“目前３Ｄ打印已經實現了多個方面的突破。人造耳朵可幫助我國６７萬兒童擺脫耳朵不完全帶來的困擾。人造骨骼、人造肌肉組織甚至是人造細胞都將在不久的將來得到應用。”國家先進成形制造教育部重點實驗室副主任、清華大學機械工程系副主任林峰日前在中國科協科學技術傳播中心及北京市科協共同主辦、中關村天合科技成果轉化促進中心承辦的“產業前沿技術大講堂”３Ｄ打印及增材制造技術及其產業應用專場做主題報告時透露。
突破傳統制造“天花板” 讓設計想象走進現實
林峰介紹說，作為一項新技術，３Ｄ打印技術將傳統制造中的“切削”工藝變為“堆積”工藝，可以在產品內部不同位置放置不同的材料，該技術不僅具有數字制造、降維制造、堆積制造、直接制造和快速制造的技術特征，并在復雜結構的造型方面還具有獨特優勢。人造耳朵就是３Ｄ打印領域一個典型案例。
“通過計算機構建健康外耳的模型，并通過鏡像得到目標外耳的模型，然后通過３Ｄ打印機，用特殊的材料打印出外耳，進而移植到患者耳部。這種技術不僅能保證再造耳與健康外耳形狀對稱，還能使患者免去傳統手術造成的疤痕之痛。”林峰說。
不僅如此，３Ｄ打印還能完成在現實生活中許多運用傳統加工技術難以完成的結構造型，且制造過程中不會出現材料浪費的現象。對此，受邀參加此次產業技術大講堂的全國３Ｄ大賽組委會副主任兼秘書長、３Ｄ動力集團總裁魯君尚深有感觸：“此前設計師在設計零件時，要考慮工藝性。一些設計科班出身的畢業生步入工作崗位后，之所以常被車間的師傅笑話，原因在于其設計作品雖然很好，但卻不具備可制造性，也就是說他沒考慮工藝性。而３Ｄ打印不僅釋放了設計師的靈感，也讓更多不懂制造的人加入到了制造的行列。”
能做一些傳統工藝難以做到的“奇形怪狀”的結構只是３Ｄ打印應用的“冰山一角”。目前，３Ｄ打印技術已在航空航天等領域得到了初步應用。２０１６年２月，工業和信息化部、財政部等印發《國家增材制造產業發展推進計劃（２０１５－２０１６年），明確將增材制造作為航空航天制造等高端裝備制造及修復的重要技術手段。
航天一院總體設計部箭體結構設計室副主任（高級工程師）王婧超在此次大講堂討論環節中介紹說，火箭結構這類飛行器、運行器的重量很大，如果能在不影響其功能的前提下減輕其重量，將對增加有效載荷起到很大的貢獻，可實現運載更多的東西進入太空。基于這樣的考慮，長征五號在研制過程中首次全面采用了先進的數字化設計，開創了火箭型號數字化研制的先河，其主承力構件鈦合金芯級捆綁支座就是３Ｄ打印出來的，它的強度不但不比用傳統方法制造出來的高強鋼支座低，反而更高，而且重量減輕３０％，加工速度也更快。
根植行業細分領域 技術瓶頸待突破
“航空航天領域的３Ｄ打印應用正熱火朝天，但很多技術在實際應用中仍是摸著石頭過河。有的零件可以用３Ｄ打印，但零件所處的溫度和運動條件一旦變了，就不一定行了。”王婧超坦言。
除了核心技術有待突破外，３Ｄ打印材料短缺也是制約該技術發展的重要瓶頸之一。據了解，目前增材制造的材料僅１００多種，而傳統減材制造、等材制造的材料有數萬種。其次，材料的性能還不夠穩定，且材料的通用性比較差、成本高企，這些制約著３Ｄ打印在工業領域應用的進一步發展。
據魯君尚介紹，以目前在３Ｄ打印工業應用中使用最多的鈦合金材料為例，其１千克的價格為２０００－３０００元左右。這意味著做一個２０多千克的零件要花５、６萬元，而傳統鑄造業只需幾百元就能搞定，這使得３Ｄ打印在“高精尖”以外的其他工業領域難以推廣開來。同時，材料的豐富性問題也是其團隊在實踐中遇到的困難。不少材料難以做到工業需求的抗疲勞和高溫耐久等特性，很多應用施展不開。
