3D打印：開啟定制時代篇章
想定制個性化的產(chǎn)品?告訴機器你的想法，幾秒鐘后，成品就會出現(xiàn)在你面前!這是美國科幻小說家羅伯特·希克利在《萬能制造機》中描繪的場景。
如今，3D打印技術(shù)已經(jīng)讓這一幕變成現(xiàn)實。作為科技界的“當紅明星”，3D打印已遍及航空航天、醫(yī)療、食品、服裝、玩具等各個領(lǐng)域，在拓展自身領(lǐng)地的同時，也潛移默化地改變著人們對制造業(yè)的觀念。
中國坐標
國內(nèi)3D打印雖然科研水平位居世界前列，但在工藝裝備、工程應用等方面還有很大發(fā)展空間，相關(guān)市場發(fā)展緩慢
今天，人們對3D打印已不再陌生。近日，記者走進中科院自動化所3D打印研究室，目睹了傳說中的“造夢工廠”。
在中科院自動化所3D打印研究室里，5臺顏色、型號各異的機器一邊有條不紊地工作著，一邊發(fā)出“嗞嗞嗞”的響聲，仿佛演奏著一曲機器人交響樂。在室內(nèi)一側(cè)靠墻的柜子里，已經(jīng)擺滿了打印好的鳥巢、化學分子模型和手機外殼、插座等產(chǎn)品。
“把你想要產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)文件存儲到3D打印機中，然后操作3D打印機執(zhí)行打印命令，就可以把塑料、樹脂等材料進行層層打印，最終形成產(chǎn)品。”該研究室沈震博士向《中國科學報》記者介紹說。
面向小微組織和草根群體的個性化定制只是3D打印的一部分。事實上，在全球3D打印競爭最激烈的生物醫(yī)療、航空航天領(lǐng)域，我國已涌現(xiàn)出一批創(chuàng)新型研究群體，很多成果在全球平臺上已經(jīng)可圈可點，在臨床醫(yī)療、產(chǎn)品開發(fā)等方面發(fā)揮著重要作用。
在生物制造領(lǐng)域，西安交大1998年開始研發(fā)活體骨骼3D打印技術(shù)，該校2001年就實施了國內(nèi)第一例3D打印頜面修復手術(shù);華南理工大學在個性化的牙科舌側(cè)正畸托槽3D打印方面已拿到注冊許可證，上百套定制化托槽產(chǎn)品已銷往歐洲、非洲國家。
在工業(yè)制造領(lǐng)域，清華大學在世界上率先完成無木模鑄型制造工藝;北京航空航天大學的研究使我國成為世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并實現(xiàn)裝機應用的國家;華中科技大學已研發(fā)出全球最大的砂型“3D打印機”。
“中國3D打印只比美國晚了幾年，3D打印技術(shù)研究與發(fā)展幾乎與世界同步，在一些領(lǐng)域已經(jīng)接近世界先進水平。”中國工程院院士盧秉恒此前在接受《中國科學報》采訪時說。
盡管如此，盧秉恒同時指出，我國3D打印同樣存在瓶頸和制約因素。縱向來看，我國僅有幾所大學在搞研發(fā)，各家都是單打獨斗，沒有形成產(chǎn)業(yè)鏈;同時，國內(nèi)在研發(fā)上投入少、底子薄，制約了研發(fā)開展。橫向來看，國內(nèi)3D打印技術(shù)雖然科研水平位居世界前列，但在工藝裝備、工程應用等方面還有很大的發(fā)展空間，相關(guān)市場發(fā)展緩慢。
全球格局
作為未來制造技術(shù)的重要發(fā)展方向，3D打印不僅代表著制造業(yè)發(fā)展的契機，同時也給設計、材料等領(lǐng)域帶來發(fā)展機遇
當前，全球3D打印研究方興未艾。英國《每日郵報》關(guān)于3D打印的最新報道顯示，與傳統(tǒng)上成本高達2.99萬元人民幣、耗時數(shù)周的義眼制造法相比，該國Fripp設計公司研制的新型義眼3D打印方法每小時能生產(chǎn)150顆義眼，且成本低至約合人民幣996元。
