3D打印及其走向商业应用的挑战

【访谈背景】

近日，一对来自江西的臀部连体女婴在上海复旦大学附属儿科医院成功接受分离手术。据悉，此次分离手术采用3D打印技术进行精准辅助，这在我国儿童医院连体儿分离手术中尚属首次。

3D打印其实已经不算一个新事物，它的概念源于19世纪末的美国——甚至比互联网还早。3D打印早在20世纪80年就开始发展，到最近两年，由于互联网的推动，使得3D打印的“软件核心”——“数字模型”得以高速发展。再加上劳动生产力进步和技术的革新，使得3D打印的机的成本不断下降，3D打印的“硬件基础”也业已成型，3D打印的黄金时代正式到来。

 

【嘉宾】

澳大利亚技术科学与工程院院士  吴鑫华

清华大学机械工程系教授、博士生导师林峰

 

【主持人】

大家好，欢迎各位收看人民网访谈节目，我是吴婧，说起3D打印技术，我们大家可能不太清楚，其实它的发展近30年历史了，3D打印技术现在越来越风靡，它现在发展的历程有哪些，而且它走向商业运营挑战过程当中会遇到哪些困难，今天我们在演播室请到二位嘉宾和我们一起来探讨一下3D打印技术。我们认识一下，坐在我身边的这位是澳大利亚技术科学与工程院院士吴鑫华，您好。 

【吴鑫华】

您好。

【主持人】

还有一位是清华大学机械工程系教授、博士生导师林峰先生，欢迎您。

【林峰】

您好。 

 

【主持人】

欢迎二位，其实我们现在说到3D打印，我们日常生活来讲，我们经常会听朋友说3D打印的照片栩栩如生，包括现在也感觉到有一些3D打印的汽车，但是知道是不是能正常在生活中开，估计是一个问题，所以我们首先想请二位教授跟我们先来描述一下，用一些案例跟我们讲一讲3D打印技术目前发展的进程如何？

【吴鑫华】

我主要是做金属的3D打印，金属3D打印其实是近五年的事情，这跟激光有关系，高功率的激光能熔化金属，能够精确地在一个金属的粉末床上划出一条线来，就是纤维激光，高功率的纤维激光也就是近五年才发展起来，所以金属的3D打印也就是近五年的发展。这个3D打印从我们专业来讲就是怎么传播的工艺或者选取文化的工艺，这个在形成一个大的构件的情况下，是用一个小的单元一个一个堆积起来的，这跟过去常规的铸造和锻造来比，以前从大块的逐渐的减少到中间的某一个形状，正好就是反过来的工艺过程，有点跟建长城差不多。

 

【主持人】

也是一砖一瓦这样起来的。 

【吴鑫华】

对。 

【主持人】

谢谢吴院士。

 

【主持人】

林教授您在清华大学一直是从事3D方面的研究和探索，能不能请您用这么多年的经验简单描述一下，您觉得3D打印技术如何让大家更近的走进它？

【林峰】

3D打印技术是一种分层次化的概念，就是把复杂的结构离散，离散以后一层一层的堆积起来，这种方式可以使一个复杂结构的制造问题得到简化，以一种标准的方式来制造不同结构、不同材料的零件，这样使一个制作的问题简单了，就像普通打印机一样，家里面有打印机不管是打印一篇文章也好或者是一个图片也好、图像也好，只要准备好了选择好了你要打印的，你给它一个命令，它就打印出来彩色的、黑白的，指令就完成了。

以后3D打印的功能也是这样，它就把一个复杂的三维结构的制造问题变得简单，我们家里买了三维打印机，不管做什么都用三维打印机做出来，一个手机壳也好，一个相框也可以。

 

【主持人】

包括水杯也可以。 

【林峰】

水杯也可以，你只要感兴趣的东西，你想要一个，你就给一个数据，你的三维打印机就打印出来了，所以这个有可能是一种新型的生活方式，然后是一种兴趣爱好的表现方式。 

【主持人】

谢谢林教授。

 

【主持人】

吴院士，因为我们知道您一直是在澳洲从事3D打印技术方面的研究，我们也想了解一下，在我国3D打印技术和澳洲和国际上比起来有没有什么差距，您觉得我国3D打印技术发展前景如何，我们现在主要是应用于哪些领域？

