单位文秘网 2021-07-09 08:17:47 点击: 次
在人们对3D打印报以无限期待时,也有些人时刻保持着冷静。《连线》杂志网站日前发表3D设计、工程和娱乐软件公司Autodesk总裁兼CEO卡尔·巴斯(Carl Bass)的一篇文章,从业内人士的角度阐述了3D打印领域的现状和前景。巴斯认为,虽然3D打印最近引起众多关注,但这项技术无法取代其他生产工艺,而且面临着材料、成本等方面的诸多限制,商业模式亟需改进。
而制造业大佬、鸿海董事长郭台铭也曾对3D打印口出“恶言”。他表示,3D打印绝不等于第三次工业革命,只是噱头而已,甚至说:“如果真的是,那我的‘郭’字倒过来写。”
3D打印真是无所不能吗?未来的3D打印将会发展成什么样,谁也不能下一个定论,但是在现阶段,3D打印并不是无所不能的,似乎也是不争的事实。
神话一
3D打印将取代传统制造业
在3D打印的众多神话中,“取代传统制造业”恐怕是最“神”的一个了。有人认为,3D打印机的出现改变了制造行业,你不再需要庞大的工厂,也无需跟工会打交道,只需在你屏幕上点击一个键——打印,就能重造了一个庞大的产业。
对于这一观点,中国3D打印技术产业联盟秘书长、亚洲制造业协会首席执行官罗军认为,这种看法是不符合实际的。任何商品的功能性都是由不同材料形成的,生活中我们需要很多商品,但我们每个家庭不可能都准备各种材料自己加工。如果我们需要的任何东西都靠自己打印,成本将大大超过大规模制造的同类商品。
不只是成本的问题,人们往往还有一个误解,认为3D打印可以一下子打印出汽车或电视这样的电器。“其实,3D打印只能获得一个外观相似的模型。要想具有真正的功能,还是要将其内在的电子元器件和成千上万个零部件一个一个打印出来,再组装而成。而这个组装过程,还是需要在传统制造体系的车间、传送带上完成。”郭峤说。
同时,材料技术问题的制约,也无法使3D打印完全代替传统制造业。正在撰写中国第一本关于3D打印书籍的中国科学院自动化研究所副研究员吴怀宇告诉记者,与传统切削加工技术相比,3D打印产品尺寸精度和表面质量相差较大,产品性能还达不到许多高端金属结构件的要求。
在他看来,目前的3D产品,从精度和强度上都有问题,所以制造出来的并不是最终的工业级产品,而更适合作为产品设计的模型。
因为真正的工业级打印机,一台3D打印设备就在五六百万美元的量级,而且金属粉末也很贵。同时,打印材料上也有需要技术突破的地方,比如打印金属构件的3D打印“墨汁”——金属粉末。这些粉末并不是简单的将金属磨成细粉状就可以,为了使金属粉末能烧融并且在0.1秒内凝结成形,金属粉末中要添加很多化学物质,3D打印的金属粉末材料,实际上是一种化合物。如果要做出媲美传统工艺的金属构件,这个化合物的配方需要进行大量的研究。
虽然金属是3D打印中技术难度最大的材料,但是想代替传统制造业,普通的材料也一样面临着问题。目前,以色列的Object是掌握最多打印材料的公司。它已经可以使用14种基本材料并在此基础上混搭出107种材料,两种材料的混搭使用也已经是现实。但是,这些材料种类与人们生活的大千世界里的材料相比,还相差甚远。
尽管,使用材料的范围会扩大,但不会囊括所有。每一个材料都有其自身化学特性,并不是所有材料都能实现液化、固化的转换,拥有这样条件的材料目前并不多。
