3D打印：以數(shù)字創(chuàng)意打印未來

高茜

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是一套利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料，它與普通打印工作原理基本相同，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

3D打印產(chǎn)業(yè)=增材制造業(yè)

當(dāng)前全球范圍內(nèi)新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命正在萌發(fā)，世界各國紛紛將增材制造作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新增長點(diǎn)，推動增材制造技術(shù)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新材料技術(shù)、新設(shè)計(jì)理念的加速融合。2016年時全球3D打印市場達(dá)2.796億美元，市場研究公司IQ4在2017年的分析報(bào)告里也指出，到2022年，全球醫(yī)療3D打印市場規(guī)模將達(dá)到38.9億美元。

2017年12月13日，工信部發(fā)布了《十二部門關(guān)于印發(fā)<增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計(jì)劃（2017-2020年）>的通知》（以下簡稱《通知》）。

《通知》明確，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、教育部、公安部、財(cái)政部、商務(wù)部、文化部、衛(wèi)生計(jì)生委、海關(guān)總署、質(zhì)檢總局、知識產(chǎn)權(quán)局等12部門聯(lián)合制定了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計(jì)劃（2017-2020年）》（以下簡稱《計(jì)劃》）。

《計(jì)劃》的著力點(diǎn)主要有：

一是著力行業(yè)推廣應(yīng)用。《計(jì)劃》明確到2020年要開展100個以上試點(diǎn)示范項(xiàng)目，推動增材制造在10個重點(diǎn)制造業(yè)領(lǐng)域的示范應(yīng)用，推動“3D打印+醫(yī)療”“3D打印+文化創(chuàng)意”“3D打印+創(chuàng)新教育”“3D打印+互聯(lián)網(wǎng)”的示范應(yīng)用，加快培育一批創(chuàng)新能力突出、特色鮮明的示范企業(yè)和產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。

二是著力推動軍民融合。大力推動增材制造技術(shù)在航空、航天、船舶、核工業(yè)等軍工領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，加強(qiáng)軍民資源共享，促進(jìn)軍民兩用技術(shù)的加速發(fā)展。

三是著力生態(tài)體系建設(shè)。要形成從材料、工藝、軟件、核心器件到裝備的完整的增材制造產(chǎn)業(yè)鏈，涵蓋計(jì)量、標(biāo)準(zhǔn)、檢測、認(rèn)證、人才等在內(nèi)的增材制造生態(tài)體系。

《計(jì)劃》由12個部門聯(lián)發(fā)，力度空前，充分體現(xiàn)了國家對增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重視和支持，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展將發(fā)揮積極的推動作用。

一場行業(yè)內(nèi)的高峰論壇

2017年12月22日，“數(shù)字創(chuàng)意，打印未來”——3D打印產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇在北京開啟，論壇上匯聚了國內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈上下游的頂尖專家和行業(yè)翹楚，深度探討了3D打印前沿技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、高端制造、建筑建造、文創(chuàng)、軍工等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和創(chuàng)新理念，加強(qiáng)3D打印產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢資源融合，助力傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級并共享發(fā)展契機(jī)。

生物醫(yī)學(xué)

目前，醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)占領(lǐng)了3D打印市場份額的三分之二。

《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計(jì)劃（2017-2020年）》中，特別提出在“3D打印+醫(yī)療”方面，針對醫(yī)療領(lǐng)域個性化醫(yī)療器械（含醫(yī)用非醫(yī)療器械）、康復(fù)器械、植入物、軟組織修復(fù)、新藥開發(fā)等需求，推動完善個性化醫(yī)用增材制造產(chǎn)品在分類、臨床檢驗(yàn)、注冊、市場準(zhǔn)入等方面的政策法規(guī)。

華中科技大學(xué)是國內(nèi)最早從事生物3D打印的少數(shù)幾個代表性的單位之一，經(jīng)歷幾代人的努力，現(xiàn)在已在3D打印領(lǐng)域建立起雄厚的實(shí)力和基礎(chǔ)，特別是在3D打印專用生物材料和生物3D打印設(shè)備設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域具有自己的特色和領(lǐng)先優(yōu)勢。

張勝民教授作為華中科技大學(xué)先進(jìn)生物材料與組織工程交叉學(xué)科研究中心主任，他對生物3D打印領(lǐng)域的研究，已有超過十余年的時間，取得了諸多成就。

從2004年開始，張勝民教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)積極思考“如何將華中大在快速成型制造領(lǐng)域強(qiáng)大的通用技術(shù)和學(xué)科基礎(chǔ)轉(zhuǎn)化為生物3D打印的獨(dú)特優(yōu)勢”這一重要課題，研究發(fā)現(xiàn)，一段時間制約生物3D打印發(fā)展的技術(shù)瓶頸是缺乏適用的3D打印專用生物材料。這類似于我國在激光印刷領(lǐng)域的遭遇，其技術(shù)瓶頸不是制造打印機(jī)，而是“墨粉”技術(shù)掌握在國外少數(shù)大公司手里。而在生物3D打印領(lǐng)域，我國更是缺少這樣的“生物墨粉”。

