隨著人類文明的發展，文化藝術、生產工具和技術的進步，社會經濟不斷發展。在幾千年的歷史長河中，中國以其優秀的文明，尤其是經濟實力遙遙領先於其他國家。從英國人安格斯·麥迪遜寫的《世紀經濟千年史》中我們可以看到，中國經濟總量占世界經濟總量的比重在1000年是22.7%，在1500年是25%，在1600年是29.2%。東方文明領先於西方世界。
然而，這種格局在17世紀後發生了根本變化。隨著英國資本主義制度的建立，蒸汽機開始用於生產領域，機器生產取代了手工生產。全球從“手工業時代”進入“蒸汽時代”，第壹次工業革命開始，極大地促進了歐洲國家的經濟發展。由於生產方式的改變，生產能力大大提高，國內市場無法及時消化日益增長的商品生產需求，於是英、法、德、意、荷等資本主義國家紛紛將殖民地擴大到亞非等其他大陸，尋找新的市場和原料供應地。以英、法、德、意、荷為代表的歐洲文明超越了亞洲，從而形成了東方從屬於西方的局面，可謂創造和改變了世界格局。最實質性的變化發生在第二次工業革命和20世紀中葉之間。1870以後，由於電力的廣泛應用，世界從“蒸汽時代”走向了“電氣時代”，科技發展突飛猛進，各種新技術、新發明層出不窮，並迅速應用於工業生產，極大地推動了世界經濟的發展。特別是美國的崛起，說明制造業在壹個國家的發展中起著重要的作用。18年底，美國開始效仿英國，走獨立後的工業化和現代化道路。美國意識到，只有致力於發展制造業，才能躋身世界強國之列。19世紀上半葉，美國最重要的發展是新工廠制度的建立。比如，它把原來分散的生產流程組合起來，實行新的分工，然後把制造某種商品的所有流程集中在壹個工廠，統壹管理。經過100多年的發展，到19年底，世界金融中心從倫敦轉移到紐約，美國成為世界上最發達的國家和最大的經濟強國。可以說，制造業不僅改變了世界格局，也決定了壹個國家的發展程度。比如美國68%的財富來自制造業，49%的國民生產總值由制造業提供；改革開放以來，中國制造業發展迅速。2011年，我國高技術制造業年總產值達到9.2萬億元，占我國國內生產總值的19.51%，加工貿易出口總額達到8354億美元，占我國國內生產總值的11.2%。可見，制造業的發展不僅為老百姓的日常生活提供了保障，也為提高我國的綜合國力奠定了基礎。
自2008年美國金融引發的全球經濟危機爆發以來，世界經濟似乎從未走出低谷。期間雖多次試圖反彈，但由於後勁不足，依然增長乏力。歷史經驗壹再證明，全球經濟衰退的時候，就是新經濟萌芽、新技術誕生的時候。全球經濟的不景氣表明，傳統的生產關系已經嚴重阻礙了生產力的發展，變革將成為生產關系的新動力。
今年以來，關於第三次工業革命的討論達到高潮。美國學者傑裏米·裏夫金表示，互聯網與新能源的結合將引發新壹輪工業革命——這將是繼19世紀的蒸汽機和20世紀的電氣化之後的第三次“革命”。英國《經濟學人》雜誌也指出，3D打印技術的市場潛力巨大，勢必成為引領未來制造業潮流的諸多突破之壹。這些突破將使工廠徹底告別車床、鉆頭、沖床、成型機等傳統工具，由更加靈巧的計算機軟件主導，這是第三次工業革命到來的標誌。
3D打印技術屬於壹種非傳統加工技術，又稱增材制造、快速成型等。是近30年來全球先進制造領域集光、機、電、計算機、數控、新材料於壹體的先進制造技術。與傳統的切割等材料“去除方式”不同，3D打印技術通過將粉末、液體薄片等離散材料逐層疊加，“自然生長”成三維實體。這項技術把壹個三維立體變成了幾個二維平面，大大降低了制造復雜度。理論上，只要在電腦上設計出結構模型，就可以應用這項技術，在沒有工具、模具和復雜工藝的情況下，快速將設計變成實物。該技術特別適用於小批量、非對稱結構、多曲面和內部結構件(如航空發動機空心葉片、人體骨骼修復體、保形冷卻水道等)的快速制造。)在航空航天、武器裝備、生物醫藥、汽車制造、模具等領域。，符合現代和未來的發展趨勢。
