叩问3D打印技术的想像力

2013-11-04徐正虹

资源再生 2013年6期

文/ 徐正虹

从电影《十二生肖》中打印出来的兽首令人啧啧称奇，到美国首创3D打印头骨技术，并已成功实现人体头骨替换移植，我们对3D技术的想像力不禁拍案叫绝。如今，这种前沿的生活方式正悄悄地改变着制造业传统的方式，成为未来发展的趋势。

3D打印技术的想像力远没有止步。前不久，美国航天局向一家3D打印机公司拨款12.5万美元，旨在研发全能食物合成器项目。根据设想，这种3D打印机将按照“数字菜谱”混合各种粉末，制造色香味俱全的食品，公司的第一步计划是给吃够了压缩饼干的宇航员们制作美味比萨。

想像力和创造力往往结伴而行。美国媒体于近日报道，为了满足未来零件能在空间按需制造的需求，美国航空航天局(NASA)宣布了向国际空间站发射首个3D微重力打印实验设备计划。

据悉，NASA将于2014年向空间发射首个3D打印设备。如果成功，在零重力实验环境下的3D打印设备将是首个在空间制造零件的设备。

目前，所有空间任务都要完全依赖于向空间站输送设备的运载火箭完成。距离地面越远，向空间站发送设备的时间持续越长，为空间站补给物资就越困难。

试想，在不久的将来，3D打印可实现在空间制造整个航天器，空间任务所需物资几乎能自给自足，且能够在空中制造多数他们所需的零件。另外，3D打印设备还可与机器人系统一起工作，为人类登上火星，以及在其他行星制造所需的住所、工具与实验室等，这些建造构件可以利用行星上的资源，如土壤或矿物质来实现；长期执行空间任务的宇航员也可打印和回收他们所需的工具，可节省大量资源。

目前，首个太空3D打印机的实验项目已经开始进行，将会成为第一款能够优化空间的3D打印机。此次，太空制造将与NASA合作，通过NASA的飞行计划，以测试其3D打印机原型亚轨道模拟微重力飞行。

是的，美国3D打印技术的发展的确令世人侧目。

机遇：中国有望成为世界最大的市场

美国不仅在航天领域大显身手，而且在生物匹配领域也崭露头角。日前，美国科学家采用和生物匹配的高分子材料在3D打印机中打印出人造耳朵，这种人造耳朵不但形状和真正的耳朵完全一样，与电子技术结合后，这个耳朵还可以接受非常微细的声波，甚至比人耳还要灵敏。

为此，美国总统奥巴马期待3D打印能够推动美国在制造业重新焕发活力，使美国的经济能重新崛起。然而，在英国增材制造联盟主席、中国3D打印技术产业联盟首席顾问格瑞汉姆·卓曼看来，在未来的3至5年内，中国有潜力成为世界最大的3D打印市场。

2013年3月，世界首款3D打印汽车Urbee 2面世。这款三轮混合动力汽车依靠3D打印技术打印出了一体式的车身，相比一辆标准设计汽车成百上千个零部件，Urbee 2 只需50个零部件。

在5月29日召开的首届世界3D打印技术产业大会上，作为全球最知名的3D打印行业研究机构，Wohlers Associates公司主席特里·沃伦斯向媒体介绍了刚刚发表的2013年Wohlers报告。

这份汇集了包括中国在内的全球70余个国家3D打印公司相关数据的报告显示：2012年，全世界3D打印行业总产值增长了28%，达22亿美元。3D打印机的全球销量同比增长25%，其中38%产自美国，中国占8.5%。

面对如此的增长势头，长期从事先进制造技术研究的中国工程院院士卢秉恒在5月举行的“2013增材制造技术全球高峰论坛”上公布数据显示，2012年全球 3D打印应用主要集中在消费电子产品(20.3%)、汽车制造业(19.5%)、医疗/口腔医学(15.1%)、航空航天(12.1%)、工业/商用机器 (10.8%)及学术研究、军事项目等其他方面(22.2%)

亚洲制造业协会首席执行官、中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军更是在世界3D打印技术产业大会上表示，预计3年左右，中国3D打印产值可能达到百亿元人民币。

3 D打印技术下的魔幻玩具问世

几乎每个看过《哈利·波特》系列小说的读者都曾幻想进入那片神奇的魔法世界。因为在那里，你只需挥挥手中的魔杖，念一句咒语，你就可以变出想拥有的一切。现在，3D打印机的问世让我们在现实生活中可以拥有童话世界里魔杖的梦想照进现实。

在世界3D打印技术产业大会展会现场，杭州先临三维科技股份有限公司(以下简称“先临三维”)的工作人员就展示过一块已经被应用于骨科手术、长约5cm，周身布满小孔的人造脊柱植入体的全过程。

据工作人员介绍：“这块钛合金骨骼被植入人体后，无需取出，非但不会有任何排斥反应，人体的组织与细胞还会渗透过这些孔洞逐渐生长，从而使这块3D打印骨骼成为我们身体的一个部分。”