【吴鑫华】

我其实是在英国待的时间最长，我在英国伯明瀚大学待了20年，主要是从事航空航天构件的制造，大概十几年前，整个的航空工业开始提倡降低成本，如何节约能源，这个时候就开始研究一系列的加工工艺、节能工艺，3D打印只是其中的一种，这个时候正好由于高功率纤维激光到市场，使得我们有机会进行很精确的金属构件的打印，这个金属构件的打印整个来说应该是欧洲先领先，因为机器都是欧洲生产的，逐渐的美国、澳大利亚，因为澳大利亚把我带去了以后，使得他们在这个上面不用从零开始。

从整个的研究来讲，国外的研究从3D打印的研究，主要是由市场、客户主导的，像我们目前主要是法国赛峰集团发动机主导的，还有一些飞机上的构件的主导，这个在国外是非常明确的，这种情况下，它的发展、它的研究的支柱是有很强的针对性，所以也有很强的战略性，所以就不会随便的去东一榔头西一棒子去弄，对我们来说目标非常明确，就是如何使所有打印出来的构件达到国际航空标准，达到适航的要求，所以这个路子非常的明确。但是在中国目前来讲，我觉得在金属方面还不是很明确的，就是说只是说打出一个形状来，赶快拿去用就行，真正的要上民用飞机和上民用发动机，全世界的标准是一样的，这点我觉得在目前可能中国相对来说还落后一点。

 

【主持人】

所以吴教授，因为刚刚在讲我们今天主题是3D打印技术如何应对商业市场的挑战？所以我们现在国内的3D打印技术如果说面临着一些商业挑战的话应该是很大的，所以请您分析一下，因为我们知道您的团队一直致力于这方面商业的应用，您觉得我国3D打印技术有哪些商业方面的挑战？ 

【吴鑫华】

从金属的3D打印构建来讲，有两类比较大的挑战，一类是航空航天，还有一个是医疗类。从医疗类来讲，本身现在中国没有标准，在FDA已经通过了五六个构件商业化的生产，已经拿到了FDA的生产许可，从美国市场和美国生产商来讲，它就可以大规模的使用这样的技术，变成一个批量化生产的产品，可以投放全世界市场。

就中国来讲，不但没有标准，也不知道怎么去申请这些程序，都还没有，这个实际上从战略上来讲，谁先建立这样的标准和程序，谁就能主导全世界的市场。如果过了五年才有这个标准，十年才做出来的话，那人家的产品今年全部铺在市场了，所以这个时间上非常重要的。

从航空航天的产品来讲，这个可能相对来说从标准来讲，已经有了国际标准，这个国际标准是不会变的，所以某种程度上来讲，我们只要建立一个国家的标准，但实际上我们要参照国际的标准，如果我们参照以前国际的标准，达到它的性能的要求，就完全可以把这个产品变成大批量的生产，就是相对来说它的门槛已经跨过了一半。

在目前中国来讲，航空航天方面主要是国家的单位控制，而不是说由市场主导，这就限制了它很多的运用，实际上跟真正的技术先驱者不是那么容易接轨，这也是由于中国机制造成的，不像国外，国外是如果市场需要，全世界的哪个单位做得好，他就跟哪合作，他只看他的技术，那么中国有很多政策上的保护，他不是很容易的给民间企业或者跟国外单位合作，就是因为体制的限制，这样就造成他很有可能就得不到最佳的资助。

【主持人】

谢谢吴老师跟我们分享这些体会。

 

【主持人】

刚刚林教授说3D打印技术会到了一个我们希望出现什么样的模型，我们可能就通过3D这样的数据打印出来，有一些媒体就分析说3D打印技术将挑战中国制造的优势，冲击中国世界工厂的地位，所以请您谈一谈这样的看法，3D打印技术在我们过程工业发展过程中扮演什么样的角色，会不会颠覆传统的制造业呢？

【林峰】

3D打印是一种短流程的生产模式，从原材料经过生产直接得到一个零件，从传统的铸造、铸锭、胎坯、制坯、粗加工、精加工这样一个常规制造方式相比，他是在一个房间里面一套设备把毛坯做出来，再由精加工的设备做零件最终制造出来。这种短流程的加工过程就相对于比原来的铸造方式更紧凑，而且离最终用户更近。国外的一些厂商需要的零部件会就近生产，就不需要到中国这样的发展中国家来做，这个意义上会把一些制造业的工作，或者加工量移到美国去就近生产，这样可能比运到中国经过长流程的生产回去以后成本更低，所以从这个意义上会对中国制造有一定的影响。

