3D打印技術的出現激起了人們無比的熱情并勾起了人們無限的遐想。它帶來的不僅僅差異化生產成本的下降，也不僅僅只是引發制造業的革命，而是從根本上改變了人們日常看待世界的方式——我們眼中的物體不再是由一個個組件和部分構成，而是由一個個粒子構成。因而3D打印也被認為是未來30年最具發展潛力的新型技術之一。

　　我們以2014年全球范圍各大3D打印機制造商旗下產品的影響力和民眾對其的認可度作為主要的依據，評出了2014年全球3D打印機制造商Top30，希望能反映和展示全球3D打印機制造領域的所有領先者，以滿足我國各激光行業人士對全球信息的了解。

　　3D打印的概念早在19世紀末就已出現，1892年美國學者Blanther首次在公開場合提出使用層疊成型方法制作地形圖的構想。這種堆疊薄層的方式制造三維形狀物體的理念，也是3D打印的核心制造思想。經過不斷的技術演進，逐漸形成了今天這種可以按照計算機3維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型的系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加塑造出3D實體產品。目前3D打印分為SLA、SLS、FDM和3DP四種主流的方式。

　　光固化立體造型技術（StereoLithography Apperance，SLA）

　　1986年，查爾斯·赫爾實現了用激光照射液態光敏樹脂，固化分層制作三維物體的技術，并以光固化立體造型技術（Stereo Lithography Apperance，SLA）獲得了專利。同年，查爾斯·赫爾成立了3D Systems公司，并于1988年推出了第一個面向公眾的商業打印機SLA—250。

　　SLA以光敏樹脂的聚合反應為基礎，在計算機控制下的紫外激光，沿著零件各分層截面輪廓，對液態樹脂進行逐點掃描，使被掃描的樹脂薄層產生聚合反應，由點逐漸形成線，最終形成零件的一個薄層的固化截面，而未被掃描到的樹脂保持原來的液態。當一層固化完畢，升降工作臺移動一個層片厚度的距離，在上一層已經固化的樹脂表面再覆蓋一層新的液態樹脂，用以進行再一次的掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此循環往復，直到整個零件原型制造完畢。

　　SLA技術有較高的精度和較好的表面質量，且成形速度較快，能制造形狀特別復雜和特別精細的零件、模具、模型等；還可以在原料中通過加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟模。不過由于樹脂固化過程中產生收縮，不可避免地會產生應力或引起形變。因此開發收縮小、固化快、強度高的光敏材料是其發展趨勢。

　　熔融沉積造型（Fused Deposition Modeling，FDM）

　　1988年，美國學者Scott Crump研制出了熔融沉積制造工藝（Fused Deposition Modeling，FDM），他使用熱塑性材料，如蠟、ABS、尼龍等。材料在噴頭內被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料以絲狀擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結成形。1992年，Stratasys公司推出了第一臺基于工藝熔融沉積制造（FDM）技術的3D打印機——“3D造型者（3D Modeler）”，這標志著FDM技術步入了商用階段。

　　FDM工藝的關鍵是保持材料的半流動性。這些材料并沒有固定的熔點，需要精確控制其溫度。現在大紅大紫的Makerbot、the Cube，還有RepRap它們都屬于這類技術，只不過這些機器都是簡化版。而專業級別的當屬Stratasys的產品，例如Mojo、uPrint、Projet系列等。

　　選擇性激光燒結（Selected Laser Sintering，SLS）

　　1989年，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard發明了選擇性激光燒結工藝（Selected Laser Sintering，SLS）。DTM公司于1992年推出了該工藝的商業化生產設備Sinter Sation。幾十年來，奧斯汀分校和DTM公司在SLS領域做了大量的研究工作，在設備研制和工藝、材料開發上取得了豐碩成果。德國的EOS公司在這一領域也做了很多研究工作，并開發了相應的系列成型設備。國內也有多家單位進行SLS的相關研究工作，如華中科技大學、南京航空航天大學、西北工業大學、中北大學和北京隆源自動成型有限公司等，也取得了許多重大成果。

　　SLS技術是將粉末預熱到稍低于其熔點的溫度，然后再將粉末鋪平，利用激光束在計算機控制下根據分層截面信息進行有選擇地一層層燒結，全部燒結完后再去掉多余的粉末，最后得到燒結好的零件。

　　SLS最突出的優點在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說，任何加熱后能夠形成原子間粘結的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。可成功進行SLS成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復合粉末材料，甚至是金屬。由于SLS成型材料品種多、用料節省、成型件性能分布廣泛、適合多種用途以及SLS無需設計和制造復雜的支撐系統，所以SLS的應用越來越廣泛。

三維打印（3D Printing，3DP）

　　1993年，美國麻省理工大學的EmanualSachs教授發明了三維印刷技術（3DP），它與SLS類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末，所不同的是材料粉末不是通過燒結連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑（如硅膠）將粉末粘合成型，看上去就像將零件的截面“印刷”在材料粉末上面一樣。

