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                【轉型進行時】3D打印:從想象到現實
                發布:2021-03-30 06:47:00  來源:山西省人民政府網 

                 

                 

                 

                  3D打印既是調整制造業結構,促進制造業由大變強的重要手段,又是適合多品種、個性化制造,為創新設計釋放巨大空間的新型業態。它是創新的利器,也是創業的平臺,我省將抓住3D打印技術發展所帶來的機遇,突破發展瓶頸,最大限度挖掘社會資源中蘊藏的創新創業潛力。

                  3D石窟出云岡

                  絲竹弦樂穿越時空而來,千年石窟的歲月痕跡觸手可及。看著畫面中雕刻精美、意蘊宏大的造像,讓人仿佛置身于遠在千里之外的云岡石窟。這是正在上海博物館展出的云岡石窟第12窟“音樂窟”。國內“石窟界”數字化領域專家、云岡研究院數字化研究室主任寧波通過三維激光掃描技術,為云岡石窟建起了三維的“數字檔案”。通過3D打印,“音樂窟”創新地使用了“積木式”的復制方式,由110塊2米見方的輕質材料“積木塊”分6層進行組裝完成,讓古老的世界文化遺產云岡石窟邁出了“行走”世界的第一步。

                  3D打印技術,是一項不同于以往的新型制造技術,它與傳統的工業制造有何區別?山西增材制造研究院院長宮濤對此解答,3D打印名為增材制造,以數字模型文件為基礎,采用金屬、高分子等材料,進行逐層打印、堆積,形成實體實物,是數字和制造緊密結合的體現。完成一項打印工作,首先要通過計算機對所設計物品的結構進行建模,形成三維圖形,在此基礎上進行分層切片,形成每一層的數據,數據傳送到打印機,打印機按照數據,原材料逐層堆積,最終形成產品。山西雅韻雕醫療科技有限公司工程師羅偉認為,增材制造技術最大的特點是,不再需要傳統工具及繁瑣加工工序,它能有效地解決復雜零件加工成型問題,甚至可以突破一些技術上的限制。

                  打印融合交互發展帶來顛覆性創新

                  3D打印對大多數人來說還很陌生,隨著它快速發展,將給產業發展、工業制造,甚至百姓生活帶來巨大影響。宮濤認為,3D打印技術最大的優勢是制造復雜結構、個性化定制和創意設計,目前在航天、航空、醫療領域里,傳統工藝無法完成的復雜結構,通過3D打印可以輕松實現。

                  近年來,3D打印技術與智能化以及新材料、新工藝不斷融合、交互發展,給傳統制造技術帶來了顛覆性的創新。3D打印技術無論是在基礎研究、關鍵技術還是產業發展方面都取得了飛速發展。在基礎研究方面,新工藝、新原理、新材料和新應用不斷涌現。在制造方面,呈現出從工業品向消費品發展、從小型產品向大型產品發展的勢頭。國際知名企業波音公司采用3D打印技術制造飛機部分零件,米其林公司利用3D打印技術進行輪胎生產,美國“太空制造”公司還成功在太空環境下完成了大型物體的3D打印。2020年5月下旬,一家新西蘭公司“火箭實驗室”在新西蘭東海岸發射全球首枚3D打印電池動力的“電子號”火箭。這枚火箭制造成本低、發射周期短,被業界評價為人類火箭技術發展史上的一大進步。

                  3D打印迅速發展,開辟出神奇的世界,這項技術也一直被視為一項關鍵性的技術。在德國,有78%的企業認為3D打印將對商業模式和價值鏈產生深遠的影響,一項最新統計顯示,每三家德國企業中就有一家使用3D打印技術。新華社法蘭克福分社記者沈忠浩向記者介紹,最近,在德國北部的一座城市,一家建筑公司使用3D打印技術建造了一座居民樓,有評論認為,3D建筑打印機從根本上改變了建筑方式和住宅建設的過程。去年以來,在新冠肺炎疫情的背景下,德國一些制造企業利用3D打印設備實現了快速的生產切換,開始生產市場上較為緊缺的醫療防護用品,德國大眾汽車公司利用生產塑料零部件和樣車的3D打印機,生產呼吸機的零配件和其他醫療用品配件。巨大的市場空間,讓越來越多的企業涌入了3D打印的行列,個性化定制的商業模式也讓世界各大先進制造企業紛紛引入3D打印,這不僅意味著生產的產品將以“1”為單位,也意味著整個制造業的生態系統將發生改變。