“從傳統(tǒng)減材制造技術(shù)到增材制造，3D打印顛覆了傳統(tǒng)制造業(yè)的理念，具有制造成本低、生產(chǎn)周期短、個性化等優(yōu)勢。”西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室主任李滌塵在接受《中國科學報》記者采訪時說。
正因如此，3D打印被譽為第三次工業(yè)革命最具標志性的生產(chǎn)工具。如果從1986年美國科學家查爾斯·哈爾開發(fā)的第一臺商業(yè)3D印刷機算起，3D打印至今已走過27年。隨著各種加式制造技術(shù)大量出現(xiàn)，3D打印正在對制造業(yè)產(chǎn)生著顛覆性的影響。
在軍事國防領(lǐng)域，美國在2012年把3D打印技術(shù)引入阿富汗戰(zhàn)區(qū)，現(xiàn)場為士兵打印工具和設備;在航空航天領(lǐng)域，英國南安普敦大學工程師利用3D技術(shù)打印出世界上第一架無人飛機“SULSA”;在個人生活領(lǐng)域，各國研究百花齊放，如巴黎時裝周上3D打印的比基尼、西班牙科學家發(fā)明的3D食物打印機、比利時工程師利用3D打印機制造的全尺寸賽車……
五花八門的應用顯示著3D打印的非凡熱度。作為未來制造技術(shù)的重要發(fā)展方向，它不僅代表著制造業(yè)發(fā)展的契機，同時也給設計、材料等領(lǐng)域帶來發(fā)展機遇。
以設計為例，中國航天科技集團公司總工程師楊海成在近日舉辦的“全國3D大賽”上向《中國科學報》記者表示：“3D打印技術(shù)的出現(xiàn)使得飛機這類大型、復雜產(chǎn)品可以一次性整體打印出來，極大地釋放了設計空間。”
也正因為如此，各國已圍繞3D打印展開角逐。美國通過簽署制造業(yè)促進法案號召美國企業(yè)回國創(chuàng)造就業(yè)機會，并斥資170億美元推出“美國制造”一攬子計劃，希望使制造業(yè)重返美國。
而歐洲航天局2013年公布的月球基地計劃藍圖已開始設想利用3D打印技術(shù)將月球上的原始土壤轉(zhuǎn)變成建筑材料。“如果不計國防軍事投入，歐洲在3D研發(fā)方面的投入要大于美國。”中科院自動化所復雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室主任王飛躍說。
破局之策
在保證安全的前提下，應制定有助于推進新技術(shù)發(fā)展的政策。否則，中國的科學研究就會陷入反復追趕的怪圈
3D打印已經(jīng)開創(chuàng)了一條前途光明的制造新路，如何走好這條路對于中國制造業(yè)未來的發(fā)展極為關(guān)鍵。
華南理工大學機械工程學院教授楊永強在接受《中國科學報》采訪時表示，我國在3D打印裝備和元器件研發(fā)、基礎研究等方面仍不容樂觀。3D裝備的核心零部件如光學系統(tǒng)、設計軟件等很多都要進口，一些重要材料也要依賴國外。
楊永強認為，這既與我國制造業(yè)發(fā)展急功近利、喜歡做短平快的技術(shù)和產(chǎn)品有關(guān)，也與國家導向過分強調(diào)產(chǎn)業(yè)化和經(jīng)濟效益，忽視基礎研究有關(guān)。
“3D打印技術(shù)本身內(nèi)涵很多，難題也很多。現(xiàn)在的問題是恨不得今天結(jié)婚，明天就生孩子，拔苗助長。”楊永強說。
與此同時，就當前全球市場份額來看，美國是3D打印的領(lǐng)導者，有成熟的技術(shù)和良好的受眾環(huán)境，而我國的3D打印還處于拓荒階段。
在李滌塵看來，我國生物制造技術(shù)并不比國外差，造成這種現(xiàn)狀的主要原因是科學技術(shù)在進步，相關(guān)部門政策制定卻跟不上趟。
