3D打印，萬物皆可
2023-08-07 20:35:46史佳慶
瞭望東方周刊 2023年15期
史佳慶
上海，中國首家3D 打印文化博物館
7月12日，西北工業(yè)大學(xué)本科錄取通知書樣式發(fā)布。除體現(xiàn)學(xué)校航空、航天、航海的特色外，該錄取通知書還藏著一份“驚喜”。
“憑錄取通知書，2023年本科新生在報(bào)到現(xiàn)場可以抽取專屬盲盒?！睂W(xué)校招辦相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，盲盒內(nèi)容包括：殲20Q·3D打印楊偉總師簽名版模型、運(yùn)-20Q·3D打印唐長紅總師簽名版模型、直20Q·3D打印鄧景輝總師簽名版模型等。
備受學(xué)生“追捧”的3D打印，也稱增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。
打印食物、打印火箭、打印汽車……萬物皆可3D打印。在數(shù)字經(jīng)濟(jì)方興未艾、智能制造大行其道的背景下，3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正悄然提速。
“我們的‘玲瓏系列超微型3D打印電池，是專為植入式醫(yī)療機(jī)器人開發(fā)的定制化電池。由于醫(yī)療機(jī)器人體積小，需要的電池體積更小，目前只有3D 打印技術(shù)能夠解決這種三維尺寸小于4 毫米的電池一體化制造及封裝難題?！?/blockquote>
3D打印食品
近年來，在環(huán)保、健康、安全、效率的新型飲食理念指引下，創(chuàng)新食品3D打印迅速崛起。
浙江省科技館的參觀者發(fā)現(xiàn)，科技館內(nèi)六臺巧克力3D打印機(jī)給他們提供了更新潮的科普體驗(yàn)。
“參觀者有多種選擇，可以打印出宇航員、飛碟、火箭或坦克等多種造型的巧克力。”作為設(shè)備的提供方，杭州時(shí)印科技有限公司CEO李景元告訴《瞭望東方周刊》，3D打印給食物帶來更加豐富的造型、更富吸引力口感的同時(shí)，也讓參觀者更有興趣了解科技知識。
據(jù)介紹，這款“盼打”自助式巧克力3D打印機(jī)從設(shè)計(jì)、支付到打印一氣呵成，經(jīng)營者無需值守，可廣泛應(yīng)用于科技教育、文旅和商業(yè)綜合體等領(lǐng)域。
在文旅類場景里，巧克力3D打印已十分常見。
中國國家版本館杭州分館文潤閣的文創(chuàng)空間，就給參觀者提供了3D打印“文物巧克力”的新選擇。參觀者通過微信掃碼選擇自己喜歡的模型進(jìn)行現(xiàn)場打印，只需等待三至五分鐘，就可以打印出版本館建筑模型或者戰(zhàn)國越王青銅劍等以館藏文物為原型的精致巧克力。
在蘇州博物館、南京博物院和云南省博物館里，參觀者可以打印出博物館藏品造型的巧克力；在上海海洋水族館里，則可以打印出海馬、魔鬼魚、鯨魚、烏龜、海豚等海洋生物造型的巧克力。
“在銀泰、萬達(dá)等商業(yè)綜合體場景里，我們會結(jié)合時(shí)尚的IP內(nèi)容，打造IP造型的3D食品；熱門電影上映期間，我們還會做電影里的人物造型巧克力?！崩罹霸f。
火箭、汽車皆可打印
“目前，3D打印技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，涉及我們?nèi)粘Ｉ钪械囊率匙⌒?、航天、汽車制造、醫(yī)療、建筑等方面?！睎|南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張亞梅告訴《瞭望東方周刊》。
2023年，當(dāng)?shù)貢r(shí)間3月22日，世界首枚3D打印火箭“人族一號”第三次嘗試發(fā)射，但未能成功進(jìn)入軌道。美聯(lián)社報(bào)道稱，“人族一號”火箭高33.5米，85%的組成部分由3D打印而成，連火箭的發(fā)動機(jī)也由3D打印技術(shù)制造。
在新能源電池、文物修復(fù)、人類器官等領(lǐng)域，3D打印也在不斷嘗試和實(shí)踐。
“我們的‘玲瓏系列超微型3D打印電池，是專為植入式醫(yī)療機(jī)器人開發(fā)的定制化電池。由于醫(yī)療機(jī)器人體積小，需要的電池體積更小，目前只有3D打印技術(shù)能夠解決這種三維尺寸小于4毫米的電池一體化制造及封裝難題。”高能數(shù)造（西安）技術(shù)有限公司首席運(yùn)營官令旗告訴《瞭望東方周刊》。
據(jù)介紹，該公司還制作過一款體積小、續(xù)航久、放電倍率高的微型電池。借助這種3D打印電池的幫助，膠囊機(jī)器人可對人體消化道內(nèi)部細(xì)節(jié)進(jìn)行視頻觀測，為醫(yī)生診斷提供更加可靠細(xì)致的信息。
