打印出來的新世界

1870年前后，一場用電動機(jī)取代蒸汽機(jī)的產(chǎn)業(yè)變革在英格蘭中部地區(qū)發(fā)端。這場被后人稱作“第二次工業(yè)革命”的大變革，不僅帶來了電燈、電話、汽車等無數(shù)如今人們認(rèn)為必不可少的新事物，也讓世界格局發(fā)生了顛覆性的變化- - -大國崛起和世界大戰(zhàn)。

如今，以3D打印技術(shù)（又稱增材制造技術(shù)）為標(biāo)志的“第三次工業(yè)革命”正在向我們走來。來自學(xué)界的美好描繪，足以讓每一個普通人血脈賁張：以尖端工業(yè)中的航空發(fā)動機(jī)制造為例，以前，從購買原材料到最終加工成零部件，材料的利用率有的僅有10%到20%。而3D打印技術(shù)的運(yùn)用，理論上能使原材料、工時、能源的利用率達(dá)到100%。

一個沒有材料浪費(fèi)的新世界，已近在咫尺？3D打印機(jī)，是否已經(jīng)顛覆了制造業(yè)的傳統(tǒng)規(guī)則？

通用全球副總裁兼通用全球研發(fā)中心先進(jìn)技術(shù)負(fù)責(zé)人邁克爾·埃德戚克（Michael Idelchik）在接受《瞭望東方周刊》專訪時預(yù)測，3年內(nèi)，3D打印技術(shù)就將在航空航天、醫(yī)療器械等高附加值領(lǐng)域得到應(yīng)用；5到7年內(nèi)，隨著設(shè)備的不斷成熟，能夠承受和承擔(dān)24小時不間斷的制造，3D打印技術(shù)就能在更廣泛的領(lǐng)域得到充分應(yīng)用。

事實(shí)上，在一些特殊領(lǐng)域，3D打印技術(shù)已經(jīng)帶來了顛覆性的變化。超聲設(shè)備制造就是一個典型。為了獲得高清晰成像，超聲探頭所需材料需要長時間的切割以及打磨，也就成了超聲設(shè)備中最昂貴、勞動最密集的部件。而運(yùn)用新型增材制造技術(shù)將這些探頭上的復(fù)雜部件一次“打印”成形，就能免去數(shù)小時的切削及精細(xì)加工，將大大降低勞動力成本和生產(chǎn)成本。

在《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》的一組“制造業(yè)與創(chuàng)新”的專題報(bào)道中，如此介紹了3D打印機(jī)的工作原理：“使用3D打印機(jī)就像打印一封信，輕點(diǎn)電腦屏幕上的‘打印’按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺噴墨打印機(jī)上，它將一層墨水噴到紙的表面，以形成一幅二維圖像。在3D打印時，軟件通過電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）完成一系列數(shù)字切片，將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，后者會將連續(xù)的薄型層面堆疊起來，直到一個固態(tài)物體成型。3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實(shí)實(shí)在在的原材料。

文章稱，科學(xué)家們正在利用3D打印機(jī)制造諸如皮膚、肌肉和血管片段等簡單的活體組織，很可能將來有一天能夠制造出像腎臟、肝臟甚至心臟這樣的大型人體器官。而近日一條來自英國的新聞，縮短了利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)夢想的路程。英國《每日郵報(bào)（》The Daily Mail）報(bào)道稱，一名60歲的英國患者因惡性腫瘤被迫切除了整個左臉，只能借助喂管進(jìn)食。但英國倫敦皇家醫(yī)院的牙醫(yī)兼移植專家最近利用3D打印技術(shù)重塑了其左臉。

報(bào)道介紹，這個名叫埃里克·莫杰因的患者如今可以正常地喝水進(jìn)食，說話也清晰多了。

能節(jié)省大量時間和原材料成本

《瞭望東方周刊》：在你看來，3D打印技術(shù)為何會被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命”的標(biāo)志？

埃德戚克：人類從開始生產(chǎn)東西以來，就一直采用減法，用切削的方式讓零件變成想要的形狀。時至今日，雖然人類的技術(shù)不斷進(jìn)步，生產(chǎn)流程不斷改善，但仍然浪費(fèi)了大量的時間和原料。3D打印技術(shù)，也就是增材制造技術(shù)將改變傳統(tǒng)制造方式，通過逐層添加材料制造東西，能節(jié)省大量時間和原材料成本。

不過，3D打印技術(shù)并不是剛剛產(chǎn)生的新鮮事物，僅通用就有十五六年的研發(fā)歷史了。過去，這項(xiàng)技術(shù)主要用于快速成型，而不是做一些功能性部件或驗(yàn)證一些功能設(shè)計(jì)。但現(xiàn)在，3D打印技術(shù)面對的環(huán)境發(fā)生了變化，例如高溫材料、復(fù)合材料、樹脂材料等高精度、高強(qiáng)度材料的應(yīng)用；軟件能力的提升，科學(xué)家從設(shè)計(jì)圖紙到直接轉(zhuǎn)化為制造圖紙，使得3D打印技術(shù)得以成為制造工藝的一部分。

