3D打印：第三次工業(yè)革命的重大標(biāo)志

2012年4月，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》刊文認(rèn)為，3D打印技術(shù)將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起，推動(dòng)第三次工業(yè)革命的實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)制造技術(shù)是“減材制造技術(shù)”，3D打印則是“增材制造技術(shù)”，它具有制造成本低、生產(chǎn)周期短等明顯優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”。

3D打印技術(shù)的發(fā)展前景如何？中國能否抓住這一技術(shù)變革帶來的機(jī)遇，在工業(yè)制造上趕超發(fā)達(dá)國家？記者對(duì)此進(jìn)行了調(diào)查采訪。

3D打印最大優(yōu)勢(shì)在于拓展設(shè)計(jì)人員的想象空間

只需在電腦中繪制一個(gè)三維鼠標(biāo)圖，按下“確定”鍵，一個(gè)實(shí)實(shí)在在的鼠標(biāo)外殼就可“打印”出來

按照傳統(tǒng)的制造方法，制造一個(gè)普通的鼠標(biāo)外殼，大約需要七八道工序：繪制草圖、制作泥模、雕刻鼠標(biāo)原型、生產(chǎn)出模具、用壓力將熔融的塑料注進(jìn)模具，再冷卻成型……

如果借助3D打印，你只需要在電腦中繪制一個(gè)三維鼠標(biāo)圖，按下“確定”鍵，稍等一會(huì)兒，一個(gè)實(shí)實(shí)在在的鼠標(biāo)外殼就可“打印”出來。

從復(fù)雜的工業(yè)零件到日常生活中的鍋碗瓢盆，只要有三維數(shù)據(jù)和相應(yīng)的材料，無需借助模具或刀具，就可以被“打印”出來。

3D打印技術(shù)為何如此神奇？

據(jù)專家介紹，3D打印參照的是打印機(jī)技術(shù)原理，分層加工：將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的物體分解成若干層平面數(shù)據(jù)，然后把金屬、陶瓷等粉末材料按平面數(shù)據(jù)燒結(jié)，形成一個(gè)平面形狀，再通過層層累積疊加，生成一個(gè)立體物體。

與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)不同，3D打印將多維制造變?yōu)楹?jiǎn)單的由下至上的二維疊加，從而大大降低了設(shè)計(jì)與制造的復(fù)雜度。同時(shí)，3D打印還可以制造傳統(tǒng)方式無法加工的奇異結(jié)構(gòu)，尤其適合動(dòng)力裝備、航空航天、汽車等高端產(chǎn)品上關(guān)鍵零部件的制造。

華中科技大學(xué)快速制造中心是我國最早研發(fā)3D打印技術(shù)的單位之一，該中心主任史玉升認(rèn)為，3D打印技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于能拓展設(shè)計(jì)人員的想象空間：“只要能在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)成三維圖形的東西，無論是造型各異的服裝、精美的工藝品，還是個(gè)性化的車子，如果材料問題解決了，都可以打印。”

史玉升甚至這樣暢想：將來的某一天，準(zhǔn)備出國的人在出門前覺得所穿鞋子太大眾化了，可以自己設(shè)計(jì)并“打印”出一雙獨(dú)一無二的鞋子；然后開著早已“打印”好的個(gè)性化的轎車奔向機(jī)場(chǎng)；登上飛機(jī)得知，這是一架“打印”出來的飛機(jī)……

加工成本低、生產(chǎn)周期短、節(jié)省材料

大到飛行器、賽車，小到服裝、手機(jī)殼都可3D打印。美國小型家用3D打印機(jī)“每4公里有一臺(tái)”。中國正開發(fā)一款1萬元左右的3D打印機(jī)，將向?qū)W校推廣

與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，3D打印具有加工成本低、生產(chǎn)周期短、節(jié)省材料等明顯優(yōu)勢(shì)，從航空、動(dòng)力裝備到醫(yī)療、體育、影視等諸多領(lǐng)域，均可大顯身手。

