關于作者
一個畢業(yè)于北京大學數(shù)學力學系，在中國科學院計算所、計算中心和網(wǎng)絡中心工作過，在澳大利亞科工組織DMS、香港浸會學院數(shù)學系和中國21世紀議程管理中心等處工作過，多次獲國家和中科院科技獎并享受政府特殊津貼的退休老頭?，F(xiàn)在在【中國科普博覽】網(wǎng)“科學新語林”欄目里開設一個《數(shù)學與計算機》的個人專欄，愿和愛好數(shù)學與計算機的各界網(wǎng)友和青少年朋友，談談對數(shù)學與計算機的看法、想法。
3D和4D打印（3）
張建中
2013年10月08日
5．3D打印技術的局限性 從飛機零件到假牙，再到步槍和文物仿制，3D打印的每項新應用均引發(fā)人們的驚嘆，3D打印的概念也隨之變得愈發(fā)熱門和廣受追捧，但3D打印并非無所不能的“神技”，現(xiàn)仍有很多局限性，涉及的一些概念也需要進一步厘清。
3D打印更適合制造快速成型的產(chǎn)品。比如一些精巧的工藝品，如果是手工雕刻，往往要消耗大量時間，而用3D打印的話，幾個小時就能搞定。此外，涉及到人工處理，加入精密和不確定性等因素的時候，3D打印技術則很難勝任。比如打印瑞士手表這樣的產(chǎn)品就比較難。這不僅涉及到儀器精密的問題，而且人的創(chuàng)造性在里面也起到了關鍵作用。
3D打印出來的東西毋庸置疑是逼真的，但任何一個產(chǎn)品都應該具有功能性，而如今由于受材料等因素限制，通過3D打印制造出來的產(chǎn)品在實用性上要打一個問號。一個典型的例子是，美國一個名為“分布式防御”的組織在YouTube上發(fā)布了一段視頻，視頻中，該組織對一把由3D打印出的下機匣部件（下機匣用于連接槍管、槍柄、彈匣及其他部件，是受美國政府嚴格管制的槍支部件）組裝而成的AR-15半自動步槍進行了實彈測試，但只發(fā)射了6顆子彈，步槍就發(fā)生了斷裂。
機械化的產(chǎn)品3D打印可以勝任，但涉及到芯片等智能化產(chǎn)品時，3D打印則愛莫能助。 3D打印技術不會對傳統(tǒng)的車間、數(shù)字機床產(chǎn)生太大的沖擊。3D打印技術在目前來看，最適合用于新產(chǎn)品的開發(fā)，而從制造角度來看，它并不是最合適的?，F(xiàn)在大多數(shù)的3D打印技術精度還達不到傳統(tǒng)制造的程度，也很難實現(xiàn)傳統(tǒng)制造方式的大批量、低成本制造。
3D打印在協(xié)同制造和實現(xiàn)創(chuàng)意方面較有優(yōu)勢，但無法替代傳統(tǒng)的制造方式。3D打印適用于制造難加工的貴重材料，以及用傳統(tǒng)制造方法浪費大、甚至根本做不出來的復雜形狀。在大批量生產(chǎn)方面，則還須依靠傳統(tǒng)制造。
3D打印工業(yè)化還面臨精細度和打印速度等一系列難題。
6．3D打印技術值得關注的趨勢
按需定制、以相對低廉的成本制造產(chǎn)品——3D打印一度被認為是科幻想象，而現(xiàn)在已經(jīng)變成現(xiàn)實，而這種趨勢將會逐漸加速。下面列出3D打印領域今后值得關注的一些趨勢：
1、3D打印成為工業(yè)化力量：3D打印原先只能用于制造產(chǎn)品原型以及玩具，而現(xiàn)在它將成為工業(yè)化力量。你乘坐的飛機將使用3D打印制造的零部件，這些零部件能夠讓飛機變得更輕、更省油。
2、3D打印開始治病救人：目前，3D打印技術在醫(yī)療應用方面的研究涉及納米醫(yī)學、制藥乃至器官打印。通過3D打印制造的醫(yī)療植入物將提高你身邊一些人的生活質(zhì)量，因為3D打印產(chǎn)品可以根據(jù)確切體型匹配定制，如今這種技術已被應用于制造更好的鈦質(zhì)骨植入物、義肢以及矯正設備。打印制造軟組織的實驗已在進行當中，很快通過3D打印制造的血管和動脈就有可能應用于手術之中。
