3D打印首次上天，中国工厂要开在太空？
3D太空打印已经来了，人类太空开厂还会远吗？
2020年5月5日，长征五号B运载火箭首飞成功。有趣的是，除了搭载我国新一代载人飞船试验船之外，火箭还搭载了一台“3D打印机”。
这次打印的对象有两个，一个是蜂窝结构(代表航天器轻量化结构)，另外一个是CASC(中国航天科技集团有限公司)标志。
问题来了，我们为什么要在太空进行3D打印呢？
在人类探索太空的过程中，设备和材料的“补给线问题”，一直阻碍着人们飞向更遥远的空间。
比如，2003年2月1日美国东部时间上午9时，美国“哥伦比亚”号航天飞机在得克萨斯州北部上空解体坠毁，7名宇航员全部遇难。
根据后来信息反馈，哥伦比亚航天飞机事故在航天飞机在返回地球前，航天员其实已经发现了航天飞机左翼的缺陷，也就是这个缺陷导致了惨痛事故的发生。
但根据当时NASA的仿真分析，在当时的条件下开展太空在轨维修的风险非常高，在这样潜在危机下，最终酿成惨案。
因此，这也给航天航空留下了非常重要的警示：在轨的应急维修能力是保障航天安全的重要手段。
那么，如果能够在太空中，或者在空间站中快速制造出所需要的工具和备件，不仅可以节约宝贵的空间，同时也能及时响应航天安全问题，提升应急维修能力。
显然，3D太空打印的成功，就像当年的阿姆斯特朗一样，无疑是在空间站制造工具上跨出了历史性的一步。
比如，这次我国首次的太空3D打印实验，也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。
什么是连续纤维增强复合材料？
它是当前国内外航天器结构的主要材料，具有密度低、强度高的特点。开展复合材料空间3D打印技术研究，对于未来空间站长期在轨运行、发展空间超大型结构在轨制造，都具有重要意义。
在这次任务中，3D打印机在解锁、打印、录像、跳转、锁定等整个过程中各项操作都是程序控制，无人干预，而且根据不同的突发情况还设定了不同的应急措施和备用路径。而它干活时的能耗，只相当于一只普通的白炽灯。
回顾3D打印技术，最早可以追溯到1976年喷墨打印机的发明，1984年查尔斯胡尔将光学技术应用于快速成型领域，拉开了3D打印的帷幕。
20世纪80年代以后，3D打印行业受到国内外的广泛关注，各种3D打印技术也在多个行业应用并发展，如今已覆盖了制造、医疗、学术、航空航天和军事等多个领域。
在2011年，全球3D打印行业整体收入仅为17.14亿美元，而到2015年就已达到51.65亿美元，复合增速超过30%。根据最新市场研究机构IDC预计，2019年全球3D打印的市场规模达到了138亿美元，比2018年扩大21.2%。
中国从1991年开始研究3D打印技术，当时的名称叫快速原型技术，国内也在不断跟踪开发。2000年前后，这些工艺从实验室研究逐步向工程化、产品化转化。
由于做出来的只是原型，而不是可以使用的产品，而且国内对产品开发也不重视，大多是抄袭，所以快速原型技术在中国工业领域普及得很慢，全国每年仅销售几十台快速原型设备，主要应用于职业技术培训、高校等教育领域。
2000年以后，清华、华中科大、西安交大等高校继续研究3D打印技术。
西安交大侧重于应用，做一些模具和航空航天的零部件；华中科技大学开发了不同的3D打印设备；清华大学把快速成形技术转移到企业后，把研究重点放在了生物制造领域。
相比全球平均水平，我国的3D行业的市场规模增速更加惊人。2011年国内3D打印行业整体收入仅为约10亿元人民币，到了2018年，我国3D打印行业规模超过了200亿元人民币，始终保持每年60-100%的增速。
对于3D打印桌面级市场而言，竞争已经“白热化”，加上利润低、精度差、实用性欠佳，其天花板效应明显。早在2017年，国内桌面3D打印机出货量增长27%，其中约95%是个人或桌面打印机，其平均价格低于1000美元。
相比而言，工业级3D打印机出货量虽然只增长了5%，但营收占总收入的80%。所以，虽然消费级设备支撑了出货量，但工业级设备支撑了整个行业的销售收入。
在3D打印产业链中，主要包括基础配件、辅助运行、3D打印材料、3D打印设备和产品应用5个环节。
从产业布局来看，北京和上海聚集了主要扫描仪和控制软件厂商，以及3D打印机用关键核心零部件的相关厂商。
从3D的打印设备层面，湖北和陕西在金属材料3D打印领域具有一定的基础。广东在辅助设计、个性化定制、艺术创意等应用服务层具有明显优势。
京津冀地区：3D打印产业发展位于全国领先水平，形成了以北京为核心、多地协同发展，各具特色的产业发展格局。
长三角地区：具备很好的经济发展优势、区位条件和制造业基础，已初步形成包括材料、设备和服务的全3D打印产业链。
珠三角地区：国内3D打印应用服务的高地，主要分布在广州、深圳、东莞等地。
