增材制造：没有革命的演进

人们通常如何讲述3D打印的历史

故事的讲法几乎总是一样：这是第一台打印机，这是开源项目RepRap，这是最早的DIY套件，接着是面向大众的低价设备。随后，一台像智能手机一样“开箱即用”的打印机出现了。故事最后再加上一些新奇的应用：用于牙科的打印机，能够建房子的打印机。

从时间顺序来看，这样讲没有错。但听完之后，人们往往会觉得，3D打印是一项凭空出现的独立技术。仿佛在20世纪80年代，某个人一觉醒来，就发明了一套全新的物理原理。

事实并非如此。如果弄清楚增材制造究竟从何而来，也就更容易理解它将走向何方。

3D打印机首先是一台数控机床

先从简单的问题说起。从工程角度看，什么是3D打印机？它是一台按照程序在三个坐标方向上移动工作工具的机器。步进电机、导轨、控制器、控制程序——这些是不是很熟悉？

这就是数控机床。只不过，铣刀被换成了喷嘴、激光器或投影装置。

而第一台数控机床，恰恰就是铣床。1949年，麻省理工学院伺服机构实验室开始研制一台不由工人直接发出指令、而是从穿孔纸带读取指令的机床。设备于1952年3月组装完成，并在同年9月正式向航空制造商和机床制造商展示（MIT报告，DTIC档案）。它以一台量产立式铣床为基础，增加了三个轴的伺服驱动装置，以及装有电子管电路的控制柜。

这台机床的任务，与今天任何一台3D打印机的任务完全相同：根据数字数据制造形状复杂的零件，而不依赖样板和仿形装置。

由此可以得出一个简单的结论：增材技术并不是凭空出现的。它们从减材技术中演进而来，随后分化为独立的分支。独立，但并不遥远。

G代码：从车间走来的语言

证明这种亲缘关系最有力的证据，就是语言。即使是最现代的3D打印机，也使用G代码工作。铣床和车床同样能理解这种语言。

G代码的第一个标准化版本RS-274于1963年在美国发布，后来又被纳入国际标准ISO 6983。美国国家标准与技术研究院将其描述为用于控制铣床和加工中心的语言（NIST，NISTIR 6556）。当时根本没有提到3D打印机。

看看下面两行代码：

G1 X50 Y20 F1200      ; 铣床：直线移动
G1 X50 Y20 E0.8 F1200 ; 3D打印机：相同移动 + 塑料进料

G1代表直线移动，对铣刀和喷嘴都一样。打印机只是在机床的基础上增加了一个“轴”——E，即材料进给。铣刀沿着轨迹去除材料，喷嘴沿着轨迹添加材料。除此之外，它仍然是同一类机器。

减去与添加：同一个车间的两种方式

俄罗斯增材技术标准直接表述了这种联系。GOST R 57558-2017将增材制造定义为根据电子模型，通过添加材料制造零件，“区别于减材制造（机械加工）和传统成形制造（铸造、冲压）”（GOST R 57558-2017）。自2025年起，更新版本GOST R 57558-2025开始实施，但核心含义没有改变：增材工艺只是成形方式之一，而不是对其他所有方式的替代。

因此，不能脱离其他制造方法孤立地看待3D打印。它不是取代传统制造，而是对传统制造的补充。每种方法都有自己的优势：

• 需要一千个完全相同的零件——铸造和冲压优势明显。
• 需要精密配合表面——应当使用铣床或车床。
• 需要一个形状复杂、带内部流道的零件，或替代已经停产的备件——这时3D打印更有优势。

实践中，最好的结果往往来自工艺组合：先打印毛坯，再用机床精加工配合部位；扫描磨损零件，恢复模型后再打印。这不是技术之间的竞争，而是分工协作。

为什么这种认识在今天尤其重要

对于俄罗斯工业而言，这种认识并非纸上谈兵。近几年，许多企业都面临同样的情况：进口设备的原厂备件买不到；即使能买到，也要等半年，价格还高出两倍。

这时，不把不同技术对立起来就显得格外重要。只有3D打印还不够：一个无法与轴精确配合的打印齿轮，只能算纪念品，不能算零件。只有铣床也不够：没有图纸，要制造复杂零件既费时又昂贵。

真正有效的是完整的工艺链：扫描磨损零件，恢复数字模型并修正磨损，使用工程塑料或金属打印，再通过机床精加工关键表面。每个环节使用自己的技术，最终得到的是重新在设备里转动的零件，而不是躺在采购申请单上的一项物料。

