2.3 3D打印技术

2.3.1 3D打印介绍

传统的3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层叠加打印的方式来构造物体的技术。2016年的Crabon（碳）公司发明了一种新的3D打印方式，物体产生于液态介质，而非过去25年的层层打印。Carbon（碳）公司研发的M1 3D打印机是全球最快的3D打印机，6分多钟可以打印出一个手掌大小的网格球体，与传统3D打印相比，M1的打印速度提高了25～100倍。M1打印机从液体树脂中“长出”固体——利用“连续液体界面生产（CLIP）”技术，使用紫外线和氧气“雕琢”树脂。10年之内3D打印产品将从18000美元降到 400美元，大约每年价格降低5倍，同时打印速度加快100倍。3D打印机也将快速降价，3年前一台工业级的3D打印机几十万元，甚至进口的上百万元，但是现在在京东网上可以看到一台工业级的打印35cm的打印机只需要大约15 000元，打印20cm的、精度为0.1mm的工业级3D打印4 999元，而三年前是25万元（35cm）,2.5万（20cm）元一台。目前打印15cm尺寸的桌面级3D打印机在京东网上售卖118元，2014年12月购买14cm打印尺寸的3D打印机需要10 000元，3D打印机和打印材料的降价、以及打印速度的提高使得民主制造成为可能。

3D打印技术应用在工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车、电子、航空航天、牙科和医疗产业、教育、食品、地理信息系统、土木工程、军事、消费类产品、文化创意产业等领域。美国《时代》周刊曾将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业，美国国家科学基金会的负责人布鲁斯•克雷默一直很热衷3D打印和个人层面的制造工具；《沃勒斯报告（Wohlers Report）》洞察出增材制造业是一个金矿，美国3D打印机占全球总量的40%，其中大部分集中在军工领域的开发和模具的制造上，如导弹的弹出式点火器模型，美国海军也正在研究往机器人体内植入3D打印机，未来用机器人来制造机器人，或者用武器来制造武器。德国和日本3D打印占全球10%，中国占8.5%。

据专家预测，到2020年3D打印成品将占产品生产总量的50%。对于1000件以下的小批量生产，大多数公司都会选择3D打印。2014年普华永道的一项调查显示，11%的生产企业已经转而量产3D打印的部件或产品。全球3D打印设备市场规模预计2020年达108亿美元。根据Wohlers Report 2015报告，2014年全球3D打印产品和服务市场达到41亿美元。2017年中国3D打印市场规模将达173亿元，主要应用在工业设计、汽车制造、工程施工、医疗、航空和国防领域，如中国四川共享铸造公司，制造铸造产业领域的3D打印产品。美国Shapeways公司的3D打印和在线商店服务已经催生16 000家在线商店。在硅谷等IT公司聚集体有数十家3D打印公司，他们在研发各种打印的消费产品。比利时Mateialise公司建立个性化定制服务平台用于3D打印设计和制造服务。目前中国从事3D打印生产、服务、工艺等业务的企业有近100家。3D打印技术将和增强现实技术结合得越来越紧密，使得更多产品所见即所得，打印起来更加容易，创意设计变得更加简单，这也是张慧姝工作室正在研究的项目。个体制造在阿里巴巴平台上会变成非常多的生产节点，越来越多的个人、小公司可以和大公司竞争。北京的战略定位是政治、文化、经济、国际交往中心，科学技术的引领者，像北京这样的城市不适合大规模制造，更适合使用3D打印设备的民主制造，个性化、定制成为趋势，人人即公司。

3D打印强烈地影响着各个领域，在2014年芝加哥国际制造技术博览会（IMTS）上，美国亚利桑那州Local Motors公司发布了3D打印技术制造的汽车Strati，并且当场把它开离会场。整台车仅仅由40个零部件组成，而正常的汽车一般3万个零件。打印部件和组装需要44个小时，从打印到走下生产线需要5天的时间。

