原理

使用打印机就像打印一封信：轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。

堆叠薄层的形式有多种多样。有些3D打印机使用“喷墨”的方式。例如，一家名为Objet的以色列3D打印机公司使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质 喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来。另外一家总部位于美国明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一种叫做“熔积成型”的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。

还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状。这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。而瑞士的Arcam公司则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒。以上提到的这些仅仅是许多成型方式中的一部分。

当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支 撑物便可形成孔隙。如今可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另 一头柔软。

科学家们正在利用3D打印机制造诸如皮肤、肌肉和血管片段等简单的活体组织，很有可能将有一天我们能够制造出像肾脏、肝脏甚至心脏这样的大型人体器官。如 果生物打印机能够使用病人自身的干细胞，那么器官移植后的排异反应将会减少。人们也可以打印食品，比如康奈尔大学的科学家们已经成功打印出了杯形蛋糕。几乎所有人都相信，食品界的杀手级应用将是能够打印巧克力的机器。

发展前景

3D打印被用作《经济学人》杂志封面，主题为《看制造业新技术如何改变世界》，详细介绍了3D打印的历史和发展，可见人们对于3D打印成为一项可以改变世界的影响力日益关注。回顾2011年，3D打印市场并购整合成为主流，业内主流3D打印公司完成了大规模收购，建立未来3D打印全方位服务平台，以拓展更广的用户与合作伙伴群及联合研发更多适合市场推广的产品。

而3D打印的价值体现在想象力驰骋的各个领域，3D打印正让“天马行空”转变为“脚踏实地”的可能，人们利用3D打印为自己所在的领域贴上了个性化的标签。人们纷纷展示了如何3D打印马铃薯、巧克力、小镇模型，甚至扩展到用3D打印汽车和飞机。3D打印行业的发展犹如其定义本身，始终凸显着“创新突破”这一关键特质。

创新突破1：3D打印应用领域扩展延伸

3D打印的优势在2011年被充分应用于生物医药领域，利用3D打印进行生物组织直接打印的概念日益受到推崇。比较典型的包括Open3DP创新小组宣布3D打印在打印骨骼组织上的应用获得成功，利用3D打印技术制造人类骨骼组织的技术已经成熟；哈佛大学医学院的一个研究小组则成功研制了一款可以实现生物细胞打印的设备；另外，3D打印人体器官的尝试也正在研究中。【而在3D打印材料方面，Objet 公司相继推出新型生物相容性3D 打印材料以用于医疗和牙科解决方案。】

随着3D打印材料的多样化发展以及打印技术的革新，3D打印不仅在传统的制造行业体现出非凡的发展潜力，同时其魅力更延伸至食品制造、服装奢侈品、影视传媒以及教育等多个与人们生活息息相关的领域。

【以影视传媒为例，在2011年11月，由史蒂文·斯皮尔伯格监制、休·杰克曼主演的动作励志影片《铁甲钢拳》，围绕未来世界的机器人拳击比赛，讲述了一个饱含梦想与亲情的励志故事，其中的父子情是影片大受欢迎的一大卖点。为了让片中的主角——机器人看起来更逼真，Legacy Effects特效公司使用Objet公司的3D打印机制作了1:5大小的模型。在完成建模、手绘、抛光和审核后，全尺寸的机器人“亚当”、“吵闹小子”和“奇袭”相继制作完成，高精度的3D打印制作呈现出了活灵活现的主角们。通过动作捕捉技术与实际大小仿真机器人模型的完美结合，则生动演绎了热血澎湃的机器人打斗画面，为影片加分不少。】

【除此之外，Legacy Effects公司还与Objet携手制作了好莱坞巨制《侏罗纪公园3》、《钢铁侠2》、《阿凡达》及动画片《鬼妈妈》中的各尺寸模型。】

【影视巨星成龙的《十二生肖》中生肖首像赝品制作，就是3D打印的制作过程和运用。】

创新突破2：3D打印速度、尺寸及技术日新月异

在速度突破上，2011年，个人使用3D打印机的速度已突破了送丝速度300mm每秒的极限，达到350mm每秒。在体积突破上，3D打印机体积为适合不同行业的需求，也呈现“轻盈”和“大尺寸”的多样化选择。目前已有多款适合办公室打印的小巧3D打印机，并在不断挑战“轻盈”极限，为未来进入家庭奠定基础。

在Vienna University of Technology的一个研究项目中，该团队设计了迄今为止世界上最小的3D打印设备，并且降低了打印设备的制造成本，也有望未来进驻家庭。 在“大尺寸”领域，在德国的3D打印公司发布了4000x2000x1000mm尺寸的3D打印机，该款大尺寸3D打印机使打印大尺寸部件一次成型成为可能。

