快速成型技術(shù)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(diǎn)一下“打印”按鈕，車床、銑床、刨床、加工中心、經(jīng)驗(yàn)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(biāo)取代。 這是一項(xiàng)什么樣的技術(shù)？“一項(xiàng)將要改變世界的技術(shù)。”剛剛出版的英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志以封面文章的形式報(bào)道了它———三維打印技術(shù)。

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(jì)５０年代預(yù)見蒸汽機(jī)的影響，無法在１５世紀(jì)５０年代看到活字印刷的未來，無法在上世紀(jì)５０年代料到晶體管的沖擊；人們目前還很難充分估計(jì)三維打印技術(shù)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(jī)的噴頭，將材料根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一點(diǎn)一點(diǎn)噴射出來，直接堆積成各種立體零件。該技術(shù)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(gòu)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(jì)８０年代后期開始，隨著計(jì)算機(jī)、激光和新材料技術(shù)的發(fā)展，材料累加制造原理在機(jī)械制造領(lǐng)域迅速應(yīng)用開來�！翱焖僭�型制造”、“累加制造”、“實(shí)體自由制造”……各異的叫法分別從不同側(cè)面表達(dá)了這種制造方法的特點(diǎn)，其中使用較多是“快速成型制造”。

這一技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、機(jī)床、夾具，可快速而精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件模型，從而實(shí)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(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)越是復(fù)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(jié)合，形成了許多制造設(shè)備。目前已有的設(shè)備技術(shù)種類達(dá)到２０多種，其中主要有光固化快速成型技術(shù)、選取激光燒結(jié)技術(shù)、三維打印技術(shù)等。

其中，三維打印技術(shù)是１９９６年以來發(fā)展最快的快速成型技術(shù)，其特點(diǎn)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(shù)一出現(xiàn)就取得了迅猛發(fā)展，在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車、航空航天、醫(yī)療、軍工、地理信息、藝術(shù)設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。單件快速制造，可以應(yīng)用于產(chǎn)品的研發(fā)階段或單件小批量制造———這一特點(diǎn)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(qiáng)烈�？焖俪尚褪袌鲋�，美國和歐洲占據(jù)了７０％多的裝機(jī)量，
它們的許多產(chǎn)品都是在快速成型技術(shù)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(jī)的概念模型，很快開發(fā)出了新產(chǎn)品。工程師認(rèn)為：“使用概念模型可以使我們比以前更快地捕捉設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，并且在相同時(shí)間內(nèi)以一個(gè)更好的產(chǎn)品結(jié)束。” 一家公司為谷歌ＳｋｅｔｃｈＵｐ軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)插件，允許使用者從一個(gè)建筑物概念設(shè)計(jì)連接到三維打印機(jī)輸出，直接產(chǎn)生一個(gè)基本尺度的建筑模型。 快速成型還可以與金屬鑄件結(jié)合，并且延伸到許多工業(yè)領(lǐng)域。比如，這一技術(shù)使首飾行業(yè)發(fā)生了巨大的變化。三維立體打印技術(shù)可以快速制造出極其精細(xì)、精確的珠寶樣式，這是傳統(tǒng)的手工加工技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的。有的珠寶商已經(jīng)用該技術(shù)訂制金飾。又如，美國利用快速成型技術(shù)制作無人機(jī)的風(fēng)洞模型，使得無人機(jī)研發(fā)速度大幅提高。 快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用則是一個(gè)嶄新的方向。

該技術(shù)可以制造手術(shù)方案所需的模型。例如，在加州大學(xué)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(shù)的問題。這對雙胞胎出生時(shí)頭部相連，雖然大腦、動(dòng)脈是分開的，但頭部的靜脈血管卻相互交織，手術(shù)時(shí)需要將其分離。通過快速成型機(jī)，醫(yī)生們制造出嬰兒頭部動(dòng)靜脈血管的模型，從而提前制定出詳細(xì)的手術(shù)計(jì)劃。醫(yī)生亨利說：“現(xiàn)在不需要?jiǎng)e人幫助，我們就可以把以前需要９７個(gè)小時(shí)的手術(shù)減少到２２個(gè)小時(shí)�！� 目前還有工程師與醫(yī)生合作，使用快速成型技術(shù)給患者定制骨 骼替代物，幫助患者修復(fù)缺失的骨骼。新的研究方向甚至用三維打印機(jī)直接把細(xì)胞堆積出來，經(jīng)過體外培養(yǎng)去制造復(fù)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(shù)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(xué)性能制約了工藝的實(shí)現(xiàn)。在成型材料上，目前主要是有機(jī)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(diǎn)，正在逐漸轉(zhuǎn)向工業(yè)應(yīng)用，但難點(diǎn)在于如何提高精度。 由于市場需求的變化，快速成型技術(shù)發(fā)展趨勢表現(xiàn)在３個(gè)方面。 首先是快速成型制造技術(shù)本身的發(fā)展趨勢。三維打印技術(shù)是國外近年來的發(fā)展熱點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價(jià)值。而金屬直接成型技術(shù)使得金屬結(jié)構(gòu)零件可以直接制造，不久就可以在工業(yè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。 快速成型技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展方向是陶瓷零件和復(fù)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(shù)會(huì)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(jī)一樣方便，自己在家里就可以設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，激發(fā)人們的創(chuàng)造力。

在快速成型技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，也會(huì)使仿制越來越容易，難免會(huì)產(chǎn)生知識產(chǎn)權(quán)糾紛。但如果制造技術(shù)非常容易，簡單的仿制就沒有更多市場，人們會(huì)更加樂于進(jìn)行改進(jìn)，以求得自己的個(gè)性化，這樣就會(huì)使產(chǎn)品更加豐富多彩，每個(gè)人都會(huì)成為創(chuàng)造的主體。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，快速成型設(shè)備的成本越來越低，２０年內(nèi)這一理想是有可能實(shí)現(xiàn)的。 我們再來看快速成型應(yīng)用領(lǐng)域的拓展趨勢�？焖俪尚涂梢詾槠�車新品開發(fā)提供快捷的支撐技術(shù)，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(shù)手段。快速成型還在向著創(chuàng)意設(shè)計(jì)、建筑模型制造、 地理模型制造、航空航天器件制造等領(lǐng)域發(fā)展，為各行各業(yè)提供簡單快捷的工具。

在學(xué)術(shù)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(jié)構(gòu)與外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造一體化方向發(fā)展。研發(fā)人員正力圖實(shí)現(xiàn)從微觀組織到宏觀結(jié)構(gòu)的可控制造。例如利用細(xì)胞打印技術(shù)制造器官，三維打印機(jī)可以根據(jù)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)（微觀結(jié)構(gòu)制造），這些微結(jié)構(gòu)堆積起來形成了大尺寸的器官（宏觀結(jié)構(gòu)制造）。這一發(fā)展方向?qū)⒔o制造技術(shù)帶來革命性變革。 應(yīng)該說，與產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)合是快速成型技術(shù)發(fā)展的根本方向，也是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型國家的利器。人們通過新制造技術(shù)和設(shè)備的更新，逐步從理想王國向自由王國挺進(jìn)。

作者：李滌塵