3、定制化成為常態(tài)：今后購買的產(chǎn)品將根據(jù)自己確切的具體信息進行定制，該產(chǎn)品通過3D打印制造并直接送到你的家門口。通過3D打印技術，創(chuàng)新公司將憑借與競爭對手的標準化產(chǎn)品相同的價格為用戶提供定制化體驗，以此獲得競爭優(yōu)勢。定制化同樣也將在醫(yī)療器械領域發(fā)揮重要作用，比如通過3D打印制造助聽器和義肢。
4、產(chǎn)品創(chuàng)新速度加快：從新車型到更好的家電，一切產(chǎn)品的設計速度都將加快，從而將創(chuàng)新更快地推向消費者。由于運用3D打印的快速原型制造技術能夠縮短把產(chǎn)品概念轉(zhuǎn)化為成熟產(chǎn)品設計的時間，設計人員將能夠?qū)Ｗ⒂诋a(chǎn)品的功能。
5、新公司基于3D打印開發(fā)出創(chuàng)新的商業(yè)模式：新一代公司將作為發(fā)明家、黑客以及“制造者”大量涌現(xiàn)，利用3D打印技術創(chuàng)造新的產(chǎn)品，并向蓬勃發(fā)展的3D打印機市場提供服務。一些公司將走向失敗，并有可能出現(xiàn)一個盛衰循環(huán)，但3D打印將催生出創(chuàng)造性的新商業(yè)模式。
6、3D打印店在購物商場開張：3D打印店將開始出現(xiàn)，它們最初會憑借高品質(zhì)的3D打印技術為本地市場提供服務。一開始是快速原型制造以及其他利基功能，但這些打印店會轉(zhuǎn)移到消費市場。
7、關于知識產(chǎn)權歸屬的激烈辯論浮現(xiàn)出來：3D打印機可以很容易地復制擁有版權的產(chǎn)品設計，隨著制造商和設計者開始應對這種情況，未來將出現(xiàn)關于產(chǎn)品設計知識產(chǎn)權歸屬的高調(diào)訴訟案例。
8、具備神奇特性的新產(chǎn)品將讓我們意亂情迷：跟現(xiàn)在制造的產(chǎn)品相比，那些只能通過3D打印機制造的新產(chǎn)品將融新材料、納米尺度以及印刷電子器件于一體，從而展示出堪稱神奇的新特性。這些通過3D打印制造的產(chǎn)品將令人喜愛，并具備明顯的競爭優(yōu)勢。
9、3D打印機為制造工廠提供助力：我們有望在制造工廠里看到3D打印機。目前，一些特殊的零部件已經(jīng)由3D打印機更經(jīng)濟地生產(chǎn)出來了，但僅僅是在小規(guī)模范圍內(nèi)。未來對于3D打印技術，很多制造商將開始嘗試原型制造以外的應用。
10、3D打印開始廣泛應用于電影產(chǎn)業(yè)：3D打印也開始在電影工業(yè)中取得廣泛應用。由于3D打印是一種快速成型技術，對于制作復雜電影道具具有成本低、時間快的優(yōu)勢。目前高仿真的電影道具已經(jīng)使用3D打印技術來制作面具模型、汽車模型和其他功能性道具。
11、3D打印應用于航天產(chǎn)業(yè)：為滿足未來零件能在空間按需制造的需求，美國航空航天局(NASA)計劃向國際空間站發(fā)射首個3D微重力打印實驗設備。如果成功，在零重力實驗環(huán)境下的3D打印設備將是首個在空間制造零件的設備。
[caption id="attachment_840" align="aligncenter" width="220"]
太空3D打印機示意圖[/caption]
目前，所有空間任務都要完全依賴于向空間站輸送設備的運載火箭完成。距離地面越遠，向空間站發(fā)送設備的時間持續(xù)越長，為空間站補給物資就越困難。
不久的將來，3D打印可實現(xiàn)在空間制造整個航天器空間任務所需物資，且能夠在空中制造多數(shù)他們所需的零件。另外，3D打印設備還可與機器人系統(tǒng)一起工作，為人類登上火星，以及在其他行星制造所需的住所、工具與實驗室等，這些建造構件可以利用行星上的資源，如土壤或礦物質(zhì)來實現(xiàn)；長期執(zhí)行空間任務的宇航員也可打印和回收他們所需的工具，節(jié)省大量資源。
