3D打印：以数字创意打印未来

高茜

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是一套利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，它与普通打印工作原理基本相同，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

3D打印产业=增材制造业

当前全球范围内新一轮科技与产业革命正在萌发，世界各国纷纷将增材制造作为未来产业发展新增长点，推动增材制造技术与信息网络技术、新材料技术、新设计理念的加速融合。2016年时全球3D打印市场达2.796亿美元，市场研究公司IQ4在2017年的分析报告里也指出，到2022年，全球医疗3D打印市场规模将达到38.9亿美元。

2017年12月13日，工信部发布了《十二部门关于印发<增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）>的通知》（以下简称《通知》）。

《通知》明确，工业和信息化部、发展改革委、教育部、公安部、财政部、商务部、文化部、卫生计生委、海关总署、质检总局、知识产权局等12部门联合制定了《增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）》（以下简称《计划》）。

《计划》的着力点主要有：

一是着力行业推广应用。《计划》明确到2020年要开展100个以上试点示范项目，推动增材制造在10个重点制造业领域的示范应用，推动“3D打印+医疗”“3D打印+文化创意”“3D打印+创新教育”“3D打印+互联网”的示范应用，加快培育一批创新能力突出、特色鮮明的示范企业和产业集聚区。

二是着力推动军民融合。大力推动增材制造技术在航空、航天、船舶、核工业等军工领域的创新应用，加强军民资源共享，促进军民两用技术的加速发展。

三是着力生态体系建设。要形成从材料、工艺、软件、核心器件到装备的完整的增材制造产业链，涵盖计量、标准、检测、认证、人才等在内的增材制造生态体系。

《计划》由12个部门联发，力度空前，充分体现了国家对增材制造产业发展的重视和支持，对产业发展将发挥积极的推动作用。

一场行业内的高峰论坛

2017年12月22日，“数字创意，打印未来”——3D打印产业创新发展高峰论坛在北京开启，论坛上汇聚了国内3D打印产业链上下游的顶尖专家和行业翘楚，深度探讨了3D打印前沿技术在生物医学、高端制造、建筑建造、文创、军工等产业领域的应用和创新理念，加强3D打印产业优势资源融合，助力传统产业升级并共享发展契机。

生物医学

目前，医疗领域已经占领了3D打印市场份额的三分之二。

《增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）》中，特别提出在“3D打印+医疗”方面，针对医疗领域个性化医疗器械（含医用非医疗器械）、康复器械、植入物、软组织修复、新药开发等需求，推动完善个性化医用增材制造产品在分类、临床检验、注册、市场准入等方面的政策法规。

华中科技大学是国内最早从事生物3D打印的少数几个代表性的单位之一，经历几代人的努力，现在已在3D打印领域建立起雄厚的实力和基础，特别是在3D打印专用生物材料和生物3D打印设备设计制造领域具有自己的特色和领先优势。

张胜民教授作为华中科技大学先进生物材料与组织工程交叉学科研究中心主任，他对生物3D打印领域的研究，已有超过十余年的时间，取得了诸多成就。

从2004年开始，张胜民教授带领的团队积极思考“如何将华中大在快速成型制造领域强大的通用技术和学科基础转化为生物3D打印的独特优势”这一重要课题，研究发现，一段时间制约生物3D打印发展的技术瓶颈是缺乏适用的3D打印专用生物材料。这类似于我国在激光印刷领域的遭遇，其技术瓶颈不是制造打印机，而是“墨粉”技术掌握在国外少数大公司手里。而在生物3D打印领域，我国更是缺少这样的“生物墨粉”。

课题组根据生物体组织结构精细和高度多级有序的特征，提出并发明了一系列“微纳生物砖一一生物微球”、“生物墨水”及其制造技术，获得中国授权发明专利20余项。这些微球和微纳建筑单元可进一步复合或携载活细胞、药物和生长因子，据悉，目前该团队研发的系列3D打印专用生物材料已经实现产业转化和规模生产。

功夫不负有心人，研究成果再攀高峰。

国际生物材料领域排名第一的期刊《生物材料》（Biomaterials），2017年刊登了张胜民教授团队利用3D打印专用生物材料成功再生修复关节软骨/骨综合缺损的最新研究进展，即采用一个仿生组织支架同时实现了软骨组织和软骨下骨组织的完美再生。为便于理解和记忆，张教授幽默地借用邓小平同志关于“一国两制”（One Country，Two Systems）的论述句型，形象地将该项成果解释为“One Scaffold，Two Tissues”（一个支架，两种组织）。实际上，该项成果也展示了同一个支架实现多组织再生的前景。

该项新进展主要取得了三点突破：一是采用具有完全独立自主知识产权的3D打印专用生物材料；二是利用3D打印技术构建出关节软骨/骨组织的复杂仿生结构支架；三是在无需预置任何活细胞和生长因子条件下，能够实现关节软骨/骨综合缺损的再生修复。其中尤其值得关注的是，无活细胞和生长因子产品更易于被FDA（美国食品和药物管理局）、CFDA（中国国家食品药品监督管理局）注册批准，从而为实现该项技术的快速转化奠定了基础。