3D打印技術的起源與發展
3D打印技術的核心制造理念起源於美國。早在1892中，J.E.Blanther就在其專利中建議采用分層制造法構造地形圖。1902年，Carlo Baese提出了用光聚合物制作塑料零件的原理。1904年，佩雷拉提出了在紙板上切割輪廓，然後將這些紙板粘合成三維地形圖的方法。20世紀50年代後，出現了數百項關於3D打印的專利。80年代後期，3D打印技術有了根本性的發展，出現了更多的專利。只有24項美國專利在1986-1998之間註冊。赫爾在1986年發明了立體光刻外觀(SLA)，費金在1988年發明了分層實體制造，德卡德在1989年發明了粉末激光燒結(SLS)。1992年，Crump發明了熔融沈積成型技術(FDM)，1993年，Sachs在MIT發明了3D打印技術。
隨著各種專利3D打印技術的不斷發明，其相應的生產設備也相繼研發出來。65438-0988年，美國3D Systems公司根據赫爾的專利生產了第壹臺現代3D打印設備——SLA-250(光固化成型機)，開創了3D打印技術發展的新時代。隨後的十年間，3D打印技術蓬勃發展，出現了十多種新工藝和相應的3D打印設備。1991年，Stratasys FDM設備、Cubital SGC、Solid Ground Curing (SGC)設備和Helisys LOM設備實現商業化。1992年，DTM SLS技術(現屬於3D系統)研制成功。1994年，德國EOS公司引進EOSINT選擇性激光燒結設備；1996年，3D Systems公司利用噴墨打印技術制造了其第壹臺3D打印機——ACTUA 2100；同年，Z Corp還發布了Z402 3D打印機。總的來說，美國在裝備研發、生產和銷售方面占據領先地位，其發展水平和趨勢基本代表了世界的發展水平和趨勢。歐洲和日本也不甘落後，進行了相關的技術研究和設備研發。當時臺灣省立大學雖然有LOM設備，但臺灣省內各單位和軍隊都是進口安裝SL系列設備，香港生產力促進局、香港科技大學、香港理工大學、香港城市大學都擁有RP設備，側重於相關技術的應用和推廣。
3D打印技術作為最先進的制造方法，也代表了世界上最先進的科學技術。鄧小平說，科學技術是第壹生產力。黨和國家歷來重視科技產業的發展。20世紀80年代中期，黨中央、國務院提出並實施了高技術研究發展計劃，在生物技術、信息技術、自動化技術、新材料技術、激光技術等對我國未來經濟社會發展有重大影響的諸多領域設立了15專題項目，以跟蹤世界先進水平。在這種形勢下，1994成立了中國最早的專業3D打印公司——北京龍源汽車成型有限公司，註冊資金200萬美元，專業從事快速成型設備的研發和銷售，並成功制造了國內第壹臺SLS快速成型設備——AFS-360。
3D打印技術和裝備水平
在設備研發方面，德國、美國、日本在該領域處於世界領先水平，並形成了壹批專業化、規模化生產3D打印設備的知名企業，如德國EOS、美國3D Systems、日本CMET等。其中，3D Systems生產的SLA設備在國際市場上占比最大。從1988開始，企業陸續推出SLA-250、250HR、3500、5000、7000、蝰蛇Pro系統等SLA設備(最大成型空間達到1500×750×550mm)。其主要技術優點是使用壽命長(5000小時以上)，成型精度高。