胡尔于1986年申请了专利,并成立3D Systems公司。“30年前发明这项技术时,我们觉得这对制造业来说是一个机会。”胡尔的合伙人、3D Systems公司总裁亚伯拉罕·雷切特勒(Abraham Reichental)对《财经》记者说,“现在,客户比我们还要积极,推动我们进行适用性研究。五年前,大部分客户购买设备用于设计;从两年前开始,有一半的客户用在了直接制造上。”
3D打印不需要
模具,可以直接进行样品原型制造,因而大大缩短了从图纸到实物的时间。任何形状复杂的零件,都可以被分解为一系列二维制造的叠加。
这种快速制造的理念还衍生出多种不同的技术类型,除了SLA,常见的有熔融沉积造型(FDM)、选择性激光
烧结(SLS)、三维打印(3DP)等,其基本工作原理都是逐层增加材料,最终形成物件,因此,这些技术都被通俗地称作3D打印。
许多种“耗材”都可使用3D打印:沙子、人造
橡胶(26180,-65.00,-0.25%)、
塑料(10755,-280.00,-2.54%)、
金属,甚至生物材料;3D打印的应用范围已经渗入生物医疗、航空、汽车、工业设计等多个行业,且仍在不断拓宽。“就连美国海军都购买了90台机器用于航空领域的研发。”雷切特勒说。
全世界的实验室里,正在实践一些更具雄心的想法:
澳大利亚的研究人员加快了制造金属零件的速度,试制出打印汽车金属零部件的设备;
意大利的一个研究团队正开发用于特种建筑的3D打印机,计划使用月球尘埃为材料,在月球上快速建造人类基地。
除了省去制造模具的成本以外,相比传统制造工艺,3D打印对材料的利用率也惊人。美国F-22猛禽战斗机大量使用钛
合金结
构件,如使用传统的整体锻造方法,最大的钛合金整体加强框材料利用率不到4.9%,使用3D打印利用率接近100%。
3D打印技术通过对
金属材料的烧结或
熔化,直接生成出金属零部件的发展趋势,让传统制造业感受到巨大压力。“如果在金属材料上得到广泛应用,3D打印就可能引领新一轮工业革命。”华中科技大学机械科学与工程学院教授张海鸥预测说。
中国研发曲折
颜永年的遗憾是,1988年错过了芝加哥的一次工业
展览会,没能亲睹胡尔推出的世界第一台的商用3D打印设备SLA250。同事带回来一张SLA250宣传页,已令他唏嘘不已。
与材料成型打了半辈子交道的颜永年,发现固有的知识被彻底颠覆,当时在美国做访问学者的他,迫切想一睹这台机器的真容,无奈展览已经结束。
回国后,颜永年对3D打印念念不忘,相信这是未来制造业的重要趋势。他安排学生开始做分层软件的研究——进行3D打印时,必须先用分层软件将物件的数字三维模型进行均等切分,然后分层输出,分层打印。与此同时,颜永年发出很多封电子邮件,终于在1991年将美国德雷克赛尔大学教授杰克·卡布雷(Jack keverian)邀请到清华大学讲学,随后又到西安交通大学和上海交通大学[微博]等多所高校传播“快速制造”的理念和技术。
中国3D打印研究的序幕由此拉开,像许多科研领域一样,大学和科研院所比企业对技术创新的潮流更为敏感,因而最先启动:清华大学、西安交通大学、华中科技大学与北京隆源自动成型系统有限公司,以技术引进为主,迅速形成了国内“三校一企”的3D打印研究阵营。
这一格局也映射出了中国科技创新的普遍现象:原发性的创新缺失,仍处于以跟踪模仿和消化吸收引进技术为主的阶段。
上世纪90年代初,一台3D打印设备价格100多万元,在清华任教的颜永年拿不出这笔钱。
在国内,启动像3D打印这样从零开始的技术研究难度很大,研究者必须给出充分的预期成果和应用前景论证,更重要的是,要具备一定的前期研究基础,否则,科技主管部门一般不会为之立项并给予相应经费。
由于项目面临诸多的不确定性,当时颜永年也没有说服学校领导,将3D打印作为一个重点项目来支持。而国内企业大部分还在忙于追赶传统制造业工艺和技术,亦难以顾及如此前沿的领域。
在这种情况下,课题组只好自己组建实验室。1992年,颜永年发动课题组,截流了原本可作奖金发放的经费,耗尽以前“科研收益的积蓄”,兴建了一座简易的3D打印实验室。
幸运的是,一家代理3D Systems产品的香港公司正期望获得核心控制软件的经验,双方各取所需,成立了中国第一家快速成型设备公司——北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司(下称北京殷华)。清华提供智力支持,香港公司提供一台SLA250设备。与胡尔的机器失之交臂三年后,颜永年见到了真东西。
在取得初步研究成果后,课题组终于陆续获得了国家自然科学基金、国家“863”计划、国家攻关计划项目的经费支持。
然而,彼时这一产业在国外正经历低潮期,全球总产值在10亿美元水平徘徊多年。经过一段时间后,部委机构的热情渐冷,投入3D打印领域的研究经费大减,中国3D打印基础研究放缓。2003年左右,颜永年也将研究重点转向了国家当时大力推动的重型压机领域,仅留下小部分研究力量继续开发3D打印技术。
经费的减少,亦让华中科技大学和西安交通大学的3D打印科研团队感到了寒意,好在其分别成立了校办企业,经营收入反哺科研,研究得以延续。
九年之后,3D打印悄然成为2012年全球最热门的科技名词。
怠误市场转机
3D打印市场徘徊多年的主要原因在于:在工业级应用上,这项技术仍欠缺
强度和
精度,而且,工业级设备和原材料比较昂贵,因此,在产业化初期,这项技术更为适合新产品的开发和小批量零件的生产。
摸索到这一方向的国外企业,开始将定位从高端、工业级客户群体,扩宽到那些追赶潮流的消费者。正是对精度要求不高,但追求快捷、低成本的客户群,促进了其商业化的蓬勃发展。
近五年,全球有多家小型创业公司利用开源的计算机软件,制造出可放在个人电脑桌上的3D打印机,并将价格降低至2000美元以下。利用这些开源技术,技术发烧友也能DIY出个性化的3D打印机。
胡尔和他的公司3D Systems在2012年5月就研发出一款新型打印机“立方体”(Cube),打开了日常消费市场。顾客无须学习复杂的3D设计软件,便可直接打印如棋子、首饰、厨具等物品。这些日常用品本来多是在中国等发展中国家加工生产。
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