什么是3D打印
2012年前后，关于3D打印的报道和书籍突然多了起来，从我的角度来看，这些突然激增的报道和书籍对于普通人并没有太多的借鉴意义，对于许多读者而言，原本就不清楚的3D打印可能在许多故弄玄虚的词汇背后，被彻底描述成了一个普遍意义上的“概念”。
比如，美国CNET网2013年11月8日报道，美国一家公司制造了全球首款3D打印金属手枪，而且已经成功发射了50发子弹。这个成绩显然比此前的3D塑料版手枪的命中率和功能要强很多！这则新闻马上在全世界激起了很大的反响。
但随后，这则消息被过度解读。核心不是手枪有多厉害，而是按照这样的逻辑推理下去，今后什么东西都可以通过3D打印技术打印，人类没有秘密，没有知识产权保护，没有什么唯一。只要有了第一个，就可以很简单地复制第二个、第三个……仿佛只要有了3D打印技术，就会拥有一切。
过度解读对产业是一种无形的伤害，特别是3D打印技术目前并未实现大规模商用。这把金属手枪的出现成了外界经常说明3D打印为何物时常用的例子。但是，还有对3D打印最简单、最直接的描述。
电影《十二生肖》里有这样一个场景：主人公戴着特殊的手套在圆明园铜兽首上上下移动，获取的三维数据输入电脑，不一会儿，一台3D打印机上，一个一模一样的铜兽首就出炉了……
电影里的情节像是在变魔术，但3D打印技术却真实存在，只是，这种技术和大众的想象有一定的差距。
2013年3月中旬的一天下午，我被叫到一位领导人办公室去。领导很纳闷，媒体上整天宣传3D打印的飞机能飞，打印的汽车能跑，这究竟是怎么回事？我告诉他，媒体的说法不够严谨，打印的只是飞机的外壳或者某些功能件、结构件，而不可能将飞机、汽车内部成千上万个零部件和电子电路全部打印出来。
3D打印技术又称“三维打印技术”或“增材制造技术”，也有学者称之为“快速制造技术”“快速成型技术”。一般来说，“增材制造技术”“快速制造技术”的提法主要用在学术领域，外界普遍认可“3D打印”的提法，因为更加浅显易懂。
从技术的角度来解释，3D打印实际上是将设计好的物体转化为三维设计图，采用分层加工、叠加成形的方式逐层增加材料来打印真实物体。之所以使用“打印”一词，是因其原理与传统打印机是相似的，都是通过计算机来完成。
简言之，传统打印机里面装的是墨粉，而3D打印机里面装的则是一个庞大的材料系统。这个系统里面是根据产品需要而配备的各种材料，包括光敏树脂、塑料、尼龙、薄膜、陶瓷以及各种金属粉末。
综合上述内容我们可以看出，所谓3D打印（3D Printing），是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、电子束等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。
与盖楼一样，3D打印也是从地基建起，通过打印材料的层层叠加，最终形成一个完整的立体物品。比方说，打印一个乒乓球，先用材料打出球体最底下的一个点，然后打出层层小圈叠加其上，这些密切联系的点和圆圈叠加在一起就成为一个乒乓球。
3D打印机就是可以“打印”出真实物体的一种装备，功能上与激光成形技术一样，而与传统的去除材料加工技术完全不同。
3D打印技术的产生
3D打印技术是最近30年来世界制造技术领域的一次重大突破，是机械工程（精密制造）、计算机技术（软件开发）、数控技术、材料科学等多学科技术的集成，它能够依据数学几何模型的设计，迅速、自动地打印出具有一定结构和功能的原型或零部件产品。
这种技术现在看来很“新”，但它并不是科技的新兵。3D打印技术在工业和大众消费领域的运用早在20多年前就已经开始，只是应用面比较少，应用渠道没有打开，一直没有引起社会的广泛关注，不过，3D打印在一些科研领域的应用却可以追溯到上个世纪。
3D打印技术诞生于20世纪80年代中后期，由美国麻省理工学院最早发明这项技术，后来将这项技术转让给一家公司。虽然麻省理工学院自身在产业化方面并没有建树，但基于它对这项技术的科研贡献，麻省理工学院还是被业界认为是3D打印的真正“鼻祖”。
将3D打印技术最早商用的是美国斯川塔斯（Stratasys）公司，其在1992年卖出了第一台商用3D打印机。这项技术应用计算机软件，设计出三维立体的加工样式，然后通过3D打印机，用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层“打印”出立体的产品。
