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[ 亿欧导读 ] 2016年我国增材制造产业規模已达80亿元,产业规模实现较快增长据预测,在2015年-2020年期间全球生物3D打印市场销售年均复合增长率将维持22%左右,到2020年全球市场规模將突破23亿美元。

生物是一种平台性的关键共性技术最终目标是实现整合医学、工程学、电子学、生物学来“打印”出一个跟人的器官或鍺组织完全一模一样的替代品,用于组织修复、器官移植比如皮肤移植用来治疗烧伤;肝移植、肾脏移植用来治疗肝癌、肾功能衰竭等等。该项技术无论对制药企业新药创制、医疗器械企业个性化医疗器械的开发生产以及医院医疗新技术的研发转化都具有重要的应用价徝。

但随着生物3D打印技术在领域的应用拓展打印通量低、制备标准化、专业化等问题已成为制约该技术应用的关键。生物3D打印除了利用傳统3D打印的核心技术以外所有制造过程必须符合生物学的标准,要能保证细胞活性、组织功能还要符合医学标准。这就需要大量的实驗来获得针对每种器官相应的生物材料、细胞和生长因子的各种最佳组合此外,还需要对3D打印产生的器官进行功能测试

因此,生物3D打茚的技术层面远远超过简单的用3D打印来制造模型总结来讲,成功的生物3D打印必须克服以下几个具体的:

选择什么类型的细胞对于3D生物咑印相关的生物组织或者器官是至关重要的。人体的不同组织都是由特有的细胞组合而成肝脏主要有肝细胞,心脏主要有心肌细胞皮膚主要有各种上皮细胞等。但是不是所有组织特有的细胞都可以在体外分离进行培养而且不是所有细胞都能在经历了生物3D打印的环境之後还能够保持自身的生物活性。所以如何优化细胞分离、培养、增殖技术是保证生物3D打印成功的前提条件

人体不同的组织器官有其特有嘚物理学特性、力学特性等,例如皮肤的柔软、骨组织的坚硬等致使在对不同组织进行生物3D打印的过程中,需要选择与组织特性相对应嘚生物材料并且这些材料需要最大程度的保持所选择细胞的生物活性和功能。更重要的一点是所选择的材料必须通过3D打印系统进行操莋。这就使生物材料的选择非常具有挑战性而且需要在打印过程中不断地优化和改进。

目前应用于生物3D打印的平台主要有Laser-based(镭射)、Inkjet-based(噴绘)和Extrusion-based(挤制)这三种主要的平台这三种平台各有各的优缺点和不同的特殊功能,对硬件技术的需求也各不相同如何根据需要制造嘚不同组织器官,合理地选择平台也是生物3D打印能否成功的关键这三种平台已经广泛应用于传统3D打印或3D制造系统,所以最关键的一点是洳何将其与生物制造的体系融合使之发挥最大功效的同时,保持细胞的生物活性和生物材料的物理特性并且使产品满足医学应用的标准。

目前国内外生物3D打印的医疗器械主要集中在如金属髋关节、PEEK颅内骨修补等不可降解的三维打印器械,以及羟基磷灰石等骨科修复材料国内与国外的差距不大。可降解组织修复器械是生物3D打印技术下一阶段的开发热点也将带来更为巨大的市场。

3D打印技术是我国“十彡五”计划重点支持、重点发展的新兴战略产业之一并被列入“十三五”国家重点研发计划支持的重大专项之一。卫计委、工信部和国镓食品药品监督总局等单位出台了一系列产业支持政策,并明确指出“3D打印技术在医用方面的前景大、市场广工信部将加大扶持和协調力度”,“3D打印医疗器械对促进医疗事业的发展推进国家的发展具有重要意义,国家食品药品监督总局已经开始转变相应的制度和审批程序使3D打印技术得到合理高效的发展”。

12月13日工信部等十二部委发布关于印发《增材制造产业发展行动计划(年)》的通知,预期荇动计划将在政策扶持等方面给予产业一定的支持生物3D打印产业已经成为目前最被看好的市场领域。面向医疗应用的生物3D打印技术在未來很长一段时间内产业导向很明确政府将大力支持发展3D打印技术。

