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(一)3D打印概述

3D打印,是一種快速制造技術。其核心思想起源于19世紀的照相雕塑技術(photosculpture)和地貌成型技術(potography),但受到當時材料、計算機等學科技術的限制,而沒有得到廣泛應用和商業化。之后,技術的正式研究始于20世紀70年代,直到20世紀80年代后期得以發展和推廣。


3D打印的概念:以數字模型文件為基礎,運用液體、固體、氣體等材料,通過逐層或逐區域正向增長的方式來構造三維物體,所制造結果可具有論證價值、直接和間接使用價值。體現了信息技術、控制技術、先進材料技術、數字制造技術的密切結合,是快速制造、智能制造、先進制造、高端制造、再工業化的重要組成部分。

1、3D打印技術發展脈絡

3D打印技術誕生于上世紀80年代的美國,1984年,Charles Hull開始研發3D打印技術。1986年,其率先推出光固化方法(stereo lithography apparatus,SLA),這是3D打印技術發展的一個里程碑。同年,他創立了世界上第一家3D打印設備的3D Systems公司。該公司于1988年開發出了第一臺商業3D印刷機SLA-250。

1988年,美國人Scott Crump發明了另外一種3D打印技術——熔融沉積制造技術(fused deposition modeling,FDM),并成立了Stratasys公司,該公司在1992年賣出了第一臺商用3D打印機。FDM 3D打印技術是理想的消費類3D打印機技術,它簡便易用、成型過程可控且無光學或電磁危害,其使用成本低、維護成本低、材料成本低,整機具有相對的價格優勢。

1989年由美國德克薩斯州大學奧斯汀分校的C.R.Dechard博士發明了選擇性激光燒結法(selective laser sintering,SLS)并獲得專利,1992年開發了商業成型機。其原理是利用高強度激光將材料粉末燒結直至成型,應用該種技術開發的3D打印機,其設備成本、維護成本、材料成本高,一般機器體型較大,運輸和使用不便。

1993年,麻省理工學院教授Emanual Sachs發明了一種選擇性粘結技術,并獲得立體平版印刷技術專利。這種技術類似于噴墨打印機,通過向金屬、陶瓷等粉末噴射粘接劑的方式將材料逐片成型,然后進行燒結制成最終產品。1995年,美國ZCorp公司從麻省理工學院獲得授權,利用該技術來生產3D打印機,“3D打印機”的稱謂由此而來,這種技術的優點在于制作速度快、價格低廉,但其燒結環節類似陶瓷制品的燒結環節,難以快速進入個人或家庭的視野。2005年,市場上首個高清晰彩色3D打印機Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。2008年,開源3D打印項目RepRap發布“Darwin”,3D打印機制造進入新紀元。

2、3D打印技術簡介

2.1 光固化成型技術

光固化成型(Stereo lithigraphy Apparatus,SLA)技術主要使用光敏樹脂為材料,通過紫外光或其它光源照射使樹脂薄層產生光聚合反應而凝固成型,逐層固化,最終得到完整的產品。光固化成型技術的成型原理如圖2-1所示。其優勢在于成型速度快、精度高、表面光滑,適合制作精度要求高、結構復雜的精細工件的快速成型。光固化成型技術的不足之處在于光敏樹脂原材料有一定的毒性,操作人員使用時要注意防護,成型后模型強度不夠且容易變色、變質,模型穩定性差。因此一般主要用于原形設計驗證,然后通過一系列后續處理工序可將原形轉化為實用型產品。光固化成型技術的設備成本、材料成本以及維護成本都遠高于FDM,因此主要運用在專業領域。


圖 2-1 光固化成型技術原理圖

2.2熔絲沉積成型技術

熔絲沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)技術是將絲狀熱熔性材料加熱融化,通過3D打印機的打印頭內的噴嘴擠噴出來,沉積在制作面板上,當溫度低于固化溫度后開始固化過程,通過材料的層層堆積形成最終成品,其成型原理見圖2-2,熔絲沉積成型3D打印機的打印頭通過加熱線材擠出熔融物于平臺上、自下而上地構造實體模型。熔絲沉積成型技術機械結構最簡單、設計容易,制造成本、維護成本和材料成本低,是桌面型機中使用得最多的技術,機器簡便易用、成型過程可控且無光學或電磁危害,整機具有相對的價格優勢。隨著熔絲沉積成型溫度控制技術和FDM打印材料的發展,通過熔絲沉積成型技術打印陶瓷、木類、蠟質、金屬等實物已經實現并在精度和速度上逐步提升,通過打磨、拋光、上色等后處理的實物可兼具實用性能與論證性能。


