快速成型技術改變世界的利器

想不受限制快速地制作任何形狀的物件嗎？ 只要輕輕點一下“打印”按鈕，車床、銑床、刨床、加工中心、經(jīng)驗豐富的工人以及小心翼翼的切割、打磨、焊接……這些我們熟悉的傳統(tǒng)制造場景，可能都被小小鼠標取代。 這是一項什么樣的技術？“一項將要改變世界的技術。”剛剛出版的英國《經(jīng)濟學人》雜志以封面文章的形式報道了它———三維打印技術。

封面上是一把“打印”出來的小提琴。 文章說，正像人們無法在１８世紀５０年代預見蒸汽機的影響，無法在１５世紀５０年代看到活字印刷的未來，無法在上世紀５０年代料到晶體管的沖擊；人們目前還很難充分估計三維打印技術改變世界的力量。 三維打印不是“紙上談兵”，其原理是使用類似噴墨打印機的噴頭，將材料根據(jù)設計數(shù)據(jù)一點一點噴射出來，直接堆積成各種立體零件。該技術是快速成型方法的一種。 把材料累加建造房屋是我們 司空見慣的工程。房屋是一磚一瓦堆砌出來的，任何形狀的房屋都可以用這種方法構建出來。這種原理形成了材料累加的制造方法，就是使用材料逐層累加制造三維物體。 上世紀８０年代后期開始，隨著計算機、激光和新材料技術的發(fā)展，材料累加制造原理在機械制造領域迅速應用開來�！翱焖僭�型制造”、“累加制造”、“實體自由制造”……各異的叫法分別從不同側面表達了這種制造方法的特點，其中使用較多是“快速成型制造”。

這一技術不需要傳統(tǒng)的刀具、機床、夾具，可快速而精密地制造出任意復雜形狀的零件模型，從而實現(xiàn)“自由制造”。而且可以打造許多過去無法一次完成的模型，例如中空結構等，大大減少了加工工序，縮短了加工周期。 這給工業(yè)產(chǎn)品的造型開發(fā)、工藝品的計算機設計提供了最為便捷的制造工具，使產(chǎn)品開發(fā)速度數(shù) 十倍地提高。而且結構越是復雜的物體，其提速作用越顯著。 材料累加成型的原理與不同的加工工藝和材料結合，形成了許多制造設備。目前已有的設備技術種類達到２０多種，其中主要有光固化快速成型技術、選取激光燒結技術、三維打印技術等。

其中，三維打印技術是１９９６年以來發(fā)展最快的快速成型技術，其特點是成本低，可以制作出帶有色彩的三維物體，但是制作精度較低。 在產(chǎn)品創(chuàng)新中大顯身手快速成型技術一出現(xiàn)就取得了迅猛發(fā)展，在消費電子產(chǎn)品、汽車、航空航天、醫(yī)療、軍工、地理信息、藝術設計等各個領域都得到了廣泛應用。單件快速制造，可以應用于產(chǎn)品的研發(fā)階段或單件小批量制造———這一特點決定了快速成型在產(chǎn)品創(chuàng)新中具有顯著作用。 可以說越是創(chuàng)新快的地區(qū)，對快速成型的需求越強烈�？焖俪尚褪袌鲋校�美國和歐洲占據(jù)了７０％多的裝機量，
它們的許多產(chǎn)品都是在快速成型技術幫助下開發(fā)出來的。

美國的一家血壓監(jiān)測儀器生產(chǎn)商，使用三維立體打印機的概念模型，很快開發(fā)出了新產(chǎn)品。工程師認為：“使用概念模型可以使我們比以前更快地捕捉設計錯誤，并且在相同時間內(nèi)以一個更好的產(chǎn)品結束�！� 一家公司為谷歌ＳｋｅｔｃｈＵｐ軟件設計了一個插件，允許使用者從一個建筑物概念設計連接到三維打印機輸出，直接產(chǎn)生一個基本尺度的建筑模型。 快速成型還可以與金屬鑄件結合，并且延伸到許多工業(yè)領域。比如，這一技術使首飾行業(yè)發(fā)生了巨大的變化。三維立體打印技術可以快速制造出極其精細、精確的珠寶樣式，這是傳統(tǒng)的手工加工技術所不能實現(xiàn)的。有的珠寶商已經(jīng)用該技術訂制金飾。又如，美國利用快速成型技術制作無人機的風洞模型，使得無人機研發(fā)速度大幅提高。 快速成型技術在醫(yī)學上的應用則是一個嶄新的方向。

