3D打印既是調(diào)整制造業(yè)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)制造業(yè)由大變強(qiáng)的重要手段，又是適合多品種、個(gè)性化制造，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(tái)，我省將抓住3D打印技術(shù)發(fā)展所帶來(lái)的機(jī)遇，突破發(fā)展瓶頸，最大限度挖掘社會(huì)資源中蘊(yùn)藏的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)潛力。
3D石窟出云岡
絲竹弦樂穿越時(shí)空而來(lái)，千年石窟的歲月痕跡觸手可及?？粗嬅嬷械窨叹?、意蘊(yùn)宏大的造像，讓人仿佛置身于遠(yuǎn)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(guó)內(nèi)“石窟界”數(shù)字化領(lǐng)域?qū)＜?、云岡研究院?shù)字化研究室主任寧波通過(guò)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(guò)3D打印，“音樂窟”創(chuàng)新地使用了“積木式”的復(fù)制方式，由110塊2米見方的輕質(zhì)材料“積木塊”分6層進(jìn)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(xiàng)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(zhǎng)宮濤對(duì)此解答，3D打印名為增材制造，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用金屬、高分子等材料，進(jìn)行逐層打印、堆積，形成實(shí)體實(shí)物，是數(shù)字和制造緊密結(jié)合的體現(xiàn)。完成一項(xiàng)打印工作，首先要通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)所設(shè)計(jì)物品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，形成三維圖形，在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(jī)，打印機(jī)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(rèn)為，增材制造技術(shù)最大的特點(diǎn)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(fù)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(lái)顛覆性創(chuàng)新
3D打印對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)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(lái)巨大影響。宮濤認(rèn)為，3D打印技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)、個(gè)性化定制和創(chuàng)意設(shè)計(jì)，目前在航天、航空、醫(yī)療領(lǐng)域里，傳統(tǒng)工藝無(wú)法完成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通過(guò)3D打印可以輕松實(shí)現(xiàn)。
近年來(lái)，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(lái)了顛覆性的創(chuàng)新。3D打印技術(shù)無(wú)論是在基礎(chǔ)研究、關(guān)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(chǔ)研究方面，新工藝、新原理、新材料和新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。在制造方面，呈現(xiàn)出從工業(yè)品向消費(fèi)品發(fā)展、從小型產(chǎn)品向大型產(chǎn)品發(fā)展的勢(shì)頭。國(guó)際知名企業(yè)波音公司采用3D打印技術(shù)制造飛機(jī)部分零件，米其林公司利用3D打印技術(shù)進(jìn)行輪胎生產(chǎn)，美國(guó)“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(shí)驗(yàn)室”在新西蘭東海岸發(fā)射全球首枚3D打印電池動(dòng)力的“電子號(hào)”火箭。這枚火箭制造成本低、發(fā)射周期短，被業(yè)界評(píng)價(jià)為人類火箭技術(shù)發(fā)展史上的一大進(jìn)步。
3D打印迅速發(fā)展，開辟出神奇的世界，這項(xiàng)技術(shù)也一直被視為一項(xiàng)關(guān)鍵性的技術(shù)。在德國(guó)，有78%的企業(yè)認(rèn)為3D打印將對(duì)商業(yè)模式和價(jià)值鏈產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，一項(xiàng)最新統(tǒng)計(jì)顯示，每三家德國(guó)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(guó)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(píng)論認(rèn)為，3D建筑打印機(jī)從根本上改變了建筑方式和住宅建設(shè)的過(guò)程。去年以來(lái)，在新冠肺炎疫情的背景下，德國(guó)一些制造企業(yè)利用3D打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)了快速的生產(chǎn)切換，開始生產(chǎn)市場(chǎng)上較為緊缺的醫(yī)療防護(hù)用品，德國(guó)大眾汽車公司利用生產(chǎn)塑料零部件和樣車的3D打印機(jī)，生產(chǎn)呼吸機(jī)的零配件和其他醫(yī)療用品配件。巨大的市場(chǎng)空間，讓越來(lái)越多的企業(yè)涌入了3D打印的行列，個(gè)性化定制的商業(yè)模式也讓世界各大先進(jìn)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(gè)制造業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)將發(fā)生改變。
