3D打印——從虛擬到現(xiàn)實(shí)的理想捷徑

徐志磊

專家名片：

徐志磊，中國工程院院士。曾任中國工程物理研究院總工程師，現(xiàn)任中國工程物理研究院專家委員會(huì)委員、研究員。他是我國核武器工程設(shè)計(jì)專家，對(duì)我國第一代核武器和新一代核武器的設(shè)計(jì)和制造作出了重要貢獻(xiàn)，曾獲國家特等獎(jiǎng)二項(xiàng)、國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和首屆中國工程科技獎(jiǎng)。

3D打印技術(shù)雖然早在20年前就已經(jīng)起步研究，但直到近年才被頻繁提起，成為了一個(gè)熱門科技名詞，為什么？因?yàn)殡S著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)才越來越接近“想要什么就打印什么”的設(shè)想，才真正展示出這項(xiàng)技術(shù)的價(jià)值。美國之所以提出“3D打印”是“第三次工業(yè)革命”的重要內(nèi)容，就是因?yàn)榭吹搅?D打印技術(shù)的價(jià)值——它能實(shí)現(xiàn)制造業(yè)從大規(guī)模生產(chǎn)向個(gè)體生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。習(xí)近平主席、李克強(qiáng)總理也曾表示，要大力扶持和發(fā)展3D打印技術(shù)。

什么是3D打印技術(shù)

3D打印，又稱增材制造（AM），被譽(yù)為“一項(xiàng)將要改變世界的技術(shù)”。

3D打印的制造技術(shù)與傳統(tǒng)的制造技術(shù)是完全不同的。從石器時(shí)代到青銅時(shí)代，再到鐵器時(shí)代，直至現(xiàn)在的“硅材料時(shí)代”、“納米時(shí)代”，簡單地說，傳統(tǒng)產(chǎn)品的制造都是先制造一個(gè)毛坯，然后把制造材料（鐵、銅等）放入鑄具制造而成。在精制的過程中，人們需要在許多原料上進(jìn)行“雕刻”，把需要的部分留下，不需要的部分丟棄，這種制造方式是對(duì)資源的極大浪費(fèi)。而3D打印技術(shù)則是把原材料變成粉末、液體，在計(jì)算機(jī)的控制下，“只噴出需要的部分”，完全不損失原材料，生產(chǎn)技術(shù)存在著革命性的改變。

圖1 3D打印制造流程與傳統(tǒng)制造流程對(duì)比圖

圖2 3D打印的基本原理

形象地說，3D打印就是2D打印沿著高度方向逐層疊加，形成一個(gè)立體的幾何圖形。首先，要在計(jì)算機(jī)中輸入詳細(xì)的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)3D模型。然后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)將3D模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層，就像人們檢查身體做CT掃描一樣，形成N個(gè)單層圖像。最后，3D打印機(jī)根據(jù)這些分層圖像數(shù)據(jù)，一層一層將材料疊加上去，形成一個(gè)立體物品。

回顧3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程，雖然短暫，但發(fā)展速度極快。1980-1990年，是3D打印的誕生階段。美國人霍爾從模型快速制作的需求出發(fā)，創(chuàng)新了“快速成型”技術(shù)。1991-2000年，3D打印技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，衍生出了SLA立體光固化成型、SLS選區(qū)激光燒結(jié)成型、FDM熔融沉積制造、LCM分層實(shí)體制造、3DP三維打印等技術(shù)。2001-2009年，3D打印領(lǐng)域進(jìn)入了工業(yè)應(yīng)用與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)形成階段。在工業(yè)應(yīng)用上，3D打印技術(shù)覆蓋了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)和制造的全部環(huán)節(jié)。2009年美國ASTM成立了F42專委會(huì)，將各種快速成型技術(shù)統(tǒng)稱為“增材制造”技術(shù)，在國際上取得了廣泛認(rèn)可。2010年以后，3D打印技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了普通百姓的話題，而3D打印的成果更是被推廣應(yīng)用到各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域——航空航天、生物醫(yī)療、個(gè)性化消費(fèi)、注塑模具、再制造……新興增材制造技術(shù)也已經(jīng)細(xì)分發(fā)展出各個(gè)更精確的技術(shù)領(lǐng)域，如金屬零件增材制造、微光固化成型、高精密數(shù)字化光成型、數(shù)字化材料3D打印等。

