1.3　3D打印的優勢與劣勢

當前大多數人聽到3D打印機時，通常聯想到的還是那些老式的、常見的桌面打印機。其實，噴墨打印機和3D打印機的最大區別僅在于兩者的維度不同，二維打印機是普通桌面打印機，它是通過在平面紙張上噴涂墨水，而3D打印機則是可以制造出拿在手上的三維立體物體。

3D打印機主要根據計算機傳遞的操作指令，通過層層堆積原材料制造產品，這點不同于人們以往的認知。在人類歷史的大部分時間里，我們都是通過切割原料或通過模具成型來制造新的實體物品。簡而言之，3D打印機做的是加法，而我們之前大部分生產工作一直做的是減法。

所以在專業領域，3D打印又被稱為“增材制造”，這種叫法是對實際打印過程一種比較貼切的描述。正因為這些基礎思想的不同，3D打印能夠憑借獨特的制造技術制造出許多前所未有的、各種形狀的物品。雖然嚴格來說，3D打印技術已在制造加工車間默默地應用了幾十年，并不是一項全新的技術。但在過去的幾年里，憑借計算機普及、新型設計軟件、新材料應用以及互聯網進步等因素的推動，3D打印技術得以迅猛發展，進入千千萬萬個普通家庭，為更多人所熟知。

在3D打印過程中計算機發揮著相當關鍵的作用，如果沒有計算機進行運算、發出指令，那么3D打印機根本無法獨立工作。啟動3D打印機前，必須先輸入一個設計好的指令集（例如GCode，詳見第6章）或設計文件，由它們負責告訴3D打印機如何移動、何時打印等。所以說，3D打印機沒有連接計算機以及設計文件的話是沒有用處的，就如同沒有儲存音樂的MP3一樣。

通常3D打印的過程為：根據設計文件計算得到的指令集，3D打印機將噴頭或激光發射器按預定路徑移動，同時噴出固體粉末或熔融的液態材料。通過材料噴出或激光照射形成一個固化的平面薄層。當完成第一層的固化操作后，3D打印機打印頭移動到下一層的開始位置，接著在第一層外部再次形成另一薄層。待第二層固化后，打印頭再次返回，并在第二層外部形成另一薄層。如此循環往復，通過許多薄層的累積最終形成需要的三維物品（圖1-13）。

通過了解3D打印機工作的過程，我們可以發現，3D打印機與傳統制造設備的不同之處在于，傳統制造設備大部分是通過切割或模具塑造來制造物品，而3D打印機則是通過層層堆積形成實體物品，這種生產的方式非常符合現代人類社會，符合現實世界的數字化趨勢。隨著人們將越來越多現實中的世界數字化后，3D打印機將會越來越成為生產制造的首選設備，它可以將人們虛擬化、數字化的物品，在便捷地傳播擴散之后，再快速地還原到實體世界之中。

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1.3.1　3D打印技術的六大優勢

3D打印機與傳統制造設備的不同之處在于，其不像傳統制造設備那樣通過切割或模具塑造來制造物品。3D打印機通過層層堆積的方式來形成實體物品，恰好從物理的角度擴大了數字概念的范疇。當人們要求具有精確的內部凹陷或互鎖部分的形狀設計時，3D打印技術便具備了與生俱來的優勢。通過具體分析，我們認為3D打印技術至少包含了以下6個方面的優勢。

優勢1：高復雜度、多樣化物品的生產將不會增加成本

其實，3D打印設備制造一個形狀復雜的物品與打印一個簡單的方塊消耗成本是相同的。就傳統制造而言，物體形狀越復雜，制造成本越高。但對于3D打印機而言，制造形狀復雜的物品其成本并不會相應增長。制造一個華麗的、形狀復雜的物品也同打印一個相同體積、簡簡單單的方塊，所消耗的時間、原材料或成本都相差無幾（圖1-14）。

像這種制造復雜物品而不增加成本的打印將從根本上打破傳統的定價模式，并改變我們整個制造業成本構成的方式。一臺3D打印機可以打印的形狀，甚至材料都可以有多種，它可以像經驗豐富的工匠一樣，每次都做出不同形狀的物品。而大部分傳統的制造設備功能都比較單一，能夠做出的形狀種類比較有限。3D打印機還將省去技術人員的培養成本和新設備的采購費用，當需生產一款新產品時，可以不升級設備、培訓員工，而只是簡單地導入不同的數字設計文件和一批新的原材料就可以了。

