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3D打印:變革還是革命


2013-01-28  NCW  
 

 

這項技術目前還不能推翻或取代製造業原有手段, 在工程技術上只是補充性的◎ 本刊記者 于達維 文yudawei.blog.caixin.com 2013年1月18日上午,在北京人民大會堂舉行的2012年度國家科學技術獎勵大會上, “飛機鈦合金大型複雜整體構件激光成形技術”獲得國家技術發明獎一等獎。該技術的獲獎,被業界廣泛解讀為中國3D 打印技術在大型金屬結構件直接製造方面取得重大突破,標誌著中國3D 打印技術的發展進入新的高端。

該技術由北京航空航天大學教授王華明領軍的研究團隊完成。王華明還有一個身份,是中航天地激光科技有限公司(下稱中航激光)技術負責人。受到其獲獎消息的刺激,持有中航激光股份的相關上市公司,連日來股票紛紛漲停。

與此同時,3D 打印技術也成為公衆關注的話題。所謂3D 打印技術,通俗說就是三維立體成型技術,在掌握了物體形狀的相關信息後,運用合適的材料,對物體直接進行成型複制。

理想狀態下,通過3D 打印,可以打印飛機、打印賽車、打印槍支,甚至可以打印血管、打印器官,更有人預測:到2020年, 你可以在自己打印的房子里,吃一頓自己打印的飯。當然,上述設想目前只是理論狀態,現實情況還相差甚遠。作為中國3D 打印領域的領軍人物之一,王華明告訴財新記者,目前這種技術最多只能作為傳統制造業的一種補充,說它能夠帶來第三次製造業革命,“我覺得還到不了那個層次。 ”

快速成型

實際上,3D 打印技術早在上世紀80年代已經出現,比日本佳能公司推出噴墨打印機的時間只晚了四年。

1984年,美國發明家查爾斯· 霍爾(Charles Hull)給自己的一項技術起了一個新奇的名字——Stereolithography,該單詞是將通常用于印刷集成電路的lithography(平板印刷)加上一個前綴Stereo(立體) 。這種被稱為“立體印刷”的新技術,成為目前被廣泛應用的3D 打印技術的鼻祖。

查爾斯· 霍爾利用的材料,是一種可以在紫外光的照射下固化的樹脂,通過計算機控制紫外光束的移動,可以讓一層層的樹脂形成特定的圖形,這樣一層層的疊加在一起,就形成了立體的形狀。1986年他的專利申請獲得通過後,查爾斯 · 霍爾立刻成立了一家名為3D Systems的公司, 專門開發商業化的“立體印刷”設備。

隨著“立體印刷”概念逐漸深入人心,科學家們逐漸開發出有別于霍爾的光固化技術的其他立體成型技術,其中 熔 融 沉 積 成 型(Fused Deposition Modeling,FDM)和選擇性激光燒結 (Selective Laser Sintering ,SLS)把立體成型技術所能使用的材料拓展到更加廣泛的領域。

FDM 工藝由美國學者斯科特 · 克魯姆普(Scott Crump)于1988年研製成功,並于次年成立了 Stratasys公司

1993年,3D 打印在麻省理工學院誕生。該學院的兩位教授米歇爾· 西瑪(Michael Cima)和艾瑪紐埃爾· 薩什(Emanuel Sachs)製造了一種立體化的噴墨打印設備,並把它叫做3D打印機。

該打印機通過多個噴嘴噴射成型材料和粘接劑來逐層打印3D 實物。這種技術最大的優點是,可選材料非常廣泛,而且可以直接把計算機中設計好的模型快速塑造出來。3D 打印逐漸成為幾種快速成型技術的統稱。

1995年 Z Corporation 公 司 獲 得了麻省理工學院多項3D 打印技術的授權,開始商業化這一技術。2012年,這家公司被3D Systems 收購,目前3D Systems和Stratasys都在納斯達克上市,每年銷售額近2億美元。

3D 打印技術的方法是將產品在計算機上設計成型後,將其分割成一系列數字切片,並將這些切片的信息傳送到3D 打印機上,後者會連續地將這些薄型層面通過特殊膠水堆疊起來,直到形成一個固態物體成型。因此在專業上又叫快速成型技術 ;由於這種方法和傳統的通過切削、鑽孔等方法的減材製造工藝相反,又被稱為增材製造技術。

