多領(lǐng)域試水3D數(shù)碼制造業(yè)

今年7月，英國(guó)《每日郵報(bào)》報(bào)道稱，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)宣布用改進(jìn)的3D打印技術(shù)打印出了鮮肉，這種利用糖、蛋白質(zhì)、脂肪、肌肉細(xì)胞等原材料打印出的肉具有和真正的肉類相似的口感和紋理，就連肉里的微細(xì)血管都能打印出來。

簡(jiǎn)單來講，3D打印機(jī)是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。它與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有“打印材料”，通過成型設(shè)備把“打印材料”以疊加的方式制成實(shí)物模型。

世界上第一臺(tái)3D打印機(jī)誕生于1986 年，由美國(guó)人恩里科·迪尼發(fā)明。他成立的公司是世界上第一家生產(chǎn)3D打印設(shè)備的公司，所采用的技術(shù)被稱為“立體光刻技術(shù)”，利用紫外線照射可將樹脂凝固成形來制造物體。1992年，該公司賣出第一臺(tái)商業(yè)化產(chǎn)品。

而最近，從器官到鮮肉，再到房子、飛機(jī)，從某種意義上說，只要3D打印使用的耗材足夠廣泛，它就能創(chuàng)造無限可能。

美國(guó)《福布斯》雜志報(bào)道稱，歐洲飛機(jī)制造公司空客的設(shè)計(jì)師正計(jì)劃從飛機(jī)零部件開始，在2050前達(dá)成3D打印飛機(jī)的計(jì)劃。這一計(jì)劃耗資不菲，但相較于傳統(tǒng)飛機(jī)制造，3D技術(shù)造就的飛機(jī)重量輕了65%，大幅縮減了操作成本。

該公司還稱今年年底，空客會(huì)在A380客艙里先使用3D打印的行李架，而其生產(chǎn)的軍用飛機(jī)“臺(tái)風(fēng)”式戰(zhàn)斗機(jī)，此前已經(jīng)使用了3D打印的空調(diào)系統(tǒng)。

還有一名自稱“HaveBlue”的美國(guó)人，在3D設(shè)計(jì)分享網(wǎng)站發(fā)文稱自己最近成功打印出手槍的部分組件，并結(jié)合真槍其它部件制作成一把槍。他曾在農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了試槍，累計(jì)射擊200余次，槍身依然完好無損。

在醫(yī)療健康方面，3D打印技術(shù)已經(jīng)開始擁有更多實(shí)際的應(yīng)用。今年2歲的艾瑪患先天性多關(guān)節(jié)攣縮癥，這種疾病的癥狀為四肢不能伸直，肌肉僵硬。通常成年患者會(huì)佩戴金屬機(jī)械臂以幫助手臂活動(dòng)，但剛滿兩歲的她由于太小，無法佩戴市面上生產(chǎn)的金屬機(jī)械臂。兩名美國(guó)科學(xué)家別出心裁地想到了3D打印機(jī)，他們將成人使用的機(jī)械臂按比例縮小，并將打印命令輸入3D打印機(jī)，3D打印機(jī)可以直接制作出輕快的機(jī)械臂，現(xiàn)在艾瑪可以戴著這種機(jī)械臂自由活動(dòng)雙手。

據(jù)悉，目前美國(guó)已有15名患先天性多關(guān)節(jié)攣縮癥的兒童戴上了這種機(jī)械臂。隨著他們的成長(zhǎng)，這種機(jī)械臂可以不斷進(jìn)行更換。

新技術(shù)帶來第三次工業(yè)革命?

近日，美國(guó)國(guó)家增材制造創(chuàng)新學(xué)會(huì)開始投入了7000萬(wàn)美元，希望能把3D打印技術(shù)推廣到過去未曾涉足的新領(lǐng)域。在電腦上調(diào)整設(shè)計(jì)稿之后，就能在無需重新整備機(jī)器、無需建設(shè)新工廠的情況下制造產(chǎn)品。

這種基礎(chǔ)研究的成果正是基于這一想法，當(dāng)你還能夠打印一件東西的時(shí)候，為什么還要費(fèi)勁去制造它?

