通過特殊的打印機(jī)將一把立體的小提琴或一個(gè)生物肝臟打印出來，并且還能夠使用……看起來似乎不可思議，但在現(xiàn)實(shí)中這一切不僅可以實(shí)現(xiàn)，而且還能在小范圍內(nèi)定制生產(chǎn)。這就是當(dāng)前業(yè)界熱烈討論的3D打印技術(shù)。
3D打印 從模型到成品
3D打印技術(shù)在上世紀(jì)90年代就由美國科學(xué)家發(fā)明，但是普遍得到關(guān)注和實(shí)踐是近兩年的事情。
3D打印技術(shù)又稱三維打印技術(shù)，主要是由CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))數(shù)據(jù)通過成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)物。它通過對(duì)電腦中三維軟件的識(shí)別，進(jìn)行STL(三角網(wǎng)格格式)轉(zhuǎn)換，再結(jié)合切層軟件確定擺放方位和切層路徑，并進(jìn)行切層工作和相關(guān)支撐材料的構(gòu)造。最后3D打印機(jī)使用噴頭將固態(tài)的線型成型材料加熱成半熔融狀態(tài)之后擠出來，和支撐材料自下而上，一層一層地構(gòu)鑄成最終實(shí)體。簡單地說，可以理解為軟件把物體分成若干個(gè)橫截面，而三維打印機(jī)將這些橫截面一層一層地沉淀、堆積，最終形成所需要的實(shí)體。
3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把打印材料一層一層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。這一技術(shù)與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)完全不同，起先主要是供工程師們快速而廉價(jià)地制造產(chǎn)品模型，但現(xiàn)在，隨著3D打印機(jī)的處理能力不斷提升，它開始在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。人們用它來制造服裝、汽車、巧克力甜品等。
例如，如果用3D打印機(jī)來打印機(jī)械裝配圖，打印出的齒輪、軸承、拉桿等都可以正常活動(dòng)，而腔體、溝槽等形態(tài)特征位置準(zhǔn)確，甚至可以滿足裝配要求，打印出的實(shí)體還可通過打磨、鉆孔、電鍍等方式進(jìn)一步加工。同時(shí)粉末材料不限于砂型材料，還有彈性伸縮、高性能復(fù)合、熔模鑄造等其他材料。
沃勒斯同仁咨詢公司總裁特里·沃勒斯說，3D打印產(chǎn)品和服務(wù)去年的銷售額是17億美元，而零部件生產(chǎn)占到近1/4。到2019年，該行業(yè)的收入將達(dá)69億美元，其中零部件制造預(yù)計(jì)將占80%。
3D打印 先進(jìn)制造方式的變革
3D打印被認(rèn)為是先進(jìn)制造技術(shù)和生產(chǎn)方式變革的產(chǎn)物。《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》編輯保羅·麥基里認(rèn)為，智能軟件、新材料、機(jī)器人、新制造方法(例如3D打印)及基于網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)服務(wù)模式這5大要素正共同推動(dòng)制造業(yè)向數(shù)字化方向發(fā)展，即我們正在經(jīng)歷的第三次工業(yè)革命。
工業(yè)和信息化部副部長蘇波認(rèn)為，3D打印將使我國甚至全球的制造工藝、制造模式產(chǎn)生革命性變化。傳統(tǒng)的制造工藝是對(duì)原材料進(jìn)行剪裁、拼接后連接而成，而3D打印是通過軟件設(shè)計(jì)，一層一層堆積材料把產(chǎn)品做出來。
同時(shí)節(jié)省材料和加工時(shí)間。從制造模式上看，過去是生產(chǎn)線規(guī)模化生產(chǎn)，今后則可能更多的是個(gè)性化的定制生產(chǎn)，產(chǎn)品上市時(shí)間縮短，同時(shí)不再需要庫存大量零部件，也不需要大量生產(chǎn)。
3D打印的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，大幅減少材料浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。而且它還可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造的外形。