在我国,3D打印最大的技术瓶颈也主要是材料。罗军告诉记者,任何一件产品的功能性主要取决于材料。难以突破的主要因素在于,我国工业化起步较晚,产业基础薄弱。未来突破的关键在于市场运用增加以后,将倒逼我国材料产业的进步。
虽然阻力重重,但是3D打印正朝着多种材料的趋势发展,而设计软件却还没准备好登上这个竞技场。
吴怀宇说,人们不能只关注3D打印机本身,帮助打印机实现最终工作的设计软件实际上非常重要。软件是3D打印的核心,它利用计算机来生成数字化的3D图纸模型,以便输出到3D打印机。正所谓“巧妇难为无米之炊”,缺少数字化软件支持的3D打印机将会变得毫无用处。
“而目前软件设计也是个问题。”吴怀宇说,当一个由多种材料组成,具有复杂功能,而且设计上还包含上百万精致又不同的设计曲面时,这个设计文件一定会占用令人难以想象的内存,一般的计算机可能很难完成这样的任务。这就是为什么现代设计软件还不能准确描绘出由细胞、神经末梢和血管组成的有血有肉的人手详细模型的原因。
神话二
3D打印机会走入每个家庭
对大众而言,能够走入家庭的桌面级3D打印机似乎更夺人眼球。不少人已经将其比为计算机界的个人电脑了。30年前,电子表格办公软件推动了PC机的普及。如今,一旦人们意识到,他们可以打印浴帘环之类的小东西,而无需再开车出门购买一些生活品时,3D打印就会成为主流。
不过,与家庭计算机不同,3D打印技术对使用者的设计能力有较高要求,因而对3D打印进家庭这一概念目前还不应太高期望。郭峤告诉记者,虽然理论上3D打印能让每个人成为设计师,但是就目前而言还是需要使用者具有相当的机械与计算机知识,能够操作3D建模软件。
“一般来说,设计师利用CAD软件建立立体模型,再把数据传给3D打印机,打印机特有软件能‘读懂’这些数据并控制打印。”郭峤介绍,“这一流程对普通人来说还是比较复杂的。因此,国外一些公司尝试把建模简化,让一般人有可能操作。不过,这一目标实现之路还很漫长。”
当然,目前普通人能够操作的3D打印还是有的。他介绍,国外一些公司设计的3D软件能在网页上直接运行,顾客通过鼠标操作就能完成简单的输出。它们通常是由几个固定图形组成,如正方形、圆形等基本结构,用户调整尺寸后打印输出,再把几个零部件成品搭起来就完成了。这些打印品有很大局限性,比如不规则形状就打印不出来,不过对普通用户来说这不失为一种体验3D打印的方式。
神话三
3D打印节约时间和材料
3D打印有两个别名:“快速成型”和“增材制造”。顾名思义,速度和节约原料是3D打印的两大优势。不过,这两大优势与人们想象中不太一样。
以3D打印的制作过程来说,真的谈不上“快”。郭峤告诉记者,“如果我们想做一个玩偶,按照传统工艺,注塑机工作几秒钟就能实现;而3D打印则需要好几个小时。不过,在制作之前的准备环节,传统工艺动辄需要几个星期来开模具,而3D打印只需要几个小时来设计。所以,3D打印的‘快’体现在准备过程上,综合看来3D打印确实耗时更短。”
不过,对于比玩偶大得多的物品而言,情况就要复杂多了。在3D打印界有个“幂定律”,说的是假如我们想要两倍大的东西,就要花费8倍的材料和8倍的时间,想要3倍大的东西,就要花27倍的材料和时间。这是不是说3D打印不适合体积大的产品呢?
