3D打印：从想象到现实

三维-小维尼

2021-03-30 09:37:32

3D打印既是调整制造业结构，促进制造业由大变强的重要手段，又是适合多品种、个性化制造，为创新设计释放巨大空间的新型业态。它是创新的利器，也是创业的平台，我省将抓住3D打印技术发展所带来的机遇，突破发展瓶颈，最大限度挖掘社会资源中蕴藏的创新创业潜力。

3D石窟出云冈
丝竹弦乐穿越时空而来，千年石窟的岁月痕迹触手可及。看着画面中雕刻精美、意蕴宏大的造像，让人仿佛置身于远在千里之外的云冈石窟。这是正在上海博物馆展出的云冈石窟第12窟“音乐窟”。国内“石窟界”数字化领域专家、云冈研究院数字化研究室主任宁波通过三维激光扫描技术，为云冈石窟建起了三维的“数字档案”。通过3D打印，“音乐窟”创新地使用了“积木式”的复制方式，由110块2米见方的轻质材料“积木块”分6层进行组装完成，让古老的世界文化遗产云冈石窟迈出了“行走”世界的第一步。
3D打印技术，是一项不同于以往的新型制造技术，它与传统的工业制造有何区别？山西增材制造研究院院长宫涛对此解答，3D打印名为增材制造，以数字模型文件为基础，采用金属、高分子等材料，进行逐层打印、堆积，形成实体实物，是数字和制造紧密结合的体现。完成一项打印工作，首先要通过计算机对所设计物品的结构进行建模，形成三维图形，在此基础上进行分层切片，形成每一层的数据，数据传送到打印机，打印机按照数据，原材料逐层堆积，最终形成产品。山西雅韵雕医疗科技有限公司工程师罗伟认为，增材制造技术最大的特点是，不再需要传统工具及繁琐加工工序，它能有效地解决复杂零件加工成型问题，甚至可以突破一些技术上的限制。

打印融合交互发展带来颠覆性创新
3D打印对大多数人来说还很陌生，随着它快速发展，将给产业发展、工业制造，甚至百姓生活带来巨大影响。宫涛认为，3D打印技术最大的优势是制造复杂结构、个性化定制和创意设计，目前在航天、航空、医疗领域里，传统工艺无法完成的复杂结构，通过3D打印可以轻松实现。
近年来，3D打印技术与智能化以及新材料、新工艺不断融合、交互发展，给传统制造技术带来了颠覆性的创新。3D打印技术无论是在基础研究、关键技术还是产业发展方面都取得了飞速发展。在基础研究方面，新工艺、新原理、新材料和新应用不断涌现。在制造方面，呈现出从工业品向消费品发展、从小型产品向大型产品发展的势头。国际知名企业波音公司采用3D打印技术制造飞机部分零件，米其林公司利用3D打印技术进行轮胎生产，美国“太空制造”公司还成功在太空环境下完成了大型物体的3D打印。2020年5月下旬，一家新西兰公司“火箭实验室”在新西兰东海岸发射全球首枚3D打印电池动力的“电子号”火箭。这枚火箭制造成本低、发射周期短，被业界评价为人类火箭技术发展史上的一大进步。
3D打印迅速发展，开辟出神奇的世界，这项技术也一直被视为一项关键性的技术。在德国，有78%的企业认为3D打印将对商业模式和价值链产生深远的影响，一项最新统计显示，每三家德国企业中就有一家使用3D打印技术。****法兰克福分社记者沈忠浩向记者介绍，最近，在德国北部的一座城市，一家建筑公司使用3D打印技术建造了一座居民楼，有评论认为，3D建筑打印机从根本上改变了建筑方式和住宅建设的过程。去年以来，在新冠肺炎疫情的背景下，德国一些制造企业利用3D打印设备实现了快速的生产切换，开始生产市场上较为紧缺的医疗防护用品，德国大众汽车公司利用生产塑料零部件和样车的3D打印机，生产呼吸机的零配件和其他医疗用品配件。巨大的市场空间，让越来越多的企业涌入了3D打印的行列，个性化定制的商业模式也让世界各大先进制造企业纷纷引入3D打印，这不仅意味着生产的产品将以“1”为单位，也意味着整个制造业的生态系统将发生改变。
“我国3D打印近年来快速发展，虽与美国、德国同处第一集团，但还存在原创性技术不够，特别是高端产品跟国外还有距离。”清华大学工程机械系教授林峰说。罗伟也表示赞同，他认为正是原创性不高才导致商业化的程度和前端应用不算太多，打印设备的精度、稳定性和速度方面跟国外还是有一定的差距。宫涛则认为，3D打印目前面临着成本高、打印慢的一些困难，许多企业不乐于接受，反观德国，70%以上的企业积极参与技术开发，我们更应该积极推动，树立新的理念，拥抱这项新的技术。