北京中科輔龍計(jì)算機(jī)技術(shù)股份有限公司董事長兼總裁唐衛(wèi)清告訴《中國電子報(bào)》記者，在企業(yè)的具體應(yīng)用中，3D打印通過快速成型來對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行前期功能測(cè)試，優(yōu)化生成工藝；其產(chǎn)生的真實(shí)模型能更好地讓設(shè)計(jì)師或工程師從視覺和觸覺兩方面對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行感知并反饋，從而以低成本嘗試更多的創(chuàng)意設(shè)計(jì)；企業(yè)還可以利用全彩的三維模型作為強(qiáng)大的營銷工具。目前，國內(nèi)3D打印快速成型技術(shù)主要應(yīng)用在概念設(shè)計(jì)階段。
3D打印 國內(nèi)應(yīng)用還在萌芽
總體上看，國內(nèi)3D打印技術(shù)無論在技術(shù)還是在應(yīng)用上與國外比較都有一定差距。
PTC公司資深產(chǎn)品經(jīng)理錢偉勛告訴《中國電子報(bào)》記者，現(xiàn)在的3D打印是快速成型的一個(gè)部分，而國際上快速打印技術(shù)從軟件方面來說已非常成熟，難點(diǎn)還是在于硬件方面，比如材質(zhì)材料，既要滿足精細(xì)的要求，又要滿足強(qiáng)度的要求，還要滿足批量的要求（有時(shí)快速成型一個(gè)東西需要2個(gè)小時(shí)，因此無法達(dá)到批量）。他指出，從當(dāng)初做快速成型到現(xiàn)在的3D打印，實(shí)際上都差不多，只不過改了一個(gè)名字，并不是新鮮事物。
廣州中望龍騰有限公司副總經(jīng)理劉玉峰告訴《中國電子報(bào)》記者，從產(chǎn)品角度來說，目前國內(nèi)3D打印技術(shù)與國外差距主要在于精度、速度和打印的尺寸。他解釋說，3D打印軟件主要是接收和處理三維CAD系統(tǒng)輸出的三維模型信息(主要是STL格式)，之后對(duì)模型進(jìn)行分層，將處理好的層片文件輸入3D打印機(jī)，3D打印機(jī)對(duì)接收處理后的層片文件進(jìn)行快速成型制造。STL格式的讀取轉(zhuǎn)換、分層技術(shù)、加工軌跡控制技術(shù)這3點(diǎn)是3D打印軟件的核心。在這些關(guān)鍵領(lǐng)域，國外3D打印廠商一般開發(fā)自己的軟件并發(fā)展多年，如3D SYSTEM。而國內(nèi)目前尚停留在實(shí)驗(yàn)室階段，主要研發(fā)力量集中在高校，尚未有得到市場認(rèn)可及獲得一定應(yīng)用的軟件技術(shù)出現(xiàn)。
唐衛(wèi)清也指出，國內(nèi)3D打印技術(shù)還需要在幾何圖形優(yōu)化、描繪和材質(zhì)貼圖、對(duì)切割和中空部件做打印準(zhǔn)備、支持任意三維軟件生成的數(shù)據(jù)和對(duì)超大模型的自動(dòng)分段等方面進(jìn)一步提升。
而在應(yīng)用方面，劉玉峰認(rèn)為，當(dāng)前3D打印的相關(guān)產(chǎn)業(yè)成熟度還不足。短期看，3D打印的主要推廣障礙在于使用成本，除了機(jī)器的初始購置成本，還包括耗材、后續(xù)處理設(shè)備、安裝及使用培訓(xùn)及后期維護(hù)保養(yǎng)等成本。同時(shí)，3D打印的速度和精度相較傳統(tǒng)機(jī)械加工尚有不足。但是從長期來看，隨著國際上眾多廠商及科研機(jī)構(gòu)對(duì)3D打印各環(huán)節(jié)的深入研究，材料、打印精度、可靠性等逐步成熟，影響3D打印大規(guī)模應(yīng)用的障礙有望被克服。
由此，劉玉峰指出，在3D打印普及前的這段時(shí)間，我國應(yīng)抓緊研發(fā)相關(guān)技術(shù)。一是材料方面，應(yīng)該在打印材料的多樣化，成型件的精度、表面質(zhì)量、物理性能等方面下工夫鉆研；二是軟件方面，應(yīng)該進(jìn)行針對(duì)性開發(fā)并加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
國內(nèi)主流的CAD公司紛紛表達(dá)了對(duì)3D打印技術(shù)的關(guān)注，但同時(shí)也表明該技術(shù)的應(yīng)用在國內(nèi)還處在萌芽階段。北京數(shù)碼大方市場部總經(jīng)理?xiàng)罹S明告訴《中國電子報(bào)》記者，雖然3D打印是近年來出現(xiàn)的技術(shù)和應(yīng)用，但是國外發(fā)展很快。國產(chǎn)三維CAD目前部分功能與國際同行業(yè)水平相似，并在適合國人操作習(xí)慣等方面具有自己的特色和優(yōu)勢(shì)，然而3D打印在國內(nèi)還沒有應(yīng)用市場。
3D打印 從模型到成品
3D打印技術(shù)在上世紀(jì)90年代就由美國科學(xué)家發(fā)明，但是普遍得到關(guān)注和實(shí)踐是近兩年的事情。
