3D打印讓萬(wàn)千設(shè)計(jì)走進(jìn)現(xiàn)實(shí)
制圖：吳穎嵐
3D打印機(jī)打出“小蠻腰”、手鐲等成品。
在一臺(tái)封閉式的大型機(jī)器盒中，激光將產(chǎn)品需要的粉末材料以每小時(shí)1厘米的厚度進(jìn)行橫斷面燒結(jié)，層層燒結(jié)，疊加“打印”產(chǎn)品的各橫截面，最終形成成型產(chǎn)品。這便是“神秘”的3D打印機(jī)的工作全流程。
由于產(chǎn)品按照三維數(shù)據(jù)模型，由材料層層疊加“燒結(jié)”或“黏合”而成，整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)不受任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝限制，任何空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，在3D打印機(jī)面前都是同樣的程序生產(chǎn)。
憑借這樣的突破，3D打印對(duì)工業(yè)研發(fā)、設(shè)計(jì)前端帶來(lái)革命性改變，設(shè)計(jì)人員不再受以往“設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)性”局限，任何復(fù)雜“怪異”的設(shè)想、設(shè)計(jì)都能夠通過(guò)3D打印變成現(xiàn)實(shí)。
由于設(shè)想能夠無(wú)限地走進(jìn)產(chǎn)品現(xiàn)實(shí)，研發(fā)設(shè)計(jì)人員也不用耗費(fèi)巨資開(kāi)模，3D打印已陸續(xù)走進(jìn)人們熟知的生產(chǎn)、生活領(lǐng)域：從手板制造到玩具工藝品、汽車(chē)、航空航天、生物醫(yī)療領(lǐng)域，甚至日常的照相館也能見(jiàn)到3D打印的應(yīng)用。據(jù)不完整統(tǒng)計(jì)，全球3D打印市場(chǎng)產(chǎn)值每年正以30%的速度在增長(zhǎng)。
在國(guó)內(nèi)，包括南京、青島、成都、昆山等多個(gè)城市都在爭(zhēng)先挖掘3D打印人才，爭(zhēng)奪3D打印新市場(chǎng)。今年5月底，廣州也將迎來(lái)國(guó)際3D打印知名科學(xué)家、美國(guó)3D system前技術(shù)總監(jiān)、美籍華人科學(xué)家許小曙博士，他將帶領(lǐng)3D打印團(tuán)隊(duì)在南沙成立廣州南沙3D打印創(chuàng)新研究院。
3D打印時(shí)代已到來(lái)，廣州如何拔得頭籌、搶占新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)？“尋找廣州經(jīng)濟(jì)領(lǐng)頭羊”第二期走進(jìn)3D打印，從微觀樣本探尋廣州經(jīng)濟(jì)新變化。
南方日?qǐng)?bào)記者 黃少宏 實(shí)習(xí)生 呂政樺
研發(fā)革命 3D打印時(shí)代到來(lái)
無(wú)拼接的傳動(dòng)軸、類似象牙雕刻的9層鏤空套球、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的無(wú)人機(jī)機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管、氣缸蓋樣板、埃菲爾鐵塔模型……這些琳瑯滿目的產(chǎn)品，都是世界“SLS（3D打印家族中的一種技術(shù)）”之父、廣州南沙3D打印創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)許小曙設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)生產(chǎn)出來(lái)的。
廣州南沙3D打印創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)助理劉一展向記者展示了其中的傳動(dòng)軸，“這些產(chǎn)品的所有齒輪、旋鈕都不是組裝出來(lái)的，也沒(méi)有焊接，全部是一次性打印出來(lái)的。”令人嘆為觀止的是，類似象牙雕刻的9層鏤空套球，是在最核心的小球之外連續(xù)套著一層又一層的大球，且每一層都是鏤空的。“利用傳統(tǒng)手工藝雕刻必須花幾十年才能完成的一個(gè)產(chǎn)品，用3D打印僅需要3個(gè)小時(shí)就能完成。”
事實(shí)上，不僅僅是降低時(shí)間成本，3D打印還突破了設(shè)計(jì)人員的思想“天花板”。從事3D打印的廣州網(wǎng)能產(chǎn)品設(shè)計(jì)公司負(fù)責(zé)人鄧以翔指出，3D打印的魅力在于讓人們的創(chuàng)新能力大大提高，讓個(gè)人Idea變成現(xiàn)實(shí)。
“無(wú)論在工業(yè)領(lǐng)域還是消費(fèi)領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)帶給了人們?nèi)碌睦砟钆c技術(shù)手段，原來(lái)受制于傳統(tǒng)制造方式的設(shè)計(jì)理念獲得了全新的實(shí)現(xiàn)途徑。”許小曙指出，3D打印技術(shù)讓設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造力得到更充分的釋放。
“以前給一臺(tái)洗衣機(jī)開(kāi)模，要耗費(fèi)上百萬(wàn)元。”許小曙舉例說(shuō)，由于開(kāi)模耗費(fèi)巨大，一旦開(kāi)發(fā)出來(lái)不符合要求損失非常大，工業(yè)設(shè)計(jì)人員往往很謹(jǐn)慎；而他們用3D打印技術(shù)為國(guó)內(nèi)家電制造龍頭企業(yè)制作了一臺(tái)洗衣機(jī)樣機(jī)，僅僅花費(fèi)了六萬(wàn)多元，設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)意不用耗費(fèi)巨資就可以進(jìn)行測(cè)試使用，也就可以放開(kāi)腦筋嘗試各種不同的想法。
