文/小聶

3D打印或?qū)⒅厮苋蛑圃鞓I(yè)格局

文/小聶

3D打印技術(shù)正悄然席卷全球，并依靠其突出優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)了部分市場(chǎng)，成為工業(yè)制造的新寵。如何將3D打印更好地融入我國(guó)的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中已然成為熱門(mén)話題，而對(duì)于我國(guó)已經(jīng)取得的技術(shù)成果，還需細(xì)心總結(jié)，虛心求教，找出不足，并且在今后更加努力地將3D打印技術(shù)發(fā)展壯大。

3D打印技術(shù)正日益走進(jìn)我們的生產(chǎn)生活之中。近日，一則新聞吸引了眾人的眼球——“世界首款3D打印汽車(chē)現(xiàn)身紐約街頭”。這款3D打印汽車(chē)只有兩個(gè)座位，名字叫做“斯特拉迪”。“斯特拉迪”汽車(chē)?yán)?D打印技術(shù)制造，全身材料為碳纖維和塑料。全車(chē)只使用了40個(gè)零件，且依靠電動(dòng)能源，充電花費(fèi)3.5小時(shí)，可以行駛約100公里。這是汽車(chē)生產(chǎn)方式的新突破，也是工業(yè)時(shí)代新型制造方式的推廣。

近年來(lái)，3D打印技術(shù)正悄然席卷全球，并依靠其突出優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)了部分市場(chǎng)，成為工業(yè)制造的新寵。

如何將3D打印更好地融入到我國(guó)的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，已然成為時(shí)下最為熱門(mén)的話題。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用特殊的打印材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。打印過(guò)程不需要紙和墨，只是將設(shè)計(jì)好的物體轉(zhuǎn)化為三維設(shè)計(jì)圖，采用分層加工、疊加成形的方式逐層增加材料來(lái)打印真實(shí)物體。3D打印技術(shù)使產(chǎn)品復(fù)制由平面擴(kuò)展到了立體空間，其意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了噴墨到激光、黑白到彩色打印技術(shù)的發(fā)展，從此裝備制造業(yè)將會(huì)逐步告別車(chē)床、鉆頭、沖壓機(jī)、制模機(jī)等傳統(tǒng)工具，改由更加靈巧的電腦軟件來(lái)主宰控制。

3D打印技術(shù)已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的有效手段，它簡(jiǎn)化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并降低成本，其發(fā)展將會(huì)深刻影響先進(jìn)制造業(yè)、工業(yè)設(shè)計(jì)業(yè)、生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng)意業(yè)、電子商務(wù)業(yè)及制造業(yè)信息化工程等。

與傳統(tǒng)制造相比，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)明顯。第一，3D打印速度快、操作簡(jiǎn)便。打印過(guò)程一次性完成而非分步優(yōu)化，產(chǎn)品形狀想象空間更大，可以用軟件做出傳統(tǒng)制造不方便完成的形狀。設(shè)計(jì)者可以通過(guò)想象制造出一些構(gòu)造復(fù)雜、傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的零部件，這將大幅提升金屬零部件的生產(chǎn)效率。此外，修改成本小，設(shè)計(jì)者只需要在軟件中修改部分參數(shù)，就可以快速生產(chǎn)出新產(chǎn)品，省去了傳統(tǒng)制造工藝中的諸多環(huán)節(jié)，操作簡(jiǎn)便。

第二，材料多樣、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固輕便。在機(jī)械零件制造時(shí)，大多數(shù)金屬和塑料零件在生產(chǎn)中由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致零件自重大，并且含有與制造有關(guān)但與其功能無(wú)關(guān)的剩余物。而利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出的金屬零件，原材料只為生產(chǎn)所需要的部分，這使得零件更加精細(xì)輕盈。當(dāng)材料沒(méi)有了生產(chǎn)限制后，就能以最優(yōu)化的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，因此，與機(jī)器制造出的零件相比，打印出來(lái)的產(chǎn)品重量要輕很多，并且同樣堅(jiān)固。

