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3D打印初出茅庐的今天,人们看到了它的无限可能性,有人称3D打印将成为第三次工业革命。毫无疑问3D打印像一股洪流,涌入了人们的生活。但3D打印的未来或许并没有人们想象的那么美好,它似乎被神化了。
几十年,或许上百年后,早上起床可能不是件痛苦的事情了。因为起床后等着你的,是刚出炉的金枪鱼蔬菜三明治等丰富的早餐。它们从厨房3D打印机中被源源不断地打印出来。而这些食物不管从味道还是造型上,都和从五星级酒店后厨端出的食物一模一样。只要你能从网上买到配方,家庭3D食物打印机,能让你吃到任何美食。
吃完丰盛的早饭,你开始了今天最重要的工作,建造一座房屋。走到院子里,和邻居一起看着工程起重机在新的地基上轰鸣。一个巨大的喷嘴,根据电脑中的图纸,缓缓挤出一层层的混合建筑材料,一座房子就这样在你眼前一层层地升高。
和100年前的房子不同,你家的新房子已经完全摒弃了那个年代崇尚的线条简单的“包豪斯”效果。由于建筑喷嘴可以完成你的所有设想,这栋新房子,就像中国传统艺术品“玲珑球”那样,全部是由圆润的曲线和镂空的结构组成。虽然造型奇特超过21世纪初的任何建筑,但是由于结构合理,它的抗震等级仍然超过8级。
回到屋子里,打开电脑处理一些工作的事情。一些手下记者传回的关于调查私自打印人体器官黑幕的报道令你非常震惊。
虽然打印器官在这个时代还是有所非议,但是在得到特别许可的医疗机构,有些人还是能利用打印的器官,拯救生命。但是还有一些急需器官的人们,在未经许可的机构购买和更换器官,而这些机构提供着质量不佳的产品,却收取高额的费用。如何整治这些日益繁荣的黑市交易,成了媒体报道的焦点。
在结束一天的工作后,听女儿讲述在学校的学习内容。和几十年前不同,当讲到苏美尔人的楔形文字时,她们不再对着一张含混不清的图片仔细辨认,而是每个孩子手里都可以拿着一块大小、尺寸、乃至于材质都和古老的文物一样的刻着楔形文字的石块。
晚饭后,电视上插播了一条紧急消息:在月球上利用3D打印筑造基地的探险队遇上了大麻烦,一个关键机械出现故障,探险队员可能面临生命危险。在人们都为他们捏着一把汗的时候,地球指挥部发现这个故障来自于一个零件的损坏。幸运的是,月球探险队携带的3D零件打印机迅速“制造”了这个零件,解决了这次危机。
这些设想很难说就不能变为现实。去年秋天,纽约曼哈顿出现了第一家3D打印店,它是由著名3D打印公司MakerBot开设的。在那里,顾客可以观看3D打印机演示,参加相关培训活动,并根据自己的需求,定制独一无二的礼品。
2013年6月26日,微软在全球开发者大会Build 2013上,宣布Windows 8.1操作系统将支持3D打印。若顺利推出,那全世界将有数百万计的PC可支持3D打印的“即插即用”功能。
不过,目前这样的3D打印店还是凤毛麟角,win8.1也还没有普及。除了买一台回家,我们只能在3D打印机制造厂看到它的真面目了。
探访3D打印工厂
近日,记者在北京一家3D打印设备生产企业太尔时代科技有限公司市场部经理郭峤的陪同下走进了3D打印机厂房。
太尔时代生产的3D打印机分两种:面向个人用户的桌面级和产业级。前者看起来很像个微波炉,重约30斤。在这台“微波炉”里面,粉末不断落下,粘合在一起,由点到线,由线到面,再由面到立体。郭峤把这一过程比作“蚕吐丝”:把蚕丝加热融化,再像挤牙膏一样挤出来,通过电脑控制打印路径,如蚕丝一层层绕着,结茧般堆起来。
当然,实际过程比说起来慢得多,在记者盯着看的几分钟内,完全想象不出它成型后的样子。郭峤说,这是在打印一串项链,整个打印大概需要四五个小时。
与桌面级相比,产业级3D打印机算是庞然大物了,近一人高,像个超大型冰柜。由于功率比较大,这一区域明显热得多。
在厂房中,所有3D打印机成品都在运行。“打印机组装后,都要经过48小时连续工作,以验证是否符合出场标准。”郭峤说,“至于打什么,有时客户会需要我们提供3D打印服务,我们根据要求打印,简单的只用几十分钟,而复杂的可能要用2-3天。此外,3D打印机还能‘自给自足’,我们用测试中的3D打印机打造组成3D打印机的零部件,不需要开模具,否则一点小改变,模具就废了,用这种直接制造的方法效果很好。”
据了解,3D打印技术和传统的打印技术有着很大差异。3D打印的“墨水”可以是各种材料。如金属、液体、粉末、塑料丝、沙子、纸张等,制造的产品从玩具、工具、到厨房用品、建筑、衣服应有尽有,甚至还可直接打印具备触感的人造耳朵、骨骼、人造假牙、肉,以及枪支、跑车等。美国研究人员甚至制造出一架3D打印无人飞机,巡航时速可达到45英里。
3D打印机通过喷墨沉积、熔融沉积成形、激光烧结、立体光刻、电子束熔炼、超声波固结等工艺将三维数字模型变成实物。以最常见的喷墨沉积技术为例:每一层的打印过程分为两步,首先喷洒一层均匀的粉末,然后在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小且不易扩散,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层粉末一层胶水的交替下,实体模型将会被“打印”成型,打印完毕后只要从松散的粉末堆中取出模型即可,而剩余粉末还可循环利用。
简单来说,3D打印就像是断层扫描的逆过程,断层扫描是把对象“切”成无数叠加的片,而3D打印则是一片片地打印,然后逐渐累积成为一个立体物体。这就意味着,只要有3D模型,你甚至可以打印出一座等高的维纳斯雕塑放在家中。
太尔时代是国内最早从事快速成形技术的经济实体。郭峤告诉记者,去年太尔时代生产的3D打印机销售额4000万人民币,今年预计可达6000万。这些打印机被销往世界各地,既有美国等发达国家,又有非洲等国。相对而言,由于工业级3D打印机客户层面较窄,售价高昂,销量比桌面级3D打印机略逊。 而2012年11月20日,中国首家3D打印体验馆暨3D照相馆落户北京了。这是在北京市科委、北京工业设计促进中心的大力支持下,由北京上拓科技有限公司投资建设的。
负责人邵漠宇表示,3D打印体验馆以3D照相为核心功能,同时致力于为广大消费者提供更多的基于3D打印的个性化产品定制,如游戏动漫、礼品纪念品、时尚饰品、高端艺术品等等。自开业以来,参观者络绎不绝。不过,普通消费者可能最关心的是价格。和普通的照相相比,3D照相的价格可要贵多了。一个十多厘米高的彩色迷你版3D影像的最低价格是820元人民币。尺寸越大,价格越高。