清华大学激光快速成形中心林峰教授表示,由于体积是尺寸的3次方,幂定律确实影响制作时长。不过,更多情况下耗时取决于精度的要求,精度越高则打印越慢。“准确地讲,3D打印是一大类技术的统称,有些工艺可以做到很精准,这样当然耗时长。而精度低的工艺就要快得多了,它的成品还可以通过后期切削等方式来加工,达到更好的精度。因此,找到适合的工艺很重要,耗时并非简单3次方。”
在节约材料方面,3D打印有别于传统减材制造带来材料浪费,确实节约原材料。不过,郭峤提到,与我们想象的不同,3D打印所谓的“增材”也并不意味着完全不浪费原料。比如,打印一个房子模型,一层层叠加,当打到房檐的突出部分怎么办?直接打印材料会掉下来。像现实中盖房子需要脚手架托起飞檐一样,打印时也需要这么一个支撑物,打印完成后再把它拆掉,这个支撑物大约会造成20%-30%的浪费。而且在打印有很多较大空隙的塑料产品时,材料的浪费是比较严重的。中空的物体需要更多的支撑材料,这些材料会产生额外的废弃塑料粉末。尽管一些多余的支撑物材料可以回收,但是研究发现,平均只有40%的多余塑料粉末可以回收利用,而剩下的60%的则被倒入垃圾箱。
而另一种浪费则更加隐秘。以一件玩具为例,一个是亚洲一家沿海工厂批量制造的,另一个则是美国一个小打印店打印的。这两个塑料玩具哪个更环保呢?考虑到两个玩具都是塑料制造的,每生产一公斤的产品,一台3D打印机的耗电量至少是工厂注塑机的10倍。尽管名声不好,但是注塑机实际上非常节能,而且不产生任何原料浪费。所以,如果3D打印成品的浪潮扩大的全球,个人创造品海量出现,那么到底谁更不环保、更浪费,将是一个需要考虑的问题。
神话四
3D打印市场已经厚积薄发了
3D打印这个词很“火”,但与之不成正比的是它的市场:去年全年,全球3D打印全行业销售量只有4.2万台,其中2万台还是由Stratasys一家售出的。市场培育严重滞后是3D打印商业化的一大窘境。
以国内3D打印企业而言,郭峤告诉记者,太尔时代去年在全球范围内卖出四五千台3D打印机,今年预计会增长一倍多,但是从消费级电器来讲,这一销量还是太少了。国外情况也大体如此,因此“说3D打印井喷的时代还为时尚早,市场还需要长期地培养”。
在市场培养期,某些混乱难以避免。“我们的桌面3D打印机售价9999元人民币,而在网上,顾客可以找到五六千甚至3000元的打印机。由于3D打印行业是开源代码的,这些机器不需要研发就能‘攒’出来。尽管存在着技术不是组装者研发所以难于改进的问题,但是并不妨碍这些企业赚到第一桶金。”郭峤说。
不过,对整个3D打印行业来说,“第一桶金”是远远不够的。Stratasys亚太与日本地区总经理Jonathan Jaglom认为,3D打印的瓶颈在于人们再投资的意识。“以Stratasys 为例,我们收入的30%会再被投入到新材料的研发中。现在我们已经有130多种不同的新材料了,在我做这个行业20多年来,我们也看到不少公司很难有持续性的发展,这就是说你必须有一部分营收投入到再投资。”
神话五
3D打印范围不受限制
在去年的贺岁片《十二生肖》中有这么一幅场景:成龙戴着一副白手套,摸了一下国宝十二生肖的头像,就把头像数据扫描进了电脑。与此同时,相隔几公里之外,他的伙伴用一台柜状机器瞬间复制出一个一模一样的兽首。
虽略显夸张,但在我国最早从事3D打印专家之一、华中科技大学材料科学与工程学院副院长史玉升看来,这一场景用3D打印就能做到。不过,在电影中吸引人的桥段,到了现实中,却不免带来法律问题。比如,在艺术品收藏中,3D打印或许将让文物制造者有了更好的工具。油画耗材的出现,只要做油画表面的精细扫描,轻易就能一比一打印出一件艺术品。随着技术发展,出现高仿赝品的可能性将越来越大。
不仅如此,3D打印枪支也已经出现了。美国一个名为“分布式防御”(Defense Distributed)的激进组织发布广告称,只要拥有一台电脑和一台3D打印机,只需几个小时就可以制造一支半自动枪。无需生产许可证,不需要接受背景调查,即使不懂枪支知识和制枪技术也能在家轻松拥有一支枪。
