3D打印让万千设计走进现实
制图：吴颖岚
3D打印机打出“小蛮腰”、手镯等成品。
在一台封闭式的大型机器盒中，激光将产品需要的粉末材料以每小时1厘米的厚度进行横断面烧结，层层烧结，叠加“打印”产品的各横截面，最终形成成型产品。这便是“神秘”的3D打印机的工作全流程。
由于产品按照三维数据模型，由材料层层叠加“烧结”或“黏合”而成，整个产品生产不受任何复杂结构和生产工艺限制，任何空间结构复杂的产品，在3D打印机面前都是同样的程序生产。
凭借这样的突破，3D打印对工业研发、设计前端带来革命性改变，设计人员不再受以往“设计可实现性”局限，任何复杂“怪异”的设想、设计都能够通过3D打印变成现实。
由于设想能够无限地走进产品现实，研发设计人员也不用耗费巨资开模，3D打印已陆续走进人们熟知的生产、生活领域：从手板制造到玩具工艺品、汽车、航空航天、生物医疗领域，甚至日常的照相馆也能见到3D打印的应用。据不完整统计，全球3D打印市场产值每年正以30%的速度在增长。
在国内，包括南京、青岛、成都、昆山等多个城市都在争先挖掘3D打印人才，争夺3D打印新市场。今年5月底，广州也将迎来国际3D打印知名科学家、美国3D system前技术总监、美籍华人科学家许小曙博士，他将带领3D打印团队在南沙成立广州南沙3D打印创新研究院。
3D打印时代已到来，广州如何拔得头筹、抢占新技术产业的制高点？“寻找广州经济领头羊”第二期走进3D打印，从微观样本探寻广州经济新变化。
南方日报记者 黄少宏 实习生 吕政桦
研发革命 3D打印时代到来
无拼接的传动轴、类似象牙雕刻的9层镂空套球、结构复杂的无人机机翼、发动机进气歧管、气缸盖样板、埃菲尔铁塔模型……这些琳琅满目的产品，都是世界“SLS（3D打印家族中的一种技术）”之父、广州南沙3D打印创新研究院院长许小曙设计的3D打印机生产出来的。
广州南沙3D打印创新研究院院长助理刘一展向记者展示了其中的传动轴，“这些产品的所有齿轮、旋钮都不是组装出来的，也没有焊接，全部是一次性打印出来的。”令人叹为观止的是，类似象牙雕刻的9层镂空套球，是在最核心的小球之外连续套着一层又一层的大球，且每一层都是镂空的。“利用传统手工艺雕刻必须花几十年才能完成的一个产品，用3D打印仅需要3个小时就能完成。”
事实上，不仅仅是降低时间成本，3D打印还突破了设计人员的思想“天花板”。从事3D打印的广州网能产品设计公司负责人邓以翔指出，3D打印的魅力在于让人们的创新能力大大提高，让个人Idea变成现实。
“无论在工业领域还是消费领域，这项技术带给了人们全新的理念与技术手段，原来受制于传统制造方式的设计理念获得了全新的实现途径。”许小曙指出，3D打印技术让设计人员的创造力得到更充分的释放。
“以前给一台洗衣机开模，要耗费上百万元。”许小曙举例说，由于开模耗费巨大，一旦开发出来不符合要求损失非常大，工业设计人员往往很谨慎；而他们用3D打印技术为国内家电制造龙头企业制作了一台洗衣机样机，仅仅花费了六万多元，设计人员的创意不用耗费巨资就可以进行测试使用，也就可以放开脑筋尝试各种不同的想法。
不独如此，对于内部结构复杂的产品，3D打印也有其优势。据介绍，进气歧管是发动机中结构最复杂的部件之一，该部件的传统开发流程大约需要经过4个月的时间。长沙理工大学方程式赛车利用许小曙研发的工业级3D打印机，制作出发动机进气歧管原型部件，耗时仅需48小时。测力试验证明，零件的力度、准确度和耐久性均未出现任何问题，而发动机效率增加了10%。
“我们已经和许多医院在外科手术上进行了合作”，许小曙谈到了3D打印对医疗领域的影响，他们已经成功完成30余例外科手术，3D打印把CT扫描的二维影像转变成三维实体，外科医生在实体模型上设计手术方案，如固定支架的形状和位置，螺钉的位置、长短等一些关键的技术参数，并且可以利用打印出来的实体，模拟手术过程，并验证手术方案的实际效果。
“采用3D打印技术可以将手术的时间缩短1/3以上，手术后的恢复时间减少一半，一些复杂的手术以前要数十年以上经验的外科医生才可以完成，而使用3D打印技术以后，年轻医生也能成功实施这类复杂的手术了。”
产业新军 精密制造业新力量
由于拥有传统制造业所不具备的优势，3D打印技术更有利于创意落地，从而被看成第三次工业革命的使者。加之其污染低、对劳动力依附程度低，欧美国家也视之为争取制造业回流的“法宝”。