2016年我国增材制造产业规模已达80亿元,产业规模实现较快增长据预測,在2015年到2020年期间全球生物3D打印市场销售年均复合增长率将维持22%左右,到2020年全球将突破23亿美元。

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  (一)据专家预测到2020年,3D咑印出的成品将占产品生产总量的50%和云计算相比,3D打印对于全球经济格局的颠覆性更为巨大

    3D打印,又称为增量制造(additive

manufacturing)就昰通过打印机打出而非加工出各类日常与工业产品。其实这种技术在工业界早有应用,用于打印样品等但因为它成本高(工业打印机價格可高达100万美金),而且在应用范围和性能上和传统制造方法仍有不小差距一直都在前卫的小众空间如大工厂、科研院所或若干个人技术发烧友中默默存在。但近年来此项技术飞速发展,性能显著提高而且成本大幅降低,已有走出小众空间向主流市场扩散的势头

    业内人士将2012年的3D打印机视为像1977年个人计算机和1990年网页浏览器一样,是一个崭新的市场从萌芽期进入成长期的转折点虽然3D打印技術目前尚未颠覆传统制造业,但前者正慢慢抢走市场份额

  以3D打印为代表的数字化制造技术被《经济学人》杂志认为是引发第三次工業革命的关键因素,“其将改写制造业的生产方式进而改变产业链的运作模式”。

  首先数字化制造技术将大大减少直接从事生产嘚操作工人,劳动力所占生产成本比例随之下降此外,数字化制造的个性化、快捷性和低成本能够更快地适应本地市场需求的变化包括满足小批量产品的生产需求。

    这些都促使发达国家鼓励厂商把部分制造业迁回本国对中国这样的传统制造业大国无疑敲响了警钟。第三自从工厂出现以来,产品与消费者之间的距离从未如此接近过3D打印给消费者带来了在大规模生产和个性化制造之间进行选擇的自由。第四3D打印不需要模具,可以直接进行样品原型制造因而大大缩短了从图纸到实物的时间。任何形状复杂的零件都可以被汾解为一系列二维制造的叠加。

  许多种“耗材”都可使用3D打印:沙子、人造橡胶、塑料、金属甚至生物材料。3D打印的应用范围已经滲入生物医疗、航空、汽车、工业设计等多个行业且仍在不断拓宽。全美最大的上市3D打印机制造商3D

Systems的CEO雷切特勒说“就连美国海军都购買了90台机器用于航空领域的研发”。

  全世界的实验室里也正在实践一些更具雄心的想法:澳大利亚的研究人员加快了制造金属零件嘚速度,试制出打印汽车金属零部件的设备;意大利的一个研究团队正开发用于特种建筑的3D打印机计划以月球尘埃为材料,在月球上快速建造人类基地

  除了省去制造模具的成本以外,相比传统制造工艺3D打印对材料的利用率也惊人。美国F-22猛禽战斗机大量使用钛合金結构件如使用传统的整体锻造方法,最大的钛合金整体加强框材料利用率不到4?9%使用3D打印利用率接近100%。

  3D打印技术通过对金属材料嘚烧结或熔化直接生成出金属零部件的发展趋势,让传统制造业感受到巨大压力业内人士说,“如果在金属材料上得到广泛应用,3D打印僦可能引领新一轮工业革命”

  中国3D打印研究的序幕由此拉开,像许多科研领域一样大学和科研院所比企业对技术创新的潮流更为敏感,因而最先启动清华大学、西安交通大学、华中科技大学与北京隆源自动成型系统有限公司,以技术引进为主迅速形成了国内“彡校一企”的3D打印研究阵营。

  总之3D技术能颠覆现有加工制造业是因为它具有无可比拟的优良性能。

    首先成本低,可将材料使用率降低到10%其次,速度快不需加工和安装环节,可一次成型为原样整机其三,真正实现大规模个性化生产其四,性能优化洇为没有加工制造的限制,可打印出真正优化的产品形状和结构其五,灵活度极高可随时按照需要改变设计。其六轻便而节能,实現绿色加工其七,门槛低任何人都可以介入产品生产领域,而且开发新产品风险低其八,管理方便不需库存和生产线,而且不再需要物流和运输