“我國(guó)3D打印近年來(lái)快速發(fā)展，雖與美國(guó)、德國(guó)同處第一集團(tuán)，但還存在原創(chuàng)性技術(shù)不夠，特別是高端產(chǎn)品跟國(guó)外還有距離?！鼻迦A大學(xué)工程機(jī)械系教授林峰說(shuō)。羅偉也表示贊同，他認(rèn)為正是原創(chuàng)性不高才導(dǎo)致商業(yè)化的程度和前端應(yīng)用不算太多，打印設(shè)備的精度、穩(wěn)定性和速度方面跟國(guó)外還是有一定的差距。宮濤則認(rèn)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(guó)，70%以上的企業(yè)積極參與技術(shù)開發(fā)，我們更應(yīng)該積極推動(dòng)，樹立新的理念，擁抱這項(xiàng)新的技術(shù)。
骨科手術(shù)實(shí)現(xiàn)“私人訂制”
3D打印技術(shù)應(yīng)用，山西的探索走在全國(guó)前列。
2019年，山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院骨科完成我省首例個(gè)性化設(shè)計(jì)3D打印腫瘤假體植入重建手術(shù)，這標(biāo)志著我省骨科領(lǐng)域個(gè)性化3D打印假體技術(shù)時(shí)代的到來(lái)。這位病人小腿有個(gè)骨腫瘤需要切除，如果要同種的異體骨代替，愈合可能會(huì)存在問題，正是有了3D打印技術(shù)，醫(yī)生按照他對(duì)側(cè)自體骨頭形狀打印出假體，非常匹配地把它放進(jìn)去。山醫(yī)大二院通過(guò)3D打印出國(guó)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(xì)胞的位置，最終重組為功能器官。打印“原料”來(lái)自患者自身，不用擔(dān)心排異反應(yīng)的發(fā)生?！?D打印技術(shù)對(duì)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(shuō)。
3D打印在文物保護(hù)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域嶄露頭角。下一步山西的3D打印重點(diǎn)開發(fā)和應(yīng)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(yīng)用上取得一定進(jìn)展。山西在煤炭產(chǎn)業(yè)和重工產(chǎn)業(yè)、機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)有著很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，這些領(lǐng)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(jìn)技術(shù)和更好發(fā)展的渠道，能帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)發(fā)展。3D打印技術(shù)是材料、設(shè)備、打印、服務(wù)一條龍生產(chǎn)線，如果能結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源特點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，就能發(fā)揮出3D打印的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，挖掘出更大的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，一定能從中找到發(fā)展機(jī)會(huì)。
給3D打印加點(diǎn)“料”
3D打印技術(shù)在制造業(yè)的普及程度，關(guān)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(lǐng)域廣泛應(yīng)用。它的金屬粉末應(yīng)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(fù)原、雕塑和文藝創(chuàng)作。很長(zhǎng)一段時(shí)間3D打印材料全部依賴進(jìn)口，是3D打印領(lǐng)域發(fā)展的“卡脖子”技術(shù)難題，如今，我國(guó)自主生產(chǎn)的3D打印材料正在取代甚至是超越進(jìn)口產(chǎn)品。山西增材制造研究院實(shí)驗(yàn)室副主任朱岳說(shuō)：“進(jìn)口光敏樹脂每公斤價(jià)格高達(dá)3000元，現(xiàn)在我們自主研發(fā)的光敏樹脂打印精度、力學(xué)性能各方面都非常優(yōu)秀，但是價(jià)格只有原來(lái)的十分之一?！?br/>在3D打印領(lǐng)域，有一個(gè)形象比喻，3D打印出來(lái)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(diǎn)。山西增材制造研究院李訓(xùn)剛說(shuō)：“我們使用的3D打印機(jī)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(gè)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(diǎn)‘料’，研發(fā)出系列高性能的3D打印材料，并進(jìn)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(gè)中游和下游的發(fā)展，如何讓材料和設(shè)備能夠精準(zhǔn)地匹配？宮濤認(rèn)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(shè)備局限性還很大，有許多好材料無(wú)法用現(xiàn)有的打印機(jī)來(lái)打印。下一步，一定是要根據(jù)材料的基因、材料特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出加工工藝和控制點(diǎn)，與設(shè)備、質(zhì)控廠家共同合作，形成新的更加高端的打印機(jī)，才是今后發(fā)展的方向。