課題組根據(jù)生物體組織結(jié)構(gòu)精細(xì)和高度多級有序的特征，提出并發(fā)明了一系列“微納生物磚一一生物微球”、“生物墨水”及其制造技術(shù)，獲得中國授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)。這些微球和微納建筑單元可進(jìn)一步復(fù)合或攜載活細(xì)胞、藥物和生長因子，據(jù)悉，目前該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的系列3D打印專用生物材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化和規(guī)模生產(chǎn)。

功夫不負(fù)有心人，研究成果再攀高峰。

國際生物材料領(lǐng)域排名第一的期刊《生物材料》（Biomaterials），2017年刊登了張勝民教授團(tuán)隊(duì)利用3D打印專用生物材料成功再生修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨/骨綜合缺損的最新研究進(jìn)展，即采用一個仿生組織支架同時實(shí)現(xiàn)了軟骨組織和軟骨下骨組織的完美再生。為便于理解和記憶，張教授幽默地借用鄧小平同志關(guān)于“一國兩制”（One Country，Two Systems）的論述句型，形象地將該項(xiàng)成果解釋為“One Scaffold，Two Tissues”（一個支架，兩種組織）。實(shí)際上，該項(xiàng)成果也展示了同一個支架實(shí)現(xiàn)多組織再生的前景。

該項(xiàng)新進(jìn)展主要取得了三點(diǎn)突破：一是采用具有完全獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)的3D打印專用生物材料；二是利用3D打印技術(shù)構(gòu)建出關(guān)節(jié)軟骨/骨組織的復(fù)雜仿生結(jié)構(gòu)支架；三是在無需預(yù)置任何活細(xì)胞和生長因子條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨/骨綜合缺損的再生修復(fù)。其中尤其值得關(guān)注的是，無活細(xì)胞和生長因子產(chǎn)品更易于被FDA（美國食品和藥物管理局）、CFDA（中國國家食品藥品監(jiān)督管理局）注冊批準(zhǔn)，從而為實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)的快速轉(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ)。

“生物材料的微納米化將成為生物3D打印專用材料和3D打印精準(zhǔn)制造的普遍要求，生物3D打印的范圍將不僅局限于材料/活細(xì)胞組裝、簡單組織和復(fù)雜組織打印，未來可能向器官系統(tǒng)打印進(jìn)化。同時，在生物材料與組織工程器械產(chǎn)品和系統(tǒng)的生產(chǎn)制造中，利用生物3D打印技術(shù)將變得越來越普遍和有效。”張勝民教授總結(jié)著未來生物3D打印的發(fā)展趨勢。

智能制造

現(xiàn)代制造過程是把金屬熔化做成錠，然后反復(fù)鍛打成鍛坯，對其機(jī)械加工后得到零件。這是一種開放式的加工過程，要用機(jī)械手抓住鑄錠，反復(fù)旋轉(zhuǎn)，鍛壓頭對鑄錠反復(fù)鍛打，鑄鍛車間煙霧騰騰，場面很壯觀。現(xiàn)在這種生產(chǎn)方式是全世界通用的，先鑄后鍛，流程很長，需要大型鑄鍛機(jī)，反復(fù)鍛造會使得加熱能耗大、污染重、材料利用率低，一些復(fù)雜零件難以制造。

運(yùn)用3D打印技術(shù)的制造模式存在的瓶頸是，只有鑄造無鍛造，性能及可靠性達(dá)不到鍛件，抑制變形和破裂的難度大，低效高成本。

張海鷗團(tuán)隊(duì)研制的“智能微鑄鍛”技術(shù)，是將鑄造、鍛造、銑削三個典型的成形過程合在一起，即增材、等材、減材一體化的智能制造技術(shù)。基板上面是焊槍，熔化的是送入槍下面的金屬絲，在熔化的金屬還沒有冷卻時，趁熱打鐵對其進(jìn)行連續(xù)的鍛打，通過此技術(shù)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了鑄鍛一體化3D打印，打印出高性能金屬鍛件。

這一技術(shù)的創(chuàng)新性在于改變國內(nèi)外傳統(tǒng)制造鑄鍛分離的歷史，實(shí)現(xiàn)鑄鍛合一，邊熔邊鍛，突破3D打印不能打印鍛件的瓶頸；同時也顛覆了國內(nèi)外傳統(tǒng)機(jī)械制造工藝流程和裝備，有望變革傳統(tǒng)重工業(yè)制造方式，大幅度提高效率，降低成本，提升我國國防和民用制造技術(shù)水平。