優勢2：產品無須組裝，縮短交付時間

3D打印機還具備可以使部件一體化成型的特點，這樣對減少勞動力和運輸方面的花費將有顯著的幫助。傳統的大規模生產是建立在產業鏈和流水線基礎上的，在現代化工廠中，機器生產出相同的零部件，然后由機器人或工人進行組裝。產品組成部件越多，供應鏈和產品線都將拉得越長，組裝和運輸所需要耗費的時間和成本也就越多。而3D打印由于其生產特點，可以做到同時打印一扇門以及上面的配套鉸鏈，從而可以一體化成型，無需再次組裝。3D打印能夠實現一體成型這一特點將可以很好地縮短供應鏈，節省在勞動力和運輸方面的大量成本。

同時，3D打印機還可以根據人們的需求按需打印，這樣可以最大限度地減少庫存和運輸成本。這種即時生產不僅帶來商業模式上的革新，同時其帶來的便利也大大減少企業的實際庫存量，使得企業可以根據用戶的訂單來啟動3D打印機，制造出特別的或定制的產品來滿足客戶需求，許多新的商業模式將成為可能。如果人們所需的物品可以按需就近生產，那么這種零庫存、零時間交付的生產方式還可以最大限度地減少長途運輸成本。供應鏈越短，庫存和浪費則越少，生產制造對社會造成的污染也將越少，這些都將對減少社會污染有著極其顯著的幫助。

優勢3：制作技能門檻降低，設計空間無限

目前在傳統制造業中，培養一個嫻熟的工人往往需要很長時間，而3D打印機的出現將可以顯著降低生產技能的門檻。通過在遠程環境或極端情況下批量生產，以及計算機控制制造，這些都將顯著降低對生產人員技能的要求。3D打印機從設計文件中自動分割計算出生產需要的各種指令集，制造同樣復雜的物品，3D打印機所需要的操作技能將比傳統設備少很多。這種擺脫原來高門檻的非技能制造業，將可以進一步引導出眾多新的商業模式，并能在遠程環境或極端情況下為人們提供新的生產方式。

從制造物品的復雜性來看，3D打印機相比傳統制造技術同樣具備優勢，甚至能制作出目前只能存在于設計之中、人們在自然界未曾見過的形狀。傳統制造技術和工匠制造的產品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如，傳統的木制車床只能制造圓形物品，軋機只能加工用銑刀組裝的部件，制模機僅能制造模鑄形狀。而3D打印機則有望突破這些局限，開辟巨大的設計和制造空間（圖1-15）。

優勢4：不占空間，便攜制造

3D打印機的優點還在于可以自由移動，并制造出比自身體積還要龐大的物品。就單位生產空間而言，3D打印機與傳統制造設備相比，其制造能力和潛力都更加強大。例如，注塑機只能制造比自身小很多的物品，與此相反，3D打印機卻可以制造打印出一樣大的物品。3D打印機調試好后，打印設備還可以自由移動，甚至打印制造出比自身還要大的物品。由于其較高的單位空間生產能力，使得3D打印機更加適合家用或辦公使用，這些都是有賴于3D打印機所需更小物理空間這一優勢。

優勢5：節約原材料，并可以多種材料無限組合

相對于傳統的金屬制造技術來說，3D打印機制造時產生的副產品更少。傳統金屬加工有著十分驚人的浪費量，一些精細化生產甚至會造成90%原材料的浪費。相對來說，3D打印機的浪費量將顯著減少。隨著打印材料的進步，“凈成型”制造可能取代傳統工藝成為更加節約和環保的加工方式。

此外，原材料之間還可以任意組合，將不同原材料結合成單一產品，這對當今的制造機器而言是一項技術難題，因為傳統的制造機器在切割或模具成型過程中難以將多種原材料結合在一起，但3D打印機則可以避開這一難題。相信隨著多材料3D打印技術的發展，我們有能力將不同原材料無縫融合在一起。以前無法混合的原料混合后將形成色調和種類繁多且具有獨特屬性和功能的全新材料（圖1-16）。