3D打印技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可用四個(gè)字來概括，就是“快”、“柔”、“廉”、“綠”。

“快”：數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí)就能完成一件個(gè)性化定制的模型（零件、產(chǎn)品），完全不需要浪費(fèi)做模具、準(zhǔn)備板材等復(fù)雜過程的時(shí)間。

“柔”：不是軟的意思，而是柔性化、適應(yīng)各種需求的意思?！安慌伦霾坏?、就怕想不到”，只要你能設(shè)計(jì)出3D數(shù)字模型，3D打印機(jī)就能幫你打印出實(shí)體成品來。

“廉”：3D打印因?yàn)槠涠塘鞒?、低人力成本、無模具的特點(diǎn)，在簡化生產(chǎn)過程的同時(shí)，勢(shì)必可以降低生產(chǎn)成本。然而目前，3D打印由于耗材成本較高，制造一個(gè)零件的成本仍然不低，但隨著技術(shù)的發(fā)展、耗材的創(chuàng)新，勢(shì)必能將3D打印使用費(fèi)降下來，讓它成為一個(gè)真正廉價(jià)又快捷的生產(chǎn)技術(shù)。

表1 3D打印典型技術(shù)種類優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

“綠”：綠色制造的核心在于“省材、節(jié)能、降耗”。在傳統(tǒng)制造業(yè)中，人們需要準(zhǔn)備超過所需量的原料來打造毛坯，然后將毛坯切割雕琢至想要的狀態(tài)，在這個(gè)過程中，大量原料變成了“邊角料、廢品”而被浪費(fèi)掉。而在生產(chǎn)過程中，一些需要高溫鍛造的工業(yè)制品往往要用到高大的鍋爐，這需要大量燃料與能源支持。使用3D打印，將大大避免這些浪費(fèi)。

3D打印技術(shù)的實(shí)用化能力

目前，現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)用化方面所具備的能力主要包括以下幾個(gè)方面：

第一，能夠快速打印產(chǎn)品原型或模型。這是3D打印出現(xiàn)20多年以來，一直深入研究的基本功能。由于耗材的限制（主要為塑料類材料），在工業(yè)上多用來打印“模型”，而非“原型”。打印出塑料模型之后，工廠可以將模型直接進(jìn)行翻模、鑄造，繼而投入生產(chǎn)。

第二，能夠快速打印非金屬工程零件。即直接用塑料（聚合材料）打印工程零件。

第三，能夠快速打印金屬功能件或結(jié)構(gòu)件。簡單地說，是直接用金屬粉末打印立體模型。比起用塑料或者蠟耗材，金屬粉末的熔合與控制要復(fù)雜得多。

第四，能夠快速打印醫(yī)用品植入體內(nèi)。未來，人體的骨骼、皮膚、肌肉都有可能采用3D打印技術(shù)進(jìn)行“制造”。以牙齒打印技術(shù)為例，現(xiàn)在，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟地應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域了。用PPEK這種特殊材料打印的結(jié)構(gòu)，不但強(qiáng)度好，更與人體有良好的相容性，可以安全地植入肌肉和骨骼。而每個(gè)人都具有不同的骨骼形狀、結(jié)構(gòu)，只要結(jié)合三維掃描技術(shù)，就能精確地制造出牙齒、骨骼等100%適用的植入體。

第五，能夠快速打印復(fù)雜砂型鑄模。由于3D打印的特性，將大大改進(jìn)復(fù)雜砂型鑄模的制造過程。

第六，能夠快速打印復(fù)雜精密蠟?zāi)?。這項(xiàng)工藝目前越來越多地應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片制造。

新產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域是3D打印技術(shù)最廣、最早的應(yīng)用領(lǐng)域。在新產(chǎn)品的研發(fā)制造中，通常生產(chǎn)成本的80%是在設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的。設(shè)計(jì)階段是控制成本的重要環(huán)節(jié)，一流企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期，就會(huì)使用3D打印設(shè)備快速制作足夠多的模型用于評(píng)估，不僅節(jié)省了時(shí)間，而且增加了設(shè)計(jì)缺陷被篩查出來的概率。

