讲座题目：透视新科技——探寻3D打印

主持人：屠化

做客嘉宾：赵新，北京城市学院、3D打印研究院副院长

讲座时间：2022年1月17日～1月23日

（备注：讲座视频可循环播放）

https://article.xuexi.cn/articles/video/index.html?art_id=17586806073430421153&read_id=c2f1c1bf-4f90-471b-aab2-bac915164930&ref_read_id=6aac465b-2eb5-4032-b6cd-6fd43d46a8c0&reco_id=&mod_id=&cid=&source=share&study_style_id=video_default

讲座内容：

观众朋友们，你们好！欢迎各位收看《透视新科技》，我是主持人屠化。3D打印技术，自从上世纪80年代开始应用以来就一直备受关注，直到今天仍被人们所津津乐道。那么它是一种什么样的技术，能够打印出什么东西来呢？我们首先通过一个短片来了解一下。3D打印是现代制造技术革命性发明，这一新的技术自20世纪80年代在美国兴起，并得以发展和推广。由于3D打印技术可以根据人们的想法轻而易举地把电脑中的设计图变成现实，所以3D打印技术被认为是能够促成第三次工业革命的有生力量，也一度引发3D打印全球热。三十年来，随着3D打印技术被不断研发应用，关于它的议论也一直不断。今天做客我们演播室的是北京城市学院3D打印研究院的副院长赵新，欢迎赵老师！主持人好！我一直很好奇，咱们3D技术打印，为什么一直以来都如此地备受关注呢？

因为3D打印从上个世纪80年代出现以后，很多人就认为它会给制造业带来一场很大的变革，所以说大家都在持续关注它。那咱们先做一个名词解释吧。3D打印的3D是什么意思？D实际上就是我们英文单词Dimension的缩写，它翻译过来实际上就是空间和维度。维度。对，3D就是三维立体的意思，是一种立体式的打印。对。那它和平面打印有什么不同呢？我们二维打印，实际上通过电脑把一些图片输给打印机，打印机实际上利用喷头把墨喷到纸张上，那么形成一个二维的图像，那么这是我们说的传统的打印。那么，三维打印实际上它打印出来的，最后呈现的是一个三维立体的实物，这是我们说它简单的不同，但是实际上3D打印怎么实现的呢？我们说3D打印的实现，首先我们要有一个虚拟的数字化的实物模型，那么这个实物模型，我们要通过专用的软件对它进行切片，把它实际上切成一片一片的，把一个立体的物体切片，建模完的模型，然后我们再通过专用的软件去切片。因为切了片的这个数据，是我们打印机可以认识的数据，那么切片完成以后，我们把切片的数据交给打印机，打印机通过每层每层的逐层打印，然后一层一层地累加，实现我们的打印完成，这样的话打印出来的一个就是一个实物模型。就像是把这个切片再给它组合到一起的这样一个过程。对对对。像是我们有点像搭积木、盖房子，一层一层往上加的感觉。对。

那到底我们是如何（实现）3D打印的？我通过一个短片来了解一下。普通打印它是将电脑里的文字或图像信息输送到打印机，打印机控制打印喷头在纸上需要的地方进行打印，一行一行完成文稿或图片的打印，这些普通打印机打印出来的都是平面的。3D打印技术，首先要在电脑里建立一个三维立体的数字模型，并用专门的软件将数字模型分解切片，然后把这些一片一片平面的图像信息传给3D打印机，打印机再用真实的原材料，按顺序一层层打印堆积出来立体的实物。好，这个就是我们的3D打印技术，和二维的平面打印完全不同了。是的，我们平面打印，实际上就是一种印刷技术，而我们的三维打印实际上已经变成了一种制造技术。是一种制造，不是打印了。对。这是一台打印机？这是一台3D打印，我们最普通的桌面级的3D打印机，它实际上是可以打印一些热熔性的塑料。那么我们实际上刚才前面讲了，我们需要电脑对一个三维数据进行切片处理，切片处理的数据以后就交给它。它这前面实际上是一个热熔性的喷嘴，我们叫它喷嘴。它实际上是一个加热管，我们的线材热熔性的塑料进入到它里头，加热，熔化，变成一种熔融的状态，通过熔融状态从这个喷嘴挤出。然后去做成一些形状，我们希望的那种切片。

