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3D打印与社会制造:成就产业升级的“中国梦”

  • 发表日期:2013-08-22 【 【打印】【关闭】
  •         年初,热播电影《十二生肖》向世人展示了一项新技术:仅凭一双数据手套,即可扫描圆明园失窃的国宝并生成三维数据模型,进而轻而易举地“打印”出足以乱真的复制品。这就是时下最炙手可热、被认为将要改变世界的“破坏性”新技术——3D打印。

      3D打印出现后,随即在世界范围内掀起一股制造业革命的热潮。各国政府、主流媒体、学术界和产业界均高度重视,并积极推进这项技术的发展。美国奥巴马政府在20122013年的国情咨文中赋予3D打印技术以重振美国制造业的战略意义。西方主流媒体先后发表封面文章宣传3D打印技术,《经济学人》杂志更以“第三次工业革命”为主题,指出3D打印即将引发新一轮的“工业革命”。与此同时,国内3D打印产业也呈现爆发式增长态势:工信部、科研机构和各级地方政府相继推出扎实举措、积极推进和扶持3D打印的技术研发与产业化。不难看出,3D打印已经成为未来国际制造业竞争的战略制高点,以及促进我国制造业发展、实现产业升级的战略性新兴产业。

     

      3D打印的基本原理

     

      实际上,3D打印并非新兴技术,其基本思想可以追溯到工业时代早期的加式制造、甚至远古时代的房舍构建技术。加式制造指利用逐层增加原材料的方式来制造产品。一般认为,德国人Ciraud利用激光能量光束进行粉末沉积,实现分层叠加成形的技术,是世界上第一个成功的现代加式制造技术。与快速成型、快速制造等传统技术一样,3D打印只是实现加式制造的一种途径和最核心的实现方式。

     

      3D打印能够使任何3D模型从计算机中的虚拟物体变成实实在在的物品,从而实现虚拟数字世界与现实物理世界的完美融合。这听起来有点像科幻小说,但其基本原理并不复杂:3D打印过程首先通过计算机将3D模型做离散化处理,切分为相应精度的切片分层;然后,3D打印机利用激光束、紫外线、热熔等方式将原材料在X-Y水平面依据切片分层描绘出3D模型的截面形状,再通过在Z轴方向上做一个层面厚度的垂直位移,就得到了一层打印好的实物。经过多层打印,最终形成立体实物。

     

      3D打印技术通常分为两大家族:一种是通过喷射或挤压原材料并逐层沉积来制造物体的熔融沉积成型(FDM)技术。FDM技术利用高温使原材料融化,通过喷嘴挤出后立即固化,固化后的材料逐层叠加、最终形成实物。另一种是利用光(热)固化粉末或光敏聚合物,通过融合、凝固或黏合原材料来制造物体的选择性黏合技术,常见的变种是光固法(SLA)和激光选区烧结法(SLS)。SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的,这种光敏树脂在液态时通过紫外光的照射迅速发生光聚合反应,由液态转变成固态、形成实物。SLS技术则利用粉末材料成型,将粉末材料平铺在成型平台上,用高强度激光器在粉末材料层上扫描出3D模型的横截面,材料粉末在激光照射下被烧结在一起,形成实物的截面,然后再平铺一层新的粉末材料。如此逐层激光烧结,最终形成实物。

     

      3D打印技术的应用现状

     

      3D打印被称为“具有工业革命意义的制造技术”,并已经对制造业产生了颠覆性的影响。与传统制造技术相比,3D打印的优越性在于1.免费的多样性,即把每个产品做得不同与做成同样没有差异;2.免费的复杂性,即可以像打印简单塑料方块一样方便地打印具有精巧组件和繁琐细节的产品;3.免费的灵活性,即生产过程开始后,改变和更新产品只是意味着程序的简单改变。这些优势使得3D打印特别适合个性化产品制造、产品设计、外观和结构评价等领域,并广泛应用于工业制造、军事国防、生物医学、航空航天、建筑工程、教育科研、文化创意和数码娱乐等众多领域。

     