不獨(dú)如此，對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，3D打印也有其優(yōu)勢(shì)。據(jù)介紹，進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的部件之一，該部件的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程大約需要經(jīng)過(guò)4個(gè)月的時(shí)間。長(zhǎng)沙理工大學(xué)方程式賽車(chē)?yán)迷S小曙研發(fā)的工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)，制作出發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管原型部件，耗時(shí)僅需48小時(shí)。測(cè)力試驗(yàn)證明，零件的力度、準(zhǔn)確度和耐久性均未出現(xiàn)任何問(wèn)題，而發(fā)動(dòng)機(jī)效率增加了10%。
“我們已經(jīng)和許多醫(yī)院在外科手術(shù)上進(jìn)行了合作”，許小曙談到了3D打印對(duì)醫(yī)療領(lǐng)域的影響，他們已經(jīng)成功完成30余例外科手術(shù)，3D打印把CT掃描的二維影像轉(zhuǎn)變成三維實(shí)體，外科醫(yī)生在實(shí)體模型上設(shè)計(jì)手術(shù)方案，如固定支架的形狀和位置，螺釘?shù)奈恢谩㈤L(zhǎng)短等一些關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，并且可以利用打印出來(lái)的實(shí)體，模擬手術(shù)過(guò)程，并驗(yàn)證手術(shù)方案的實(shí)際效果。
“采用3D打印技術(shù)可以將手術(shù)的時(shí)間縮短1/3以上，手術(shù)后的恢復(fù)時(shí)間減少一半，一些復(fù)雜的手術(shù)以前要數(shù)十年以上經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生才可以完成，而使用3D打印技術(shù)以后，年輕醫(yī)生也能成功實(shí)施這類復(fù)雜的手術(shù)了。”
產(chǎn)業(yè)新軍 精密制造業(yè)新力量
由于擁有傳統(tǒng)制造業(yè)所不具備的優(yōu)勢(shì)，3D打印技術(shù)更有利于創(chuàng)意落地，從而被看成第三次工業(yè)革命的使者。加之其污染低、對(duì)勞動(dòng)力依附程度低，歐美國(guó)家也視之為爭(zhēng)取制造業(yè)回流的“法寶”。
“一個(gè)以3D打印技術(shù)為核心，包含信息、材料、光電、控制等各個(gè)上游領(lǐng)域，及航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療、精密機(jī)械、創(chuàng)意文化等眾多下游應(yīng)用領(lǐng)域的新產(chǎn)業(yè)群快速萌生起來(lái)，成為世界經(jīng)濟(jì)中一個(gè)新的價(jià)值產(chǎn)生源。”
許小曙指出，3D打印技術(shù)是從數(shù)據(jù)模型直接制造三維實(shí)體，省略了占據(jù)傳統(tǒng)制造大部分成本的“開(kāi)模”環(huán)節(jié)，具有便捷、柔性、快速等眾多優(yōu)點(diǎn)。其突出特點(diǎn)是，將大批量無(wú)差異化的生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為個(gè)性化、差異化的快速生產(chǎn)。這種變革能讓每個(gè)人都能參與其中，并快速獲得自己的設(shè)計(jì)和構(gòu)思實(shí)物，擺脫空間形狀、加工手段、成本帶來(lái)的限制。
“因此，3D打印技術(shù)完全可能將私人訂制服務(wù)帶入一個(gè)新的發(fā)展階段，因?yàn)樗鼜募夹g(shù)、經(jīng)濟(jì)的角度為這個(gè)領(lǐng)域提供了可行的實(shí)現(xiàn)手段。”而由于一臺(tái)3D打印機(jī)可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次做出不同形狀的物品。相較于傳統(tǒng)制造業(yè)，3D打印省去了培訓(xùn)機(jī)械師或購(gòu)置新設(shè)備的成本。這意味著，隨著技術(shù)的發(fā)展，低成本定制服務(wù)將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
按照這種發(fā)展趨勢(shì)，許小曙預(yù)計(jì)，將來(lái)集中式的生產(chǎn)將逐步轉(zhuǎn)變成為分布式制造，在網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)個(gè)性化定制商品的設(shè)計(jì)文件后，人們就可以在附近的3D打印店打印出來(lái)。