已有人用3D打印技術(shù)打印表帶

《瞭望東方周刊》：3D打印是否已經(jīng)有了具體應(yīng)用的案例？未來幾年會在哪些領(lǐng)域得到集中應(yīng)用？

埃德戚克：目前，3D打印應(yīng)用主要集中在兩個方面。第一是用于高性能的產(chǎn)品，比如燃?xì)廨啓C(jī)、飛機(jī)發(fā)動機(jī)和醫(yī)療器械。在這些領(lǐng)域，3D打印可以提高制造能力；第二是3D打印和傳統(tǒng)制造的結(jié)合，例如，在汽車工業(yè)里，歐洲有一些廠家經(jīng)常需要多品種、小批量的零部件，非常適合3D打印，免去了大規(guī)模的模具制作，減少了工具制造成本。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用有非常大的潛力。一般消費(fèi)領(lǐng)域也能應(yīng)用，比如未來人們可以在家為自己的高跟鞋打印鞋跟，想要什么形狀都行。未來的家庭，擁有一臺3D打印機(jī)就跟現(xiàn)在擁有一臺2D打印機(jī)一樣普遍。實(shí)際上，在今年的消費(fèi)電子展覽會上，已經(jīng)有人用3D打印技術(shù)打印表帶了。

3D打印和傳統(tǒng)制造業(yè)是一個結(jié)合的趨勢

《瞭望東方周刊》：有觀點(diǎn)認(rèn)為，新技術(shù)的運(yùn)用會使傳統(tǒng)制造業(yè)被完全淘汰，也會使得制造業(yè)對原材料的需求發(fā)生巨大改變，不久前就有美國科學(xué)家用陶瓷材料“打印”了一支步槍。請問3D打印技術(shù)會推動新材料的出現(xiàn)，并取代傳統(tǒng)制造業(yè)中使用的金屬材料嗎？

埃德戚克：3D打印和傳統(tǒng)制造業(yè)有結(jié)合的趨勢。比如用傳統(tǒng)制造方法加工一個小毛坯，然后用3D打印堆積其他復(fù)加件，就是一個典型的結(jié)合。所以，千萬不要認(rèn)為3D打印技術(shù)就會徹底取代傳統(tǒng)的制造技術(shù)，這應(yīng)該是一個融合的過程。

材料方面，新的復(fù)合陶瓷是一個例子。在一些特定環(huán)境，陶瓷材料可以取代部分金屬合金，但是，陶瓷材料的性能，比如硬度、疲勞強(qiáng)度還不行，所以，很難對現(xiàn)有材料實(shí)現(xiàn)廣泛替代，新材料還需要更多的研究開發(fā)，而且新的研發(fā)也還需要更多的時間。例如，陶瓷的性能和金屬的性能不一樣，金屬的延展性和導(dǎo)電性，有些陶瓷還沒有。除非陶瓷具備了這些屬性，否則廣泛替代還談不上。

目前，3D打印還是會用到很多金屬粉末，因此對金屬資源的需求還在，但從3D打印技術(shù)本質(zhì)上看，未來人類社會對整個金屬的需求會變少。當(dāng)然，更多地使用復(fù)合材料也會減少對金屬的需求。不過，對于新材料，我們目前更關(guān)注的是如何提升其性能，尤其是一些高溫材料，這方面的研究還必須更加深入，才能把那些高性能材料的特征表現(xiàn)出來。

需要克服的障礙

《瞭望東方周刊》：你認(rèn)為，“第三次工業(yè)革命”還包括哪些尖端的技術(shù)？這些技術(shù)要廣泛應(yīng)用還有哪些障礙要克服？

埃德戚克：從先進(jìn)制造技術(shù)來看，尖端技術(shù)還包括激光、水切割、高速氧焰熱噴涂等技術(shù)，這些技術(shù)和3D打印技術(shù)一起，成為一整套的制造手段、這樣會產(chǎn)生更多的綜合效應(yīng)。（注：高速氧焰熱噴涂是一種在表面堆積涂層的技術(shù)。水切割，是一種利用高壓水流切割的技術(shù)，可以在電腦的控制下任意雕琢工件，而且受材料質(zhì)地影響小。）

至于你提到的障礙，目前主要存在三個方面的困難。第一是材料特性的挑戰(zhàn)。一般的樹脂材料沒問題，但要做高溫的樹脂材料、金屬材料，還需要很多的研究，特別需要更多的科學(xué)思維進(jìn)入，從而提高材料的特性?，F(xiàn)在中國、歐洲、日本和世界很多地方都有這方面的研究。第二是機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)化和可靠性?，F(xiàn)在的設(shè)備并不是十分可靠，這方面也需要大家去研究。第三就是需要一個很好的環(huán)境，整個材料、機(jī)器和整個3D打印的環(huán)境都需要突破，這里面就包括高質(zhì)量的粉末、控制、機(jī)床本身、材料交互等很多方面。

也就是說，整個系統(tǒng)，包括材料、加工工藝和設(shè)備三方面在內(nèi)，均需要全面提升，這涉及到很多綜合學(xué)科。比如我們提到的激光、材料、光學(xué)系統(tǒng)，或者軟件、控制，等等，這些都屬于多學(xué)科交融的領(lǐng)域。