在安徽，合肥悠遙科技公司的輕型電動汽車——XEV-YOYO，是全球第一款車身內(nèi)外飾件都使用3D打印技術(shù)量產(chǎn)的電動汽車；洛陽龍門石窟里，借助數(shù)字化3D打印技術(shù)，一尊流散百年的無量壽佛實(shí)現(xiàn)了“身首合璧”；為了讓更多人了解山東省省級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)項(xiàng)目萊西木偶戲，萊西木偶戲第五代傳承人姜玉濤運(yùn)用3D打印制作木偶內(nèi)部機(jī)關(guān)軸承，提升了木偶表演的難度和視覺效果……
3D打印已經(jīng)成為人們身邊的高科技，進(jìn)入尋常百姓家，改變?nèi)藗兊纳罘绞健?h3>顛覆傳統(tǒng)制造
在2023中關(guān)村論壇展覽會的重慶展區(qū)內(nèi)，一臺3D打印設(shè)備引來群眾紛紛駐足。
這臺可實(shí)現(xiàn)2微米超高精度3D打印的精密設(shè)備，來自重慶摩方精密科技股份有限公司。
據(jù)了解，該款3D打印設(shè)備采用了面投影微立體光刻技術(shù)，使用了高精度紫外光刻投影系統(tǒng)——將需打印的模型分層投影至樹脂液面，即可快速微立體成型，實(shí)現(xiàn)從數(shù)字模型加工成三維復(fù)雜的工業(yè)樣件。
與傳統(tǒng)打印技術(shù)相比， 3D打印因有立體構(gòu)型，需事先用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建三維模型，然后把原料裝入機(jī)身，通過計(jì)算機(jī)控制，用激光注射器將原料一層一層累積起來，把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。整個(gè)過程中，計(jì)算機(jī)會自動計(jì)算每個(gè)步驟的尺寸和位置，確保制造之物的精準(zhǔn)。
2月13日，山東青島城市傳媒廣場云岡石窟藝術(shù)館，3D打印的云岡石窟第3窟，9.93米的主佛阿彌陀佛造像面部圓潤豐滿，神態(tài)超然
“3D打印技術(shù)相對于傳統(tǒng)的制造技術(shù)，其突出的優(yōu)勢是不需要模板，可以直接通過打印機(jī)進(jìn)行逐層打印堆疊，從而實(shí)現(xiàn)制造?！?張亞梅告訴《瞭望東方周刊》，這種先進(jìn)的工藝，對于各種異形構(gòu)件或者器件的生產(chǎn)而言，優(yōu)勢尤為明顯。
“首先是不需要模板，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的自由；其次是可以直接打印，既節(jié)省了模板材料，也節(jié)省了人工，提高了制造效率。” 張亞梅稱，目前，全球范圍都存在制造工人短缺的問題，而3D打印制造技術(shù)很好地解決了這一社會性難題。
“購入3D打印機(jī)后，以前需要六萬元購買的機(jī)器配件，現(xiàn)在幾百元就可以打印出來。”走進(jìn)億滋（蘇州）食品有限公司的燈塔工廠，廠長李云龍對《瞭望東方周刊》說，以前論件買零件，現(xiàn)在按斤買塑料線，工廠已節(jié)省了數(shù)百萬元（人民幣）。
“傳統(tǒng)的烘焙類產(chǎn)品，人們都是用手工制作?，F(xiàn)在，我們可以通過數(shù)字化方式將其呈現(xiàn)。”李景元表示，一臺食品3D打印機(jī)可以做20多種不同類型食品——把食材配方做成打印“墨水”，輸入食譜，按下按鈕，余下的烹制可以全交給程序。
據(jù)李景元介紹，食品3D打印機(jī)工作的原理是將原材料通過一定的溫度融化，利用高通量3D打印噴嘴從底部開始一層層堆積成型，實(shí)現(xiàn)高立體效果。食品3D打印機(jī)可打印出消費(fèi)者喜歡的不同形態(tài)產(chǎn)品，不僅方便快捷，還能實(shí)現(xiàn)自定義個(gè)性化操作。
3D打印技術(shù)為低成本、高效率地制造具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和高性能的電池，也開辟了新途徑?！半姌O生產(chǎn)需要涂布、烘烤、錕壓、分切、卷繞或疊片等五六個(gè)制造環(huán)節(jié)，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、能耗高、占地面積大，且不具備柔性產(chǎn)能?！?令旗告訴《瞭望東方周刊》，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，他們研發(fā)的全新一代電池3D打印設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)10μm級高精度、高設(shè)計(jì)自由度的全固態(tài)電池一體化智造。
據(jù)介紹，該款設(shè)備具有廣泛的材料適配性，無需特殊改性調(diào)整，即可直接使用不同材料實(shí)現(xiàn)電池的一體化制造，可為電動汽車、電動航空、智能穿戴設(shè)備等領(lǐng)域提供更優(yōu)質(zhì)的電池產(chǎn)品。