但是这种传统的制造技术也在不断的发展，即使是以前的长流程，但是在批量上生产的话成本还是相对比较低的，所以在这点上，3D打印技术对传统工业应该只是一个补充，还不能完全替代传统的工业。另外国家和国家之间的竞争是全方位的，不只是一个技术本身的竞争，可能包括设计技术、产品的智能化，还有它的数字化，整个全方位的竞争。所以会提供一些便利，能够及时的反映市场需求的产品，但是有一些量大面广的产品中国还是有优势的，这块我觉得不同的技术都在竞争，而且不同的技术也都在发展，只要我们能够保持不断的技术的更新换代总是有机会。

 

【主持人】

刚刚吴教授说3D打印技术在医疗方面的应用，我们这儿有一个例子，近日在江西的一对臀部连体女婴在上海复旦大学附属儿科医院成功接受分离手术，采用的就是一个3D打印技术，作为外行我们听起来觉得有点不可思议，当然这也是3D打印技术在我国儿童连体分离手术当中的第一次，所以请林教授帮我们解答这个问题，您预计什么时候这个技术可以在医学领域广泛应用，在连体婴儿分离手术当中，这样的技术具不具有复制性呢？

【林峰】

实际上连体婴儿就是一种服务的对象，做连体婴儿的手术规划用3D打印技术的技术帮助手术方案的制定，手术规划，实际上十年前已经有了，不一定在中国，有可能中国是第一例，但十年前在美国那时候就已经有这样的手术应用。

为什么能够3D打印在这方面发挥作用呢？3D打印是一种数字驱动的过程，一个对象，数学模型一变，制造的东西就变了，所以有很强的个性化，病人每个的症状都是不同的，都是个性化的，尤其像连体婴儿这种病都是很特殊的。所以这种传统的教科书上没有标准的结构帮助你进行手术规划，所以它作为用3D打印技术把个性化的特征反映出来，然后有病人、专家制定整个方案，包括用这个模型进行一种沟通交互、交流的介质，跟病人和他的家属沟通方案的制定，这都是很好的工具。

在这个基础上，除了连体婴儿，现在很多的疾病，包括一些肿瘤的治疗、心脏病的治疗，很多假体的人工的替换这种手术方案，包括假体的设计现在有很多运用3D打印做这个模型，方案的制定，手术的规划，包括假体的验证，制造出来、设计出来是不是装得上去，这个越来越多了，现在也有一些专门的公司和专门的服务机构提供这方面的服务。

 

【主持人】

所以说3D打印技术完成可能将来在医学领域里被广泛的使用、运用。

【林峰】

对，这个是最简单的一种，它做的这个模型我们认为还是不是放在体内的是体外的，材料还没有很好的生物相溶性，如果我们把材料换成生物相容性非常好的材料它就可以打印出来肉体，直接就在体内。

 

【主持人】

一个器官。

【林峰】

器官还有一定距离，可以是关节、人工的骨骼，做一种支撑。包括我们以前做过的外耳，有韧性的外耳的模型，这个都可以放在体内，替代一个缺损的受损的器官。

 

【主持人】

林教授我们说3D生物打印技术被称为人类另一个登月计划，所以3D生物打印技术这个技术目前正处于初步的起步阶段，您先给我们介绍一下3D的生物打印技术是什么概念？

【林峰】

3D生物打印也叫生物制造，它实际上是生物打印的基本原理，来用生物的材料制作生物的结构，做一些生物的模型、生物医疗的植入体，包括可以帮助组织再生的支架和我们最终用的细胞作为材料的细胞体外生物结构像这类，因为生物学和医学研究，包括治疗用的结构，这种制造的技术，我们把它叫做3D生物打印技术。

 

【主持人】

现在应该说3D生物打印技术目前来看应该是观赏性的技术，如果从观赏性到功能性的改变，这中间有哪些路要走呢？

【林峰】

现在不是观赏性了，它有功能了，比如说我们打印一些骨的支架，它放在体内，他随着支架材料慢慢的降解，可以帮助骨组织再生，最后长出人的骨骼来，我们打印的血管支架放在体内，逐渐逐渐降解长出血管来，这些研究和报道都已经有了，在我们实验室也做了这方面的工作。

 

