全方位解讀當今3D打印產業現狀

　　3D打印技術從狹義上來說主要是指增材成型技術，是快速成型技術的一種綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多領域的前沿技術被譽為“第三次工業革命”的核心技術。從成型工藝上看3D打印突破了傳統成型方法，無需先行制作模具和機械加工，通過快速自動成型硬件系統與CAD軟件模型結合就能夠制造出各種形狀復雜的產品，這使得產品的設計生產周期大大縮短，生產成本大幅下降。

　　3D打印目前的研究熱點主要集中在材料和設備，其中設備分為硬件、軟件部分：

　　材料：包括樹脂、金屬、陶瓷、塑料或天然材料等，通過3D打印技術，這些材料最終將變成實在的功能產品。

　　設備：硬件系統將材料按照軟件（設計數據和制作數據）的要求實現產品成型。

　　下面將逐一分別介紹：

　　二、3D打印常用材料

　　材料是3D打印的物質基礎，也是當前制約3D打印發展的瓶頸。3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設備和工藝而研發的，其形態一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。通常，根據打印設備的類型及操作條件的不同，所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為1～100μｍ不等，而為了使粉末保持良好的流動性，一般要求粉末要具有高球形度。

　　目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領域得到了應用。

　　工程塑料指被用做工業零件或外殼材料的工業用塑料，是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優的塑料。工程塑料是當前應用最廣泛的一類3D打印材料，常見的有ABS類材料、PC類材料、尼龍類材料等。ABS材料是fused deposition modeling（FDM，熔融沉積造型）快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料，具有強度高、韌性好、耐沖擊等優點。

　　光敏樹脂即UV樹脂，由聚合物單體與預聚體組成，其中加有光（紫外光）引發劑（或稱為光敏劑）。在一定波長的紫外光（250～300ｎｍ）照射下能立刻引起聚合反應完成固化。光敏樹脂一般為液態，可用于制作高強度、耐高溫、防水材料。目前，研究光敏材料3D打印技術的主要有美國3Dsystem公司和以色列object公司。常見的光敏樹脂有somos NEXT材料、樹脂somos11122材料、somos19120材料和環氧樹脂。

　　橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特征，這些材料所具備的硬度、斷裂伸長率、抗撕裂強度和拉伸強度，使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應用領域。3D打印的橡膠類產品主要有消費類電子產品、醫療設備以及汽車內飾、輪胎、墊片等。

　　金屬材料：在國防領域，歐美發達國家非常重視3D打印技術的發展，不惜投入巨資加以研究，而3D打印金屬零部件一直是研究和應用的重點。3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等。

　　陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐高溫、低密度、化學穩定性好、耐腐蝕等優異特性，在航空航天、汽車、生物等行業有著廣泛的應用。但由于陶瓷材料硬而脆的特點使其成形尤其困難。

　　（1）3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結劑粉末所組成的混合物。陶瓷粉末和粘結劑粉末的配比會影響到陶瓷零部件的性能。粘結劑份量越多，固化比較容易，但在后置處理過程中零件收縮比較大，會影響零件的尺寸精度。粘結劑份量少，則不易固化成形。

　　（2）由于光敏樹脂的熔點較低，液態樹脂具有高粘性而導致流動性較差，在每層固化之后液面很難在短時間內迅速撫平，這樣將會影響到實體的成型精度。

　　（3）瓷粉末在激光直接快速燒結時液相表面張力大，在快速凝固過程中會產生較大的熱應力，從而形成較多微裂紋。

　　目前，國內陶瓷直接快速成形工藝尚未成熟，正處于研究階段。

　　三、3D打印設備技術

　　3D打印通常是采用數字技術材料打印機來實現的。

　　1）信息技術先進的設計軟件及數字化工具，輔助設計人員制作出產品的三維數字模型，并根據模型自動分析出打印的工序，自動控制打印器材的走向。

　　2）精密機械，3D打印技術以“每層的疊加”為加工方式，產品的生產要求高精度，必須對打印設備的精準程度、穩定性有較高的要求。

　　根據成型原理的差異我們主要介紹一下幾種常用的3D打印技術：

　　1、分層實體成型工藝（LOM），這是歷史最為悠久的3D打印成型技術。LOM技術成型多使用紙材、PVC薄膜等材料，價格低廉且成型精度高。如圖所示為LOM技術的基本原理

　　（1）分層實體成型系統主要包括計算機、數控系統、原材料存儲與運送部件、熱粘壓部件、激光切系統、可升降工作臺等部分組成。

　　（2）其中計算機負責接收和存儲成型工件的三維模型數據，這些數據主要是沿模型高度方向提取的一系列截面輪廓。原材料存儲與運送部件將把存儲在其中的原材料（底面涂有粘合劑的薄膜材料）逐步送至工作臺上方。

　　（3）激光切割器將沿著工件截面輪廓線對薄膜進行切割，可升降的工作臺能支撐成型的工件，并在每層成型之后降低一個材料厚度以便送進將要進行粘合和切割的新一層材料，最后熱粘壓部件將會一層一層地把成型區域的薄膜粘合在一起，就這樣重復上述的步驟直到工件完全成型。

　　2、立體光固化成型工藝（SLA），是目前世界上研究最為深入、技術最為成熟、應用最為廣泛的一種3D打印技術。SLA工藝以光敏樹脂作為材料，在系統控制下紫外激光將對液態的光敏樹脂進行掃描從而讓其逐層凝固成型，SLA工藝能以簡潔且全自動的方式制造出精度極高的幾何立體模型。如圖所示為SLA技術的基本原理：

