从打印模型到打印器官 3D打印无孔不入

    以3D打印技术为代表的数字化制造模式，曾被《经济学人》杂志认为是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”，近年来在全球持续升温、热潮频袭。3D打印与传统制造方式不同的特性，及其理论上“无孔不入”的打印可能，触动了科技界、产业界的敏感神经。

　　然而，这一制造技术是否真如设想中那么美好？我国与世界先进水平有哪些差距？产业前景又在哪里？热闹之后，还需深思。

　　5月29日—31日，2013世界3D打印技术产业大会在北京召开，再一次把这些问题推向前台。

　　——编 者

　　应用

　　无法替代传统制造方式，成本、材料因素限制市场

　　3D打印上世纪80年代诞生于美国，学名是“增材制造”，是将材料一次性熔聚成型的制造方式，与传统对原材料进行切削等的“减材制造”方法相反。

　　“与盖楼过程一样，3D打印也是从地基建起，通过打印材料的层层叠加，最终形成一个完整的立体物品。”华中科技大学材料科学与工程学院教授史玉升说，理论上，塑料、金属、陶瓷、沙子等材料做成粉状物后都可以用作打印的“墨水”。

　　新产品在实际制造成型后，可能与原设计有出入，因此量产前常常需要样品验证，3D打印正好发挥了其在单件或小批量生产上的优势。另外，3D打印在高端尤其是复杂零件加工上有较大潜力。传统制造方法需要经过开模具、铸造或锻造以及精加工，费时费料。而3D打印的一次成型技术，能够打印出设计好的复杂结构，节约了材料，降低了零部件的研制周期和成本。

　　“有一家铸造企业用选择性激光烧结3D打印机，将复杂铸件的交货期由传统的3个月缩短到了10天左右，”史玉升举例说，“还有某发动机制造商采用这样的设备，把大型六缸柴油发动机缸盖砂芯的研制周期，由过去的5个月缩短至1周左右。”

　　速度快、省材料、能轻松应对结构复杂的产品……既然身兼种种特长，3D打印技术已诞生30多年，为什么一直没发展起来？

　　中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军认为，关键在于3D打印技术对传统制造技术的替代作用不强。虽然在部分产品的小批量生产和模具生产上颇有优势，但在大批量生产上，3D打印的速度和成本其实都比不过传统制造方式。打印材料品种的单一和昂贵的成本，使其局限于对价格敏感度不高的产品，市场应用领域有限。

　　“3D打印技术只是传统制造业的补充。”史玉升表示。罗军也认为，3D打印技术擅长解决个性化、复杂化、高难度的生产技术，而传统制造业擅长批量化、规模化和精益化的生产，两者是互补关系，“不是谁替代谁的问题”。

　　在罗军看来，3D打印技术没得到大发展的另一个原因在于，国内3D行业“小而散”的局面影响了产业的推广。因此，去年10月15日，中国3D打印技术产业联盟成立，集合了国内40多家从事3D打印的企业和科研单位。罗军希望通过联盟形成合力，以行业抱团发展模式逐步打开市场。

　　现状

　　设备、材料及应用领域与国外尚有差距，活体组织打印是未来重要方向

　　发展3D打印技术，中国其实起步并不晚。这方面的研究在上世纪80年代末就已开始，研究力量集中在西安交通大学、华中科技大学和清华大学等高校。

　　目前，这3所高校仍是我国3D打印技术的研究重地，其中西安交通大学侧重研究光固化技术，华中科技大学的优势在于激光粉末烧结技术，而清华大学则侧重塑料堆积技术。

　　史玉升表示，我国生产的3D打印机装备功能已经接近国际先进水平，两者的差距主要体现在装备的可靠性和材料研发上。“部分3D打印机的关键器件需从国外进口，而用国产零件生产的打印机稳定性不够。”此外，我国在材料质量和品种上还远不如美国、德国丰富，许多研发的实验材料也需要进口。

“更大的差距体现在应用上。” 史玉升说，在国外，3D打印技术已经在新产品开发、生物医疗、航空航天、影视教育创意等方面有较多应用，而我国还主要局限于模具打印、文化创意产品等少数领域。

　　另外，在西方国家，3D打印技术可以打印出个性化的假牙、假肢，在医疗健康领域已经取得成效。不过，“假”的东西并不能让人们满足。“未来3D打印技术一个前沿方向是研究如何打印‘活’的人体‘零件’。”史玉升说，只要能找出与人体相容的材料，打印出网状物，再把人体的细胞放上去培养，就能制造出真正的人体组织了。

　　不过，当前打印人体器官还只是一种科学愿景，这依赖于打印材料和技术上的突破，并需要开展生物、医学、计算机等多学科来交叉研究。

　　虽然还有不小差距，但3D打印技术已经算是我国制造行业与国外先进水平差距很少的技术之一，部分领域几乎同步，在某些方面还具有自身特色和一定的优势。北京航空航天大学的王华明教授曾打印出世界上最大的钛合金复杂构件，产品整体性能远超锻件。

　　史玉升认为，中国要从制造业大国走向强国，依靠当前加工型的、技术含量低的生产手段难有根本改观，国家应加强对3D打印技术研究的支持。

　　据了解，我国从去年底已经启动了中国工程院增材制造咨询项目，为未来中国3D打印技术发展献计献策。

　　前景

　　未来3至5年是发展关键时期，工业级打印将成主要市场

　　“现在只是3D打印技术的产业化初级阶段，未来3—5年将是3D打印技术最为关键的发展机遇期。”罗军表示。

　　据罗军估计，产业联盟成立后，国内3D行业统一了抱团发展的思想，未来3年内有望达到百亿产值。而市场缺口打开后，国内3D打印技术市场规模将保持至少一倍以上的增长速度，有可能成为世界3D打印的中心。

　　美国沃勒斯合伙公司是全球知名的3D打印行业咨询机构，已经连续18年发布全球3D打印行业年度报告。其不久前发布的最新报告显示，2012年3D打印全球市场规模为22亿美元，同比增长了29%；其中3D打印机的销售量同比上升了25%，其中有38%产自美国，8.5%来自中国。

　　报告还显示，低端、爱好者级别的3D打印机销售增速明显放缓，工业级3D打印份额扩大，制造商开始使用3D打印技术直接生产成品零件。

　　低端、爱好者级别的3D打印机常被称为“桌面级3D打印机”，在美国售价通常在5000美元以下，可以用来打印文化创意小产品，缺点是精度不高。

　　沃勒斯合伙公司主席兼首席顾问特里·沃勒斯解释，部分用户因为好奇尝试购买桌面级别的3D打印机，但现在这一市场已经逐渐接近饱和，3D打印行业的未来在工业级市场。目前美国有上百家“桌面级3D打印机”企业，未来均可能面临倒闭的危险。由于3D打印使用的塑料和金属材料都很昂贵，产品精度也有限，他并不看好文化创意产品服务这一商业模式。

　　英国增材制造联盟主席格瑞汉姆·卓曼表示，能推动产业发展的是工业级的应用，而中国以中心工业城市集聚带动产业、依靠政府支持是一种目前比较好的发展途径，有利于工业级3D打印技术的发展和应用推广。

　　而罗军认为，3D打印技术要得到社会和用户的认可，就不能够光停留在工业级的高技术含量的领域。“哪怕一个3D打印照相馆、一间提供定制服务的工作室，也是对3D打印技术很好的推广。”罗军说，让公众真正了解3D打印技术，能为其今后大规模的应用提供基础。