圖為位于寧夏銀川的世界首個(gè)萬(wàn)噸級(jí)鑄造3D打印成型智能工廠車(chē)間內(nèi)景。（資料圖片）

　　圖為西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司3D打印的“鋁合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)”展品。 新華社記者 劉瀟 攝

　　國(guó)內(nèi)首家建筑3D打印展館日前在廣東正式啟用。從外觀上看，這棟雙層建筑和普通的房子并無(wú)不同，但實(shí)際上，整棟樓沒(méi)用一磚一瓦，全是用可黏合混合材料打印而成。

　　如果擁有一臺(tái)3D打印機(jī)，你能夠制造什么？答案是：小到精密的零件、餅干、模具、衣服，大到醫(yī)療器械、工業(yè)裝備甚至汽車(chē)、火箭、建筑……都可以制造出來(lái)。難怪有人會(huì)說(shuō)，在未來(lái)，一臺(tái)3D打印機(jī)幾乎可以創(chuàng)造一個(gè)世界。

　　2018年，3D打印正式被納入中國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類(lèi)。作為新興前沿技術(shù)，3D打印承載著未來(lái)制造的無(wú)限可能，也顛覆著傳統(tǒng)制造業(yè)的思維形態(tài)。近年來(lái)，中國(guó)的3D打印技術(shù)快速發(fā)展，應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越多，成為加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要手段。

　　大同的云岡石窟被原樣“搬”到千里之外的杭州

　　增材制造，俗稱3D打印。不同于傳統(tǒng)減材制造對(duì)原材料進(jìn)行去除、切削的方式，增材制造是將特定材料通過(guò)層層疊加的方式來(lái)構(gòu)造物體，在生物醫(yī)藥、航空航天、建筑等多個(gè)領(lǐng)域都能夠大顯身手。

　　掃描獲取三維數(shù)據(jù)、通過(guò)電腦編程，將模型導(dǎo)入打印機(jī)，一個(gè)與真肺一模一樣的肺部模型就可以從3D打印機(jī)里打印出來(lái)。今年6月，貴州省人民醫(yī)院胸外科首次利用3D打印技術(shù)完成了三維模型下的精準(zhǔn)肺段切除術(shù)。這一模型，不僅精準(zhǔn)再現(xiàn)了病人肺部的病灶位置，甚至連每根血管都栩栩如生。

　　醫(yī)療器械、器官模型、可植入人體的仿生組織……3D打印擅長(zhǎng)塑造各種細(xì)節(jié)的優(yōu)勢(shì)剛好滿足了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)Ω黝?lèi)模具的高標(biāo)準(zhǔn)需求。山西增材制造研究院院長(zhǎng)宮濤表示，人工用鋼鐵、石膏等材質(zhì)制造模具，產(chǎn)品在大規(guī)模生產(chǎn)前，還要多次打樣和修改。而3D打印機(jī)直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，能較精準(zhǔn)地塑造復(fù)雜精細(xì)的造型。

　　不僅是醫(yī)療，3D打印的這一特性，也很適合應(yīng)用在文物復(fù)制和修護(hù)上。不久前，位于山西大同的云岡石窟被“搬”到了千里之外的浙江杭州。在浙江大學(xué)藝術(shù)與考古博物館，全球首個(gè)可移動(dòng)3D打印石窟——云岡石窟“音樂(lè)窟”原樣再現(xiàn)了原洞窟的風(fēng)采以及千余年來(lái)風(fēng)化留下的細(xì)微痕跡。借助數(shù)字化采集，制造者對(duì)原洞窟進(jìn)行了1∶1復(fù)制，用輕型材料打印出110塊模型，再像搭積木一樣組裝成現(xiàn)在的復(fù)制石窟。由于是復(fù)制品，參觀者不僅可以身處其中細(xì)細(xì)觀賞，還可以伸手觸摸，可謂過(guò)足了癮。

　　除了擅長(zhǎng)精巧細(xì)微的“繡花功夫”，3D打印對(duì)于造橋建房這樣的大工程也很拿手。

　　今年4月，在蘇州河堤防改造項(xiàng)目中，3D打印技術(shù)被直接運(yùn)用于工地施工過(guò)程。不用砌磚、無(wú)需澆筑，現(xiàn)場(chǎng)只有打印機(jī)噴頭來(lái)回移動(dòng)。高強(qiáng)度砂漿從噴頭中一點(diǎn)點(diǎn)流出，按照設(shè)定好的程序塑造出富有江南特色的造型。

　　“3D打印可使建筑一次成型，節(jié)約建筑材料60%，同時(shí)建造過(guò)程中的工藝損耗也減少了?！敝袊?guó)建筑技術(shù)中心材料工程研究所所長(zhǎng)助理霍亮表示，由于打印使用的是機(jī)械自動(dòng)化操作，還能節(jié)省近一半的人力。