　　采用3DP技術的廠商，主要是Zcorporation公司、EX-ONE公司等，zprinter、R系列三維打印機為主，此類3D打印機能使用的材料比較多，包括石膏、塑料、陶瓷和金屬等，而且還可以打印彩色零件，成型過程中沒有被粘結的粉末起到支撐作用，能夠形成內部有復雜形狀的零件。此類打印機通過多碰頭和噴嘴來提高速度。

　　3DP成型速度快，成型材料價格低，適合做桌面型的快速成型設備，成型過程不需要支撐，多余粉末的去除比較方便，特別適合于做內腔復雜的原型，而且在粘結劑中可以添加顏料，可以制作各種彩色原型，這是該工藝最具競爭力的特點之一。但3DP制作出來的物品強度較低，只能做概念型模型，而不能做功能性試驗。

　　3D打印的現狀和未來

　　目前，3D打印依然存在一些問題， 3D打印機目前還存在技術相對單一、設備便攜性差、效率低下、材料受限制、精度不夠，成本較高等問題。而制作出來的東西相對于工業化大規模生產出的產品毛刺較多，需要打磨，質量較差，難被消費者認可。但是隨著我們科研人員的不斷努力，相信這些技術問題都只是暫時的。而3D打印出來的產品也最終會打動消費者，獲得市場的肯定。

　　3D打印技術雖然無法應用于大規模生產，但是對于小規模制造，尤其是高端的定制化產品，有著無比的優勢。目前 3D打印已經廣泛應用于軍工、航天、醫學、建筑、汽車、電子、服裝、珠寶首飾等種領域。3D打印技術也被《時代》周刊選為2014年25項年度最佳發明。

　　僅在過去一年中，美國海軍試驗了利用3D打印等先進制造技術快速制造艦艇零件，NASA利用3D打印技術制造了整臺成像望遠鏡，Local Motors公司制作出了首臺3D打印汽車并成功上路，Pi-Top更是成為了全球首款3D打印的筆記本電腦，通用電氣公司使用3D打印技術改進了其噴氣引擎的效率，美國三維系統公司的3D打印機能打印糖果和樂器……這些成就無不向我們展示著3D技術已經在我們身邊有著舉足輕重的作用。

　　而如今，走在3D打印前沿的科學家們已經不僅僅將3D打印材料限于金屬和特定材料，半導體材料的3D打印已經在制作具有邏輯性和功能性的電子電路和微電路上取得了突破。而生物打印已經在3D打印技術中取得了巨大的進展。維克森林大學的艾塔拉博士已經成功打印出了植入人體尿道的印刷品；Organovo公司在竭盡全力地進行用于醫學研究和治療用途的功能性人體組織3D打印研究；Craig Venter團隊和Cambrian Genomics公司甚至打印出了DNA——沒錯，就是DNA！一次能打印一個堿基對！

　　就我國而言，雖然目前3D打印還處于產業化起步階段，還存在相關技術人員資源缺乏，聯盟作用不明顯，企業只能各自為戰，應用市場主要停留在產品設計研發以及科普教育方面等諸多不足，但是資本和政策的重視和鼓勵以及我們企業自身在自主技術上的努力已經在使得這種情況有了好轉的條件，也造就了一些明星企業。例如，作為國內唯一一家擁有激光燒結3D打印機的研發能力以及相對應高分子材料粉末的生產能力的華署高科，在2014年成功研制出了世界上最快的工業級3D打印機。而桌面級產品多次獲得國際大獎的太爾時代自主開發的UP！系列3D打印機在硬件、軟件和易用性上都已達到相當高的水平，甚至與世界知名的Makerbot和CubeX系列相比也毫不遜色。

　　現在，我國科研人員已經成功研制出了首臺航天3D打印機，并已成功打印出了衛星星載設備的光學鏡片支架，核電檢測設備的精密復雜零件，飛機研制過程中用到的葉輪，汽車發動機中的異形齒輪等構件，而我國醫生也成功采用3D打印技術為病人制作出了一塊頭蓋骨并成功完成了手術……這些創舉是令人激動的。當然，普遍存在的僅僅利用設備做一些小小的消費產品打印，或不足以談創業。

　　2014年到2015年初，我國3D激光打印在武漢得到較大的發展，一家武漢的企業全資投入3D打印，同時激光龍頭企業大族激光也推出首款睿逸系列3D打印機，也有小型的公司進行食品行業3D打印設備的研發，總之相信在15年會推出更多的3D激光設備。

    尤其值得關注的是，隨著生物材料3D打印技術的逐漸成熟，我們將可能以細胞為材料進行3D打印，直接打印人體組織、器官，甚至生命體。或者說我們談的不是3D打印，但未來3D技術會為我們帶來越來越多的便利。

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2015-013001