骨科手术实现“私人订制”
3D打印技术应用，山西的探索走在全国前列。
2019年，山西医科大学第二医院骨科完成我省首例个性化设计3D打印肿瘤假体植入重建手术，这标志着我省骨科领域个性化3D打印假体技术时代的到来。这位病人小腿有个骨肿瘤需要切除，如果要同种的异体骨代替，愈合可能会存在问题，正是有了3D打印技术，医生按照他对侧自体骨头形状打印出假体，非常匹配地把它放进去。山医大二院通过3D打印出国内首款同患者自体骨组织，解剖结构一致的钛合金植入假体，打印所用的“墨水”，源于患者体内提取的自体骨组织，它能够固定细胞的位置，最终重组为功能器官。打印“原料”来自患者自身，不用担心排异反应的发生。“3D打印技术对培养医工结合的全能型人才有着非常大的帮助。”山医大二院骨科病区主任吕智说。
3D打印在文物保护、医学领域崭露头角。下一步山西的3D打印重点开发和应用方向该从哪里发力？林峰教授建议，山西在医用3D打印技术的应用上取得一定进展。山西在煤炭产业和重工产业、机械制造产业有着很强的优势，这些领域都能和3D打印有更好接触、更好衔接，特别是给传统铸造产业发展提供了很多先进技术和更好发展的渠道，能带动传统产业技术升级发展。3D打印技术是材料、设备、打印、服务一条龙生产线，如果能结合当地资源特点和产业特点，就能发挥出3D打印的技术优势，挖掘出更大的产业优势，一定能从中找到发展机会。

给3D打印加点“料”
3D打印技术在制造业的普及程度，关键还是取决于新兴材料的发展，3D打印材料也是3D打印技术创新的核心要素。
光敏树脂，在医疗模具、珠宝首饰领域广泛应用。它的金属粉末应用到航空航天、汽车特殊工装和医疗植入，制成的线材可用于文物复原、雕塑和文艺创作。很长一段时间3D打印材料全部依赖进口，是3D打印领域发展的“卡脖子”技术难题，如今，我国自主生产的3D打印材料正在取代甚至是超越进口产品。山西增材制造研究院实验室副主任朱岳说：“进口光敏树脂每公斤价格高达3000元，现在我们自主研发的光敏树脂打印精度、力学性能各方面都非常优秀，但是价格只有原来的十分之一。”
在3D打印领域，有一个形象比喻，3D打印出来的产品，就像是一道色香味俱全的菜肴，用于3D打印的树脂、金属、陶瓷等材料，就像是食材，而帮助材料改变性能的改性助剂，则像是盐和味精等调味料，每一种，都不可或缺。而“食材”和“调味料”，就是山西增材制造研究院的着力点。山西增材制造研究院李训刚说：“我们使用的3D打印机材料是由传统的高分子材料加工而成，这种线材可以根据3D打印的需求做不同的个性化的定制。我们将主攻3D打印改性助剂和材料，给3D打印加点‘料’，研发出系列高性能的3D打印材料，并进行产业化。”
作为3D打印产业上游的材料，它的丰富性支撑着整个中游和下游的发展，如何让材料和设备能够精准地匹配？宫涛认为，这是3D打印行业发展非常重要的环节，目前打印材料、打印设备局限性还很大，有许多好材料无法用现有的打印机来打印。下一步，一定是要根据材料的基因、材料特点，设计出加工工艺和控制点，与设备、质控厂家共同合作，形成新的更加高端的打印机，才是今后发展的方向。