3D打印技術的應用範圍越來越廣:英超聯賽的球員們已經穿上利用激光燒結技術定制的“完美合腳”的運動鞋,駐阿富汗的美軍已經可以在野外的快速製造車間中得到維修坦克和直升機必需的零件。2012年2月,比利時 Hasselt 大學科學家宣佈,他們將核磁共振得到的下顎圖像輸入3D 打印機,成功為一位83歲的老婦人制成鈦合金下顎替代品。

2012年底,霍爾的3D Systems 公司獲得了來自美國空軍的29.5億美元的投資,開發使用激光熔融技術的3D 打印系統,這套系統將用于製造 F-35戰機和其他武器系統。對於飛機這樣的非大批量生產的產品,3D 打印機將是一個理想的生產工具。

中國跟進

上世紀80年代末,清華大學機械系教授顏永年在美國瞭解到了快速成型技術,回國後就四處收集資料,並邀請外國專家來華講學,從此中國科學家也開始從事這方面研究。

顏永年告訴財新記者,當時他在美國做訪問學者,任務是考察高性能陶瓷的最新進展,在1988年底一次學術會議上, 他看到一個宣傳單, 介紹了查爾斯·霍爾的光固化快速成型技術,直接把數據模型變成物理模型。他說,這種技術的核心是 CAD(計算機輔助設計)模型的驅動,不是人去操縱機床,而是靠數字模型去驅動,把人的腦力勞動和體力勞動轉化成計算機的工作。

後 來 他 們 從 香 港 買 來 一 台3D ystems 公司出品的機器,從美國請來 一位教授,到各個高校去辦講座。顏永年稱,當時的體制就是這樣,有個好東西就希望大家都來做, “當時的科研體制下,都是出于全國一盤棋的思想,很開放,軟件也自由分享,相互之間沒有保留,所以做起來比較快。 ”他說,現在國內做3D 打印商業研發的主要是清華、西安交大、華中科技三所大學和一家北京隆源公司,這四家是真正有開發能力、有自主的技術的。

這三家高校,也分別成立了北京太爾時代、西安瑞特、武漢濱湖等企業進行商業化開發。

此次王華明團隊的“飛機鈦合金大型複雜整體構件激光成形技術”獲得2012年度國家技術發明獎一等獎,對中國3D打印研究領域無疑具有推動意義。

據顏永年介紹,王華明團隊的技術,屬於激光近淨成型技術(Laser Engineered Net Shaping,LENS) , 這 種技術1999年在美國被推出時,曾經被評為當年最富創造力的25項技術之一,這種技術的優勢在於可以打造緻密金屬零件。2010年,他們利用激光直接製造了國產大飛機 C919的中央翼根肋,比傳統方法節省了90% 以上的材料,並且其性能比傳統鍛件還要好。

王華明說,這種技術確實是一種帶有變革性的,短流程、低成本的數字化製造技術,其被國內外公認是對飛機、發動機、燃氣輪機等重大工業裝備研製與生產具有重要影響的核心關鍵製造技術之一。

顏永年說,王華明的團隊能做出這個成果,還是給中國人爭了一口氣。但是他也指出,目前3D 打印技術還只能用于試生產,因為質量的可重複性和穩定性都是問題,在量化生產上存在缺陷。

武漢濱湖機電技術產業有限公司前總經理蔡道生博士告訴財新記者,3D 打印對於軍用品非常適合,因為後者批量不大,沒必要大規模生產,比如導彈 的零件。 “我們也有很多軍方的項目。 ”和國外相比,目前國產3D 打印設備的差距主要在於材料性能。北京隆源自動成型有限公司總經理馮濤告訴財新記者,在清華大學做了幾年教師後,他于1993年到了這家公司,從事3D 打印技術商業研發。他指出,3D 打印技術中材料的成型和控制非常關鍵,但目前中國的材料和國外差距非常大, “一方面本身就薄弱,另一方面企業和學校規模投入都比較小,需要長期投入和很深的基礎。 ”據財新記者瞭解,目前工信部也正在組織研究制定3D 打印技術路線圖和中長期發展戰略,推動完善3D 打印技術規範和標準制定,研究制定支持3D 打印產業發展的專項財稅政策。

路還很長

英國《經濟學人》雜誌曾經預測,3D 打印的出現,將把生產製造從大型、複雜、昂貴的傳統工業過程中分離出來,凡是能接上電源的任何計算機都能夠成為靈巧的生產工廠,未來製造業將再次回流到發達國家。

美國消費者電子協會最新發佈的年度報告顯示,隨著汽車、航空航天和醫療保健等領域市場需求的增加,3D 打印機的銷售額將從2011年的17億美元增長至2017年的50億美元。但這和同樣誕生30多年的噴墨打印機產業相比,其發展速度還是非常緩慢,目前全球噴墨打印產業的銷售額已經超過200億美元。