該技術可以制造手術方案所需的模型。例如，在加州大學洛杉磯分校，醫(yī)生曾遇到如何安全地給連體嬰兒做分離手術的問題。這對雙胞胎出生時頭部相連，雖然大腦、動脈是分開的，但頭部的靜脈血管卻相互交織，手術時需要將其分離。通過快速成型機，醫(yī)生們制造出嬰兒頭部動靜脈血管的模型，從而提前制定出詳細的手術計劃。醫(yī)生亨利說：“現(xiàn)在不需要別人幫助，我們就可以把以前需要９７個小時的手術減少到２２個小時�！� 目前還有工程師與醫(yī)生合作，使用快速成型技術給患者定制骨 骼替代物，幫助患者修復缺失的骨骼。新的研究方向甚至用三維打印機直接把細胞堆積出來，經(jīng)過體外培養(yǎng)去制造復雜的器官。 也許有一天，我們也能夠像今天配中藥一樣，給自己定制器官。 改變?nèi)祟愇磥砩�活方式快速成型技術雖然有美好的發(fā)展前景，卻也面臨巨大挑戰(zhàn)。

目前最大的難題是材料的物理與化學性能制約了工藝的實現(xiàn)。在成型材料上，目前主要是有機高分子材料，比如光固化樹脂、尼龍、蠟等。金屬材料直接成型是近十多年的研究熱點，正在逐漸轉向工業(yè)應用，但難點在于如何提高精度。 由于市場需求的變化，快速成型技術發(fā)展趨勢表現(xiàn)在３個方面。 首先是快速成型制造技術本身的發(fā)展趨勢。三維打印技術是國外近年來的發(fā)展熱點，有著廣泛的應用前景和巨大的商業(yè)價值。而金屬直接成型技術使得金屬結構零件可以直接制造，不久就可以在工業(yè)領域獲得應用。 快速成型技術進一步的發(fā)展方向是陶瓷零件和復合材料的快速成型。 以三維打印為代表的低成本快速成型技術會使制造產(chǎn)品越來越容易，也許有一天制造一件物品就像我們現(xiàn)在使用打印機一樣方便，自己在家里就可以設計制造戒指、 耳環(huán)，甚至假牙等，這將大大改變我們的生活方式，使得想象力得以實現(xiàn)，激發(fā)人們的創(chuàng)造力。

在快速成型技術發(fā)展的同時，也會使仿制越來越容易，難免會產(chǎn)生知識產(chǎn)權糾紛。但如果制造技術非常容易，簡單的仿制就沒有更多市場，人們會更加樂于進行改進，以求得自己的個性化，這樣就會使產(chǎn)品更加豐富多彩，每個人都會成為創(chuàng)造的主體。隨著科學技術的發(fā)展，快速成型設備的成本越來越低，２０年內(nèi)這一理想是有可能實現(xiàn)的。 我們再來看快速成型應用領域的拓展趨勢。快速成型可以為汽車新品開發(fā)提供快捷的支撐技術，為人工定制化假體制造、 三維組織支架制造提供有效的技術手段�？焖俪尚瓦�在向著創(chuàng)意設計、建筑模型制造、 地理模型制造、航空航天器件制造等領域發(fā)展，為各行各業(yè)提供簡單快捷的工具。

在學術思想的發(fā)展趨勢方面，快速成型正從過去的外形制造向材料組織結構與外形結構設計制造一體化方向發(fā)展。研發(fā)人員正力圖實現(xiàn)從微觀組織到宏觀結構的可控制造。例如利用細胞打印技術制造器官，三維打印機可以根據(jù)設計數(shù)據(jù)，在各位置用所需材料堆積出血管、肌肉組織等微結構（微觀結構制造），這些微結構堆積起來形成了大尺寸的器官（宏觀結構制造）。這一發(fā)展方向將給制造技術帶來革命性變革。 應該說，與產(chǎn)品創(chuàng)新結合是快速成型技術發(fā)展的根本方向，也是實現(xiàn)創(chuàng)新型國家的利器。人們通過新制造技術和設備的更新，逐步從理想王國向自由王國挺進。

作者：李滌塵