圖 2-2熔絲沉積成型技術原理圖

2.3 選擇性激光燒結成型技術

選擇性激光燒結成型(Selective Laser Sintering,SLS)技術利用粉末材料在激光照射下燒結的原理,由計算機控制層層堆結成型:鋪一層粉末材料并將材料預熱到接近熔化點,再使用激光在該層截面上掃描,使粉末溫度升至熔化點,然后燒結形成粘結,接著不斷重復鋪粉、燒結的過程,直到完成整個模型成型。選擇性激光燒結成型原理如圖2-3所示。選擇性激光燒結成型技術可以使用較多的粉末材料并制成相應材質的成品。選擇性激光燒結成型技術優勢目前在于金屬成品的制作,強度優于其他3D打印技術,但缺陷是粉末燒結的表面粗糙,需后期處理;設備成本高、技術難度大、制造和維護成本高,所以應用范圍主要集中在高端制造領域。


圖 2-3選擇性激光燒結成型原理圖

2.4 三維粉末粘結成型技術

三維粉末粘結成型(Three Demensional Printing and Gluing,3DP)技術原料使用粉末材料,如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等,工作原理:鋪一層粉末后用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區域,讓粉末粘接形成零件截面,后續不斷重復鋪粉、噴涂、粘接的過程,一層一層疊加,獲得最終打印出來的產品,三維粉末粘結成型的成型原理如圖2-4所示。三維粉末粘結成型技術優勢在于成型速度快,無需支撐結構,而且能輸出彩色打印產品,這是其他技術比較難于實現的。不足是:粉末粘接的成品強度不高,多數只能作為測試原型,成品表面不如光固化成型技術光潔,精細度也有劣勢,要產生擁有足夠強度的產品,還需一系列的后續處理工序;制造的相關粉末材料成本高、技術復雜,所以三維粉末粘結成型技術主要應用于專業領域。


圖 2-4三維粉末粘結成型技術原理圖

2.5 分層實體制造成型技術

分層實體制造成型(Laminated Object Manufacturing,LOM)技術是根據三維CAD模型每個截面的輪廓線,在計算機控制下發出控制切割系統的指令。供料機構將涂有熱溶膠的薄片(如涂覆紙、涂覆陶瓷箔、金屬箔、塑料箔材)分段送至工作臺,切割系統按照計算機提取的橫截面輪廓對薄片沿輪廓線將工作臺上的材料割出輪廓線,并將材料的無輪廓區切成小碎片,然后逐層將薄片壓緊并黏合在一起??缮倒ぷ髋_支撐正在成型的物體,并在每層成型之后降低一個厚度,以便送進、粘合和切割新的一層薄片。然后將多余的廢料小塊剔除,最終獲得三維產品。分層實體制造成型技術的成型原理如圖2-5所示。目前,分層實體制造成型技術可以應用的原材料種類較少,如紙、金屬膜、塑料薄膜;成型出來的模型須盡快進行防潮處理。此種技術很難構建形狀精細、多曲面的物體,僅限于結構簡單的物件。


圖 2-5分層實體制造成型原理圖

2.6 數字光處理成型技術

數字光處理成型(Digital Light Processing,DLP)技術主要使用光敏樹脂為材料,以DLP類型芯片組的高反射鋁微鏡陣列實現電子束輸入和光子輸出而構成數字光處理器,對數字光處理器進行編程實現正負圖形或圖像的輸出,運用數字光處理器以正投或者背投的方式、實現整面照射使樹脂薄層產生聚合反應和凝固成型,通過逐層固化液態聚合物后得到完整的產品。數字光處理成型技術的成型原理如圖2-6所示。優勢在于成型速度快、精度高、表面光滑,適合制作精度要求高、結構復雜的精細物體的快速成型。


圖 2-6數字光處理成型原理圖

2.7 其它3D打印成型技術

3D打印技術在其近30年的發展歷程中不斷創新,演變出了許多不同的技術,它們的不同之處主要在于更換不一樣的高能源光源、使用新的控制系統,控制光源走向,控制機電系統、新的材料噴射方式,打印頭控制、新的成型材料、新的粘合技術等等。其它3D打印成型技術及其類型與所使用的基本材料如下表所示:

(二)、3D打印產業鏈簡述

單從3D打印產業鏈的角度看,3D打印產業劃分為上游的3D數字建模和打印材料、中游的3D打印裝備、下游的3D打印應用。由于在產業發展的初期,受到技術推廣和市場規模限制,產業鏈專業分工不成熟,使得主要的3D打印企業如3DSystems,Stratasys等也都在以集產品銷售、材料銷售和服務銷售為一體形式存在。但從長遠看,產業鏈的各環節會逐步產生專業化的分離,產品設計服務會獨立或向下游消費企業轉移。

