3D打印，未来的无限可能性在哪里？

3D打印又称增材制造，是数字化制造的重要手段。作为颇具颠覆性的一个技术，发展现状如何？未来的无限可能性在哪里？

当“魔幻”变成现实

3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，通常需要采用数字技术材料打印机来实现。

江苏沂人智能制造科技有限公司是一家主要从事增材制造(3D打印)技术,面对行业企业及终端消费用户提供整体3D打印应用解决方案的企业。“8年前，我在广东一家知名鞋企负责品牌运营工作。制鞋业是传统产业，一直在苦寻提效率、降成本的办法。当时，一家公司向我们推荐了3D打印技术。起初，我们认为3D打印有点‘魔幻现实主义’。没想到应用后，制鞋模型、鞋垫、鞋跟、鞋底和配件等相关鞋材，轻而易举地诞生在我们眼前。”公司执行董事李思文说，敏锐的市场嗅觉告诉他这“玩意”有戏，毅然投身3D打印行业。

“常规的车、铣、刨、磨机床加工属于减材制造；常规的铸造属于等材制造；3D打印属于增材制造。3D打印技术已经在先进制造业的去产能、去库存、降成本和补短板等层面表现出优化生产结构和优化资源配置要素,在提升产品设计开发周期及加速新品迭代步伐等方面表现的淋漓尽致。”李思文说，例如在消费品领域，使用3D打印技术可以根据消费者的个性化需求进行快速生产，减少生产成本和库存压力，同时还可以提高产品的质量和附加值。

日前在苏州举行的装备制造及数字化产业合作交流会上，中国工程院院士，国家增材制造创新中心主任卢秉恒说，“3D打印已应用在各个行业上，可以把原来的很多零件‘打印’成一个零件。我们知道GE公司是飞机发动机重要的供应商，它把喷油嘴的20个零件通过3D打印变成1个零件。有什么好处？原来20个零件，每个零件都要精密加工再进行装配，装配以后，还要焊接。每个喷油嘴的性能不是完全一致的，造成了燃油的浪费。但3D打印可以使每个喷油嘴性能做到完全一致，这个创新提高了燃油效率，喷油嘴的寿命提高了5倍，飞机发动机的订单一下子增长了400多亿美金。这家公司还因此收购了两三家金属打印公司来为他做飞机发动机的配件，现在有1/3以上的发动机零件是3D打印出来的。”

卢秉恒说，现代化产业体系的核心枢纽和制高点是工业母机，工业母机分增材制造、减材制造和等材制造。增材制造作为工业母机的一个重点发展方向和领域，是推进制造业高端化、智能化、绿色化发展的重要基础。

现实中的AB面

在江苏沂人智能制造科技有限公司，工作人员操作着一台能够根据人体信息“私人定制”鞋子的3D打印机。据称，使用这项技术“打印”的鞋子、鞋垫等产品，已经成为时尚秀场上的新宠。

“3D打印目前还做不到批量化生产，所以它在一些小批量、多品种的场合表现比较显眼，比如新品发布和个性的秀场，我们的技术平台和不少设计师品牌都有合作。”李思文说，“3D打印”对普通百姓来说是一个既熟悉又陌生的概念，由于其受到高昂的成本、不太理想的打印速度，以及操作难度不小、生活场景实用性不高等因素的影响，近几年这项“神奇的技术”在民间的热度趋于平缓。但是在国家战略层面，3D打印技术有着“举足轻重”的地位。目前，随着国家层面对我国3D打印材料行业重视程度的不断加深，我国已经基本形成了较为成熟的3D打印产业链条，但当前其制造业渗透率不足0.1%，仍处于产业化前期。

用3D打印生产什么，还要看具体需求和材料特性。在业内人看来，3D打印的第一个绊脚石，那便是所需材料的限制。尽管高端工业打印能够完成塑料、一些金属或是陶瓷打印，但没法完成打印的材料全是比较昂贵和稀有的。目前，3D打印金属材料现在几乎涵盖了目前工程上所应用的材料，像不锈钢、高强钢、高温合金、钛合金、铝合金、铜合金甚至钨合金，但是有些原来可焊性比较差的材料用3D打印有些困难，容易出现开裂这些缺陷，针对这些缺陷的研究都在进行中。

