3D打印“春天”為時尚早 重工領(lǐng)域或率先突破

北極熊導(dǎo)讀：這是一篇非常不錯的文章，值得一讀，對3D打印行業(yè)內(nèi)及行業(yè)外的人都有一定的啟示,。

       在電視媒體的報道中，3D打印似乎簡化成了一臺臺可以放在桌面上的打印機,，它們以塑料為材質(zhì),，打出各種小模型,、小玩具。其實,，3D打印目前真正直接用于制造業(yè)的,，是遠離日常生活的重工業(yè)領(lǐng)域，比如航空航天,、核電設(shè)備等,。

       12月3日，在上海舉行的“3D打印技術(shù)與未來”高峰論壇上,，有中國3D打印之父之稱的中國工程院院士盧秉恒稱,，3D打印作為科技專項，其重點突破的領(lǐng)域應(yīng)該是航空航天產(chǎn)品高效研制,、醫(yī)學組織器官定制化制造,，以及汽車、微納器件,。而這里面,，航空航天又為重中之重。

       盧秉恒透露,，上述建議作為中國增材制造（即俗稱的“3D打印”）發(fā)展戰(zhàn)略的一部分,，已經(jīng)由中國科學院院士路甬祥及中國工程院院長周濟領(lǐng)銜制定，并提交給了高層領(lǐng)導(dǎo),。

       目前,，中國在將3D打印技術(shù)運用于航空航天領(lǐng)域上走在了全球的前列。

       “百分之八九十的企業(yè)會死掉”

       3D打印,，其實就是增材制造,。目前關(guān)于其定義形形色色。清華大學機械工程系教授,、先進成形制造教育部重點實驗室副主任林峰給出的解釋是：如果是傳統(tǒng)的加工方式,，是通過增加制造工具和機床的加工維數(shù)，從最早的三軸聯(lián)動,、四軸聯(lián)動到五軸聯(lián)動,，聯(lián)動的軸數(shù)越來越多，以應(yīng)對零件復(fù)雜程度的越來越提高,。這是一種增維制造的方法,。而三維打印是一種降維制造過程，它把三維零件結(jié)構(gòu)的加工過程先離散成一系列二維的片層,，然后堆疊起來,，最后完成三維結(jié)構(gòu)成型。它把零件的復(fù)雜程度簡化了。所以降維制造或是分層制造,，是它最明顯的特點,。

       “離散-堆積原理是三維打印的基本原理�,！绷址逭f,。

       離散的過程把三維的零件沿一個方向切成一片一片，就像微積分中的“微分”過程,。在每一個片層里面,，可以進一步離散，變成一條條線段,。每條線段中又可以進一步離散,，變成一個個點。最后把它連起來形成一種低維的型體,，點線面,。這是在計算機中處理的數(shù)據(jù)過程。然后在設(shè)備的物理環(huán)境中再把這些點線面疊在一起,，形成三維的實體零件,，這是一個堆積的過程。離散和堆積兩個環(huán)節(jié)在三維打印里缺一不可,。像蓋房子,，就是一個堆積的過程，但是不把它稱為三維打印,，因為它不在計算機離散數(shù)據(jù)的控制下,，而是在人為操作下運行。

       目前,，國內(nèi)凡是掛上3D打印招牌的，都會迎來資本市場的熱炒,。對此,，卓越集團董事長、軟銀賽富投資合伙人陸豪提出了冷思考：互聯(lián)網(wǎng)時代早期,，只要觸網(wǎng)的都會拉升,，現(xiàn)在的3D打印也是，百分之八九十會死掉,，剩下百分之一二十才是真正做到有應(yīng)用方案和收益的,。

       在陸豪看來，只有找到了真正適合3D打印特征的應(yīng)用,，才能具備價值,。

       而重工、醫(yī)療以及建筑等，是最有可能的,。

       主力應(yīng)用航空制造

       北京航空航天大學材料學院材料加工工程系主任,、材料加工工程學科責任教授王華明，是3D打印航空科技領(lǐng)域的引領(lǐng)者,。其帶領(lǐng)的團隊在國際上首次突破了飛機鈦合金等大型主承力構(gòu)件激光成形工藝,、裝備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。

       在3日的論壇上,，王華明就航空與3D打印結(jié)合,，舉了中國C919大型客機的例子。該機型的機頭駕駛室的主風擋窗框,，就運用了他們的激光3D打印技術(shù),。“商飛如果從國外訂貨,，周期至少兩年,，僅模具費用就需要1300萬元人民幣。當時工期還剩55天,，商飛找到我們,，時間很緊，但我們還是完成了,，而成本僅為120萬元,。”