1、3D數字建模

3D數字建??梢酝ㄟ^三維數據采集設備或3D設計軟件來完成,三維數據采集設備和3D設計軟件都開放了“3D打印”接口,直接輸出可以進行3D打印的文件格式,如.stl格式,提供給用戶直接的服務體驗。目前,不同公司的三維設計軟件和逆向工程應用軟件具有各自獨特的亮點。如Siemens PLM Software公司出品的UG(Unigraphics NX)軟件,能夠為用戶的產品設計及加工過程提供數字化造型和驗證手段,是一個功能強大的交互式CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機輔助制造)系統,可以針對用戶的虛擬產品設計和工藝設計的需求輕松實現各種復雜實體及造型的建構,并在設計階段就經過實踐驗證;美國參數技術公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維設計軟件Pro/Engineer以參數化著稱,是參數化技術的最早應用者,在目前的三維造型軟件領域占有著重要的地位,作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業界的認可和推廣,是現今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一。上述兩設計軟件在曲面造型和結構設計方面等具有明顯的優勢。美國Geomagic公司旗下的主要產品Geomagic Studio、Geomagic Qualify和Geomagic Qualify probe,在逆向工程應用中被廣泛的使用。Geomagic軟件產品在業界率先實現了利用來自掃描儀的三維點云數據對物理對象進行三維逆向工程和檢測,其產品重視易用性以及與客戶工作流程的集成,并且注重以足夠強大的功能來影響客戶工作和創新的方式。

此外,還有諸如Solidworks、3DMAX、Sketchup等等三維設計軟件,也都在不同的應用領域,彰顯各自優點。

2、3D打印耗材

3D打印技術的興起和發展,離不開3D打印材料的發展,不同的應用領域所用的耗材種類是不一樣的,所以材料的豐富和發展程度決定著它是否能夠普及使用。目前可用的3D打印材料種類已超過200種,如果把這些打印材料進行歸類,可分為石化產品類、生物類產品、金屬類產品、石灰混凝土產品等幾大類,在業內比較常用的有以下幾種:ABS 塑料類、PLA塑料類、亞力克類材料、尼龍鋁粉材料、陶瓷、樹脂、不銹鋼、其他金屬——銀、金和鈦金屬(鈦金屬是高端3D打印機經常用的材料,例如用來打印航空飛行器上的構件)、彩色打印材料。但是現有的各種打印材料對應于現實中紛繁復雜的產品還遠遠不夠。

工業級3D打印機主要使用光敏樹脂、類ABS材料、復合材料等擁有不同強硬度,柔韌性的材料,金屬材料將成為工業發展的趨勢之一,而粉末制備是3D打印材料技術的一個難點,3D打印材料的進步將直接影響3D打印技術進步的快慢,能夠為航空航天、醫療設備等高端市場所使用的高標準3D打印材料的核心技術主要為歐、美發達國家的廠商所掌握,如美國的Stratasys、3D Systems公司、德國的EnvisionTEC、EOS、SLMSolutionsGmbH、ConceptLaser公司、瑞典的ArcamAB公司、加拿大的AP&C公司、英國的Renishaw公司等,因為沒有行業標準,使得3D設備廠商將材料和設備形成強關聯性,尤其針對高端應用領域的諸如光敏聚合物材料、金屬粉末材料、生物材料等更是如此,材料價格相當昂貴,我國自主研發的某些金屬材料等價格也不菲。

隨著我國從國家層面在新材料領域的重視,有望降低國外原材料公司的壟斷預期。未來在新材料的開發方面將會注重研究材料的加工-結構-屬性之間關系,明確材料的優點和局限性,為材料提供規范性標準。


3、3D打印裝備

不同的3D成型技術,伴隨著相對應的3D成型裝備,基于不同行業其應用領域的不同,對3D打印設備也有不同的需求。因此,市場上可以見到不同成型技術的桌面型、專業型、工業型3D打印機,價格也因打印精度或成型尺寸,或連續工作時間,或打印速度等技術性能指標的單一或組合要求而相差巨大,其根本原因在于:

3D打印設備是一種多領域、多學科的軟硬件結合體,不論哪一種成型技術的裝備都離不開控制系統(軟件部分)和硬件系統,設備的技術性能指標受到軟、硬件系統的制約。若制造廠商采用開源技術,則軟件部分受制于第三方的技術進步,在一段時間內只能通過硬件系統的改進來提升裝備的性能,但這是不夠全面的,產品難免在性能上具有短板。擁有自主核心技術的設備制造商,其產品在設計階段就會充分地考慮裝備的軟、硬件協同能力,選擇相匹配的零部件,以確保裝備的整體性能在打印精度、打印速度、穩定性、連續工作時間等方面達到設計要求。

4、3D打印應用

3D打印技術正是伴隨著它的實際應用而逐步發展起來的,目前已經廣泛應用于汽車、機械、航空航天、家電、通訊、電子、建筑、醫療、珠寶,鞋類,玩具等產品的設計開發過程,也在模具制造、工程施工,食品制造、地理信息系統等許多其他領域得到應用。3D打印技術最突出的優點在于無需機械加工或任何模具,就能夠直接把設計好的計算機圖形數據生成和打印出單個物品,尤其可以打印出傳統生產技術難于制造的極其復雜外形和結構的物體,顛覆了傳統的模型制作方式,既快速又廉價。特別在產品外觀評估、方案選擇、裝配檢查、功能測試、用戶看樣訂貨、塑料件開模前校驗設計以及少量產品制造等方面,可以大大縮短設計周期,提高生產效率,降低生產成本,給企業帶來了較大的經濟效益。例如:

4.1 在建筑領域的應用

建筑模型的傳統制作方式,漸漸無法滿足高端設計項目的要求?,F如今眾多設計機構的大型設施或場館都利用3D 打印技術先期構建精確建筑模型來進行效果展示與相關測試,3D 打印技術所發揮的優勢和無可比擬的逼真效果為設計師所認同。工程師和設計師使用3D打印機打印建筑模型,不僅成本低、環保,而且制作精美,完全合乎設計者的要求。盈創科技公司的大型3D打印機已經能打印出整棟的房屋。

BIM(建筑信息模型)作為一種在建筑工程項目中使用的信息化管理技術,以建筑工程項目的海量信息為基礎,在整個工程的設計階段建立起三維建筑模型,給項目決策者、建造施工者等一個直觀的感受,是貫穿于整個建設項目全生命周期的信息集合。BIM能夠提高管理效率,涉及到建筑工程項目從規劃、設計到施工、維護的一系列創新和變革,是建筑業信息化發展的趨勢。BIM建筑信息模型是對建筑物實體與功能特性的數字表達形式,它通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。建設項目的各參與方可以通過模型在項目全生命周期中獲取各自所需的管理信息并且可以更新、插入、提取、共享項目各項數據,從而實現協同管理,提高項目管理的效率。

3D打印作為一種快速成形的技術,從理論上講,3D打印機能夠完整打印出一整套房屋以及各種立體的物品。在設計階段,排水系統模型、給水系統模型、消火栓系統模型等各種模型都能夠通過3D打印機打印出來,方便對實體模型進行研究以及學習。在施工階段,3D打印的使用能夠降低建筑周期、減少建筑成本以及減少建筑垃圾。而對于后期的維護,3D打印的建筑設計模型能夠更好得服務于維護人員。BIM技術與3D打印技術相結合能夠擴展業務范圍,如虎添翼。

3D打印可以打印出各類建筑的設計模型,幫助建設人員提前進行規劃整改以及從整體視角對建筑進行觀察。圖4-1是中鐵十七局設計的地鐵模型,由我們公司制作,此模型是廈門市政府進行地鐵建設的重要參照依據。在地鐵建設的設計階段運用3D打印技術將地鐵模型打印出來可以供建設人員在建造前進行更好地計劃以及便于各部門進行信息交流。


圖 4-1 廈門地鐵模型

北京通州一廠房內誕生的3D打印別墅是世界上第一幢由3D打印機現場打印的房屋,如圖4-2。其真正的施工時間為45天。這一幢400平米的別墅據檢測能夠抵抗八級以上的地震。


圖 4-2 3D打印別墅(圖片來源:中國網)

圖4-3是迪拜第一個耗時17天的全功能3D打印建筑。這座建筑的外形采用阿聯酋大廈設計風格,其建筑占地2000平方英尺,有足夠的工作或者召開國際性會議的空間,并且水、電、通訊設施、制冷系統等供應非常完善。


圖 4-3 迪拜第一個3D打印建筑(圖片來源:3D虎)

圖4-4是超5億美元的未來博物館,將在迪拜3D建造。這座博物館為了能與它館藏的未來科技和發明相媲美,將使用3D打印來建造。


圖 4-4 未來博物館藍圖(圖片來源:3D虎)

4.2 在航空航天領域的應用

航空航天制造領域集成了一個國家所有的高精尖技術,是國家戰略計劃得以實施,政治形勢得以展現的后援保障領域。而金屬3D技術作為一項全新的制造技術,在航空航天領域的應用具有相當突出的優勢,服務效益明顯。主要體現在以下幾個方面:

(1)縮短新型航空航天裝備的研發周期;

(2)提高材料的利用率,節約昂貴的戰略材料,降低制造成本;

(3)優化零件結構,減輕重量,減少應力集中,增加使用壽命;

(4)零件的修復成形;

(5)與傳統制造技術相配合,互通互補。

航空航天作為3D打印技術的首要應用領域,其技術優勢明顯,但是這絕不是意味著金屬3D打印是無所不能的,在實際生產中,其技術應用還有很多亟待決絕的問題。比如目前3D打印還無法適應大規模生產,滿足不了高精度需求,無法實現高效率制造等。而且,制約3D打印發展的一個關鍵因素就是其設備成本的居高不下,大多數民用領域還無法承擔起如此高昂的設備制造成本。但是隨著材料技術,計算機技術以及激光技術的不斷發展,制造成本將會不斷降低,滿足制造業對生產成本的承受能力,屆時,3D打印將會在制造領域綻放屬于它的光芒。雖然還有很多技術亟待解決,但是3D打印在航空航天制造業上的應用已經逐漸進行。

波音公司的737 MAX上面安裝了一對CFM International公司的LEAP-1B發動機,這款發動機上使用了19個3D打印的燃料噴嘴。這些3D打印的燃料噴嘴只有用3D打印技術才能夠制造得出來。這種3D打印的新型燃料噴嘴重量更輕,比傳統的燃料噴嘴輕了25%——以前制造這種燃料噴嘴需要18個部件,而現在只需要1個。除此之外,還具備冷卻通路和支持索帶更加復雜等優勢。這些新特性使得3D打印燃料噴嘴的耐久性比常規制造的增加了5倍。如圖4-5。


