圖為位于寧夏銀川的世界首個萬噸級鑄造3D打印成型智能工廠車間內(nèi)景。
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圖為西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司3D打印的“鋁合金點陣結(jié)構(gòu)”展品。 新華社記者 劉瀟 攝
國內(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不同，但實際上，整棟樓沒用一磚一瓦，全是用可黏合混合材料打印而成。
如果擁有一臺3D打印機，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、火箭、建筑……都可以制造出來。難怪有人會說，在未來，一臺3D打印機幾乎可以創(chuàng)造一個世界。
2018年，3D打印正式被納入中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類。作為新興前沿技術(shù)，3D打印承載著未來制造的無限可能，也顛覆著傳統(tǒng)制造業(yè)的思維形態(tài)。近年來，中國的3D打印技術(shù)快速發(fā)展，應用場景也越來越多，成為加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段。
1、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)減材制造對原材料進行去除、切削的方式，增材制造是將特定材料通過層層疊加的方式來構(gòu)造物體，在生物醫(yī)藥、航空航天、建筑等多個領(lǐng)域都能夠大顯身手。
掃描獲取三維數(shù)據(jù)、通過電腦編程，將模型導入打印機，一個與真肺一模一樣的肺部模型就可以從3D打印機里打印出來。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肺段切除術(shù)。這一模型，不僅精準再現(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打印擅長塑造各種細節(jié)的優(yōu)勢剛好滿足了醫(yī)學領(lǐng)域?qū)Ω黝惸＞叩母邩藴市枨?。山西增材制造研究院院長宮濤表示，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打印機直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，能較精準地塑造復雜精細的造型。
不僅是醫(yī)療，3D打印的這一特性，也很適合應用在文物復制和修護上。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。在浙江大學藝術(shù)與考古博物館，全球首個可移動3D打印石窟——云岡石窟“音樂窟”原樣再現(xiàn)了原洞窟的風采以及千余年來風化留下的細微痕跡。借助數(shù)字化采集，制造者對原洞窟進行了1∶1復制，用輕型材料打印出110塊模型，再像搭積木一樣組裝成現(xiàn)在的復制石窟。由于是復制品，參觀者不僅可以身處其中細細觀賞，還可以伸手觸摸，可謂過足了癮。
除了擅長精巧細微的“繡花功夫”，3D打印對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目中，3D打印技術(shù)被直接運用于工地施工過程。不用砌磚、無需澆筑，現(xiàn)場只有打印機噴頭來回移動。高強度砂漿從噴頭中一點點流出，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%，同時建造過程中的工藝損耗也減少了。”中國建筑技術(shù)中心材料工程研究所所長助理霍亮表示，由于打印使用的是機械自動化操作，還能節(jié)省近一半的人力。
值得一提的是，在今年5月發(fā)射升空的我國新一代載人飛船試驗船上，就搭載了一臺“3D打印機”。這是我國首次在太空開展3D打印實驗，打印材料是航空航天領(lǐng)域應用廣泛的輕質(zhì)高強材料——碳纖維增強復合材料。
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。而這次實驗的成功，更讓人們感受到，“太空制造”離我們也不再遙遠。
2、過去幾個月才能制成的砂模現(xiàn)在只需幾小時
寧夏銀川，世界首個萬噸級鑄造3D打印智能工廠的車間內(nèi)，數(shù)臺5米多高的白色鑄造用砂芯3D打印機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)的鑄造車間相比，無吊車、無模型、無重體力、無溫差、無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)變得快速而簡單——過去需要幾個月才能制成的砂模，現(xiàn)在只需幾個小時。這些鑄件不僅在國內(nèi)銷售，還遠銷海外。