3D打印技术日新月异，在2011年Lexus对外发布了新3D打印技术，该技术基于高科技循环编织技术，使用激光进行3D打印， 能够以编织的方式制作复杂的3D模型。

利用3D打印技术改善艺术及生活的例子屡见不鲜。例如荷兰时尚设计师Iris van Herpen 展示了它的服装设计作品，这些服装作品全部使用3D打印机一次成型。通过3D打印技术制造的服装，突破了传统服装剪裁的限制，帮助设计师完整地展现其灵感。而在Cornell大学的一个项目中，研究团队制造了一台3D打印机用于打印食物，展现了烹调的独特方式。其优势在于能够精确控制食物内部材料分布和结构，将原本需要经验和技术的精细烹调转换为电子屏幕前的简单设计。

创新突破3：设计平台革新

基于3D打印民用化普及的趋势，3D打印的设计平台正从专业设计软件向简单设计应用发展，其中比较成熟的平台有基于WEB的3D设计平台——3D Tin，另外，微软、谷歌以及其他软件行业巨头也相继推出了基于各种开放平台的3D打印应用，大大降低了3D设计的门槛，甚至有的应用已经可以让普通用户通过类似玩乐高积木的方式设计3D模型。

发展趋势

3D打印——按需定制、以相对低廉的成本制造产品——一度被认为是科幻想象，而现在已经变成现实。在2013年，这种趋势将逐渐加速。以下就是明年以及今后3D打印领域值得关注的十大趋势：

1、3D打印成为工业化力量

3D打印原先只能用于制造产品原型以及玩具，而现在它将成为工业化力量。你乘坐的飞机将使用3D打印制造的零部件，这些零部件能够让飞机变得更轻、更省油。

事实上，一些3D打印的零部件已经被应用于飞机上。该技术也将被国防、汽车等工业应用于特种零部件的直接制造。总之，在你不知不觉的情况下，通过3D打印制造的飞机、汽车乃至家电的零部件数量将越来越多。

2、3D打印开始治病救人

通过3D打印制造的医疗植入物将提高你身边一些人的生活质量，因为3D打印产品可以根据确切体型匹配定制，如今这种技术已被应用于制造更好的钛质骨植入物、义肢以及矫正设备。

打印制造软组织的实验已在进行当中，很快通过3D打印制造的血管和动脉就有可能应用于手术之中。目前，3D打印技术在医疗应用方面的研究涉及纳米医学、制药乃至器官打印。做最理想的情况是，3D打印技术在未来某一天有可能使定制药物成为现实，并缓解（如果不能消除的话）器官供体短缺的问题。

3、定制化成为常态

今后购买的产品将根据自己确切的具体信息进行定制，该产品通过3D打印制造并直接送到你的家门口。通过3D打印技术，创新公司将凭借与竞争对手的标准化产品相同的价格为用户提供定制化体验，以此获得竞争优势。

起初，这种体验可能包括制造定制智能手机外壳这样的新奇物品或是为标准化工具进行符合人体工程学的改造，但它很快就会扩张到新的市场。

公司领导者将对销售、分销以及营销渠道进行调整，以充分利用其直接向消费者提供定制化体验的能力。定制化同样也将在医疗器械领域发挥重要作用，比如通过3D打印制造助听器和义肢。

4、产品创新速度加快

从新车型到更好的家电，一切产品的设计速度都将加快，从而将创新更快地推向消费者。

由于运用3D打印的快速原型制造技术能够缩短把产品概念转化为成熟产品设计的时间，设计人员将能够专注于产品的功能。

虽然使用3D打印的快速原型制造技术并不是新鲜事物，但迅速降低的成本、功能得到改进的设计软件以及越来越多的打印材料意味着设计人员将能更方便地使用3D打印机，使他们能够在设计的早期阶段就打印出原型产品、进行修改以及重新打印等等，从而加速创新，其结果将是更好的产品以及更快的设计速度。

5、新公司基于3D打印开发出创新的商业模式

你今后将有机会投资购买一家3D打印公司的IPO。新一代公司将作为发明家、黑客以及“制造者”大量涌现，利用3D打印技术创造新的产品，并向蓬勃发展的3D打印机市场提供服务。

