3D打印：拓展人類制造的邊界

早在2012年英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志發(fā)表專題文章，稱3D打印 (增材制造) 將是第三次工業(yè)革命，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，如今產(chǎn)業(yè)界更多地思考如何將3D打印發(fā)揮出其獨(dú)特的功效，而不僅僅是概念的炒作。

在美國(guó)佛羅里達(dá)州邁阿密 Nicklaus 兒童醫(yī)院，年幼的Mia長(zhǎng)期承受著呼吸不暢的折磨。她是一個(gè)心臟罕見疾病患者，雙層脈弓糾纏在一起，血管環(huán)纏繞在氣管和食道的四周，抑制空氣流動(dòng)，并導(dǎo)致咳嗽和呼吸道反復(fù)感染。

Nicklaus 兒童醫(yī)院參照 Mia 的 CT 掃描圖，制作了3D 打印心臟模型。有了這個(gè)模型，兒童心血管外科主任 Redmond Burke醫(yī)生和他的團(tuán)隊(duì)便能確定脈弓需要分離的部位，以達(dá)到最佳的治療效果。

借助于Stratasys 3D打印解決方案，那些扭曲的血管可以采用不同的顏色分層打印出來，借助熱成像技術(shù)最大程度地還原細(xì)節(jié)。短短兩個(gè)月，Mia 就從手術(shù)中恢復(fù)過來，回歸正常生活，告別了四年因誤診而經(jīng)歷的痛苦生活。對(duì)于外科醫(yī)生而言，一個(gè)精確的 3D 模型比單純的先進(jìn)成像技術(shù)更有價(jià)值。

Stratasys公司是FDM打印技術(shù)發(fā)明者和全球最大的工業(yè)/專業(yè)級(jí)3D打印機(jī)公司，其亞太及日本地區(qū)總裁Omer Krieger分享這些案例時(shí)解釋說，3D打印在醫(yī)療模型領(lǐng)域大有可為。每個(gè)人的病灶都不一樣，用CT掃描病灶部位后，再用不同的色彩，硬性或軟性的材料把相關(guān)部位打印出來，將方便外科手術(shù)醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃。

3D打印，想說愛你不容易
從1983年第一臺(tái)3D打印機(jī)問世以來，行業(yè)發(fā)展到今天，3D打印技術(shù)的價(jià)值和對(duì)傳統(tǒng)制造的破壞性影響還沒有發(fā)揮到極致。根據(jù)咨詢公司安永的調(diào)研，只有4%的公司在戰(zhàn)略層面運(yùn)用到了3D打印的技術(shù)，還有76%的企業(yè)對(duì)此沒有經(jīng)驗(yàn)。但是根據(jù)全球知名研究和咨詢公司Gartner發(fā)布的2017年3D打印行業(yè)的預(yù)測(cè)報(bào)告，到2020年，10%的工業(yè)運(yùn)營(yíng)商會(huì)將機(jī)器人、3D打印技術(shù)整合到制造業(yè)流程中;在醫(yī)療領(lǐng)域，30%的內(nèi)部醫(yī)療植入物和設(shè)備將是3D打印的;此外，產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間將因3D打印減少25%，全球75%的制造業(yè)務(wù)將整合3D打印工具、夾具用于生產(chǎn)成品。

與大規(guī)模工業(yè)制造需要開模相比，3D打印技術(shù)的好處很明顯，能迅速將設(shè)計(jì)創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物，尤其擅長(zhǎng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制作，便于設(shè)計(jì)師和用戶進(jìn)行早期設(shè)計(jì)驗(yàn)證，幫助縮短研發(fā)周期，制作過程不用考慮生產(chǎn)工藝，可以直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體等等。

Omer Krieger說，“此前3D打印多是在第一階段原型階段使用，現(xiàn)在逐步進(jìn)入工具制作的階段，我們要達(dá)成的是第三階段的目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字制造(DDM)，即用3D打印直接走向生產(chǎn)制造，做出最終使用的零件�！�

原材料的制約
直接數(shù)字制造是根據(jù) 3D CAD 數(shù)據(jù)進(jìn)行 3D 打印，直接制造最終產(chǎn)品的制作流程，包括制造產(chǎn)品原型、生產(chǎn)工具或最終零部件等。這種“智能制造”的方式能顯著縮短交付時(shí)間和生產(chǎn)成本，并具有小批量生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，幫助企業(yè)快速響應(yīng)客戶需求及市場(chǎng)變化。