3D打印,没那么神奇
在人们对3D打印报以无限期待时,也有些人时刻保持着冷静。《连线》杂志网站日前发表3D设计、工程和娱乐软件公司Autodesk总裁兼CEO卡尔·巴斯(Carl Bass)的一篇文章,从业内人士的角度阐述了3D打印领域的现状和前景。巴斯认为,虽然3D打印最近引起众多关注,但这项技术无法取代其他生产工艺,而且面临着材料、成本等方面的诸多限制,商业模式亟需改进。
而制造业大佬、鸿海董事长郭台铭也曾对3D打印口出“恶言”。他表示,3D打印绝不等于第三次工业革命,只是噱头而已,甚至说:“如果真的是,那我的‘郭’字倒过来写。”
3D打印真是无所不能吗?未来的3D打印将会发展成什么样,谁也不能下一个定论,但是在现阶段,3D打印并不是无所不能的,似乎也是不争的事实。
神话一
3D打印将取代传统制造业
在3D打印的众多神话中,“取代传统制造业”恐怕是最“神”的一个了。有人认为,3D打印机的出现改变了制造行业,你不再需要庞大的工厂,也无需跟工会打交道,只需在你屏幕上点击一个键——打印,就能重造了一个庞大的产业。
对于这一观点,中国3D打印技术产业联盟秘书长、亚洲制造业协会首席执行官罗军认为,这种看法是不符合实际的。任何商品的功能性都是由不同材料形成的,生活中我们需要很多商品,但我们每个家庭不可能都准备各种材料自己加工。如果我们需要的任何东西都靠自己打印,成本将大大超过大规模制造的同类商品。
不只是成本的问题,人们往往还有一个误解,认为3D打印可以一下子打印出汽车或电视这样的电器。“其实,3D打印只能获得一个外观相似的模型。要想具有真正的功能,还是要将其内在的电子元器件和成千上万个零部件一个一个打印出来,再组装而成。而这个组装过程,还是需要在传统制造体系的车间、传送带上完成。”郭峤说。
同时,材料技术问题的制约,也无法使3D打印完全代替传统制造业。正在撰写中国第一本关于3D打印书籍的中国科学院自动化研究所副研究员吴怀宇告诉记者,与传统切削加工技术相比,3D打印产品尺寸精度和表面质量相差较大,产品性能还达不到许多高端金属结构件的要求。
在他看来,目前的3D产品,从精度和强度上都有问题,所以制造出来的并不是最终的工业级产品,而更适合作为产品设计的模型。
因为真正的工业级打印机,一台3D打印设备就在五六百万美元的量级,而且金属粉末也很贵。同时,打印材料上也有需要技术突破的地方,比如打印金属构件的3D打印“墨汁”——金属粉末。这些粉末并不是简单的将金属磨成细粉状就可以,为了使金属粉末能烧融并且在0.1秒内凝结成形,金属粉末中要添加很多化学物质,3D打印的金属粉末材料,实际上是一种化合物。如果要做出媲美传统工艺的金属构件,这个化合物的配方需要进行大量的研究。
虽然金属是3D打印中技术难度最大的材料,但是想代替传统制造业,普通的材料也一样面临着问题。目前,以色列的Object是掌握最多打印材料的公司。它已经可以使用14种基本材料并在此基础上混搭出107种材料,两种材料的混搭使用也已经是现实。但是,这些材料种类与人们生活的大千世界里的材料相比,还相差甚远。
尽管,使用材料的范围会扩大,但不会囊括所有。每一个材料都有其自身化学特性,并不是所有材料都能实现液化、固化的转换,拥有这样条件的材料目前并不多。
在我国,3D打印最大的技术瓶颈也主要是材料。罗军告诉记者,任何一件产品的功能性主要取决于材料。难以突破的主要因素在于,我国工业化起步较晚,产业基础薄弱。未来突破的关键在于市场运用增加以后,将倒逼我国材料产业的进步。
虽然阻力重重,但是3D打印正朝着多种材料的趋势发展,而设计软件却还没准备好登上这个竞技场。
吴怀宇说,人们不能只关注3D打印机本身,帮助打印机实现最终工作的设计软件实际上非常重要。软件是3D打印的核心,它利用计算机来生成数字化的3D图纸模型,以便输出到3D打印机。正所谓“巧妇难为无米之炊”,缺少数字化软件支持的3D打印机将会变得毫无用处。
“而目前软件设计也是个问题。”吴怀宇说,当一个由多种材料组成,具有复杂功能,而且设计上还包含上百万精致又不同的设计曲面时,这个设计文件一定会占用令人难以想象的内存,一般的计算机可能很难完成这样的任务。这就是为什么现代设计软件还不能准确描绘出由细胞、神经末梢和血管组成的有血有肉的人手详细模型的原因。
3D打印机会走入每个家庭
对大众而言,能够走入家庭的桌面级3D打印机似乎更夺人眼球。不少人已经将其比为计算机界的个人电脑了。30年前,电子表格办公软件推动了PC机的普及。如今,一旦人们意识到,他们可以打印浴帘环之类的小东西,而无需再开车出门购买一些生活品时,3D打印就会成为主流。
不过,与家庭计算机不同,3D打印技术对使用者的设计能力有较高要求,因而对3D打印进家庭这一概念目前还不应太高期望。郭峤告诉记者,虽然理论上3D打印能让每个人成为设计师,但是就目前而言还是需要使用者具有相当的机械与计算机知识,能够操作3D建模软件。 “一般来说,设计师利用CAD软件建立立体模型,再把数据传给3D打印机,打印机特有软件能‘读懂’这些数据并控制打印。”郭峤介绍,“这一流程对普通人来说还是比较复杂的。因此,国外一些公司尝试把建模简化,让一般人有可能操作。不过,这一目标实现之路还很漫长。”
当然,目前普通人能够操作的3D打印还是有的。他介绍,国外一些公司设计的3D软件能在网页上直接运行,顾客通过鼠标操作就能完成简单的输出。它们通常是由几个固定图形组成,如正方形、圆形等基本结构,用户调整尺寸后打印输出,再把几个零部件成品搭起来就完成了。这些打印品有很大局限性,比如不规则形状就打印不出来,不过对普通用户来说这不失为一种体验3D打印的方式。
3D打印节约时间和材料
3D打印有两个别名:“快速成型”和“增材制造”。顾名思义,速度和节约原料是3D打印的两大优势。不过,这两大优势与人们想象中不太一样。
以3D打印的制作过程来说,真的谈不上“快”。郭峤告诉记者,“如果我们想做一个玩偶,按照传统工艺,注塑机工作几秒钟就能实现;而3D打印则需要好几个小时。不过,在制作之前的准备环节,传统工艺动辄需要几个星期来开模具,而3D打印只需要几个小时来设计。所以,3D打印的‘快’体现在准备过程上,综合看来3D打印确实耗时更短。”
不过,对于比玩偶大得多的物品而言,情况就要复杂多了。在3D打印界有个“幂定律”,说的是假如我们想要两倍大的东西,就要花费8倍的材料和8倍的时间,想要3倍大的东西,就要花27倍的材料和时间。这是不是说3D打印不适合体积大的产品呢?