事實(shí)上，在美英等國，3D打印技術(shù)已有較為廣泛的應(yīng)用。

大到飛行器、賽車，小到服裝、手機(jī)殼，制造廠家借著3D打印的東風(fēng)，煥發(fā)出新的生命力。由于3D打印制品能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自然無縫連接，從而達(dá)到傳統(tǒng)制造方法遠(yuǎn)不可即的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度，已成為國外研究空間飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。據(jù)悉，美國國家航空航天局正在研究一項(xiàng)被稱為“未來3D打印宇宙飛船”的技術(shù)，希望通過3D打印，制造出“廉價(jià)的機(jī)器人宇宙飛船”。

在美國，價(jià)格低、操作簡(jiǎn)便的小型家用3D打印機(jī)已到了“每4公里范圍內(nèi)有一臺(tái)”的普及程度，其購買量不斷攀升。

在我國，華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等高校和科研機(jī)構(gòu)也相繼研發(fā)出多種系列的3D打印機(jī)，部分技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

史玉升介紹，一些鑄造企業(yè)應(yīng)用他們研發(fā)的選擇性激光燒結(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10天左右；某發(fā)動(dòng)機(jī)制造商采用他們的設(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。

目前，他們正在開發(fā)一款1萬塊錢左右的3D打印機(jī)，將來向?qū)W校推廣。“3D打印技術(shù)可以讓孩子們迅速將自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)變成實(shí)物，有助于提高中小學(xué)生的創(chuàng)新、設(shè)計(jì)和動(dòng)手能力。”

“金屬3D打印技術(shù)開辟了骨科植入技術(shù)的新紀(jì)元，使多孔生物學(xué)固定表面制造瓶頸迎刃而解。”上海交通大學(xué)李祥教授說，他們正致力于將此技術(shù)運(yùn)用到臨床醫(yī)學(xué)治療中。北京航空制造所基于3D打印技術(shù)研發(fā)了國內(nèi)第一臺(tái)電子束熔絲沉積成型設(shè)備，大幅提升了材料的利用率，減少了銑切量，縮短了制造周期。

有專家認(rèn)為，3D打印作為一項(xiàng)顛覆性的制造技術(shù)，誰能夠最大程度地研發(fā)、應(yīng)用，就意味著掌握了制造業(yè)乃至工業(yè)發(fā)展的主動(dòng)權(quán)。

中國被認(rèn)為有望成為最大3D打印業(yè)國家

目前3D打印技術(shù)尚不具備取代傳統(tǒng)制造業(yè)的條件，在大批量制造等方面，高效低成本的傳統(tǒng)減材制造法更勝一籌

《國際增材制造行業(yè)發(fā)展報(bào)告》顯示，3D打印技術(shù)2011年全球直接產(chǎn)值為17.14億美元，年增長達(dá)29.1%。隨著我國3D打印技術(shù)的不斷突破和全球市場(chǎng)份額的增加，美國得克薩斯州大學(xué)Davidl·bourell教授預(yù)言：中國有望成為最大的增材制造業(yè)國家。

不過，讓夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的3D打印技術(shù)，目前還有一些短板。

“由于增材制造的材料研發(fā)難度大，導(dǎo)致3D打印制造成本較高；金屬材料成形的制造效率不高，每小時(shí)大約只有100到3000克。”西安交通大學(xué)盧秉恒院士指出，目前增材制造技術(shù)在我國主要應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)，還面臨制造精度不高等實(shí)際問題。

據(jù)了解，增材制造技術(shù)在我國重工業(yè)零部件制造方面得到一定應(yīng)用，但尚未進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)化，其工藝與裝備都有待進(jìn)一步開發(fā)。

華中科技大學(xué)王運(yùn)贛教授則認(rèn)為：未來傳統(tǒng)的減材制造法依然是主流，增材制造法是補(bǔ)充手段。他希望大家能理性看待3D打印，與長期使用的減材制造法進(jìn)行比較，以便更好地發(fā)揮增材制造法的優(yōu)勢(shì)，克服增材制造的缺陷。

就目前的形勢(shì)來看，3D打印技術(shù)尚不具備取代傳統(tǒng)制造業(yè)的條件；在大批量制造等方面，高效低成本的傳統(tǒng)減材制造法更勝一籌。

難以形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，是3D打印的軟肋。如何邁過這道坎兒，是目前科技界和工業(yè)界的待解難題。