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)計靈活、節(jié)約成本、降低制造難度等優(yōu)勢。這一技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應用對鑄造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級、鑄造智能制造及未來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，越來越多的制造企業(yè)開始采用3D打印進行零部件或整機生產(chǎn)。這一新興技術(shù)，改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式。
近日，在哈電集團哈爾濱電機廠有限責任公司，國內(nèi)首臺增材制造沖擊式水輪機真機轉(zhuǎn)輪研制成功。如果該轉(zhuǎn)輪在未來的電站使用中符合預期，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)未來制造以往難以制造或無法制造的超小、超大型沖擊式轉(zhuǎn)輪提供一個解決方案。
“最初，我們開始關(guān)注3D打印，是用于模型轉(zhuǎn)輪的制造。每個模型轉(zhuǎn)輪都是單件生產(chǎn)，并且希望能在最短的時間內(nèi)制造完成，這與3D打印的技術(shù)特點形成了非常完美的契合?！惫枮I電機廠有限責任公司大電機研究所副所長王煥茂表示，“經(jīng)過近兩年的研發(fā)，我們成功制造了國內(nèi)首臺可應用于模型水輪機水力試驗的3D打印非金屬模型轉(zhuǎn)輪。在研發(fā)的進程中，我們認識到3D打印技術(shù)更廣闊的市場在金屬打印領(lǐng)域，在真機轉(zhuǎn)輪。”
一臺復雜的轉(zhuǎn)輪是如何打印出來的？哈爾濱電機廠有限責任公司大電機研究所科研員程廣福告訴記者：“將需要打印部分的數(shù)學模型導入相應的軟件，進行切片和打印路徑的規(guī)劃，再將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后傳送給機器人，最終機器人按照給定的運行程序攜帶焊槍完成轉(zhuǎn)輪的3D打印制造?！?br />
依靠3D打印技術(shù)，過去需要4個月才能完成的轉(zhuǎn)輪制造如今被縮短到3個月之內(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。工人們勞動強度大不說，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，“尤其對于高品質(zhì)的轉(zhuǎn)輪，需要采用整個鍛造圓形坯料，一點點地用數(shù)控機床將轉(zhuǎn)輪加工出來，我們通常稱為‘整摳’，從這個詞就可以看到這種方式加工的難度有多大，周期有多長，相應成本也會非常高。而如今采用3D打印制造轉(zhuǎn)輪，直接由三維模型到產(chǎn)品，省去了多個環(huán)節(jié)，加工量小，成本和周期也得以降低?！?br />
3、未來3D打印將會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?！边@是一些人所暢想的未來場景。對此，不少業(yè)內(nèi)人士表示，未來，要想實現(xiàn)更多的3D打印應用場景，關(guān)鍵在于材料，尤其是多元化打印材料的發(fā)展。
“巧婦難為無米之炊。材料科學是制造業(yè)的底層根基，3D打印的落地應用就是受限于材料的特性，導致成品率低等一系列問題?！鼻迦A大學建筑學院博士于雷表示，“材料的發(fā)展是3D打印發(fā)展的前提。就建筑領(lǐng)域來說，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?！?br />
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)劑卻會給被植入患者帶來術(shù)后痛苦。同時，由于人類骨骼內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜、密度不一，傳統(tǒng)3D打印所用材料密度一致、粉體單一，無法實現(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)大學機電學院汪焰恩教授團隊將羥基磷灰石、黏合劑、細胞液等按照不同個體的骨骼性質(zhì)進行科學配比，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)，實現(xiàn)了仿生骨打印所需要的結(jié)構(gòu)復雜、密度不均、復合粉體等要求。這樣打印出來的活性仿生骨與自然骨的成分、結(jié)構(gòu)、力學性能高度一致，甚至可在生物體內(nèi)“發(fā)育”。
汪焰恩教授表示，團隊目前也掌握了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，新材料的突破也會帶來更多的打印成果。上個月，西湖大學的周南嘉團隊成功設(shè)計出全新的3D打印功能材料，以新材料為突破，實現(xiàn)了微米級別的電子3D打印。這是目前國內(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，朱岳團隊自主研發(fā)出3D打印用光敏樹脂正式投產(chǎn)，改變了過去這種3D打印原材料依賴國際進口、成本過高的局面。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3D打印將會像普通打印一樣普及。（王雅慧）