清华大学激光快速成形中心林峰教授表示,由于体积是尺寸的3次方,幂定律确实影响制作时长。不过,更多情况下耗时取决于精度的要求,精度越高则打印越慢。“准确地讲,3D打印是一大类技术的统称,有些工艺可以做到很精准,这样当然耗时长。而精度低的工艺就要快得多了,它的成品还可以通过后期切削等方式来加工,达到更好的精度。因此,找到适合的工艺很重要,耗时并非简单3次方。”
在节约材料方面,3D打印有别于传统减材制造带来材料浪费,确实节约原材料。不过,郭峤提到,与我们想象的不同,3D打印所谓的“增材”也并不意味着完全不浪费原料。比如,打印一个房子模型,一层层叠加,当打到房檐的突出部分怎么办?直接打印材料会掉下来。像现实中盖房子需要脚手架托起飞檐一样,打印时也需要这么一个支撑物,打印完成后再把它拆掉,这个支撑物大约会造成20%-30%的浪费。而且在打印有很多较大空隙的塑料产品时,材料的浪费是比较严重的。中空的物体需要更多的支撑材料,这些材料会产生额外的废弃塑料粉末。尽管一些多余的支撑物材料可以回收,但是研究发现,平均只有40%的多余塑料粉末可以回收利用,而剩下的60%的则被倒入垃圾箱。
而另一种浪费则更加隐秘。以一件玩具为例,一个是亚洲一家沿海工厂批量制造的,另一个则是美国一个小打印店打印的。这两个塑料玩具哪个更环保呢?考虑到两个玩具都是塑料制造的,每生产一公斤的产品,一台3D打印机的耗电量至少是工厂注塑机的10倍。尽管名声不好,但是注塑机实际上非常节能,而且不产生任何原料浪费。所以,如果3D打印成品的浪潮扩大的全球,个人创造品海量出现,那么到底谁更不环保、更浪费,将是一个需要考虑的问题。
3D打印市场已经厚积薄发了
3D打印这个词很“火”,但与之不成正比的是它的市场:去年全年,全球3D打印全行业销售量只有4.2万台,其中2万台还是由Stratasys一家售出的。市场培育严重滞后是3D打印商业化的一大窘境。
以国内3D打印企业而言,郭峤告诉记者,太尔时代去年在全球范围内卖出四五千台3D打印机,今年预计会增长一倍多,但是从消费级电器来讲,这一销量还是太少了。国外情况也大体如此,因此“说3D打印井喷的时代还为时尚早,市场还需要长期地培养”。
在市场培养期,某些混乱难以避免。“我们的桌面3D打印机售价9999元人民币,而在网上,顾客可以找到五六千甚至3000元的打印机。由于3D打印行业是开源代码的,这些机器不需要研发就能‘攒’出来。尽管存在着技术不是组装者研发所以难于改进的问题,但是并不妨碍这些企业赚到第一桶金。”郭峤说。
不过,对整个3D打印行业来说,“第一桶金”是远远不够的。Stratasys 亚太与日本地区总经理Jonathan Jaglom认为,3D打印的瓶颈在于人们再投资的意识。“以Stratasys 为例,我们收入的30%会再被投入到新材料的研发中。现在我们已经有130多种不同的新材料了,在我做这个行业20多年来,我们也看到不少公司很难有持续性的发展,这就是说你必须有一部分营收投入到再投资。”
3D打印范围不受限制
在去年的贺岁片《十二生肖》中有这么一幅场景:成龙戴着一副白手套,摸了一下国宝十二生肖的头像,就把头像数据扫描进了电脑。与此同时,相隔几公里之外,他的伙伴用一台柜状机器瞬间复制出一个一模一样的兽首。
虽略显夸张,但在我国最早从事3D打印专家之一、华中科技大学材料科学与工程学院副院长史玉升看来,这一场景用3D打印就能做到。不过,在电影中吸引人的桥段,到了现实中,却不免带来法律问题。比如,在艺术品收藏中,3D打印或许将让文物制造者有了更好的工具。油画耗材的出现,只要做油画表面的精细扫描,轻易就能一比一打印出一件艺术品。随着技术发展,出现高仿赝品的可能性将越来越大。
不仅如此,3D打印枪支也已经出现了。美国一个名为“分布式防御”(Defense Distributed)的激进组织发布广告称,只要拥有一台电脑和一台3D打印机,只需几个小时就可以制造一支半自动枪。无需生产许可证,不需要接受背景调查,即使不懂枪支知识和制枪技术也能在家轻松拥有一支枪。
虽然,“分布式防御组织”打印的武器还没有测试使用。但据美国“大众科学”网站消息,一位自称“HaveBlue”的网友在网站发文称自己最近成功打印出真枪的部分组件,准确地说,HaveBlue并没有打印一把完整的手枪,他只是打印出了AR-3D5自动步枪(军方称之为M3D6)的机匣。 但是HaveBlue结合真枪其他部件制作成了一把真枪,还在一个农场进行了试枪。“6米远的地方都能瞄得很准,累计射击200余次,枪身依然完好无损。”HaveBlue颇为自豪地说。
枪械如果可以不受限制地被大范围打印,那么后果不堪设想。美国步枪协会(NRA)曾有一句名言:“如果枪支不合法,那么将只有罪犯才会有枪支。”未来,这句话有可能会变成“如果枪支不合法,那么罪犯将拥有3D打印机”。
而3D打印的问世,还涉及到盗版、版权等问题,开源性的图纸,导致很难对版权和知识权产进行有效保护。一个设计师花费几年时间的辛苦工业设计,被远在地球另一端的人,只花费几分钟就简单打印出来,并以此牟利,这样的的事情未来很可能会发生。
当然,目前说3D打印可能牵涉到违法获得为时尚早,但是史玉升表示,缺乏行业标准是产业化发展体制上的障碍之一,“比如,我们用3D打印做出假牙,从实验室看与传统制造的假牙性能差不多,但是没有评判标准,医院还是不敢用。事实上,这是一个国际性问题,发达国家也只有部分3D领域的标准,没有总体规范。现在,我国开始重视这个问题,加紧研究制定。”
3D打印可以制造人体器官
在BBC(英国广播公司)网站上的一段视频中,美国威克森林大学再生医学研究所教授安东尼·阿塔拉,为人们展示了一段科幻小说似的场景。在一台3D打印机的沙沙作响中,一块柔软的人体组织被打印出来,安东尼随后还展示了他们当天早些时候打印出来的人的肾脏。
据安东尼介绍,打印器官时,研究人员首先从成年病人的骨髓和脂肪中提取出干细胞,通过采用不同的成长因子,这些细胞能够被分化成不同类型的其他细胞;然后他们再将这些细胞转化成液滴,制成“生物墨水”。接下来注射器一层一层地将“生物墨水”喷涂到凝胶支架上,这样一层层重复喷涂,直到器官的三维结构完成。这样,最终就能打印出一个完整的器官。