按照这种工艺链思考，而不是依赖某一台“神奇机器”的企业，能够赢得时间。而设备停机期间损失的时间，比任何一台打印机都昂贵。

演进，而非革命

增材技术当然也走过了自己的发展道路。但坦率地说，这条道路上基本没有发生真正的革命。

先说明一点：这里不讨论那些庞大而昂贵的工业设备。我们关注的是更广泛的市场——放在工作室、实验室、小型生产场所乃至家中的设备。

立体光刻，也就是用光逐层固化液态光敏树脂，其专利于1986年获得授权（专利US 4575330）。通过熔融丝材逐层堆积成形的技术，也就是FFF，其专利于1989年提交（专利US 5121329）。2000年代中期，开源项目RepRap出现。仅两年半时间，人们就根据其设计制造了约4500台机器（Jones等，Robotica，2011）——正是这一步推动了3D打印走向大众。

现在，把最早的机器与今天的设备比较一下。光固化打印机仍然逐层曝光树脂，FFF打印机仍然通过喷嘴挤出熔融塑料。从基本工艺看，今天最方便的打印机，与最早的开源设备和最早面向大众的低价设备并没有区别。

那么，到底发生了什么变化？变化的是技术周围的一切：

• 稳定性。传感器、自动调平、首层检测、错误识别。
• 易用性。打印机开箱就能工作，不必花一周时间调试、翻论坛。
• 价格。过去价格相当于一辆汽车的设备，如今只相当于一台笔记本电脑。

有一家制造商正是在稳定性和易用性方面实现了巨大跨越。它实际上发明了3D打印机世界里的“智能手机”。智能手机出现以前，也有能上网、能拍照的手机。智能手机并没有发明全新的通信物理原理，只是让这些功能变得人人都能方便使用。3D打印机也经历了同样的变化。这当然是件好事。

但总体而言，几十年间并没有出现惊天动地的技术突破。难免有些遗憾，不过事情也没有那么糟。

把全彩打印放到桌面上

未来几周，市场即将迎来一次震动：桌面级全彩打印机CJ270将上市。它采用喷墨式光敏树脂打印技术：打印头喷出青、品红、黄、黑、白和透明六种基础树脂的微小液滴，每一滴随后立即被紫外线固化。另外还有独立的水溶性支撑材料。层厚为7微米，成形空间为180 × 120 × 100毫米，整机重量33.5千克，预订价格约4000美元（制造商网站）。

这种技术本身并不新鲜。全彩打印早已存在，只是过去主要以工业设备的形式出现。这里需要区分两种不同的技术：

• 喷墨式光敏树脂打印。打印头喷出液态树脂，再由光使其固化，可以得到表面光滑、细节丰富的模型，包括透明模型。
• 粉末粘结剂喷射打印。打印头在石膏或聚合物粉末层上喷射彩色粘结剂。色彩效果不错，但零件比较脆，表面也较粗糙。

采用这两类技术的工业全彩设备，价格通常从800万卢布起，重量从200千克起。这是专业服务机构使用的设备，而不是普通工作室的配置。

这款新设备则体积较小，价格也相对亲民。它可以放在中等规模的生产企业、设计办公室，甚至家中。产品的真实色彩模型、医学模型、包装原型、建筑模型——不必再涂装，也不用交给外部服务机构制作。这正是我们长期以来所缺少的能力。

请再次注意：这并不是新的物理原理，而是把工业技术带到桌面上。是演进，不是革命。

再往后呢？复制机？

那么，接下来会怎样？又是几十年没有突破？还是已经可以期待《星际迷航》里的复制机——只用一种原料，就能制造任何东西的机器？

先说复制机：不，未来10至15年，我们看不到它。

我尽量用简单的话解释，也请物理学家原谅其中的简化。设想中的复制机是这样工作的：倒入一种粉末或液体，出来的却可以是金属、塑料、玻璃，理想情况下甚至是有机物。几乎就像生物体能够利用干细胞生成各种组织一样。

问题在于，金属、塑料和玻璃由不同的化学元素组成。钢主要由铁和碳构成，塑料主要涉及碳和氢，玻璃主要涉及硅和氧。如果原料中没有所需元素，就无从获得它们。化学可以重新排列原子、组合出新的分子，但要把一种元素变成另一种，只能依靠核反应。