                  “我國3D打印近年來快速發展,雖與美國、德國同處第一集團,但還存在原創性技術不夠,特別是高端產品跟國外還有距離。”清華大學工程機械系教授林峰說。羅偉也表示贊同,他認為正是原創性不高才導致商業化的程度和前端應用不算太多,打印設備的精度、穩定性和速度方面跟國外還是有一定的差距。宮濤則認為,3D打印目前面臨著成本高、打印慢的一些困難,許多企業不樂于接受,反觀德國,70%以上的企業積極參與技術開發,我們更應該積極推動,樹立新的理念,擁抱這項新的技術。

                  骨科手術實現“私人訂制”

                  3D打印技術應用,山西的探索走在全國前列。

                  2019年,山西醫科大學第二醫院骨科完成我省首例個性化設計3D打印腫瘤假體植入重建手術,這標志著我省骨科領域個性化3D打印假體技術時代的到來。這位病人小腿有個骨腫瘤需要切除,如果要同種的異體骨代替,愈合可能會存在問題,正是有了3D打印技術,醫生按照他對側自體骨頭形狀打印出假體,非常匹配地把它放進去。山醫大二院通過3D打印出國內首款同患者自體骨組織,解剖結構一致的鈦合金植入假體,打印所用的“墨水”,源于患者體內提取的自體骨組織,它能夠固定細胞的位置,最終重組為功能器官。打印“原料”來自患者自身,不用擔心排異反應的發生。“3D打印技術對培養醫工結合的全能型人才有著非常大的幫助。”山醫大二院骨科病區主任呂智說。

                  3D打印在文物保護、醫學領域嶄露頭角。下一步山西的3D打印重點開發和應用方向該從哪里發力?林峰教授建議,山西在醫用3D打印技術的應用上取得一定進展。山西在煤炭產業和重工產業、機械制造產業有著很強的優勢,這些領域都能和3D打印有更好接觸、更好銜接,特別是給傳統鑄造產業發展提供了很多先進技術和更好發展的渠道,能帶動傳統產業技術升級發展。3D打印技術是材料、設備、打印、服務一條龍生產線,如果能結合當地資源特點和產業特點,就能發揮出3D打印的技術優勢,挖掘出更大的產業優勢,一定能從中找到發展機會。

                  給3D打印加點“料”

                  3D打印技術在制造業的普及程度,關鍵還是取決于新興材料的發展,3D打印材料也是3D打印技術創新的核心要素。

                  光敏樹脂,在醫療模具、珠寶首飾領域廣泛應用。它的金屬粉末應用到航空航天、汽車特殊工裝和醫療植入,制成的線材可用于文物復原、雕塑和文藝創作。很長一段時間3D打印材料全部依賴進口,是3D打印領域發展的“卡脖子”技術難題,如今,我國自主生產的3D打印材料正在取代甚至是超越進口產品。山西增材制造研究院實驗室副主任朱岳說:“進口光敏樹脂每公斤價格高達3000元,現在我們自主研發的光敏樹脂打印精度、力學性能各方面都非常優秀,但是價格只有原來的十分之一。”

                  在3D打印領域,有一個形象比喻,3D打印出來的產品,就像是一道色香味俱全的菜肴,用于3D打印的樹脂、金屬、陶瓷等材料,就像是食材,而幫助材料改變性能的改性助劑,則像是鹽和味精等調味料,每一種,都不可或缺。而“食材”和“調味料”,就是山西增材制造研究院的著力點。山西增材制造研究院李訓剛說:“我們使用的3D打印機材料是由傳統的高分子材料加工而成,這種線材可以根據3D打印的需求做不同的個性化的定制。我們將主攻3D打印改性助劑和材料,給3D打印加點‘料’,研發出系列高性能的3D打印材料,并進行產業化。”

                  作為3D打印產業上游的材料,它的豐富性支撐著整個中游和下游的發展,如何讓材料和設備能夠精準地匹配?宮濤認為,這是3D打印行業發展非常重要的環節,目前打印材料、打印設備局限性還很大,有許多好材料無法用現有的打印機來打印。下一步,一定是要根據材料的基因、材料特點,設計出加工工藝和控制點,與設備、質控廠家共同合作,形成新的更加高端的打印機,才是今后發展的方向。(沈佳)

                 












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