圖 4-5 3D打印的飛機燃料噴嘴(圖片來源:3D虎)

圖4-6是美國航空航天制造商洛克希德·馬丁公司首個用在彈道導彈上面的3D打印部件。這是一個“連接器后殼”,它主要裝在電纜連接器上面以保護它們免受傷害或者意外斷開。

這件僅有1英寸(2.5厘米)寬的連接器后殼在3D打印時,先由3D打印機在打印床上鋪設一層薄薄的鋁合金粉末,然后高溫的激光或電子束在計算機的引導下融化指定區域的粉末,然后機器又鋪上了另外一層粉末,這個過程不斷重復,直至3D對象被打印完成為止。打印完成后吹去多余的粉末,并進行平滑處理和拋光。使用3D打印技術可以減少材料浪費,而且生產周期與常規方法相比被縮減了一半。


圖 4-6 連接器后殼(圖片來源:3D虎)

4.3 在汽車制造領域的應用

經過多年的發展,3D打印技術已經成為汽車制造不可或缺的一部分,這一點在福特公司身上體現得尤為突出。

使用傳統的成型技術生產原型的一部分零件,不僅在技術人員和工具上有特定的要求,而且生產周期往往需要數周甚至數月。而3D打印技術的速度、效率和成本控制相比于傳統技術都有明顯優勢。福特公司使用3D打印技術使得等待原型的時間大大減少,從幾周到幾小時不定。3D打印技術不僅節約了公司的時間,還大大降低了原型制作的成本,而且該技術允許工程師隨時進行測試和優化。

2017版的福特GT這一款車的設計上利用3D打印技術進行了一系列的原型細化和完善,最終這款車被設計成了F1式的方形方向盤(如圖4-7),該方向盤集合了變速控制和驅動控制的功能。另外,這款車的上翻車門由于經過多次原型設計和修改,重量大大降低。


圖 4-7 3D打印方向盤(圖片來源:3D虎)

福特推出的高端汽車蒙迪歐Vignale中網上獨特的六邊形是利用3D打印技術制作而成的。同時,設計師們還通過原型設計打造出了19英寸的鎳合金輪轂和雙層鍍鉻的排氣管。另外,在一些外觀裝飾的細節上也不同程度地利用了3D打印技術。如圖4-8。


圖 4-8擁有3D打印部件的蒙迪歐Vignale(圖片來源:3D虎)

不管是福特的Dunton技術中心,還是其設在德國的福特歐洲總部都已經將3D打印原型融合到其經典設計流程中。設計師們參考一系列設計草圖和2D圖紙,通過三維建模軟件做成CAD模型。同時進行全尺寸黏土模型的制作。兩者的同時進行使福特公司評估首次設計的時間大大縮短。全尺寸的黏土模型能夠方便設計團隊評估車型和車身的整體線條以及設計,而3D打印的模型能夠提供一些細節部位的參考。


4.4 在醫療領域的應用

3D打印模型可以讓醫生提前進行練習、使手術變得更為安全,有助于減少手術步驟,從而減少病人在手術臺上的時間;南方醫科大學珠江醫院的方馳華教授利用3D打印的肝臟模型指導完成復雜肝臟腫瘤切除手術,這也是我國首例的肝臟手術應用;外科醫生可以用3D打印的骨骼替代品進行骨骼損傷修復,幫助骨質疏松癥患者恢復健康。

生物3D打印是基于“增材制造”的原理,以特制生物“打印機”為手段,以加工活性材料包括細胞、生長因子、生物材料等為主要內容,以重建人體組織和器官為目標的跨學科跨領域的新型再生醫學工程技術。它代表了目前3D打印技術的最高水平之一。

3D打印牙齒、骨骼修復技術已經非常成熟,并在各大骨科醫院、口腔醫院快速普及,而3D打印細胞、軟組織、器官等方面的技術可能還需要5-10年。

先天性心臟缺陷是出生缺陷中最常見的類型,每年有近1%的新生嬰兒有此類問題。對嬰幼兒進行心臟手術要求醫生在一個還沒有完全長成的小而精致的器官的內部操作,難度非常高。在美國肯塔基州Louisville的Kosair兒童醫院,心臟外科醫生Erle Austin在對一個患有心臟病的幼兒進行復雜的手術之前,用3D打印的模型規劃和實驗,保障了手術的成功完成。


圖 4-9 3D打印心臟模型

圖4-10 是一種新型的牙科部件,叫做Dental SG。借助這款新部件,醫生在牙科植入手術當中能夠針對牙鉆的位置做出精準的決策。這款新部件使用橈性樹脂,通過3D打印技術制作,能夠完美地嵌合于患者的牙齒3D打印模型之上。這種方法既能夠提高手術精準度和效率,又可以加快患者的恢復期,可謂兩全其美。


圖 4-10 牙科部件Dental SG(圖片來源:中國3D打印網)

