1、3D 打印使制造的自由度大幅提高

   3D 打印源于制造思路的革新。根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）的定義：3D 打印是借助三維數(shù)字模型設計，使用激光燒結、材料噴射等各種立體打印技術，來實現(xiàn)原料層層沉積疊加，并最終形成成型物體的一種制造方式。在概念上，它同義于工業(yè)專業(yè)術語中的“增材制造”（Additive Manufacturing）。之所以稱之為“增材制造”，是因為它區(qū)別于傳統(tǒng)的機械加工方式：通過多種工具加工手段（切割、鉆孔、蝕刻等）剔除原材料中多余的部分，得到需要的成型件，這種制造方式像是在數(shù)學中的“減法”運算。而“增材制造”逆其道行之；通過特定方式的材料添加來制造產(chǎn)品，更像是在做“加法”復雜結構的可實現(xiàn)性，以及復雜度與制造成本之間的獨立性成為提高制造自由度的基礎。制造過程中，打印頭和激光燒結處理的材料一般都是半液態(tài)或粉末狀的物體。制造流程相當于材料在三維空間上進行排列組合。這種成型原理，使得產(chǎn)品形狀結構的實現(xiàn)幾乎不受加工工藝的限制。同時，對于傳統(tǒng)的機械加工而言，產(chǎn)品結構復雜度的提升，意味著制造工序的增加，和成本的上升。而3D 打印制造的直接成本主要來源于原材料和設備折舊；這兩部分成本的大小幾乎不受產(chǎn)品結構的復雜程度的影響。

   下圖為使用3D 打印技術制造的外飾品，使用傳統(tǒng)的機加工，實現(xiàn)這種復雜的鏤空結構幾乎是不可能的。而使用3D 技術制造這種復雜程度較高的產(chǎn)品，相比簡單結構件，并不會增加額外成本。這一點對于功能部件的生產(chǎn)制造來說更具有實質意義。擺脫了制造技術的限制，工程人員完全可以從使用性能的角度追求最優(yōu)化的設計。

    下圖為空中客車（Airbus）飛機發(fā)動機外殼使用的金屬鉸鏈，圖形上部為傳統(tǒng)機加工的外形設計，下部是使用3D 打印制造的外形設計�？梢钥闯龊笳咻^前者形狀更為復雜，但原料使用更為節(jié)約，重量更輕。就性能而言，并不遜于傳統(tǒng)設計，甚至會更好。

   2、3D打印簡化作業(yè)流程，提高制造的數(shù)字化程度

   3D打印的作業(yè)流程一般可分為前處理（pre-processing）、成型加工（processing）和后處理（post-processing）三個階段，如下圖所示。

圖表 5  ZCorp公司3D打印設備作業(yè)流程圖

    在前處理階段，使用計算機進行三維立體模型的設計（CAD modeling），并將3D模型轉化為打印設備可以識別的STL、OBJ、VRML、DXF、PLY等文件格式。一般3D打印設備使用的計算機軟件系統(tǒng)都具有逆向工程運算功能，軟件以產(chǎn)品設計的相應參數(shù)，自動生成制造程序。在成型加工階段，打印設備根據(jù)預先設定好的程序進行層級制造，得到坯件。在后處理階段，根據(jù)產(chǎn)品需要，進行拋光、浸滲等工藝處理后，得到最終產(chǎn)品。

   這種作業(yè)流程相對傳統(tǒng)的機加工，具有流程簡化、數(shù)字化程度和設備通用水平提升三大優(yōu)勢：

   1）3D對作業(yè)流程的簡化主要體現(xiàn)在成型加工階段。機械加工同樣可以借助CAD模型來實現(xiàn)產(chǎn)品原型的設計，但之后還需要工程人員來進行制造流程的設計，包括工具選擇和工序安排。然后按照既定工序來完成產(chǎn)品制造。每個工序階段，使用的操作工具和設備類型一般都不相同，主要根據(jù)設計人員的經(jīng)驗而定。3D打印相當于將機加工的工具作業(yè)流程轉換為一臺設備的內部操作，從而簡化了制造流程。

   2）3D打印的成型原理相對簡化，易于轉化為計算機可以識別的程序語言。制造程序的生成相當于以最終產(chǎn)品所要達到性能參數(shù)作為約束條件，通過逆向工程原理計算得到最優(yōu)化（一般指制造時間最短）的加工方案。這一步驟可以完全通過特定的軟件來實現(xiàn)，代替了加工流程設計中的人工成分，減少了制造過程中人工參與，從而提高了制造的數(shù)字化程度。

   3）傳統(tǒng)的機械加工的作業(yè)流程一旦完成，一般只能加工一種或幾種產(chǎn)品。有些工序環(huán)節(jié)的工具裝備僅僅是針對一種產(chǎn)品的加工需要而設計。如果需要生產(chǎn)新的產(chǎn)品，往往需要更換工具設備，對工序流程也需要重新設計。整個流水線的產(chǎn)品專屬性較強。3D打印基于其特殊的成型原理，只要通過更改產(chǎn)品的制造程序，同一臺設備即可以生產(chǎn)不同形狀結構的產(chǎn)品。從而提高設備的通用性水平。

   3、3D打印提高原料利用率，減少生產(chǎn)廢料

   3D打印制造方式對材料利用率的提高來源于產(chǎn)品設計和制造工藝兩個方面的技術優(yōu)勢。

由于3D打印給予產(chǎn)品形狀結構充分的設計自由度，設計者可以使用傳統(tǒng)加工工藝無法實現(xiàn)的幾何結構（如晶格、支架、蜂巢等幾何結構）來減少原材料的使用。下圖是使用ExOne公司的3D打印設備加工成型的門把手，它是基于傳統(tǒng)制造工藝設計，引入了新的結構形狀；在不影響產(chǎn)品性能的條件下，減少了原料的用量。此項設計曾經(jīng)參與米蘭家具展，相比傳統(tǒng)的設計，原料消耗量大約減少30%。而如果將這種設計理念延伸至其他工業(yè)領域，那么意味著整個制造業(yè)對原料的消耗量可能發(fā)生明顯的下降。

圖表 6  使用3D打印加工成型的手柄

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圖表 7  3D打印制造的飛機發(fā)動機零部件

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   就制造工藝而言，由于3D打印采用“增材制造”的技術路徑，因此在理論上這種生產(chǎn)方式幾乎不會產(chǎn)生任何廢料。但由于制造工藝的精度誤差，和部分產(chǎn)品加工過程所需要的支撐結構，仍然會有原料損耗。而相比機械加工，這種原料損耗已經(jīng)顯得微乎其微。在傳統(tǒng)機加工工藝條件下，產(chǎn)品結構的復雜程度越高，通常意味著需要從最初材料原型中剔除的部分也會越多，原料的利用率就越低。

   4、3D打印提高了產(chǎn)品創(chuàng)新速度，降低了創(chuàng)新成本

   由于3D打印設備較高的通用化水平和數(shù)字化程度，只需修改設計，改變制造程序，而無需額外添加設備就可以新設計的產(chǎn)品或者零部件的制造。此外，從創(chuàng)新設計到推向市場，時間價值無疑是一個十分重要的因素，3D打印技術以數(shù)字化制造，快速成型的工藝特點，可以大量節(jié)省研發(fā)者制造的時間，加速設計創(chuàng)新實現(xiàn)的速度。

圖表 8  三種生產(chǎn)方式的比較