轮廓工艺机器人，24小时内打印一栋2层楼高，面积为2500英尺（约合232m 2） 的房子，可节省20%～25%的资金和25%～30%的材料，人工可节省45%～55%。俄罗斯、荷兰、中国等国家正在开始使用3D打印建造房屋，迪拜公布了一套完整的3D打印应用战略，明确表示未来会在建筑、医疗等多个领域大量采用3D打印技术，该城2030年将有25%建筑为3D打印。3D打印建筑的“油墨”来源包括工业垃圾、尾矿，对建筑垃圾进行再利用，节约资源。目前，中国建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的1/3以上。未来会有智能3D打印机，根据周边的环境自动配置打印建筑的结构和形态。

3D打印对医疗业的帮助是巨大的，3D打印版的关节和骨头现正帮助大约3万名病人正常行走，另有1000万人正在使用3D打印出的助听器。日本Fasotec工程公司和东京的ParksideHiroo女士诊所为孕妇提供她们子宫内尚未出生的宝宝的3D模型。3D打印技术制造的人骨已经用在移植手术中，科学家们还尝试着用3D打印技术制造和培育其他的人体器官，如心脏、肾脏等。迪拜卫生局（DHA）透露在医疗方面的具体目标，力争到2017年年底，每家医院都能用上3D打印的医疗工具，包括假肢、牙齿模具、各类植入物等。

3D打印改变物流行业，整个中国每天快递包裹大概有6 000万个左右，以阿里巴巴为例，去年完成了3万多亿元的销售额，在2020年将突破1万亿美元，从这个角度去思考，未来的七年左右，中国每天的快递包裹将会达到3亿只包裹。也就是说，中国一年的包裹会突破一千亿个包裹。中国4000多家运输公司，600多万条运输线路更加有效。3D打印可以就地取材，就地打印，而不必远途运输和仓储。接到订单，当地的3D打印店即可打印出货品，在当地配送即可，或者消费者自行到打印店打印，大大地降低物流压力，减少碳排放，保护环境。甚至有些集成制造的也不必在工厂制造，只在3D打印店或者家庭自行打印即可。零散的、灵活的小规模在云平台上动态的交易中形成真正的大规模，也是新型的大规模概念。

未来3D打印机会向计算机一样地普及，应用在各行各业，但是它也产生非常多的法律、伦理等问题。3D打印枪支、毒品、假钞、活细胞将更容易泛滥，知识产权难以保护，复制品和快速易容盛行，如2012年上映的成龙主演的《十二生肖》电影，里面对于铜首的复制，采用逆向扫描，得到数字模型，根据修改的数字模型进行3D打印，很快制作出铜首的仿制品；2015年汤姆•克鲁斯主演的电影《碟中谍5：神秘国度》中打印人脸进行易容。各个国家需要提前立法，防微杜渐，避免产生社会的混乱和无序。

2.3.2 关于“基于增强现实技术的3D打印个性化创意设计及民主制造自生长系统研究”

1）3D打印民主制造研究成果和经济转化

张慧姝工作室对民主制造的定义：为了维持制造业产业更好地生存和发展，大多数人主动参与和管理制造秩序，也是人民的制造。自生长系统的定义：能够在互联网平台上对遇到的问题进行自主学习和解决，能够自主营销、合作、采购、消费、生产、设计等，按照一定次序组合在一起地顺利完成民主制造的结构。

该研究的目标是推进民主制造、创业和相关的产业升级工作，包括制造业升级，并提供理论支撑。制造业的民主化和个性化特征将更加明显，民主制造将成为可能，未来可能会出现更少的专门制造人才，相对于制造业的学科和工种也将发生全球巨变，那些与制造业相关的中低端学校的专业将面临消失。未来制造将向民主制造流动，制造业在哪个区域不再依赖于国家，而是依赖于恒古不变的低成本、利益最大化的规律，向成本低、市场大、需求旺盛的区域流动，千变万化的材料将成为重中之重。制造业将向民主化发展，形成一种新型的民主制造业经济，更多人的参与、设计、制造，如基于增强现实技术的3D打印食品，省去了中间加工的环节，也不用为了增加保质期而添加各种食品添加剂，更不用担心地沟油、黑作坊，现吃现打印即可。打印之前可以看到实景中的打印效果，也可以远程打印，比如在办公室上班，回家之前可以将食物打印好，回到家就可以直接吃。这使得加工食品更加民主化和个性化，颠覆传统的加工制造方式，将产生新的食品业经济、新的制造加工业经济。云平台、大数据、人工智能等将帮助人们完成自生长系统的建立。