但是在很多学者看来,打印器官,目前只能算是一个科学幻想。
“目前来说,用打印的方法获得人类器官,还仅仅只是停留在科学幻想的阶段。”北京大学医学部解剖学与组织胚胎学系教授于恩华告诉记者。
同时,中国科学院北京基因组研究所甄二真教授也认为:“这个方向在未来是有可能的,但是如果说他现在就做出来了,一定是有问题的。”
于恩华说,人体的干细胞确实有分化的能力,它就像一个发育不成熟的细胞,能够在一定的营养和生成条件下,转化为肌肉细胞、神经细胞、肾细胞等人体各种细胞。但是不能说,因为干细胞有这种能力,通过打印就能获得一个有生命力的器官。
“就像人们已经掌握了基因图谱,但是至今也无法合成生命一样。人类目前就连一个单细胞的生物,都没有成功造出来过。”于恩华说,“掌握了生命的构成结构,和创造一个有活性的机体,之间的差别就像天与地的距离那么远。”人们对生命的认识还很有限,生命绝不是细胞、血管加神经就能简单复制的,其中的很多联系要比人们想象的复杂得多。
甄二真告诉记者,人体组织是非常复杂的,由细胞、纤维组织、结缔组织、脂肪等构成。利用自体干细胞,就能培育出完整的肾脏,目前这是不可能的。因为这中间还有复杂的过程。人造肾脏属于生物工程学的领域,但是要达到生物工程学的高度,需要完备的生物科学做支撑。
“但是人类现在所掌握的知识,连生物科学的很多基础问题都没有解决。”甄二真说,比如有人说用自体干细胞就能造出器官,但是干细胞要首先在体外进行诱导分化,然后再将分化的细胞准确安放在器官的固定位置。而干细胞的体外诱导分化,以及准确排列分子的位置,就是目前学界还未攻克的难题。
此外,构成器官的像氨基酸、多糖甚至是看不见的组织间液等处于分子水平的物质该如何排列安放,也是目前无法解决的基础科学问题。而这些内容,还没有任何医学文献可以提供参考。
“即使这些问题都解决了,也只能说基础科学弄清楚了。要想制造出肾脏,还需要进行更长时间的研究。”甄二真说,这就像弄清楚飞行原理和制造出能上天的宇宙飞船一样,它们之间的差距是巨大的。
3D打印难成第三次工业革命?
3D打印是当下IT与制造界的热词,有媒体将其喻为第三次工业革命。对于这一看法,见仁见智。林峰表示,工业革命的重要意义是后来才被认识到的。就目前看来,3D打印只是现有制造技术的补充,是否会带来工业革命,还难以下定论。
“从3D打印技术的原理来讲,的确能够打印出我们设计的任何物品,但是,打印出来的很多东西并不具备我们传统制造产品的功能。如果,一件产品失去了功能特性就只是一件摆设,并不具有任何实际的使用价值。因此,我们认为,并不是3D打印出来的任何产品都具有使用价值。”罗军告诉记者,造成“3D打印是万能的”这种错误观点,主要原因在于人们对3D打印技术的认识还停留在表面上和概念上,部分传播者夸大了对3D打印技术的宣传,属于一种典型的误导行为。当然,这里面也包括资本界的刻意炒作等因素。
除此之外,发展3D打印技术还要考虑法律和伦理等诸多因素的制约,就像克隆人,即便不存在技术瓶颈,这也是一项被严格禁止的技术。
在北京航空航天大学材料科学与工程学院教授王华明看来,3D技术“最可为”的地方,也是3D打印技术真正能带来革命性变化的,可能还是在工业领域。
过去,飞机钛合金结构件主要采用传统锻造和机械加工来制造,耗时费力,技术难度高,成本高。王华明说,“以我国C93D9大型客机机头工程样件研制所需的钛合金主风挡窗框为例,从欧洲订购至少要两年才能拿到零件,4个框,每个框的锻造模具费就要50万美元。2009年,我们采用激光直接制造技术,从制造零件到装上飞机,仅用了55天,费用还不到他们模具费的五分之一。”
“当然,3D打印也还是刚刚起步,有很多不足。”据王华明介绍,3D打印应用在工业领域就要对工艺有着很高的要求,特别是精密机械。质量能否达标,性能怎么样,都是未来3D打印技术需要努力的方向,更重要的是技术标准体系需要建立。
对艺术界而言,3D打印的应用使得艺术家能够将注意力更集中在设计本身,而不必过多关注技术细节,只需把3D模型建起来,就能在虚拟世界也就是电脑中发挥创造力。此外,3D打印还会带来商业模式的改变。就像过去我们听音乐需要买磁带、唱片,而现在只需要下载就可以了。未来的3D打印完全可以不卖任何实体,而是把设计的3D模型放在网上出售,改变人们的购物渠道。
在创新领域,3D打印也有推波助澜的作用。它降低了新产品推向市场的风险和成本。前期投入减少使得很多小制造商能够一次生产几个产品以满足客户的需求。
而3D打印除了“增材制造”,还有一大特征就是“数字化生产”。罗军表示,数字技术、人工智能制造技术都是未来高端制造业发展的必然方向,也是先进制造业发展的基本特征,必将推动传统制造业的转型升级和结构性调整。我们现在关注3D打印,是因为3D打印是一种新的生产制造模式,是传统制造技术的一次重要革命,能够解决传统制造业所不能解决的个性化、复杂、高难度的生产制造难题,对于新一轮产业革命具有重要的历史意义。
此外,还流传着一种说法,“3D打印是中国在现代化制造业中唯一可与欧美并肩竞争的领域,因此国家格外重视”。对此,罗军认为,当前,我国3D打印技术与国际同行比较,起步时间基本差不多,技术水平也基本处于同一水平线上,市场应用也都才刚刚开始。今后,3D打印技术的发展将带动软件开发、新材料与智能材料、装备制造、教育培训等多个产业的发展。
当一个新事物出现后,总有一个规律,那就是开始时人们对它很好奇,了解一些后,有人开始从不同的角度对它进行审视,慢慢地当人们对它见怪不怪时,这个新事物才算步入正轨,按部就班地发展起来。
在吴怀宇看来,3D打印正在经历这样的过程,它在慢慢走向成熟。“3D打印是未来的发展方向,但它目前还远没有达到人们想象的那样神奇。”
几十年,或许上百年后,早上起床可能不是件痛苦的事情了。因为起床后等着你的,是刚出炉的金枪鱼蔬菜三明治等丰富的早餐。它们从厨房3D打印机中被源源不断地打印出来。而这些食物不管从味道还是造型上,都和从五星级酒店后厨端出的食物一模一样。只要你能从网上买到配方,家庭3D食物打印机,能让你吃到任何美食。
