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一、概述
（一）3D打印技术简介
3D打印也称增材制造，是通过材料逐渐累加的方法制造实体物件的技术。相对于传统的材料去除－切削加工技术（减材制造），3D打印是一种“自下而上”的制造方法。计算机控制的增材制造技术最早出现于上世纪八十年代。3D打印技术有广泛的应用领域，包括航天、医药、国防、定制生产、原型制造、艺术、工艺设计和教育等。
3D打印机总体上由五个部分组成：输入材料、打印头、构建板、轴、3D模型设计文件（见图1）。
图1 3D打印机的组成
（1）输入材料：3D打印输入材料的形态可以是固体丝线、颗粒、液体或粉末。
（2）打印头：输入材料被沉积到打印头尖端，这个过程可通过一系列方法来实现，包括将丝线或颗粒推进金属挤压机、用激光融化粉末或利用光使液体固化。
（3）构建板：是构建打印部件的基底，在打印开始阶段，打印头几乎贴着构建板；随着逐层累加，打印头和构建板的距离不断增大。
（4）轴：控制打印头与构建板的相对运动，使每一层都以特定的形态堆积，最终产品就是各层的累加。
（5）3D模型设计文件：3D打印过程由数字化3D模型设计文件控制，该数字文件控制着打印机轴的运动，改变打印头与构建板的相对位置，由此决定了打印出的每一层的形态，并决定了最终产品形态。
图2 3D打印过程的简单示意图
（二）3D打印技术发展历程简要回顾
第一批主要的3D打印方法专利产生于1980年代，3D打印工业应用市场此时也开始萌芽。
到1990年代，使用塑料、金属、纸浆、陶瓷和蜡等材料的3D打印机投入使用，价格从数千美元到数十万美元不等。
二十一世纪初，3D打印市场扩展到医药、牙医和珠宝制造等专业化行业。同时，一些新的塑料打印材料也被研发出来。
二十一世纪的头一个十年，普通消费者上网更加便利，一些用户友好的计算机辅助设计软件也得到推广应用，由此催生了消费级3D打印的浪潮，开源3D打印社区、3D打印文件共享网站、“按需打印”的3D打印企业相继出现。
2010年后，随着技术的不断成熟，3D打印市场快速壮大，3D打印价格下降，消费级3D打印机和工业级3D打印机的销售持续上升。
二、3D打印的材料及性能现状
不同3D打印机的价格和性能跨度很大，价格从几百美元到上百万美元不等。
消费级3D打印机通常设计用于打印塑料部件。有多种不同的塑料材料可用，包括硬质尼龙塑料、柔性橡胶状塑料、碳纤维强化塑料、可溶解塑料、透明塑料以及具有木质或金属外观的装饰塑料，其价格和性能各异。部分消费级3D打印机也可使用陶瓷或巧克力等材料打印。加入了金属的结构塑料也适用于消费级3D打印机，但需要额外的高温后处理流程来去除塑料，最后只剩下全金属的产品。后处理所需的高温可使用陶器窑、烧结机器或其他专业设备来实现。
工业级打印机可使用更多样化的材料，应用领域也更广。相比于消费级3D打印机，这类3D打印机可用于制造更大、细节更丰富、更可靠的结构，或者可以使用前者无法打印的材料，例如医药生物打印机能够使用活细胞打印出结构。金属3D打印机可利用钛、钢或者其他金属打印部件，其成本可能低于传统的减材加工过程。大幅面塑料3D打印机可打印出高度近2米的部件。一些混凝土3D打印机可以用于建造建筑的整面墙。
三、3D打印技术对制造业的冲击
在一些情况下，3D打印相比于传统的制造方法（如注模、钻孔、焊接等）具有优势。3D打印技术的优势源于其独特的设计，在国防、制造和经济领域产生了广泛的影响。
（一）3D打印技术的优势
减少浪费。总体来说，增材制造过程只使用与产品本身体积相近的材料；而减材制造过程需要去掉多余的材料来制造产品，不可避免地产生浪费。因此，增材制造对材料的浪费很少，即使有少量材料未被利用，也可以重新循环使用。
可以制造具有十分复杂内部结构的部件。3D打印的部件是一层一层累加的，因此复杂的内部几何结构（例如内部孔穴或细小管道）可以很容易构建出来。
小批量生产的效费比高。当需要制造新的部件或需要在原部件上改动时，3D打印不需要对生产线进行大幅重新装配；相比之下，当部件设计需要修改时，注模或压铸等传统制造方法需要花费大量成本对生产线进行重新装配。
修改设计更为容易。数字化的3D设计文件可以很容易修改或转发。
（二）3D打印技术对制造业的冲击
（1）3D打印能制造出具有高度复杂内部结构的部件，以往几个不同的制造步骤（如机械加工、焊接）可以集成为一次打印操作。因此3D打印可用于以往无法生产或者成本太高的部件的制造。这种整体成型制造方法还可有效减少部件脆弱缺陷点的数量。
（2）3D打印为商业公司在考虑机床投资时提供了一种新的选择。在一些情况下，3D打印很可能比传统方案的效费比更高，尤其是制造小批量的、定制型的或者具有复杂结构的部件。对于那些采用较少传统加工步骤就能完成的部件，3D打印的效费比则更低。3D打印机的尺寸比传统制造设备的体积更小，这也节约了厂房的空间和相应成本。
（3）3D打印可以很方便地修改设计文件，同时，制造小批量产品的效费比高，这使得3D打印十分适用于原型部件的快速制造，从而有利于设计的优化和及时调整。
（4）3D打印技术制造复杂内部结构的能力，有利于减少部件使用改数量、减轻部件重量或提高强度，这在航天和自动化工业中尤其具有应用前景。
（5）3D打印有利于减少库存。大批量生产的部件通常采用传统制造方法以降低单件成本，很多产品不得不作为库存储存起来。3D打印“按需制造”的能力有利于制造商减少库存。生产准备成本低，再加上适于小批量生产，3D打印可有效减少在库存上冻结的资金及相关的存储和保险费用。
（6）3D打印适用于大规模的个性化定制生产。3D打印允许在基本设计上进行修改，从而制造出适合用户个性化需求的产品。
（7）3D打印可以减少浪费，并且无需对生产线进行重新装配，因此制造过程对环境更友好。3D打印还可对旧部件的损坏区域进行翻新，有利于减少能耗。
（8）3D打印可以“去中心化”的方式制造产品，有利于减少产品到达客户手中的时间，也有利于减少成本、能耗及运输产生的环境影响。
（9）3D打印设备相对较低的成本可降低制造业准入门槛，这有利也有弊。尽管3D打印能使合法的制造产业增大，但也可被用于制造违禁品，包括光学武器或核武器部件。3D打印的低准入门槛可能使成熟企业面临新竞争者的挑战。
图3 利用3D打印技术制造的枪支
（蓝海星）
纽波特纽斯造船厂交付首个舰用3D打印金属零部件
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