在軍事國防領(lǐng)域，有一句玩笑話，是這樣的：“沒有槍沒有炮，3D打印給我們?cè)??！彪m然是一句玩笑話，卻真實(shí)地反應(yīng)出了3D打印在變革武器裝備研制模式上的貢獻(xiàn)。有了3D打印技術(shù)，武器的研制已集概念設(shè)計(jì)、技術(shù)驗(yàn)證、生產(chǎn)制造于一體，顯著縮短武器研制周期，加速裝備更新?lián)Q代。另外，還能顯著降低武器研制成本，大大提升材料利用率。舉個(gè)例子，殲10戰(zhàn)斗機(jī)的研發(fā)周期達(dá)到10年之久，而殲15的研發(fā)周期卻縮短到了3年。

在航空航天領(lǐng)域，許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的零件早就開始使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)。比如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片，使用3D打印技術(shù)完全制造出來的具體時(shí)耗為：3D加工成型需要6小時(shí)44分鐘，熱處理需要19小時(shí)，拋光和機(jī)械加工需要6小時(shí)，合計(jì)需要花費(fèi)2-3天完成一個(gè)成品。但傳統(tǒng)加工時(shí)間卻需要整整12周。另外，3D打印生產(chǎn)渦輪葉片的成本比傳統(tǒng)技術(shù)降低了80%之多。

在生物醫(yī)療領(lǐng)域，雖然近年來頻頻爆出3D打印可以制造人類的血管、肝臟等器官的新聞，但目前這類生物打印技術(shù)仍然處于實(shí)驗(yàn)室階段。在醫(yī)學(xué)上使用得比較廣泛、技術(shù)比較成熟的3D打印應(yīng)用實(shí)例主要集中在齒科（打印牙冠、牙橋、種植體等），骨科（打印髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、脊柱、外傷固定等），醫(yī)療器械（打印機(jī)械設(shè)備、儀器、內(nèi)窺鏡、手術(shù)工具等）三個(gè)方面。

在文物保護(hù)領(lǐng)域，3D打印能夠快速低成本地精確復(fù)制珍貴文物，這樣既滿足了人們的參觀需求，又降低了珍貴文物的被盜風(fēng)險(xiǎn)，為文物保護(hù)提供了一種新手段。在電影《十二生肖》中，成龍利用三維掃描與三維打印技術(shù)對(duì)獸首進(jìn)行了快速復(fù)制，制造了一個(gè)以假亂真的藝術(shù)品。這樣的情節(jié)，未來將從電影中變成現(xiàn)實(shí)，文物保護(hù)工作將得到迅速發(fā)展。

在創(chuàng)新教育領(lǐng)域，3D打印就是滿足創(chuàng)新開發(fā)的有力工具，只要想得到，就能做得出來，能夠無限發(fā)揮人類的想象空間。美國總統(tǒng)奧巴馬計(jì)劃為美國1000所學(xué)校配備3D打印實(shí)驗(yàn)室，用于培養(yǎng)中小學(xué)生的創(chuàng)新理念和意識(shí)。我國也已經(jīng)有許多學(xué)校開始著手建立類似的增材制造實(shí)驗(yàn)室。

在設(shè)備維修領(lǐng)域，3D打印能夠生產(chǎn)、制造各種設(shè)備零件。對(duì)于已經(jīng)停產(chǎn)的零部件，可以利用逆向工程技術(shù)快速得到相應(yīng)的三維CAD模型，然后利用3D打印制造出來。這種應(yīng)用正在逐年大幅增加，因?yàn)閷?duì)于數(shù)十年前建造的汽車、飛機(jī)、國防及其他設(shè)備而言，沒有CAD圖紙和相應(yīng)模具，甚至設(shè)備供應(yīng)商有可能已經(jīng)倒閉，相關(guān)設(shè)備備件已無法獲得，在此情況下，可以說，3D打印將成為“救星”。

另外，3D打印在建筑領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域、文化創(chuàng)意領(lǐng)域等也發(fā)揮著巨大的作用。