为了研究和推进民主制造，2007年作者的学生们，在北京DRC工业设计产业基地，应用3D打印完成了工业设计毕业设计中的模型制作部分，一个长度为14cm左右的模型费用大约为1000元左右，平均每立方厘米4元。为了对民主制造经济和创业进一步测试，张慧姝工作室做了一些小范围的测试工作，测试学生是北京联合大学工业设计两个班级36名学生，2014年12月的课程，设计图符及评价、载体选择钥匙链的形式、3D打印制作图符、售卖、成果转化评价共5天，每个打印作品销售10元，共36个设计作品（部分见图2-3）,3天共销售1167.5元，使用材料将近1卷半，约400元（PLA材料150元/700克，ABS材料300元/700克，目前PLA材料89元/1000克，ABS材料158元/1000克），加上快递费等，净利润约600元，销售方式采用微信朋友圈。可以看出10年间ABS材料费用由4元/克，降至0.16元/克，降价呈加速度。按照此推算月营业额为1 1675元，年营业额为14万元左右，净利润为7.2万元，净利润占营业额50%,3D打印机为3 000元，任何人都可以做，或者利用自己的闲暇时间也可以，由于诸多因素的影响，测试存在着一定的误差，正常情况应该比测试更多的营收。这个测试就好比一个节点，如果有很多个节点连成网络，实时地动态匹配，全球如果5 000万个节点，那就是3.6万亿元，这只是钥匙链作为载体，当然还有非常多的载体，定价都是不一样的，民主制造经济规模、物流新方式将不可忽视。销售中的问题是打印的时间较长，每个打印时间约为5～10分钟，目前全球已有快速打印设备，比现在的快100倍。一些打印机容易将支撑与模型分开，即使没有支撑也会表面更光滑，但容易卷曲，影响打印。打印机价格下降，导致3D打印机快速推进到民间，民主制造进程加快。制造众包给民众，制造业整体效率进一步提高。目前正在研究使用增强现实技术所见即所得，降低专业设计师和非专业设计师的区别，使得设计变得更加容易。

从2014年至今，作者团队开展了2项研究工作，一项是科研成果转化为教学案例；另一项是教学成果转化为经济产业的商业成果。2015年6月作者为学生们建立了淘宝网店，店铺名称为：八脚虫未来科技（见图2-4），学生们可以将课堂中学生作品发布在店铺上；同时开发了一门课程“3D打印个性化创意设计及制造”和它的“3D打印百科”APP应用，建立了360个数字图书馆：八脚虫未来科技。一方面是为了学生们未来从业选择开阔眼界，另一方面应对未来产业巨变、工种的变迁，为需要工种转型的从业人员学习提供帮助。该课程直播的学习本身并不需要付费，只是其中的讨论、考试、制作等需要付费。3D打印的模型也更加智慧，如孔明球，齿轮、小玩偶创意画等。

高校将科研成果转化为教学内容，使学生可以接触到最新的知识，进而了解并跟踪当今世界的科研发展，掌握知识快速更新的方法，对于创新型人才的培养是至关重要的，可确保学生的从业适应力和应对未来工种变迁的能力。特别是北京、上海需要引领全国，甚至全球科技的城市，人才的创新力应该更强，才能更好地为北京文化创意产业经济建设服务。与北京经济发展相匹配的地方院校需要与时俱进，不断地更新教学内容，其中科研成果转化为教学案例，就是一个有效更新知识、更新教学内容，确保学生创新力和适应力的有效手段之一。科研成果融入教学促进科研和教学同时发展，科研与教学相辅相成。