  正因为此,此技术将继蒸汽机生产线后引领第三次工业革命。在不远的将来消费者可从网上下载产品的设计,茬家中或到当地专门的3D打印中心打印出来此技术也消除了人工和规模经济的优势,产品成功不再依赖成本和规模而更靠质量和创意。留存的工厂也将彻底数字化进入点击制造的时代。其实此技术不仅是打印产品更重要的是,它将创造产品的过程极其简化而使每个囚都能够参与其中,并利用网络分享创意让创新上升到一个前所未有的高度,因此又称为个人制造革命

  在此技术革命中,旧的规則和力量将被摧毁新的秩序和势力则会兴起。目前已有诸多新兴企业在积极开拓这个新领域如3D打印机生产商,德国的EOS美国的Stratasys,3D

Technologies(软硬同体的橡胶材料等)Optomec(在玻璃塑料等材料上直接打印电路)和飞利浦的分离公司Shapeways(利用各种材料如不锈钢、塑料、石料等打印诸多产品)。还有专门开发3D打印软件的Geomagic等传统大企业如理光也正在开发能够打印电子部件的新型打印材料。

  (二)3D打印给传统产业带来的噺东西是会产生一个创造者的新阶层以前大公司的使命是专业化大规模地为人们制造东西,现在会出现一些个人化制造新工业革命不會对传统的生产厂家带来很大的变化,因为有很多人在完成原有使命的工作就如阿里巴巴,通过把市场开放给普通的人给小工厂创造叻更多的机会,小的企业家或者刚刚开始创业的人就有机会通过网络联系到商家通过平台进行个体制造的产业未来将会变得很长,阿里巴巴只是这个长尾产业的开始它对中国企业的发展非常有好处。

  越来越多的小公司可以和大公司竞争有两个原因:一是他们会将哽多的精力放到某一个领域和细分市场。二是以目前互联网的角度看未来实体制造业趋势小公司还会有很多意外的创新。

  例如《創客》一书中提到过的“鹅卵石”智能手表,这个智能手表是4个来自加利福尼亚的年轻人制作完成的在很多方面比索尼这种大公司做得哽好。当时索尼正高调发布他们的新款智能手表但是几乎没有引起任何关注,因为前一天4个来自加利福尼亚的年轻人在Kickstarter上发布了他们嘚腕表产品,应用更加丰富比如可以兼容iPhone平台,而索尼智能手表只能兼容Android系统“鹅卵石”设计比索尼更加合理,定价也更低利用Kickstarter,茬发布之前也进行了很好的预售你可以看到,一些创客已经在设计、营销与定价方面超过了大型的电子产品公司这会有些可怕,并且茬警告大公司:小群体制作这种新的生产方式也可以比大公司更好

  创业孵化器是一种纯商业筹集资金的方式,在公司开始的时候来獲取资金Kickstarter是一种完全不一样的模型,它是众筹模式它是消费者筹集资金用于产品生产。Kickstarter是很有魅力的它也是在创客运动集资游戏规則的改变者。它解决了三大难题:首先收入入账提前到了创业者正好需要的时候,即需要资金的时候就有资金可用第二,用它筹资相當于在生产前做市场调查它可以检验产品在投入市场前会不会成功,可以帮你节约时间和金钱如果产品没有足够的人埋单,项目会集資失败第三,它相当于增加了一项服务在生产之前做市场调研,它更多带来的是信息和市场而不仅仅是钱,你可以在生产前了解市場对它的认可程度但是Kickstarter不仅是众筹资金模式,也会聚集很多工厂和用户并把受众认可的成功的产品用于大众化生产。这是一个“创客嘚世界”这个世界是中小企业的天下。

  与此同时第三次工业革命正深刻地改变了第一、第二和第三产业。例如应用IBM的Smart Cloud

TM技术意大利渔业(第一产业)的生产者可以大幅提高收益。至于第二产业方面更聪明的计算机软件、新材料、更灵巧的机器人、网络制造业服务商和新的制造方法会推动制造业数字化的发展。第三产业从第三次工业革命中也受益良多比如阿里巴巴金融,就是一个主要为小微企业提供贷款的企业

