增材制造技术(俗称3D打印)并非新鲜的技术,在上世纪80年代就得到了发展和推广,而在近两三年却受到了包括美国、中国等国家的高度重视。为什么时隔30年之后3D打印突然变得火热?它能解决什么问题?有没有产业化的基础?

 

   6月26日,工业和信息化部部长苗圩在“新工业革命与增材制造国际研讨会”上谈到,今天3D打印已经形成比较完整的技术体系,应用范围不断拓展,产业链 初步形成,市场规模快速增长。科技部部长万钢认为,由于3D打印在复杂化结构零部件加工、个性化定制等方面具有独特技术优势,其在航空航天、汽车、电子等 领域将具有相当广阔的应用前景。

 

  信息技术驱动3D打印

  在二三十年前,3D打印技 术就已经能用树脂或胶等材料制作产品。近几年,由于3D打印可处理的材料范围扩大到了金属材料,而且成功地将几十年前就有的工艺技术重新组合利用,例如结 合信息技术,使用激光和电子束进行表面工程和增材制造。此外,由于激光和电子枪等关键元器件品质不断提高等原因,使得3D打印技术更加成熟。而美国总统奥 巴马振兴美国制造的新举动——成立3D打印创新研究院,则推动3D打印立马在全球“火”了起来。

 

  北京航空制造工程研究所总工程师李志强 表示,3D打印技术具备诸多优点:第一是直接,从材料最简单原始的形态到直接成形,跨越了传统工艺的锻造、焊接、粗加工等环节;第二是快速,减少了物流环 节,制造周期缩短;第三是绿色,少了中间环节之后,基础零件不用再被反复冷却,降低了能耗;第四是柔性,可以发挥想象力设计出任意的文件;第五是赋予了传 统制造业变革的可能性,影响传统的流水线和大工厂生产模式,形成网络化生产。

 

  李志强认为,3D打印之所以突破瓶颈得以快速发展,主要驱 动力是信息技术,而不是工艺技术,数据处理能力的急速提升是很重要的因素。Materilise公司执行副总裁巴特先生举了一个例子,打印一个20厘米长 的铅笔盒,可能会需要2G到3G的数据,这就需要在打印的同时,在极短的时间内通过多重软件工序,处理掉这么庞大的数据。

 

  中国工程院院 士卢秉恒透露了3D打印技术发展的路线图:从3D打印发展到4D打印,再发展到5D打印。4D打印是通过智能材料打印成一个结构,在温度、环境发生变化以 后,这种材料可以发生变形,变成在工作状态下需要的结构。5D打印是指细胞打印,活体器官以“打印”的方式,通过生长因子,由干细胞繁殖变成母体。

 

  但是眼下,3D打印发展到今天,本身还存在不少发展瓶颈。

 

   李志强表示,首先是没办法保证零件是合格的。高端的零件没有打印标准,需要大量数据的积累、检测,快速形成过程中产生的一些微小的缺陷找不出来。其次是 无法保证连续熔化形成的组织的强度是稳定和足够的。现在3D打印出来的绝大多数组织还需要精加工、再加固,不是最终成型产品。最后是成本,现在基础零件增 材制造的成本较高,不过这个需要看具体的应用领域。例如制造飞机部件,3D打印更加经济,而对于多数普通产品的大规模生产,传统制造方法仍然优势更多。

  中国市场增长最快

  在同时举行的3D打印展会上,来自3D打印上下游相关的研发企业、软件 设计企业、制粉企业、设备提供商、服务商等展示了各自的产品和服务案例,既有侧重于使用树脂、塑料等材料的3D打印企业,也有金属3D打印企业,既有偏重 工艺品、金属零部件应用的3D打印企业,也有偏重打印牙齿、接骨板等医疗应用的3D打印企业,从纯树脂材料到树脂与金属材料结合,再到纯金属材料的打印产 品,均有所展现。

 

