3D打印从概念走向应用

近日，中国科学院科研人员在瑞士利用欧洲失重飞机，成功完成了微重力环境下陶瓷材料立体光刻成形技术试验，为我国空间站、深空探索等任务中实现“太空3D打印”拓宽了技术路线。这是团队成员完成飞行任务后合影留念。

北京三帝科技股份有限公司旗下北京隆源成型自主研发的激光金属铺粉3D打印机。

大批传统制造企业纷纷进入3D打印领域——3D打印从概念走向应用

英国纽卡斯尔大学近日宣布，研究人员通过干细胞中提取研发的“生物墨水”，利用3D打印技术打印出了世界首个人工角膜。无独有偶，荷兰埃因霍温市也宣称，正着手运用3D打印技术建造5栋混凝土房屋，建成后将成为全球首批可正式用于居住的3D打印房屋——3D打印再次迎来发展的春天

“随着HP（惠普）、GE（美国通用电气）、西门子、霍尼韦尔等一大批传统制造业企业进入3D打印领域，未来几年，3D打印的优势将集中爆发。不过，表面的喧嚣并不能掩盖我国缺乏核心技术、核心产品、核心服务的事实。”中国3D打印技术产业联盟执行理事长罗军表示。

速度和成本是关键

3D打印是否具有持久的生命力主要取决于两方面，一是成型速度，二是成本。今后，批量化制造将成为3D打印发展的新趋势。专家表示，“没有速度就没有生命力”

3D打印（增材制造技术），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总称。“以前谈3D打印，那是阳春白雪，是生产系统的配角。”“中国3D打印第一人”、清华大学教授颜永年说，3D打印发展到今天，已经慢慢介入到传统制造业领域。

这与华中科技大学教授张海鸥的看法不谋而合。“3D打印，现如今已不再是单纯的打印模型和样件，更多是直接制造功能性产品，它必将与传统产业展开激烈竞争，并带来新的产业革命。”张海鸥表示。

现实的确令人振奋。以我国C919大型客机机头工程样件研制所需的钛合金主风挡窗框为例，如果从欧洲订购至少需要两年才能拿到零件，而4个框，每个框的锻造模具费需要50万美元。采用3D打印技术后，从制造零件到装上飞机，北京航空航天大学王华明团队仅用了55天，并且零件费用还不到模具费的五分之一。

凭借着对原材料灵活叠加利用的优势，3D打印被《经济学人》多次推上封面，并被寄予“掀起第三次工业革命”的重任。有学者认为，它将从源头颠覆传统制造业。对此，颜永年并不赞同，“3D打印不会取代传统的技术，而是一种结合，是对传统行业传统技术的提升”。

天下武功唯快不破。颜永年表示，3D打印是否具有持久的生命力主要取决于两方面：一是成型速度，二是成本。今后，批量化制造将成为3D打印发展的新趋势。如果几十个小时甚至几天才能打印一个零件，那么3D打印也就仅能用于科研。“因为没有速度就没有生命力，谁会要慢吞吞的东西？”颜永年说。

当然，降低成本也是3D打印亟待解决的另一道难题。“比如现在采用的材料中，合金粉末比钢材还贵，这导致其成本比传统制造业还高，那就没有竞争力。”颜永年说。

应用是发展动力

人们对于3D打印的认识已经从概念阶段向应用阶段转变。未来，3D打印的发展趋势是速度更快、精度更高、成本更低、应用更广、操作更简便

当3D打印技术走出实验室，该何去何从？应用，这是业界给出的答案。“3D打印的主体市场是航空航天，这是一个永不衰败的市场，放弃了它就意味着没有抓住重点。”颜永年说。

GE航空集团非常著名的Leap发动机配套燃油喷嘴，便是3D打印应用的一个典型案例。这一燃油喷嘴利用3D打印技术加工制作，把20个零部件整合为一个部件，设计之后重量降低了25%，耐用性增加了5倍，燃油效率提高了百分之十几。

不仅是航空航天，大型结构件和精密件制造等方面，也存在大量3D打印需求。颜永年表示，3D打印“所见即所得”的特性，非常适用于制造微米级—毫米级的内流道复杂结构，这种内流道采用传统加工方式是做不出来的。

而对于生物制造，这一3D打印最前沿的领域，颜永年认为，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生命体的成形和制造。前不久，国内科学家们就使用3D打印技术构建生物支架，通过取用孩子耳朵上的软骨细胞，为5名天生具有耳朵缺陷的小孩安装了新的耳朵。

“3D打印是一项基础技术，与其他技术融合发展后，可以在很多领域得到广泛应用。”罗军认为，人们对于3D打印的认识已经从概念阶段向应用阶段转变，这说明3D打印产业发展指日可待。未来，3D打印的发展趋势是速度更快、精度更高、成本更低、应用更广、操作更简便，其发展方向是终端产品生产、智能化、批量化等。

自主是努力方向

从技术工艺、材料、软件、应用等几个指标来看，我国3D打印整体上与国际的差距还非常明显。要想发展壮大，3D打印设备的核心零部件国产化率必须提高

作为一项前沿、颠覆性技术，3D打印近年来大放异彩，不少国家纷纷布局并将其上升为国家战略。这源于乐观的前景。根据国际数据公司（IDC）的最新展望报告，全球3D打印技术相关支出在2018年预计达到120亿美元，到2021年，全球3D打印行业支出有望达到200亿美元，5年复合增长率达到20.5%。

理想很美好，现实却有点骨感。“目前，从技术工艺、材料、软件、应用等几个指标来看，我国3D打印整体上与国际的差距还非常明显。”罗军拿应用这一指标举例，美国占比接近一半，主要集中在军工领域；欧洲占比约为四成，主要集中在民用领域；我国占比不到一成。

究其原因，罗军分析，一是成本偏高，二是认识不够，三是部分打印机的稳定性、精度、产品强度不能满足生产要求。“尽管目前应用在3D打印领域的材料已达1000多种，但是与传统制造业相比，还远远不够。尤其部分尼龙材料、陶瓷材料、光敏树脂材料和钛合金等冶金粉末材料基本依赖进口，这严重影响了我国3D打印产业的健康发展。”罗军说。

在颜永年看来，中国3D打印发展壮大，打印设备的核心零部件国产化率还需提高。“虽然没有必要所有零部件全都自己造，但若完全依赖进口，缺少相应配套能力，这是一件危险的事情。”他以激光振镜举例，我国进口一台设备需要30多万美元，而且需要提前付全款，半年后才能交货。

差距不可小觑，但也并非完全不可逾越。近年来科技部、工业和信息化部先后出台相关政策，对3D打印发展给予了很多政策支持。其中，由颜永年领衔创办的永年激光科技有限公司，设计出LCD系统集成，首次提出将激光选区熔化、激光熔覆LCD设备和大功率激光器、大数据、工业机器人等集成在同一平台上实现“互联互通”。据悉，这一设计采用先进数控系统，处于国内领先水平。

未来，中国3D打印将何去何从？罗军建议从3个方面入手：一是政府积极扶持，鼓励企业搭建更多开放式应用服务平台，促进3D打印与传统产业深度融合。二是鼓励企业与国际顶尖的科研机构开展国际合作，创建国际化研发中心、联合实验室、研究院。三是鼓励科研院校、职业院校深化校企合作，开设3D打印学院（专业），培养更多3D打印应用型人才。“国内3D打印行业还需进一步抱团发展，形成合力。”罗军强调。

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