一些公司将走向失败，并有可能出现一个盛衰循环，但3D打印将催生出创造性的新商业模式。

6、3D打印店在购物商场开张

3D打印店将开始出现，它们最初会凭借高品质的3D打印技术为本地市场提供服务。一开始是快速原型制造以及其他利基功能，但这些打印店会转移到消费市场。

零售商开始“运送设计，而不是产品”，在这种情况下，本地的3D打印店有一天将成为你获取自己定制的本地制造产品的地方，就像如今你在本地沃尔玛商场内冲印照片一样。

7、关于知识产权归属的激烈辩论浮现出来

3D打印机可以很容易地复制拥有版权的产品设计，随着制造商和设计者开始应对这种情况，未来将出现关于产品设计知识产权归属的高调诉讼案例。

文件共享网站使音乐的复制和共享变得简单，从而撼动了整个音乐行业，与此类似，3D打印技术轻松复制、共享、修改以及打印3D产品的能力将引发新一波知识产权问题。

8、具备神奇特性的新产品将让我们意乱情迷

跟如今制造的产品相比，那些只能通过3D打印机制造的新产品将融新材料、纳米尺度以及印刷电子器件于一体，从而展示出堪称神奇的新特性。这些通过3D打印制造的产品将令人喜爱，并具备明显的竞争优势。

其秘诀在于，3D打印技术可以在制造过程中控制所用材料，精度可达分子和原子级别。随着目前对未来可行的商用3D打印机的研究不断完善，我们可以期待令人兴奋和向往的新产品携惊人的特性出现在世人面前。现在的问题是：这些产品都是什么以及谁将销售它们？

9、3D打印机为制造工厂提供助力

我们有望在制造工厂里看到3D打印机。一些特殊的零部件已经由3D打印机更经济地生产出来了，但仅仅是在小规模范围内。对于3D打印技术，很多制造商将开始尝试原型制造以外的应用。

随着3D打印机的性能不断提高以及制造商将其整合进生产线和供应链的经验变得更加丰富，我们有望看到集成了3D打印零部件的混合制造工艺。而消费者渴望的那些需要通过3D打印机制造的产品将进一步加速此进程。

10、“看我做出了什么东西！”

你孩子将从学校带回通过3D打印制造的物品。

在学校，数字素养——包括网页和应用程序开发、使用电子设备、协作以及3D设计的能力——的培育将得到3D打印机的支持。很多中学和高中已经装备了3D打印机，随着3D打印技术的成本持续下降，更多的学校将会开始使用。数字素养将不仅关乎“字节”，还关乎实物。

研究成果

1、航模飞机

据国外媒体报道，3D打印机曾用于制造一些机械零部件和小玩具，但是目前，美国弗吉尼亚大学工程系的研究人员采用最新的3D打印技术制造了一架无人飞机，机翼宽6.5英尺（约合1.9米），巡航时速达到45英里（约合72千米）。

这个飞机是由美国弗吉尼亚大学工程系学生研制的，它的机翼宽6.5英尺，是由打印零件装配构成。今年8月和9月初，研究小组在弗吉尼亚州米尔顿机场附近进行了4次飞行测试，这是迄今第三架用于建造飞行的3D打印飞机，巡航速度可达到45英里/小时。

美国弗吉尼亚大学工程师大卫-舍弗尔称，3D打印技术现已证实是应用于教导学生的一种宝贵工具。据悉，他和工程系学生史蒂芬-伊丝特和乔纳森-图曼共同建造这架3D飞机。

舍弗尔称，五年前为了设计建造一个塑料涡轮风扇发动机需要两年时间，成本大约25万美元。但是使用3D技术，我们设计和建造这架3D飞机仅用4个月时间，成本大约2000美元。这将创建一个前所未有的飞行教学平台。

2、神奇的超级3D打印机

科学家研制了一款神奇的3D打印机，可用于未来行星登陆时建造基地的任务中。比如，未来在月球基地中生活的宇航员可以使用这款3D打印机，将月球上岩石或者特殊材料“打印”成所需要的工具。目前，研究人员演示了如何将月球岩石土壤作为3D打印机的原材料，其应用范围几乎可以将任何固体材料制造成所需的工具，可以允许未来的探险家建设外星球基地。[5]

