圖為位于寧夏銀川的世界首個萬噸級鑄造3D打印成型智能工廠車間內景。（資料圖片）
圖為西安鉑力特增材技術股份有限公司3D打印的“鋁合金點陣結構”展品。 新華社記者 劉瀟 攝
國內首家建筑3D打印展館日前在廣東正式啟用。從外觀上看，這棟雙層建筑和普通的房子并無不同，但實際上，整棟樓沒用一磚一瓦，全是用可黏合混合材料打印而成。
如果擁有一臺3D打印機，你能夠制造什么？答案是：小到精密的零件、餅干、模具、衣服，大到醫療器械、工業裝備甚至汽車、火箭、建筑……都可以制造出來。難怪有人會說，在未來，一臺3D打印機幾乎可以創造一個世界。
2018年，3D打印正式被納入中國戰略性新興產業分類。作為新興前沿技術，3D打印承載著未來制造的無限可能，也顛覆著傳統制造業的思維形態。近年來，中國的3D打印技術快速發展，應用場景也越來越多，成為加快制造業轉型升級的重要手段。
大同的云岡石窟被原樣“搬”到千里之外的杭州
增材制造，俗稱3D打印。不同于傳統減材制造對原材料進行去除、切削的方式，增材制造是將特定材料通過層層疊加的方式來構造物體，在生物醫藥、航空航天、建筑等多個領域都能夠大顯身手。
掃描獲取三維數據、通過電腦編程，將模型導入打印機，一個與真肺一模一樣的肺部模型就可以從3D打印機里打印出來。今年6月，貴州省人民醫院胸外科首次利用3D打印技術完成了三維模型下的精準肺段切除術。這一模型，不僅精準再現了病人肺部的病灶位置，甚至連每根血管都栩栩如生。
醫療器械、器官模型、可植入人體的仿生組織……3D打印擅長塑造各種細節的優勢剛好滿足了醫學領域對各類模具的高標準需求。山西增材制造研究院院長宮濤表示，人工用鋼鐵、石膏等材質制造模具，產品在大規模生產前，還要多次打樣和修改。而3D打印機直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，能較精準地塑造復雜精細的造型。
不僅是醫療，3D打印的這一特性，也很適合應用在文物復制和修護上。不久前，位于山西大同的云岡石窟被“搬”到了千里之外的浙江杭州。在浙江大學藝術與考古博物館，全球首個可移動3D打印石窟——云岡石窟“音樂窟”原樣再現了原洞窟的風采以及千余年來風化留下的細微痕跡。借助數字化采集，制造者對原洞窟進行了1∶1復制，用輕型材料打印出110塊模型，再像搭積木一樣組裝成現在的復制石窟。由于是復制品，參觀者不僅可以身處其中細細觀賞，還可以伸手觸摸，可謂過足了癮。
除了擅長精巧細微的“繡花功夫”，3D打印對于造橋建房這樣的大工程也很拿手。
今年4月，在蘇州河堤防改造項目中，3D打印技術被直接運用于工地施工過程。不用砌磚、無需澆筑，現場只有打印機噴頭來回移動。高強度砂漿從噴頭中一點點流出，按照設定好的程序塑造出富有江南特色的造型。
“3D打印可使建筑一次成型，節約建筑材料60%，同時建造過程中的工藝損耗也減少了。”中國建筑技術中心材料工程研究所所長助理霍亮表示，由于打印使用的是機械自動化操作，還能節省近一半的人力。
值得一提的是，在今年5月發射升空的我國新一代載人飛船試驗船上，就搭載了一臺“3D打印機”。這是我國首次在太空開展3D打印實驗，打印材料是航空航天領域應用廣泛的輕質高強材料——碳纖維增強復合材料。
目前，隨著金屬材質打印技術的突破，航空航天也成為3D打印最具前景的應用領域之一。不管是制造快速成型、單件定制的航天設備零部件，還是復雜結構件和大型異構件，3D打印都是理想的技術手段。而這次實驗的成功，更讓人們感受到，“太空制造”離我們也不再遙遠。
過去幾個月才能制成的砂模現在只需幾小時
寧夏銀川，世界首個萬噸級鑄造3D打印智能工廠的車間內，數臺5米多高的白色鑄造用砂芯3D打印機在智能流水線上有序工作。這些設備，全部為企業自主研發。
與傳統的鑄造車間相比，無吊車、無模型、無重體力、無溫差、無廢砂及粉塵排放成為這家工廠的鮮明特色。在這里，鑄件生產變得快速而簡單——過去需要幾個月才能制成的砂模，現在只需幾個小時。這些鑄件不僅在國內銷售，還遠銷海外。
工廠所屬企業——共享裝備股份有限公司3D打印事業部市場總監李哲表示，相較于傳統加工制造，3D打印具有縮短生產流程、設計靈活、節約成本、降低制造難度等優勢。這一技術的產業化應用對鑄造行業的轉型升級、鑄造智能制造及未來鑄造智能工廠的建設將產生變革性的意義。