“一个以3D打印技术为核心，包含信息、材料、光电、控制等各个上游领域，及航空航天、汽车、医疗、精密机械、创意文化等众多下游应用领域的新产业群快速萌生起来，成为世界经济中一个新的价值产生源。”
许小曙指出，3D打印技术是从数据模型直接制造三维实体，省略了占据传统制造大部分成本的“开模”环节，具有便捷、柔性、快速等众多优点。其突出特点是，将大批量无差异化的生产转化为个性化、差异化的快速生产。这种变革能让每个人都能参与其中，并快速获得自己的设计和构思实物，摆脱空间形状、加工手段、成本带来的限制。
“因此，3D打印技术完全可能将私人订制服务带入一个新的发展阶段，因为它从技术、经济的角度为这个领域提供了可行的实现手段。”而由于一台3D打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次做出不同形状的物品。相较于传统制造业，3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本。这意味着，随着技术的发展，低成本定制服务将成为未来的发展趋势。
按照这种发展趋势，许小曙预计，将来集中式的生产将逐步转变成为分布式制造，在网上购买个性化定制商品的设计文件后，人们就可以在附近的3D打印店打印出来。
事实上，由于3D打印技术的加入，这种个性化、小批量生产已经高精尖技术领域初现端倪了。据介绍，航空航天、大型武器等装备制造业，零部件种类多、形状复杂且性能要求高，需要进行反复测试。3D打印在这样一些小批量、个性化的产品领域，除了在研制速度上具有优势外，甚至能直接加工出特殊、复杂的形状，简化装备的结构设计并进行使用。“像利用3D打印可以打印飞机的一些零部件，并且可以实现减重、省油的效果。”从事3D打印的大业激光企业负责人陈玹如是指出。
许小曙向记者展示了一款他们用SLS工艺打印的无人飞机尾翼。飞机的尾翼内部安装了空速管，一端与飞机中部的测速装置相连，另一端则与外部相连，若用传统工艺来制造，尾翼要一分为二，中间空速管填入后，再将两部分合一，既影响速度的测量，又制造不够精细，不可靠且工艺复杂。
“通过3D打印可以将整个尾翼一体打印出来，一次性解决所有的问题，这是其他工艺无法达到的水平。”据介绍，将与南沙3D打印创新研究院形成产业链对接的生产企业——华曙高科，已经与高校合作打印出多款无人飞机，今年还将在珠海航展上亮相。
广州探索 布局3D打印产业园
有报告预测，到2017年，全球3D打印的市场份额将达到50亿美元。而国内3D打印产业在近一两年内也进入了爆发式增长，广州有一家企业今年一季度售出的3D打印机已经和2013年度一样多，产值近千万元。
除了企业自发进军3D打印市场，各地政府也跃跃欲试。值得注意的是，在3D打印技术的发展热潮中，广州同国内不少城市一样，也逐步开启了自己的探索步伐。邓以翔透露，目前广州已经就3D打印产业发展展开了调研，并提出了打造3D打印产业园的设想。
南沙新区也开始展开了这方面的探索。早在2013年9月，广州南沙区经贸科技和信息化局，已就南沙新区3D打印产业发展规划项目进行公开招标：借外脑邀请相关咨询公司，就3D打印技术、应用、产业及方向做论证，合理利用各种资源，将南沙打造成为3D产业发展的集聚地。
在这一背景之下，广州南沙3D打印创新研究院将落户南沙。3D打印创新研究院是非盈利组织，旨在提供更加符合市场实际需求的研究成果。该研究院的院长许小曙决定凭自身在国际3D打印行业的影响力，抢占核心技术、产业、人才，使南沙快速形成国际3D打印核心技术人才的聚集效应，同时实施3D打印科研产业转化项目，在这些基础上，最终建立一个拥有自主核心技术、能参与国际市场竞争的3D打印研发产业聚集中心。
许小曙告诉记者，研究院将引进一批国际资深专家，第一期已经确定聘用的3名专家分别来自美国3D打印行业龙头企业3Dsystems公司和欧洲TNO研究院等机构，都有20年以上从业经验，专门从事应用型研究，从而确保研究成果能够直接应用于市场。
同时，广州南沙3D打印创新研究院还将到美国南加州大学、欧洲TNO研究院物色3D打印研究初步成果。“这些是原理性研究，其成果要投放到市场还必须经过进一步转化，否则商业公司无法直接应用，也不敢投资。”许小曙将带领南沙3D打印创新研究院的研发团队，对这些初步成果做进一步研究，转化成为有着旺盛市场需求的产品。经过这一项转化，可能价值仅有2000美元的初步成果就可能跃升为价值数百万元的项目。
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