日本Denken工程公司和Autostrade公司打破SLA設備使用紫外光源的慣例，率先使用波長約680nm的半導體激光器作為光源，大大降低了SLA設備的成本。在SLS設備方面，德國EOS公司和美國3D系統公司是世界上該技術的主要提供商。成型材料已經從早期的高分子材料擴展到金屬、陶瓷等功能材料。成型精度約為0.1-0.2mm，成型空間逐漸增大，最大臺面超過500 mm，在金屬直接3D打印領域，全球有很多成熟的設備制造商，包括德國EOS公司(EOSING M270)和Concept laser公司(M Cusing系列)，美國MCP公司(Realizer系列)，瑞典Acram公司(EBM設備)。
中國在20世紀90年代初開始研發3D打印。北京龍源公司自1994研制成功第壹臺激光快速成型機以來，致力於選擇性激光粉末燒結(SLS)快速成型機的研制，同時致力於快速成型的應用和加工服務。先後推出AFS-360，500，laser Core-5100，5300，7000等型號的SLS設備(最大成型空間為1400×700×400mm)，現已擁有110以上的設備用戶，65438。
作為公司的總經理兼總工程師，馮濤畢業於清華大學，就職於清華大學高分子材料研究所。在高分子材料和激光光學方面有著豐富的理論和實踐經驗，是國內最早從事激光快速成型技術研究的專家之壹。他在3D打印技術的應用和材料方面有著深厚的造詣。早在1995，他就提出將SLS應用於快速精密制造。與其他3D打印機技術相比，SLS最突出的優勢是成型材料使用範圍廣。理論上，任何加熱後能在原子間形成鍵的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。目前SLS能成功加工的材料有石蠟、聚合物、金屬、陶瓷粉末及其復合粉末材料。SLS成型材料種類多，節省材料，成型件性能分布廣。此外，SLS不需要設計和制造復雜的支撐系統，因此適用於多種用途。在他的帶領下，北京龍源先後成功研發了熔模鑄造、蠟模成型、鑄造型殼等復雜制造方法，以及聚苯乙烯粉末、合成材料在3D打印中的應用方法。現在，馮濤已經開始研究金屬粉末在SLS技術中的應用，並取得了壹定的成果。在他看來，實現高熔點金屬零件的直接燒結，對於3D打印技術在傳統切割方法難以制造的高強度零件上的更廣泛應用具有重要意義。馮濤認為，SLS成形技術在金屬材料領域的研究方向應該是單壹體系金屬零件的燒結成形、多元合金材料的燒結成形以及金屬納米材料、非晶金屬合金等先進金屬材料的激光燒結成形等。這尤其適用於由硬質合金材料制成的微型部件的成形。另外，根據零件的具體功能和經濟要求，燒結出具有功能梯度和結構梯度的零件。可以預見，隨著激光燒結金屬粉末成形機理的掌握、各種金屬材料最佳燒結參數的獲得以及特種快速成型材料的出現，SLS技術的研究和引進必將進入壹個新的境界。
北京龍源作為國內最早實現3D打印技術產業化和服務化的公司，從其在3D打印設備和材料應用方面的眾多成果以及對中國3D打印產業發展的推動作用來看，可以稱得上是中國3D打印技術的引領者。
