說，這種技術確實是一種帶有變革性的，短流程、低成本的數字化製造技術，其被國內外公認是對飛機、發動機、燃氣輪機等重大工業裝備研製與生產具有重要影響的核心關鍵製造技術之一。

顏永年說，王華明的團隊能做出這個成果，還是給中國人爭了一口氣。但是他也指出，目前3D 打印技術還只能用于試生產，因為質量的可重複性和穩定性都是問題，在量化生產上存在缺陷。

武漢濱湖機電技術產業有限公司前總經理蔡道生博士告訴財新記者，3D 打印對於軍用品非常適合，因為後者批量不大，沒必要大規模生產，比如導彈 的零件。 “我們也有很多軍方的項目。 ”和國外相比，目前國產3D 打印設備的差距主要在於材料性能。北京隆源自動成型有限公司總經理馮濤告訴財新記者，在清華大學做了幾年教師後，他于1993年到了這家公司，從事3D 打印技術商業研發。他指出，3D 打印技術中材料的成型和控制非常關鍵，但目前中國的材料和國外差距非常大， “一方面本身就薄弱，另一方面企業和學校規模投入都比較小，需要長期投入和很深的基礎。 ”據財新記者瞭解，目前工信部也正在組織研究制定3D 打印技術路線圖和中長期發展戰略，推動完善3D 打印技術規範和標準制定，研究制定支持3D 打印產業發展的專項財稅政策。

路還很長

英國《經濟學人》雜誌曾經預測，3D 打印的出現，將把生產製造從大型、複雜、昂貴的傳統工業過程中分離出來，凡是能接上電源的任何計算機都能夠成為靈巧的生產工廠，未來製造業將再次回流到發達國家。

美國消費者電子協會最新發佈的年度報告顯示，隨著汽車、航空航天和醫療保健等領域市場需求的增加，3D 打印機的銷售額將從2011年的17億美元增長至2017年的50億美元。但這和同樣誕生30多年的噴墨打印機產業相比，其發展速度還是非常緩慢，目前全球噴墨打印產業的銷售額已經超過200億美元。

之所以發展相對緩慢，是因為雖然什麼都可以做，但是做什麼都有一定問題。北京太爾時代公司總經理郭戈對財 新記者說，這種技術在各個行業，只要涉及實體開發、實體應用都用得到，因為材料和精度的限制，在生產上用得比較少，在牙科、醫療產品開發過程中應用比較多，或者小批量的零件生產。 “我們自己的設備開發也用到了自己打印的零件。 ”作為國內規模最大的一家3D 打印企業，太爾時代每年消費級和工業級設備的銷量也只能達到幾千台和幾百台，年銷售額幾千萬元的水平。

對於王華明的成果獲獎後，相關上市公司股票連連漲停的現象，郭戈認為 這只是炒作。 “即便是國內所有的3D 打印企業加起來，也不足以支撐一個上市公司。 ”他說。現在就好像是大家都在成長，長成了一片大草原，但是還沒有長出大樹。

“要達到第三次工業革命還差得遠，我認為機器人對於生產製造的變革更大。當然前途還是有，如果在材料性能、功能性上有所提升，會對製造業產生一種變革。 ”郭戈說， 受制于性能限制，現在的3D 打印技術是理論上可行，但現實做起來就是這個東西不能做，那個東西不能做，目前不過是多做了一點以前做不了的工作而已。

目前，消費品和電子領域是3D 印刷企業最大的市場，其市場份額約為 20.3%；緊隨其後的是機動車19.5%、醫療和牙科15.1%。

快速製造領域的國際權威報告《沃勒斯報告2012》顯示，截至2011年，全球累計銷售4.9萬台工業級3D 打印機，其中近四分之三由美國製造，以色列和歐洲各國的份額分別為9.3％和10.2％，中國生產的設備占3.6％，與日本相當。

馮濤表示，目前3D 打印在零部件上的應用只有20%，到2015年將可以達到40%，以後將可能達到80%。 “現在的飛機上、導彈上已經在用，美國之所以重視，不是重視桌面的三維打印機，關鍵還是工業級的快速製造。 ”不過在馮濤看來，從廣義上說，在零部件製造上，使用3D 打印的比例不會高。 “大批量、高效的生產方式必須是經濟成本最低的，都個性化的話，就像每個人手機都不一樣，成本會太高。 ”他認為，3D 打印技術無疑豐富了製造業的方法，但是仍然無法顛覆傳統的製造業。他周圍的大多數人不認為這 是個革命，因為在效率、價格、精度、表面質量上都有缺陷。