“和傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，3D 打印給電池制造帶來的優(yōu)勢包括流程更加快速簡單、成本更加低廉、可定制、更智能、更安全。尤其值得一提的是，通過3D 打印一體化完成復(fù)雜電極結(jié)構(gòu)的制備，還能實(shí)現(xiàn)低污染和低能耗?！绷钇煺f。
在3D 打印建筑領(lǐng)域，鋼筋增強(qiáng)3D 打印混凝土就存在問題，打印出的產(chǎn)品性能遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的鋼筋增強(qiáng)混凝土。
瓶頸亟待突破
我國高度重視3D打印技術(shù)發(fā)展。
2021年3月，《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》發(fā)布，明確發(fā)展增材制造在制造業(yè)核心競爭力提升與智能制造技術(shù)發(fā)展方面的重要性，將增材制造作為未來規(guī)劃發(fā)展的重要領(lǐng)域。
在地方政策層面，廣東、江蘇、重慶、浙江、山東、上海、陜西等多地政府都在政策文件中明確了增材制造在整體高端制造業(yè)發(fā)展中的重要地位。
在政策的助推下，國產(chǎn)3D打印機(jī)不斷涌現(xiàn)，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用迅速擴(kuò)大。
中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書處郭丹表示，盡管全球風(fēng)投機(jī)構(gòu)的投資動作不斷放緩，但國內(nèi)機(jī)構(gòu)對于3D打印產(chǎn)業(yè)的投資仍保持平穩(wěn)增長。
郭丹說，2022年，我國3D打印企業(yè)融資總額達(dá)到64億元，相比2021年的48億元增長了33%。
中國工程院院士、西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院原院長盧秉恒教授被稱為“中國3D打印之父”。他認(rèn)為，中國3D打印技術(shù)的科研水平已居世界前列，但在工藝裝備、工程應(yīng)用方面還有很大的發(fā)展空間。為此，中國3D打印技術(shù)需要制定技術(shù)發(fā)展路線圖，規(guī)劃基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)化、工程應(yīng)用的發(fā)展路線，從而使其真正產(chǎn)業(yè)化。
盧秉恒表示，3D打印技術(shù)為高端制造提供了新路徑。萬物皆可3D打印，要合理地運(yùn)用不同的制造方式，發(fā)揮各自優(yōu)勢來進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)。
3D打印的發(fā)展尚存在一些瓶頸。
“在一些領(lǐng)域，尚需加強(qiáng)增強(qiáng)工藝與3D打印工藝的協(xié)同。但實(shí)際上，協(xié)同并不容易，有些增強(qiáng)措施會干擾打印過程?！?張亞梅對《瞭望東方周刊》舉例道，在3D打印建筑領(lǐng)域，鋼筋增強(qiáng)3D打印混凝土就存在明顯的問題，打印出的產(chǎn)品性能遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的鋼筋增強(qiáng)混凝土。
此外，由于3D打印采用的是層層堆疊的建造方式，界面問題成為一個(gè)普遍難題。
“雖然技術(shù)上有解決界面問題的策略，但大尺寸打印時(shí)，往往問題較為復(fù)雜，還需要從材料、工藝等方面系統(tǒng)解決。” 張亞梅說。
在應(yīng)用過程中，3D打印技術(shù)如何做好知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，也備受關(guān)注。對此，北京三帝科技股份有限公司創(chuàng)始人、董事長宗貴升在2023中國經(jīng)濟(jì)傳媒大會上提出了兩個(gè)建議：一是通過融合區(qū)塊鏈技術(shù)的方式進(jìn)行保護(hù)；二是在法律上對原創(chuàng)的知識產(chǎn)權(quán)申請專利保護(hù)。
“隨著3D打印技術(shù)成本的逐步下降，不少3D打印產(chǎn)品的價(jià)格已經(jīng)接近甚至低于傳統(tǒng)制造的價(jià)格。我相信，五年內(nèi)，3D打印技術(shù)將覆蓋大部分制造領(lǐng)域?！?李景元表示，未來， 3D打印技術(shù)將更好地造福人們的生活。
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