1994成功制造國內首臺SLS快速成型設備，專業從事快速成型設備的研發和銷售；1995通過北京市科委組織的專家鑒定；1997期間，精密鑄造用燒結材料及快速鑄造技術研究取得成功，進入復雜金屬結構快速開發領域。1998參與科技部快速成型示範服務中心項目，設備被兩個服務中心選用；2000年，基於SLS的復雜內腔結構金屬零件快速鑄造工藝研制成功，為復雜結構發動機零件的快速制造奠定了基礎，金屬材料直接成型技術進入實質性發展階段；2002年開始與中國工程物理研究院合作研究高功率激光直接制造金屬零件。2004年，我們與華南理工大學合作開發選擇性激光熔化金屬成形技術。目前可以制造密度為100%的不銹鋼和鎳基合金鋼零件。2003年，引進了大尺寸快速成型設備AFS-450，與AFS-320相比，在軟件和硬件方面有22項重大改進。設備更加穩定、可靠、人性化、快捷、精準，成為企業用戶的首選；AFS-500於2005年推出，成型尺寸為125升，當年銷售，並推出可直接用蒸汽去除的燒結熔模鑄造蠟，與傳統精密鑄造無縫銜接，解決了鈦合金快速鑄造表面粗糙的問題；2008年研制出AFS-700成型設備，成型尺寸達到245升，是當時最大的激光粉末燒結設備，滿足大部分精密鑄件的要求。該設備采用全新的送料鋪粉方式，單向鋪粉時間減少壹半，無需中間送料。該設備於當年售出；2009年，激光燒結砂實現了突破。型砂芯的強度和發氣量滿足鑄造要求。開始研制鑄造覆膜砂燒結成型專用設備激光制芯機；2010年，激光芯-5300樣機研制完成，開始試銷。
3D打印技術的廣泛應用領域
3D打印技術作為集光學、機械、電氣、計算機、數控和新材料於壹體的先進制造技術，已廣泛應用於航空航天、軍事和武器、汽車和賽車、電子、生物醫藥、牙科、珠寶、遊戲、消費品和日用品、食品、建築、教育等諸多領域。可以預見，這項技術將趨向於日常消費品制造、功能零部件制造和組織結構壹體化制造的方向。下面，我們可以從幾個主要領域看到3D打印技術的廣泛應用。
航空航天:航空航天產品的特點是形狀復雜，批量小，零件規格差異大，可靠性要求高。產品的定型是壹個復雜而精密的過程，往往需要多次的設計、測試和改進。它成本高且耗時，並且難以通過傳統方法制造。因此，3D打印技術因其靈活多樣的工藝方法和技術優勢，在現代航空航天產品研發中具有獨特的應用前景。在國外，3D打印技術在該領域的應用由來已久。如美國波音公司將3D打印技術與傳統鑄造技術相結合，制造鋁合金、鈦合金、不銹鋼等不同材質的貨艙門支架；通用汽車利用3D打印技術制造航空航天、船舶葉輪等關鍵零部件；比利時Materialise公司的猛獁激光快速成型系統，壹次最大加工尺寸可達2200mm。在國內，北京龍源憑借自身的技術優勢，為中國航空航天部門和飛機制造企業提供直升機發動機、直升機機殼、蝸輪泵、鈦框、排氣道(最大高度2800mm)、飛機懸掛、飛輪殼等飛機零部件的生產和服務:1996，首臺商用SLS快速原型機出售給北京航材院並成功應用於新型軍用航空產品。1999年，第二代商用設備AFS-320成功投放市場。快速原型的應用逐步開展，參與了多個國家航天重點項目的研制，如大推力火箭液氧-煤油、液氧-液氫發動機、衛星陀螺儀框架等。
軍工:與傳統制造技術相比，3D打印技術簡單易操作，尤其適用於壹些新材料的加工。例如，鋁合金壹直是軍事工業中應用最廣泛的金屬結構材料。鋁合金具有密度低、強度高、耐腐蝕性好、耐高溫的特點。作為結構材料，由於其優良的加工性能，可制成型材、管材、高筋板等，以充分發揮材料的潛力，提高構件的剛度和強度。因此，鋁合金是武器輕量化結構材料的首選。美國軍方應用3D打印技術輔助制造導彈用彈起式點火器模型，取得了不錯的效果。在我國，鈦合金已廣泛應用於自行火炮炮塔、部件、裝甲車、坦克、軍用直升機等的制造。從65438到0999，北京龍源汽車成形有限公司利用3D打印技術參與了多項國家軍工重點項目的開發研究，如JS-II新型坦克的渦輪增壓器、紅外制導儀的觀察鏡外殼等。2002年，與中國工程物理研究院開始了高功率激光直接制造金屬零件的研究，進壹步推動了中國軍事工業的發展。
