全球3D打印机制造商明星汇

　　3D打印技术的出现激起了人们无比的热情并勾起了人们无限的遐想。它带来的不仅仅差异化生产成本的下降，也不仅仅只是引发制造业的革命，而是从根本上改变了人们日常看待世界的方式——我们眼中的物体不再是由一个个组件和部分构成，而是由一个个粒子构成。因而3D打印也被认为是未来30年最具发展潜力的新型技术之一。

　　我们以2014年全球范围各大3D打印机制造商旗下产品的影响力和民众对其的认可度作为主要的依据，评出了2014年全球3D打印机制造商Top30，希望能反映和展示全球3D打印机制造领域的所有领先者，以维飨我国读者/用户/爱好者/产业领导者/创业者。

　　3D打印的概念早在19世纪末就已出现，1892年美国学者Blanther首次在公开场合提出使用层叠成型方法制作地形图的构想。这种堆叠薄层的方式制造三维形状物体的理念，也是3D打印的核心制造思想。经过不断的技术演进，逐渐形成了今天这种可以按照计算机3维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型的系统，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，最终叠加塑造出3D实体产品。目前3D打印分为SLA、SLS、FDM和3DP四种主流的方式。

　　光固化立体造型技术（Stereo Lithography Apperance，SLA)

　　1986年，查尔斯·赫尔实现了用激光照射液态光敏树脂，固化分层制作三维物体的技术，并以光固化立体造型技术（Stereo Lithography Apperance，SLA）获得了专利。同年，查尔斯·赫尔成立了3D Systems公司，并于1988年推出了第一个面向公众的商业打印机SLA—250。

　　查尔斯·赫尔与世界上第一台SLA商用3D打印机SLA-250

　　SLA以光敏树脂的聚合反应为基础，在计算机控制下的紫外激光，沿着零件各分层截面轮廓，对液态树脂进行逐点扫描，使被扫描的树脂薄层产生聚合反应，由点逐渐形成线，最终形成零件的一个薄层的固化截面，而未被扫描到的树脂保持原来的液态。当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂，用以进行再一次的扫描固化。新固化的一层牢固地黏合在前一层上，如此循环往复，直到整个零件原型制造完毕。

　　SLA技术有较高的精度和较好的表面质量，且成形速度较快，能制造形状特别复杂和特别精细的零件、模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。不过由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

　　熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling，FDM）

　　1988年，美国学者Scott Crump研制出了熔融沉积制造工艺（Fused Deposition Modeling，FDM），他使用热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料以丝状挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结成形。1992年，Stratasys公司推出了第一台基于工艺熔融沉积制造（FDM）技术的3D打印机——“3D造型者（3D Modeler）”，这标志着FDM技术步入了商用阶段。

　　FDM技术

　　FDM工艺的关键是保持材料的半流动性。这些材料并没有固定的熔点，需要精确控制其温度。现在大红大紫的Makerbot、the Cube，还有RepRap它们都属于这类技术，只不过这些机器都是简化版。而专业级别的当属Stratasys的产品，例如Mojo、uPrint、Projet系列等。

　　选择性激光烧结（Selected Laser Sintering，SLS）

　　1989年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard发明了选择性激光烧结工艺（Selected Laser Sintering，SLS）。DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。几十年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。国内也有多家单位进行SLS的相关研究工作，如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等，也取得了许多重大成果。

　　SLS技术是将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后再将粉末铺平，利用激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地一层层烧结，全部烧结完后再去掉多余的粉末，最后得到烧结好的零件。

　　利用SLS技术打印出来的首饰

　　SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间黏结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料，甚至是金属。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统，所以SLS的应用越来越广泛。

　　三维打印（3D Printing，3DP）

　　1993年，美国麻省理工大学的EmanualSachs教授发明了三维印刷技术(3DP），它与SLS类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末，所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用黏结剂（如硅胶）将粉末粘合成型，看上去就像将零件的截面“印刷”在材料粉末上面一样。

　　采用3DP技术的厂商，主要是Zcorporation公司、EX-ONE公司等，zprinter、R系列三维打印机为主，此类3D打印机能使用的材料比较多，包括石膏、塑料、陶瓷和金属等，而且还可以打印彩色零件，成型过程中没有被黏结的粉末起到支撑作用，能够形成内部有复杂形状的零件。此类打印机通过多碰头和喷嘴来提高速度。

