胡爾于1986年申請了專利,并成立3D Systems公司。“30年前發明這項技術時,我們覺得這對制造業來說是一個機會。”胡爾的合伙人、3D Systems公司總裁亞伯拉罕·雷切特勒(Abraham Reichental)對《財經》記者說,“現在,客戶比我們還要積極,推動我們進行適用性研究。五年前,大部分客戶購買設備用于設計;從兩年前開始,有一半的客戶用在了直接制造上。”
3D打印不需要
模具,可以直接進行樣品原型制造,因而大大縮短了從圖紙到實物的時間。任何形狀復雜的零件,都可以被分解為一系列二維制造的疊加。
這種快速制造的理念還衍生出多種不同的技術類型,除了SLA,常見的有熔融沉積造型(FDM)、選擇性激光
燒結(SLS)、三維打印(3DP)等,其基本工作原理都是逐層增加材料,最終形成物件,因此,這些技術都被通俗地稱作3D打印。
許多種“耗材”都可使用3D打印:沙子、人造
橡膠(26180,-65.00,-0.25%)、
塑料(10755,-280.00,-2.54%)、
金屬,甚至生物材料;3D打印的應用范圍已經滲入生物醫療、航空、汽車、工業設計等多個行業,且仍在不斷拓寬。“就連美國海軍都購買了90臺機器用于航空領域的研發。”雷切特勒說。
全世界的實驗室里,正在實踐一些更具雄心的想法:
澳大利亞的研究人員加快了制造金屬零件的速度,試制出打印汽車金屬零部件的設備;
意大利的一個研究團隊正開發用于特種建筑的3D打印機,計劃使用月球塵埃為材料,在月球上快速建造人類基地。
除了省去制造模具的成本以外,相比傳統制造工藝,3D打印對材料的利用率也驚人。美國F-22猛禽戰斗機大量使用鈦
合金結
構件,如使用傳統的整體鍛造方法,最大的鈦合金整體加強框材料利用率不到4.9%,使用3D打印利用率接近100%。
3D打印技術通過對
金屬材料的燒結或
熔化,直接生成出金屬零部件的發展趨勢,讓傳統制造業感受到巨大壓力。“如果在金屬材料上得到廣泛應用,3D打印就可能引領新一輪工業革命。”華中科技大學機械科學與工程學院教授張海鷗預測說。
中國研發曲折
顏永年的遺憾是,1988年錯過了芝加哥的一次工業
展覽會,沒能親睹胡爾推出的世界第一臺的商用3D打印設備SLA250。同事帶回來一張SLA250宣傳頁,已令他唏噓不已。
與材料成型打了半輩子交道的顏永年,發現固有的知識被徹底顛覆,當時在美國做訪問學者的他,迫切想一睹這臺機器的真容,無奈展覽已經結束。
回國后,顏永年對3D打印念念不忘,相信這是未來制造業的重要趨勢。他安排學生開始做分層軟件的研究——進行3D打印時,必須先用分層軟件將物件的數字三維模型進行均等切分,然后分層輸出,分層打印。與此同時,顏永年發出很多封電子郵件,終于在1991年將美國德雷克賽爾大學教授杰克·卡布雷(Jack keverian)邀請到清華大學講學,隨后又到西安交通大學和上海交通大學[微博]等多所高校傳播“快速制造”的理念和技術。
中國3D打印研究的序幕由此拉開,像許多科研領域一樣,大學和科研院所比企業對技術創新的潮流更為敏感,因而最先啟動:清華大學、西安交通大學、華中科技大學與北京隆源自動成型系統有限公司,以技術引進為主,迅速形成了國內“三校一企”的3D打印研究陣營。
這一格局也映射出了中國科技創新的普遍現象:原發性的創新缺失,仍處于以跟蹤模仿和消化吸收引進技術為主的階段。
上世紀90年代初,一臺3D打印設備價格100多萬元,在清華任教的顏永年拿不出這筆錢。
在國內,啟動像3D打印這樣從零開始的技術研究難度很大,研究者必須給出充分的預期成果和應用前景論證,更重要的是,要具備一定的前期研究基礎,否則,科技主管部門一般不會為之立項并給予相應經費。
由于項目面臨諸多的不確定性,當時顏永年也沒有說服學校領導,將3D打印作為一個重點項目來支持。而國內企業大部分還在忙于追趕傳統制造業工藝和技術,亦難以顧及如此前沿的領域。
在這種情況下,課題組只好自己組建實驗室。1992年,顏永年發動課題組,截流了原本可作獎金發放的經費,耗盡以前“科研收益的積蓄”,興建了一座簡易的3D打印實驗室。
幸運的是,一家代理3D Systems產品的香港公司正期望獲得核心控制軟件的經驗,雙方各取所需,成立了中國第一家快速成型設備公司——北京殷華激光快速成型與模具技術有限公司(下稱北京殷華)。清華提供智力支持,香港公司提供一臺SLA250設備。與胡爾的機器失之交臂三年后,顏永年見到了真東西。
在取得初步研究成果后,課題組終于陸續獲得了國家自然科學基金、國家“863”計劃、國家攻關計劃項目的經費支持。
然而,彼時這一產業在國外正經歷低潮期,全球總產值在10億美元水平徘徊多年。經過一段時間后,部委機構的熱情漸冷,投入3D打印領域的研究經費大減,中國3D打印基礎研究放緩。2003年左右,顏永年也將研究重點轉向了國家當時大力推動的重型壓機領域,僅留下小部分研究力量繼續開發3D打印技術。
經費的減少,亦讓華中科技大學和西安交通大學的3D打印科研團隊感到了寒意,好在其分別成立了校辦企業,經營收入反哺科研,研究得以延續。
九年之后,3D打印悄然成為2012年全球最熱門的科技名詞。
怠誤市場轉機
3D打印市場徘徊多年的主要原因在于:在工業級應用上,這項技術仍欠缺
強度和
精度,而且,工業級設備和原材料比較昂貴,因此,在產業化初期,這項技術更為適合新產品的開發和小批量零件的生產。
摸索到這一方向的國外企業,開始將定位從高端、工業級客戶群體,擴寬到那些追趕潮流的消費者。正是對精度要求不高,但追求快捷、低成本的客戶群,促進了其商業化的蓬勃發展。
近五年,全球有多家小型創業公司利用開源的計算機軟件,制造出可放在個人電腦桌上的3D打印機,并將價格降低至2000美元以下。利用這些開源技術,技術發燒友也能DIY出個性化的3D打印機。
胡爾和他的公司3D Systems在2012年5月就研發出一款新型打印機“立方體”(Cube),打開了日常消費市場。顧客無須學習復雜的3D設計軟件,便可直接打印如棋子、首飾、廚具等物品。這些日常用品本來多是在中國等發展中國家加工生產。
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