3D打印：從“創材”到“創生”

在北京3D打印研究院，趙新副院長拿著一個3D打印的人體心瓣模型，向筆者講述了這樣一個有關3D打印應用的真實故事：傳統的心臟瓣膜替換手術一般是病人做CT后根據一張張二維平面的CT片子，醫生在腦海里把這些平面圖疊在一起，判斷心臟瓣膜的損壞程度和需要手術的位置，以確定病人的手術方案。但一旦判斷不準，病人遭罪，也容易造成醫患矛盾。現在北京某醫院和3D打印研究院合作，把病人的CT數據提供給研究院，很快就能拿到根據醫學數據3D打印出來的心瓣模型，醫生用它輔助診斷，準確率得到了極大提高。

3D打印技術在我國的應用，正在取得長足進展。

快速走向實際應用

日前，在上海舉行的第17屆中國國際工業博覽會上，3D打印展品引人注目。比如，北京航空航天大學的展品是用3D技術打印的C919機頭主風擋的窗框，它是采用“同軸送粉”技術，用鈦合金材料打印而成。此外，還有中國航天科技集團公司上海航天技術研究院參展的用3D打印的高性能碳纖維接頭和用3D打印的鋁合金空間轉位捕獲桿……

3D打印，又叫增材制造技術，是一種以數字模式文件為基礎，運用粉末狀金屬、塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的快速成型技術，是制造原理上的一個重大突破。中國工程院院士、快速制造國家工程研究中心主任盧秉恒表示，增材制造與傳統的等材制造和減材制造三足鼎立，互為補充。從制造方式來說，鑄鍛焊在制造過程中重量基本不變，屬于“等材制造”，已有3000年歷史；隨著電動機的發明，能夠車銑刨磨的機床出現，通過對材料的切削去除達到設計形狀，稱為“減材制造”，已有300年歷史；而以3D打印為代表的“增材制造”，1984年提出，1986年實現樣機，被稱為“20世紀最具革命性的制造技術”。

2015年2月，工業和信息化部牽頭發布《國家增材制造產業發展推進計劃（2015～2016年）》；3月，國務院總理李克強主持召開國務院常務會議，部署加快推進實施“中國制造2025”。增材制造技術是實現中國制造業升級的核心技術之一。中國緊跟世界科技趨勢，高度重視和全面發展3D打印技術，“急追”先進國家。

盧秉恒院士說，3D打印“熱在今天，造就明天”。未來制造業將是“互聯網+先進制造業+現代服務業”，大致會呈現這樣一個網絡服務云平臺：大眾需求收集-創客設計-3D打印驗證設計-虛擬制造-生產分包-物聯網配送。

因此，3D打印還展現了一個全民創新的通途。在大眾創業、萬眾創新的當代，創客們設計出來的某些產品，傳統制造業沒有辦法實現，或者成本非常高。而3D打印從技術上、成本上、快捷程度上都可以支持，使之變成現實。可以說，3D打印技術開啟了個性化商品制造的商業模式。

替代傳統制造有待時日

3D打印的關注度如此之高，目前在我國制造業的轉型升級中，3D打印應用情況如何？

傳統的減材制造是在大尺寸的原材料上進行沖壓、切削、鉆孔等多個環節后，得到符合要求的零件或產品。比如制作一個渦輪，可能需要用300公斤的原材料，最后制成產品，只有50公斤重。與之相比，增材制造是加法制造，從無到有逐層堆積原材料，直到得到成品。在這個過程中，沒有制造工業垃圾，非常環保。據測算，3D打印節約材料大約70%～80%。此外，3D打印在制造模式上也有明顯優勢。傳統制造都是在一個成熟的流水線上進行大批量的生產和加工，而3D打印可以實現個性化定制以及一體化打印，省略了組裝環節。

