3D打印:开启定制时代

2013-12-26 18:36:15来源: 中国科学报

    想定制个性化的产品?告诉机器你的想法,几秒钟后,成品就会出现在你面前!这是美国科幻小说家罗伯特·希克利在《万能制造机》中描绘的场景。

    如今,3D打印技术已经让这一幕变成现实。作为科技界的“当红明星”,3D打印已遍及航空航天、医疗、食品、服装、玩具等各个领域,在拓展自身领地的同时,也潜移默化地改变着人们对制造业的观念。

中国坐标

    国内3D打印虽然科研水平位居世界前列,但在工艺装备、工程应用等方面还有很大发展空间,相关市场发展缓慢。

    今天,人们对3D打印已不再陌生。近日,记者走进中科院自动化所3D打印研究室,目睹了传说中的“造梦工厂”。

    在中科院自动化所3D打印研究室里,5台颜色、型号各异的机器一边有条不紊地工作着,一边发出“嗞嗞嗞”的响声,仿佛演奏着一曲机器人交响乐。在室内一侧靠墙的柜子里,已经摆满了打印好的鸟巢、化学分子模型和手机外壳、插座等产品。

    “把你想要产品的三维数据文件存储到3D打印机中,然后操作3D打印机执行打印命令,就可以把塑料、树脂等材料进行层层打印,最终形成产品。”该研究室沈震博士向《中国科学报》记者介绍说。

    面向小微组织和草根群体的个性化定制只是3D打印的一部分。事实上,在全球3D打印竞争最激烈的生物医疗、航空航天领域,我国已涌现出一批创新型研究群体,很多成果在全球平台上已经可圈可点,在临床医疗、产品开发等方面发挥着重要作用。

    在生物制造领域,西安交大1998年开始研发活体骨骼3D打印技术,该校2001年就实施了国内第一例3D打印颌面修复手术;华南理工大学在个性化的牙科舌侧正畸托槽3D打印方面已拿到注册许可证,上百套定制化托槽产品已销往欧洲、非洲国家。

    在工业制造领域,清华大学在世界上率先完成无木模铸型制造工艺;北京航空航天大学的研究使我国成为世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家;华中科技大学已研发出全球最大的砂型“3D打印机”。

    “中国3D打印只比美国晚了几年,3D打印技术研究与发展几乎与世界同步,在一些领域已经接近世界先进水平。”中国工程院院士卢秉恒此前在接受《中国科学报》采访时说。

    尽管如此,卢秉恒同时指出,我国3D打印同样存在瓶颈和制约因素。纵向来看,我国仅有几所大学在搞研发,各家都是单打独斗,没有形成产业链;同时,国内在研发上投入少、底子薄,制约了研发开展。横向来看,国内3D打印技术虽然科研水平位居世界前列,但在工艺装备、工程应用等方面还有很大的发展空间,相关市场发展缓慢。

全球格局

    作为未来制造技术的重要发展方向,3D打印不仅代表着制造业发展的契机,同时也给设计、材料等领域带来发展机遇

    当前,全球3D打印研究方兴未艾。英国《每日邮报》关于3D打印的最新报道显示,与传统上成本高达2.99万元人民币、耗时数周的义眼制造法相比,该国Fripp设计公司研制的新型义眼3D打印方法每小时能生产150颗义眼,且成本低至约合人民币996元。

    “从传统减材制造技术到增材制造,3D打印颠覆了传统制造业的理念,具有制造成本低、生产周期短、个性化等优势。”西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室主任李涤尘在接受《中国科学报》记者采访时说。

    正因如此,3D打印被誉为第三次工业革命最具标志性的生产工具。如果从1986年美国科学家查尔斯·哈尔开发的第一台商业3D印刷机算起,3D打印至今已走过27年。随着各种加式制造技术大量出现,3D打印正在对制造业产生着颠覆性的影响。

    在军事国防领域,美国在2012年把3D打印技术引入阿富汗战区,现场为士兵打印工具和设备;在航空航天领域,英国南安普敦大学工程师利用3D技术打印出世界上第一架无人飞机“SULSA”;在个人生活领域,各国研究百花齐放,如巴黎时装周上3D打印的比基尼、西班牙科学家发明的3D食物打印机、比利时工程师利用3D打印机制造的全尺寸赛车……

    五花八门的应用显示着3D打印的非凡热度。作为未来制造技术的重要发展方向,它不仅代表着制造业发展的契机,同时也给设计、材料等领域带来发展机遇。

    以设计为例,中国航天科技集团公司总工程师杨海成在近日举办的“全国3D大赛”上向《中国科学报》记者表示:“3D打印技术的出现使得飞机这类大型、复杂产品可以一次性整体打印出来,极大地释放了设计空间。”

    也正因为如此,各国已围绕3D打印展开角逐。美国通过签署制造业促进法案号召美国企业回国创造就业机会,并斥资170亿美元推出“美国制造”一揽子计划,希望使制造业重返美国。

