當前，以信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合為特征的智能制造模式，正在引發(fā)整個制造業(yè)的深刻變革。作為制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù)，3D打印正逐步成為各企業(yè)搶占未來產(chǎn)業(yè)制高點的焦點領(lǐng)域。在《經(jīng)濟學(xué)人》雜志中，將智能制造稱為第三次工業(yè)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(fā)展指明了一條路徑，也為傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型、升級指出了一個方向，已成為全球先進制造業(yè)的又一風(fēng)口。

請輸入標題 abcdefg

3D打印帶來的制造業(yè)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(shù)。與普通打印機工作原理基本相同，打印機內(nèi)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(yè)設(shè)計等領(lǐng)域，現(xiàn)主要用于一些產(chǎn)品的直接制造，比如人體關(guān)節(jié)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(yōu)勢，從兩個方面深刻改變了傳統(tǒng)制造業(yè)的形態(tài)：一是使制造工藝發(fā)生深刻變革，二是使生產(chǎn)模式發(fā)生革命性變化。一方面，在制造工藝上，首先，對于具有精確內(nèi)部凹陷或互鎖部分的形狀設(shè)計，3D打印是首選加工設(shè)備；其次，3D打印零時間交付，及時減少了企業(yè)實物庫存；3D打印還能夠使用與傳統(tǒng)制造相比更少的材料，而傳統(tǒng)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(shè)備能夠自由移動，實現(xiàn)便攜制造。另一方面，3D打印給生產(chǎn)模式也帶來了巨大變更。隨著信息化發(fā)展，人們逐漸追求個性化的消費，傳統(tǒng)大批量、標準化生產(chǎn)的模式已難以滿足這種需求，而3D打印的特點恰好順應(yīng)并推動了產(chǎn)品向個性化、定制化和分散化的轉(zhuǎn)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(yīng)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(tǒng)的噴嘴需要來自不同供應(yīng)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(chǎn)周期短，還比傳統(tǒng)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(huán)境下迅速的制造關(guān)鍵武器部件，這種加工地點的自由度，傳統(tǒng)制造業(yè)是做不到的。

3D打印發(fā)展歷史

下圖展示了3D打印從誕生到現(xiàn)在的重大歷史事件：

圖1 3D打印發(fā)展歷史

3D打印現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)支撐

簡單來說，經(jīng)典3D打印機的功能與傳統(tǒng)噴墨打印機的功能非常相似。兩者都從數(shù)字文件獲得打印信息，但是噴墨打印機將墨水應(yīng)用于紙張，而3D打印機以連續(xù)的圖案注入材料來構(gòu)建三維固體物體。3D打印的具體步驟分為三步：首先，進行數(shù)字模型的創(chuàng)建，使用CAD等設(shè)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(chuàng)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(chuàng)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(shù)支撐。圖3展示了人們對于不同的技術(shù)的期待值隨著該技術(shù)成熟度的變化趨勢，以及技術(shù)距離走入主流市場的時間?？梢钥吹?，目前已經(jīng)有多種技術(shù)逐漸成熟并廣為使用，比如：

圖3 3D打印技術(shù)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(shù)，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(shù)，與傳統(tǒng)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(shù)，使各層之間相互連續(xù)。

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

每項技術(shù)在不同的應(yīng)用中有不同的效果，下表展現(xiàn)了幾項主要的3D技術(shù)及其在不同制造過程中的效果：

表1 幾種3D打印技術(shù)在不同制造過程中的表現(xiàn)

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

市場規(guī)模

3D打印作為一項前沿性的先進制造技術(shù)，已經(jīng)受到世界各國的高度關(guān)注，其市場規(guī)模呈幾何級增長態(tài)勢。在2016年全球3D打印市場規(guī)模已經(jīng)達到了60.63億美元，同比增長34.62%，預(yù)計2020年將突破200億美元。與此同時，國內(nèi)的3D市場規(guī)模也在逐漸擴大，截止到2015年，市場已經(jīng)達到7.78億美元，復(fù)合增長率為69%。

圖4 3D打印市場市場規(guī)模

產(chǎn)業(yè)鏈

3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈如下圖：

圖5 3D打印產(chǎn)業(yè)鏈

一些知名3D打印公司有：

3Dsystems（美國）：1986年創(chuàng)立，是世界上第一家3D打印公司，主營設(shè)備制造、耗材開發(fā)、服務(wù)提供。就設(shè)備制造來說，兼及桌級和業(yè)級設(shè)備。就打印技術(shù)來說，主要使用SLA(光固化，光敏樹脂材料)、SLS(選擇性激光燒結(jié)，工程塑料)。應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，有航空航天、醫(yī)療、汽車這些工業(yè)級別的，也有建筑、藝術(shù)等設(shè)計行業(yè)的，另外還兼顧消費品、珠寶首飾領(lǐng)域。