他舉例說，從2001年西安交大第一例3D打印頜面修復手術(shù)至今，相關(guān)技術(shù)雖然在臨床上已經(jīng)獲得成功，卻一直沒有拿到臨床批號。在給患者治病時，醫(yī)生們不僅要簽倫理條約，不能收費，還倒貼錢，極不利于新技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化。
“科學研究不只是學術(shù)界的事情，如果政策跟不上，沒有走進老百姓的生活，就不能形成產(chǎn)業(yè)化的模式，最后很可能‘死’了。”李滌塵說。
當前，美國已經(jīng)開始給定制化發(fā)證。李滌塵建議，在保證安全的前提下，應制定有助于推進新技術(shù)發(fā)展的政策。否則，中國的科學研究就會陷入反復追趕的怪圈。
“3D帶來的社會化制造可以有效地實現(xiàn)需求和供應之間的相互轉(zhuǎn)化。”王飛躍說，然而，目前我國在高精小型3D打印機的生產(chǎn)方面卻幾乎是一片空白，僅有幾家海外產(chǎn)品在代理。如何應對這一局面，是我國制造業(yè)乃至整個國家層面都必須認真考慮的重大問題。
此外，專家指出，3D打印是面向未來、大面積推廣的技術(shù)，當前國家布局存在過于集中的現(xiàn)象，這也是目前國內(nèi)發(fā)展后勁不足的原因。
“像3D打印這種基礎性強、前沿性強的技術(shù)，國家應加大對作此類研究的高校和科研院所的支持力度，同時鼓勵企業(yè)介入研發(fā)。”盧秉恒建議，我國3D打印應制定技術(shù)發(fā)展路線圖，規(guī)劃基礎研究、產(chǎn)業(yè)化、工程應用的發(fā)展路線，從而使其真正產(chǎn)業(yè)化。
聚焦發(fā)展
在享受3D打印所帶來便利的同時，人們也開始擔憂其是否會引發(fā)一系列倫理道德問題
在現(xiàn)實生活中，美國已經(jīng)通過3D打印制造出金屬手槍。未來，3D打印是否會制造出完整的人類?
在享受3D打印所帶來的便利的同時，人們也開始擔憂其是否會成為一種“破壞性”的新技術(shù)，引發(fā)一系列倫理道德問題。
對此，楊永強認為，3D打印只是一種先進的制造方法，任何限制非法制造的法律都可以限制它。對于未來可能出現(xiàn)的“制造人類”的倫理問題，當前的技術(shù)發(fā)展遠遠未達如此程度，不必杞人憂天。
以生物制造為例，他表示在器官打印的三個步驟中，當前僅實現(xiàn)了第一步形狀打印，距離打印出活的器官并使其具有真正人體臟器的功能仍很遙遠。
專家們認為，與其在擔憂中止步不前，不如擱置爭議，聚焦發(fā)展。
沉舟側(cè)畔千帆過。3D打印尚未形成規(guī)模，4D打印已經(jīng)雷聲隆隆。與3D打印相比，4D打印又增加了時間緯度的概念，人們只要用軟件設定出模型和時間，變形材料就會在設定的時間內(nèi)變形為所需的形狀。
在采訪中，多位專家表示增材制造技術(shù)和減材制造技術(shù)是兩種相互補充的制造方法，3D打印技術(shù)并不會完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的減材制造。盡管如此，3D打印仍具有巨大的發(fā)展空間。
“尤其是目前國內(nèi)能夠掌握3D技術(shù)的專業(yè)人員還非常少，很多人在設計之初只想到用工業(yè)加工機床，不會想到用3D打印。”在楊永強看來，國內(nèi)3D打印概念仍需普及。
“科學技術(shù)不等人，因特網(wǎng)在過去十幾年的發(fā)展就是最好的例子。我們要瞄準目標，科研和產(chǎn)業(yè)雙管齊下;同時，國家要給予長期穩(wěn)定支持，不能急功近利，要耐得住性子‘放長線釣大魚’。”李滌塵說。
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