吃完丰盛的早饭,你开始了今天最重要的工作,建造一座房屋。走到院子里,和邻居一起看着工程起重机在新的地基上轰鸣。一个巨大的喷嘴,根据电脑中的图纸,缓缓挤出一层层的混合建筑材料,一座房子就这样在你眼前一层层地升高。
和100年前的房子不同,你家的新房子已经完全摒弃了那个年代崇尚的线条简单的“包豪斯”效果。由于建筑喷嘴可以完成你的所有设想,这栋新房子,就像中国传统艺术品“玲珑球”那样,全部是由圆润的曲线和镂空的结构组成。虽然造型奇特超过21世纪初的任何建筑,但是由于结构合理,它的抗震等级仍然超过8级。
回到屋子里,打开电脑处理一些工作的事情。一些手下记者传回的关于调查私自打印人体器官黑幕的报道令你非常震惊。
虽然打印器官在这个时代还是有所非议,但是在得到特别许可的医疗机构,有些人还是能利用打印的器官,拯救生命。但是还有一些急需器官的人们,在未经许可的机构购买和更换器官,而这些机构提供着质量不佳的产品,却收取高额的费用。如何整治这些日益繁荣的黑市交易,成了媒体报道的焦点。
在结束一天的工作后,听女儿讲述在学校的学习内容。和几十年前不同,当讲到苏美尔人的楔形文字时,她们不再对着一张含混不清的图片仔细辨认,而是每个孩子手里都可以拿着一块大小、尺寸、乃至于材质都和古老的文物一样的刻着楔形文字的石块。
晚饭后,电视上插播了一条紧急消息:在月球上利用3D打印筑造基地的探险队遇上了大麻烦,一个关键机械出现故障,探险队员可能面临生命危险。在人们都为他们捏着一把汗的时候,地球指挥部发现这个故障来自于一个零件的损坏。幸运的是,月球探险队携带的3D零件打印机迅速“制造”了这个零件,解决了这次危机。
这些设想很难说就不能变为现实。去年秋天,纽约曼哈顿出现了第一家3D打印店,它是由著名3D打印公司MakerBot开设的。在那里,顾客可以观看3D打印机演示,参加相关培训活动,并根据自己的需求,定制独一无二的礼品。
2013年6月26日,微软在全球开发者大会Build 2013上,宣布Windows 8.1操作系统将支持3D打印。若顺利推出,那全世界将有数百万计的PC可支持3D打印的“即插即用”功能。
不过,目前这样的3D打印店还是凤毛麟角,win8.1也还没有普及。除了买一台回家,我们只能在3D打印机制造厂看到它的真面目了。
探访3D打印工厂
近日,记者在北京一家3D打印设备生产企业太尔时代科技有限公司市场部经理郭峤的陪同下走进了3D打印机厂房。
太尔时代生产的3D打印机分两种:面向个人用户的桌面级和产业级。前者看起来很像个微波炉,重约30斤。在这台“微波炉”里面,粉末不断落下,粘合在一起,由点到线,由线到面,再由面到立体。郭峤把这一过程比作“蚕吐丝”:把蚕丝加热融化,再像挤牙膏一样挤出来,通过电脑控制打印路径,如蚕丝一层层绕着,结茧般堆起来。
当然,实际过程比说起来慢得多,在记者盯着看的几分钟内,完全想象不出它成型后的样子。郭峤说,这是在打印一串项链,整个打印大概需要四五个小时。
与桌面级相比,产业级3D打印机算是庞然大物了,近一人高,像个超大型冰柜。由于功率比较大,这一区域明显热得多。
在厂房中,所有3D打印机成品都在运行。“打印机组装后,都要经过48小时连续工作,以验证是否符合出场标准。”郭峤说,“至于打什么,有时客户会需要我们提供3D打印服务,我们根据要求打印,简单的只用几十分钟,而复杂的可能要用2-3天。此外,3D打印机还能‘自给自足’,我们用测试中的3D打印机打造组成3D打印机的零部件,不需要开模具,否则一点小改变,模具就废了,用这种直接制造的方法效果很好。”
据了解,3D打印技术和传统的打印技术有着很大差异。3D打印的“墨水”可以是各种材料。如金属、液体、粉末、塑料丝、沙子、纸张等,制造的产品从玩具、工具、到厨房用品、建筑、衣服应有尽有,甚至还可直接打印具备触感的人造耳朵、骨骼、人造假牙、肉,以及枪支、跑车等。美国研究人员甚至制造出一架3D打印无人飞机,巡航时速可达到45英里。
3D打印机通过喷墨沉积、熔融沉积成形、激光烧结、立体光刻、电子束熔炼、超声波固结等工艺将三维数字模型变成实物。以最常见的喷墨沉积技术为例:每一层的打印过程分为两步,首先喷洒一层均匀的粉末,然后在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小且不易扩散,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层粉末一层胶水的交替下,实体模型将会被“打印”成型,打印完毕后只要从松散的粉末堆中取出模型即可,而剩余粉末还可循环利用。
简单来说,3D打印就像是断层扫描的逆过程,断层扫描是把对象“切”成无数叠加的片,而3D打印则是一片片地打印,然后逐渐累积成为一个立体物体。这就意味着,只要有3D模型,你甚至可以打印出一座等高的维纳斯雕塑放在家中。
太尔时代是国内最早从事快速成形技术的经济实体。郭峤告诉记者,去年太尔时代生产的3D打印机销售额4000万人民币,今年预计可达6000万。这些打印机被销往世界各地,既有美国等发达国家,又有非洲等国。相对而言,由于工业级3D打印机客户层面较窄,售价高昂,销量比桌面级3D打印机略逊。 而2012年11月20日,中国首家3D打印体验馆暨3D照相馆落户北京了。这是在北京市科委、北京工业设计促进中心的大力支持下,由北京上拓科技有限公司投资建设的。
负责人邵漠宇表示,3D打印体验馆以3D照相为核心功能,同时致力于为广大消费者提供更多的基于3D打印的个性化产品定制,如游戏动漫、礼品纪念品、时尚饰品、高端艺术品等等。自开业以来,参观者络绎不绝。不过,普通消费者可能最关心的是价格。和普通的照相相比,3D照相的价格可要贵多了。一个十多厘米高的彩色迷你版3D影像的最低价格是820元人民币。尺寸越大,价格越高。
3D打印,没那么神奇
在人们对3D打印报以无限期待时,也有些人时刻保持着冷静。《连线》杂志网站日前发表3D设计、工程和娱乐软件公司Autodesk总裁兼CEO卡尔·巴斯(Carl Bass)的一篇文章,从业内人士的角度阐述了3D打印领域的现状和前景。巴斯认为,虽然3D打印最近引起众多关注,但这项技术无法取代其他生产工艺,而且面临着材料、成本等方面的诸多限制,商业模式亟需改进。