　　3DP在建筑业，游戏业，玩具和艺术行业等都有广泛的应用。

　　3DP成型速度快，成型材料价格低，适合做桌面型的快速成型设备，成型过程不需要支撑，多余粉末的去除比较方便，特别适合于做内腔复杂的原型，而且在黏结剂中可以添加颜料，可以制作各种彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一。但3DP制作出来的物品强度较低，只能做概念型模型，而不能做功能性试验。

　　3D打印的现状和未来

　　目前，3D打印依然存在一些问题， 3D打印机目前还存在技术相对单一、设备便携性差、效率低下、材料受限制、精度不够，成本较高等问题。而制作出来的东西相对于工业化大规模生产出的产品毛刺较多，需要打磨，质量较差，难被消费者认可。但是随着我们科研人员的不断努力，相信这些技术问题都只是暂时的。而3D打印出来的产品也最终会打动消费者，获得市场的肯定。

　　3D打印技术虽然无法应用于大规模生产，但是对于小规模制造，尤其是高端的定制化产品，有着无比的优势。目前 3D打印已经广泛应用于军工、航天、医学、建筑、汽车、电子、服装、珠宝首饰等种领域。3D打印技术也被《时代》周刊选为2014年25项年度最佳发明。

　　仅在过去一年中，美国海军试验了利用3D打印等先进制造技术快速制造舰艇零件，NASA利用3D打印技术制造了整台成像望远镜，Local Motors公司制作出了首台3D打印汽车并成功上路，Pi-Top更是成为了全球首款3D打印的笔记本电脑，通用电气公司使用3D打印技术改进了其喷气引擎的效率，美国三维系统公司的3D打印机能打印糖果和乐器……这些成就无不向我们展示着3D技术已经在我们身边有着举足轻重的作用。

　　而如今，走在3D打印前沿的科学家们已经不仅仅将3D打印材料限于金属和特定材料，半导体材料的3D打印已经在制作具有逻辑性和功能性的电子电路和微电路上取得了突破。而生物打印已经在3D打印技术中取得了巨大的进展。维克森林大学的艾塔拉博士已经成功打印出了植入人体尿道的印刷品；Organovo公司在竭尽全力地进行用于医学研究和治疗用途的功能性人体组织3D打印研究；Craig Venter团队和Cambrian Genomics公司甚至打印出了DNA——没错，就是DNA！一次能打印一个碱基对！

　　就我国而言，虽然目前3D打印还处于产业化起步阶段，还存在相关技术人员资源缺乏，联盟作用不明显，企业只能各自为战，应用市场主要停留在产品设计研发以及科普教育方面等诸多不足，但是资本和政策的重视和鼓励以及我们企业自身在自主技术上的努力已经在使得这种情况有了好转的条件，也造就了一些明星企业。例如，作为国内唯一一家拥有激光烧结3D打印机的研发能力以及相对应高分子材料粉末的生产能力的华署高科，在2014年成功研制出了世界上最快的工业级3D打印机。而桌面级产品多次获得国际大奖的太尔时代自主开发的UP！系列3D打印机在硬件、软件和易用性上都已达到相当高的水平，甚至与世界知名的Makerbot和CubeX系列相比也毫不逊色。

　　现在，我国科研人员已经成功研制出了首台航天3D打印机，并已成功打印出了卫星星载设备的光学镜片支架，核电检测设备的精密复杂零件，飞机研制过程中用到的叶轮，汽车发动机中的异形齿轮等构件，而我国医生也成功采用3D打印技术为病人制作出了一块头盖骨并成功完成了手术……这些创举是令人激动的。当然，普遍存在的仅仅利用设备做一些小小的消费产品打印，或不足以谈创业。

　　尤其值得关注的是，随着生物材料3D打印技术的逐渐成熟，我们将可能以细胞为材料进行3D打印，直接打印人体组织、器官，甚至生命体。或者说我们谈的不是3D打印，未来，人人或都将能成为上帝！

　　文/郭想