【主持人】

这个现在有没有一些难题存在，比如器官精确数据这样技术性的难题？

【林峰】

现在难题在于，生物系统是非常复杂的结构，它是分级的，由最小的细胞，逐渐逐渐的组成组织，再组成器官，分级的机构里面有很精密的机构的要求，也有细胞不同种类之间相互的空间关系的要求，还有生命体都是一个开放系统，他要进行一个新陈代谢，所以他里面有很丰富的血管网，像这些系统的构造，利用3D打印难度还比较大，所以要把这些问题都解决的话。

 

【主持人】

还有多远？ 

【林峰】

估计还要十年，不断地去探索一些新的方法，创造一些新的技术，有些事情是我们人工可以做的，有些事情要交给生物细胞做，这个要和我们其他学科，特别是生物医学的这些多学科的交叉才能解决问题。

 

【主持人】

刚刚我们说到3D打印技术在航天领域的应用，想请林教授分析一下3D打印技术在航天领域应用在我们国家是如何发展的轨迹？

【林峰】

航空应用有两大类，一类是在地面，就是为航天的航天器，包括火箭，制作一些关键的零部件，原来用传统的工艺比较复杂、比较难做，或者需要很多零件，分别制造再组装起来，现在用3D打印可能能解决复杂结构的制造问题，可以做整体的零件，能够减轻重量、提高性能，这是地面的应用。还有一种是在空中，像美国做的Made  in  Space，叫做空间制造，他就希望在太空的轨道，在轨的制造一些飞船上需要用的工具，或者直接制造飞船里的一些构件，这种就不需要从地面把这些零部件带上去，这种效率更高，这种应该也是很有前景的。再往远了想，比如我们在火星、月球上建一个基地，这种原地的制造，可能都需要类似3D打印的方式，用当地的原材料，短流程的制造出来。

 

【主持人】

所以也解决了航天技术的很多难题，谢谢林教授帮我们做的分析。吴教授我们了解到今年您的团队在2月份的时候完成了两台3D打印制造的喷气式飞机引擎，应该说这个也创造了世界记录，所以想请您把这个科研成果的意义在哪里，包括这种飞机引擎与以往相比有什么先进和独特之处？

【吴鑫华】

当初我们选择3D打印这个发动机的原因有两个，一个是这个飞机发动机选择的尺寸正好适合于3D打印现有机器尺寸的能力；再一个，在发动机的里面，尤其从设计到最后出成品，过去一般是10—15年，通过这个3D打印很多复杂的构件很快就能更新，就能达到产品的要求，就可以加快它的步伐，所以通过这个3D打印就可以用3D名录来制造这样一个发动机的名录，就是说你是不是真的有能力把它打出来，其实一个更重要的没有显示出来的是，实际上我们所有材料的性能在这些构件中都是达到航空要求的，就证明了3D打印有能力，至少能生产90%的构件，在整个的发动机当中，这个发行发动机可以生产90%的构件完全可以用3D打印制造来做的，这样就加快了整个发动机功能的发展，从设计到最后生产，整个新的机型的生产就会加快至少3—5倍。 

 

【主持人】

就是时间上来看的话。

【吴鑫华】

就是时间上来看。这个在发动机工业上非常大，大在什么地方呢？如果你不做你的竞争对手会做，这样就造成了整个发动机工业步伐的加快。

 

【主持人】

所以这个也是，如果说这种飞机引擎和以往引擎相比的话，您觉得它的先进之处和独特在？

【吴鑫华】

我们目前做的两个发动机没有什么先进的地方，就是完全是翻拍。但是在这个项目的同时另外有一个并排的项目，就是在研制一个计算机的软件，这个软件可以把现有的实心的构件变成空心，而且又不影响它的性能，尤其是疲劳性能，这样就可以减轻它构件的重量，同时保证它所有的性能是跟原来一样。到这个时候项目我们还有两年才完成。目前先进的地方是，这个发动机将来再来一个机型再来做的话，它的重量就会减轻，有很多部件就会减轻10%或者20%的重量，这个对发动机来说意义相当大。 [16:56]

 

【主持人】

所以这样的重量减轻或者改变，我们只需要等待两到三年时间就可以了。

【吴鑫华】

是的。

【主持人】

谢谢吴教授给我们分享这样一个非常喜人的成果。刚刚听了二位给我们详细介绍这个3D打印技术，同时3D打印技术现在在工业发展，包括在航天技术、在医疗方面都有了很大的应用，所以我们都深刻的感觉到3D打印技术未来前景应该说非常广阔，我们也想请二位教授来描述一下3D打印技术未来将给我们生活带来什么样的变化？ [

