从医疗器具到航空构件00后女生用3D打印创造无限可能

　　在第十四届中国航展上，国产C919大型客机是备受瞩目的明星——它是中国首款完全按照国际先进适航标准所研制的单通道大型客机，我国拥有完全自主知识产权。

　　C919成功问世、冲上云霄的背后，少不了硬核“黑科技”的支撑，被视为科技创新“加速器”的3D打印正是其中的重要技术之一。C919的机头钛合金主风挡整体窗框等大型关键构件由金属3D打印技术制造完成，在降低飞机结构重量的同时，还能优化飞行特性、延长使用寿命、提高燃油的经济性。

　　除此之外，“山西云冈石窟完成世界首例3D打印复制洞窟项目”“3D打印实现‘冰墩墩自由’”……3D打印频频成为热门话题，备受关注，它在航空航天、国防、汽车、生物医疗等领域为核心制造技术带来创新突破，为传统制造业的转型升级提供了宝贵契机。

　　然而，不论是安装在C919上的钛合金零件还是可爱的冰墩墩模型，仅靠3D打印机是无法凭空完成生产的。从研发3D打印制造技术、装备器械到产品研发和设计，都需要由专业的增材制造工程技术人员实现“从无到有”的创造。

　　3D打印的学名为增材制造，属于现代制造学三大分支中的其中一种制造方法。这是一项以数字模型为基础，运用粉末状金属、塑料等材料，通过逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术。

　　华南理工大学教授杨永强深耕增材制造行业已有近二十年时间，他表示，增材制造集合了材料、激光、计算机软件、自动化等多项技术，可谓是先进技术的典型代表。但实际上，增材制造技术仅有30多年的发展历史，是一门新兴的学科与技术。

　　直到2012年以后，随着计算机软件、元器件、金属增材制造技术的发展，增材制造才逐渐跳出理论和学术探讨，被普遍应用于我国的航空航天、医疗器械、汽车制造等领域。

　　在过去十几年里，由杨永强牵头的华南理工大学增材制造实验室研究团队是实现增材制造技术落地应用的推动者。他此前接受南都记者采访时称，团队研发的舌侧正畸托槽个性化定制项目在美国和德国均申请了专利。此外，团队还对不锈钢、钛合金、钴铬合金、铜合金、纯钽、纯钨等材料做了大量的工艺实验，目前有约几百台设备服务于航空航天、生物医学、工业模具、科研和教育等行业。

　　随着增材制造技术在多个领域推广铺开，这项新技术也被国家和各地方视为未来的产业新发展点。早在2015年，工信部、国家发改委、财政部就联合发布了《国家增材制造产业发展推进计划（2015—2016年）》。为有效衔接《推进计划》，工业和信息化部等12个部门紧接着联合制定了《增材制造产业发展行动计划（2017—2020年）》。

　　据悉，为贯彻落实“十四五”规划，推动增材制造更好地服务经济社会发展，今年3月工业和信息化部组织征集一批增材制造典型应用场景，形成可复制可借鉴的成果，研发应用更加适配行业需求、更加先进适用的增材制造专用材料、装备和应用技术解决方案。

　　作为制造大省，广东早在2014年已专门实施了增材制造的重大专项。2020年9月，广东省科技厅牵头省发改委、省工信厅等5部门编制印发了《广东省培育激光与增材制造战略性新兴产业集群行动计划（2021-2025年）》。“激光与增材制造”产业成为广东省重点培育发展的十大战略性新兴产业集群之一，这同时也意味着广东的激光与增材制造产业迎来了首个省级层面的专题支持政策。

　　在航空航天、交通、医疗等国家重要战略领域中，器械和零部件常常涉及精细的内部结构、曲面等复杂形状，甚至还有定制化的产品需求，传统制造工艺难以完成这类物品的生产，而这却是增材制造技术的“拿手好戏”。

　　在2022年世界互联网大会乌镇峰会上，出现了一项高性能3D打印骨科植入产品，在获得患者影像学数据后，的206块骨头，无论结构多复杂、奇特，算法平台最快可以在48小时内就完成整个定制生产流程。3D打印复制腿骨、3D打印新冠肺炎病灶模型、世界首例3D打印耳朵成功移植……在生物医疗领域，3D打印发挥着不可估量的作用。

　　“在过去，患者做膝关节置换手术所需的假体要从国外引进，然而进口的假体大多依照西方人的骨骼特点来设计，并不完全符合中国人的结构。但利用3D打印技术，我们可以自主为患者‘私人订制’专属的人工假体。”杨永强告诉记者，随着增材制造技术不断发展，我国医疗领域的自主定制产品越来越多，对进口器材的依赖度也逐渐降低。