对，挤出，然后我们按照每层的这个我们切片以后规划的路径，它开始逐渐挤出完成了一层，这个我们可以看见这儿有一个基板，基板会向下降一个，我们需要的切层厚度，然后它再完成一层，这样逐层逐层累加，就是从底层往高层，一层一层去累加。对，由下而上。这个塑料是藏在哪里了。这个塑料，实际上是在我们的后面。藏在后面。嗯。它只能是打塑料吗？这台机器，其实按现在的变化以后，这台机器除了塑料也可以打印一些低温金属。金属也可以打印出来，那这个层和层之间怎么保证它们不会掉偏移。层和层之间，因为它是热熔的状态，其实层结在冷却凝固的时候就形成一个层面结合力。像它只能打印大概多大尺寸的一些物体？像这台机器的话，大概能打印一个240X240X250（毫米）。所以大概可能是我们常规生活当中一个相册、相框那么大吗？对。那如果这个机器够大的话，是不是我们打印的东西可以更大。对，比如说我们前一阵可能大家看到的C919，我们C919上天了，C919里头就有很多件、几十件，是用3D打印打的，而且还有很多大尺寸的零件。在C919上有很多部件是靠3D打印出来的，您相信吗？在C919上有很多部件是靠3D打印出来的，您相信吗？我们来看一看。

2017年5月5日，在上海浦东国际机场C919大型客机实现首飞，而鲜为人知的是，C919上装载了多个3D打印的零部件，其中作为机翼的主要承重部件，机翼的上、下翼缘条，就是我国拥有完全知识产权的金属3D打印技术，打印出来的大飞机零部件。它是钛合金材质的长达3.07米，重136千克。赵老师，这个部件在飞机的什么位置？打个比方说，我的身子是机身，胳膊是机翼，那么实际上这个上下翼缘条，就在我们机身和机翼连接的上缘和下缘。三米多长。对。为什么这么大这么重的一个东西，要靠3D打印出来呢？因为是这样，我们先说，它怎么用3D打印做出来。其实我们前面说过，我们首先要在电脑上建立一个上翼缘条，或者下翼缘条的三维数据，然后我们再对它进行切层。切层了以后，然后我们把它交给打印机，这个打印机不等同于我们刚才说的那台打印机。那是塑料。那台比较小。嗯。而且，我们要打印大一点的零件，我们一般用激光熔融沉积技术。大概这个打印机会有多大？

这个打印机实际上大概有六米高。六米高的一个打印机，各位可以想象一下吗，六米高的一个打印机。对，有六米高。那么，实际上它是怎么做的？它是把我们的切片数据交给它了以后，那么我们激光束从打印机的轴线上射下去，然后我们有几个喷粉的头，那么把粉聚焦到这个激光束的焦点上，那么我们随着规划路径逐渐送粉行走熔化，然后完成一个路径，完成一层，那么我们打印头会按照我们的需求升高一个尺寸。那么我们再打印下一层，逐渐循环往复，我们逐渐就累加完成这个大型工作的制造，这就是一种材料累计增加的制造过程，我们又叫它叫增材制造。材料的不断地增高累加，这个叫做增材制造。对。那传统的制造工艺我们叫什么？增材制造，其实相对于传统的我们说减材和等材而言，所以说我们才有了增材。减材制造、等材制造什么意思？我们来看一个视频了解一下。

传统的工业制造方式有等材制造和减材制造，等材制造主要是指工件在加工过程中材料不增不减，常见的等材制造有铸造和锻造。铸造是为了获得特定的形状，而把等量熔化的金属注入模具，并得到所需产品。锻造则是对金属材料进行反复锻压，在材料不增不减的前提下，提高它的性能。而且等材制造的生产过程要先做出相应的模具，等材制造至今已有三千多年的历史。减材制造是利用机械加工的方式对金属零件进行镗、铣、切、削，这个过程使得材料逐渐减少，直到成型。减材制造，至今已有三百年的历史。能看出我们整个的制造工艺是有很大的变化和不同的，那以前没有这样的打印技术，我们是怎么做的？以前没有这样的打印技术，我们传统制造，实际上我们要首先有一个做一个钛合金的坯料，我们怎么样做？首先要把钛合金熔化，然后做成一个铸件，铸件我们要保证它的金相结构，我们实际上就要对它进行锻打。锻打以后，我们要做成一个接近我们这个上翼缘条尺寸和它的这个轮廓尺寸的这么大一个构件，那么这个构件大概有多重呢？

