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科普文章

3D打印與社會制造:成就產業升級的“中國夢”

  • 發表日期:2013-08-22 【 【打印】【關閉】
  •         年初,熱播電影《十二生肖》向世人展示了一項新技術:僅憑一雙數據手套,即可掃描圓明園失竊的國寶并生成三維數據模型,進而輕而易舉地“打印”出足以亂真的復制品。這就是時下最炙手可熱、被認為將要改變世界的“破壞性”新技術——3D打印。

      3D打印出現后,隨即在世界范圍內掀起一股制造業革命的熱潮。各國政府、主流媒體、學術界和產業界均高度重視,并積極推進這項技術的發展。美國奧巴馬政府在20122013年的國情咨文中賦予3D打印技術以重振美國制造業的戰略意義。西方主流媒體先后發表封面文章宣傳3D打印技術,《經濟學人》雜志更以“第三次工業革命”為主題,指出3D打印即將引發新一輪的“工業革命”。與此同時,國內3D打印產業也呈現爆發式增長態勢:工信部、科研機構和各級地方政府相繼推出扎實舉措、積極推進和扶持3D打印的技術研發與產業化。不難看出,3D打印已經成為未來國際制造業競爭的戰略制高點,以及促進我國制造業發展、實現產業升級的戰略性新興產業。

     

      3D打印的基本原理

     

      實際上,3D打印并非新興技術,其基本思想可以追溯到工業時代早期的加式制造、甚至遠古時代的房舍構建技術。加式制造指利用逐層增加原材料的方式來制造產品。一般認為,德國人Ciraud利用激光能量光束進行粉末沉積,實現分層疊加成形的技術,是世界上第一個成功的現代加式制造技術。與快速成型、快速制造等傳統技術一樣,3D打印只是實現加式制造的一種途徑和最核心的實現方式。

     

      3D打印能夠使任何3D模型從計算機中的虛擬物體變成實實在在的物品,從而實現虛擬數字世界與現實物理世界的完美融合。這聽起來有點像科幻小說,但其基本原理并不復雜:3D打印過程首先通過計算機將3D模型做離散化處理,切分為相應精度的切片分層;然后,3D打印機利用激光束、紫外線、熱熔等方式將原材料在X-Y水平面依據切片分層描繪出3D模型的截面形狀,再通過在Z軸方向上做一個層面厚度的垂直位移,就得到了一層打印好的實物。經過多層打印,最終形成立體實物。

     

      3D打印技術通常分為兩大家族:一種是通過噴射或擠壓原材料并逐層沉積來制造物體的熔融沉積成型(FDM)技術。FDM技術利用高溫使原材料融化,通過噴嘴擠出后立即固化,固化后的材料逐層疊加、最終形成實物。另一種是利用光(熱)固化粉末或光敏聚合物,通過融合、凝固或黏合原材料來制造物體的選擇性黏合技術,常見的變種是光固法(SLA)和激光選區燒結法(SLS)。SLA技術是基于液態光敏樹脂的光聚合原理工作的,這種光敏樹脂在液態時通過紫外光的照射迅速發生光聚合反應,由液態轉變成固態、形成實物。SLS技術則利用粉末材料成型,將粉末材料平鋪在成型平臺上,用高強度激光器在粉末材料層上掃描出3D模型的橫截面,材料粉末在激光照射下被燒結在一起,形成實物的截面,然后再平鋪一層新的粉末材料。如此逐層激光燒結,最終形成實物。

     

      3D打印技術的應用現狀

     

      3D打印被稱為“具有工業革命意義的制造技術”,并已經對制造業產生了顛覆性的影響。與傳統制造技術相比,3D打印的優越性在于1.免費的多樣性,即把每個產品做得不同與做成同樣沒有差異;2.免費的復雜性,即可以像打印簡單塑料方塊一樣方便地打印具有精巧組件和繁瑣細節的產品;3.免費的靈活性,即生產過程開始后,改變和更新產品只是意味著程序的簡單改變。這些優勢使得3D打印特別適合個性化產品制造、產品設計、外觀和結構評價等領域,并廣泛應用于工業制造、軍事國防、生物醫學、航空航天、建筑工程、教育科研、文化創意和數碼娛樂等眾多領域。

     