通過3D打印,醫生們能夠通過分析患者獨特的MRI和CT掃描圖來打印骨骼的三維模型。一般的桌面級3D打印機就能夠在幾小時內完成模型的制作。這些骨骼模型一般都是通過一種生物可降解材料PLA來進行打印。如圖4-11。


圖 4-11 3D打印骨骼模型(圖片來源:中國3D打印網)

西安交大一附院完成國內首例3D打印頸內靜脈-鎖骨下靜脈-上腔靜脈梗阻血管再造手術。3D打印患者病變靜脈系統及周圍結構,再根據打印自制牛心包管道與打印結果進行契合,與梗阻靜脈吻合的手術方式,對于此類疾病的治療具有開拓意義,也為此類病例的解決提供了新的思路。


4.5 在文化創意領域的應用

文化創意是以文化為元素、融合多文化、整理相關科學、利用不同載體而構建的再造與創新的文化現象。文化創意產業是指依靠創意人的智慧、技能和天賦,借助于高科技對文化資源進行創造與提升,通過知識產權的開發和運用,產生出高附加值產品,具有創造財富和就業潛力的產業。

我國對文化創意產業的形態和業態進行了界定,明確提出了國家發展文化創意產業的主要任務,標志著國家已經將文化創意產業放在文化創新的高度進行了整體布局。2016年12月,由國務院印發的《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》公布,數字創意產業首次被納入國家戰略性新興產業發展規劃,成為與新一代信息技術、生物、高端制造、綠色低碳產業并列的五大新支柱。2017年4月,文化部推出了《關于推動數字文化產業創新發展的指導意見》,提出了推動包括3D打印在內的前沿技術和裝備在數字文化產業領域的應用,以技術創新推動產品創新、模式創新和業態創新,更好地滿足智能化、個性化、時尚化消費需求。

3D打印在文化創意領域有著廣闊的應用空間,如應用于藝術品的個性化定制、珠寶首飾的生產制造、文物等古代高端藝術品的再現和衍生品制作。專家總結了3D打印技術在文化創意產業的應用價值:

(1)能夠為獨一無二的文物和藝術品建立起準確、完整的三維數字檔案庫,以便隨時可以高保真地將文物和藝術品實物模型給予再現;

(2)取代了傳統的手工制模工藝,在作品精細度、制作效率方面帶來了極大的改善和提高,對于有實物樣板的作品,通過數字模型數據可以非常容易地進行編輯、縮放、復制等精確操作,借助3D打印機這種數字制造工具,高效實現小批量生產,促進文化的傳播和交流;

(3)帶來了大量的跨界整合和創造的機會,為藝術家們提供了極其廣闊的創作空間,尤其在文物和高端藝術品的復制、修復、衍生品開發方面的作用非常明顯。

3D打印技術給了人們無限的想象,其最大的優勢在于能夠彌補傳統制作難以做出的一些設計,使得設計師可以將所有的精力放在設計上,而不需要過多地去遷就制作方式。

圖4-12是陜西博物館為了更好地保護文物而利用3D打印技術仿制的西漢匈奴鹿型金怪獸。這件文物制作工藝精湛,說明當時匈奴在銀器制作方面水平之高,是匈奴最具代表性的藝術珍品。


圖 4-12 西漢匈奴鹿型金怪獸(圖片來源:中國3D打印網)

3D打印使得珠寶定制不再是少部分人的專屬。借助于電腦輔助設計技術(CAD),設計師可以設計出任何我們想象得到的珠寶樣式。雖然相比于傳統的由精湛手工藝制作而成的珠寶,其人文價值是3D打印珠寶所無法比擬的,但是在珠寶設計的復雜性以及時間成本上卻是擁有絕對優勢的。


圖 4-13 3D打印戒指(圖片來源:ZOL)

電影道具在當今這個大片橫行的時代有著舉足輕重的地位,在影視制作中巧妙運用道具能夠恰當地體現場景環境氣氛,地區和時代特色。圖4-14是由設計師利用他們自己設計的一個算法自動生成一個3D文件進行3D打印而成的白骨祭壇。


圖 4-14 3D打印白骨祭壇(圖片來源:PCHOME)

美國德雷塞爾大學的研究人員通過對化石進行3D掃描,利用3D打印技術做出了適合研究的3D模型,不但保留了原化石所有的外在特征,同時還做了比例縮減,更適合研究。博物館里常常會用很多復雜的替代品來保護原始作品不受環境或意外事件的傷害,同時復制品也能將藝術或文物的影響傳遞給更多更遠的人。

此外,Autodesk組建鞋業集團,力推數字化制鞋解決方案,實現個性化定制,包括鞋子和配飾的設計、制造并達到合腳、舒適。


(三)世界發達國家3D打印發展現狀簡介

美國和歐洲在3D打印技術的研發及推廣應用方面處于領先地位,美國是全球3D打印技術和應用的領導者,美、歐發達國家、日本和中國等國家都先后制定了3D打印的發展戰略。

美國政府提出了“新經濟戰略”,也稱“重振美國制造業”發展戰略。奧巴馬政府曾多次強調3D打印的重要性,將3D打印列為11項重要技術之一,把其和機器人、人工智能并列為美國制造的關鍵技術。2012 8 月在俄亥俄州的揚斯敦成立了國家增材制造創新研究院。聯合研發機構、高等院校、制造商從事研發生產。美國的3D打印企業以3D Systems Stratasys公司為代表。