大概有1607公斤（千克）。1607公斤（千克）就是一吨（1千千克）多重。对，然后我们这个构件再用我们的数控车床对它进行逐个的切削。其实这个打一个简单的比喻来说，我们大家都知道这个萝卜花，实际上我们首先要选一个萝卜，比花要大的萝卜，那么我们的厨师要把它去掉很多剩一朵花，那么实际上萝卜可能是一千克，我的花可能只要一百克。对。那么实际上我们这个上下翼缘条的做法，其实跟它是一样的。我们也需要有一个萝卜，实际上就是我们说的坯料，那么这个坯料，我们通过数控加工、切削，然后逐渐逐渐地让它变成我们所要的形状。这是我们传统的做法。对。就是我会浪费很多的这种原料。浪费很多的原料，那么，我们3D打印出来的，这个翼缘条大概有多重呢？136千克。136千克。对。前面是一吨（1千千克）多，这边是136千克，差得也太远了。对，我们用3D打印做的话，实际上节省材料大概可以节省91%。所以这是一个很省料的一种方式。对。赵老师我们3D打印有什么特别的优势和优点吗？

其实我们前面说了，我们3D打印可以节约成本，无模制造，节约时间，节省材料。其实我们还有一个，另外一个优势，就是我们在新产品的研发过程中，它有很大的优势。用研发上？对。为什么研发使用3D打印会特别的合适？比如说我们这个，您猜猜它是一个（什么）。这个看着很眼熟，它是我们今年（2019年）国庆庆典上的使用的一个道具，我们的国庆庆典火炬对不对？对。可以看到我们后面的屏幕上已经放出来了。它是3D打印出来的？对。我们看一下吗？可以。各位我的感受是，整个看起来非常的光滑，确实找不到任何一个焊接点或者接口，感觉是一气呵成做好的。对，所以它和研发有什么关系呢？

因为是这样，这个火炬实际上，我们接到任务的时候已经是大概是（2019年）6月份了，时间已经很短了。那么我们要有一个火炬，先有一个设计方案，然后我们要做一个原形，然后再去开模具，再去铸造，这个时间周期会很长，大概每得到一个这样的产品，需要一个月的时间。所以时间上是来不及的。而且过程中还不能出现任何错误，如果说设计完了以后，拿到这个产品了以后发现不合适，我们要去修改，那么又要重复这一次的一个事情，那么也许这样的重复的话，国庆盛典过完了，也没有火炬，那是不可以的。所以说我们接到这个任务以后，实际上从设计、建模到打印，这个您猜猜用多长时间？按照传统来说的话得几个月，这个怎么着减一半。您再猜？三天。一天。一天就可以做成了。对。所以说在研发上用打印的技术，是一个非常非常好的方式。对。我们看到3D打印技术，可以节省原材料，还可以不用模具，开始发明和创造，那么它还有哪些新的优势和特点？我连线一下场外的清华大学林峰教授。

林教授，您好！有人说3D打印技术，可以突破以往的制造的一些天花板，那您认为这个天花板是否存在，指的又是什么呢？我想传统制造的天花板，也就是传统制造的一些局限性和它的瓶颈。因为任何技术，它都有一个适应性，它都有它的瓶颈的地方，它有它的一个限制。（对）传统制造技术来说，它可能在于一些复杂的结构，特别复杂的结构和一些特别难加工的，高熔点的，这种高性能材料上的这种制造，是它的一个难点，瓶颈问题，这是它的一个，可以说它是一个天花板。那么3D打印技术，能否突破这个天花板呢？3D打印技术，因为它是一种全新的制造方式，它是一种降维制造，（变成）低维制造的方式，在某种程度上改善了传统制造，对这种复杂结构的适应性。因为它可以做复杂的三维的、多孔的、点阵结构的，或者是这种几个零件放在一起的这种整体化的这种零件的制造。好的，谢谢林峰教授！