而制造业大佬、鸿海董事长郭台铭也曾对3D打印口出“恶言”。他表示,3D打印绝不等于第三次工业革命,只是噱头而已,甚至说:“如果真的是,那我的‘郭’字倒过来写。”
3D打印真是无所不能吗?未来的3D打印将会发展成什么样,谁也不能下一个定论,但是在现阶段,3D打印并不是无所不能的,似乎也是不争的事实。
神话一
3D打印将取代传统制造业
在3D打印的众多神话中,“取代传统制造业”恐怕是最“神”的一个了。有人认为,3D打印机的出现改变了制造行业,你不再需要庞大的工厂,也无需跟工会打交道,只需在你屏幕上点击一个键——打印,就能重造了一个庞大的产业。
对于这一观点,中国3D打印技术产业联盟秘书长、亚洲制造业协会首席执行官罗军认为,这种看法是不符合实际的。任何商品的功能性都是由不同材料形成的,生活中我们需要很多商品,但我们每个家庭不可能都准备各种材料自己加工。如果我们需要的任何东西都靠自己打印,成本将大大超过大规模制造的同类商品。
不只是成本的问题,人们往往还有一个误解,认为3D打印可以一下子打印出汽车或电视这样的电器。“其实,3D打印只能获得一个外观相似的模型。要想具有真正的功能,还是要将其内在的电子元器件和成千上万个零部件一个一个打印出来,再组装而成。而这个组装过程,还是需要在传统制造体系的车间、传送带上完成。”郭峤说。
同时,材料技术问题的制约,也无法使3D打印完全代替传统制造业。正在撰写中国第一本关于3D打印书籍的中国科学院自动化研究所副研究员吴怀宇告诉记者,与传统切削加工技术相比,3D打印产品尺寸精度和表面质量相差较大,产品性能还达不到许多高端金属结构件的要求。
在他看来,目前的3D产品,从精度和强度上都有问题,所以制造出来的并不是最终的工业级产品,而更适合作为产品设计的模型。
因为真正的工业级打印机,一台3D打印设备就在五六百万美元的量级,而且金属粉末也很贵。同时,打印材料上也有需要技术突破的地方,比如打印金属构件的3D打印“墨汁”——金属粉末。这些粉末并不是简单的将金属磨成细粉状就可以,为了使金属粉末能烧融并且在0.1秒内凝结成形,金属粉末中要添加很多化学物质,3D打印的金属粉末材料,实际上是一种化合物。如果要做出媲美传统工艺的金属构件,这个化合物的配方需要进行大量的研究。
虽然金属是3D打印中技术难度最大的材料,但是想代替传统制造业,普通的材料也一样面临着问题。目前,以色列的Object是掌握最多打印材料的公司。它已经可以使用14种基本材料并在此基础上混搭出107种材料,两种材料的混搭使用也已经是现实。但是,这些材料种类与人们生活的大千世界里的材料相比,还相差甚远。
尽管,使用材料的范围会扩大,但不会囊括所有。每一个材料都有其自身化学特性,并不是所有材料都能实现液化、固化的转换,拥有这样条件的材料目前并不多。
在我国,3D打印最大的技术瓶颈也主要是材料。罗军告诉记者,任何一件产品的功能性主要取决于材料。难以突破的主要因素在于,我国工业化起步较晚,产业基础薄弱。未来突破的关键在于市场运用增加以后,将倒逼我国材料产业的进步。
虽然阻力重重,但是3D打印正朝着多种材料的趋势发展,而设计软件却还没准备好登上这个竞技场。
吴怀宇说,人们不能只关注3D打印机本身,帮助打印机实现最终工作的设计软件实际上非常重要。软件是3D打印的核心,它利用计算机来生成数字化的3D图纸模型,以便输出到3D打印机。正所谓“巧妇难为无米之炊”,缺少数字化软件支持的3D打印机将会变得毫无用处。
“而目前软件设计也是个问题。”吴怀宇说,当一个由多种材料组成,具有复杂功能,而且设计上还包含上百万精致又不同的设计曲面时,这个设计文件一定会占用令人难以想象的内存,一般的计算机可能很难完成这样的任务。这就是为什么现代设计软件还不能准确描绘出由细胞、神经末梢和血管组成的有血有肉的人手详细模型的原因。
3D打印机会走入每个家庭
对大众而言,能够走入家庭的桌面级3D打印机似乎更夺人眼球。不少人已经将其比为计算机界的个人电脑了。30年前,电子表格办公软件推动了PC机的普及。如今,一旦人们意识到,他们可以打印浴帘环之类的小东西,而无需再开车出门购买一些生活品时,3D打印就会成为主流。
不过,与家庭计算机不同,3D打印技术对使用者的设计能力有较高要求,因而对3D打印进家庭这一概念目前还不应太高期望。郭峤告诉记者,虽然理论上3D打印能让每个人成为设计师,但是就目前而言还是需要使用者具有相当的机械与计算机知识,能够操作3D建模软件。 “一般来说,设计师利用CAD软件建立立体模型,再把数据传给3D打印机,打印机特有软件能‘读懂’这些数据并控制打印。”郭峤介绍,“这一流程对普通人来说还是比较复杂的。因此,国外一些公司尝试把建模简化,让一般人有可能操作。不过,这一目标实现之路还很漫长。”
当然,目前普通人能够操作的3D打印还是有的。他介绍,国外一些公司设计的3D软件能在网页上直接运行,顾客通过鼠标操作就能完成简单的输出。它们通常是由几个固定图形组成,如正方形、圆形等基本结构,用户调整尺寸后打印输出,再把几个零部件成品搭起来就完成了。这些打印品有很大局限性,比如不规则形状就打印不出来,不过对普通用户来说这不失为一种体验3D打印的方式。
3D打印节约时间和材料
3D打印有两个别名:“快速成型”和“增材制造”。顾名思义,速度和节约原料是3D打印的两大优势。不过,这两大优势与人们想象中不太一样。
以3D打印的制作过程来说,真的谈不上“快”。郭峤告诉记者,“如果我们想做一个玩偶,按照传统工艺,注塑机工作几秒钟就能实现;而3D打印则需要好几个小时。不过,在制作之前的准备环节,传统工艺动辄需要几个星期来开模具,而3D打印只需要几个小时来设计。所以,3D打印的‘快’体现在准备过程上,综合看来3D打印确实耗时更短。”
不过,对于比玩偶大得多的物品而言,情况就要复杂多了。在3D打印界有个“幂定律”,说的是假如我们想要两倍大的东西,就要花费8倍的材料和8倍的时间,想要3倍大的东西,就要花27倍的材料和时间。这是不是说3D打印不适合体积大的产品呢?
