打印出来的新世界

　　1870年前后，一场用电动机取代蒸汽机的产业变革在英格兰中部地区发端。这场被后人称作“第二次工业革命”的大变革，不仅带来了电灯、电话、汽车等无数如今人们认为必不可少的新事物，也让世界格局发生了颠覆性的变化---大国崛起和世界大战。

　　如今，以3D打印技术（又称增材制造技术）为标志的“第三次工业革命”正在向我们走来。来自学界的美好描绘，足以让每一个普通人血脉贲张：以尖端工业中的航空发动机制造为例，以前，从购买原材料到最终加工成零部件，材料的利用率有的仅有10%到20%。而3D打印技术的运用，理论上能使原材料、工时、能源的利用率达到100%。

　　一个没有材料浪费的新世界，已近在咫尺？3D打印机，是否已经颠覆了制造业的传统规则？

　　通用全球副总裁兼通用全球研发中心先进技术负责人迈克尔·埃德戚克（Michael Idelchik）在接受《瞭望东方周刊》专访时预测，3年内，3D打印技术就将在航空航天、医疗器械等高附加值领域得到应用；5到7年内，随着设备的不断成熟，能够承受和承担24小时不间断的制造，3D打印技术就能在更广泛的领域得到充分应用。

　　事实上，在一些特殊领域，3D打印技术已经带来了颠覆性的变化。超声设备制造就是一个典型。为了获得高清晰成像，超声探头所需材料需要长时间的切割以及打磨，也就成了超声设备中最昂贵、劳动最密集的部件。而运用新型增材制造技术将这些探头上的复杂部件一次“打印”成形，就能免去数小时的切削及精细加工，将大大降低劳动力成本和生产成本。

　　在《经济学人》的一组“制造业与创新”的专题报道中，如此介绍了3D打印机的工作原理：“使用3D打印机就像打印一封信，轻点电脑屏幕上的‘打印’按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面，以形成一幅二维图像。在3D打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。

　　文章称，科学家们正在利用3D打印机制造诸如皮肤、肌肉和血管片段等简单的活体组织，很可能将来有一天能够制造出像肾脏、肝脏甚至心脏这样的大型人体器官。而近日一条来自英国的新闻，缩短了利用3D打印技术实现梦想的路程。英国《每日邮报》（The Daily Mail）报道称，一名60岁的英国患者因恶性肿瘤被迫切除了整个左脸，只能借助喂管进食。但英国伦敦皇家医院的牙医兼移植专家最近利用3D打印技术重塑了其左脸。

　　报道介绍，这个名叫埃里克·莫杰因的患者如今可以正常地喝水进食，说话也清晰多了。

　　能节省大量时间和原材料成本

　　《瞭望东方周刊》：在你看来，3D打印技术为何会被认为是“第三次工业革命”的标志？

　　埃德戚克：人类从开始生产东西以来，就一直采用减法，用切削的方式让零件变成想要的形状。时至今日，虽然人类的技术不断进步，生产流程不断改善，但仍然浪费了大量的时间和原料。3D打印技术，也就是增材制造技术将改变传统制造方式，通过逐层添加材料制造东西，能节省大量时间和原材料成本。

　　不过，3D打印技术并不是刚刚产生的新鲜事物，仅通用就有十五六年的研发历史了。过去，这项技术主要用于快速成型，而不是做一些功能性部件或验证一些功能设计。但现在，3D打印技术面对的环境发生了变化，例如高温材料、复合材料、树脂材料等高精度、高强度材料的应用；软件能力的提升，科学家从设计图纸到直接转化为制造图纸，使得3D打印技术得以成为制造工艺的一部分。

　　已有人用3D打印技术打印表带

　　《瞭望东方周刊》：3D打印是否已经有了具体应用的案例？未来几年会在哪些领域得到集中应用？

　　埃德戚克：目前，3D打印应用主要集中在两个方面。第一是用于高性能的产品，比如燃气轮机、飞机发动机和医疗器械。在这些领域，3D打印可以提高制造能力；第二是3D打印和传统制造的结合，例如，在汽车工业里，欧洲有一些厂家经常需要多品种、小批量的零部件，非常适合3D打印，免去了大规模的模具制作，减少了工具制造成本。

　　3D打印技术的应用有非常大的潜力。一般消费领域也能应用，比如未来人们可以在家为自己的高跟鞋打印鞋跟，想要什么形状都行。未来的家庭，拥有一台3D打印机就跟现在拥有一台2D打印机一样普遍。实际上，在今年的消费电子展览会上，已经有人用3D打印技术打印表带了。

　　3D打印和传统制造业是一个结合的趋势

　　《瞭望东方周刊》：有观点认为，新技术的运用会使传统制造业被完全淘汰，也会使得制造业对原材料的需求发生巨大改变，不久前就有美国科学家用陶瓷材料“打印”了一支步枪。请问3D打印技术会推动新材料的出现，并取代传统制造业中使用的金属材料吗？

　　埃德戚克：3D打印和传统制造业有结合的趋势。比如用传统制造方法加工一个小毛坯，然后用3D打印堆积其他复加件，就是一个典型的结合。所以，千万不要认为3D打印技术就会彻底取代传统的制造技术，这应该是一个融合的过程。

　　材料方面，新的复合陶瓷是一个例子。在一些特定环境，陶瓷材料可以取代部分金属合金，但是，陶瓷材料的性能，比如硬度、疲劳强度还不行，所以，很难对现有材料实现广泛替代，新材料还需要更多的研究开发，而且新的研发也还需要更多的时间。例如，陶瓷的性能和金属的性能不一样，金属的延展性和导电性，有些陶瓷还没有。除非陶瓷具备了这些属性，否则广泛替代还谈不上。

　　目前，3D打印还是会用到很多金属粉末，因此对金属资源的需求还在，但从3D打印技术本质上看，未来人类社会对整个金属的需求会变少。当然，更多地使用复合材料也会减少对金属的需求。不过，对于新材料，我们目前更关注的是如何提升其性能，尤其是一些高温材料，这方面的研究还必须更加深入，才能把那些高性能材料的特征表现出来。

　　需要克服的障碍

　　《瞭望东方周刊》：你认为，“第三次工业革命”还包括哪些尖端的技术？这些技术要广泛应用还有哪些障碍要克服？

　　埃德戚克：从先进制造技术来看，尖端技术还包括激光、水切割、高速氧焰热喷涂等技术，这些技术和3D打印技术一起，成为一整套的制造手段、这样会产生更多的综合效应。（注：高速氧焰热喷涂是一种在表面堆积涂层的技术。水切割，是一种利用高压水流切割的技术，可以在电脑的控制下任意雕琢工件，而且受材料质地影响小。）

　　至于你提到的障碍，目前主要存在三个方面的困难。第一是材料特性的挑战。一般的树脂材料没问题，但要做高温的树脂材料、金属材料，还需要很多的研究，特别需要更多的科学思维进入，从而提高材料的特性。现在中国、欧洲、日本和世界很多地方都有这方面的研究。第二是机床的标准化和可靠性。现在的设备并不是十分可靠，这方面也需要大家去研究。第三就是需要一个很好的环境，整个材料、机器和整个3D打印的环境都需要突破，这里面就包括高质量的粉末、控制、机床本身、材料交互等很多方面。

　　也就是说，整个系统，包括材料、加工工艺和设备三方面在内，均需要全面提升，这涉及到很多综合学科。比如我们提到的激光、材料、光学系统，或者软件、控制，等等，这些都属于多学科交融的领域。

　　《瞭望东方周刊》记者姜智鹏|上海报道