       憑借“飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”,，王華明今年獲得了國家技術(shù)發(fā)明一等獎,。今年9月，中共中央政治局就創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略,，來到中關(guān)村集體調(diào)研學習,，其第一站便是3D打印，作為領(lǐng)軍人物,，王華明向中共中央總書記習近平作了15分鐘的匯報,。

       航空制造之所以與鈦合金有著不解之緣，是因為鈦合金具有密度低,、比強度高,、屈強比高、耐蝕性及高溫力學性能好等突出特點,。其在航空裝備中用量越來越大,，而且主要被用作各種機身加強框、梁,、接頭等飛機大型關(guān)鍵主承力結(jié)構(gòu)件,。

       可查資料顯示,，波音公司和空客公司研制的新一代民用客機(787、380)中,，鈦合金用量已由第三代(747,、300）的不到4%上升到9%以上，第三代殲擊機中鈦合金結(jié)構(gòu)件用量由F-16的約3%增加到了F18,、蘇-27的15%以上,，而第四代殲擊機F-22中鈦合金結(jié)構(gòu)件用量已占機身結(jié)構(gòu)總重量的41%。大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)件用量的高低,，已成為衡量飛機等國防裝備技術(shù)先進性的重要標志之一,。

       但是，由于受鈦合金本性的影響,，采用“鍛造+機械加工”等傳統(tǒng)技術(shù)制造這些大型復(fù)雜鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件,，不僅需要大型鈦合金鑄錠熔鑄與制坯、萬噸級以上重型液壓鍛造工業(yè)裝備,，而且制造工序繁多,、工藝復(fù)雜，需要大型鈦合金鑄錠真空熔鑄,、大規(guī)格鍛坯制備,、大型鍛造模具加工等，零件機械加工余量很大,、材料利用率低(一般小于5%～10％),、數(shù)控加工時間長、制造成本高,、生產(chǎn)周期長,。

       而高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積“近凈成形”制造技術(shù)，利用快速原型制造的基本原理,，以金屬粉末(或絲材)為原材料,，通過高能激光束對金屬原材料的逐層熔化堆積，直接由零件CAD模型一步完成全致密,、高性能,、大型復(fù)雜金屬零件的“近終成形”制造，是一種具有“變革性”意義的數(shù)字化,、短周期、低成本,、先進“近凈成形”制造新技術(shù),，在航空、航天等國防裝備研制與生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景,。

       “根據(jù)其結(jié)構(gòu)設(shè)計,、材料制備,、構(gòu)件制造一體化的特點，3D打印對于設(shè)計復(fù)雜,、超復(fù)雜的大型乃至超大型結(jié)構(gòu),，有著低成本、短流程,、快速數(shù)字制造的特點,。”王華明稱,，“有了3D打印后,，一些超大超復(fù)雜的產(chǎn)品制造就成為了可能，這便解放了設(shè)計師,，使他們可以大膽設(shè)計,。”

改變核電主管道制作工藝

       在王華明看來,，3D打印是制造技術(shù)大家庭的一名新成員,，不會顛覆或取代傳統(tǒng)制造技術(shù)，“但作為一種變革性的制造新技術(shù),，其發(fā)展?jié)摿�巨��,。�?br />
       至于其適用的領(lǐng)域,，王華明總結(jié)為“貴而難加工的材料,，以及大而復(fù)雜的高性能整體構(gòu)件”。

       清華大學教授,、中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟首席顧問顏永年對此表示認同,。顏永年認為，3D打印在核電制造上大有可為,，“核電的主管道一般重8-10噸,，造價在1500萬元左右，進口的可能還要達到2500萬元,。對核電主管道來說,，平均一噸的造價就是150萬元。這是全球所有鍛件中最貴的,。而這種鍛件,，就值得用3D打印來做�,！�

       核電的主管道可謂是龐然大物,，以AP1000為例，其內(nèi)徑有700mm,，外徑有1200mm,。其功能又相當于人心臟的冠狀動脈,，是核心中的核心。

       隨著新的核電安全要求越來越高,，比如現(xiàn)在AP1000的核電管道要求一體化成型,，禁止空間曲線焊縫，整個核電制造業(yè)面臨著越來越大的壓力,。用已有工藝,，上海電氣集團做AP1000的主管道，鍛造單根的流程需要一年時間,，而且材料浪費大,。