2）3D打印民主制造相关研究

2014年12月生2015年5月，张慧姝工作室进行两项研究，一项研究为“基于3D打印家庭自助产品体验设计与研究”给出了家庭个性化制造框架模型，包括移动终端APP、3D打印机、民主化、平台、生产方式等研究，设计结果如图2-5所示。针对的客户是可以自行设计的专家用户、不会设计的普通用户、随意创意的小孩子们。可以在模型库中选择模型进行打印，也可以自行设计，小孩子们可以定制设计，模型库中的模型应用增强现实技术在实景中观看打印效果。收费模式采用添加到购物筐中进行打印，按打印次数收费，打印一次收一次费用，小孩子们的创意将由平台上的设计师完成模型制作，或者使用模块自己完成，主界面包含模型库、材料库、互动社区等模块。使得3D打印制造更加平民化、平等、个性化。民主的根本是大量民众参与的政治生活，交织着冲突与对抗，在争胜性中得以延续和发展。该研究确定几个典型的家庭物品并进行打印，如签字笔、小饰品、香皂盒等，你需要的东西可以自己在家打印出来，不必去商店购买，家庭变成在云平台上的工厂，数以万计的家庭节点，动态的在网络上变化，形成敏捷的云制造。用于3D打印的STL模型文件可在淘宝网上售卖，该文件让不会使用制作软件的人也可以进行3D打印。目前一款手机外壳的文件售价仅为0.1元，较为复杂的龙猫玩偶或哨子等模型文件的价格则从1元到8元不等。随着移动互联网、云计算的快速发展，3D打印的STL模型文件越来越使得外包成为活跃的商业因素，家庭制造将会越来越依赖于外包，外包将有更多的非专业人士加入。各种大数据将会融入个性化制造、家庭制造中，形成更好的资源配置，以利于节约资源和能源。

目前已有的3D打印APP为微软的3D Builder，自带一系列的模型对象，可根据模型库中的模型组装创建饰品、玩具和其他各类物体；海尔公司的3D打印照相手机APP，只需要用手机拍张照片就可以在线打印定制，价格为398元。目前3D打印照相市场上15cm人偶基本在2 000元以上。还有eBay Exact和Toyze App等3D打印APP。

另一项研究是“基于3D打印的眼镜创意设计研究”，个性化眼镜创意设计和制造的流程如图2-6所示，包括应用3D人体扫描仪进行人脸识别扫描，根据扫描的人脸在模型库中选择眼镜样式，在选择样式的过程中应用增强现实技术叠加在实景中进行选择，修改适合个人脸型轮廓的眼镜（不包括镜片）设计尺寸，进行3D打印制造。每个人的脸具有差异性，3D打印个性化创意设计及制造可以帮助实现这种差异性。未来手机上可能会装3D人体扫描仪，广大民众可以在手机上下载应用，自己在家打印适合自己脸型的眼镜。大规模集成制造变得越来越分散，工厂制造转移到家庭制造，每个家庭可能就是一个工厂。一般外包给3D打印公司，打印眼镜约需要200元，打印后的售价为500～1000元，如果自己拥有打印机，成本将更低。传统的眼镜产业将受到挑战。

以上的测试和研究表明3D打印民主制造将颠覆传统的制造业和全球生产商业链条，配合增强现实技术和互联网等技术未来将出现民主加工制造的盛宴。

3）3D打印个性化创意设计及制造课程开发

目前已成功开设“3D打印个性化创意设计及制造”课程，下一步准备在直播平台上全球直播该课程。目标是为准备未来从业的大学生、中小学生，应对工种变迁的各行各业的人士，政府和公司人员，创业人士进行普及和培训工作，推动工种发生变迁的人员自救。3D打印技术和互联网技术的普及使得云制造、家庭制造、个体制造取代大规模生产成为可能，不再只有集成制造。人们可以利用闲暇时间进行制造，也可以进行三两个人的小规模的创业，设计和制造的准入门槛极大的降低，不再担心高额启动成本和融资，而且拥有更多的灵活性，随时打印售卖可测试和降低市场风险。该课程推进民主制造的同时，推动创业的发展，同时将科研成果转化为教学资源，将教学成果转化为商业成果，使人才培养更加具有竞争力和适应力。