3D打印技術(shù)又稱三維打印技術(shù)，主要是由CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))數(shù)據(jù)通過成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)物。它通過對(duì)電腦中三維軟件的識(shí)別，進(jìn)行STL(三角網(wǎng)格格式)轉(zhuǎn)換，再結(jié)合切層軟件確定擺放方位和切層路徑，并進(jìn)行切層工作和相關(guān)支撐材料的構(gòu)造。最后3D打印機(jī)使用噴頭將固態(tài)的線型成型材料加熱成半熔融狀態(tài)之后擠出來，和支撐材料自下而上，一層一層地構(gòu)鑄成最終實(shí)體。簡單地說，可以理解為軟件把物體分成若干個(gè)橫截面，而三維打印機(jī)將這些橫截面一層一層地沉淀、堆積，最終形成所需要的實(shí)體。
3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把打印材料一層一層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。這一技術(shù)與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)完全不同，起先主要是供工程師們快速而廉價(jià)地制造產(chǎn)品模型，但現(xiàn)在，隨著3D打印機(jī)的處理能力不斷提升，它開始在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。人們用它來制造服裝、汽車、巧克力甜品等。
例如，如果用3D打印機(jī)來打印機(jī)械裝配圖，打印出的齒輪、軸承、拉桿等都可以正常活動(dòng)，而腔體、溝槽等形態(tài)特征位置準(zhǔn)確，甚至可以滿足裝配要求，打印出的實(shí)體還可通過打磨、鉆孔、電鍍等方式進(jìn)一步加工。同時(shí)粉末材料不限于砂型材料，還有彈性伸縮、高性能復(fù)合、熔模鑄造等其他材料。
沃勒斯同仁咨詢公司總裁特里·沃勒斯說，3D打印產(chǎn)品和服務(wù)去年的銷售額是17億美元，而零部件生產(chǎn)占到近1/4。到2019年，該行業(yè)的收入將達(dá)69億美元，其中零部件制造預(yù)計(jì)將占80%。
3D打印 先進(jìn)制造方式的變革
3D打印被認(rèn)為是先進(jìn)制造技術(shù)和生產(chǎn)方式變革的產(chǎn)物。《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》編輯保羅·麥基里認(rèn)為，智能軟件、新材料、機(jī)器人、新制造方法(例如3D打印)及基于網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)服務(wù)模式這5大要素正共同推動(dòng)制造業(yè)向數(shù)字化方向發(fā)展，即我們正在經(jīng)歷的第三次工業(yè)革命。
工業(yè)和信息化部副部長蘇波認(rèn)為，3D打印將使我國甚至全球的制造工藝、制造模式產(chǎn)生革命性變化。傳統(tǒng)的制造工藝是對(duì)原材料進(jìn)行剪裁、拼接后連接而成，而3D打印是通過軟件設(shè)計(jì)，一層一層堆積材料把產(chǎn)品做出來。
同時(shí)節(jié)省材料和加工時(shí)間。從制造模式上看，過去是生產(chǎn)線規(guī)模化生產(chǎn)，今后則可能更多的是個(gè)性化的定制生產(chǎn)，產(chǎn)品上市時(shí)間縮短，同時(shí)不再需要庫存大量零部件，也不需要大量生產(chǎn)。
3D打印的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，大幅減少材料浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。而且它還可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造的外形。
北京中科輔龍計(jì)算機(jī)技術(shù)股份有限公司董事長兼總裁唐衛(wèi)清告訴《中國電子報(bào)》記者，在企業(yè)的具體應(yīng)用中，3D打印通過快速成型來對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行前期功能測(cè)試，優(yōu)化生成工藝；其產(chǎn)生的真實(shí)模型能更好地讓設(shè)計(jì)師或工程師從視覺和觸覺兩方面對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行感知并反饋，從而以低成本嘗試更多的創(chuàng)意設(shè)計(jì)；企業(yè)還可以利用全彩的三維模型作為強(qiáng)大的營銷工具。目前，國內(nèi)3D打印快速成型技術(shù)主要應(yīng)用在概念設(shè)計(jì)階段。