       比如為了制造AP1000的堆芯段，鍛件重量是99噸,，但需要的鋼錠是300噸,。又比如AP1000的底封頭，鍛件重量是18噸,，但鋼錠重量要達到114噸,。

       顏永年稱，采用融合了3D打印技術(shù)的A-DM技術(shù)后,，制作核電主管道模具費用可以節(jié)省四分之三,，材料利用率從5%～15%提高到85%～90%，生產(chǎn)周期縮短三分之二,，能源節(jié)省60%,，大大提高高端鍛件的可靠性、一致性和精度,。

       A-DM法,，即利用粉末作為原料，采用3D打印的LCD成形方法,，直接獲得無偏析,、變形合理、極小余量接近凈成形坯件,，以替代鋼錠開坯和預(yù)鍛,。通過垂直分模擠壓，獲得內(nèi)部缺陷,、強度,、抗疲勞性能和晶粒度等均達到要求的AP-1000主管道。

       顏永年透露,，就這個技術(shù),，他和一重、二重,、中廣核,、國核技接觸了很多次。

       不過,，目前該技術(shù)中的基礎(chǔ)裝備12萬噸垂直壓機和7萬噸水平壓機還沒有做出來,。“我們的壓機計劃是在江蘇省做的,，根據(jù)清華大學和江蘇省的協(xié)議,，我們來到了昆山，現(xiàn)在我覺得江蘇吃不下這個項目,，我覺得還是放到上海比較好,。”

       吸引顏永年的,，還有自貿(mào)試驗區(qū)因素,。“有了自貿(mào)試驗區(qū)之后,，我們打算在這里辦一個窗口企業(yè),，而制造工廠則在自貿(mào)試驗區(qū)外的臨港地區(qū)�,！鳖佊滥攴Q,，“臨港這里非常好，有核電基地,，有中船重工,。中船重工需要很多容器，還有商飛,、商發(fā),，它們也需要很多大鍛件。我們希望我們的土地就在商飛的后面,。這里有高端鍛件的大量需求,，而我們的技術(shù)又非常有效�,！�

       顏永年解釋,，自貿(mào)試驗區(qū)的優(yōu)勢在金融，做高端鍛件需要大量資金,，而外國的銀行融資成本低,。

       “上海作為有老工業(yè)基地底蘊的城市，對基礎(chǔ)裝備的理解也比其他地方好,，其他地方能夠理解紡織裝備,，能夠理解織布裝備，但沒法理解基礎(chǔ)裝備,，他們只知道裝備就是裝備,，不知道還有裝備的裝備,。最終覺得我們的歸屬還應(yīng)該是上海臨港，尤其是有了自貿(mào)試驗區(qū)之后,，原來沒有下定決心的,，現(xiàn)在下定決心了�,！鳖佊滥暾f,。

生物制造產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

引爆點會來得慢點

       除了航空航天、軍工,、文化創(chuàng)意等應(yīng)用領(lǐng)域,，3D打印技術(shù)在生物制造領(lǐng)域的“用武之地”同樣廣闊�,；�于離散-堆積原理,，生物制藥行業(yè)可使用醫(yī)學材料3D打印具有生物活性的人體器官、植入物甚至細胞,。

       林峰介紹,，按照成型材料的生物性能不同，生物醫(yī)學領(lǐng)域的3D打印應(yīng)用可分為四個層次,。

       比如本身沒有生物相容性且不降解的材料,，不能放在身體里，但對于手術(shù)規(guī)劃,、假肢設(shè)計等環(huán)節(jié)能起到關(guān)鍵作用,。“手術(shù)規(guī)劃這種應(yīng)用很重要,。比如過去病人髖關(guān)節(jié)的股骨頭置換手術(shù)需要40多個小時�,，F(xiàn)在可以利用CT掃描數(shù)據(jù)，先重構(gòu)出三維打印模型,，在術(shù)前設(shè)計制造假體,，進行裝配和矯正，在術(shù)中稍加改動就可以,，只要4個小時,。包括特別復(fù)雜的比如連體嬰的分離手術(shù)，也可以通過3D打印在體外建立個性化的嬰兒骨骼模型,，幫助手術(shù)規(guī)劃,。”

       中國機械工程學會生物制造分會副理事長王成燾,，將個性化治療中的3D打印比作“量體裁衣”,。“做人體的植入物，放入接骨板或者關(guān)節(jié),。這就跟西裝最好是定做的一樣,。用這個方法，手術(shù)還沒做之前,，模型做出來就可以量體裁衣,，也就可以度身定做個性化植入物�,！�

       據(jù)介紹，這些技術(shù)至今已為全國臨床提供了近7000例的3D模型打印服務(wù),。

       對于生物相容性好,、不降解的材料，可以用于整形,、人工假肢植入物等,，比如治療小耳畸形的個性化耳軟骨支架。材料的生物相容性好且降解的材料,，可用于制造組織工程支架,，將人體內(nèi)相應(yīng)的細胞提取出來之后，利用3D打印做成多孔支架,，長成組織之后放到體內(nèi),，幫助細胞、神經(jīng)等組織生長,。

       而通過打印活細胞或細胞-材料復(fù)合體,，就其放置在接近體內(nèi)的三維環(huán)境里生長，可以模仿體內(nèi)的生理和發(fā)病過程,，有利于藥物的篩選,。“除了構(gòu)建細胞模型,，還可以利用3D打印開發(fā)緩釋的,、定向的藥物，吃進去之后慢慢釋放,，不同時間釋放不同的量,。包括還有一些靶向，比如說這個地方有病灶,，有癌癥或是衰竭,，可以通過磁、光等方式把藥引導(dǎo)到這個部位再釋放出來,，而不是以前的藥吃進去之后碰到哪算哪,。這些藥的開發(fā)都可以利用3D打印技術(shù)來實現(xiàn)。”王成燾說,。

       “現(xiàn)在也有病人主動提出要做3D模型,，這對于術(shù)后的生活質(zhì)量有保證，這樣的病例規(guī)模在逐漸擴大,�,！绷址逭f，盡管有行業(yè)研究機構(gòu)稱,，未來3-5年中國將成為全球最大的3D打印市場,，但3D打印在生物制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)“引爆點”會來得更慢一些。

       “大家能夠慢慢接受估計得5-8年,，真正要發(fā)展可能還得到10年以后,，這個還得藥監(jiān)部門的批復(fù)，還有具體產(chǎn)品要能出來,，這個時間還是很長的,。有的應(yīng)用比如說支架制造也已開始產(chǎn)業(yè)化，但真正要成為產(chǎn)品批號的話,，還是有個過程,。”林峰認為,，10年以后,，無論是藥物研究過程還是疾病的研究中，都會廣泛應(yīng)用3D打印的各種設(shè)備和技術(shù),，“到那個時候,，3D打印會作為一種非常基本的醫(yī)療手段,�,！�

         “能倍增建材強度”

       盡管諸多業(yè)內(nèi)專家都表示，3D打印目前有被過度炒作之嫌,，但上海盈創(chuàng)裝飾集團有限公司董事長馬義和直言,，“從做建筑的領(lǐng)域來說，3D打印的春天已經(jīng)來了,�,！�

       從實施過程看，利用大型3D打印機打印建筑就像從模具中擠奶油,，區(qū)別在于是從巨型的三維擠出機械頭擠出混凝土,。

       美國南加州大學工業(yè)與系統(tǒng)工程系教授比洛克·霍什內(nèi)維斯（Behrokh Khoshnevis ）曾公開表示，利用3D打印技術(shù),，可以在20個小時之內(nèi)建成一幢面積2500平方英尺的建筑物,�,；羰矁�(nèi)維斯稱，3D打印機的可貴之處在于,，它可以聽從電腦程序,，打印完一層自動爬上另一層，非常有次序,，一磚一瓦都不會遺漏,，這保證了它的穩(wěn)定性。而且會依據(jù)強大的幾何計算采用堅固的材料,，來保證幾年到更多的時間內(nèi),，房子不會有質(zhì)量問題。

       “首先材料一定是液態(tài)的,，能夠自凝固成型,，而且能滿足建筑安全，利用很低的成本就可以大規(guī)模生產(chǎn),。這種材料彈性大，可塑性高,，對人體零傷害,，對環(huán)境零污染。而且自重輕,，自帶保溫,，可就地取材�,！瘪R義和認為,，3D打印技術(shù)加上高強度的纖維建筑材料，可使未來的建筑擺脫鋼筋的束縛,，大大降低建筑物的材料和施工成本,。

       馬義和稱，“3D打印建筑最大的好處在于,，能把建筑材料強度提高很多倍,。我們可以打一面空心的墻，里面填充上保溫材料,，很輕而且強度很高,。”

  謹防走光伏行業(yè)老路

       3D打印技術(shù)雖已出現(xiàn)20余年,，但在國內(nèi)真正“走紅”時間并不長,。

       盡管國家層面仍未正式出臺專門針對3D打印行業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃和扶持政策，但自去年12月工信部副部長蘇波表態(tài)將推動3D打印產(chǎn)業(yè)化之后,，以3D打印技術(shù)名義成立的研發(fā)中心在各省市遍地開花,，3D打印概念股亦全線飄紅。