另外，先临三维的区域经理透露，除了这种医用钛板之外，我们国家的生物3D打印机还可以通过提取细胞组织和其他高分子生物组织，根据患者自身数据，打印出一根外层是骨骼、内层有骨质和骨髓的人造生物骨骼。

除了植入性组织工程，美国Drexel大学教授周功耀还介绍了3D技术在中国医疗领域的另一种应用方向——制造医疗模型。

周功耀介绍说：“例如连体婴儿手术，他们的心脏紧挨着，手术医生不能把人体打开看清楚后再去手术，有了3D扫描和打印技术，我们可以先把这些体内数据扫描出来，精确制作模型，用模型来做几次手术，医生可以在明确了所有的关节通道以后再去做真正的手术。”

5月28日，在国家会议中心举办的中国(北京)国际服务贸易交易会上，大批市民簇拥在北京上拓科技有限公司（以下简称“上拓科技”）的展台前。大家对着这些3D打印技术制造出来的花瓶、手机壳、台灯、吹风机和各种奇思妙想的首饰赞不绝口。

上拓科技营销总监邵漠宇介绍说：“我们还将搭建一个电子商务平台，设计师在这个平台上推出自己设计的3D作品，消费者在平台上看到自己喜欢的设计后下单，我们来负责打印和配送。我相信，通过这样一个窗口，可以有更多的人了解并爱上这种个性定制。”

除了医疗和文化创意上的应用，3D打印在我国工业、航空航天、考古和通讯领域上也有大规模的应用。

“就连麦当劳、孩之宝想做一款玩具，也是在通过3D打印不断设计和修改造型，最终选定形象后，再由工厂批量生产。”一位从事3D打印产业的企业经理告诉记者，“如今广东几乎所有的玩具企业都在使用3D打印技术。”

传统制造技术是否会被颠覆？

在许多人看来，3D打印技术堪称神奇。毕竟在3D打印技术出现之前，从来没有一项技术能够像3D打印这样，在没有技术和设备支持时，就能将我们的想法随心所欲地变成现实。到底3D技术会不会颠覆传统制造业，带来新一轮工业革命？胡迪·利普森教授表示：“3D打印技术对传统制造业的影响现在还很难界定。就好像让你在上世纪去判断一下计算机可能会对我们的生活带来哪些影响是一样的。”

作为国内最早从事工业3D打印技术研发的专家，华中科技大学教授史玉升认为，中国制造业产值虽然现阶段居世界首位，但想要长期保持优势地位，必须借助3D打印等先进技术。史玉升坦言，中国工业级3D打印技术和设备与国际先进水平还存在差距。邵漠宇认为，现在世界上90%以上的工业级3D打印机都是由美国的Stratasys和3D Systems所生产的，中国在工业级3D打印机的研发上还很落后。

作为中国第一家3D打印照相体验馆的建设者，上拓科技如今主要的营业收益还是依靠3D 打印机的代理销售。在5月30日央视《对话》节目的录制现场，主持人对现场嘉宾提出这样一个问题：“我们总结了制约3D打印技术大规模发展的几个瓶颈，分别是耗材、技术、成本、效率、标准、应用、市场和补贴。我们想知道这其中最大的制约因素是什么？”“我认为最大的瓶颈是市场。”罗军说，“这个行业过去是‘小而散’，没有合力，外界对这个技术也缺乏了解。另外由于在市场上的应用还是较少，所以传播起来也有困难。”

罗军认为，“3D打印技术的核心在于，它可以解决高难度、复杂、个性化的设计需要，只有当传统生产方式生产不出来的时候它的魅力才能显示出来。3D打印只是对传统生产方式的一种补充，不会取代传统制造业。”史玉升则认为：“打印肾脏、心脏和心脏都需要相应的材料。而现在这个材料问题还没有彻底解决。”由于技术和材料因素制约，如今打印一个10 cm高的类石膏材质人像的总成本约为1500元人民币，一块人造骨骼的成本更是数万元。

工业和信息化部原部长李毅中在世界3D打印技术产业大会上也表示：“3D打印技术为传统制造业的创新注入新的动力和活力。但受技术和装备的局限，3D打印目前适用于少批量、小尺寸、高精度、造型复杂的零部件的加工制造，难以代替大规模、大批量的加工制造。”

相关背景知识介绍

解读3D打印技术

无论是门把手、手术刀还是发动机气缸，人类一般仅通过两种方法制造物件。其中一种是，首先选取一块（或一片）金属、木头或者其它原材料；然后通过裁剪、烙印、钻孔或者切削等工艺制成他们想要的形状。另外一种则是把液化金属或者塑料倒进合金或砂砾制成的模具中，冷却后制成金属铸件或塑料成品。然而，3D打印(Three-dimensional Printing)和其他被统称为“添加剂制造”(Additive Manufacturing)的生产形式既不属于机械制造又不属于模具制造。这项技术通过堆砌刀锋般纤薄的多层材料形成三维立体形状，并逐层打造物件。此项电脑技术让人们能够不用再去那些装备着金属印压机、切割车床或注塑模具的店铺，就能自己打造物件，尤其是模板类物件。