      目前,3D打印在軍事國防領域已經獲得實戰應用:2012年,美國將3D打印技術引入阿富汗戰區,可現場為士兵打印工具和設備,其中3D打印無人機的巡航速度可達到45英里/小時。生物醫學是最具想象空間的3D打印應用領域:現階段的生物打印技術以活墨(內部懸浮著活體細胞的可打印凝膠)為原材料,已經成功打印出軟骨、血(氣)管、器官甚至心臟。不久的將來,制造并隨時更新生物器官、甚至是完整生命單位已不再是幻想。航空航天也是3D打印的重要應用領域:據美國諾斯羅普·格魯門公司預測,如果有合適的材料,軍用飛機系統中將有1400個部件可以用3D打印技術來制造。未來10年內,3D打印的金屬部件將成為飛行器的通用配置。目前,我國已經成為繼美國之后第二個掌握并使用飛機鈦合金結構件激光快速成形技術的國家。

     

      與此同時,3D打印技術也正深刻影響著普通百姓的日常生活和衣食住行。繼2011年首款3D打印的比基尼面世之后,服裝打印技術持續發展。2013年巴黎時裝周展示了多款3D打印的高級女裝,技術與時尚的完美結合吸引了大量眼球。3D食品打印技術能夠以食物粉末為原材料,制作出形態各異的巧克力、曲奇餅干和面包等食品。在這種數字化烹飪時代,人們可以根據自身情況量化設定和打印食物,再不必擔心糖尿病或者肥胖癥的困擾。意大利設計師發明的3D打印機“D-Shape”可以使用砂礫層、無機黏合劑直接打印立體建筑,而荷蘭建筑設計師則設計并用“D-Shape”打印了全球第一座建筑物“Landscape House”,預計2014年底建成。比利時工程師利用3D打印機制造了一輛全尺寸賽車,名為“阿里翁”,時速從零提升至60英里(約合96公里)只需短短4秒,最高時速可達141公里。

     

      基于3D打印的社會制造

     

      3D打印帶來的不僅是制造技術的進步,更是社會生產組織方式和管理模式的深刻變革。3D打印使生產制造從大型、復雜、昂貴的傳統工業過程中分離出來,凡是能接上電源的任何計算機都能夠成為靈巧的生產工廠。社會生產正呈現出由傳統的“以企業為核心的大規模生產制造”向“以小微組織和草根群體為核心的社會制造”模式轉變的趨勢。正如Google依靠大規模的計算機服務器陣列來滿足人們信息搜索的需求、從而改變人類生活與工作方式一樣,未來社會制造環境下的3D打印機將組成大規模的制造陣列,并與互聯網、物聯網和物流網無縫連接,形成復雜的社會制造網絡系統,實時方便地滿足人們對于各種個性化產品的制造需求。由此可見:3D打印熱潮之后,必將是社會制造的迅猛發展。

     

      現階段,以QuirkyShapeways代表的社會制造公司正如火如荼地發展。2013年4月,Shapeways獲得第四輪融資3000萬美元,已經吸引6000多個商家并打印超過100萬個3D模型;Quirky的總融資超過9700萬美元,目前為30多萬注冊用戶提供3D產品創意設計和打印服務。亚愽娱乐app自動化研究所也推出了自主研發的高精度小型3D打印機,以及面向3D創意產品設計、打印、評價、推廣和交易的社會制造平臺體系。

     

      3D打印帶來的戰略思考

     

     3D打印時代已經到來!在制造業面臨轉型的關鍵時點上,我們必須清醒地認識到:未來世界經濟和制造業競爭格局必將由3D打印和社會制造技術所引領。在社會制造這樣分布廣泛、高度靈活的小規模生產制造模式中,支撐中國成為世界工廠的大規模生產優勢可能變為沉重包袱。因此,中國必須慎重思考和重新規劃制造業的發展戰略和運營方式,以適應新興的3D打印與社會制造模式。如不認真應對,輕則可能發生西方國家所期望的制造業從中國等發展中國家向發達國家回流的現象,重則影響中華民族復興的偉業。正如哈佛商業評論《3D打印改變世界》一文所指出的:“中國雖然不會是3D打印時代的輸家,但將不得不拱手讓出世界工廠的地位”。在這種背景下,制定3D打印和社會制造技術發展的中長期發展戰略規劃,搶抓“第三次工業革命”的技術創新機遇,已經成為增強我國制造業的國際競爭優勢和話語權、實現由“制造大國”向“制造強國”乃至“創造強國”躍變的“中國夢”的核心發展戰略。

     

             

     

                                                                                                 (作者 王飛躍 袁勇  中科院亚愽娱乐app)