之所以發展相對緩慢,是因為雖然什麼都可以做,但是做什麼都有一定問題。北京太爾時代公司總經理郭戈對財 新記者說,這種技術在各個行業,只要涉及實體開發、實體應用都用得到,因為材料和精度的限制,在生產上用得比較少,在牙科、醫療產品開發過程中應用比較多,或者小批量的零件生產。 “我們自己的設備開發也用到了自己打印的零件。 ”作為國內規模最大的一家3D 打印企業,太爾時代每年消費級和工業級設備的銷量也只能達到幾千台和幾百台,年銷售額幾千萬元的水平。

對於王華明的成果獲獎後,相關上市公司股票連連漲停的現象,郭戈認為 這只是炒作。 “即便是國內所有的3D 打印企業加起來,也不足以支撐一個上市公司。 ”他說。現在就好像是大家都在成長,長成了一片大草原,但是還沒有長出大樹。

“要達到第三次工業革命還差得遠,我認為機器人對於生產製造的變革更大。當然前途還是有,如果在材料性能、功能性上有所提升,會對製造業產生一種變革。 ”郭戈說, 受制于性能限制,現在的3D 打印技術是理論上可行,但現實做起來就是這個東西不能做,那個東西不能做,目前不過是多做了一點以前做不了的工作而已。

目前,消費品和電子領域是3D 印刷企業最大的市場,其市場份額約為 20.3%;緊隨其後的是機動車19.5%、醫療和牙科15.1%。

快速製造領域的國際權威報告《沃勒斯報告2012》顯示,截至2011年,全球累計銷售4.9萬台工業級3D 打印機,其中近四分之三由美國製造,以色列和歐洲各國的份額分別為9.3%和10.2%,中國生產的設備占3.6%,與日本相當。

馮濤表示,目前3D 打印在零部件上的應用只有20%,到2015年將可以達到40%,以後將可能達到80%。 “現在的飛機上、導彈上已經在用,美國之所以重視,不是重視桌面的三維打印機,關鍵還是工業級的快速製造。 ”不過在馮濤看來,從廣義上說,在零部件製造上,使用3D 打印的比例不會高。 “大批量、高效的生產方式必須是經濟成本最低的,都個性化的話,就像每個人手機都不一樣,成本會太高。 ”他認為,3D 打印技術無疑豐富了製造業的方法,但是仍然無法顛覆傳統的製造業。他周圍的大多數人不認為這 是個革命,因為在效率、價格、精度、表面質量上都有缺陷。

目前的3D 打印或者說快速製造技術,可以說是形狀的萬能製造機,但是在材料上的限制,還不能滿足一些對內 在性能有特殊要求的工作,形狀可以做出來,功能不一定達到。

蔡道生表示,至少目前的3D 打印技術絕對不會對傳統的減法制造造成什麼革命性的改變,更多是一個補充,可以稱為綠色製造,因為浪費的材料很少。

蔡道生認為,即便是在增材製造方面,用3D 打印製造簡單的零件也是得不償失。其優勢在於複雜零件,但是製造速度有待提高。

雖然打印一個部件的成本比製造一個模具低很多,但模具只要開好,就可以短時間做出成千上萬個一模一樣的部件,這是3D打印難以企及的。

王華明教授還對財新記者表示,3D 打印目前最多是做一部分零部件。

他認為,第三次工業革命將是一個很大的範圍,包括數字化、網絡化、信息化等,3D打印未到此層次。

郭戈認為,3D 打印技術發展應該 還需要很多年,但如果有突飛猛進的突破,可能就會提速, “計算機剛剛出來的時候也沒想到(發展)那麼快。 ”在顏永年看來,3D 打印不可能推翻或者取代製造業原有的手段,從成型科學上說是革命性的,從工程技術上是補充性的。

他認為,3D 打印在生物製造上的前途遠遠超過金屬。更巨大的意義是做活體,把細胞、生物相容性材料堆積成活體結構。 “現在已經可以培養出一小塊肉了。 ”2012年4月,已經74歲的顏永年在江蘇昆山成立了昆山永年先進製造技術有限公司,專門開發3D 打印技術設備。

顏永年說,昆山公司以後會慢慢以生物為主,在這方面他也最有興趣。

本刊實習記者張鑫對此文亦有貢獻

 
3D 打印 變革 還是 革命
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