第三，節(jié)省空間、生產(chǎn)成本低。3D打印生產(chǎn)不需要在工廠操作，摒棄了生產(chǎn)線降低了成本。桌面打印機(jī)可以打印出小物品，人們可以將其放在辦公室一角、商店甚至房間里，只有更大的機(jī)械零件等才需要更大的打印機(jī)和更大的放置空間。另外，3D打印的“增材制造”形式大幅減少了材料的浪費(fèi)。“增材制造”無(wú)需原胚和模具，能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過(guò)增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡(jiǎn)化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并降低成本。

目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)在很多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展,它將把裝備制造水平帶入一個(gè)全新的高度和境界，因?yàn)殡S著生產(chǎn)速度和質(zhì)量的不斷提升，越來(lái)越多的工業(yè)部件將被打印出來(lái)，而不是被沖壓或燒鑄出來(lái)。同時(shí)，它還改變了通過(guò)對(duì)原材料切削、組裝進(jìn)行生產(chǎn)的傳統(tǒng)加工模式，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地按不同需要進(jìn)行生產(chǎn)。

3D打印需要依托多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，其中包括信息技術(shù)、精密機(jī)械和材料科學(xué)三大技術(shù)。近年來(lái)，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，在各個(gè)環(huán)節(jié)都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。通過(guò)與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段結(jié)合，該技術(shù)已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的有效手段，在航空航天、汽車(chē)摩托車(chē)、家電、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用，在工程和教學(xué)研究等應(yīng)用領(lǐng)域也占有獨(dú)特地位。

全球制造業(yè)格局或?qū)⑸?/h2>

為適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革需要，推動(dòng)我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變，工業(yè)和信息化部鼓勵(lì)推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展。工信部總經(jīng)濟(jì)師周子學(xué)指出，工信部將著力在設(shè)計(jì)3D打印產(chǎn)業(yè)化路線、政策支持等方面加大工作力度，不斷提高相關(guān)技術(shù)水平，延伸產(chǎn)業(yè)鏈條，加快我國(guó)裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

當(dāng)今世界，科技創(chuàng)新正在推動(dòng)人類社會(huì)生產(chǎn)、生活方式的深刻變革。特別是信息技術(shù)和制造技術(shù)的融合，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、3D打印、新能源、新材料等技術(shù)的重大突破，對(duì)制造業(yè)的生產(chǎn)方式、發(fā)展模式帶來(lái)顛覆性、革命性影響，并將重塑全球制造業(yè)發(fā)展格局。

3D打印技術(shù)在我國(guó)發(fā)展迅速，在各個(gè)環(huán)節(jié)都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。由湖南華曙高科技有限責(zé)任公司自主研發(fā)的世界上最快的工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)FARSOON 402于近日正式面世。據(jù)悉，F(xiàn)ARSOON 402通過(guò)打印設(shè)備軟硬件的升級(jí)，其激光掃描速度達(dá)到12.7m/s，打印速度較之從前提高了60%。該設(shè)備的核心在于激光燒結(jié)系統(tǒng)軟件，作為設(shè)備的“大腦”，將對(duì)3D打印的全過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這標(biāo)志著中國(guó)企業(yè)自主研發(fā)的工業(yè)級(jí)3D打印技術(shù)已進(jìn)入全球領(lǐng)先行列。

在金屬零部件制造中，3D打印也發(fā)揮出巨大的優(yōu)勢(shì)。目前3D打印機(jī)所制造出來(lái)的金屬部件在精度和強(qiáng)度上已經(jīng)大有提升，這也讓許多行業(yè)開(kāi)始對(duì)3D打印刮目相看，并且已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模嘗試。專家預(yù)測(cè)，通過(guò)3D打印制造出來(lái)的金屬零部件有朝一日將能夠達(dá)到甚至超過(guò)傳統(tǒng)制造工藝的水平。由于3D打印的突出優(yōu)勢(shì)，使得利用3D打印的生產(chǎn)成本效益較傳統(tǒng)更高一些，在加工某一個(gè)零部件時(shí)，不需要冗長(zhǎng)的生產(chǎn)線和復(fù)雜的加工流程，只需在一臺(tái)打印機(jī)中就能夠全部完成，從而將故障點(diǎn)數(shù)目降到最低，幾乎杜絕了殘次品的出現(xiàn)，這在傳統(tǒng)制造技術(shù)中是難以想象的。