清华大学激光快速成形中心林峰教授表示,由于体积是尺寸的3次方,幂定律确实影响制作时长。不过,更多情况下耗时取决于精度的要求,精度越高则打印越慢。“准确地讲,3D打印是一大类技术的统称,有些工艺可以做到很精准,这样当然耗时长。而精度低的工艺就要快得多了,它的成品还可以通过后期切削等方式来加工,达到更好的精度。因此,找到适合的工艺很重要,耗时并非简单3次方。”
在节约材料方面,3D打印有别于传统减材制造带来材料浪费,确实节约原材料。不过,郭峤提到,与我们想象的不同,3D打印所谓的“增材”也并不意味着完全不浪费原料。比如,打印一个房子模型,一层层叠加,当打到房檐的突出部分怎么办?直接打印材料会掉下来。像现实中盖房子需要脚手架托起飞檐一样,打印时也需要这么一个支撑物,打印完成后再把它拆掉,这个支撑物大约会造成20%-30%的浪费。而且在打印有很多较大空隙的塑料产品时,材料的浪费是比较严重的。中空的物体需要更多的支撑材料,这些材料会产生额外的废弃塑料粉末。尽管一些多余的支撑物材料可以回收,但是研究发现,平均只有40%的多余塑料粉末可以回收利用,而剩下的60%的则被倒入垃圾箱。
而另一种浪费则更加隐秘。以一件玩具为例,一个是亚洲一家沿海工厂批量制造的,另一个则是美国一个小打印店打印的。这两个塑料玩具哪个更环保呢?考虑到两个玩具都是塑料制造的,每生产一公斤的产品,一台3D打印机的耗电量至少是工厂注塑机的10倍。尽管名声不好,但是注塑机实际上非常节能,而且不产生任何原料浪费。所以,如果3D打印成品的浪潮扩大的全球,个人创造品海量出现,那么到底谁更不环保、更浪费,将是一个需要考虑的问题。
3D打印市场已经厚积薄发了
3D打印这个词很“火”,但与之不成正比的是它的市场:去年全年,全球3D打印全行业销售量只有4.2万台,其中2万台还是由Stratasys一家售出的。市场培育严重滞后是3D打印商业化的一大窘境。
以国内3D打印企业而言,郭峤告诉记者,太尔时代去年在全球范围内卖出四五千台3D打印机,今年预计会增长一倍多,但是从消费级电器来讲,这一销量还是太少了。国外情况也大体如此,因此“说3D打印井喷的时代还为时尚早,市场还需要长期地培养”。
在市场培养期,某些混乱难以避免。“我们的桌面3D打印机售价9999元人民币,而在网上,顾客可以找到五六千甚至3000元的打印机。由于3D打印行业是开源代码的,这些机器不需要研发就能‘攒’出来。尽管存在着技术不是组装者研发所以难于改进的问题,但是并不妨碍这些企业赚到第一桶金。”郭峤说。
不过,对整个3D打印行业来说,“第一桶金”是远远不够的。Stratasys 亚太与日本地区总经理Jonathan Jaglom认为,3D打印的瓶颈在于人们再投资的意识。“以Stratasys 为例,我们收入的30%会再被投入到新材料的研发中。现在我们已经有130多种不同的新材料了,在我做这个行业20多年来,我们也看到不少公司很难有持续性的发展,这就是说你必须有一部分营收投入到再投资。”
3D打印范围不受限制
在去年的贺岁片《十二生肖》中有这么一幅场景:成龙戴着一副白手套,摸了一下国宝十二生肖的头像,就把头像数据扫描进了电脑。与此同时,相隔几公里之外,他的伙伴用一台柜状机器瞬间复制出一个一模一样的兽首。
虽略显夸张,但在我国最早从事3D打印专家之一、华中科技大学材料科学与工程学院副院长史玉升看来,这一场景用3D打印就能做到。不过,在电影中吸引人的桥段,到了现实中,却不免带来法律问题。比如,在艺术品收藏中,3D打印或许将让文物制造者有了更好的工具。油画耗材的出现,只要做油画表面的精细扫描,轻易就能一比一打印出一件艺术品。随着技术发展,出现高仿赝品的可能性将越来越大。
不仅如此,3D打印枪支也已经出现了。美国一个名为“分布式防御”(Defense Distributed)的激进组织发布广告称,只要拥有一台电脑和一台3D打印机,只需几个小时就可以制造一支半自动枪。无需生产许可证,不需要接受背景调查,即使不懂枪支知识和制枪技术也能在家轻松拥有一支枪。
虽然,“分布式防御组织”打印的武器还没有测试使用。但据美国“大众科学”网站消息,一位自称“HaveBlue”的网友在网站发文称自己最近成功打印出真枪的部分组件,准确地说,HaveBlue并没有打印一把完整的手枪,他只是打印出了AR-3D5自动步枪(军方称之为M3D6)的机匣。 但是HaveBlue结合真枪其他部件制作成了一把真枪,还在一个农场进行了试枪。“6米远的地方都能瞄得很准,累计射击200余次,枪身依然完好无损。”HaveBlue颇为自豪地说。
枪械如果可以不受限制地被大范围打印,那么后果不堪设想。美国步枪协会(NRA)曾有一句名言:“如果枪支不合法,那么将只有罪犯才会有枪支。”未来,这句话有可能会变成“如果枪支不合法,那么罪犯将拥有3D打印机”。
而3D打印的问世,还涉及到盗版、版权等问题,开源性的图纸,导致很难对版权和知识权产进行有效保护。一个设计师花费几年时间的辛苦工业设计,被远在地球另一端的人,只花费几分钟就简单打印出来,并以此牟利,这样的的事情未来很可能会发生。
当然,目前说3D打印可能牵涉到违法获得为时尚早,但是史玉升表示,缺乏行业标准是产业化发展体制上的障碍之一,“比如,我们用3D打印做出假牙,从实验室看与传统制造的假牙性能差不多,但是没有评判标准,医院还是不敢用。事实上,这是一个国际性问题,发达国家也只有部分3D领域的标准,没有总体规范。现在,我国开始重视这个问题,加紧研究制定。”
3D打印可以制造人体器官
在BBC(英国广播公司)网站上的一段视频中,美国威克森林大学再生医学研究所教授安东尼·阿塔拉,为人们展示了一段科幻小说似的场景。在一台3D打印机的沙沙作响中,一块柔软的人体组织被打印出来,安东尼随后还展示了他们当天早些时候打印出来的人的肾脏。