歐洲也十分重視對3D打印技術的研發應用。由于其工業基礎扎實,科技創新和人才優勢明顯,在3D打印領域的研發也較早,尤其是工藝技術、研發投入、人才基礎、產業形態、材料等領域都比較強。德國在2008 年建立了直接制造研究中心,主要推廣在航空航天領域應用;英國在2011 年開始設立了多個研究中心,持續增加研發費用;法國的增材制造協會致力于增材制造技術標準的研究。以德國EOS、 瑞典ArcamAB、英國Reprap公司為代表的企業更加注重3D打印技術在高端制造業、生物醫療等領域的實際應用。

日本政府也對3D打印產業在財政上給予大力支持,成立了"3D打印機"研究會,日本經濟產業省啟動了開發高水準3D打印機的國家項目。日本政府在2014年的預算案中劃撥了40億日元,用以實施“以三維成型技術為核心的制造革命計劃”。日本在3D打印領域更注重于推動3D打印技術的推廣應用,目前日本的不少企業也開始進入這一行業

此外,澳大利亞在2012 2 月宣布支持一項航空航天領域革命性的項目微型發動機增材制造技術;

(四)中國國家和地方3D打印產業政策簡介

在世界工業強國紛紛將3D打印作為未來產業發展新的增長點加以培育,制定了推動3D打印發展的國家戰略和具體推動措施。我國也高度重視,從科技支撐和面向產業化方面制定實施了一系列發展規劃和財稅政策。具體:

1、國家863計劃

2013年4月,科技部公布的《國家高技術研究發展計劃(863計劃)、國家科技支撐計劃制造領域2014年度備選項目征集指南》,首次將3D打印產業納入其中?!吨改稀分刑岬?,破3D打印制造技術中的核心關鍵技術,研制重點裝備產品,并在相關領域開展驗證,初步具備開展全面推廣應用的技術、裝備和產業化條件。由國家撥款設四個前沿技術研究方向:

(1)面向航空航天大型零件激光熔化成型裝備研制及應用,針對航空航天產品研制(試制)過程中單件、小批量需求,研制適合鈦合金等難加工零件直接成型的大型零件激光熔化成型裝備,臺面2米×2米,制件精度控制在±1%以內,堆積效率達300cm3/h以上。制定相關工業技術標準,并在航空航天產品研制零部件制造中進行應用。

(2)面向復雜零部件模具制造的大型激光燒結成型裝備研制及應用,針對復雜零部件模具快速制造的需求,研制適合制造蠟模、蠟型、砂型制造,以及尼龍等塑料零件制造的大型激光燒結成型裝備,臺面2米×2米,制件精度控制在±0.1%以內,堆積效率達1000cm3/h以上。制定相關技術標準,并在汽車、模具等行業產品研制中得到應用。

(3)面向材料結構一體化復雜零部件高溫高壓擴散連接設備研制與應用,針對結構復雜、性能要求高、連接難度大等復雜零部件加工的需求,研制材料結構一體化復雜零件高溫高壓擴散連接設備和工藝,工作加熱區域尺寸Φ1000mm×1000mm以上,并在航空航天產品的研制中開展應用。

(4)基于3D打印制造技術的家電行業個性化定制關鍵技術研究及應用示范,針對家電行業個性化定制迫切需求,結合以3D打印制造技術為核心的數字制造技術帶來的制造變革,研究3D打印個性化零件設計技術、個性化定制模式、定制業務協同引擎、交互門戶、運行平臺等技術,開發個性化定制管理平臺,并基于3D打印制造裝備為終端用戶提供個性化定制服務,在應用示范期內銷售經濟收入不少于3000萬元。

2、《國家增材制造產業發展推進計劃(2015-2016年)》

2015年2月,為落實國務院關于發展戰略性新興產業的決策部署,搶抓新一輪科技革命和產業變革的重大機遇,加快推進我國增材制造(又稱“3D打印”)產業健康有序發展,工業和信息化部、發展改革委、財政部研究制定了《國家增材制造產業發展推進計劃(2015-2016年)》。根據計劃提出的目標,到2016年,初步建立較為完善的增材制造產業體系,整體技術水平保持與國際同步,在航空航天等直接制造領域達到國際先進水平,在國際市場上占有較大的市場份額。

(1)產業化取得重大進展。增材制造產業銷售收入實現快速增長,年均增長速度30%以上。進一步夯實技術基礎,形成2-3家具有較強國際競爭力的增材制造企業。

(2)技術水平明顯提高。部分增材制造工藝裝備達到國際先進水平,初步掌握增材制造專用材料、工藝軟件及關鍵零部件等重要環節關鍵核心技術。研發一批自主裝備、核心器件及成形材料。