赵老师，刚才我听到一个新的概念，叫做降维制造，这是什么意思？实际上我们说的降维制造，因为我们前头一直在描述3D打印D维度，三三维，那么实际上我们在整个的描述过程中，你会发现3D打印它做的事情，其实它都是完成一个二维，然后再累加一层，再完成再累加，再完成再累加。因为它把一个立体的物体给它拆解成一个一个平面，所以叫从三维降成了二维，这个叫做降维制造。对对，那我能不能这么理解，我不管这东西多么的复杂，多么的造型各异，我只要一层层地去做，再难也能打出来。对，所以说3D打印，实际上它最大的优势，越复杂越好。越复杂越好。对。这个说起来感觉听着口气不小，能打印出多复杂的物件？您看这个，这是一个小型飞机，发动机上的涡轮燃烧室。涡轮的燃烧室。对。这是我第一次看到飞机发动机的涡轮燃烧室。小型发动机的。各位可以看一下，从外侧看似乎就是一个平面，上面有一个一个的小圆圈，小点，但是我这样竖过来，各位就发现别有洞天了，它有着一些镂空的结构，然后在这个里面有另外的一层，层和层之间还不是完全规则的一个空心的一个结构，还有一些其它的东西，感觉非常的复杂，像迷宫一样。对。这也是我们打印出来的？对。而且是一次打印出来的。一次打印出来的。如果是传统的工艺的话，就要每一个都要单独做一个小的，然后再把它焊接在一起。装配、拼在一起。工程就非常非常的繁琐，耗时会很好。

其实3D打印还有一个优势，就是说我们以前（运用）传统的制造的时候，从来没有人会想到去把它一次性设计出来，然后再一次性打印出来，那么实际上以前可能需要十几个零件，甚至几十个零件我们加工，然后再去装配。那么现在来说，我们可以实现一体设计，整体式的设计，然后一体打印，一体制造，那么这时候你会发现它变成了几个零件，一个零件。所有的都就成一个了。对，在传统的制造上，这个是绝不可能的。那目前在（现代）制造业中3D打印技术还有哪些新的应用呢？我们实际上现在在模具行业实际上用的很多，有一句话叫模具是工业之母，因为我们现在75%的粗加工的零件都是由模具制造的，50%的精加工的零件也是由模具制造的，那么塑料零件，绝大部分塑料零件都是需要模具的。那么模具生产的时候，它需要很强的技术，还有我们说一些，到一些复杂模具的时候，可能它需要拼接、加工，那么对人员的要求，技术的要求都会很高。好，我们来看一下在传统工业制造中，模具是如何生产的？

在传统工业制造中广泛使用着模具，例如金属成型的砂型模具、锻压模具以及塑料成型的注塑模具。在汽车、电子、家电、建筑、日用品等行业中，有60%至80%的零件都需要利用模具成型。一个产品的生产和更新，都是以模具的制造和更新为前提的。模具技术水平的高低将直接影响到产品的质量、产量，所以在模具生产加工过程中对尺寸精确、表面光洁度、结构合理、生产效率、使用寿命等都有十分高的要求。因此，一个模具的设计和制造，对于传统制造业来说是一个非常耗时费钱的过程。的确，我们看这个传统的模具制造，好像真的非常的费时、费力也费料。对，比如说我们的注塑模具，我们在注塑过程中，它是要产生大量的热，这部分热量我们要去散掉，实际上就是要在这个模具的这些地方要加一些水道。我们传统的方式，就是在模具上去打孔。那么您可能知道，我们打孔就是钻头，它可能只能打直孔。对。我想拐个弯。几乎不太可能吧。几乎不太可能。所以说我们打的这个孔，永远都不会很理想的，不符合我们的散热要求，在这些方面都会造成模具的制造困难。但是现在不一样了，我们有3D打印技术了。