事實(shí)上，由于3D打印技術(shù)的加入，這種個(gè)性化、小批量生產(chǎn)已經(jīng)高精尖技術(shù)領(lǐng)域初現(xiàn)端倪了。據(jù)介紹，航空航天、大型武器等裝備制造業(yè)，零部件種類多、形狀復(fù)雜且性能要求高，需要進(jìn)行反復(fù)測(cè)試。3D打印在這樣一些小批量、個(gè)性化的產(chǎn)品領(lǐng)域，除了在研制速度上具有優(yōu)勢(shì)外，甚至能直接加工出特殊、復(fù)雜的形狀，簡(jiǎn)化裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行使用。“像利用3D打印可以打印飛機(jī)的一些零部件，并且可以實(shí)現(xiàn)減重、省油的效果。”從事3D打印的大業(yè)激光企業(yè)負(fù)責(zé)人陳玹如是指出。
許小曙向記者展示了一款他們用SLS工藝打印的無(wú)人飛機(jī)尾翼。飛機(jī)的尾翼內(nèi)部安裝了空速管，一端與飛機(jī)中部的測(cè)速裝置相連，另一端則與外部相連，若用傳統(tǒng)工藝來(lái)制造，尾翼要一分為二，中間空速管填入后，再將兩部分合一，既影響速度的測(cè)量，又制造不夠精細(xì)，不可靠且工藝復(fù)雜。
“通過(guò)3D打印可以將整個(gè)尾翼一體打印出來(lái)，一次性解決所有的問(wèn)題，這是其他工藝無(wú)法達(dá)到的水平。”據(jù)介紹，將與南沙3D打印創(chuàng)新研究院形成產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)接的生產(chǎn)企業(yè)——華曙高科，已經(jīng)與高校合作打印出多款無(wú)人飛機(jī)，今年還將在珠海航展上亮相。
廣州探索 布局3D打印產(chǎn)業(yè)園
有報(bào)告預(yù)測(cè)，到2017年，全球3D打印的市場(chǎng)份額將達(dá)到50億美元。而國(guó)內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)在近一兩年內(nèi)也進(jìn)入了爆發(fā)式增長(zhǎng)，廣州有一家企業(yè)今年一季度售出的3D打印機(jī)已經(jīng)和2013年度一樣多，產(chǎn)值近千萬(wàn)元。
除了企業(yè)自發(fā)進(jìn)軍3D打印市場(chǎng)，各地政府也躍躍欲試。值得注意的是，在3D打印技術(shù)的發(fā)展熱潮中，廣州同國(guó)內(nèi)不少城市一樣，也逐步開(kāi)啟了自己的探索步伐。鄧以翔透露，目前廣州已經(jīng)就3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展展開(kāi)了調(diào)研，并提出了打造3D打印產(chǎn)業(yè)園的設(shè)想。
南沙新區(qū)也開(kāi)始展開(kāi)了這方面的探索。早在2013年9月，廣州南沙區(qū)經(jīng)貿(mào)科技和信息化局，已就南沙新區(qū)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目進(jìn)行公開(kāi)招標(biāo)：借外腦邀請(qǐng)相關(guān)咨詢公司，就3D打印技術(shù)、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)及方向做論證，合理利用各種資源，將南沙打造成為3D產(chǎn)業(yè)發(fā)展的集聚地。
在這一背景之下，廣州南沙3D打印創(chuàng)新研究院將落戶南沙。3D打印創(chuàng)新研究院是非盈利組織，旨在提供更加符合市場(chǎng)實(shí)際需求的研究成果。該研究院的院長(zhǎng)許小曙決定憑自身在國(guó)際3D打印行業(yè)的影響力，搶占核心技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、人才，使南沙快速形成國(guó)際3D打印核心技術(shù)人才的聚集效應(yīng)，同時(shí)實(shí)施3D打印科研產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化項(xiàng)目，在這些基礎(chǔ)上，最終建立一個(gè)擁有自主核心技術(shù)、能參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的3D打印研發(fā)產(chǎn)業(yè)聚集中心。
許小曙告訴記者，研究院將引進(jìn)一批國(guó)際資深專家，第一期已經(jīng)確定聘用的3名專家分別來(lái)自美國(guó)3D打印行業(yè)龍頭企業(yè)3Dsystems公司和歐洲TNO研究院等機(jī)構(gòu)，都有20年以上從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，專門(mén)從事應(yīng)用型研究，從而確保研究成果能夠直接應(yīng)用于市場(chǎng)。
同時(shí)，廣州南沙3D打印創(chuàng)新研究院還將到美國(guó)南加州大學(xué)、歐洲TNO研究院物色3D打印研究初步成果。“這些是原理性研究，其成果要投放到市場(chǎng)還必須經(jīng)過(guò)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，否則商業(yè)公司無(wú)法直接應(yīng)用，也不敢投資。”許小曙將帶領(lǐng)南沙3D打印創(chuàng)新研究院的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，對(duì)這些初步成果做進(jìn)一步研究，轉(zhuǎn)化成為有著旺盛市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)這一項(xiàng)轉(zhuǎn)化，可能價(jià)值僅有2000美元的初步成果就可能躍升為價(jià)值數(shù)百萬(wàn)元的項(xiàng)目。
(責(zé)任編輯：admin)
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