“3D”能否打印一切?
来源:经济日报 编辑:高华芳 2013年03月21日 8:15:35

[导读] 在新近上映的电影《十二生肖》中,有这样一个经典镜头:成龙饰演的窃宝大盗,正在用扫描手套对兽首珍宝全方位扫描,世界的另一头,一部“神秘机器”,几乎在同时,将一模一样的兽首复制品打印了出来。

  在新近上映的电影《十二生肖》中,有这样一个经典镜头:成龙饰演的窃宝大盗,正在用扫描手套对兽首珍宝全方位扫描,世界的另一头,一部“神秘机器”,几乎在同时,将一模一样的兽首复制品打印了出来。

  这部“神秘机器”,其实就是日益受到公众关注的“3D打印机”。如今,现实中3D打印的衣服登上了巴黎时装周的舞台,采用3D打印技术的照相馆已经开张,A股市场上中航重机等相关概念股出现大幅上涨……那么,究竟什么是“3D打印”?“3D打印”的基本原理是什么?这种技术离我们的日常生活还有多远?下面,就让我们访现场,问专家,一探究竟。

  现场

  3D模型打印 需要三四个小时

  北京,上拓3D打印体验馆。下午14∶30,叁迪网首席运营官邵漠宇正“以身示范”:只见工作人员手持一台酷似电熨斗的3D扫描仪,围绕他360度旋转扫描,十分钟后,邵漠宇的立体数据便呈现在电脑上。

  16∶30,一个迷你版的“邵漠宇”从3D打印机取了出来:黑色的头发,稍微偏黄的肤色,深紫色的羊毛衫……“人物3D模型打印通常需要三四个小时”,邵漠宇说,“成像”慢主要是因为数据处理时间长,比如顾客的衣着、打扮等都会影响“打印”速度。

  “材料不同,成品大小不同,3D打印的费用也有所不同。如果打印一个石膏材质、15厘米高的人物模型,价格大概在800元左右,”对于这个并不很“亲民”的价格,邵漠宇坦言,“我们的3D打印机属于进口的精密设备,整套下来需要上百万元,打印材料也都是国外进口,所以制作成本很高。”

  在打印馆,展示柜里五花八门的3D作品也勾起了记者的好奇心。iphone手机座、自行车链条、可乐杯……但当记者用手触摸那双粉色的鞋子时,心中不免一凉,硬邦邦的,原来这是由石蜡打印出来的。

  前不久,3D打印的衣服不是还登上了巴黎时装周的舞台,为什么这双打印的鞋子却不能穿?

  邵漠宇解释说,3D打印的技术分类非常多,不同技术之间实现原理、可使用材质、产品特征的差别很大。“比如,这个可乐杯,采用的是一种类似石膏的高分子复合材料,可以直接饮水用。这款只能看、不能穿的鞋子采用的是激光烧结成型技术,对应的是石蜡、陶瓷粉末等材料。如果采用其他成型工艺和相关材料,就有可能打印出可以穿的鞋子,只不过舒适度还是会差些。”

  清华大学教授、中国3D打印技术产业联盟首席顾问颜永年介绍,3D打印使用的材料分为金属材料、非金属材料和生物材料三大类。桌面级3D打印机主要支持两种材料,ABS(Alkyl Benzo sulfonate,丙烯腈—丁二烯—苯乙烯塑料)和PLA(polyactic acid,生物降解塑料聚乳酸)。对工业级3D打印机来说,目前已经可以利用金属、粉末、玻璃等材料打印。

  原理

  对材料做 堆积“加法”

  3D打印,就是CAD(计算机辅助设计)模型直接驱动的,可以完成任意复杂结构的制造方法的总称。它的核心是数字化、智能化制造与材料科学的结合,主要特点是数字驱动制造和增材制造。

  “增材制造”,是与传统制造业的“减材制造”对应的,这种技术依据物体的三维模型数据,通过成型设备以材料累加的方式,制成实物模型。“这就像盖房子,一层层往上垒砖砌墙,只不过用的不是方砖水泥,而是工程塑料、粉末、尼龙、光敏树脂甚至是金属、陶瓷等不同的材料。”颜永年说。

  颜永年介绍,3D打印技术主要包括四种类型:微滴喷射(FDM)、激光固化(SL)、激光烧结(SLS)、激光熔化(SLM)。其中,微滴喷射主要适用于生物制造;激光烧结因为能够打印飞机等高端产品上的关键金属零件为国防作出贡献,而在1999年被美国评为“最具创造力的技术”,它和激光熔化的主要优势在于快速成型较高强度的金属模具。“后来又衍生的很多技术都是在这四大类技术基础上发展起来的,基本工作原理都是逐层增加材料,最终形成物件,因此,这些技术都被通俗地称作3D打印。”

  其实,3D打印并不是什么新概念,最初的3D打印,可以追溯到20世纪80年代,它发端于美国军方的快速成型技术。既然这项技术在30多年前已经产生,为什么在近两年持续“发烧”?