目前的3D 打印或者說快速製造技術，可以說是形狀的萬能製造機，但是在材料上的限制，還不能滿足一些對內 在性能有特殊要求的工作，形狀可以做出來，功能不一定達到。

蔡道生表示，至少目前的3D 打印技術絕對不會對傳統的減法制造造成什麼革命性的改變，更多是一個補充，可以稱為綠色製造，因為浪費的材料很少。

蔡道生認為，即便是在增材製造方面，用3D 打印製造簡單的零件也是得不償失。其優勢在於複雜零件，但是製造速度有待提高。

雖然打印一個部件的成本比製造一個模具低很多，但模具只要開好，就可以短時間做出成千上萬個一模一樣的部件，這是3D打印難以企及的。

王華明教授還對財新記者表示，3D 打印目前最多是做一部分零部件。

他認為，第三次工業革命將是一個很大的範圍，包括數字化、網絡化、信息化等，3D打印未到此層次。

郭戈認為，3D 打印技術發展應該 還需要很多年，但如果有突飛猛進的突破，可能就會提速， “計算機剛剛出來的時候也沒想到（發展）那麼快。 ”在顏永年看來，3D 打印不可能推翻或者取代製造業原有的手段，從成型科學上說是革命性的，從工程技術上是補充性的。

他認為，3D 打印在生物製造上的前途遠遠超過金屬。更巨大的意義是做活體，把細胞、生物相容性材料堆積成活體結構。 “現在已經可以培養出一小塊肉了。 ”2012年4月，已經74歲的顏永年在江蘇昆山成立了昆山永年先進製造技術有限公司，專門開發3D 打印技術設備。

顏永年說，昆山公司以後會慢慢以生物為主，在這方面他也最有興趣。

本刊實習記者張鑫對此文亦有貢獻

最近一個月，政大科技管理研究所教授溫肇東已經遇到四個人跟他談論「3D Printing」（3D列印）。

一位對技術狂熱的朋友e-mail給他，說這是台灣製造業翻身的機會；法律與創投專家徐小波提供相關文章給政大EMBA學生閱讀；新創公司負責人陳彥宇興奮的向他展示公司剛買進的3D機器；以及遠流出版社董事長王榮文計畫要在經營的華山文創園區開設一家3D咖啡館。

就在溫肇東被這個話題包圍之際，坐落在台南烏山頭水庫附近的工研院南分院的「積層製造與雷射應用中心」也很熱鬧。

此處是台灣3D列印技術的研發重鎮，自從二○一二年成立「雷射積層製造產業群聚」一直到現在，國外內的訪客絡繹不絕，包括了德國設備領先廠商EOS、日本機械大廠松浦（Matsuura）、機密工業鴻海、車燈大廠堤維西等都來拜訪。

有多火紅？《經濟學人》兩次深度報導

3D列印確實是個熱議題。《經濟學人》（The Economist）在十四個月中，連用了兩次封面故事的規格，報導了這項新科技，稱它將掀起「第三波工業革命」。美國總統歐巴馬（Barack Obama），在今年二月十二日的國情咨文中說，這是美國未來領導全球生產與製造業的技術革新。

《連線》雜誌（Wired）總編輯安德森（Chris Anderson）更為它改變職涯，去年底出版最新力作《Makers》隨後辭職，全力投入自創公司3D Robotics執行長一職，為美國科技圈投下一顆震撼彈，因為安德森說，3D列印的影響力將超過網路，他想參與這波革命。「現在，3D列印是一門顯學，世界各國無不想要參一腳！」工研院南分院積層製造與雷射應用中心總監曾文鵬說。

這是國內第一，也是唯一一座金屬3D列印實驗室。早在○五年南分院成立，原雷射製造研究中心便一直研究3D列印技術。從技術面來看，這間僅二十三人實驗室當然還得向歐美領先廠商學習，但已促成日本松浦和台灣神基聯盟，正籌備「台灣積層製造公司」（TAMC），台日合作，準備搶攻3D列印的高端模具商機。

有多厲害？可同時製作兩百顆牙齒

由於應用廣泛，最近也開始有藝術界與設計界人士造訪，3D列印已經悄悄在產業界遍地開花，而這間小實驗室就是授粉之處。

走進實驗室。首先，映入眼簾的是三台造型各異的「印表機」，只見工程師在電腦上打開小狗圖檔，啟動一台和義式咖啡機差不多大小的機器，十五分鐘後，一隻長、高三公分，寬一公分半的橘色小狗就拿在手上把玩了，和圖檔一模一樣。