      目前,3D打印在军事国防领域已经获得实战应用:2012年,美国将3D打印技术引入阿富汗战区,可现场为士兵打印工具和设备,其中3D打印无人机的巡航速度可达到45英里/小时。生物医学是最具想象空间的3D打印应用领域:现阶段的生物打印技术以活墨(内部悬浮着活体细胞的可打印凝胶)为原材料,已经成功打印出软骨、血(气)管、器官甚至心脏。不久的将来,制造并随时更新生物器官、甚至是完整生命单位已不再是幻想。航空航天也是3D打印的重要应用领域:据美国诺斯罗普·格鲁门公司预测,如果有合适的材料,军用飞机系统中将有1400个部件可以用3D打印技术来制造。未来10年内,3D打印的金属部件将成为飞行器的通用配置。目前,我国已经成为继美国之后第二个掌握并使用飞机钛合金结构件激光快速成形技术的国家。

     

      与此同时,3D打印技术也正深刻影响着普通百姓的日常生活和衣食住行。继2011年首款3D打印的比基尼面世之后,服装打印技术持续发展。2013年巴黎时装周展示了多款3D打印的高级女装,技术与时尚的完美结合吸引了大量眼球。3D食品打印技术能够以食物粉末为原材料,制作出形态各异的巧克力、曲奇饼干和面包等食品。在这种数字化烹饪时代,人们可以根据自身情况量化设定和打印食物,再不必担心糖尿病或者肥胖症的困扰。意大利设计师发明的3D打印机“D-Shape”可以使用砂砾层、无机黏合剂直接打印立体建筑,而荷兰建筑设计师则设计并用“D-Shape”打印了全球第一座建筑物“Landscape House”,预计2014年底建成。比利时工程师利用3D打印机制造了一辆全尺寸赛车,名为“阿里翁”,时速从零提升至60英里(约合96公里)只需短短4秒,最高时速可达141公里。

     

      基于3D打印的社会制造

     

      3D打印带来的不仅是制造技术的进步,更是社会生产组织方式和管理模式的深刻变革。3D打印使生产制造从大型、复杂、昂贵的传统工业过程中分离出来,凡是能接上电源的任何计算机都能够成为灵巧的生产工厂。社会生产正呈现出由传统的“以企业为核心的大规模生产制造”向“以小微组织和草根群体为核心的社会制造”模式转变的趋势。正如Google依靠大规模的计算机服务器阵列来满足人们信息搜索的需求、从而改变人类生活与工作方式一样,未来社会制造环境下的3D打印机将组成大规模的制造阵列,并与互联网、物联网和物流网无缝连接,形成复杂的社会制造网络系统,实时方便地满足人们对于各种个性化产品的制造需求。由此可见:3D打印热潮之后,必将是社会制造的迅猛发展。

     

      现阶段,以QuirkyShapeways代表的社会制造公司正如火如荼地发展。2013年4月,Shapeways获得第四轮融资3000万美元,已经吸引6000多个商家并打印超过100万个3D模型;Quirky的总融资超过9700万美元,目前为30多万注册用户提供3D产品创意设计和打印服务。中国科学院自动化研究所也推出了自主研发的高精度小型3D打印机,以及面向3D创意产品设计、打印、评价、推广和交易的社会制造平台体系。

     

      3D打印带来的战略思考

     

     3D打印时代已经到来!在制造业面临转型的关键时点上,我们必须清醒地认识到:未来世界经济和制造业竞争格局必将由3D打印和社会制造技术所引领。在社会制造这样分布广泛、高度灵活的小规模生产制造模式中,支撑中国成为世界工厂的大规模生产优势可能变为沉重包袱。因此,中国必须慎重思考和重新规划制造业的发展战略和运营方式,以适应新兴的3D打印与社会制造模式。如不认真应对,轻则可能发生西方国家所期望的制造业从中国等发展中国家向发达国家回流的现象,重则影响中华民族复兴的伟业。正如哈佛商业评论《3D打印改变世界》一文所指出的:“中国虽然不会是3D打印时代的输家,但将不得不拱手让出世界工厂的地位”。在这种背景下,制定3D打印和社会制造技术发展的中长期发展战略规划,抢抓“第三次工业革命”的技术创新机遇,已经成为增强我国制造业的国际竞争优势和话语权、实现由“制造大国”向“制造强国”乃至“创造强国”跃变的“中国梦”的核心发展战略。

     

              http://221.122.36.188/pub/zgg/zggzzh/201004_4421/rcyzhsh/TY/201307/t20130717_355937.html

     

                                                                                                 (作者 王飞跃 袁勇  中科院自动化所)