3D打印既是調(diào)整制造業(yè)結(jié)構(gòu)，促進制造業(yè)由大變強的重要手段，又是適合多品種、個性化制造，為創(chuàng)新設計釋放巨大空間的新型業(yè)態(tài)。它是創(chuàng)新的利器，也是創(chuàng)業(yè)的平臺，我省將抓住3D打印技術(shù)發(fā)展所帶來的機遇，突破發(fā)展瓶頸，最大限度挖掘社會資源中蘊藏的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)潛力。
3D石窟出云岡
絲竹弦樂穿越時空而來，千年石窟的歲月痕跡觸手可及。看著畫面中雕刻精美、意蘊宏大的造像，讓人仿佛置身于遠在千里之外的云岡石窟。這是正在上海博物館展出的云岡石窟第12窟“音樂窟”。國內(nèi)“石窟界”數(shù)字化領域?qū)＜?、云岡研究院?shù)字化研究室主任寧波通過三維激光掃描技術(shù)，為云岡石窟建起了三維的“數(shù)字檔案”。通過3D打印，“音樂窟”創(chuàng)新地使用了“積木式”的復制方式，由110塊2米見方的輕質(zhì)材料“積木塊”分6層進行組裝完成，讓古老的世界文化遺產(chǎn)云岡石窟邁出了“行走”世界的第一步。
3D打印技術(shù)，是一項不同于以往的新型制造技術(shù)，它與傳統(tǒng)的工業(yè)制造有何區(qū)別？山西增材制造研究院院長宮濤對此解答，3D打印名為增材制造，以數(shù)字模型文件為基礎，采用金屬、高分子等材料，進行逐層打印、堆積，形成實體實物，是數(shù)字和制造緊密結(jié)合的體現(xiàn)。完成一項打印工作，首先要通過計算機對所設計物品的結(jié)構(gòu)進行建模，形成三維圖形，在此基礎上進行分層切片，形成每一層的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送到打印機，打印機按照數(shù)據(jù)，原材料逐層堆積，最終形成產(chǎn)品。山西雅韻雕醫(yī)療科技有限公司工程師羅偉認為，增材制造技術(shù)最大的特點是，不再需要傳統(tǒng)工具及繁瑣加工工序，它能有效地解決復雜零件加工成型問題，甚至可以突破一些技術(shù)上的限制。
打印融合交互發(fā)展帶來顛覆性創(chuàng)新
3D打印對大多數(shù)人來說還很陌生，隨著它快速發(fā)展，將給產(chǎn)業(yè)發(fā)展、工業(yè)制造，甚至百姓生活帶來巨大影響。宮濤認為，3D打印技術(shù)最大的優(yōu)勢是制造復雜結(jié)構(gòu)、個性化定制和創(chuàng)意設計，目前在航天、航空、醫(yī)療領域里，傳統(tǒng)工藝無法完成的復雜結(jié)構(gòu)，通過3D打印可以輕松實現(xiàn)。
近年來，3D打印技術(shù)與智能化以及新材料、新工藝不斷融合、交互發(fā)展，給傳統(tǒng)制造技術(shù)帶來了顛覆性的創(chuàng)新。3D打印技術(shù)無論是在基礎研究、關鍵技術(shù)還是產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面都取得了飛速發(fā)展。在基礎研究方面，新工藝、新原理、新材料和新應用不斷涌現(xiàn)。在制造方面，呈現(xiàn)出從工業(yè)品向消費品發(fā)展、從小型產(chǎn)品向大型產(chǎn)品發(fā)展的勢頭。國際知名企業(yè)波音公司采用3D打印技術(shù)制造飛機部分零件，米其林公司利用3D打印技術(shù)進行輪胎生產(chǎn)，美國“太空制造”公司還成功在太空環(huán)境下完成了大型物體的3D打印。2020年5月下旬，一家新西蘭公司“火箭實驗室”在新西蘭東海岸發(fā)射全球首枚3D打印電池動力的“電子號”火箭。這枚火箭制造成本低、發(fā)射周期短，被業(yè)界評價為人類火箭技術(shù)發(fā)展史上的一大進步。
3D打印迅速發(fā)展，開辟出神奇的世界，這項技術(shù)也一直被視為一項關鍵性的技術(shù)。在德國，有78%的企業(yè)認為3D打印將對商業(yè)模式和價值鏈產(chǎn)生深遠的影響，一項最新統(tǒng)計顯示，每三家德國企業(yè)中就有一家使用3D打印技術(shù)。新華社法蘭克福分社記者沈忠浩向記者介紹，最近，在德國北部的一座城市，一家建筑公司使用3D打印技術(shù)建造了一座居民樓，有評論認為，3D建筑打印機從根本上改變了建筑方式和住宅建設的過程。去年以來，在新冠肺炎疫情的背景下，德國一些制造企業(yè)利用3D打印設備實現(xiàn)了快速的生產(chǎn)切換，開始生產(chǎn)市場上較為緊缺的醫(yī)療防護用品，德國大眾汽車公司利用生產(chǎn)塑料零部件和樣車的3D打印機，生產(chǎn)呼吸機的零配件和其他醫(yī)療用品配件。巨大的市場空間，讓越來越多的企業(yè)涌入了3D打印的行列，個性化定制的商業(yè)模式也讓世界各大先進制造企業(yè)紛紛引入3D打印，這不僅意味著生產(chǎn)的產(chǎn)品將以“1”為單位，也意味著整個制造業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)將發(fā)生改變。