汽車制造:在國外，已經有很多3D打印技術在汽車制造領域的成功案例。例如，德國奧迪公司利用3D打印技術成功制造了配有庫卡機器人的奧迪RSQ汽車。隨著我國汽車工業的發展，汽車產量迅速增加，壹些關鍵零部件越來越復雜、大型化和輕量化，這就要求零部件的集成化和集成制造。然而，傳統的翻砂造型工藝使模具越來越復雜，散件數量急劇增加，在壹定程度上制約了我國汽車工業的發展。為此，引領國內3D打印技術的北京龍源的技術團隊啟動了3D打印技術在汽車發動機制造領域的研究。SLS是壹種利用紅外激光束提供的熱量來形成三維零件的熱熔塑料。它的壹個最大特點是成形工藝與復雜程度無關，因此特別適用於發動機缸體、氣缸蓋、進排氣管等內部結構極其復雜的零件。此外，SLS技術造型材料廣泛，尤其是鑄造樹脂砂和消耗性熔模材料，因此可以與鑄造技術相結合，快速鑄造發動機零件。SLS技術與鑄造技術的結合產生了快速鑄造技術，可以有效地應用於發動機設計開發階段的原型快速制造。適用於單件小批量的試制和生產，能夠快速響應市場，提供小批量產品進行測試和檢驗，有助於保證產品開發的速度。可以在設計和開發階段以低成本修改模制過程的可控性，以便檢查設計或提供組裝模型。有助於提高產品的開發質量。快速原型原材料的多樣性為產品開發階段提供了不同的工藝組合。由於SLS原材料的國產化和成型工藝可以與傳統工藝有機結合，有助於降低開發成本。組合過程的快速性支持了產品更新頻率的提高，並有助於促進產品盡快進入市場。利用3D打印技術生產發動機缸體、缸蓋、變速箱殼體等。對於汽車制造商來說，不僅制造速度快，而且精度高，從而使復雜汽車零部件的制造數字化、精密化、柔性化、綠色化。現在國內很多高鐵、動車、地鐵的發動機上都可以看到龍源的產品。以下是龍源在汽車發動機應用方面的R&D成果:2001，成功研究了汽車關鍵結構件的快速成型和快速制造技術，為汽車企業提供了缸體、缸蓋、進氣管、變速箱殼體的RP服務；2006年，激光直接造型鑄造砂芯技術推向市場，並銷售出第壹臺專門用於鑄造砂芯的造型設備。並成功應用於汽車發動機缸體、缸蓋、增壓器的快速開發；2011年，為了滿足柴油機等行業的需求，研制了大尺寸激光制芯機；通過與廣西玉柴機械有限公司和東風商用車技術研究所合作，開發出柴油機氣缸蓋快速制造方法和技術。
生物醫學:目前3D打印技術也已經應用到生物醫學領域，包括骨骼、牙齒、人工肝臟、人工血管、醫藥制造等。在生物制造方面，歐美等發達國家已經進行了很多研究和廣泛的臨床應用:在美國，利用SLA制造技術和生物相容性樹脂可以制造醫用助聽器、眼晶狀體模型、假牙等；在意大利，人體骨骼假體由SLA制造技術制造。在國內，北京龍源與北大口腔醫院合作，患者的CT掃描數據由CT工作站通過Magics軟件處理後，傳輸到PC，以標準格式(Dicom格式)刻錄存儲，再提供給龍源。基於此，龍源研發了AFS-320快速成型機。該設備采用選擇性激光粉末燒結法，原料為聚苯乙烯粉末，制成實體模型。可用於口腔醫學中顴骨上頜骨骨纖維異常增生等癥狀，取得了較好的療效。同時，臨床應用結果表明，在顴骨、顴弓陳舊性粉碎性骨折的治療中，治療效果良好。目前，龍源已與北京大學口腔醫院達成新壹輪合作意向，即口腔領域的專業快速成型與快速制造方案:利用特定的CAD軟件，可實現義齒的CAD設計，包括基牙、冠、橋、冠、貼面、嵌體的3D設計。借助CAD設計，快速成型和快速制造假牙，可以實現高效率、少耗材、低成本的自動化生產。
3D打印技術的前景和戰略意義
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