建筑領(lǐng)域

“《中國制造2025》規(guī)劃中，3D打印是未來發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，帶來新的社會生產(chǎn)變革的基礎(chǔ)上，大大推進(jìn)了社會的創(chuàng)新與發(fā)展。對于建筑行業(yè)來說，不斷創(chuàng)新驅(qū)動的關(guān)鍵目標(biāo)是制造技術(shù)與藝術(shù)的融合，科技與文化的交融，以現(xiàn)代科技提升降低建筑能耗、減少碳排放，提高建筑的品質(zhì)。3D打印對建筑行業(yè)的整體升級也帶來了重要的發(fā)展機(jī)遇，為未來設(shè)計(jì)建筑建造的方式提供了全新的可能性。”中國工程院院士、建筑學(xué)家、上海世博會中國館總建筑師何鏡堂院士講道。

徐衛(wèi)國教授所在的清華大學(xué)數(shù)字建筑研究中心從事數(shù)字設(shè)計(jì)及智能建造研究，其中主要的課題是研究3D打印混凝土建造。

“有很多的專家和學(xué)者對打印技術(shù)和打印出建筑的工藝、質(zhì)量提出了質(zhì)疑，到底是不是能夠通過3D打印的方式來進(jìn)行建筑的建造？”

對3D打印建筑來說有一系列問題需要解決，首先房屋是一個系統(tǒng)，包含著結(jié)構(gòu)、防水、保溫、裝飾等各方面，這些不同的分項(xiàng)工程，如何結(jié)合到一起，來實(shí)現(xiàn)房屋的建造？建筑的工業(yè)化又如何實(shí)現(xiàn)？

3D混凝土打印不可能打印出鋼筋，僅僅打印出混凝土，這個是它最大的缺陷。其他3D打印公司目前是以妥協(xié)的辦法，打印是混凝土，但是里面還有鋼筋，或者是先放鋼筋然后打印，從這個建造方式來講，和傳統(tǒng)的建造方式相差不多。

在3D打印混凝土建造的研究課題中，徐教授講到兩個研發(fā)方向一一在混凝土打印過程中，通過機(jī)械臂的協(xié)同，解決打印存在的接縫問題；混凝土打印出來后，通過疊層能夠?qū)崿F(xiàn)各種構(gòu)建，特別是不規(guī)則構(gòu)建的建造。

對于3D打印作為新的建造方式，徐教授提出了自己的思考，是不是能夠有一種材料，既具有受壓的性能，同時又具有良好的受拉和抗剪的性能，如果有這種材料，3D打印的方式直接可以打印建筑，這個建筑就可以具有安全性，能夠?yàn)槲覀內(nèi)粘Ｉ顜硪环N新的建筑類型。

3D打印其實(shí)是一種新型的社會生產(chǎn)方式，這種新的組織機(jī)構(gòu)是建立在數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)上，圍繞著電子文本形成各行各業(yè)的協(xié)作，或者是不同人的協(xié)作形成不同的社會組織。

3D打印未來的產(chǎn)業(yè)化

學(xué)術(shù)研發(fā)和技術(shù)相關(guān)的規(guī)律是產(chǎn)業(yè)發(fā)展中間的必要條件。

“前期有學(xué)術(shù)和研發(fā)力量主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)進(jìn)程，中期有生產(chǎn)、質(zhì)量控制，具有要素的合作伙伴主導(dǎo)過程，后期進(jìn)入產(chǎn)品階段的時候有市場和渠道、資本的要素主導(dǎo)，符合以上條件的產(chǎn)業(yè)就會發(fā)展得快。另外在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)該對癥下藥，通過3D打印解決患者個性化的需求。”廣東省功能生物材料工程技術(shù)研究中心副主任曾晨光講道。

位于北京豐臺區(qū)的中關(guān)村科技同區(qū)豐臺同經(jīng)過20多年的發(fā)展，上市公司已達(dá)93家，擁有國家級高新技術(shù)企業(yè)627家，初步形成了以軌道交通和居民融合為特色的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，目前院士專家工作站是17家，2017年1-10月份豐臺科技園區(qū)的技工貿(mào)總收入達(dá)到3346億元。

3D打印重在技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化及項(xiàng)目落地，中關(guān)村科技園區(qū)豐臺園3D打印數(shù)字維創(chuàng)中心已經(jīng)完成了專家工作站、產(chǎn)業(yè)與企業(yè)合作平臺的建設(shè)，全媒體平臺的建設(shè)與運(yùn)行，并正在完善3D打印數(shù)據(jù)檢測中心和全國實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟、高端人才培養(yǎng)與孵化基地、科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目實(shí)施服務(wù)和3D打印國際技術(shù)專利評估與交易平臺的建設(shè)，為入駐企業(yè)提供相應(yīng)服務(wù)。

3D打印技術(shù)雖然還存在著很多瓶頸，3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展還處在起步階段，但相信通過各個行業(yè)的企業(yè)家和科研者在3D打印領(lǐng)域的協(xié)作，會使3D打印產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展更加迅速。