中西部地区：国内3D打印材料的产业化重地，集聚一批龙头企业。
目前，在3D打印产业的行业应用方面，工业产品占比达到55%，民用产品较为丰富，占到29%，产值规模不断提升。在具体的应用领域方面，直接制造占到35%，另外，模型打印和原型打印的占比也比较高。
那么，3D打印有什么优势与缺陷呢？
优势一：降低产品制造的复杂程度
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、切削以最终生产产品不同，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。
优势二：扩大了生产制造的范围
这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸，可以造出任何形状的物品。
优势三：缩短生产制造的时间，提高效率
用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定，而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。
优势四：减少产品制造的流程
实践了首件的净型成形，这样后期辅助加工量大大减少，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度，尤其适合一些高保密性的行业，如军工、核电领域。
优势五：即时生产且能够满足客户个性化需求
3D打印机可以按需打印，即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求。
优势六：开发出更加丰富多彩的产品
传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受限于所使用的工具。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。
优势七：提高原材料的利用效率
与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。
优势八：提高产品的精确度
扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率，我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。
缺陷一：3D产品难以批量复制。3D在个性化乃至小规模生产中独具特色，但是在批量生产方面无法实现。
缺陷二：制作过程相对复杂，尤其是对于复杂结构的产品，需要各种结构信息的采集，打印设备的矫正。
缺陷三：材料的突破。3D打印可以应用到很多场景，但是材料和打印工艺、技术与传统制造工艺相比没有优势，这些需要产业界更好的协作推进。
缺陷四：成本较高，不可复制性也是成本提升的重要原因之一。技术标准、政策体系不够完善，教育和培训制度急需加强，专业人才比较缺乏。
缺陷五：实用性不强，对于一些产品往往只能打印外壳或者样机，无法像原型样机那样具有产品的全部功能。
作为快速成型机，3D是用于完成各类制造工程中等级最低的共通部分。这导致的结果是，这些机器可以做很多事，但做得好的却极少。
这不是因为材料特殊或控制太先进复杂而造成的困境，而真正制约3D打印技术创新的是我们看待这些技术的方式：只把它看作单一的部件制造，而缺乏系统性。
目前，国内从事3D打印技术研发的科研机构和企业“小而零散，各自为战”，3D打印的产业化还需一个漫长过程。
产业整体缺乏创新力，而且研发集中在设备上，材料和软件却跟不上形成配套，短板的存在限制了整个产业的齐头并进与进一步发展。
1、产业规模化程度不高
3D打印技术大多还停留在高校及科研机构的实验室内，企业规模普遍较小；而且3D打印技术主要集中在设备制造方面，材料制造和软件设计等还没有配套齐全。
2、技术创新体系不健全
创新资源相对分割，行业标准、检验检测、研发等公共服务平台缺乏，尚未建立起产学研用相结合的技术创新体系。
3、产业管理亟待加强
3D打印产业的发展需要完善的供应商和服务商体系、市场服务平台，产业需要成立相关协会对产业发展管理、监督甚至统筹规划。
4、教育和培训制度急需加强
在机械、材料、信息技术等工程学科的教学课程体系中，缺乏与3D打印相关的必修环节，3D打印停留在部分学生的课外兴趣研究层面。
我国3D打印技术并非是对传统制造技术的取代与挑战，而是通过与传统制造的融合，对现有生产模式、供应模式、商业模式加以补充和革新。
随着我国3D打印技术的成熟和软件系统完善，将会在设计、生产过程控制、后处理等当前生产系统的各个环节实现无缝对接，推动3D打印融入现有生产体系，实现规模化应用。