3D打印技術(shù)的變革與前沿發(fā)展

可以說，3D打印技術(shù)對(duì)社會(huì)發(fā)展存在著潛在的變革與深遠(yuǎn)的影響。

它將變革制造模式——個(gè)人制造將越來越流行，降低了制造業(yè)對(duì)低成本勞動(dòng)力的依賴。

它將變革設(shè)計(jì)模式——設(shè)計(jì)不再被成本和工藝水平所限制，能真正面向創(chuàng)新、面向性能最優(yōu)化。

它將變革創(chuàng)業(yè)模式——以后創(chuàng)業(yè)不再需要傳統(tǒng)的廠房等基礎(chǔ)設(shè)施，也不需要投資上提供啟動(dòng)資本來購買大型設(shè)備的工模具?；?D打印的創(chuàng)業(yè)場最重要的“資本”將變成具有創(chuàng)新意識(shí)的技術(shù)人員。

它將變革生活模式——人們可以按照自己的意圖享受自己的生活，3D打印將搭起一座從幻想到現(xiàn)實(shí)的橋梁。

它將變革醫(yī)療模式——個(gè)性化醫(yī)療定制或人體器官復(fù)制將不再是普通老百姓難以享受到的“特權(quán)”，醫(yī)療效率更高，許多現(xiàn)在難以攻克的難題，未來將不再困擾患者。

它將變革消費(fèi)模式——個(gè)性化消費(fèi)與定制服務(wù)的模式，將實(shí)現(xiàn)家庭DIY的消費(fèi)方式。

將3D打印作為一種全新的材料合成方法，用于新材料開發(fā)，可明顯縮短新材料的研制進(jìn)程，具有短流程、低成本、真綠色、靈活高效、材料制備與零件成型一體化的優(yōu)勢(shì)。因此，許多前沿制造業(yè)都開始紛紛把目光投向3D打印技術(shù)領(lǐng)域，典型的前沿方向包括以下幾個(gè)方面：

微孔泡沫金屬材料制備與成型：基于傳統(tǒng)的熔體發(fā)泡原理，利用3D打印的逐層生長和激光的快速熔凝特性，實(shí)現(xiàn)激光原位微區(qū)發(fā)泡效果。由于采用微米尺度的發(fā)泡劑粉末，理論上可以形成微米級(jí)的孔洞，而且每一層形成的微孔可以沿成型方向呈外延生長態(tài)勢(shì)，從而有望獲得相互貫通的微米級(jí)孔洞。

特殊合金材料高效合成與精確成型（國防軍工）：許多軍用產(chǎn)品是高價(jià)值、高復(fù)雜性和低產(chǎn)量的，甚至有些是獨(dú)一無二的訂制品，這就需要制造業(yè)持續(xù)更換零件，如無人駕駛飛行器、軍人的輕重量裝備和盔甲、便攜式電源設(shè)備、通訊設(shè)備、地面機(jī)器人等。這些部件將最有機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)化成為3D打印制造。預(yù)計(jì)在未來10-12年內(nèi)，軍方將會(huì)成為3D打印技術(shù)的主要使用者之一。

特殊合金材料高效合成與精確成型（核能領(lǐng)域）：釩合金材料、鈹鋁合金等材料具有獨(dú)特的綜合性能，在核能領(lǐng)域具有重要用途。尤其是釩合金還被列為下一代核能領(lǐng)域的理想候選材料。但這些材料資源稀缺、價(jià)格昂貴、制造工藝穩(wěn)定性差、材料浪費(fèi)巨大，迫切需要找到一種高效、先進(jìn)的綠色制造技術(shù)，在這方面，3D打印具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前，核能領(lǐng)域的特殊合金材料高效合成與精確成型相關(guān)基礎(chǔ)研究已經(jīng)展開。

特殊合金材料高效合成與精確成型（功能合金）：記憶合金、阻尼合金等具有特殊用途，附加值高，但往往傳統(tǒng)加工方法存在結(jié)構(gòu)適應(yīng)性差、制造成本高、材料利用率低等問題。利用3D打印，未來則幾乎可以實(shí)現(xiàn)等量成型地制造，既能大幅提升材料利用率，又可以實(shí)現(xiàn)讓產(chǎn)品具有更快的響應(yīng)速度和加工柔性。