据安东尼介绍,打印器官时,研究人员首先从成年病人的骨髓和脂肪中提取出干细胞,通过采用不同的成长因子,这些细胞能够被分化成不同类型的其他细胞;然后他们再将这些细胞转化成液滴,制成“生物墨水”。接下来注射器一层一层地将“生物墨水”喷涂到凝胶支架上,这样一层层重复喷涂,直到器官的三维结构完成。这样,最终就能打印出一个完整的器官。
但是在很多学者看来,打印器官,目前只能算是一个科学幻想。
“目前来说,用打印的方法获得人类器官,还仅仅只是停留在科学幻想的阶段。”北京大学医学部解剖学与组织胚胎学系教授于恩华告诉记者。
同时,中国科学院北京基因组研究所甄二真教授也认为:“这个方向在未来是有可能的,但是如果说他现在就做出来了,一定是有问题的。”
于恩华说,人体的干细胞确实有分化的能力,它就像一个发育不成熟的细胞,能够在一定的营养和生成条件下,转化为肌肉细胞、神经细胞、肾细胞等人体各种细胞。但是不能说,因为干细胞有这种能力,通过打印就能获得一个有生命力的器官。
“就像人们已经掌握了基因图谱,但是至今也无法合成生命一样。人类目前就连一个单细胞的生物,都没有成功造出来过。”于恩华说,“掌握了生命的构成结构,和创造一个有活性的机体,之间的差别就像天与地的距离那么远。”人们对生命的认识还很有限,生命绝不是细胞、血管加神经就能简单复制的,其中的很多联系要比人们想象的复杂得多。
甄二真告诉记者,人体组织是非常复杂的,由细胞、纤维组织、结缔组织、脂肪等构成。利用自体干细胞,就能培育出完整的肾脏,目前这是不可能的。因为这中间还有复杂的过程。人造肾脏属于生物工程学的领域,但是要达到生物工程学的高度,需要完备的生物科学做支撑。
“但是人类现在所掌握的知识,连生物科学的很多基础问题都没有解决。”甄二真说,比如有人说用自体干细胞就能造出器官,但是干细胞要首先在体外进行诱导分化,然后再将分化的细胞准确安放在器官的固定位置。而干细胞的体外诱导分化,以及准确排列分子的位置,就是目前学界还未攻克的难题。
此外,构成器官的像氨基酸、多糖甚至是看不见的组织间液等处于分子水平的物质该如何排列安放,也是目前无法解决的基础科学问题。而这些内容,还没有任何医学文献可以提供参考。
“即使这些问题都解决了,也只能说基础科学弄清楚了。要想制造出肾脏,还需要进行更长时间的研究。”甄二真说,这就像弄清楚飞行原理和制造出能上天的宇宙飞船一样,它们之间的差距是巨大的。
3D打印难成第三次工业革命?
3D打印是当下IT与制造界的热词,有媒体将其喻为第三次工业革命。对于这一看法,见仁见智。林峰表示,工业革命的重要意义是后来才被认识到的。就目前看来,3D打印只是现有制造技术的补充,是否会带来工业革命,还难以下定论。
“从3D打印技术的原理来讲,的确能够打印出我们设计的任何物品,但是,打印出来的很多东西并不具备我们传统制造产品的功能。如果,一件产品失去了功能特性就只是一件摆设,并不具有任何实际的使用价值。因此,我们认为,并不是3D打印出来的任何产品都具有使用价值。”罗军告诉记者,造成“3D打印是万能的”这种错误观点,主要原因在于人们对3D打印技术的认识还停留在表面上和概念上,部分传播者夸大了对3D打印技术的宣传,属于一种典型的误导行为。当然,这里面也包括资本界的刻意炒作等因素。
除此之外,发展3D打印技术还要考虑法律和伦理等诸多因素的制约,就像克隆人,即便不存在技术瓶颈,这也是一项被严格禁止的技术。
在北京航空航天大学材料科学与工程学院教授王华明看来,3D技术“最可为”的地方,也是3D打印技术真正能带来革命性变化的,可能还是在工业领域。
过去,飞机钛合金结构件主要采用传统锻造和机械加工来制造,耗时费力,技术难度高,成本高。王华明说,“以我国C93D9大型客机机头工程样件研制所需的钛合金主风挡窗框为例,从欧洲订购至少要两年才能拿到零件,4个框,每个框的锻造模具费就要50万美元。2009年,我们采用激光直接制造技术,从制造零件到装上飞机,仅用了55天,费用还不到他们模具费的五分之一。”
“当然,3D打印也还是刚刚起步,有很多不足。”据王华明介绍,3D打印应用在工业领域就要对工艺有着很高的要求,特别是精密机械。质量能否达标,性能怎么样,都是未来3D打印技术需要努力的方向,更重要的是技术标准体系需要建立。
对艺术界而言,3D打印的应用使得艺术家能够将注意力更集中在设计本身,而不必过多关注技术细节,只需把3D模型建起来,就能在虚拟世界也就是电脑中发挥创造力。此外,3D打印还会带来商业模式的改变。就像过去我们听音乐需要买磁带、唱片,而现在只需要下载就可以了。未来的3D打印完全可以不卖任何实体,而是把设计的3D模型放在网上出售,改变人们的购物渠道。
在创新领域,3D打印也有推波助澜的作用。它降低了新产品推向市场的风险和成本。前期投入减少使得很多小制造商能够一次生产几个产品以满足客户的需求。
而3D打印除了“增材制造”,还有一大特征就是“数字化生产”。罗军表示,数字技术、人工智能制造技术都是未来高端制造业发展的必然方向,也是先进制造业发展的基本特征,必将推动传统制造业的转型升级和结构性调整。我们现在关注3D打印,是因为3D打印是一种新的生产制造模式,是传统制造技术的一次重要革命,能够解决传统制造业所不能解决的个性化、复杂、高难度的生产制造难题,对于新一轮产业革命具有重要的历史意义。
此外,还流传着一种说法,“3D打印是中国在现代化制造业中唯一可与欧美并肩竞争的领域,因此国家格外重视”。对此,罗军认为,当前,我国3D打印技术与国际同行比较,起步时间基本差不多,技术水平也基本处于同一水平线上,市场应用也都才刚刚开始。今后,3D打印技术的发展将带动软件开发、新材料与智能材料、装备制造、教育培训等多个产业的发展。
当一个新事物出现后,总有一个规律,那就是开始时人们对它很好奇,了解一些后,有人开始从不同的角度对它进行审视,慢慢地当人们对它见怪不怪时,这个新事物才算步入正轨,按部就班地发展起来。
在吴怀宇看来,3D打印正在经历这样的过程,它在慢慢走向成熟。“3D打印是未来的发展方向,但它目前还远没有达到人们想象的那样神奇。”