“我國3D打印近年來快速發(fā)展，雖與美國、德國同處第一集團，但還存在原創(chuàng)性技術(shù)不夠，特別是高端產(chǎn)品跟國外還有距離。”清華大學工程機械系教授林峰說。羅偉也表示贊同，他認為正是原創(chuàng)性不高才導致商業(yè)化的程度和前端應用不算太多，打印設備的精度、穩(wěn)定性和速度方面跟國外還是有一定的差距。宮濤則認為，3D打印目前面臨著成本高、打印慢的一些困難，許多企業(yè)不樂于接受，反觀德國，70%以上的企業(yè)積極參與技術(shù)開發(fā)，我們更應該積極推動，樹立新的理念，擁抱這項新的技術(shù)。
骨科手術(shù)實現(xiàn)“私人訂制”
3D打印技術(shù)應用，山西的探索走在全國前列。
2019年，山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院骨科完成我省首例個性化設計3D打印腫瘤假體植入重建手術(shù)，這標志著我省骨科領域個性化3D打印假體技術(shù)時代的到來。這位病人小腿有個骨腫瘤需要切除，如果要同種的異體骨代替，愈合可能會存在問題，正是有了3D打印技術(shù)，醫(yī)生按照他對側(cè)自體骨頭形狀打印出假體，非常匹配地把它放進去。山醫(yī)大二院通過3D打印出國內(nèi)首款同患者自體骨組織，解剖結(jié)構(gòu)一致的鈦合金植入假體，打印所用的“墨水”，源于患者體內(nèi)提取的自體骨組織，它能夠固定細胞的位置，最終重組為功能器官。打印“原料”來自患者自身，不用擔心排異反應的發(fā)生?！?D打印技術(shù)對培養(yǎng)醫(yī)工結(jié)合的全能型人才有著非常大的幫助?！鄙结t(yī)大二院骨科病區(qū)主任呂智說。
3D打印在文物保護、醫(yī)學領域嶄露頭角。下一步山西的3D打印重點開發(fā)和應用方向該從哪里發(fā)力？林峰教授建議，山西在醫(yī)用3D打印技術(shù)的應用上取得一定進展。山西在煤炭產(chǎn)業(yè)和重工產(chǎn)業(yè)、機械制造產(chǎn)業(yè)有著很強的優(yōu)勢，這些領域都能和3D打印有更好接觸、更好銜接，特別是給傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了很多先進技術(shù)和更好發(fā)展的渠道，能帶動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級發(fā)展。3D打印技術(shù)是材料、設備、打印、服務一條龍生產(chǎn)線，如果能結(jié)合當?shù)刭Y源特點和產(chǎn)業(yè)特點，就能發(fā)揮出3D打印的技術(shù)優(yōu)勢，挖掘出更大的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，一定能從中找到發(fā)展機會。
給3D打印加點“料”
3D打印技術(shù)在制造業(yè)的普及程度，關鍵還是取決于新興材料的發(fā)展，3D打印材料也是3D打印技術(shù)創(chuàng)新的核心要素。
光敏樹脂，在醫(yī)療模具、珠寶首飾領域廣泛應用。它的金屬粉末應用到航空航天、汽車特殊工裝和醫(yī)療植入，制成的線材可用于文物復原、雕塑和文藝創(chuàng)作。很長一段時間3D打印材料全部依賴進口，是3D打印領域發(fā)展的“卡脖子”技術(shù)難題，如今，我國自主生產(chǎn)的3D打印材料正在取代甚至是超越進口產(chǎn)品。山西增材制造研究院實驗室副主任朱岳說：“進口光敏樹脂每公斤價格高達3000元，現(xiàn)在我們自主研發(fā)的光敏樹脂打印精度、力學性能各方面都非常優(yōu)秀，但是價格只有原來的十分之一?！?br/>在3D打印領域，有一個形象比喻，3D打印出來的產(chǎn)品，就像是一道色香味俱全的菜肴，用于3D打印的樹脂、金屬、陶瓷等材料，就像是食材，而幫助材料改變性能的改性助劑，則像是鹽和味精等調(diào)味料，每一種，都不可或缺。而“食材”和“調(diào)味料”，就是山西增材制造研究院的著力點。山西增材制造研究院李訓剛說：“我們使用的3D打印機材料是由傳統(tǒng)的高分子材料加工而成，這種線材可以根據(jù)3D打印的需求做不同的個性化的定制。我們將主攻3D打印改性助劑和材料，給3D打印加點‘料’，研發(fā)出系列高性能的3D打印材料，并進行產(chǎn)業(yè)化。”
作為3D打印產(chǎn)業(yè)上游的材料，它的豐富性支撐著整個中游和下游的發(fā)展，如何讓材料和設備能夠精準地匹配？宮濤認為，這是3D打印行業(yè)發(fā)展非常重要的環(huán)節(jié)，目前打印材料、打印設備局限性還很大，有許多好材料無法用現(xiàn)有的打印機來打印。下一步，一定是要根據(jù)材料的基因、材料特點，設計出加工工藝和控制點，與設備、質(zhì)控廠家共同合作，形成新的更加高端的打印機，才是今后發(fā)展的方向。