(3)行業應用顯著深化。增材制造成為航空航天等高端裝備制造及修復領域的重要技術手段,初步成為產品研發設計、創新創意及個性化產品的實現手段以及新藥研發、臨床診斷與治療的工具。在全國形成一批應用示范中心或基地。

(4)研究建立支撐體系。成立增材制造行業協會,加強對增材制造技術未來發展中可能出現的一些如安全、倫理等方面問題的研究。建立5-6家增材制造技術創新中心,完善扶持政策,形成較為完善的產業標準體系。

3、《中國制造2025》規劃

2015年5月,國務院發布了《中國制造2025》規劃,其中5處提到了3D打印,并將其列為要突破的10個重點領域之一。在國家智能制造標準體系建設指南(2015年版)的智能制造標準體系框架中,確定3D打印技術為智能裝備的重要技術之一。


4、我國地方產業政策

為響應國家產業政策,國內一些省、市也相應出臺了促進3D打印產業發展的意見或方案。如:2013年8月,福建省頒布了《關于促進3D打印產業發展的若干意見》,要求建設三個技術研發平臺。一是建設材料研發平臺,以聚合物材料、金屬基材料、陶瓷基材料等為重點研發生產3D打印材料;二是建設核心部件和裝備研發平臺,開發高精度成型工藝核心部件,研發硬件控制技術與開放式數控系統、3D打印及后處理設備的集成技術,促進在信息制造業等行業的推廣應用;三是建設3D建模研發平臺,研發3D模型獲取、3D建模技術與工程仿真、產品開發與服務云平臺、3D打印過程控制等關鍵技術,推動3D打印數字化建模系統產業化創新應用。支持省教育部門進一步完善學科和專業設置,將3D打印技術納入相關學科和專業建設體系,培養我省急需的3D打印技術人才。此外,《廈門市智能制造“十三五”發展規劃》還提出了“數字化研發設計工具普及率達到80%左右”、“產品研制周期縮短30%,生產效率提高20%”的要求。

浙江省和杭州市推出了《浙江省關于加強三維打印技術攻關加快產業化的實施意見》和《杭州市關于加快推進3D打印產業發展的實施意見》;北京市、廣東省、江蘇省、四川省、湖南省也分別頒布了《促進北京市增材制造(3D打?。┛萍紕撔屡c產業培育的工作意見》;《加快廣東省3D打印技術和應用產業發展實施方案》;《江蘇省三維打印技術發展及產業化推進方案(2013-2015年)》;《四川省增材制造(3D打印)產業發展路線圖(2014-2023)》;《湖南省關于加快推進智能制造裝備產業發展的若干意見》等等。

(五)3D打印產業市場規模分析

從產業發展的市場角度看,由于3D打印技術受到全球許多國家的重視,3D打印產業也成為“十大增長最快的工業”之一。前瞻產業研究院所發布的3D打印產業市場需求與投資潛力分析報告顯示,全球3D打印市場規模逐年快速增長,如下圖所示。



據Allied Market Research(聯合市場調查)預測,全球3D打印市場份額從2014-2020年的年復增長率將達20.6%,其中,電子光束溶解法將成為發展最快的技術領域,年復合增長率有望達到接近30%。在打印材料方面,預計聚合物占3D打印市場的主要份額,金屬和合金將成為增長最快的材料領域,預計在2014-2020期間,將以40.5%的年復增長率增長。

從前瞻產業研究院的分析報告看,我國3D打印產業進入了高速發展期。2012年的市場規模不足10億元;而到2014年已超過40億元。雖然從數據上看來,在全球市場中所占份額較小,但增長速度遠高于全球平均水平,作為全球重要的制造基地,中國3D打印市場的潛在需求旺盛,有著很大的提升空間,預計2018年中國3D打印市場規模將超過200億元。中國有潛力成為世界最大的3D打印市場。下圖為中國3D打印市場規模及增長趨勢

數據來源:世界3D打印技術產業協會

其中,2015-2016年中國3D打印產業鏈中的材料、裝備、應用與服務比例分布為:

數據來源:《中國增材制造產業發展報告(2017年)》

3D打印已經顯示出了巨大的市場潛力,目前3D打印占全球制造業市場極為微小,其產業鏈從最初的原材料處理、設備制造直到最后的打印應用與服務,即使只有一小部分消費品通過3D打印的方式來制造,這也將是一個巨大規模的市場。

此外,3D打印技術的發展能夠催生和培育3D打印設備與相關服務新產業,包括零部件委托加工、專業設計分析、設計/控制軟件開發等業務,有助于帶動金屬和功能材料制備、激光器/噴嘴等核心元部件研發,能夠進一步推進網絡化協同制造、定制化制造、專業化制造和綠色制造,促進高端裝備制造、生物制造等產業發展。因此,發展3D打印是培育新興產業、優化產業結構、促進產業升級的重要途徑。反過來,又將推動和擴大3D打印產業規模。



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