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

EOS（德國）：1989年成立，專注于工業(yè)級設(shè)備研發(fā)20年的嚴肅3d設(shè)備制造商，技術(shù)只聚焦在高端的SLS技術(shù)，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(shè)備。

應(yīng)用領(lǐng)域

當前，全球制造業(yè)格局正在發(fā)生深刻變化，新一代信息技術(shù)和工業(yè)融合發(fā)展呈現(xiàn)新趨勢——智能制造。在互聯(lián)網(wǎng)時代下，智能制造引領(lǐng)的制造業(yè)轉(zhuǎn)型已勢在必行，預(yù)計到2018年全球智能制造及智能工廠相關(guān)市場規(guī)模將達到2500億美元。作為智能制造領(lǐng)域的急先鋒，3D打印也已被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。以我國為例，排名前三的是汽車、消費產(chǎn)品和商用機器設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域格局

3D打印未來發(fā)展

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

技術(shù)

4D 打印技術(shù)

4D打印，比3D打印多了一個“D”，即時間維度，通過軟件設(shè)定模型和時間，變形材料在設(shè)定的時間內(nèi)變形為所需形狀。與3D相比，4D打印技術(shù)比3D打印技術(shù)更具有前瞻性和顛覆性，隨著環(huán)境變化而自行改變。不僅是生產(chǎn)工具的革命，更是由生產(chǎn)材料改變引發(fā)的未來整個商業(yè)生態(tài)結(jié)構(gòu)方式改變的一種技術(shù)。

目前，人們對4D技術(shù)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(shè)計軟件設(shè)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(jù)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(tài)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(jù)人腳的形狀和大小自我調(diào)節(jié)，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(xué)電子科學(xué) ARC 實驗中心也是 4D 技術(shù)的重要引領(lǐng)者，他們在不斷的測試中尋找各種刺激下影響的合成物質(zhì)，目前已經(jīng)取得許多重大進展，已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、汽車和機器人制造。

納米3D打印技術(shù)（Nanoscale 3DP）

納米3D打印技術(shù)（3DP）使用專門的3D打印技術(shù)和相關(guān)工藝來創(chuàng)建具有更精細、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或特征?；诩{米尺度和微尺寸的打印不僅需要專門的3DP設(shè)備和光學(xué)元件，還需要額外的加工，如機械和化學(xué)，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(chǎn)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(jié)構(gòu)構(gòu)造。伊利諾伊大學(xué)已經(jīng)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(shù)制造出種類數(shù)以億計的分子結(jié)構(gòu)，并且方便化學(xué)家創(chuàng)造新的化合物，大大降低成本。

宏3D打印技術(shù)（Macro 3DP）

宏3D打印技術(shù)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(tǒng)。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(lǐng)域。由于設(shè)備更大，且更昂貴，目前投資較少，技術(shù)不成熟，

荷蘭一家初創(chuàng)公司正在嘗試利用宏3D打印建造一座橋梁，這座橋梁預(yù)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(nèi)3D 打印出一套400平米的別墅。這些都展現(xiàn)出宏3D打印技術(shù)在建造業(yè)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(gòu)預(yù)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(yīng)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(guān)重要的地位。然而，在3D打印時代，沒有了復(fù)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(yè)之間就很難實現(xiàn)差異化運營，因此，結(jié)合3D打印并充分利用3D打印是物流發(fā)展的必然趨勢。那么，未來海航可以從哪些方面結(jié)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(tǒng)的產(chǎn)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(chǎn)好，儲存在倉庫里，等到需要更換或維修時再從倉庫取出調(diào)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(zhì)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(jié)省資源與空間，還節(jié)省了貨物調(diào)配的時間（比如傳統(tǒng)情況下那個倉庫沒有貨，就要從別的倉庫調(diào)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(huán)節(jié)為顧客提供個性化的定制服務(wù)：需要大批量生產(chǎn)的商品，比如鞋子、包包等，是很難從一開始的生產(chǎn)環(huán)節(jié)就做到為每位顧客定制的（因為固有的生產(chǎn)流水線）。那么如若要滿足很多用戶的定制服務(wù)怎么辦？從物流環(huán)節(jié)下手是個不錯的選擇。這當然也要結(jié)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(huán)節(jié)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(wù)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(shè)置這樣的店，旅客們?nèi)粲屑毙瑁ū热缧枰浑p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