在当时，这种技术的商业应用虽然很少，但已具雏形，其后的商业应用和这个商用项目相比，属于万变不离其宗。
在3D打印技术应用之前，和3D打印相关的还有3D印刷术。Charles Hull早在1984年就开发出从数字数据打印出3D物体的技术，并在1986年开发出全世界第一台商业3D印刷机。随后在整个90年代不断完善了其基本技术和规范，并在21世纪投入了应用。
此外，还有基于3D打印技术的快速成型机。成立于1990年的美国Stratasys公司率先推出了基于FDM（熔融挤出成型）技术的快速成型机，并很快发布了基于FDM的Dimension系列3D打印机。由于FDM技术有其得天独厚的优势，适合汽车、家电、电动工具、机械加工、精密铸造及工艺品制作等领域使用，因此Stratasys公司的FDM快速成型机目前在全球RP（Rapid Prototyping，简称RP，即快速成型）市场已占有近半的比例。
3D打印、3D印刷术、3D快速成型机，构成了20世纪以来3D打印发展的基本组成部分和发展脉络。
在科研的力度和时间上，国内的高校和科研机构起步也比较早。早在20世纪90年代初，清华大学、华中科技大学、西北工业大学、西安交通大学、北京航空航天大学等科研机构也开始了3D打印的研究工作。
随着打印材料不断取得突破，从一开始采用纸板作为打印材料，逐步发展到粉末、陶瓷、尼龙、石蜡、沙、薄膜、光敏树脂、金属材料等。技术也不断成熟，从一开始打印玩具、模具、模型，逐渐发展到打印金属零部件、复杂的大型高难度金属结构件、细胞、软组织、器官等。
目前，国内的3D打印技术已被成功应用到国防、航空航天、汽车、工业设计、生物工程、文物修复、文化创意等众多领域；而在国外，3D打印技术的应用更加广泛，并取得了很多突破。比如美国科学家用牛耳细胞在3D打印机中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形儿童的器官移植；英国研究人员利用3D打印技术打印出具有正常分化能力的活体胚胎干细胞。
客观地讲，只要我们能够设计出的任何产品，大到飞机汽车的模型或零部件，小到微缩版的埃菲尔铁塔，都能够通过3D打印机打印出来。
3D打印为何突然热起来
3D打印技术的研究及应用由来已久，但在近年来才被人们广为熟知。对于3D打印的火热，应该感谢美国总统奥巴马，感谢英国《经济学人》杂志，感谢里夫金教授，他们是幕后重要的“推手”。
2012年，是世界3D打印历史上值得记忆的一年，被称为“3D打印技术的科普元年”。
大背景是，2012年全球的经济处于衰退阴影中，人们普遍陷入忧郁、失落与彷徨之中，特别是欧美发达经济体，一直没有搞明白，这世界怎么就突然变天了，就不再属于我们了？全球经济何时复苏？失业人口何时能够重新获得新的就业机会……
回顾过往历史可知，在经济持续低迷的情况下，往往新技术会充当拯救经济的“先锋”，3D打印横空出世也是如此，而在美国总统奥巴马、英国《经济学人》杂志等“推手”的努力下，3D打印表现出来的产业前景犹如一针强心剂，让大家重新对未来充满无限期待。
2012年3月9日，美国总统奥巴马在卡内基梅隆大学宣布创立美国“制造创新国家网络”计划。该项目由美国联邦政府和工业部门共同斥资10亿美元，遴选出制造领域15项前沿性、前瞻性的制造技术，建立15个制造业创新中心，以全面提升美国制造业竞争力。4月17日，“增材制造技术”被确定为首个制造业创新中心。8月16日，“国家增材制造创新中心”作为首个“样板示范”创新中心剪彩成立，作为新技术研究、开发、示范、转移和推广的基础平台，号称要成为增材制造技术全球卓越中心并提升美国制造全球竞争力，并鼓励在美国进行投资，奥巴马总统亲自出席剪彩仪式。
总统的亲自出马只是最初的“信号”，而作为美国政府“我们不能再等了”倡议的一部分，奥巴马总统还宣布立即启动试点工作，这可以解读为3D打印将进入快速发展历程。美国国防部、能源部、商务部、国家科学基金会（NSF）、国防航空航天局（NASA）等共同向增材制造试点联盟投资4500万美元。目前的资金包括5个联邦机构已有的3000万美元初始授权，和联盟内“俄亥俄州－宾夕法尼亚州－西弗吉尼亚州技术带”各成员配套的4000万美元。
与此同时，美国国家增材制造创新联盟由美国国防制造与加工国家中心（NCDMM）领导，包括波音、洛马、诺格、GE、IBM、西屋核电等85家知名企业，10个研究型大学，6个社区学院以及11个非营利机构，代表了高性能难加工大型复杂整体构件先进制造技术的发展方向，成为增材制造新技术研究、开发、示范、转移和推广的基础平台。从这些名单中已经可以看出，企业力量的介入，会对3D打印的商用起到积极的推动作用。