3、骨骼3D打印技术

美国研究人员利用3D打印机开发骨骼打印技术，造出类似骨骼的材料。研究人员说，它可被用于骨科、牙科治疗或开发治疗骨质疏松症药物。华盛顿州立大学苏斯米塔·博斯带领研究小组，耗费4年时间开发类骨骼物质。他们发现，在生物陶瓷粉主要成分磷酸钙中添加硅和氧化锌可以使其强度提升一倍。磷酸钙生物陶瓷材料是整形外科领域一类重要的骨修复材料，可模拟人体自然骨结构，适宜细胞和骨组织的长入。研究人员使用一部先前用于打印金属材料的3D打印机制造类骨骼物质。它在粉末层上喷出塑料黏合剂，粉末层厚度仅为一根头发丝宽度的一半。粉末层层叠加，干燥后达到要求的支架厚度，然后在1250摄氏度下烘烤2小时。实验室环境下的未成熟骨细胞生长测试显示，支架上的骨细胞在移植一周内开始生长。在兔子和老鼠身上的活体实验同样得到可喜效果。研究人员说，这种类骨骼物质可被添加到受损自然骨上，当作支架材料，促使细胞和骨组织生长，而且这种类骨骼物质可最终降解，没有“明显负面效果”。他们说，数年后，医生可利用这一技术定做更换骨组织。

3D打印只需在电脑上操作，非常方便。博斯在发表于《牙科材料》（Dental Materials）杂志的报告中写道：“你可以把这种类骨骼生物陶瓷粉用作回填材料，它可以成为你在电脑上画出的任何形状。”“ 我们开发的是可控降解……10至20年后，医生可将这种骨支架用于与骨生长有关的治疗，”博斯说，“比如颌骨固定或脊柱融合术。”

将3D打印技术引入骨骼制造并非博斯首创。2009年，瑞士研究人员复制出一名男子的拇指骨骼。德国夫琅禾费界面工程与生物工程研究所研究人员把立体打印技术与双光子聚合技术相结合，于今年开发出血管打印技术。打印时，打印机发出两束强激光，焦点对准同一分子。这个分子同时吸收两个光子，即所谓的双光子聚合。经过双光子聚合的分子变成一个有弹性的固体，研究人员用它来制造高精度的弹性结构，也就是血管。

4、3D打印建筑

荷兰阿姆斯特丹建筑大学的建筑设计师Janjaap Ruijssenaars最近设计了全球第一座3D打印建筑物“Landscape House”，而且特别模拟了奇特的莫比乌斯环。

莫比乌斯环(Mbius strip/Mbius band)，是一种拓扑学结构，只有一个面(表面)和一个边界，由德国数学家、天文学家莫比乌斯和约翰·李斯丁1858年独立发现。它可以用一个纸带旋转半圈再把两端粘上之后轻而易举地制作出来，本身具有很多奇妙的性质。

Ruijssenaars和数学家、艺术家Rinus Roelo 

fs共同设计了这个项目，将会利用3D打印机逐块打印出来，每一块的尺寸都达到了6×9米，然后拼接成一个整体建筑，预计需要耗时一年半才能完成。

和打印一般小东西不同，这次需要用到的3D打印机也十分庞大，是由意大利发明家Enrico Dini设计出来的“D-Shape”，可以使用砂砾层、无机粘结剂打印出一幢两层小楼。

尽管如此强大，让它打印一座庞大的建筑也太难了，Dini因此建议只用它打印整体结构，外部则使用钢纤维混凝土来填充。 

Ruijssenaars打算带着这个项目参加欧洲大赛Europan。这项赛事在欧洲十五个国家每两年举办一次，主要面向年轻的立体设计师，并为他们准备50个真实的场地来实现构想。

瓶颈

3D打印机带来的变革不仅仅是正面的，还有负面的，不过不必太过担心，人类的发展总是伴随着双刃宝剑披荆斩浪冲刺前进的。如果我们抱着全是消极的态度只“堵”不“疏”，那么社会与技术就不会发展，“人类一犯愁，上帝会发笑”，何必自我烦恼，先让我们历数这个制造利器所带来的负面作用吧（按危害顺序及目前技术上实现的可能性排列）。

1.安全隐患：前不久一个狂人的大胆想象用3D打印机去制造实践，着实让人大大捏了一把冷汗，枪xie机件的数码模型十分容易传播的，也许一个.STL文件带上U盘就能让万能制造机吞吐出极具杀伤性武器，这一点真希望3D打印机不要那么万能啊。

2.盗版问题：万能的拷贝和万能的复制功能让靠智慧吃饭的人士再次担忧，从信息共享时代就吃尽苦头的创作人士找了好久才摸索到了盈利机制，如今3D来了，新形势下，人们再次将面临新的版权问题,也许利好电子钱包的发展－－因为彩色复印机解决不了的防伪问题，3D打印轻而易举就“打印”实现了。