12、3D打印將在軍事應用領域大展身手：在軍事領域，3D打印技術給裝備保障帶來的變化無疑也是革命性的。在未來信息化戰(zhàn)場上，無論武器裝備處于任何位置，一旦需要更換損毀的零部件，技術保障人員可隨時利用攜帶的3D打印機，直接把所需的部件一個一個地打印出來，裝配起來就可以讓武器裝備重新投入戰(zhàn)場。另外，3D打印還可廣泛應用于輔助軍事技術研發(fā)。有專家預測，未來不僅小型槍支、簡單物資可實現(xiàn)打印，軍艦、飛機、坦克等大型、復雜的武器裝備，甚至食物、軍事基地等都可用3D打印機直接或間接“制造”出來。
3D打印更適合制造快速成型的產(chǎn)品。比如一些精巧的工藝品，如果是手工雕刻，往往要消耗大量時間，而用3D打印的話，幾個小時就能搞定。此外，涉及到人工處理，加入精密和不確定性等因素的時候，3D打印技術則很難勝任。比如打印瑞士手表這樣的產(chǎn)品就比較難。這不僅涉及到儀器精密的問題，而且人的創(chuàng)造性在里面也起到了關鍵作用。
3D打印出來的東西毋庸置疑是逼真的，但任何一個產(chǎn)品都應該具有功能性，而如今由于受材料等因素限制，通過3D打印制造出來的產(chǎn)品在實用性上要打一個問號。一個典型的例子是，美國一個名為“分布式防御”的組織在YouTube上發(fā)布了一段視頻，視頻中，該組織對一把由3D打印出的下機匣部件（下機匣用于連接槍管、槍柄、彈匣及其他部件，是受美國政府嚴格管制的槍支部件）組裝而成的AR-15半自動步槍進行了實彈測試，但只發(fā)射了6顆子彈，步槍就發(fā)生了斷裂。
機械化的產(chǎn)品3D打印可以勝任，但涉及到芯片等智能化產(chǎn)品時，3D打印則愛莫能助。 3D打印技術不會對傳統(tǒng)的車間、數(shù)字機床產(chǎn)生太大的沖擊。3D打印技術在目前來看，最適合用于新產(chǎn)品的開發(fā)，而從制造角度來看，它并不是最合適的?，F(xiàn)在大多數(shù)的3D打印技術精度還達不到傳統(tǒng)制造的程度，也很難實現(xiàn)傳統(tǒng)制造方式的大批量、低成本制造。
3D打印在協(xié)同制造和實現(xiàn)創(chuàng)意方面較有優(yōu)勢，但無法替代傳統(tǒng)的制造方式。3D打印適用于制造難加工的貴重材料，以及用傳統(tǒng)制造方法浪費大、甚至根本做不出來的復雜形狀。在大批量生產(chǎn)方面，則還須依靠傳統(tǒng)制造。
3D打印工業(yè)化還面臨精細度和打印速度等一系列難題。
6．3D打印技術值得關注的趨勢
按需定制、以相對低廉的成本制造產(chǎn)品——3D打印一度被認為是科幻想象，而現(xiàn)在已經(jīng)變成現(xiàn)實，而這種趨勢將會逐漸加速。下面列出3D打印領域今后值得關注的一些趨勢：
1、3D打印成為工業(yè)化力量：3D打印原先只能用于制造產(chǎn)品原型以及玩具，而現(xiàn)在它將成為工業(yè)化力量。你乘坐的飛機將使用3D打印制造的零部件，這些零部件能夠讓飛機變得更輕、更省油。
2、3D打印開始治病救人：目前，3D打印技術在醫(yī)療應用方面的研究涉及納米醫(yī)學、制藥乃至器官打印。通過3D打印制造的醫(yī)療植入物將提高你身邊一些人的生活質(zhì)量，因為3D打印產(chǎn)品可以根據(jù)確切體型匹配定制，如今這種技術已被應用于制造更好的鈦質(zhì)骨植入物、義肢以及矯正設備。打印制造軟組織的實驗已在進行當中，很快通過3D打印制造的血管和動脈就有可能應用于手術之中。
3、定制化成為常態(tài)：今后購買的產(chǎn)品將根據(jù)自己確切的具體信息進行定制，該產(chǎn)品通過3D打印制造并直接送到你的家門口。通過3D打印技術，創(chuàng)新公司將憑借與競爭對手的標準化產(chǎn)品相同的價格為用戶提供定制化體驗，以此獲得競爭優(yōu)勢。定制化同樣也將在醫(yī)療器械領域發(fā)揮重要作用，比如通過3D打印制造助聽器和義肢。
