從打印模型到打印器官 3D打印無孔不入

        以3D打印技術(shù)為代表的數(shù)字化制造模式，曾被《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”，近年來在全球持續(xù)升溫、熱潮頻襲。3D打印與傳統(tǒng)制造方式不同的特性，及其理論上“無孔不入”的打印可能，觸動(dòng)了科技界、產(chǎn)業(yè)界的敏感神經(jīng)。 
        然而，這一制造技術(shù)是否真如設(shè)想中那么美好？我國(guó)與世界先進(jìn)水平有哪些差距？產(chǎn)業(yè)前景又在哪里?熱鬧之后，還需深思。 
        5月29日—31日，2013世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)在北京召開，再一次把這些問題推向前臺(tái)。 
        ——編 者 
        應(yīng)用

        無法替代傳統(tǒng)制造方式，成本、材料因素限制市場(chǎng) 
        3D打印上世紀(jì)80年代誕生于美國(guó)，學(xué)名是“增材制造”，是將材料一次性熔聚成型的制造方式，與傳統(tǒng)對(duì)原材料進(jìn)行切削等的“減材制造”方法相反。 
        “與蓋樓過程一樣，3D打印也是從地基建起，通過打印材料的層層疊加，終形成一個(gè)完整的立體物品。”華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授史玉升說，理論上，塑料、金屬、陶瓷、沙子等材料做成粉狀物后都可以用作打印的“墨水”。 
        新產(chǎn)品在實(shí)際制造成型后，可能與原設(shè)計(jì)有出入，因此量產(chǎn)前常常需要樣品驗(yàn)證，3D打印正好發(fā)揮了其在單件或小批量生產(chǎn)上的優(yōu)勢(shì)。另外，3D打印在高端尤其是復(fù)雜零件加工上有較大潛力。傳統(tǒng)制造方法需要經(jīng)過開模具、鑄造或鍛造以及精加工，費(fèi)時(shí)費(fèi)料。而3D打印的一次成型技術(shù)，能夠打印出設(shè)計(jì)好的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，節(jié)約了材料，降低了零部件的研制周期和成本。 
        “有一家鑄造企業(yè)用選擇性激光燒結(jié)3D打印機(jī)，將復(fù)雜鑄件的交貨期由傳統(tǒng)的3個(gè)月縮短到了10天左右，”史玉升舉例說，“還有某發(fā)動(dòng)機(jī)制造商采用這樣的設(shè)備，把大型六缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋砂芯的研制周期，由過去的5個(gè)月縮短至1周左右。” 
        速度快、省材料、能輕松應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品……既然身兼種種特長(zhǎng)，3D打印技術(shù)已誕生30多年，為什么一直沒發(fā)展起來?

        中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書長(zhǎng)羅軍認(rèn)為，關(guān)鍵在于3D打印技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)的替代作用不強(qiáng)。雖然在部分產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)和模具生產(chǎn)上頗有優(yōu)勢(shì)，但在大批量生產(chǎn)上，3D打印的速度和成本其實(shí)都比不過傳統(tǒng)制造方式。打印材料品種的單一和昂貴的成本，使其局限于對(duì)價(jià)格敏感度不高的產(chǎn)品，市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域有限。 
        “3D打印技術(shù)只是傳統(tǒng)制造業(yè)的補(bǔ)充。”史玉升表示。羅軍也認(rèn)為，3D打印技術(shù)擅長(zhǎng)解決個(gè)性化、復(fù)雜化、高難度的生產(chǎn)技術(shù)，而傳統(tǒng)制造業(yè)擅長(zhǎng)批量化、規(guī)?；途婊纳a(chǎn)，兩者是互補(bǔ)關(guān)系，“不是誰(shuí)替代誰(shuí)的問題”。 
        在羅軍看來，3D打印技術(shù)沒得到大發(fā)展的另一個(gè)原因在于，國(guó)內(nèi)3D行業(yè)“小而散”的局面影響了產(chǎn)業(yè)的推廣。因此，去年10月15日，中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，集合了國(guó)內(nèi)40多家從事3D打印的企業(yè)和科研單位。羅軍希望通過聯(lián)盟形成合力，以行業(yè)抱團(tuán)發(fā)展模式逐步打開市場(chǎng)。 
        現(xiàn)狀