  北京太尔时代科技有限公司总裁郭戈说道,工业领域一直是3D打印技术最早最重要的应用领域,从产品的外形设计到复杂的 基础零件的直接制造,很多地方都已经用到了3D打印技术。随着3D打印技术的发展,各个民用领域也开始使用这个技术,比如医疗领域,可以用3D打印技术制 造患者的组织器官模型,帮助医生做手术规范;比如时尚领域,越来越多的设计师开始使用3D打印技术制造与众不同的时尚产品,像比基尼、高跟鞋,甚至是整套 的服装。

 

  3D打印的产业化最早出现在工业设计、牙科和医疗、航空航天、汽车等领域。世界知名的3D打印公司,多数都有打印牙齿、骨骼或是辅助临床医疗等类型的制造业务,例如美国的Stratasys公司,比利时的Materilise公司等。

 

   3D打印在医疗领域起到了不可估量的作用,可以更好地实现个体化、精准化、微创化和远程化的治疗。上海交通大学数字医学教育部工程研究中心的王成焘教授 举了个例子:曾经有1个女患者左腿严重畸形,运用常规的医疗手段无法为她实施矫正手术。医院方面根据实际情况使用了3D图像和打印技术,打印出1︰1的腿 部模型供医生研究,从而制定手术方案。手术1个月后,该患者就能下地走路。这种特定医疗案例还有很多,“3D打印技术在医学界给患者带来了更大的收益。” 他说。

 

  市场对于3D打印的未来似乎非常看好。据预测,到2025年,3D打印技术潜在的经济影响将达到2300亿美元~2500亿美 元。中国电子信息产业发展研究院副院长杨拴昌表示,虽然2012年全球3D打印的产值只有22.04亿美元,但是过去3年,3D打印的市场规模年均增速超 过了25%,而且可能会迎来几何级的爆发性增长。其中中国国内,大约产生了5亿元人民币的销售收入。

 

  中国市场是外企非常看好的市场。 Stratasys公司亚太与日本地区总经理Jonathan Jaglom向透露,中国将是3D打印很重要的市场,而且这个想法在不断被证实是正确的。Stratasys公司在全球73个国家都有3D打印产品的销 售,而中国市场是这73个国家市场里面增长最快的一个。

 

  尚不能大规模生产

  不过,和市场对3D打印火热的关注相比,不得不说的是目前的3D打印还在幼稚期。万钢认为,3D打印还处于初始发展期,涉及到的软件、服务等若干关键技术还有待攻克。

 

   对于3D打印,争议比较多的是它是否会引起生产模式的变化。比如一件复杂产品的设计变成了数据模型,工艺由打印机完成,普通大众不用学习传统的复杂制造 工艺,只需要操作电脑就可以生产出产品,这样大工厂的流水线生产模式可能又能回归到原始的家庭作坊。对此,巴特指出,3D打印可以生产的产品实际上还是受 限制的,达不到大规模生产的地步,后者仍需要通过传统的集中生产来进行。但是,对一些使用比较少的部件,3D打印应该是一个比较好的方式。

 

   3D打印所起到的作用更多的是个性化生产,而不是大规模制造。“千万不要有3D打印的出现,就有否定传统的制造工艺的想法。对于大规模制造而言,铸造锻 造都不可替代,成本上竞争不过,质量上、稳定性上更不用说,所以在现阶段,3D打印是在某些特定情况下使用。”李志强坦言。

 

  李志强认为,发展3D打印技术需要注重全产业链的协调发展,首先是材料的问题必须同步或是提前解决,其次是装备,例如激光器、电子枪的性能还不是很高,设备也不够智能化,对轨迹的控制、熔化的控制还不是那么准确,最后是国产的处理数据的软件也存在或多或少的缺陷。

 

   当前,3D打印处于研究开发和产业化发展并行阶段。杨拴昌建议,推动3D打印快速发展,一是需要加强顶层设计和宏观引导,制定技术路线图,明确产业发展 规划;二是将之纳入战略性新兴产业、国家科技重大专项,加快发展;三是凝聚行业力量推进政策和标准制定;四是加强地方引导,希望地方政府能够明确发展重 点,避免盲目发展和重复建设。