　　值得一提的是，在今年5月發(fā)射升空的我國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船上，就搭載了一臺(tái)“3D打印機(jī)”。這是我國(guó)首次在太空開(kāi)展3D打印實(shí)驗(yàn)，打印材料是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的輕質(zhì)高強(qiáng)材料——碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

　　目前，隨著金屬材質(zhì)打印技術(shù)的突破，航空航天也成為3D打印最具前景的應(yīng)用領(lǐng)域之一。不管是制造快速成型、單件定制的航天設(shè)備零部件，還是復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和大型異構(gòu)件，3D打印都是理想的技術(shù)手段。而這次實(shí)驗(yàn)的成功，更讓人們感受到，“太空制造”離我們也不再遙遠(yuǎn)。

　　過(guò)去幾個(gè)月才能制成的砂?，F(xiàn)在只需幾小時(shí)

　　寧夏銀川，世界首個(gè)萬(wàn)噸級(jí)鑄造3D打印智能工廠的車(chē)間內(nèi)，數(shù)臺(tái)5米多高的白色鑄造用砂芯3D打印機(jī)在智能流水線上有序工作。這些設(shè)備，全部為企業(yè)自主研發(fā)。

　　與傳統(tǒng)的鑄造車(chē)間相比，無(wú)吊車(chē)、無(wú)模型、無(wú)重體力、無(wú)溫差、無(wú)廢砂及粉塵排放成為這家工廠的鮮明特色。在這里，鑄件生產(chǎn)變得快速而簡(jiǎn)單——過(guò)去需要幾個(gè)月才能制成的砂模，現(xiàn)在只需幾個(gè)小時(shí)。這些鑄件不僅在國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售，還遠(yuǎn)銷(xiāo)海外。

　　工廠所屬企業(yè)——共享裝備股份有限公司3D打印事業(yè)部市場(chǎng)總監(jiān)李哲表示，相較于傳統(tǒng)加工制造，3D打印具有縮短生產(chǎn)流程、設(shè)計(jì)靈活、節(jié)約成本、降低制造難度等優(yōu)勢(shì)。這一技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用對(duì)鑄造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、鑄造智能制造及未來(lái)鑄造智能工廠的建設(shè)將產(chǎn)生變革性的意義。

　　不僅是共享裝備，近年來(lái)，越來(lái)越多的制造企業(yè)開(kāi)始采用3D打印進(jìn)行零部件或整機(jī)生產(chǎn)。這一新興技術(shù)，改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式。

　　近日，在哈電集團(tuán)哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，國(guó)內(nèi)首臺(tái)增材制造沖擊式水輪機(jī)真機(jī)轉(zhuǎn)輪研制成功。如果該轉(zhuǎn)輪在未來(lái)的電站使用中符合預(yù)期，則證明3D打印技術(shù)在制造沖擊式轉(zhuǎn)輪上具備可行性，為企業(yè)未來(lái)制造以往難以制造或無(wú)法制造的超小、超大型沖擊式轉(zhuǎn)輪提供一個(gè)解決方案。

　　“最初，我們開(kāi)始關(guān)注3D打印，是用于模型轉(zhuǎn)輪的制造。每個(gè)模型轉(zhuǎn)輪都是單件生產(chǎn)，并且希望能在最短的時(shí)間內(nèi)制造完成，這與3D打印的技術(shù)特點(diǎn)形成了非常完美的契合。”哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司大電機(jī)研究所副所長(zhǎng)王煥茂表示，“經(jīng)過(guò)近兩年的研發(fā)，我們成功制造了國(guó)內(nèi)首臺(tái)可應(yīng)用于模型水輪機(jī)水力試驗(yàn)的3D打印非金屬模型轉(zhuǎn)輪。在研發(fā)的進(jìn)程中，我們認(rèn)識(shí)到3D打印技術(shù)更廣闊的市場(chǎng)在金屬打印領(lǐng)域，在真機(jī)轉(zhuǎn)輪?！?/p>

　　一臺(tái)復(fù)雜的轉(zhuǎn)輪是如何打印出來(lái)的？哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司大電機(jī)研究所科研員程廣福告訴記者：“將需要打印部分的數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入相應(yīng)的軟件，進(jìn)行切片和打印路徑的規(guī)劃，再將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后傳送給機(jī)器人，最終機(jī)器人按照給定的運(yùn)行程序攜帶焊槍完成轉(zhuǎn)輪的3D打印制造?！?/p>