成本是3D打印机最大的缺点之一。3D打印机的价格取决于尺寸和功能，价格从10,000美元到100,000美元或更高不等。技术越新，成本就越高。与传统制造材料相比，3D打印中使用的材料和设备价格昂贵。为了产生最少的费用，许多公司会租用3D打印设备或使用第三方访问3D打印机。

还有尺寸限制的问题。更大的组件需要打印在单独的部分中，并在打印后连接在一起。这不仅增加了成本和时间，而且使打印过程变得复杂。

随着未来技术有望更先进、更便宜，3D打印的劣势也将被消除。据了解，江苏各地也在推动3D打印产业的发展。例如，常熟抢抓3D打印发展机遇，全力推进创新链产业链资金链人才链深度融合，先后引进、培育聚复科技、铼赛智能科技、奇流科技等一批3D打印细分领域明星企业，构建从材料研发、设备制造、打印设计全流程产业链，并从玻璃模具、文化创意等传统应用场景向航空航天、医疗健康等新型产业领域延伸。

去年，工业和信息化部公布首批36个增材制造典型应用场景名单，徐州两个项目入选。其中的“工程机械关键零部件修复与再制造”增材制造典型应用场景，形成面向不同用户需求的“材料—装备—工艺—评价”再制造整体解决方案，5年节约钢材约10万吨，节约电能约780万千瓦时，减少CO2排放约17.5万吨。

未来的无限可能

6月28日，在广州举行的2023年增材制造产业年会上传出信息，增材制造产业典型应用场景正在加速推广，已应用于航空航天、汽车、医药等39个行业大类。增材制造经历了由研发创新向产业规模化发展的蜕变，产业规模从2012年的10亿元左右增长到2022年的320亿元，实现了年均复合增长率超过40%。预计今年我国增材制造产业规模可达400亿元左右。

业内已提出了4D和5D打印的概念。4D打印，用智能材料进行打印，打印后以后随着时间的推移还可以变更打印的形状。5D打印的概念，就是不光是形状随着时间会发生变化，而且功能会发生变化，最突出的是人造器官，随着时间的推移，这些材料在生化环境作用下就可以变成人自己的器官，这些研究都在进行。

“3D打印在打造创新链以及提升创新设计的速度方面有重要作用。最早是非金属材料的树脂、材料的3D打印技术，近些年我们对金属的3D打印技术进行了非常多的研究，有用激光、电子束、粒子束来做能源，把金属粉末或金属丝材进行熔化堆积成为三维的实体。”卢秉恒说，金属3D打印在机理上和铸造锻压是不一样的，铸造锻压是把大块的材料一下子进行成型，而3D打印是一点一点进行累积的，迅速在高能束的驱动下融化，在非常短的时间内进行冷却，它的机理是新的机理。“现在各种钢材，铝合金、钛合金等等都可以用3D打印来做。制造的质量，经过检测分析研究，基本上达到锻件的水平，有些超过锻件，有些地方在延展力方面不如锻件。”

“我们还在研究用多种材料制造一个零件，这个在传统制造中是很难的。但是用增材制造可以把金属粉末依次排列，制造出的零件表面是耐腐蚀，耐磨损的，里边一层是高强度的，再往里面可能是中空结构或者蜂窝结构来减轻重量提高刚度。我们还有进一步的设想，可不可以用3D打印去打印飞机的大型结构件，例如机身、机头、机翼这些东西。现在研究者认为可以减重60%，当然这就涉及到非常大件的打印，缺陷问题、精度问题、变形问题等都在研究中。”卢秉恒说，“我们开发的一系列装备，现在正在进行产业化推广。我们也在做增减材一体化的产业化推广，已经形成了公司运作。苏州在做工业母机的创新基金，我们也愿意加盟到里面去做工业母机的推广。今后，增材、等材、减材，三材并举是中国工业母机的发展道路。”