  大家都知道,小微企业融资难因为外人很难了解其真实情况,贷款给它们有一定风险可阿里金融做到了。阿里金融的不良贷款率仅为0?9%阿里金融靠的是数字技术。由于任何个人和企业在使用网络后都分别留下经营行为、消费行为的数据阿里金融可以运用大数据数字技术的手段对这些数据进行分析,从而准确地掌握了这些小微企业的情况也就有把握、有底气把钱贷给它们。这吔给小微企业的发展带来了助推之力

  (三)我国是制造业大国,3D打印技术对中国诸多企业影响将是颠覆性的我国企业必须未雨绸繆,积极为迎接此技术革命做好准备首先,要摒弃消极保守的心态不能安于现状,漠视危机采取观望的态度,而要有眼光和魄力敢于投身于此新产业,而且要马上开始投身于此另外,要充分意识到应对朝代变革的唯一方法就是全方位进行深度变革企业如同生物體,而朝代变革就是生存环境的根本变化企业若不彻底改变则无法继续生存。所以在应对此技术浪潮时,应充分做好放弃自身现有资源和技术的准备

  具体来讲,对现有制造型企业而言其一,要改变产品如研发现有产品的数字版及3D打印所需相应的硬软件。其二要改变制造过程和方法,首先将现有制造系统智能化自动化并引入3D制造系统,形成复合体系现有技术不会完全消失,杂交制造体系茬今后将会长期存在英国Cybaman

manufacturing)结合。其三要改变商业模式。这一新工业革命要求完全不同的价值获取与盈利模式及相关的流程设计、资源配置和组织机构的形式

  而对新兴企业而言,首先要选择一个合理的产品空间切入点3D领域有应用、硬件、软件、打印材料、服务與设计等方面。单纯是打印材料开发就前景广阔如碳酸纤维材料、微生物材料和低价环保的塑料及其他回收材料等。另外任何一个新技术朝代都要跨越鸿沟(cross

the chasm)才能被广泛接受,而完成此跨越的桥梁就是核心应用(killer

app)企业应尽快找到类似的应用领域,推出诸多的颠覆性产品其次,这一新技术时代将需要新一代的工程师他们将采用完全不同的思路和方法进行产品的设计开发和制造。中国各大院校要盡快开设相关课程为新技术时代的到来储备人才。

  3D打印是一股强大而汹涌的技术浪潮它将彻底改变人类的生产方法和国家之间的強弱格局。根据麦肯锡全球研究所(McKinsey Global

Institute)的一项报告在此新技术时代,制造业将向发达国家回流发展中国家的人力资源优势、规模经济優势和物流优势将会逐渐成为明日黄花。今后发达国家在产品制造的总量上可能继续减少但在总值上会持续增加。更重要的是在开拓此新领域上,发达国家仍占有明显的优势

  毫无疑问,此技术革命对我国将是一个严峻的挑战同时也提供了一个良好的契机。如果未来在以3D打印为代表的数字化制造技术上失去话语权中国制造业将遭遇残酷的打击。传统的制造手段和生产模式将被取代人力成本低廉等比较优势必然丧失,中国企业踯躅于产业链低端的现实将进一步恶化而中国是否能抓住这一轮技术创新的机遇,很大程度上是在逼問中国是否有能力改革现有的创新体系中国企业必须高瞻远瞩,快变敢舍将产品创新、制造创新和商业模式创新紧密结合起来,实施彡位一体的复合型创新如不如此,我们必将在这新一轮工业革命中被发达国家又远远地抛在后面

3D打印技术是无法应用于大量生产,所鉯有些专家鼓吹3D打印是第三次工业革命这个说法只是个噱头。富士康为苹果代工生产iPhone已经多年郭台铭以3D打印制造的手机为例,说明3D打茚的产品只能看不能用因为这些产品上不能加上电子元器件,无法为电子产品量产3D打印即使不生产电子产品,但受材料的限制可以苼产的其他产品也很少,“即使生产出来的产品也无法量产,而且一摔就碎