優勢6：精確的實體復制

傳統的黑膠唱片和磁帶，往往只能通過實體物理傳遞來確保信息不被丟失。而數字音樂文件的出現則帶來了革命性的變化，使得信息脫離了載體，可以被無休止地精確復制卻不會降低音頻質量。在將來，3D打印技術也將在整個生產制造領域，把數字精度延伸到實體世界之中。通過3D掃描技術和打印技術的運用，我們可以十分精確地對實體進行掃描、復制操作。掃描技術和3D打印技術將共同提高實體世界和數字世界之間形態轉換的分辨率，縮小實體世界和數字世界的距離。我們可以掃描、編輯和復制實體對象，創建精確的副本或優化原件（圖1-17）。

以上部分優勢有的已經得到證實，有的可能會在未來的一二十年（或三十年）成為現實。3D打印將一次次突破人們熟悉的、歷史悠久的傳統制造技術的瓶頸，推陳出新，為整個人類社會今后的技術創新提供一個更加廣闊的舞臺。

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1.3.2　3D打印技術的三大劣勢

金無足赤，人無完人。任何新技術都不可能一出現便完美無瑕、無所不能，一定既存在優勢同時又有劣勢，3D打印技術也是如此，除了前面提到的六大優勢外，它至少還存在以下三方面的劣勢。

劣勢1：材料性能差，產品受力強度低

就現在的科技水平而言，與傳統制造業相比，3D打印所制造的產品在很多方面，如強度、硬度、柔韌性、機械加工性等，都與傳統加工方式有一定差距。房子、車子固然能“打印”出來，但要能夠牢固地驅寒供暖，要能在路上安全可靠地高速行駛，還有很長的路要走。

在之前也有3D打印能打印手槍的新聞被海量的媒體大肆宣傳，這樣說雖然并沒有錯，但打印出來的手槍真的能發射子彈？并且完整的手槍是否能打印出來還是只能打印出一部分？至少對于當前最新的企業級3D打印設備而言，其也只能做到基本的槍身由3D打印制作而成（圖1-18），至于膛線、槍管以及撞針，還是需要用傳統工藝來制造的。

由于3D打印機的制作工藝是層層疊加的增材制造，這就決定了層和層之間即使黏結得再緊密，也無法達到傳統模具整體澆鑄成型的材料性能。這意味著如果在一定外力條件下，特別是沿著層與層銜接處，打印的部件將非常容易解體。雖然現在出現了一些新的金屬快速成型技術，但是要滿足許多工業需求、機械用途或者進一步機械加工的話，還不太可能。目前3D打印設備制造的產品也大多只能作為原型使用，要達到作為功能性部件的要求還是十分勉強的（圖1-19）。

劣勢2：可供打印的材料有限，且成本高昂

目前可供3D打印機使用的材料只有少數幾種，常用的主要有石膏、無機粉料、光敏樹脂、塑料、金屬粉末等。如果真要用3D打印機打印房屋或汽車，光靠這些材料還是差得很遠。如果要使用3D打印進行金屬材料加工，即使只是一些常見的材料，前期設備投入也普遍在數百萬元以上，其成本高昂可想而知（圖1-20）。

用3D打印機進行生產制造，除了前期設備價格高昂之外，在日常工作中也有相當大的投入。比如要制作一個金屬電機外殼，目前打印這種樣品的原裝金屬粉末耗材每千克都在數萬元，甚至數十萬元人民幣。計算成本時除了成型材料，還需要考慮支撐材料，所以使用高端3D打印機打印樣品模型時往往都需要耗費數萬元。這相比采用傳統的工藝方法去工廠開模打樣，使得在不考慮時間成本的基礎上，3D打印的優勢蕩然無存。相信隨著3D打印技術的日趨推廣，對原材料需求的增加，將一定程度上拉低常用3D打印原材料的價格。目前國產的廉價光敏樹脂已經在市場上可以看到，價格也只有國外進口的十分之一甚至幾十分之一，但相比傳統制造而言，其原材料成本仍然要昂貴許多。

劣勢3：制造精度問題

由于分層制造存在臺階效應，每層雖然都分解得非常薄，但在一定微觀尺度下，仍會形成具有一定厚度的多級“臺階”，如果需要制造的對象表面是圓弧形，那么就不可避免地會造成精度上的偏差（圖1-21）。

此外，許多3D打印工藝制作的物品都需進行二次強化處理，當表面壓力和溫度同時提升時，3D打印生產的物品會因為材料的收縮與變形，進一步造成精度降低。