现在用3D打印技术做模具不是像以前那么困难了，就拿刚才我们说的这个水道的问题，您看一看，这是一个什么？这个我看有点像刚才我们放的模具的样子，但是它是透明的，同时里面有很多很多这样的管，这可能是控制温度的水管吗？对。猜对了。所以这个就是我们可以规避到以前那种以打孔注水的方式，导致总是有些地方温度不均匀，它是以这样的方法就会有改善吗？对，实际上我们传统的注塑模具应该是一个金属模具，那么这个水道实际上是看不见的。那么我们用3D打印打一个这个透明的，实际上就是为了让大家看得更清楚，我们刚才前面说了，我们传统的要做水道的话，就从这儿钻孔，或者直孔，或者斜孔。如果我们想做成这种有很多的弯曲的这种孔，是不可能的。那么我们有了3D打印（技术）以后，实际上我们可以先把水道设计出来，然后我们再在软件上去测试它的温度，散热的均匀性，如果合适了，那么这个水道就成型了，我们把这个数据模型交给3D打印机，它就可以一次连模具带水道一次打印出来。那么在我们后期的铸造生产过程中，就会提高效率，提高成品率，大大地节省我们的材料。不仅模具的制造变得更容易了，因为模具更好了，我的产品制造会更加的有效率，成品率也更高了。对。感觉3D打印，我们盘点一下，你看既省料又省事，同时我可以打这个飞机零件，对打模具，几乎好像就是无所不能了，那它可以替代掉以前的传统制造工艺吗？

应该现在不能这么说。还不能够替代，为什么？实际上它的打印材料会比较少。比如说您身上穿的衣服，我们现在就不能打印。这种棉质的或者布料，是不能3D打印出来的，为什么呢？3D打印实际上通过原材料我们做烧结或者粘结，那么实际上我们的衣服，是一种长纤维编织的这种结构，要有柔软度，那么你想想我们一个烧结的东西和粘结的东西，它首先它达不到我们棉质的柔软度，再一个我们衣服也不没有必要把长纤维变成一个破碎的细小的碎屑去做，当然其实也有人说过，说衣服现在有打印了，其实打印的大部分都是我们说装饰，或者服装模特秀的这些穿的，或者引领一个潮流。金属的材料可打印的就很少，我们可能现在能打印不到一百种，金属（材料）可能大概有三万多种。那么塑料其实就更多了，我们可打印的也很少。3D打印实际上在精度上还做不到我们传统的铸造或者机加的这个精度。那么另外一个实际上，它还有一个就是打印速度，虽说在单件我们说研发的时候，它相对来说速度会很快。但是到批量生产的时候，我们可能这个模具一旦做好了以后，我们注入这个件可能就几秒钟就完成了，那么我们打印这一个件，可能要几个小时，甚至会时间更长一些。因为打印是一个一个地打，模具是一批一批地做出来，所以这个效率还是会低一些。对。

其实还有一个来说，相对成本也就会和批量化相比的话，相对成本也会比较高，那么这时候我们说3D打印，它现在还不是说一个要去替代某一个，另外两个，实际上我们说要用3D打印的长处去补齐其它两种制造技术的短法，我们这样实际上才是3D打印应该发展的路，也许未来可能能够做到我们等减增三分天下。那么谈到了未来，现在3D打印未来会如何的发展，它会如何影响我们的制造业呢？我连线一下场外的嘉宾，清华大学的林峰教授。一个是我们的产品是越来越多的是个性化的，它每一件产品都不一样，可以适合某个用户他自己的需要，这是一个。另外一个它有可能出现一种，我们叫分布式制造的一种生产模式。就是它用一个3D打印机就代替了原来传统制造需要很多工序的生产的这种需求，所以它可以把生产的这种厂房，建在用户的边上。第一个工厂，它可能就不是集中起来了，而是分布在世界各地，全国各地，这样的话在你需要的地方，就近生产，就近制造，然后就运过去使用。3D打印技术未来可期，我们期待以后在更多的场景中可以遇到3D打印技术，感谢赵老师的精彩解读和分享，也感谢各位的关注和收看，下期《透视新科技》，我们再见！