3.资源消耗增加，环境问题：环境保护者要特别头痛了，在自由想像与创造欲望的驱动下，随心所欲地涂鸦将带来灾难性的后果，耗材厂商要乐了，而模型设计软件将分支出与结构优化与耗材压缩相关的数学模型，尽可能减少材料使用但能强化结构。

4.道德与伦理：2D平面时代，偷拍、艳照已经足够令人恐慌，如今3D时代来临，在港产3D情欲影片的引领下，人们更应当做好屏蔽与自我保护，偷透扫、偷拍、平面照片直接转为3D等高科技的民用化将让人们防不胜防－－透视扫描一个人体简直就是秒杀，这不，前阶段机场透视安检引起的个人隐私问题已招人反对，应当忧虑，打印人像嫁接PS（PrintingShop）不雅照成为网购热卖，一个电子邮件就能传播出一具具某明星脸的充气娃娃做宅男闺蜜的现象出现。

5.设计海洋：创意疲劳将很快出现，信马由缰积极滥造，前仆后继地个性化展示反而让人们有了新的审美需求，类似谷歌那样的信息海洋指南必将出现，帮助人们搜寻出最实用符合要求的产品。某种程度的“审美倒退”其实是对优秀设计有了更高需求－－人们反而更加注重简约性和实用性结合的设计，尤其功能与巧思绝妙结合设计的商品更能得到关注，人们愿意为此付钱。这与2D时代谁都能照相，但取材与视点绝对需要天赋，一个道理。

6.怪异变造人或人造人出现：人兽更加难辨、雌雄更加难分。医学上往有益应用，比如像医学修复、整形，骨植、义肢等等无疑能帮助人们摆脱疾病与残疾的困扰。但邪恶的想象一定会让人类生出恶魔的翅膀，打印出零件组合成功能模块，结合核心驱动或智能芯片，钢铁侠绝不会是科幻影片主角。当优秀自然的人种成为稀缺，星球变成阿凡达，人之发肤，受之父母，你愿意选择哪种？

7.动物的浩劫，是进化还是毁灭？也许上面的第6点在人类方面有所收敛，但在动物身上一定变本加厉地出现，邪恶的动物变造－－把动物变成人类，超越人类，人类社会若果进入猿人星球，是3D时代的生态？

8.打印食品，是更加可口富于营养还是破坏口味，这是萝卜青菜各有所需的问题，反正大多数人是不会选择吃打印成蟑螂、老鼠的美味食品。

9.果然是先有盾再有矛，白领痛恨的杀手“打卡机”将扫进历史垃圾，无论是掌纹、虹膜、眼底还是面部识别都将被3D打印这只“利矛”逐一破解。

10.艺术品收藏：先善意提醒各位，当赝品泛滥充斥时、真品就弥显珍贵了，趁现在高位收藏还来得及。3D打印让文物制造者有了更好的工具。举例说：油画耗材的出现，只要做油画表面的精细扫描，轻易就能一比一打印出一件艺术品。有人也许从各种角度反驳，你应当考虑这种可能性，也许在某一个角落，就已经有人已经调好颜料，打算用电子商场买来的2D喷墨打印机逐层细打实现以上所设想的。

中国的情况2012年12月，工信部副部长苏波在2012年增材制造技术国际论坛暨第六届全国增材制造技术（即“3D打印”）学术会议上表示，工信部将推动“3D打印”产业化，“3D打印”路线图和中长期发展战略即将制定。

苏波表示，为加快推动我国增材制造技术研发和产业化，加强顶层设计和统筹规划。组织研究制定增材制造技术路线图、增材制造业中长期发展战略，推动完善增材制造技术规范与标准制订，促进产业健康可持续发展。苏波表示，要加大对增材制造技术研发和产业化的支持力度，研究制定支持增材制造产业发展的专项财税政策。同时，适时筹建增材制造行业组织，积极组织行业力量开展产业政策研究，创新体制机制，推动增材制造技术研发和产业化。

2013年1月15日，全国首家3D打印体验馆正式落户积水潭北的北京工业设计创意产业基地，真人雕像成为这里最抓人眼球的打印项目。

通过高科技3D打印技术和数字化三维扫描技术，原来的“二维平面”照相变为了“三维立体”模型，如果是一对新人来这里，用三维照相的方式拍摄结婚照，最后得到的不再是合影照片，而是充满趣味的结婚雕像。不光是人物可以“打印”制作，一个易拉罐、一枚戒指、一个动漫玩偶、iPhone手机座、3D游戏里的人物角色、个性花瓶……只要是能够想象到的东西或者现实中已经存在的东西，都有可能被3D打印机“打印”出来。