史玉升：3D打印能與基因組結(jié)合創(chuàng)造新的材料

本文是根據(jù)史玉升教授在再生時(shí)代舉辦的上海Inside 3D打印產(chǎn)業(yè)高峰論壇上的演講整理而成，史教授分析了3D打印出現(xiàn)的意義，發(fā)展趨勢(shì)以及存在的問題等，其中關(guān)于“社會(huì)化的制造模式”、“數(shù)據(jù)流”“3D打印與基因組結(jié)合”等一系列非常新穎的觀點(diǎn)尤其值得注意，因此把史教授這些有趣的觀點(diǎn)都整理出來與大家分享。

制造業(yè)分為三類，第一種，等材制造，有三千年以上的歷史；第二種，是減材制造，三百年以上的歷史；第三種，增材制造，只有30年歷史，相比傳統(tǒng)的非常年輕，雖然年輕但有非常重大的意義。

意義體現(xiàn)在哪里？

3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)的幾個(gè)復(fù)雜性：形狀的復(fù)雜性，幾乎可以成型制作任意程度的形狀特征的零件；材料的復(fù)雜性，全彩色、異質(zhì)結(jié)構(gòu)都可以；功能復(fù)雜，整體成形，簡(jiǎn)化甚至取消裝配。

突破這些復(fù)雜性對(duì)各行各業(yè)帶來的深遠(yuǎn)影響：

第一，3D打印為制造提供創(chuàng)新的原動(dòng)力，可以利用3D打印技術(shù)拓展產(chǎn)品創(chuàng)意與創(chuàng)新空間，在零部件的設(shè)備上做最優(yōu)的設(shè)計(jì)，不用考慮加工的問題。

第二，極大的降低產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新的成本、縮短創(chuàng)新研發(fā)周期。3D打印技術(shù)可以跟傳統(tǒng)制造業(yè)合并，比如說跟制造業(yè)結(jié)合，使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋開發(fā)費(fèi)用由200萬減少到2、3萬以內(nèi)，半年時(shí)間縮短到一個(gè)星期左右。

第三，3D打印可以提升制作的工藝能力。簡(jiǎn)化制造提高產(chǎn)品質(zhì)量與性能，一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴，過去20個(gè)零件，現(xiàn)在用3D打印集成為一個(gè)零件。其次制作出傳統(tǒng)工藝無法加工的零部件，加大的增強(qiáng)了工藝實(shí)現(xiàn)能力，像發(fā)動(dòng)機(jī)葉片可以做成空心網(wǎng)狀的，既降低了重量，又實(shí)現(xiàn)了功能。提高了難加工材料可加工性，拓展了工程應(yīng)用領(lǐng)域。像陶瓷很難加工，用3D打印就變得容易了。

四、實(shí)現(xiàn)綠色的可制造模式，制造業(yè)的污染是占全球整個(gè)污染的48%。減少材料使用量，可以做成網(wǎng)狀空心做。

五、形成新的商業(yè)模式，新的制造體系。我們從設(shè)計(jì)到服務(wù)都叫制造，將來制造模式個(gè)性化制造服務(wù)，我們物流就是數(shù)據(jù)流，沒什么倉(cāng)庫(kù)、實(shí)物運(yùn)輸，我們物流就是數(shù)據(jù)的流動(dòng)，把錢付過去，數(shù)據(jù)發(fā)過來，用3D打印就可以進(jìn)行打印。3D打印技術(shù)將促生新的制造模式，我認(rèn)為是社會(huì)化的制造模式，廣大網(wǎng)友都可以是設(shè)計(jì)師。

發(fā)展趨勢(shì)

由單色向多色乃至表面紋理全彩色的發(fā)展。新的軟件要出來，過去軟件是只有幾何，現(xiàn)在關(guān)于3MF這種格式的，將來帶有材料、結(jié)構(gòu)的信息。

單材料向多材料功能梯度材料方向發(fā)展。

宏觀工藝結(jié)構(gòu)和多尺度結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。利用同一種材料打印成不同彈性模量

的組織結(jié)構(gòu)。比如使用一種材料實(shí)現(xiàn)毛絨玩具各部委不同的柔軟度及觸感。另外可以用3D打印使用超材料，以一種材料為基礎(chǔ)制造的但愿構(gòu)造塊，幾乎可以任意控制彈性模量。