此外，3D打印還能夠制造出一些構(gòu)造復(fù)雜、傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的零部件，這也將大幅提升金屬零部件的生產(chǎn)效率。通過(guò)金屬3D打印，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)零部件的輕量化訂制，減輕機(jī)身重量，使得航空公司每年可節(jié)約不菲的燃油費(fèi)用。而對(duì)于汽車(chē)行業(yè)，金屬3D打印技術(shù)將能輕松解決由于車(chē)輛更新?lián)Q代過(guò)快而導(dǎo)致的適合車(chē)型零件短缺問(wèn)題。只要保存好汽車(chē)零件的掃描數(shù)據(jù)，隨時(shí)可以通過(guò)一臺(tái)金屬3D打印機(jī)制造出來(lái)。所以，相信未來(lái)將會(huì)有更多的3D打印機(jī)出現(xiàn)在工業(yè)制造領(lǐng)域之中。

加工工藝存在局限性

雖然3D打印擁有諸多優(yōu)勢(shì)，對(duì)于一般要求較低、專業(yè)性不強(qiáng)的部件，3D打印可以滿足要求，但是對(duì)于高硬度的產(chǎn)品，3D打印明顯力不從心。

首先是材料的問(wèn)題。部分打印材料性能差，強(qiáng)度、剛度、機(jī)械加工性等都遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)加工方式；其次是材料局限，成本高。目前供3D打印機(jī)使用的材料非常有限，主要是石膏、無(wú)機(jī)粉料、光敏樹(shù)脂、塑料等。有些3D打印成品非?！按嗳酢?，一捏就碎，經(jīng)不起折騰；再次是精度問(wèn)題。由于分層制造存在臺(tái)階效應(yīng)，每個(gè)層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍會(huì)形成具有一定厚度的一級(jí)級(jí)分層，如果需要制造的對(duì)象表面是圓弧形，那么就會(huì)造成精度上的偏差。業(yè)內(nèi)人士表示，整個(gè)產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展除了打印機(jī)的功能加強(qiáng)以及成本降低，同樣需要材料的發(fā)展能夠多樣性、功能化，才可能推動(dòng)整個(gè)3D打印產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。

我國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟首席顧問(wèn)顏永年曾經(jīng)對(duì)如何將3D打印與傳統(tǒng)工藝結(jié)合起來(lái)的問(wèn)題闡述了自己的觀點(diǎn)。他認(rèn)為，這是3D打印發(fā)展方向的問(wèn)題，任何一個(gè)新技術(shù)的發(fā)展不能脫離已有的技術(shù)孤立地發(fā)展，與原有技術(shù)互相補(bǔ)充是基本的發(fā)展理念。3D打印與傳統(tǒng)加工工藝不是取代的關(guān)系，而是結(jié)合的關(guān)系。金屬3D打印應(yīng)與熱加工相結(jié)合，反過(guò)來(lái)熱加工也要與金屬3D打印相結(jié)合。

與此同時(shí)，我國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng)羅軍也發(fā)表了自己的看法。他同樣認(rèn)為，雖然3D打印在部分產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)和模具生產(chǎn)上頗有優(yōu)勢(shì)，但在大批量生產(chǎn)上，3D打印的速度和成本其實(shí)都比不過(guò)傳統(tǒng)制造方式。打印材料品種的單一和昂貴的成本，使其局限于對(duì)價(jià)格敏感度不高的產(chǎn)品，市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域有限。所以，3D打印技術(shù)只是傳統(tǒng)制造業(yè)的補(bǔ)充。3D打印技術(shù)擅長(zhǎng)解決個(gè)性化、復(fù)雜化、高難度的生產(chǎn)技術(shù)，而傳統(tǒng)制造業(yè)擅長(zhǎng)批量化、規(guī)?；途婊纳a(chǎn)，兩者是互補(bǔ)關(guān)系，無(wú)法相互替代。

3D推動(dòng)中國(guó)制造由大變強(qiáng)