　　除了应用于“高精尖”领域，增材制造还可以为大众打造轻量化的日常生活用具。“00后”李艳红毕业于广州市机电技师学院工业设计专业（产品设计方向），成为一名增材制造工程技术员后，她所在的团队设计出了一款兼具实用性、观赏性且符合力学的开瓶器。“这款开瓶器不同于传统的样式，它造型小巧、轻便易携，是美学与力学的统一体。”

　　回忆起在学校首次触到3D打印机时的场景，李艳红看着电脑里的模型“蓝图”变成手中真实可触的物体，她感到新奇有趣的同时，感慨道：“增材制造设计师可以从无到有设计出自己喜欢的东西，是一件非常有成就感的事。”

　　在建模软件上绘制模型，将基板在3D打印机中固定并对齐，倒入材料粉末并刮平整，启动打印……在深入学习了增材制造的理论并进行实操后，李艳红发现还有非常多难题等待着她攻克。

　　提到“3D 打印”，很多人将其简单理解为“操作一台能够打印出立体物品的打印机”。“增材制造的难点不仅存在于打印过程中出现的喷头堵塞、产品翘边等实操问题，如何在前期设计出符合3D打印特点的产品和结构也是一大挑战。”李艳红说。

　　在校期间，李艳红参加了广东省新职业技能技术大赛的增材制造设备操作员赛项，参赛者需要对一个笨重的机器人足部结构重新进行轻量化设计。“这个项目的难点在于，产品的材料减少后容易出现断裂的情况，我需要在保证模型强度和性能的前提下对其进行减重。”李艳红精益求精，利用设计软件反复测试，她对比了多个方案，最终凭借减重30%的优化效果获得了第一名的好成绩。

　　增材制造工程技术员的工作也让李艳红发现，3D打印与大众的日常生活息息相关，如何发挥3D打印的优势、为生活各方面进行轻量化设计改造成为了李艳红的习惯性思考。

　　“以医疗行业为例，传统的穿戴式矫正支架会让患者感到很闷热，我就会思考怎样通过轻量化设计，让矫正支架的佩戴感受更舒适。”李艳红所在的项目团队目前正利用拓扑优化、点阵优化技术对一款脊柱纠正器进行轻量化设计，在减轻负重感的同时提高了支架的透气性。

　　李艳红也希望自己能在增材制造行业不断积累经验，为医疗、交通、航天等重要国家战略领域做出自己的贡献。

　　放眼未来发展，我国增材制造行业的发展面临着不少困难。杨永强表示，我国的3D打印机器设备、关键零部件等目前仍比较依赖国外引进，不仅受疫情影响导致设备交货期延迟，影响生产进度，国际关系颠簸也可能对进口造成限制，“因此我们必须立足于自主研发，打破技术瓶颈。”

　　设备研发与技术更新依赖人才，然而，我国增材制造行业人才缺口依然很大。2022年2月22日，人社部发布了2021年四季度“最缺工”的100个职业排行，“增材制造设备操作员”位列其中。

　　今年6月，“增材制造工程技术员”出现在了人力资源和社会保障部公示的18个新职业清单中。杨永强点赞，“这是个好消息，为增材制造人才的培养起到了非常大的作用。这不仅是对从业人员的认可，还为他们明确了发展方向和人生规划。”

　　杨永强坦言，在过去，社会上找不到合适的专业名称和专业渠道对增材制造技术人员进行提升，有志于加入增材制造行业的人才或许会因此而对未来的发展感到迷茫、心存疑虑。他还观察到，近几年我国的技能比赛、考级、考核制度都出现了增材制造技术的身影，这推动了人才的认定标准化，激发了人才的科研与创新动力。

　　与此同时，国内各层次院校陆续开设增材制造（3D打印）相关专业。《2021年度普通高等学校本科专业备案和审批结果》新增备案本科专业名单中，共七所高校设置“增材制造工程”本科专业，学制四年。

　　然而，行业需求与院校培养的人才之间仍不尽匹配。“金属增材制造属于业内较为高端的领域，非常有发展前景。可是，这项技术所需的设备和耗材成本较高，职业院校不具备设施条件，职校学生上手实操的机会较少；部分高等院校虽具备基础设施条件，但学生主要进行理论研究，同样缺乏实操经验。”杨永强说。

　　广州市机电技师学院工业设计部教师凡伟坦言，职业院校在金属增材制造等高端领域的人才培养上确实面临上述难点，目前广州市机电技师学院的培养内容仍以3D打印塑料产品的设计与设备操作为主。

　　杨永强希望，不论是高等院校或是职业院校，应同心协力做好各个层次的增材制造人才培养工作，通过开设相关课程，进一步提升增材制造技术人才的专业素质。