3D打印：以數字創(chuàng)意打印未來

高茜

3D打印技術出現(xiàn)在20世紀90年代中期，實際上是一套利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型裝置。普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，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，最終把計算機上的藍圖變成實物。

3D打印產業(yè)=增材制造業(yè)

當前全球范圍內新一輪科技與產業(yè)革命正在萌發(fā)，世界各國紛紛將增材制造作為未來產業(yè)發(fā)展新增長點，推動增材制造技術與信息網絡技術、新材料技術、新設計理念的加速融合。2016年時全球3D打印市場達2.796億美元，市場研究公司IQ4在2017年的分析報告里也指出，到2022年，全球醫(yī)療3D打印市場規(guī)模將達到38.9億美元。

2017年12月13日，工信部發(fā)布了《十二部門關于印發(fā)<增材制造產業(yè)發(fā)展行動計劃（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、財政部、商務部、文化部、衛(wèi)生計生委、海關總署、質檢總局、知識產權局等12部門聯(lián)合制定了《增材制造產業(yè)發(fā)展行動計劃（2017-2020年）》（以下簡稱《計劃》）。

《計劃》的著力點主要有：

一是著力行業(yè)推廣應用。《計劃》明確到2020年要開展100個以上試點示范項目，推動增材制造在10個重點制造業(yè)領域的示范應用，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”的示范應用，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在航空、航天、船舶、核工業(yè)等軍工領域的創(chuàng)新應用，加強軍民資源共享，促進軍民兩用技術的加速發(fā)展。

三是著力生態(tài)體系建設。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業(yè)鏈，涵蓋計量、標準、檢測、認證、人才等在內的增材制造生態(tài)體系。

《計劃》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業(yè)發(fā)展的重視和支持，對產業(yè)發(fā)展將發(fā)揮積極的推動作用。

一場行業(yè)內的高峰論壇

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

生物醫(yī)學

目前，醫(yī)療領域已經占領了3D打印市場份額的三分之二。

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

華中科技大學是國內最早從事生物3D打印的少數幾個代表性的單位之一，經歷幾代人的努力，現(xiàn)在已在3D打印領域建立起雄厚的實力和基礎，特別是在3D打印專用生物材料和生物3D打印設備設計制造領域具有自己的特色和領先優(yōu)勢。

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

從2004年開始，張勝民教授帶領的團隊積極思考“如何將華中大在快速成型制造領域強大的通用技術和學科基礎轉化為生物3D打印的獨特優(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域的遭遇，其技術瓶頸不是制造打印機，而是“墨粉”技術掌握在國外少數大公司手里。而在生物3D打印領域，我國更是缺少這樣的“生物墨粉”。

課題組根據生物體組織結構精細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，獲得中國授權發(fā)明專利20余項。這些微球和微納建筑單元可進一步復合或攜載活細胞、藥物和生長因子，據悉，目前該團隊研發(fā)的系列3D打印專用生物材料已經實現(xiàn)產業(yè)轉化和規(guī)模生產。

功夫不負有心人，研究成果再攀高峰。

國際生物材料領域排名第一的期刊《生物材料》（Biomaterials），2017年刊登了張勝民教授團隊利用3D打印專用生物材料成功再生修復關節(jié)軟骨/骨綜合缺損的最新研究進展，即采用一個仿生組織支架同時實現(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于“一國兩制”（One Country，Two Systems）的論述句型，形象地將該項成果解釋為“One Scaffold，Two Tissues”（一個支架，兩種組織）。實際上，該項成果也展示了同一個支架實現(xiàn)多組織再生的前景。

該項新進展主要取得了三點突破：一是采用具有完全獨立自主知識產權的3D打印專用生物材料；二是利用3D打印技術構建出關節(jié)軟骨/骨組織的復雜仿生結構支架；三是在無需預置任何活細胞和生長因子條件下，能夠實現(xiàn)關節(jié)軟骨/骨綜合缺損的再生修復。其中尤其值得關注的是，無活細胞和生長因子產品更易于被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，從而為實現(xiàn)該項技術的快速轉化奠定了基礎。

