解读3D打印：一种典型的数字化制造技术

液压剪板机

英国科学家打印出了“终结者机械手臂”;日本年度预算申请支持3D打印金属产品的技术研发;3D打印让法国病人重获鼻子……以上是记者发稿时搜到的信息。如果你与人聊天谈论3D打印，请注意及时储备谈资，因为网上有关此话题的更新，以小时为单位。近日，主题为“我国3D打印技术的现状及发展趋势”的西苑沙龙在京举行。国内外著名大学、研究机构及产业界的院士、专家、学者与企业家代表，各陈所学，互动交流。
一幅针对3D发展现状和应用需求的立体图景被还原出来。
解读3D打印身份
3D打印“材料叠加”的核心制造思想起源于美国。一个名叫Carlo Baese的人，在其研究专利提出，用光敏聚合物制造塑料件。这是很早以前的事了，早到1902年。
你听说过“增材制造”吗?
就像你可能不知阿尔茨海默病就是老年痴呆一样，3D打印其实是一个通俗、形象的概念，在学术界一般被称为増材制造、堆积制造、增量制造或快速原型制造。现在，这一技术是指基于离散材料逐层堆积的成形原理，依据产品三维CAD模型，通过软件与数控系统将特制材料逐层堆积固化，制造出实体产品的数字化制造技术。
这是一项融合了计算机软件、材料、机械、控制、网络信息等多学科知识的综合性系统性的技术。从原理上来讲，整个过程一般包括五个环节：一是产品三维建模，二是层片数据生成与传输，三是能束逐层扫描材料，四是材料熔化，五是材料逐层叠加。
根据采用工艺装备和材料的不同，3D打印技术大致可以分为粉末材料高能束烧结或熔化成形、丝状材料熔融沉积(FDM)、液态树脂固化成形、液体喷墨打印成形几类。
3D打印的三大“舞台”
“如果真的是(有用)，那我的‘郭’字倒过来写。”制造业大佬、鸿海董事长郭台铭在今年6月底如是评价3D打印技术。当然此言本质上并不是否定该技术，其企业30年前就在使用3D打印机，只是至今这项技术都无法帮助其大量生产工业产品——现代汽车或家电都是在流水线上诞生，目前我们还不能指望打印机取代流水线。
3D打印当然有着大显身手的舞台，首先是复杂结构的快速制造，理论上只要能设计出三维结构模型，我们就可以在无需刀具、模具及复杂工艺条件下快速地将设计变为实物;二是个性化定制，3D打印非常适合个性化定制生产、小批量生产以及产品定型之前的验证性产品制造;三是3D打印技术目前主要适用于高附加值产品制造、个性化产品以及产品大规模生产前的研发与设计验证等环节的制造。
应用领域扩大 从高端走向普及
上世纪90年代是3D打印技术蓬勃发展时期，至少有十几种新工艺和新系统设备先后面世，但其大红大紫还是在奥巴马提出振兴制造业的战略之后。
这一速度的发展之快，受关注之高，从频频见诸媒体就可感受到。它的发展也是体现在这一行业的各个环节和层面。
首先是从快速原型、工艺辅助等间接制造向零部件直接制造转变。近年来，利用粉末材料的3D打印技术成为零部件直接制造领域的研究热点和前沿。其中，利用小功率激光器和粉床工艺的选择性激光熔化技术(SLM技术)设备才出现两三年，但已经在钛合金、镍基高温合金等特种合金零件的快速制造方面显示出了强大的技术优势。美国AeroMet公司使用LENS技术制造的次承力结构件在F-18战斗机上实现了装机应用。
接下来是多学科交叉融合发展，3D打印应用领域不断扩大。3D打印与生物学科、信息学科、材料学科交叉融合为3D打印技术提供了更为广阔的发展空间。3D打印技术与生物工程的结合已成功应用于人体器官的再制造。
三是3D打印装备向产品化、系列化和专业化方向发展。制件成形精度和效率提高是产品化、系列化和专业化发展的目标。
第四是形成了相对完整的3D打印制造产业链，并形成了一定的产业规模和市场销售。欧美国家已经形成了包含材料制备、相关软件、工艺、装备、管理、创意服务和应用等相对完整的产业链。据《Wohlers Report 2010》统计，3D打印应用领域包括消费产品/电子产品行业、汽车行业、医疗/牙科行业以及航空航天、建筑等行业。据预测，到2025年，3D打印技术潜在的经济影响将达到2300—2500亿美元。
与我们生活最相关的是，3D打印装备从高端型走向普及型。低端3D打印装备销量的急剧增加促使了3D打印装备总销量的快速增长，也说明了3D打印制造装备从高端型向普及型快速转变。现在在淘宝网上，最便宜几千元就可以买到一部3D打印机。如果你迫不及待想试试打印出自己设计的模型，可以考虑购买一台。
我国与国外基本同步
我国自上世纪90年代初，便在国家自然科学基金委和国家科技部的支持下开始研究该项技术，相比较其他制造领域，我国3D打印技术与国外基本上同步启动、同步发展。
特别是在科技部多个五年计划的持续支持下，华中科技大学、西安交通大学、清华大学、北京航空航天大学、西北工业大学等一批科研院所开展了几乎所有主流的3D打印技术研究，研发出一批3D打印装备，建立了两个国家重点实验室、1个国家工程中心，以及若干生产力促进中心，在航空、汽车、生物、电子等行业进行应用验证，为持续研究与应用推广打下了良好的基础。
另外，神龙汽车、长安福特、奇瑞汽车、广西玉柴机器有限公司、东风汽车公司等一批企业则利用3D打印技术于多种零部件和产品的设计开发和生产应用中。
未来5年，我国可重点围绕高端工业产品和大众个性化消费产品两大类对象，加强3D打印有关的基础理论与成形微观机理、设计方法、关键工艺技术研究，高性能高精度高效率工艺装备研制，以及相关标准规范制定。
专家视点
卢秉恒(中国工程院院士、西安交通大学机械学院院长、教授)：
我国的3D打印技术进步很快，但仍然落后于欧美，而落后的原因并不是研发时间晚了几年。国内企业在研发上投入少、底子薄、资金少，制约了研发投入。此外，政府的支持力度也不够。
国内3D打印技术虽然科研水平已位居世界前列，但在工艺装备、工程应用方面还有很大的发展空间。为此，我国3D打印技术需要制定技术发展路线图，规划基础研究、产业化、工程应用的发展路线，从而使其真正产业化。
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