  亚洲制造业协会首席执行官、3D打印技术产业联盟副理事长罗军解释说:“‘发烧’的原因大致可归结为两点。首先,奥巴马政府在2012年初将其列为15项重点研究的制造业创新关键技术之一,对其他国家产生了极强的示范效应。”罗军还说,美国学者里夫金和英国《经济学人》发表的《第三次工业革命》和《三维打印将改变世界》,都认为3D打印技术将带动第三次工业革命。在全球经济持续低迷,世界经济复苏乏力的情况下,现实社会迫切需要新技术引领经济发展,使经济回归正常轨道,于是人们开始主动了解3D打印。

  专家

  “打印整架飞机是胡说”

  “3D打印技术在我国的应用领域十分广泛,目前主要集中在高端应用、中端工业应用和民用领域。”北京隆源自动成型系统有限公司总经理冯涛说,中端工业应用领域,例如企业新产品研发,在其开发设计阶段,3D打印可以在没有模具的情况下,直接进行样品原型制造,这就大大降低了设计与制造的复杂度,缩短了新品研制周期,降低了开发成本和风险。

  不过,目前的3D打印并不适合批量生产。“它的优势在于传统制造业生产不出来,或者即使能生产但成本较高、研发周期较长的产品。”罗军说。

  罗军介绍,现实生活中有许多用量不大、非常规设计的产品需要制造,比如高端应用中的航空和航天领域,符合流体力学规律的部件往往都不符合零件的生产条件,传统的工艺制造难度很大,同时许多产品内部复杂的设计构造在实际操作中根本就无法开模。“再如,传统飞机制造成本高,切削加工要去除95%以上的材料,3D打印技术则利用金属粉末只打印必须的部分,不浪费一点儿金属,节省了原材料。”

  在专家们看来,媒体的报道令人兴奋,现实3D打印并非无所不能。数字制造时代的意义是我们可以在大规模生产和个性化生产之间进行选择。

  “现在如果有人说,3D打印可以在一台打印机上一次性打印出一架能用的飞机,我敢说他是在乱说。”罗军对一些媒体并不准确的报道表示担忧,他认为这无助于公众正确认识3D打印。

  “一架飞机由成千上万不同材质的零部件组成,不可能在一台打印机上实现。其实严格来讲,3D打印制造的只是飞机的外壳和部分金属零部件,而飞机中的精密仪器和复杂的集成电路,目前3D打印还是不能打印的。”罗军解释说。

  “3D打印为我们描绘了非常美丽的前景,但其发展同样面临着多重制约。”罗军说,3D打印的核心技术有两个,一个是激光喷嘴,另一个就是打印材料,前者关系产品的精度和硬度,后者关系产品的实用性。在他看来,目前材料是3D打印发展亟待突破的瓶颈。因为任何一件产品都有其功能性,“我们不只是要打印一双像鞋子的‘鞋子’,而是能穿的鞋子。否则3D打印是没有意义的”。

  颜永年坦言,效率、成本、性能等方面的不足也制约着3D打印的发展。例如,打印一个大的零件通常要好几天,一个很小的螺母也要十几分钟,而传统制造方法可能只要一秒钟。

  尽管3D打印发展还面临着不少难题,但它已经显示出强劲的发展态势。

  “生物制造是今后3D打印的一个最新发展方向,基于3D打印技术的细胞三维受控组装工艺,是生物制造中最为核心的技术,其目标为具有新陈代谢特征的生命体的成型和制造,”颜永年透露,这个产业在美国已经兴起,并达到了40亿美元的规模,“20年后,我相信3D打印人体全功能内脏器官完全有可能实现。”

  对3D打印的前景,罗军也十分看好。他说,未来3D打印将呈现与传统制造业并驾齐驱、互相补充的发展态势。3D打印技术的发展离不开传统制造业的支撑,“而3D打印技术将为传统制造业的转型升级提供技术支持”。

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