       卓越集團董事長、軟銀賽富投資合伙人陸豪認為,，整個3D行業(yè)還處于一個行業(yè)拉升階段,，所謂的“春天”還言之過早�,！�3D作為一種表現(xiàn)手段,，處于研發(fā)階段的成熟度已經(jīng)非常高了。但從工廠化角度來說,，還處于萌芽期,。因為它要顛覆原有的很多標準�,！�

       對于3D打印的“被神話”,，王成燾稱，“現(xiàn)在從媒體到個人,，都到了螺旋上升的第二圈,，到了該冷靜下來，回到各自的領(lǐng)域好好地利用3D打印各種功能的階段,�,！�

       有業(yè)內(nèi)人士稱，3D打印要警惕重走中國光伏產(chǎn)業(yè)一哄而上的老路,。

       林峰認為,，股票市場3D打印概念走熱，炒作成分居多,，目前國內(nèi)3D產(chǎn)業(yè)本身并不大,。“專門從事3D打印的企業(yè)里能盈利的也就一兩家,，盈利也就一點點,。投入還是主要的。所以現(xiàn)在這個產(chǎn)業(yè)并不大,，資本市場看好有可能,，因為是未來的一個東西。但現(xiàn)在上市企業(yè)做這塊的還比較少,，大部分都還沒上市,，或是一些小企業(yè)和準備投資的企業(yè)�,！�

       “來找我們談合作的也挺多,，各式各樣的企業(yè)都有，現(xiàn)在還沒定下來,。像昨天中航投資也來找我們談過,，還有一些民營企業(yè),，各個地方的開發(fā)區(qū)、高新區(qū),，還有清華,、北京的一些公司。但我們還是希望有搞生物醫(yī)藥的投資,、基金能進來,，這對行業(yè)發(fā)展有好處�,！绷址宸Q,。

       陸豪指出，3D打印能否“遍地開花”,，不能一概而論,。“各地都在打3D技術(shù),。3D在醫(yī)療應(yīng)用已經(jīng)很成熟了,，在工業(yè)設(shè)計也很成熟，對模具產(chǎn)業(yè)會產(chǎn)生影響,。未來3D產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，取決于當?shù)氐膭?chuàng)新產(chǎn)業(yè)和工業(yè)設(shè)計，以及醫(yī)療成熟度和民用個性化產(chǎn)品的集聚度,。本身是個農(nóng)業(yè)省市怎么能去做3D打印機？所以將來有的政府會賺大錢,、有的政府不賺大錢,，取決于應(yīng)用是否集聚�,！�

       “3D死掉的概念是死在自己沒有認準3D究竟是什么,。它是一種輔助手段，來解決工業(yè)革命中必須解決的周期問題,�,！标懞婪Q。

       3D打印的應(yīng)用范圍廣泛,，各行業(yè)對該技術(shù)所能帶來的經(jīng)濟預(yù)期不盡相同,。但多數(shù)業(yè)內(nèi)人士與專家均表示，3D打印并不是原有的等材和減材制造工藝的顛覆,，而是對傳統(tǒng)技術(shù)的提升,、改造和完善。

       “3D打印是重要技術(shù)革命,，但不是顛覆性的,。我覺得專家領(lǐng)域都不認為是顛覆性的,。成型后面還有很多事情要做�,！蓖醭蔂c說,，英國《經(jīng)濟學人》雜志所刊登的保羅·麥基里有關(guān)“第三次工業(yè)革命”的系列文章中指出，一種建立在互聯(lián)網(wǎng)和新材料,、新能源相結(jié)合基礎(chǔ)上的第三次工業(yè)革命即將到來,，而非此前媒體所宣傳的“3D打印將推動工業(yè)革命”。

       上海福斐科技發(fā)展有限公司總裁連鋼表示,，大多數(shù)人對3D打印存在誤解,。真正在創(chuàng)造價值的，并非許多人印象中如同玩具般的桌面3D打印機,，“其實有一大塊今天已經(jīng)應(yīng)用得非常好,、非常成熟的東西，不是在每天的街上,、商店能看到的,。如果去制造基地、工廠,、服務(wù)基地看看,，你會對3D打印有一個完全不同的感官�,！�

       上海市企業(yè)聯(lián)合會副會長夏小華認為,，許多人對3D打印的誤解不僅體現(xiàn)在設(shè)備形態(tài)上，還涉及更大的問題,，“我們是一個制造大國,，就把它簡化成一個制造技術(shù)，把設(shè)計那一塊忽略掉,，我認為這樣的話將來大部分都會死掉的,。因為光有技術(shù)不夠，沒設(shè)計能力不行,�,！