中国首次实现太空3D打印！为何3D打印技术能“火上天”？

资讯前瞻网 2020-05-10 17:59

自此前美军使用3D打印技术制造可重复使用的N95口罩，引发众人关注后，3D打印技术近日进一步“登堂入室”，实现“上天”。

5月5日，我国新一代载人飞船试验船由长征五号B运载火箭从海南文昌航天发射场成功发射，进入预定轨道。新一代载人飞船试验船上搭载了一台“3D打印机”，这将是我国首次太空3D打印实验。

这次3D打印试验由中国航天科技集团五院领衔，是首次在太空中开展连续增强纤维复合材料的3D打印试验。这次实验的意义重大，往小了说，将为飞船长期在轨运行和维护、空间站制造工具打下基础;往大了说，有望在未来通过太空制造实现超大尺寸零件3D打印，实现在轨扩建空间站。

为何3D打印这一新兴技术如此受到重视?这是因为其“随心所欲”制造产品设计的特点，不仅能广泛应用于珠宝、艺术和工业设计，在建筑、工程、汽车、医疗和航天领域也能大有所为。

3D打印：2D变3D

3D打印又称为“增材制造技术”，与普通打印机工作原理基本相同，只是使用的打印材料有所不同。

3D打印技术以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体，让原先2D平面的打印技术进入到三维空间。

3D打印不仅能通过快速建模、快速成型大大提高产品的设计周期或者生产周期，更重要的是，它可以“打印”出传统工艺无法做到的产品设计。

1986年，Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机;2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世;2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织……广阔的应用前景已在人类面前展开。

目前，市面上已经拥有了多种型号和款式的3D打印机，从低成本、即插即用的桌面3D打印机到几十万元+的工业级3D打印机不等。

较流行的3D打印机有两种技术原理类型：熔融沉积建模(FDM)和立体光刻(SLA)。

熔融沉积建模简单地表示材料沉积在单个层中，这些层堆叠融合在一起以创建3D模型。FDM 3D打印机结构较简单，通常成本低廉，可以生产出具有适度细节和强度的模型。不过，它们需要大量的修补和校准，且制造的模型细节和表面光洁度较为粗糙。

(示意图：融化塑料材料并挤压它，然后一层一层地将它沉积成想要的形状。图源：Scopigno R.,Cignoni P.,Pietroni N.,Callieri M.,Dellepiane M.(2017). 'Digital Fabrication Techniques for Cultural Heritage: A Survey'. Computer Graphics Forum 36 (1):6–21.)

立体光刻(SLA)印刷的工作原理是光通过称为光聚合的过程固化液态树脂并逐层构建物体。SLA 3D打印机以其创建高精度和复杂设计的能力而闻名。因此与FDM打印机相比，它具有更高的综合制造能力。

(示意图：激光选择性地照射照射液体光聚合树脂，使树脂固化。图源如上)

3D打印行业：新老企业并存

根据前瞻产业研究院分析，目前全球3D打印机领域新老企业并存，竞争激烈。EOS、SLM solution、3D Systems等老牌3D打印巨头在早期引领了产业的发展，凭借专利优势拥有十几年甚至二十多年的技术积累，已经拥有较高的市场份额和客户认知度。

而Desktop Metal、Digital Alloys等初创公司多数成立于2000年甚至2010年以后，一方面系列专利到期后降低了进入壁垒，另一方面这些公司通过改进工艺技术、创新业务模式和提升成本控制，具备一定的后发优势。如Desktop Metal分别开发了桌面级系统和工业级系统，以满足不同领域客户的需求;Digital Alloys开发了Joule Printing 技术，使用金属线代替金属粉末作为原材料来解决打印速度、质量和成本问题，在2018年获得了1290万美元的B轮融资。

此外，中国的铂力特和先维三临缓缓崛起，挤进全球头部队列。其中，铂力特在2019年7月22日正式登陆中国A股市场，在上交所科创板挂牌上市，成为“科创板3D打印第一股”。而先维三临则持续开拓市场，成为具有全球影响力的3D数字化和3D打印技术企业。

在细分领域中，铂力特、飞而康、霍尼韦尔从事3D打印航空航天业务，爱康医疗是中国骨科3D打印龙头，安世亚太及德迪智能布局金属3D打印，威布三维专注教育培训领域，安德瑞源打造一体化解决方案，盈创建筑科技则专注建筑3D打印。

在疫情中，各家3D打印领域公司也有所贡献。盈创建筑科技制造了3D打印隔离屋;湖南云箭提供了首批3D打印FDM-1型医用护目镜;北京汇天威科技打印口罩佩戴神器(与著名运动品牌匹克合作)、红外测温仪设备定标零件等产品;南极熊设计多款3D打印护目镜、口罩配件方案并完全开源;广州形优3D打印了新型冠状病毒肺部感染病例模型以便研究和讲解;大千振宇设计口鼻分离的3D打印口罩;重庆领航新智诚科技赶制手持式红外线测温仪外壳，10天完成2500套。

3D打印市场：美国持续领先

3D打印作为第四次工业革命的代表技术之一，越来越受到工业界和投资界的重视。据市场研究机构IDC预计，2019年全球3D打印的市场规模将达到138亿美元，比2018年扩大21.2%。