好比是一个涟漪效应，不断加码的推动力量为3D打印的普及、发展注入各种新的力量。2012年4月21日，英国《经济学人》杂志推出了《3D打印推动第三次工业革命》的封面文章。文章认为，尽管仍有待完善，但3D打印技术市场潜力巨大，势必成为引领未来制造业趋势的众多突破之一。这些突破将使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具，而转变为一种以3D打印机为基础的，更加灵活，所需投入更少的生产方式，这便是第三次工业革命到来的标志。在这种势头下，传统的制造业将逐渐失去竞争力。以3D打印为代表的第三次工业革命，以数字化、人工智能化制造与新型材料的应用为标志。它的直接表现，是工控计算机、工业机器人技术已进入成熟阶段，即成本明显下降，性能明显提高，工业机器人足以在很多方面替代流水线上的工人……
从2012年3月9日奥巴马总统将增材制造技术列为国家15个制造业创新中心，到4月21日英国《经济学人》杂志的封面文章推出《3D打印推动第三次工业革命》，推动3D打印发展的政治、经济涟漪力量正式形成，3D打印这项技术不出意外地迅速吸引了全世界的眼球。
3D打印机的分类
3D打印是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、电子束等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。这也决定了根据其打印材料和应用方向的不同，会产生一些更垂直的发展领域。
总体看来，3D打印机分为三大类。一是大众消费级（桌面级），多用于工业设计、工艺设计、珠宝、玩具、文化创意等领域。二是工业级，一方面是原型制造，主要用于模具、模型等行业；另一方面则是产品直接制造，包括大型金属结构件的直接制造和精密金属零部件的直接制造。三是生物工程级，如打印牙齿、骨骼修复、细胞、器官、软组织等。
科研层面，这三大类的研究并驾齐驱，而商业应用上的发展略有不同。目前，3D打印技术在大众消费、工业和生物工程等领域的运用已经开始，并有了不同程度的产业基础。应用地域来看，在欧洲国家和美国，3D打印的普及程度要比我国高：2012年，世界3D打印行业的产值是120亿～130亿元，而国内大概为10亿元；2013年，世界3D打印行业的市场规模大概在200亿元，国内大概在20亿元；国内与国外3D打印的市场规模同比数据显示，增速都在一倍以上，但是如果和国外相比，国内的市场规模仍显得十分有限，不过，这也意味着巨大的放量空间。
在美国和欧洲国家，3D打印产业实现的产值大概占行业总收入的70％。中国的市场规模与日本相当，接近10%。从2013年的情况来看，无论是国内还是国际，3D打印的普及率在快速提高，市场需求在显著上升，增速比较快。
3D打印需要成熟的商业模式
3D打印自问世30多年来，一直在特定领域有所发展，而未能得到更为广泛的普及，这和缺乏成熟的商业模式有关。
在大众消费领域，3D照相馆、3D创客正在国内推开，杭州、北京、西安、上海、武汉等城市都有3D照相馆陆续开张。对于如何将3D打印技术运用到大众消费级领域，目前还缺乏一个成熟的商业模式。不仅在大众消费领域，在工业领域、生物工程领域，也都同样存在这个问题。
传统工业企业的商业模式是生产设备卖设备，不管市场用户的需求是否打开，先把设备生产出来再去推销。据有关咨询报告显示，截至2011年，全球累计销售4.9万台工业级3D打印机，其中近四分之三由美国制造，以色列和欧洲国家的份额分别为9.3％和10.2％，中国生产的设备仅占3.6％，与日本相当。
目前，3D打印这个行业还是沿袭了传统工业的老路。看来这条路肯定是走不通的。要不然，30多年来，国内3D打印技术的产值怎么才区区3亿美元，而全球也才30亿美元呢？一个很重要的原因就是：这个行业目前还缺乏成熟的商业模式引领。
传统模式存在严重的发展瓶颈，另寻他途就是当下难题。商业应用“突围”之前，先梳理其目前的应用，以提供全新的思路，很有必要。
在我国，3D打印技术在工业领域的运用要好于预期，在生物工程领域的运用起步也比较早，比如我们已经能够利用其进行骨骼修复、打印牙齿、生物细胞等，只是过去没有使用“3D打印”这个名词。