【吴鑫华】

我觉得生活变化最大的还是医疗方面，所有的植物体可以按照量体裁衣的方式去做，不像现在的产品，有大中小。而且我们代替骨头的金属构件都是实心的，实际上从人的结构来讲，老人、中年人、孩子骨头的疏松度是不一样的，各个位置都是不一样的，将来3D打印就很容易做到根据个人的要求，各个部位的要求去做的跟它完全一样的植物体的构件，就可以大大的减轻他里面造成的障碍。还有就是医疗手术器件，像我们给江苏省人民医院外科大夫做的，他们设计的手术器件我们给他加工，他就可以把手术时间马上从四个半小时降到一个半小时，就是说对他非常便利的使用，他自己想设计的一些器械，这样对病人对社会来说都是很大的冲击。

从航空航天来讲，我觉得主要还在于看国家航空航天领域如何使用它，如果能够使用得好，很多瓶颈构件就能生产，就能加快步伐，不一定这个性能一定要超过现有的性能，就是你只要达到现有的性能就可以，但是你得做出来。目前有的可能要10—15个步骤才能作出这么一个复杂的构件，3D打印一步两步就能做出来了，所以就会加快它的步伐，那么这个从大的范围来讲，可能对整个航空工业的发展是一个好事情。目前可能这些关键的步伐，某个机型就拖得越来越长的时间，这个从战略上来讲是比较重要的。

【主持人】

谢谢吴教授。

 

【主持人】

林教授您觉得从您研究的领域考虑，它会给我们生活带来哪些变化？

【林峰】

我非常同意吴教授前面讲的航空、生活，特别是医疗方面给我们带来的影响。另外我补充一个，可能对我们创新文化也会有影响，以后可能很多小学生、中学生有什么新的想法，在家里或者在学校的3D打印机就可以制作出来、实现他的想法，因为他这个打印没有那种特别大的限制，它的结构形状会比较灵活，他很多想法，像以前我们找一个专门的材料，或者专门的机床、专门的工具去制造，这个门槛就稍微高了一些，以后3D打印机他只要想出来就能做出来，他可以打印，而且稀奇古怪的形状都可以，所以对这些启发、开发这些青少年创新的思维还是有帮助的。以后可能会有特别多的，丰富多彩的创意，通过3D打印打印出来，另外我们生活中还有一些装饰、雕塑，现在也是可以通过3D打印做出来，现在有很多搞艺术创作的人，还有很多搞数学的人，他们把数学的成就变成非常复杂的空间的图案的结构，这种用3D打印打出来就给人家一种新的理念，数学可以是这样的，这个结构可以是这样的，可以开放我们的视野，开放我们的感觉。所以3D打印我觉得对我们这个创新文化的推动还是有帮助的。 [16:59]

 

【主持人】

只要你敢天马行空他都可以帮你实现。但是我们可能很多普通生活的朋友，老百姓都可能想特别了解，这个3D打印技术什么时候可以用在办公场所或者家里，刚刚其实讲了用于医疗、航空，可能离我们百姓生活更远一些，如果就像日常生活我们办公室打印机一样，有这样的3D打印技术，大概还有多长时间的路程要走呢？ 

【林峰】

现在应该更加容易普及了，因为3D打印技术十年前都得像十几万人民币一台，现在几千块钱人民币，你在淘宝上一搜几千块钱的就有，所以如果说要买一台放在家里，这个应该不是太难的事情，现在主要困难可能在于它的模型，就是我要做一个杯子也好，做其他的也好，得有一个数字的模型，这个数字模型让每个人自己都去设计一个的话，这个就有一定的要求了，就是你使用的人得会使用一些造型软件来把它制造出来，所以这块普及的时候会遇到一些数据的瓶颈问题。另一方面，也有人把它的设计放在网上可以下载下来，有的是不要钱的，有的要加一些费用，这个可能以后是个商业模式的问题。设计的瓶颈也是需要去克服，也有是开发一些基于网络的造型软件，儿童或者没有受过专门训练的人，也可以获得他需要的东西，这也是一个学习的过程，让大家能够去学会数字化的设计，然后再用这个方式做出来，这块我觉得也是不断的要推动它。

 

【主持人】

今天非常感谢二位教授，吴教授和林教授，作客我们演播室和我们大家一起分享了3D打印技术，让我们对于3D打印技术的魅力了解的更多，也了解到它将来走向商业运用的过程当中还会遇到哪些困难和挑战，受益匪浅，非常感谢二位。也谢谢大家收看本期的节目，再见！