實(shí)現(xiàn)納米尺度的微觀3D打印。

實(shí)現(xiàn)光電柔性的打印。我們系的褲帶、穿的衣服，打印出來上面帶有光電器件，我們用的計(jì)算機(jī)手機(jī)上面的電路板都是剛性的，將來要以柔性的線路打印。

生命體的打印，不僅僅是打印機(jī)器零部件，要打印人體零部件。現(xiàn)在是四個(gè)層次，有假的牙齒，還有活性無組織材料，還有活性軟組織，肝臟、腎，這些生命體會(huì)發(fā)揮很重要的作用。

實(shí)現(xiàn)3D打印創(chuàng)造材料，跟材料基因組結(jié)合起來，過去有水稻或者生物的基因組，現(xiàn)在世界正在改材料的基因組。有了材料的基因組以后，用3D打印材料基因組的數(shù)據(jù)既創(chuàng)造材料，又做出來結(jié)構(gòu)的要求。從尺度上做到原子尺度、介觀尺度、宏觀尺度。可以解決光電問題、熱點(diǎn)問題等一系列。將來打造出有功能器械的器件。可以把電子電容打印過程中一起打印出來。

3D打印與等材制造、減材制造結(jié)合，一半增材一半減材，就可以做出既復(fù)雜表面粗糙又非常低的模件。

3D打印將來會(huì)走進(jìn)醫(yī)院，作為診斷設(shè)備，原來做CT或者片子看一下，平面看不清楚，將來打印一個(gè)立體的來看。

會(huì)推廣到中小學(xué)教育，更重要提高他們的學(xué)習(xí)水平和學(xué)習(xí)成績(jī)。我們可以用3D打印動(dòng)手理解，像化學(xué)分子。

走進(jìn)未來的家庭，就有很多3D打印機(jī)做食品、玩具、衣服、鞋子。

未來的工廠就是3D打印機(jī)，沒倉(cāng)庫(kù)，就是大數(shù)據(jù)處理各種各樣的信息數(shù)據(jù)，也沒有物流，形成社會(huì)化制造，社會(huì)上的人都可以制造，也可以創(chuàng)造。

面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)

一個(gè)是3D打印的設(shè)計(jì)理論和方法還沒有，第二個(gè)是3D打印材料設(shè)計(jì)理論和方法沒有。比如說我把牙齒CT模型畫進(jìn)去，網(wǎng)狀會(huì)自動(dòng)軟件生存出來。模具冷卻流道，放進(jìn)去軟件自動(dòng)把冷卻流道生產(chǎn)出來。這樣的設(shè)計(jì)理論方法沒有。

3D打印裝備方面，目前成型精度令人不滿意，成型效率做一個(gè)小零件幾個(gè)星期。

3D打印裝備高，廣大的人民群眾用不起，中小企業(yè)用不起，怎么辦呢？想辦法降低價(jià)格。

3D打印裝備的穩(wěn)定性得不到保證，在哈爾濱跟上海做可能零件有差異，今天做和明天做有差異，很多關(guān)鍵部件做一下可能停了。

再就是說各類關(guān)鍵部件——激光器，國(guó)內(nèi)激光器解決不了，特別是像SLM這種用激光器的穩(wěn)定性要求非常高的。各類光學(xué)系統(tǒng)，像噴嘴、關(guān)鍵器件，也是一個(gè)瓶頸。

3D打印材料，品種少、價(jià)格貴、性能低。傳統(tǒng)方法相比成千上萬上億的材料，3D打印材料太少了，鈦合金很貴，一公斤幾千塊錢，材料是限制3D打印技術(shù)的主要平靜。

3D打印應(yīng)用方面，這個(gè)零部件比如說力學(xué)性能、斷裂韌性，疲勞性能、擴(kuò)展簌簌，高溫持久性能、組織結(jié)構(gòu)都缺乏標(biāo)準(zhǔn)體系。特別是高溫型轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件，3D打印沒有人敢用，現(xiàn)在用的相對(duì)成熟的鈦合金。有一些在航天上有標(biāo)準(zhǔn)出來了，其他的材料都沒有標(biāo)準(zhǔn)。
文章來源：3D打印世界