我國(guó)生產(chǎn)的3D打印機(jī)裝備功能已經(jīng)接近國(guó)際先進(jìn)水平，兩者的差距主要體現(xiàn)在裝備的可靠性和材料研發(fā)上。部分3D打印機(jī)的關(guān)鍵器件需從國(guó)外進(jìn)口，而用國(guó)產(chǎn)零件生產(chǎn)的打印機(jī)穩(wěn)定性不夠。此外，我國(guó)在材料質(zhì)量和品種上還遠(yuǎn)不如美國(guó)、德國(guó)豐富，許多研發(fā)的實(shí)驗(yàn)材料也需要進(jìn)口。而差異在更大程度上體現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用上，在國(guó)外，3D打印技術(shù)已經(jīng)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生物醫(yī)療、航空航天、影視教育創(chuàng)意等方面有較多應(yīng)用，而我國(guó)還主要局限于模具打印、文化創(chuàng)意產(chǎn)品等少數(shù)領(lǐng)域。

雖然還有不小差距，但3D打印技術(shù)已經(jīng)算是我國(guó)制造行業(yè)與國(guó)外先進(jìn)水平差距很少的技術(shù)之一，部分領(lǐng)域幾乎同步，在某些方面還具有自身特色和一定優(yōu)勢(shì)。我國(guó)要從制造業(yè)大國(guó)走向強(qiáng)國(guó)，依靠當(dāng)前加工型的技術(shù)含量低的生產(chǎn)手段難有根本改觀，國(guó)家應(yīng)加強(qiáng)對(duì)3D打印技術(shù)研究的支持。

中國(guó)科學(xué)院院士盧秉恒曾表示，目前我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與美國(guó)的差距主要在于沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)鏈、工業(yè)環(huán)境不配套等。此外，在一些核心技術(shù)和關(guān)鍵器件上，如3D打印機(jī)中的激光器，也仍然對(duì)國(guó)外依賴較大。目前我國(guó)3D打印的大部分應(yīng)用仍集中在軍工領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)與模具制造上。

有數(shù)據(jù)顯示，國(guó)外有40%～50%的3D打印產(chǎn)品是直接做終端產(chǎn)品樣機(jī)，而國(guó)內(nèi)基本上還是停留在功能性測(cè)試、研發(fā)階段來(lái)用這個(gè)技術(shù)，制約了我國(guó)3D技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從設(shè)備數(shù)量上看，美國(guó)目前各種3D打印設(shè)備的數(shù)量占全世界40%，而中國(guó)只有8%左右。

對(duì)于具體的發(fā)展方向，盧秉恒曾對(duì)媒體表示，軍用和工業(yè)的高端領(lǐng)域，以及創(chuàng)意開(kāi)發(fā)等大眾消費(fèi)領(lǐng)域，都應(yīng)該大力去發(fā)展。我國(guó)是制造大國(guó)，制造能力過(guò)剩，但設(shè)計(jì)研發(fā)能力不足。而3D打印技術(shù)正是輔助和加速設(shè)計(jì)與研發(fā)的手段。同時(shí)，盧秉恒也認(rèn)為，我國(guó)對(duì)3D打印應(yīng)采取理性態(tài)度。3D打印技術(shù)在生產(chǎn)制造中所占的比例正在上升，但對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)更多是補(bǔ)充而非顛覆。應(yīng)該高度重視這一技術(shù)，投入科研和其他力量，并大力推廣，這樣才能真正使我國(guó)成為制造強(qiáng)國(guó)。

2013年，我國(guó)政府已將3D打印產(chǎn)業(yè)納入國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展項(xiàng)目。預(yù)計(jì)2015年我國(guó)3D打印市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到100億人民幣。在我國(guó)政府重點(diǎn)扶持下，3D打印產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)新一輪發(fā)展機(jī)遇，并有望成為世界最大的3D打印應(yīng)用市場(chǎng)。在將來(lái)，復(fù)雜繁瑣的流水線、不絕于耳的機(jī)器聲都將越來(lái)越少，一個(gè)人、一臺(tái)電腦、一部打印機(jī)就有可能組成一個(gè)現(xiàn)代化“工廠”。