因此，复制机有两条路可走，而这两条路目前都还很遥远。

第一条路，是像搭积木一样，用原子组装物质。科学在这方面已经取得了令人惊叹的进展。早在1989年，物理学家就在镍晶体表面用35个氙原子排列出文字，首次展示了逐个操控原子的能力（Eigler、Schweizer，Nature，1990）。2016年，诺贝尔化学奖授予了分子机器研究——能够旋转、移动并做功的分子（诺贝尔奖委员会）。2021年，研究人员利用原子力显微镜的针尖，真正实现了逐个分子组装有机结构（Zhong等，Nature Chemistry，2021）。

听起来像是复制机的开端。但看看实验条件：温度约为−268 °C、超高真空，而得到的结果只是由两三个分子组成的结构。若要这样组装一克物质，需要安置大约10²²个原子。从实验室纪录到桌面上的实际零件，中间相隔二十多个数量级。

第二条路，是把一种元素转变成另一种。这已经属于核物理领域。而令人意外的是，在这个领域，炼金术士的梦想早已实现。

1941年，哈佛大学的物理学家用快中子轰击汞，得到了金（Sherr、Bainbridge、Anderson，Physical Review，1941）。不过，数量极其微小，而且具有放射性，几天内就衰变了。2025年，欧洲核子研究中心的ALICE合作组报告称，大型强子对撞机在铅核碰撞过程中，也会把铅转变为金。2015至2018年间，共产生了约860亿个金原子核，相当于29皮克，而每个原子核仅存在不到一秒的时间（CERN，2025）。若要用这种方式获得哪怕一克金，对撞机也需要运行约1000亿年（LHC Deutschland，2025）。

所以，如果复制机有朝一日真的出现，我几乎可以肯定：它的第一个商业用途，就是把汞变成金。炼金术士已经等了一千年。我们也可以继续等，而机床需要的零件，暂时还是按现有方法来打印吧。

真正值得期待的，是技术共生

未来10至15年，真正值得期待的是不同技术的共生。

想象一台同时具备FFF和光固化打印能力的设备：零件的承力部分——外壳、加强筋、安装结构——通过喷嘴快速、低成本地挤出塑料；需要精细结构、光滑表面或透明效果的位置，则直接使用光敏树脂曝光成形。一台机器、一个程序，用两种工艺完成一个零件。

有人会说，这只是幻想。但思想家、发明家和有远见的人，从来不只以现有能力为起点。今天不现实的事情，明天可能成为现实，而且往往正是如此。

更何况，最初的尝试已经出现。2024年，研究人员改装了一台普通FFF打印机，为其增加光聚合能力。根据模型不同，打印时间缩短了30%至88%，零件的强度也有所提高，其中垂直方向强度提高了37%（Singh、Verma，Rapid Prototyping Journal，2024）。学术综述也介绍了其他把光固化打印与材料挤出结合的方式，并特别指出一个主要难题：热固性光敏树脂与热塑性塑料在界面处的结合较差（Nature旗下期刊综述，2024）。这是一道工程难题，而不是物理定律的禁止。通过选择相容材料和合适的连接几何结构，可以解决这一问题。

我预计，这类打印机将在未来5至7年内实现量产。

金属要复杂一些。金属粉末激光熔融需要惰性气氛腔体和高功率激光，在这样的条件下，光敏树脂会直接烧毁。因此，金属很可能沿着自己的路线发展。而这条路线已经清晰可见：在同一台机床中把金属沉积与铣削结合起来的混合设备，早已走出实验室、进入市场（Flynn等，International Journal of Machine Tools and Manufacture，2016）。沉积一层，立即铣削加工，再继续沉积。

还有一个基本限制：打印通常“从平台开始”。今天，几乎所有打印机都从平整的平台出发，自下而上逐层构建零件。这带来了支撑、层间薄弱以及几何形状受限等问题。多轴打印让工具能够从不同角度接近零件，从而突破这一限制。任务很复杂，但与为复制机重新排列原子相比，仍然简单得多。顺便说一句，机床制造商在半个世纪前就已为铣削解决了这一问题。

发展路径形成闭环

于是，一幅在3D打印故事中很少被完整展示的图景出现了。

增材制造从数控铣床中诞生，继承了它的控制语言，随后成为独立分支。此后几十年，它主要通过易用性、可靠性和价格不断演进，而不是依靠物理原理上的突破。如今，它正把工业技术带到桌面上。再往后，它又回到机床之中——不再是学生，而是伙伴：在混合制造设备里，一种技术添加材料，另一种技术把零件加工到所需精度。

复制机可以再等等。但您今天需要的零件，现在就有机会获得——关键是正确组合我们已经拥有的技术。