虽然,“分布式防御组织”打印的武器还没有测试使用。但据美国“大众科学”网站消息,一位自称“HaveBlue”的网友在网站发文称自己最近成功打印出真枪的部分组件,准确地说,HaveBlue并没有打印一把完整的手枪,他只是打印出了AR-3D5自动步枪(军方称之为M3D6)的机匣。
但是HaveBlue结合真枪其他部件制作成了一把真枪,还在一个农场进行了试枪。“6米远的地方都能瞄得很准,累计射击200余次,枪身依然完好无损。”HaveBlue颇为自豪地说。
枪械如果可以不受限制地被大范围打印,那么后果不堪设想。美国步枪协会(NRA)曾有一句名言:“如果枪支不合法,那么将只有罪犯才会有枪支。”未来,这句话有可能会变成“如果枪支不合法,那么罪犯将拥有3D打印机”。
而3D打印的问世,还涉及到盗版、版权等问题,开源性的图纸,导致很难对版权和知识权产进行有效保护。一个设计师花费几年时间的辛苦工业设计,被远在地球另一端的人,只花费几分钟就简单打印出来,并以此牟利,这样的的事情未来很可能会发生。
当然,目前说3D打印可能牵涉到违法获得为时尚早,但是史玉升表示,缺乏行业标准是产业化发展体制上的障碍之一,“比如,我们用3D打印做出假牙,从实验室看与传统制造的假牙性能差不多,但是没有评判标准,医院还是不敢用。事实上,这是一个国际性问题,发达国家也只有部分3D领域的标准,没有总体规范。现在,我国开始重视这个问题,加紧研究制定。”
神话六
3D打印可以制造人体器官
在BBC(英国广播公司)网站上的一段视频中,美国威克森林大学再生医学研究所教授安东尼·阿塔拉,为人们展示了一段科幻小说似的场景。在一台3D打印机的沙沙作响中,一块柔软的人体组织被打印出来,安东尼随后还展示了他们当天早些时候打印出来的人的肾脏。
据安东尼介绍,打印器官时,研究人员首先从成年病人的骨髓和脂肪中提取出干细胞,通过采用不同的成长因子,这些细胞能够被分化成不同类型的其他细胞;然后他们再将这些细胞转化成液滴,制成“生物墨水”。接下来注射器一层一层地将“生物墨水”喷涂到凝胶支架上,这样一层层重复喷涂,直到器官的三维结构完成。这样,最终就能打印出一个完整的器官。
但是在很多学者看来,打印器官,目前只能算是一个科学幻想。
“目前来说,用打印的方法获得人类器官,还仅仅只是停留在科学幻想的阶段。”北京大学医学部解剖学与组织胚胎学系教授于恩华告诉记者。
同时,中国科学院北京基因组研究所甄二真教授也认为:“这个方向在未来是有可能的,但是如果说他现在就做出来了,一定是有问题的。”
于恩华说,人体的干细胞确实有分化的能力,它就像一个发育不成熟的细胞,能够在一定的营养和生成条件下,转化为肌肉细胞、神经细胞、肾细胞等人体各种细胞。但是不能说,因为干细胞有这种能力,通过打印就能获得一个有生命力的器官。
“就像人们已经掌握了基因图谱,但是至今也无法合成生命一样。人类目前就连一个单细胞的生物,都没有成功造出来过。”于恩华说,“掌握了生命的构成结构,和创造一个有活性的机体,之间的差别就像天与地的距离那么远。”人们对生命的认识还很有限,生命绝不是细胞、血管加神经就能简单复制的,其中的很多联系要比人们想象的复杂得多。
甄二真告诉记者,人体组织是非常复杂的,由细胞、纤维组织、结缔组织、脂肪等构成。利用自体干细胞,就能培育出完整的肾脏,目前这是不可能的。因为这中间还有复杂的过程。人造肾脏属于生物工程学的领域,但是要达到生物工程学的高度,需要完备的生物科学做支撑。
“但是人类现在所掌握的知识,连生物科学的很多基础问题都没有解决。”甄二真说,比如有人说用自体干细胞就能造出器官,但是干细胞要首先在体外进行诱导分化,然后再将分化的细胞准确安放在器官的固定位置。而干细胞的体外诱导分化,以及准确排列分子的位置,就是目前学界还未攻克的难题。
此外,构成器官的像氨基酸、多糖甚至是看不见的组织间液等处于分子水平的物质该如何排列安放,也是目前无法解决的基础科学问题。而这些内容,还没有任何医学文献可以提供参考。
“即使这些问题都解决了,也只能说基础科学弄清楚了。要想制造出肾脏,还需要进行更长时间的研究。”甄二真说,这就像弄清楚飞行原理和制造出能上天的宇宙飞船一样,它们之间的差距是巨大的。
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