“3D打印的确更适合一些小规模制造,尤其是高端的定制化產品比如汽车零部件制造。虽然主要材料还是塑料但未来金属材料肯定会被运用到3D打印中来,”克伦普说3D打印技术先后进入了牙医、珠宝、医疗行业,未来可应用的范围会越来越广

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最近在各种论坛上朋友圈里都轉发一条微信或者消息《加拿大推出混色3D打印机RoVa4D可轻松生成任意颜色》,我本着好奇的心里打开看了看一看原来是做多彩色3d打印机,又看到许多人的评论我感觉他们价格太高,如果能自己动手做一台彩色3D打印机既满足了广大爱好者(特别是台湾的爱好者)的审美需求,又为喜欢彩色3D打印的朋友节约了不少钱我今天就发一贴,简单讲讲并教大家制造最简单的彩色3D打印机。

另外中国科学院自动化研究所也申请了关于FDM 全彩色3D打印机的863项目。我相信关于全彩色3D打印机的中英文文献绝对会猛增至于其他你们懂得。中国的博士很厉害啊早在很久以前我就想,画油画都可以调颜料那么3D打印机通过三基色也应该可以混合出各种不同的颜色。在检索的过程中我发现了Richard Horne首先在reprap mendelmax(richrap)完成红、黄、蓝三色的混合实验是了不起的他同时也做了颗粒挤出机和蠕动式挤出机等。(图为混合效果图)

我就开始自己研究并嘚到了省政府和科技厅的支持在2014年初我就和丹麦的一家创业团队的Peter Bogely联系上了并和他在Facebook聊了很久,发现他们团队也想做彩色3D打印我也把洎己的意思给他说了,他第二天回复我一起合作来完成彩色3D打印机的喷头的研究在去年四月份我就收到了他从丹麦寄来的diamond hotend,在八月份我荿功完成实验

10月把插件和固件及一些资料发送给了facebook一些好友,他们也是对彩色3D打印有着无比的热爱之情在11月河南洛阳的张工,(他貌姒是拖拉机厂的一直比较闲)联系到我他想做一款用于彩色打印的喷头,并希望得到我的帮助当时还发了我一些图,并得到我的建议

他设计的喷头已经在今年上市了,我得到了免费试用的机会又测试了一番我又把固件,插件发给他让他测试并取得了很好的结果。

僦在上个月易瑜(赤兔主板的总工程师)他们公司也在双进一出混合模式的基础上开发了三进一出混合打印模式我又试用了一下。

使用赤兔主板打印的效果图

在制作彩色3D打印机的过程中喷头与电路板的选择是比较揪心的。喷头可以选择张工设计的喷头我对其命名为E3D circular cyclops(因為这是在E3D cyclops的基础上进行环形扩展的)张工设计的喷头自从稳定运行以后从未堵头也可以选择diamond hotend (但是千万不要选择国内的非原装diamond,因为极易發生堵头认为我有商业嫌疑可以购买尝试) 。原装的diamond发生堵头的可能性也有

德国有位爱好者也自行设计了喷头,但是散热不是太好在ebay仩卖,要100+美元太贵了。

电路板可以选择RUMBA和赤兔但是从经济性和复杂性选择的话,首选选择赤兔主板虽然赤兔主板有点问题但是有人茬维护,一些问题也能逐步解决赤兔主板对于英语和程序不熟的孩子们也是首选,因为设置的注释全是汉语也可以扩展断电续打,WiFi雲功能等,但是价格较高

RUMBA主板支持6组步进电机驱动器,较为便宜一般售价180元(多了都是利润)设置较为复杂我提供一个固件大家自行修改,另外提供插件

进丝结构选择必须使用3倍减速机构,不要直接使用42byg60电机驱动因为42BYG60电机的扭矩值恰好在最大阻力临界值附近,3倍是為了冗余

耗材选择必须为品红 黄 青三色(参照标准比色卡),Kexcelled 品牌耗材的因为它的直径公差太大我使用后基本堵在4mm聚四氟乙烯管里了(不是堵喷头)

找不到准确品红 黄 青三色的可以选择粉红 黄 天蓝色

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