3D打印，先进技术须与需求融合

    据日本新闻网站“en.rocketnews24.com”近日报道，日本京都大学医学团队利用3D打印机将患者供体内的肺部“打印”出来，并进行多次模拟手术，准确地了解手术的操作过程，极大程度地减少了手术风险。

    自1984年美国人Charles Hull发明了第一台3D打印机以来，3D打印至今已走过了30个年头。在3D打印技术作为装备业的新势力被大众持续关注之时，4D、5D打印技术已悄然而至……

    “中国3D打印与国际前沿科技的水平差距不大，我们还会发展4D、5D打印技术。未来3~5年，我国可以打印出人工骨、心脏和皮肤，而打印肝脏可能需要10年左右完成。”日前，中国工程院院士、西安交通大学教授卢秉恒在接受中国经济导报记者专访时向记者描绘了一幅令人憧憬的蓝图。

    3D打印关键在材料

    3D打印似乎就是哆啦A梦的神奇口袋，能够变出人们所能想到的一切东西。值得注意的是，能做到这种情景的关键就在于3D打印的材料上。

    据了解，3D打印工艺中采用的原材料有液态光敏树脂、高分子颗粒、金属粉末等，现在可以达到200~300种。从吹风机外壳、手机外壳、食材，到飞机零部件，再到手枪等，只要获得了原始的模型数据，3D打印仿佛就可以“无所不能”。卢秉恒认为，研发新材料的关键点就在于其是否可以与3D打印工艺相结合。“这不仅仅是单指新材料的研发，更是指寻找适合于3D打印工艺的材料。比如说打印材料有喷墨的、融化的等，不同工艺、不同种类的材料，怎样匹配才是最重要的。”

    打印材料的多样性直接决定了3D打印技术在市场上受人们关注的程度。目前，随着桌面级3D打印机的流行，其在大众消费领域的应用也越来越普及。

    对于3D打印技术在工业领域与大众消费领域的融合，卢秉恒认为，这两个领域的发展其实各有各的方法，而促进这两个领域发展的关键是解决需求与技术相融合的问题。他对中国经济导报记者说：“工业和大众消费这两个领域是不一样的，工业领域主要体现在材料的成型工艺和制造的技术标准上，比如3D打印技术应用在飞机上时，其长度标准必须要满足飞机在飞行、震动等方面的需求；而在消费领域，则是要根据人机工程来设计，或进行创意设计，比如，根据不同的需求将人的脸型动漫化和制作衣服版式、食品、塑像、文物等。”

    在卢秉恒看来，3D打印技术今后发展的重点将涉及民生这个大问题。他分析，除了航空航天之外，与人们生活密切相关的其他领域，诸如文化创意、汽车研发（车型、发动机开发等）、医疗等行业将是未来发展的重点。

    以研发和标准解决产业化瓶颈

    虽然3D打印技术已诞生30年，但是无论在国内还是国外，该产业都还没有形成气候，圈内企业“小而散”、“各自为政”，而圈外企业仍在持续观望。

    据统计，2013年全球3D打印市场规模大概接近40亿美元，在2012年的基础上增长了大概一倍，但还不如一家大型企业一年的产值。在这40亿美元的市场规模中，我国约占3亿美元，欧洲约为10亿美元，美国大概为15亿美元。

    “美德两国作为3D打印的两大巨头，在3D打印发展上的亮点值得我们借鉴。美国的创意创新方面很不错，现在全美已形成了3D打印的热潮，学校也配合开设了相关的课程；而德国主要是依靠其扎实的工业基础，在装备和关键零器件上有很突出的成绩。”卢秉恒说，解决3D打印生产企业小、应用少的关键还是在各个工程技术领域中的推广和应用上。无论是设备制造企业，还是技术服务企业，市场需求拉动企业发展都是必然之路，所以需要在各个工业应用领域去推广。同时，他指出推广有两方面的问题：一个是宣传，就是需要大众了解这个技术；二是针对各个工程领域的不同需求，进行基础研发，使企业较为粗糙的技术顺利地应用于各个工程领域和各种产品的制造中。

    在产业化发展的过程中，卢秉恒坦言，在技术推进方面也遇到了一些瓶颈：一是关键元器件的问题；二是材料成型工艺的问题；三是设定化软件的问题。

“办法总比困难多”，在分析问题的同时，卢秉恒也给出了相应的“解药”。“解决问题的方法就是老生常谈的产学研相结合。在这3个环节中，研发环节是领先的，落实在企业，而政府则需要首先支持工程技术的研发，包括材料、制造标准、创新工艺等。以标准的制定为例，我国目前3D打印产业还缺乏各种标准监督管理，所以相关部门急需制定各种标准来引导产业化的健康发展。同时，有计划地组织一批研发基地，进行学科交叉的研究，带动整个社会创新动力发展。此外，还需要在高端制造的应用方面加大产业化力度，如航空航天等领域。”卢秉恒说。

    实际上，我国在3D打印的应用上虽然在量和质上还有一些差距，但是我国与国际前沿科技的水平差距相差不多，在某些技术的发展上还有自己的特色和优势。

    在卢秉恒看来，发展3D打印技术将对智能制造装备业甚至是制造业产生引领性影响。据卢秉恒分析，现阶段，产品创新开发是我国制造业发展最缺乏的一点，很多地方制造能力过剩，研发能力却不行。3D打印可以弥补这一点，有利于带动研发水平的进步发展。“比如开发一款汽车，如果用传统的技术需要3~5年时间，用3D打印技术开发只需不到1年时间即可完成。”他举例道，“我们团队曾用100天完成了40多套汽车车身的模具生产，对两款汽车的开发起到了积极的作用，这对于传统技术而言是不可想象的。”

    4D、5D目标清晰可见

    如果说3D打印是对模型或假的东西进行打印，那么多了一个“D”的4D打印则是在3D打印的基础上多了一个时间的维度，用智能材料来实现物品的自组装。比如打印的成品原来体积小，但由于温度的变化，就会慢慢成长起来，形状则会发生改变，这就是利用了4D打印技术。

    而在4D打印的基础上再加一个“D”呢？那将是5D技术。据卢秉恒介绍，4D打印是用智能材料来制作，简单地说是用能够自动变形的材料；而5D打印则是用生物材料来完成的，打印出来的成品是可以生长的，可以制造出人造器官。

    据报道，如今5D打印骨骼试验已在动物身上获得成功。14年前，卢秉恒与第四军医大学的研究生在一只断了腿的羊身上，用“骨髓泥”材料打印了一个骨骼支架，并在支架上挂上经过培养的羊骨细胞组织，半年后羊腿骨痊愈。

    卢秉恒曾表示，按照增材制造路线图的规划，2013年~2023年的计划目标为：利用增材制造技术使相关产品开发周期缩短一半，费用降低一半。在金属材料3D打印领域，实现工艺和技术的基本成熟，并能够应用于航空航天结构件及发动机关键件的制造。而到2033年，预计在打印材料上持续扩展并实现4D打印（智能材料与结构）及5D打印技术（生物材料与活性器官制造）。