現(xiàn)在，英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》已經(jīng)開始將它視作是“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命”。

《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》稱，以3D打印為代表的第三次工業(yè)革命，以數(shù)字化、人工智能化制造與新型材料的應(yīng)用為標(biāo)志。它的直接表現(xiàn)就是工控計(jì)算機(jī)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已進(jìn)入成熟階段，即成本明顯下降，性能明顯提高，工業(yè)機(jī)器人足以在很多方面替代流水線上的工人。

不過，要真正走入大眾主流的視野，3D打印還面臨至少三方面的考驗(yàn)：一是3D打印材料的可用性，二是成本居高不下，三是知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)問題。

相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年3D打印市場(chǎng)規(guī)模17.1億美元。盡管這一數(shù)字僅占全球制造市場(chǎng)的0.02%，但有業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，到2020年之前，3D打印機(jī)將可以從事小規(guī)模生產(chǎn)，制造過去的勞動(dòng)密集型工藝品和商品。

中國(guó)企業(yè)發(fā)力3D打印

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院計(jì)算機(jī)集成制造研究所所長(zhǎng)習(xí)俊通教授還記得，1997年前后，他所在的實(shí)驗(yàn)室花16萬(wàn)美元進(jìn)口了一臺(tái)采用當(dāng)時(shí)主流工藝的3D打印設(shè)備。“像一臺(tái)洗衣機(jī)大小，制造模型的材料成本大約要每公斤3000元至4000元，可算是奢侈品。”那時(shí)候，每天都有五六撥人聞?dòng)嵡皝韰⒂^。

而如今，中國(guó)的一些企業(yè)已經(jīng)率先發(fā)力3D打印技術(shù)。在上海的一家公司有這樣一臺(tái)3D打印機(jī)，它相當(dāng)于兩個(gè)復(fù)印機(jī)。通過頂部的透明玻璃，可以看到在機(jī)器中央的 “原料臺(tái)”上，平鋪著厚厚一層白色的粉末。打印時(shí)，刷子每刷過一層粉末，噴頭就向這層粉末噴射粘結(jié)劑，從而實(shí)現(xiàn)成形。而噴頭噴射圖形的依據(jù)，就是3D數(shù)據(jù)模型。

是不是很簡(jiǎn)單?這次打印的是一個(gè)巴掌大小的“藍(lán)蓮花”模型。它的一個(gè)個(gè)橫截面，都是一個(gè)個(gè)鋸齒邊緣的同心圓。于是，噴頭每次噴出來的圖形，就是一個(gè)個(gè)藍(lán)色的同心圓。到最后，逐層累積成一朵“藍(lán)蓮花”，再用工具拭去多余的粉末，就大功告成了。

“外形越復(fù)雜、越不規(guī)則，3D打印的優(yōu)勢(shì)越明顯。”公司總經(jīng)理手里托著的一個(gè)建筑模型，堪比“鳥巢”，一根根“枝條”錯(cuò)綜復(fù)雜。如用傳統(tǒng)人工，一根根膠水粘結(jié)，工時(shí)需長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，而用3D打印機(jī)大概5天就能完成。

以2011年全球主要國(guó)家3D打印設(shè)備的裝機(jī)比例來說，我國(guó)3D打印設(shè)備的裝機(jī)量，僅占全球的9%，顯然與我國(guó)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模不相稱。

“其實(shí)，3D打印機(jī)對(duì)中小型設(shè)計(jì)企業(yè)很有用，每次創(chuàng)意都能打印成形，比做模具輕松許多。”一位業(yè)內(nèi)人士表示。

夢(mèng)幻背后的缺陷和瓶頸

今年以來，關(guān)于3D打印的神奇和對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的顛覆作用，頻繁見諸報(bào)端。但更多業(yè)內(nèi)人士對(duì)此的態(tài)度，仍較為客觀理性。

“從理論上說，現(xiàn)有的3D打印技術(shù)，的確可以‘打印’一整幢房子;如果多臺(tái)設(shè)備同時(shí)開動(dòng)，‘打印’一輛整車也不過是幾個(gè)小時(shí)的工夫。”習(xí)俊通教授說。這樣的“噱頭”，或許有助于普通人了解3D打印技術(shù)，卻不能掩蓋目前為止，這項(xiàng)技術(shù)本身仍存在的缺陷。

首先是強(qiáng)度問題。房子、車子固然能“打印”出來，但是否能抵擋得住風(fēng)雨，是否能在路上順利跑起來?從現(xiàn)有技術(shù)來看，恐怕不行。

還有材料的局限性。目前非常有限，無外乎石膏、無機(jī)粉料、光敏樹脂、塑料等。如果真要“打印”房屋或汽車，光靠這些材料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

“我并不認(rèn)為3D打印技術(shù)是多么‘神乎其神’的東西，它的確改變了產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)和組織模式，但是否會(huì)顛覆制造業(yè)本身?現(xiàn)在說答案還為時(shí)過早。”習(xí)俊通說。

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