3D打印 國內(nèi)應(yīng)用還在萌芽
總體上看，國內(nèi)3D打印技術(shù)無論在技術(shù)還是在應(yīng)用上與國外比較都有一定差距。
PTC公司資深產(chǎn)品經(jīng)理錢偉勛告訴《中國電子報(bào)》記者，現(xiàn)在的3D打印是快速成型的一個(gè)部分，而國際上快速打印技術(shù)從軟件方面來說已非常成熟，難點(diǎn)還是在于硬件方面，比如材質(zhì)材料，既要滿足精細(xì)的要求，又要滿足強(qiáng)度的要求，還要滿足批量的要求（有時(shí)快速成型一個(gè)東西需要2個(gè)小時(shí)，因此無法達(dá)到批量）。他指出，從當(dāng)初做快速成型到現(xiàn)在的3D打印，實(shí)際上都差不多，只不過改了一個(gè)名字，并不是新鮮事物。
廣州中望龍騰有限公司副總經(jīng)理劉玉峰告訴《中國電子報(bào)》記者，從產(chǎn)品角度來說，目前國內(nèi)3D打印技術(shù)與國外差距主要在于精度、速度和打印的尺寸。他解釋說，3D打印軟件主要是接收和處理三維CAD系統(tǒng)輸出的三維模型信息(主要是STL格式)，之后對(duì)模型進(jìn)行分層，將處理好的層片文件輸入3D打印機(jī)，3D打印機(jī)對(duì)接收處理后的層片文件進(jìn)行快速成型制造。STL格式的讀取轉(zhuǎn)換、分層技術(shù)、加工軌跡控制技術(shù)這3點(diǎn)是3D打印軟件的核心。在這些關(guān)鍵領(lǐng)域，國外3D打印廠商一般開發(fā)自己的軟件并發(fā)展多年，如3D SYSTEM。而國內(nèi)目前尚停留在實(shí)驗(yàn)室階段，主要研發(fā)力量集中在高校，尚未有得到市場認(rèn)可及獲得一定應(yīng)用的軟件技術(shù)出現(xiàn)。
唐衛(wèi)清也指出，國內(nèi)3D打印技術(shù)還需要在幾何圖形優(yōu)化、描繪和材質(zhì)貼圖、對(duì)切割和中空部件做打印準(zhǔn)備、支持任意三維軟件生成的數(shù)據(jù)和對(duì)超大模型的自動(dòng)分段等方面進(jìn)一步提升。
而在應(yīng)用方面，劉玉峰認(rèn)為，當(dāng)前3D打印的相關(guān)產(chǎn)業(yè)成熟度還不足。短期看，3D打印的主要推廣障礙在于使用成本，除了機(jī)器的初始購置成本，還包括耗材、后續(xù)處理設(shè)備、安裝及使用培訓(xùn)及后期維護(hù)保養(yǎng)等成本。同時(shí)，3D打印的速度和精度相較傳統(tǒng)機(jī)械加工尚有不足。但是從長期來看，隨著國際上眾多廠商及科研機(jī)構(gòu)對(duì)3D打印各環(huán)節(jié)的深入研究，材料、打印精度、可靠性等逐步成熟，影響3D打印大規(guī)模應(yīng)用的障礙有望被克服。
由此，劉玉峰指出，在3D打印普及前的這段時(shí)間，我國應(yīng)抓緊研發(fā)相關(guān)技術(shù)。一是材料方面，應(yīng)該在打印材料的多樣化，成型件的精度、表面質(zhì)量、物理性能等方面下工夫鉆研；二是軟件方面，應(yīng)該進(jìn)行針對(duì)性開發(fā)并加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
國內(nèi)主流的CAD公司紛紛表達(dá)了對(duì)3D打印技術(shù)的關(guān)注，但同時(shí)也表明該技術(shù)的應(yīng)用在國內(nèi)還處在萌芽階段。北京數(shù)碼大方市場部總經(jīng)理?xiàng)罹S明告訴《中國電子報(bào)》記者，雖然3D打印是近年來出現(xiàn)的技術(shù)和應(yīng)用，但是國外發(fā)展很快。國產(chǎn)三維CAD目前部分功能與國際同行業(yè)水平相似，并在適合國人操作習(xí)慣等方面具有自己的特色和優(yōu)勢(shì)，然而3D打印在國內(nèi)還沒有應(yīng)用市場。
3D打印機(jī)的出現(xiàn)為數(shù)字制造提供了無限想象的空間，有人提出3D打印機(jī)將可能改變世界，中國航天科技集團(tuán)總工程師楊海成認(rèn)為，3D打印技術(shù)是一項(xiàng)非常有潛力的技術(shù)。要正確認(rèn)識(shí)它所帶動(dòng)的這一場技術(shù)變革、產(chǎn)業(yè)變革和工業(yè)體系的提升。信息技術(shù)，包括3D技術(shù)，給制造業(yè)帶來的是全方位的應(yīng)用、滲透、融合、變革和創(chuàng)新。