不僅是共享裝備，近年來，越來越多的制造企業開始采用3D打印進行零部件或整機生產。這一新興技術，改變了傳統制造的理念和模式。
近日，在哈電集團哈爾濱電機廠有限責任公司，國內首臺增材制造沖擊式水輪機真機轉輪研制成功。如果該轉輪在未來的電站使用中符合預期，則證明3D打印技術在制造沖擊式轉輪上具備可行性，為企業未來制造以往難以制造或無法制造的超小、超大型沖擊式轉輪提供一個解決方案。
“最初，我們開始關注3D打印，是用于模型轉輪的制造。每個模型轉輪都是單件生產，并且希望能在最短的時間內制造完成，這與3D打印的技術特點形成了非常完美的契合。”哈爾濱電機廠有限責任公司大電機研究所副所長王煥茂表示，“經過近兩年的研發，我們成功制造了國內首臺可應用于模型水輪機水力試驗的3D打印非金屬模型轉輪。在研發的進程中，我們認識到3D打印技術更廣闊的市場在金屬打印領域，在真機轉輪。”
一臺復雜的轉輪是如何打印出來的？哈爾濱電機廠有限責任公司大電機研究所科研員程廣福告訴記者：“將需要打印部分的數學模型導入相應的軟件，進行切片和打印路徑的規劃，再將這些數據轉化后傳送給機器人，最終機器人按照給定的運行程序攜帶焊槍完成轉輪的3D打印制造。”
依靠3D打印技術，過去需要4個月才能完成的轉輪制造如今被縮短到3個月之內。
“傳統鑄造工藝制造轉輪，工序繁多，參與的工種和工人也多。工人們勞動強度大不說，鑄造后的轉輪還容易有缺陷，精度差、加工余量大、產品質量與鍛件差距也大。”程廣福說，“尤其對于高品質的轉輪，需要采用整個鍛造圓形坯料，一點點地用數控機床將轉輪加工出來，我們通常稱為‘整摳’，從這個詞就可以看到這種方式加工的難度有多大，周期有多長，相應成本也會非常高。而如今采用3D打印制造轉輪，直接由三維模型到產品，省去了多個環節，加工量小，成本和周期也得以降低。”
未來3D打印將會像普通打印一樣普及
“不管你想要什么，只需下載圖紙，按下打印鍵就可以了，剩下的統統交給打印機。”這是一些人所暢想的未來場景。對此，不少業內人士表示，未來，要想實現更多的3D打印應用場景，關鍵在于材料，尤其是多元化打印材料的發展。
“巧婦難為無米之炊。材料科學是制造業的底層根基，3D打印的落地應用就是受限于材料的特性，導致成品率低等一系列問題。”清華大學建筑學院博士于雷表示，“材料的發展是3D打印發展的前提。就建筑領域來說，目前3D打印建筑被局限在使用混凝土材料上了，但是混凝土這種材料3D打印的靈活度并不高。”
在生物3D打印領域，材料創新的重要性更加突出，尤其是對于人體植入物。
羥基磷灰石是目前世界通用的仿人骨材料，但所用的酸性粘結劑卻會給被植入患者帶來術后痛苦。同時，由于人類骨骼內部結構復雜、密度不一，傳統3D打印所用材料密度一致、粉體單一，無法實現仿生骨的打印需求。
為了能夠制造一款最大程度接近人體骨骼性質的仿生骨，西北工業大學機電學院汪焰恩教授團隊將羥基磷灰石、黏合劑、細胞液等按照不同個體的骨骼性質進行科學配比，形成一種更能被人體環境接受的打印材料。并研制了一套3D打印控制系統，實現了仿生骨打印所需要的結構復雜、密度不均、復合粉體等要求。這樣打印出來的活性仿生骨與自然骨的成分、結構、力學性能高度一致，甚至可在生物體內“發育”。
汪焰恩教授表示，團隊目前也掌握了3D打印軟骨和皮膚的技術。下一步，他們將繼續探索真皮層中汗腺、毛囊、皮脂腺等結構的穩定打印技術。
在芯片這樣高精尖設備的打印制造上，新材料的突破也會帶來更多的打印成果。上個月，西湖大學的周南嘉團隊成功設計出全新的3D打印功能材料，以新材料為突破，實現了微米級別的電子3D打印。這是目前國內最高精度的電子3D打印技術。
山西增材制造研究院技術人員朱岳認為，如何研發出更多新材料，生產出質量更高的3D打印產品，是行業內的一大挑戰。今年5月，朱岳團隊自主研發出3D打印用光敏樹脂正式投產，改變了過去這種3D打印原材料依賴國際進口、成本過高的局面。朱岳表示，下一步，研究院將在研發材料、打印工藝、軟件數據研發上持續發力，他相信未來3D打印將會像普通打印一樣普及。（王雅慧）