4、產(chǎn)品創(chuàng)新速度加快：從新車型到更好的家電，一切產(chǎn)品的設計速度都將加快，從而將創(chuàng)新更快地推向消費者。由于運用3D打印的快速原型制造技術能夠縮短把產(chǎn)品概念轉(zhuǎn)化為成熟產(chǎn)品設計的時間，設計人員將能夠?qū)Ｗ⒂诋a(chǎn)品的功能。
5、新公司基于3D打印開發(fā)出創(chuàng)新的商業(yè)模式：新一代公司將作為發(fā)明家、黑客以及“制造者”大量涌現(xiàn)，利用3D打印技術創(chuàng)造新的產(chǎn)品，并向蓬勃發(fā)展的3D打印機市場提供服務。一些公司將走向失敗，并有可能出現(xiàn)一個盛衰循環(huán)，但3D打印將催生出創(chuàng)造性的新商業(yè)模式。
6、3D打印店在購物商場開張：3D打印店將開始出現(xiàn)，它們最初會憑借高品質(zhì)的3D打印技術為本地市場提供服務。一開始是快速原型制造以及其他利基功能，但這些打印店會轉(zhuǎn)移到消費市場。
7、關于知識產(chǎn)權歸屬的激烈辯論浮現(xiàn)出來：3D打印機可以很容易地復制擁有版權的產(chǎn)品設計，隨著制造商和設計者開始應對這種情況，未來將出現(xiàn)關于產(chǎn)品設計知識產(chǎn)權歸屬的高調(diào)訴訟案例。
8、具備神奇特性的新產(chǎn)品將讓我們意亂情迷：跟現(xiàn)在制造的產(chǎn)品相比，那些只能通過3D打印機制造的新產(chǎn)品將融新材料、納米尺度以及印刷電子器件于一體，從而展示出堪稱神奇的新特性。這些通過3D打印制造的產(chǎn)品將令人喜愛，并具備明顯的競爭優(yōu)勢。
9、3D打印機為制造工廠提供助力：我們有望在制造工廠里看到3D打印機。目前，一些特殊的零部件已經(jīng)由3D打印機更經(jīng)濟地生產(chǎn)出來了，但僅僅是在小規(guī)模范圍內(nèi)。未來對于3D打印技術，很多制造商將開始嘗試原型制造以外的應用。
10、3D打印開始廣泛應用于電影產(chǎn)業(yè)：3D打印也開始在電影工業(yè)中取得廣泛應用。由于3D打印是一種快速成型技術，對于制作復雜電影道具具有成本低、時間快的優(yōu)勢。目前高仿真的電影道具已經(jīng)使用3D打印技術來制作面具模型、汽車模型和其他功能性道具。
11、3D打印應用于航天產(chǎn)業(yè)：為滿足未來零件能在空間按需制造的需求，美國航空航天局(NASA)計劃向國際空間站發(fā)射首個3D微重力打印實驗設備。如果成功，在零重力實驗環(huán)境下的3D打印設備將是首個在空間制造零件的設備。
[caption id="attachment_840" align="aligncenter" width="220"]
太空3D打印機示意圖[/caption]
目前，所有空間任務都要完全依賴于向空間站輸送設備的運載火箭完成。距離地面越遠，向空間站發(fā)送設備的時間持續(xù)越長，為空間站補給物資就越困難。
不久的將來，3D打印可實現(xiàn)在空間制造整個航天器空間任務所需物資，且能夠在空中制造多數(shù)他們所需的零件。另外，3D打印設備還可與機器人系統(tǒng)一起工作，為人類登上火星，以及在其他行星制造所需的住所、工具與實驗室等，這些建造構件可以利用行星上的資源，如土壤或礦物質(zhì)來實現(xiàn)；長期執(zhí)行空間任務的宇航員也可打印和回收他們所需的工具，節(jié)省大量資源。
12、3D打印將在軍事應用領域大展身手：在軍事領域，3D打印技術給裝備保障帶來的變化無疑也是革命性的。在未來信息化戰(zhàn)場上，無論武器裝備處于任何位置，一旦需要更換損毀的零部件，技術保障人員可隨時利用攜帶的3D打印機，直接把所需的部件一個一個地打印出來，裝配起來就可以讓武器裝備重新投入戰(zhàn)場。另外，3D打印還可廣泛應用于輔助軍事技術研發(fā)。有專家預測，未來不僅小型槍支、簡單物資可實現(xiàn)打印，軍艦、飛機、坦克等大型、復雜的武器裝備，甚至食物、軍事基地等都可用3D打印機直接或間接“制造”出來。