　　依靠3D打印技術(shù)，過(guò)去需要4個(gè)月才能完成的轉(zhuǎn)輪制造如今被縮短到3個(gè)月之內(nèi)。

　　“傳統(tǒng)鑄造工藝制造轉(zhuǎn)輪，工序繁多，參與的工種和工人也多。工人們勞動(dòng)強(qiáng)度大不說(shuō)，鑄造后的轉(zhuǎn)輪還容易有缺陷，精度差、加工余量大、產(chǎn)品質(zhì)量與鍛件差距也大?！背虖V福說(shuō)，“尤其對(duì)于高品質(zhì)的轉(zhuǎn)輪，需要采用整個(gè)鍛造圓形坯料，一點(diǎn)點(diǎn)地用數(shù)控機(jī)床將轉(zhuǎn)輪加工出來(lái)，我們通常稱為‘整摳’，從這個(gè)詞就可以看到這種方式加工的難度有多大，周期有多長(zhǎng)，相應(yīng)成本也會(huì)非常高。而如今采用3D打印制造轉(zhuǎn)輪，直接由三維模型到產(chǎn)品，省去了多個(gè)環(huán)節(jié)，加工量小，成本和周期也得以降低?！?/p>

　　未來(lái)3D打印將會(huì)像普通打印一樣普及

　　“不管你想要什么，只需下載圖紙，按下打印鍵就可以了，剩下的統(tǒng)統(tǒng)交給打印機(jī)?！边@是一些人所暢想的未來(lái)場(chǎng)景。對(duì)此，不少業(yè)內(nèi)人士表示，未來(lái)，要想實(shí)現(xiàn)更多的3D打印應(yīng)用場(chǎng)景，關(guān)鍵在于材料，尤其是多元化打印材料的發(fā)展。

　　“巧婦難為無(wú)米之炊。材料科學(xué)是制造業(yè)的底層根基，3D打印的落地應(yīng)用就是受限于材料的特性，導(dǎo)致成品率低等一系列問(wèn)題。”清華大學(xué)建筑學(xué)院博士于雷表示，“材料的發(fā)展是3D打印發(fā)展的前提。就建筑領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，目前3D打印建筑被局限在使用混凝土材料上了，但是混凝土這種材料3D打印的靈活度并不高?！?/p>

　　在生物3D打印領(lǐng)域，材料創(chuàng)新的重要性更加突出，尤其是對(duì)于人體植入物。

　　羥基磷灰石是目前世界通用的仿人骨材料，但所用的酸性粘結(jié)劑卻會(huì)給被植入患者帶來(lái)術(shù)后痛苦。同時(shí)，由于人類(lèi)骨骼內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密度不一，傳統(tǒng)3D打印所用材料密度一致、粉體單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)仿生骨的打印需求。

　　為了能夠制造一款最大程度接近人體骨骼性質(zhì)的仿生骨，西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院汪焰恩教授團(tuán)隊(duì)將羥基磷灰石、黏合劑、細(xì)胞液等按照不同個(gè)體的骨骼性質(zhì)進(jìn)行科學(xué)配比，形成一種更能被人體環(huán)境接受的打印材料。并研制了一套3D打印控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了仿生骨打印所需要的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密度不均、復(fù)合粉體等要求。這樣打印出來(lái)的活性仿生骨與自然骨的成分、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能高度一致，甚至可在生物體內(nèi)“發(fā)育”。

　　汪焰恩教授表示，團(tuán)隊(duì)目前也掌握了3D打印軟骨和皮膚的技術(shù)。下一步，他們將繼續(xù)探索真皮層中汗腺、毛囊、皮脂腺等結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定打印技術(shù)。

　　在芯片這樣高精尖設(shè)備的打印制造上，新材料的突破也會(huì)帶來(lái)更多的打印成果。上個(gè)月，西湖大學(xué)的周南嘉團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)出全新的3D打印功能材料，以新材料為突破，實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)別的電子3D打印。這是目前國(guó)內(nèi)最高精度的電子3D打印技術(shù)。

　　山西增材制造研究院技術(shù)人員朱岳認(rèn)為，如何研發(fā)出更多新材料，生產(chǎn)出質(zhì)量更高的3D打印產(chǎn)品，是行業(yè)內(nèi)的一大挑戰(zhàn)。今年5月，朱岳團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出3D打印用光敏樹(shù)脂正式投產(chǎn)，改變了過(guò)去這種3D打印原材料依賴國(guó)際進(jìn)口、成本過(guò)高的局面。朱岳表示，下一步，研究院將在研發(fā)材料、打印工藝、軟件數(shù)據(jù)研發(fā)上持續(xù)發(fā)力，他相信未來(lái)3D打印將會(huì)像普通打印一樣普及。