目前，我國3D打印技術主要在“一高一低”兩個領域應用比較普遍：“一高”是火電、核電、航空航天、軍工等高科技領域。這些行業使用的高端機械，采用傳統制造模式，主要依靠焊接實現零件的結合，但是焊接技術往往引起性能衰退。而3D打印可以實現一體化打印，實現了零件之間的無縫對接，具有很好的強度和精度。因此，3D打印在這些領域得到快速發展。“一低”是指制造成本低、制造周期短，有利于個性化小批量制造的產品。因為3D打印技術可以讓數字文件精確復制成實物原型，所以還可以用來制作“獨一無二”的創意產品，比如人偶、禮品等。在北京3D打印研究院，筆者看到琳瑯滿目的各種3D打印產品，有動漫公司定制的卡通人物形象、有各種奇思妙想的禮品擺設等。這些都是目前市場上3D打印普及型應用。

此外，在制造業的鏈條中，快速模型制造也普遍使用3D打印。傳統制造做模具，成本高、開發周期長，而3D打印可以快速做出原型，符合要求后，再開模具制造。因此，在汽車業、制鞋業和一些行業的新產品開發中，經常會用3D打印進行原型制造。

趙新表示，目前，3D打印雖然已開始應用于小批量的直接制造，但是受3D打印的時間、精度和材料等限制，3D打印還不可能替代傳統制造業，只是利用研發、設計開發優勢，為大批量制造業做輔助。“希望媒體的宣傳實事求是，有些人對3D打印認識過度，過于理想，到研究院一了解，就會很失望。”趙新說。

北京大學光華管理學院博士后劉江濤認為，3D打印技術在強調個性化、復雜化的小批量生產和模具生產上可以大顯身手，同時也將充分發揮3D打印技術兼具智能制造的特點，擴大其在軍工、醫療、創意等行業的應用。短期內，3D打印技術難以替代傳統制造業，兩者會在較長時間內并行融合。但是3D打印技術會提升傳統制造業的制造形態，改進流程，提高效率，提升行業水平，實現產業升級。

技術提升需協同創新

3D打印技術是一個支撐、一個工具，它與各個行業相結合，將促進中國制造升級，實現從“中國制造”向“中國智造”的轉變。盧秉恒院士表示，增材制造的遠景是“創材”，即按照材料基因組，研制出超高強度、超高耐溫、超高韌性、超高抗蝕的新材料。目前3D打印已制造出了耐溫3315攝氏度的合金，用于“龍飛船2號”，大幅增強了飛船推力。3D打印還從“創材”到“創生”，即打印細胞制造器官，甚至把基因打印在細胞里實現基因變異。

近兩年，3D打印出現了一些顛覆性技術，這一領域現在正處于技術的井噴期、產業發展的起步期和企業的跑馬圈地期。

從3D打印產業鏈的構成來看，產業鏈上游包括創新設計、精密機械、數控技術、材料科學和激光技術，產業鏈中游主要包括3D打印設備的生產，產業鏈的下游主要是三維模型設計服務和打印產品應用。

目前，我國3D打印總體技術水平處于模型制作向零部件直接制造的過渡階段，在直接制造高性能塑料和金屬零件方面發展迅速，局部甚至超過國外水平，但總體上還有非常大的提升空間。

產業鏈上游的創新設計、精密機械、數控技術、材料科學和激光技術的核心技術大多掌握在外國大公司手中。國產的打印材料性能相對差些，可打印材料較少；工業版3D打印機的激光器存在穩定性問題，整個產業還處于起步發展階段。國內3D打印領域走在前列的公司有陜西恒通、西安鉑力特、北航公司、武漢濱湖、無錫易維等，但是總體來說，企業規模、產值、利潤都還比較小。由于3D打印技術融合了光機電技術、控制技術、材料技術和軟件技術等，目前我國高端裝備制造的核心技術尚待加強、機器人和數控機床等底層裝備的自動化信息化不夠，這些也制約了3D打印技術的提升。

因此，我國3D打印技術的發展，亟須協同創新，學科交叉發展原創，盡快建立創新鏈。《三生萬物——3D打印：第三次工業革命的引擎》的主筆、財政部稅政司調研員李旭鴻建議：加快3D打印技術的發展，要實施3D打印“重大技術突破、重要行業應用、重點企業支撐”的“三重戰略”。大力加快3D打印專用材料的研發和生產，鼓勵發展數字模型、專用工藝軟件及控制軟件，加速發展3D打印裝備及核心器件；大力支持3D打印技術在重點行業應用和推廣；大力發展航天、航空、電子、網絡平臺等領域的3D打印龍頭企業。