    而欧洲航天局2013年公布的月球基地计划蓝图已开始设想利用3D打印技术将月球上的原始土壤转变成建筑材料。“如果不计国防军事投入,欧洲在3D研发方面的投入要大于美国。”中科院自动化所复杂系统管理与控制国家重点实验室主任王飞跃说。

破局之策

    在保证安全的前提下,应制定有助于推进新技术发展的政策。否则,中国的科学研究就会陷入反复追赶的怪圈

    3D打印已经开创了一条前途光明的制造新路,如何走好这条路对于中国制造业未来的发展极为关键。

    华南理工大学机械工程学院教授杨永强在接受《中国科学报》采访时表示,我国在3D打印装备和元器件研发、基础研究等方面仍不容乐观。3D装备的核心零部件如光学系统、设计软件等很多都要进口,一些重要材料也要依赖国外。

    杨永强认为,这既与我国制造业发展急功近利、喜欢做短平快的技术和产品有关,也与国家导向过分强调产业化和经济效益,忽视基础研究有关。

    “3D打印技术本身内涵很多,难题也很多。现在的问题是恨不得今天结婚,明天就生孩子,拔苗助长。”杨永强说。

    与此同时,就当前全球市场份额来看,美国是3D打印的领导者,有成熟的技术和良好的受众环境,而我国的3D打印还处于拓荒阶段。

    在李涤尘看来,我国生物制造技术并不比国外差,造成这种现状的主要原因是科学技术在进步,相关部门政策制定却跟不上趟。

    他举例说,从2001年西安交大第一例3D打印颌面修复手术至今,相关技术虽然在临床上已经获得成功,却一直没有拿到临床批号。在给患者治病时,医生们不仅要签伦理条约,不能收费,还倒贴钱,极不利于新技术走向产业化。

    “科学研究不只是学术界的事情,如果政策跟不上,没有走进老百姓的生活,就不能形成产业化的模式,最后很可能‘死’了。”李涤尘说。

    当前,美国已经开始给定制化发证。李涤尘建议,在保证安全的前提下,应制定有助于推进新技术发展的政策。否则,中国的科学研究就会陷入反复追赶的怪圈。

    “3D带来的社会化制造可以有效地实现需求和供应之间的相互转化。”王飞跃说,然而,目前我国在高精小型3D打印机的生产方面却几乎是一片空白,仅有几家海外产品在代理。如何应对这一局面,是我国制造业乃至整个国家层面都必须认真考虑的重大问题。

    此外,专家指出,3D打印是面向未来、大面积推广的技术,当前国家布局存在过于集中的现象,这也是目前国内发展后劲不足的原因。

    “像3D打印这种基础性强、前沿性强的技术,国家应加大对作此类研究的高校和科研院所的支持力度,同时鼓励企业介入研发。”卢秉恒建议,我国3D打印应制定技术发展路线图,规划基础研究、产业化、工程应用的发展路线,从而使其真正产业化。

聚焦发展

    在享受3D打印所带来便利的同时,人们也开始担忧其是否会引发一系列伦理道德问题

    在现实生活中,美国已经通过3D打印制造出金属手枪。未来,3D打印是否会制造出完整的人类?

    在享受3D打印所带来的便利的同时,人们也开始担忧其是否会成为一种“破坏性”的新技术,引发一系列伦理道德问题。

    对此,杨永强认为,3D打印只是一种先进的制造方法,任何限制非法制造的法律都可以限制它。对于未来可能出现的“制造人类”的伦理问题,当前的技术发展远远未达如此程度,不必杞人忧天。

    以生物制造为例,他表示在器官打印的三个步骤中,当前仅实现了第一步形状打印,距离打印出活的器官并使其具有真正人体脏器的功能仍很遥远。

    专家们认为,与其在担忧中止步不前,不如搁置争议,聚焦发展。

    沉舟侧畔千帆过。3D打印尚未形成规模,4D打印已经雷声隆隆。与3D打印相比,4D打印又增加了时间纬度的概念,人们只要用软件设定出模型和时间,变形材料就会在设定的时间内变形为所需的形状。

    在采访中,多位专家表示增材制造技术和减材制造技术是两种相互补充的制造方法,3D打印技术并不会完全代替传统的减材制造。尽管如此,3D打印仍具有巨大的发展空间。

    “尤其是目前国内能够掌握3D技术的专业人员还非常少,很多人在设计之初只想到用工业加工机床,不会想到用3D打印。”在杨永强看来,国内3D打印概念仍需普及。

    “科学技术不等人,因特网在过去十几年的发展就是最好的例子。我们要瞄准目标,科研和产业双管齐下;同时,国家要给予长期稳定支持,不能急功近利,要耐得住性子‘放长线钓大鱼’”李涤尘说。

关键字:时代

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2013/1226/article_4353.html
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