“生物材料的微纳米化将成为生物3D打印专用材料和3D打印精准制造的普遍要求，生物3D打印的范围将不仅局限于材料/活细胞组装、简单组织和复杂组织打印，未来可能向器官系统打印进化。同时，在生物材料与组织工程器械产品和系统的生产制造中，利用生物3D打印技术将变得越来越普遍和有效。”张胜民教授总结着未来生物3D打印的发展趋势。

智能制造

现代制造过程是把金属熔化做成锭，然后反复锻打成锻坯，对其机械加工后得到零件。这是一种开放式的加工过程，要用机械手抓住铸锭，反复旋转，锻压头对铸锭反复锻打，铸锻车间烟雾腾腾，场面很壮观。现在这种生产方式是全世界通用的，先铸后锻，流程很长，需要大型铸锻机，反复锻造会使得加热能耗大、污染重、材料利用率低，一些复杂零件难以制造。

运用3D打印技术的制造模式存在的瓶颈是，只有铸造无锻造，性能及可靠性达不到锻件，抑制变形和破裂的难度大，低效高成本。

张海鸥团队研制的“智能微铸锻”技术，是将铸造、锻造、铣削三个典型的成形过程合在一起，即增材、等材、减材一体化的智能制造技术。基板上面是焊枪，熔化的是送入枪下面的金属丝，在熔化的金属还没有冷却时，趁热打铁对其进行连续的锻打，通过此技术在世界上首次实现了铸锻一体化3D打印，打印出高性能金属锻件。

这一技术的创新性在于改变国内外传统制造铸锻分离的历史，实现铸锻合一，边熔边锻，突破3D打印不能打印锻件的瓶颈；同时也颠覆了国内外传统机械制造工艺流程和装备，有望变革传统重工业制造方式，大幅度提高效率，降低成本，提升我国国防和民用制造技术水平。

建筑领域

“《中国制造2025》规划中，3D打印是未来发展的支柱产业，带来新的社会生产变革的基础上，大大推进了社会的创新与发展。对于建筑行业来说，不断创新驱动的关键目标是制造技术与艺术的融合，科技与文化的交融，以现代科技提升降低建筑能耗、减少碳排放，提高建筑的品质。3D打印对建筑行业的整体升级也带来了重要的发展机遇，为未来设计建筑建造的方式提供了全新的可能性。”中国工程院院士、建筑学家、上海世博会中国馆总建筑师何镜堂院士讲道。

徐卫国教授所在的清华大学数字建筑研究中心从事数字设计及智能建造研究，其中主要的课题是研究3D打印混凝土建造。

“有很多的专家和学者对打印技术和打印出建筑的工艺、质量提出了质疑，到底是不是能够通过3D打印的方式来进行建筑的建造？”

对3D打印建筑来说有一系列问题需要解决，首先房屋是一个系统，包含着结构、防水、保温、装饰等各方面，这些不同的分项工程，如何结合到一起，来实现房屋的建造？建筑的工业化又如何实现？

3D混凝土打印不可能打印出钢筋，仅仅打印出混凝土，这个是它最大的缺陷。其他3D打印公司目前是以妥协的办法，打印是混凝土，但是里面还有钢筋，或者是先放钢筋然后打印，从这个建造方式来讲，和传统的建造方式相差不多。

在3D打印混凝土建造的研究课题中，徐教授讲到两个研发方向一一在混凝土打印过程中，通过机械臂的协同，解决打印存在的接缝问题；混凝土打印出来后，通过叠层能够实现各种构建，特别是不规则构建的建造。

对于3D打印作为新的建造方式，徐教授提出了自己的思考，是不是能够有一种材料，既具有受压的性能，同时又具有良好的受拉和抗剪的性能，如果有這种材料，3D打印的方式直接可以打印建筑，这个建筑就可以具有安全性，能够为我们日常生活带来一种新的建筑类型。

3D打印其实是一种新型的社会生产方式，这种新的组织机构是建立在数字技术基础上，围绕着电子文本形成各行各业的协作，或者是不同人的协作形成不同的社会组织。

3D打印未来的产业化

学术研发和技术相关的规律是产业发展中间的必要条件。

“前期有学术和研发力量主导产业进程，中期有生产、质量控制，具有要素的合作伙伴主导过程，后期进入产品阶段的时候有市场和渠道、资本的要素主导，符合以上条件的产业就会发展得快。另外在医学方面应该对症下药，通过3D打印解决患者个性化的需求。”广东省功能生物材料工程技术研究中心副主任曾晨光讲道。

位于北京丰台区的中关村科技同区丰台同经过20多年的发展，上市公司已达93家，拥有国家级高新技术企业627家，初步形成了以轨道交通和居民融合为特色的产业结构，目前院士专家工作站是17家，2017年1-10月份丰台科技园区的技工贸总收入达到3346亿元。

3D打印重在技术的成果转化及项目落地，中关村科技园区丰台园3D打印数字维创中心已经完成了专家工作站、产业与企业合作平台的建设，全媒体平台的建设与运行，并正在完善3D打印数据检测中心和全国实验室联盟、高端人才培养与孵化基地、科技成果转化项目实施服务和3D打印国际技术专利评估与交易平台的建设，为入驻企业提供相应服务。

3D打印技术虽然还存在着很多瓶颈，3D打印产业发展还处在起步阶段，但相信通过各个行业的企业家和科研者在3D打印领域的协作，会使3D打印产业未来的发展更加迅速。