        設(shè)備、材料及應(yīng)用領(lǐng)域與國(guó)外尚有差距，活體組織打印是未來重要方向 
        發(fā)展3D打印技術(shù)，中國(guó)其實(shí)起步并不晚。這方面的研究在上世紀(jì)80年代末就已開始，研究力量集中在西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)和清華大學(xué)等高校。 
        目前，這3所高校仍是我國(guó)3D打印技術(shù)的研究重地，其中西安交通大學(xué)側(cè)重研究光固化技術(shù)，華中科技大學(xué)的優(yōu)勢(shì)在于激光粉末燒結(jié)技術(shù)，而清華大學(xué)則側(cè)重塑料堆積技術(shù)。 
        史玉升表示，我國(guó)生產(chǎn)的3D打印機(jī)裝備功能已經(jīng)接近國(guó)際先進(jìn)水平，兩者的差距主要體現(xiàn)在裝備的可靠性和材料研發(fā)上。“部分3D打印機(jī)的關(guān)鍵器件需從國(guó)外進(jìn)口，而用國(guó)產(chǎn)零件生產(chǎn)的打印機(jī)穩(wěn)定性不夠。”此外，我國(guó)在材料質(zhì)量和品種上還遠(yuǎn)不如美國(guó)、德國(guó)豐富，許多研發(fā)的實(shí)驗(yàn)材料也需要進(jìn)口。 
        “更大的差距體現(xiàn)在應(yīng)用上。” 史玉升說，在國(guó)外，3D打印技術(shù)已經(jīng)在新產(chǎn)品開發(fā)、生物醫(yī)療、航空航天、影視教育創(chuàng)意等方面有較多應(yīng)用，而我國(guó)還主要局限于模具打印、文化創(chuàng)意產(chǎn)品等少數(shù)領(lǐng)域。 
        另外，在西方國(guó)家，3D打印技術(shù)可以打印出個(gè)性化的假牙、假肢，在醫(yī)療健康領(lǐng)域已經(jīng)取得成效。不過，“假”的東西并不能讓人們滿足。“未來3D打印技術(shù)一個(gè)前沿方向是研究如何打印‘活’的人體‘零件’。”史玉升說，只要能找出與人體相容的材料，打印出網(wǎng)狀物，再把人體的細(xì)胞放上去培養(yǎng)，就能制造出真正的人體組織了。 
        不過，當(dāng)前打印人體器官還只是一種科學(xué)愿景，這依賴于打印材料和技術(shù)上的突破，并需要開展生物、醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科來交叉研究。 
        雖然還有不小差距，但3D打印技術(shù)已經(jīng)算是我國(guó)制造行業(yè)與國(guó)外先進(jìn)水平差距很少的技術(shù)之一，部分領(lǐng)域幾乎同步，在某些方面還具有自身特色和一定的優(yōu)勢(shì)。北京航空航天大學(xué)的王華明教授曾打印出世界上大的鈦合金復(fù)雜構(gòu)件，產(chǎn)品整體性能遠(yuǎn)超鍛件。 
        史玉升認(rèn)為，中國(guó)要從制造業(yè)大國(guó)走向強(qiáng)國(guó)，依靠當(dāng)前加工型的、技術(shù)含量低的生產(chǎn)手段難有根本改觀，國(guó)家應(yīng)加強(qiáng)對(duì)3D打印技術(shù)研究的支持。 
        據(jù)了解，我國(guó)從去年底已經(jīng)啟動(dòng)了中國(guó)工程院增材制造咨詢項(xiàng)目，為未來中國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。 
        前景

        未來3至5年是發(fā)展關(guān)鍵時(shí)期，工業(yè)級(jí)打印將成主要市場(chǎng)

        “現(xiàn)在只是3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化初級(jí)階段，未來3—5年將是3D打印技術(shù)為關(guān)鍵的發(fā)展機(jī)遇期。”羅軍表示。
據(jù)羅軍估計(jì)，產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立后，國(guó)內(nèi)3D行業(yè)統(tǒng)一了抱團(tuán)發(fā)展的思想，未來3年內(nèi)有望達(dá)到百億產(chǎn)值。而市場(chǎng)缺口打開后，國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)市場(chǎng)規(guī)模將保持至少一倍以上的增長(zhǎng)速度，有可能成為世界3D打印的中心。 
        美國(guó)沃勒斯合伙公司是全球知名的3D打印行業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)，已經(jīng)連續(xù)18年發(fā)布全球3D打印行業(yè)年度報(bào)告。其不久前發(fā)布的新報(bào)告顯示，2012年3D打印全球市場(chǎng)規(guī)模為22億美元，同比增長(zhǎng)了29%;其中3D打印機(jī)的銷售量同比上升了25%，其中有38%產(chǎn)自美國(guó)，8.5%來自中國(guó)。 
        報(bào)告還顯示，低端、愛好者級(jí)別的3D打印機(jī)銷售增速明顯放緩，工業(yè)級(jí)3D打印份額擴(kuò)大，制造商開始使用3D打印技術(shù)直接生產(chǎn)成品零件。 
        低端、愛好者級(jí)別的3D打印機(jī)常被稱為“桌面級(jí)3D打印機(jī)”，在美國(guó)售價(jià)通常在5000美元以下，可以用來打印文化創(chuàng)意小產(chǎn)品，缺點(diǎn)是精度不高。 
        沃勒斯合伙公司主席兼首席顧問特里·沃勒斯解釋，部分用戶因?yàn)楹闷鎳L試購(gòu)買桌面級(jí)別的3D打印機(jī)，但現(xiàn)在這一市場(chǎng)已經(jīng)逐漸接近飽和，3D打印行業(yè)的未來在工業(yè)級(jí)市場(chǎng)。目前美國(guó)有上百家“桌面級(jí)3D打印機(jī)”企業(yè)，未來均可能面臨倒閉的危險(xiǎn)。由于3D打印使用的塑料和金屬材料都很昂貴，產(chǎn)品精度也有限，他并不看好文化創(chuàng)意產(chǎn)品服務(wù)這一商業(yè)模式。 
        英國(guó)增材制造聯(lián)盟主席格瑞漢姆·卓曼表示，能推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的是工業(yè)級(jí)的應(yīng)用，而中國(guó)以中心工業(yè)城市集聚帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)、依靠政府支持是一種目前比較好的發(fā)展途徑，有利于工業(yè)級(jí)3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣。
        而羅軍認(rèn)為，3D打印技術(shù)要得到社會(huì)和用戶的認(rèn)可，就不能夠光停留在工業(yè)級(jí)的高技術(shù)含量的領(lǐng)域。“哪怕一個(gè)3D打印照相館、一間提供定制服務(wù)的工作室，也是對(duì)3D打印技術(shù)很好的推廣。”羅軍說，讓公眾真正了解3D打印技術(shù)，能為其今后大規(guī)模的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。