桌子上還擺著白色小椅子、黃色造型的卡通角色「皮卡丘」等。這台神奇的機器，可以複製出任何東西，只是材料從過去的紙張變成塑膠，從平面變成立體。在此之前，你可以用3D軟體自行設計，或是把實物放進數位掃描機掃描，十分鐘到四十分鐘內，就可以得到一模一樣的東西。

實驗室的另一端，是一台金屬材料的高端印表機，利用雷射燒結金屬粉末的方式，正在「列印」一盤牙齒。隔著透明玻璃，看到機器在長寬各二十五公分、高三十二公分的空間裡，不斷重複鋪鈦合金粉末、雷射光束燒結出每一顆牙齒的輪廓兩個動作，十個小時後，這些牙齒就會進行人工精雕，之後送到牙醫那為顧客安裝。

「這就是客製化量產的最佳示範，」曾文鵬說，傳統一個技師一次只能加工一顆假牙，時間可能是三小時，3D印表機雖耗時十小時，但最多可同時製作兩百顆牙齒，這就是競爭力所在。

不管是橘色小狗，還是牙齒，都是用材料一層一層堆疊出來的，這種製造方式專業稱為「加法製造」（Additive Manufacturing，又稱積層製造），事實上，這項技術由Charles Hull在一九八四年發明至今，已有近三十年歷史，但會在這兩年爆發，主因是數位環境成熟、基礎技術專利到期，以及價格降低三大因素。

曾文鵬舉假牙市場為例，現在只要用數位口腔掃描，就能取得患者精準的牙齒圖檔，之後「印」出假牙，兩至三天後，患者就能裝上；有別傳統假牙像是手工藝產業，必須由牙醫讓患者咬模，再將齒模送到牙技中心製作，之後醫生還是要用手工再幫患者修整牙齒表面，以達到最佳的咬合狀態，全程可能得花費七天。

「現在的牙科醫院簡直像是科技公司，什麼都數位化。」成功大學前瞻醫療器材科技中心致力成為醫材的數位中心，中心主任蘇芳慶指出，其利用3D列印技術，已經幫助過醫生進行下顎修補手術，「先製作出精準的模型，讓醫生在開刀前預判，病人會得到更好的醫療品質。」

不過，這項外科手術的應用目前僅少數醫生採用，還在實驗室階段，尚未在外科普及。反倒是假牙應用已在中國開始商品化，台灣則還在推廣中。

模具、醫材，以及文創藝術，是工研院點名未來台灣採用3D列印最具潛力的產業，而歐美則有波音公司（Boeing）與賓利汽車（Bentley）用來製造飛機與汽車零件。3D列印有一個特色，它能讓既有優勢產業提升附加價值，讓追求客製化的精密產業有機會量產，但不至於讓追求規模的製造業消失。

有多廣泛？專利到期，人人都能製作

如果台灣製造業想要再提高附加價值，3D列印，等於替台灣開了一道門。

但，其他國家也早已開始布局。因為影響3D列印最重要的專利，即將在二○一五年到期。目前，3D列印的專利主要掌握在美國兩家上市公司3D Systems和Stratasys，以及德國的EOS（未上市）共三大巨頭，掌握全球九成市占。

曾文鵬表示，從南非、澳洲到中國等都以國家政策開始在二○一一年布局，「這是second run（第二輪）的競爭，比的是創意的應用與服務。」當專利到期，未來個人化的印表機降到一台一千或數百美元，「人人都是製造者（maker），」溫肇東在一九九六年於麻省理工學院Media Lab看過這項技術，終於在十七年後，看到這個應用將滿地開花。只要你有創意，在家裡也有機會「印」出屬於自己的手機殼或是喜歡的公仔。

老技術，新應用，這次台灣能不能領先，就要看創意夠不夠好，反應速度是否快到能在浪頭上卡到一個好位子。

【延伸閱讀】技術超猛！突破客製化量產限制

傳統方式：全人工、靠經驗、手工雕刻、單一客製化，3-7天完成流程：印模→灌石膏模型→填蠟雕刻→澆鑄→精修拋光→上釉髿燒→成品台灣假牙年產量約240萬顆，產值約180億元，但卻是個手工藝產業，製作效率不佳、耗費人力。

新型方式：快速、尺寸精準、客製化量產，2天完成流程：3D照相取模→3D Printing製造→精修→堆瓷→成品一台3D印表機開機10小時，可以同時印製一盤約200顆的牙齒，即服務了200位客戶。

資料來源：工研院積層製造與雷射應用中心

【延伸閱讀】趨勢超夯！5年成長352倍——全球個人用3D印表機數量

資料來源：Wohlers Associates