此外，業內對３Ｄ打印材料的投入還不夠，材料市場尚未形成充分競爭。不少３Ｄ打印巨頭又做設備又做材料，材料與設備捆綁式銷售，相對封閉的系統導致成本難以降下來。
對此，參加此次大講堂討論的天使百人會合伙人周洛宏表示十分關注。他說：“設備核心部件有沒有突破，３Ｄ打印材料是不是高質量、低成本，制造工藝有沒有創新等因素依舊是投資人最為關注的話題。”
周洛宏進一步解釋說，目前３Ｄ打印在經歷了前幾年的市場追捧后漸趨冷卻，甚至進入“寒冬”。據了解，２０１３－２０１５年，３Ｄ打印一度成為學術界、產業界爭相關注的焦點，吸引了一大批跨界資本聞風而至，紛紛涉足項目、設備和應用投資。然而，短暫的繁榮表象的背后，３Ｄ打印卻遭遇了裝備及核心器件、成形材料、工藝及軟件等產業基礎薄弱、關鍵核心技術有待突破等一系列“成長的煩惱”，以至于在剛剛過去的２０１６年一年中，資本追逐一度冷卻，出現了“叫好不叫座”的現象。究其原因，一是產品精度不盡如人意。影響產品精度的因素有很多，比如打印機本身的精度，打印過程中工藝參數的設定等。二是打印成本太高。目前，國內３Ｄ打印技術并不成熟，３Ｄ打印設備的核心部件、材料等仍然受制于國外，導致采購成本大幅提高。三是目前跨界資本紛紛涉足３Ｄ打印領域，導致市場上的３Ｄ打印設備、項目和市場應用魚龍混雜。
“現階段，３Ｄ打印主要解決的是生產發展中的剛性需求問題，那種利用３Ｄ打印制造一切的做法，我認為并不明智。未來３Ｄ打印的方向必然是按照行業細分領域深入發展，只要扎根設備、設計、材料、工藝等任何一個分支，將其做大做強，都會贏得市場。”魯君尚說。
產業前景廣闊 可與傳統制造互為補充
有鑒于國內３Ｄ打印產業面臨的種種瓶頸，此前出臺的《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》明確提出，“十三五”期間，我國將從突破鈦合金、高強合金鋼、高溫合金、耐高溫高強度工程塑料等增材制造專用材料；搭建增材制造工藝技術研發平臺，提升工藝技術水平；研制推廣使用激光、電子束、離子束及其他能源驅動的主流增材制造工藝裝備；加快研制高功率光纖激光器、掃描振鏡、動態聚焦鏡及高性能電子槍等配套核心器件和嵌入式軟件系統，建立增材制造標準體系等方面著手推動３Ｄ打印產業的發展。
林峰表示，３Ｄ打印技術未來有著廣闊的發展空間，例如一是應用于航空航天領域的功能部件直接制造，尤其是高性能金屬零件的制造。二是應用于生物材料和活細胞的三維打印。這樣一來就可在患者用藥前，先把感染細胞抽出來培養，然后打印出來，用打印出的感染細胞試藥，實現個性化治療。三是應用于藝術創造的三維打印，比如服飾、建筑等。四是實現個人家庭桌邊三維打印。
“盡管發展空間廣闊，但是，３Ｄ打印并不能夠替代傳統制造，其發展方向應該是與傳統技術相結合，互為補充。”林峰認為，３Ｄ打印與傳統鑄造技術的結合，能補足３Ｄ打印韌性不足、易斷裂的缺陷。但在重型、大型裝備制造方面，３Ｄ打印能推動大項目更有效率的進行。”（本報記者 李洋）
轉自：中國高新技術產業導報
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