生物材料制造：未來3D打印的應(yīng)用方向主要面向可降解生物材料、硬組織替代材料、人工器官直接打印、肉制品打?。ìF(xiàn)代牧場）、個(gè)性化定制藥丸等方向。

3D打印技術(shù)發(fā)展仍面臨眾多挑戰(zhàn)

第一是精度與效率的挑戰(zhàn)。增材制造是用材料一層層堆積成型的，每一層都有厚度（數(shù)十微米），這決定了它的精度目前還難以企及傳統(tǒng)的減材制造方法，為提高精度，則需要不斷降低每一層的厚度，這意味著在技術(shù)難度提高的同時(shí)，制造時(shí)間也將大幅延長。3D打印本身的加工速度還遠(yuǎn)未達(dá)到人們理想的狀態(tài)，目前，金屬零件的最高堆積效率為70cm3/h，與高速銑還有較大差距。

第二是零件力學(xué)性能的挑戰(zhàn)。3D打印金屬零件的力學(xué)性能是否能全面滿足應(yīng)用要求，需要對(duì)激光成形過程“內(nèi)應(yīng)力控制及零件變形開裂預(yù)防”、“內(nèi)部質(zhì)量保障及力學(xué)性能控制”、“技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系”等技術(shù)瓶頸問題進(jìn)行攻克。要對(duì)大型金屬構(gòu)件激光快速成型過程內(nèi)應(yīng)力演化行為規(guī)律、內(nèi)部組織形成規(guī)律和內(nèi)部缺陷形成機(jī)理等問題展開深入研究。

第三是材料適用范圍的挑戰(zhàn)。目前，可供增材制造的材料約有300多種，多為石膏、塑料、可粘結(jié)的粉末顆粒、樹脂等，制造精度、復(fù)雜性、強(qiáng)度等難以達(dá)到較高要求，主要應(yīng)用于模型、玩具等產(chǎn)品領(lǐng)域。對(duì)于金屬材料來說，目前適用的僅有十余種，而且還需要專用的金屬粉末材料才能獲得滿足要求的金屬零件。未來應(yīng)針對(duì)3D打印制定通用的材料物理標(biāo)準(zhǔn)，使3D打印的適用材料（尤其是金屬材料）通用化，降低3D打印的應(yīng)用門檻，從而使3D打印的應(yīng)用范圍更廣泛。

第四是成型范圍的挑戰(zhàn)。目前3D打印的成型范圍大多是在1米以下，而且分層厚度較大，在大尺寸零件或微小精密零件成型方面顯得能力不足。未來3D打印設(shè)備將朝著微小精密化和大型高效化發(fā)展。

第五是工藝穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。對(duì)3D打印而言，層間結(jié)合質(zhì)量是第一位的，直接影響工藝穩(wěn)定性和成型質(zhì)量。而3D打印又是一個(gè)層數(shù)多達(dá)數(shù)百層，甚至數(shù)千層的堆積過程，在成型過程中，某一層很容易出現(xiàn)問題。一旦發(fā)生這種情況，成型過程將被迫中止或者成型零件面臨報(bào)廢的可能性。因此，3D打印的工藝穩(wěn)定性相對(duì)傳統(tǒng)加工方法更難控制，也更加重要。需要深入研究3D打印工藝穩(wěn)定性的影響因素，開發(fā)高效可靠的工藝穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。

現(xiàn)在，在3D打印的三個(gè)層次——形狀打印、成分打印和功能打印上，已經(jīng)能成熟地實(shí)現(xiàn)形狀打印，而成分打印也已開始了基礎(chǔ)研究，功能打印尚處于早期探索階段。如果功能打印一旦實(shí)現(xiàn)，打印出能行走的、具有真人形狀的機(jī)器能不再是夢(mèng)想。到那個(gè)時(shí)候，3D打印所孕育的新型工業(yè)革命將真正實(shí)現(xiàn)，人類對(duì)物質(zhì)世界的控制能力將得到質(zhì)的提高，對(duì)未來生活的各個(gè)方面將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，甚至于永久性地改變?nèi)祟愇拿鬟M(jìn)程。