醫(yī)療和航空航天領(lǐng)域恰好是對(duì)打印材料和技術(shù)要求極高，又需要采用個(gè)性化定制的領(lǐng)域，而在汽車和電子電氣行業(yè)， 3D 打印技術(shù)已經(jīng)開始用于超小規(guī)模量產(chǎn)和備件生產(chǎn)�！斑@是生產(chǎn)制造概念的革新，增材制造不會(huì)替代傳統(tǒng)制造業(yè)，反而是在全新的領(lǐng)域進(jìn)行開拓�！監(jiān)mer Krieger說。
但是要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)卻對(duì)打印材料提出了極高的要求，不僅要滿足強(qiáng)度等功能要求，還要滿足對(duì)表面光滑程度、美觀度的要求。為此，化工業(yè)巨頭巴斯夫于2017年9月1日成立新公司——巴斯夫 3D 打印解決方案有限公司，主要致力于建立和拓展3D打印材料、系統(tǒng)解決方案、組件和服務(wù)等業(yè)務(wù)。

在化工行業(yè)，巴斯夫擁有廣泛的 3D 打印材料產(chǎn)品組合，包括各種熱塑性工程塑料、聚氨酯、丙烯酸酯系統(tǒng)(如感光聚合物)、光敏材料、功能添加劑、穩(wěn)定劑、顏料和金屬系統(tǒng)等等。在獨(dú)立成型部件的工業(yè)制造領(lǐng)域(如汽車制造)，巴斯夫?yàn)榧す鉄�結(jié)工藝開發(fā)的聚酰胺-6 粉末比普遍使用的聚酰胺-12提高了成品的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。巴斯夫亞太創(chuàng)新園(上海)的3D打印研發(fā)實(shí)驗(yàn)室里，研發(fā)人員正在開發(fā)面向高沖擊強(qiáng)度 3D 打印功能件的先進(jìn)油墨和樹脂材料。“這是因?yàn)椴捎矛F(xiàn)有3D 打印先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的塑料部件在機(jī)械和熱力性質(zhì)方面往往有局限性。我們需要有針對(duì)性地改善材料性質(zhì)，滿足塑料、陶瓷或金屬部件生產(chǎn)的要求�！卑退狗蛐聵I(yè)務(wù)公司3D打印高級(jí)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Michael Tang說�！拔磥�3D打印技術(shù)能否普及取決于打印產(chǎn)品的價(jià)格是否更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。因此，重點(diǎn)在于降低材料和設(shè)備成本、增加產(chǎn)量和提高質(zhì)量�！�

讓飛機(jī)成為3D打印的產(chǎn)物
與Stratasys主要從事塑料和復(fù)合材料打印不同的是，美國(guó)工業(yè)公司霍尼韋爾在航空航天領(lǐng)域首次嘗試金屬材料打印。塑料打印和金屬打印是兩個(gè)完全不同的概念，兩者之間沒有任何的共通性。

2015年1月，霍尼韋爾成為第一家使用電子束熔煉(EBM)技術(shù)(即3D打印)，利用鉻鎳鐵合金718生產(chǎn)航空航天零部件的企業(yè)。 鉻鎳鐵合金作為“超合金”，是一種擁有若干關(guān)鍵特性的合金，耐氧化和耐腐蝕，在高溫高壓等極端條件下也適用，因此可用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。

2015年1月28日，霍尼韋爾首次正式使用這種材料和技術(shù)生產(chǎn)航空航天組件，在HTF7000發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)管腔。 通過將8個(gè)不同零件號(hào)合并成一個(gè)限定的零件編號(hào)的設(shè)計(jì)，交付時(shí)間可從數(shù)月減少至數(shù)周。最終可獲得一個(gè)質(zhì)量更好的零件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)軋制產(chǎn)量增加、減少庫存、提升生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本。有了成功經(jīng)驗(yàn)的支撐，霍尼韋爾開始用同樣的技術(shù)和材料生產(chǎn)后軸承渦輪支架(RBTS)，并且已經(jīng)確定考慮運(yùn)用3D打印技術(shù)生產(chǎn)多種零件。

霍尼韋爾航空航天增材制造專家Donald Godfrey 說道，“3D打印開啟了航空制造業(yè)的新篇章。下一個(gè)大的推動(dòng)將是用該技術(shù)制造輔助工具，霍尼韋爾正在開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)來幫助降低工具上的預(yù)算，并推動(dòng)其投入生產(chǎn)，在減少零部件耗費(fèi)成本的同時(shí)提高質(zhì)量(軋制產(chǎn)量)。隨著3D打印應(yīng)用的普及，我們預(yù)計(jì)航空業(yè)將進(jìn)入一個(gè)快速供應(yīng)鏈管理階段，因?yàn)楣�司們都可以在網(wǎng)上打印所需的部件了。”

與此同時(shí)，Stratasys也成為了空客公司的供應(yīng)商，專門為其生產(chǎn)A350型號(hào)飛機(jī)的零部件。雖然定單量很小，只有36個(gè)零部件，因?yàn)檫@些零部件在每架飛機(jī)上可能只會(huì)用到一個(gè)或者幾個(gè)，但這些小小的進(jìn)步里埋藏著前景廣闊的未來。

來源：中國(guó)經(jīng)營(yíng)網(wǎng) 商學(xué)院作者：錢麗娜