“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/活細胞組裝、簡單組織和復雜組織打印，未來可能向器官系統(tǒng)打印進化。同時，在生物材料與組織工程器械產品和系統(tǒng)的生產制造中，利用生物3D打印技術將變得越來越普遍和有效。”張勝民教授總結著未來生物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，然后反復鍛打成鍛坯，對其機械加工后得到零件。這是一種開放式的加工過程，要用機械手抓住鑄錠，反復旋轉，鍛壓頭對鑄錠反復鍛打，鑄鍛車間煙霧騰騰，場面很壯觀。現(xiàn)在這種生產方式是全世界通用的，先鑄后鍛，流程很長，需要大型鑄鍛機，反復鍛造會使得加熱能耗大、污染重、材料利用率低，一些復雜零件難以制造。

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

張海鷗團隊研制的“智能微鑄鍛”技術，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。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，趁熱打鐵對其進行連續(xù)的鍛打，通過此技術在世界上首次實現(xiàn)了鑄鍛一體化3D打印，打印出高性能金屬鍛件。

這一技術的創(chuàng)新性在于改變國內外傳統(tǒng)制造鑄鍛分離的歷史，實現(xiàn)鑄鍛合一，邊熔邊鍛，突破3D打印不能打印鍛件的瓶頸；同時也顛覆了國內外傳統(tǒng)機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水平。

建筑領域

“《中國制造2025》規(guī)劃中，3D打印是未來發(fā)展的支柱產業(yè)，帶來新的社會生產變革的基礎上，大大推進了社會的創(chuàng)新與發(fā)展。對于建筑行業(yè)來說，不斷創(chuàng)新驅動的關鍵目標是制造技術與藝術的融合，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。3D打印對建筑行業(yè)的整體升級也帶來了重要的發(fā)展機遇，為未來設計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數字建筑研究中心從事數字設計及智能建造研究，其中主要的課題是研究3D打印混凝土建造。

“有很多的專家和學者對打印技術和打印出建筑的工藝、質量提出了質疑，到底是不是能夠通過3D打印的方式來進行建筑的建造？”

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)，包含著結構、防水、保溫、裝飾等各方面，這些不同的分項工程，如何結合到一起，來實現(xiàn)房屋的建造？建筑的工業(yè)化又如何實現(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，通過疊層能夠實現(xiàn)各種構建，特別是不規(guī)則構建的建造。

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，能夠為我們日常生活帶來一種新的建筑類型。

3D打印其實是一種新型的社會生產方式，這種新的組織機構是建立在數字技術基礎上，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打印未來的產業(yè)化

學術研發(fā)和技術相關的規(guī)律是產業(yè)發(fā)展中間的必要條件。

“前期有學術和研發(fā)力量主導產業(yè)進程，中期有生產、質量控制，具有要素的合作伙伴主導過程，后期進入產品階段的時候有市場和渠道、資本的要素主導，符合以上條件的產業(yè)就會發(fā)展得快。另外在醫(yī)學方面應該對癥下藥，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研究中心副主任曾晨光講道。

位于北京豐臺區(qū)的中關村科技同區(qū)豐臺同經過20多年的發(fā)展，上市公司已達93家，擁有國家級高新技術企業(yè)627家，初步形成了以軌道交通和居民融合為特色的產業(yè)結構，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)的技工貿總收入達到3346億元。

3D打印重在技術的成果轉化及項目落地，中關村科技園區(qū)豐臺園3D打印數字維創(chuàng)中心已經完成了專家工作站、產業(yè)與企業(yè)合作平臺的建設，全媒體平臺的建設與運行，并正在完善3D打印數據檢測中心和全國實驗室聯(lián)盟、高端人才培養(yǎng)與孵化基地、科技成果轉化項目實施服務和3D打印國際技術專利評估與交易平臺的建設，為入駐企業(yè)提供相應服務。

3D打印技術雖然還存在著很多瓶頸，3D打印產業(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打印領域的協(xié)作，會使3D打印產業(yè)未來的發(fā)展更加迅速。