　　（1）液槽中會先盛滿液態的光敏樹脂，氦—鎘激光器或氬離子激光器發射出的紫外激光束在計算機的操縱下按工件的分層截面數據在液態的光敏樹脂表面進行逐行逐點掃描，這使掃描區域的樹脂薄層產生聚合反應而固化從形成工件的一個薄層。

　　（2）當一層樹脂固化完畢后，工作臺將下移一個層厚的距離以使在原先固化好的樹脂表面上再覆蓋一層新的液態樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平然后再進行下一層的激光掃描固化。因為液態樹脂具有高粘性而導致流動性較差，在每層固化之后液面很難在短時間內迅速撫平，這樣將會影響到實體的成型精度。采用刮板刮平后所需要的液態樹脂將會均勻地涂在上一疊層上，這樣經過激光固化后將可以得到較好的精度，也能使成型工件的表面更加光滑平整。

　　（3）新固化的一層將牢固地粘合在前一層上，如此重復直至整個工件層疊完畢，這樣最后就能得到一個完整的立體模型。

　　3、選擇性激光燒結工藝（SLS）：SLS工藝使用的是粉末狀材料，激光器在計算機的操控下對粉末進行掃描照射而實現材料的燒結粘合，就這樣材料層層堆積實現成型，如圖所示為SLS的成型原理：

　　（1）先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表面，數控系統操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點，從而進行燒結并于下面已成型的部分實現粘合。

　　（2）當一層截面燒結完后工作臺將下降一個層厚，這時壓輥又會均勻地在上面鋪上一層粉末并開始新一層截面的燒結，如此反復操作直接工件完全成型。

　　（3）在成型的過程中，未經燒結的粉末對模型的空腔和懸臂起著支撐的作用，因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那樣需要支撐結構。SLS工藝使用的材料與SLA相比相對豐富些，主要有石蠟、聚碳酸酯、尼龍、纖細尼龍、合成尼龍、陶瓷甚至還可以是金屬。

　　（4）當工件完全成型并完全冷卻后，工作臺將上升至原來的高度，此時需要把工件取出使用刷子或壓縮空氣把模型表層的粉末去掉。

　　4、熔融沉積成型工藝（FDM）將絲狀的熱熔性材料進行加熱融化，通過帶有微細噴嘴的擠出機把材料擠出來，熔融的絲材被擠出后隨即會和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積后工作臺將按預定的增量下降一個厚度，然后重復以上的步驟直到工件完全成型。FDM的詳細技術原理：

　　（1）熱熔性絲材（通常為ABS或PLA材料）先被纏繞在供料輥上，由步進電機驅動輥子旋轉，絲材在主動輥與從動輥的摩擦力作用下向擠出機噴頭送出。在供料輥和噴頭之間有一導向套，導向套采用低摩擦力材料制成以便絲材能夠順利準確地由供料輥送到噴頭的內腔。

　　（2）噴頭的上方有電阻絲式加熱器，在加熱器的作用下絲材被加熱到熔融狀態，然后通過擠出機把材料擠壓到工作臺上，材料冷卻后便形形成了工件的截面輪廓。

　　5、三維印刷工藝（3DP），工作原理類似于噴墨打印機，與SLS工藝也有著類似的地方，采用的都是粉末狀的材料，如陶瓷、金屬、塑料，但與其不同的是3DP使用的粉末并不是通過激光燒結粘合在一起的，而是通過噴頭噴射粘合劑將工件的截面“打印”出來并一層層堆積成型的，如圖所示為3DP的技術原理：

　　首先設備會把工作槽中的粉末鋪平，接著噴頭會按照指定的路徑將液態粘合劑（如硅膠）噴射在預先粉層上的指定區域中，此后不斷重復上述步驟直到工件完全成型后除去模型上多余的粉末材料即可。3DP技術成型速度非常快，適用于制造結構復雜的工件，也適用于制作復合材料或非均勻材質材料的零件。

　　6、PolyJet技術也是當前最為先進的3D打印技術之一，與3DP有點類似，不過噴射的不是粘合劑而是聚合成型材料，如圖所示為PolyJet聚合物噴射系統的結構：

　　（1）PolyJet的噴射打印頭沿X軸方向來回運動，工作原理與噴墨打印機十分類似，不同的是噴頭噴射的不是墨水而是光敏聚合物。當光敏聚合材料被噴射到工作臺上后，UV紫外光燈將沿著噴頭工作的方向發射出UV紫外光對光敏聚合材料進行固化。

　　（2）完成一層的噴射打印和固化后，設備內置的工作臺會極其精準地下降一個成型層厚，噴頭繼續噴射光敏聚合材料進行下一層的打印和固化。就這樣一層接一層，直到整個工件打印制作完成。

　　四、3D打印優勢與缺陷

　　1、 優勢：

　　如前所述，與傳統制造技術相比，3D打印不必事先制造模具，不必在制造過程中去除大量的材料，也不必通過復雜的鍛造工藝就可以得到最終產品，因此，在生產上可以實現結構優化、節約材料和節省能源。3D打印技術適合于新產品開發、快速單件及小批量零件制造、復雜形狀零件的制造、模具的設計與制造等，也適合于難加工材料的制造、外形設計檢查、裝配檢驗和快速反求工程等。

　　另外在材料合成上，與傳統相比，3D打印將獲得更高的靈活性和有效性。這是未來3D打印發展的新領域。

　　傳統：

　　3D打印：

　　3D打印的共同目標是實現從一臺機器中打印出各種復合材料，一次性為項目實現多重制造屬性。然而，細觀結構材料技術允許我們獲得更多單一材料之外的利用價值。相比較于對不同的性能便要依賴不一樣的材料，設計師可以利用細觀結構材料技術來創造一種擁有各種所需的性能特點的物體。

　　2、缺陷

　　（1）3D產品難以批量復制。3D在個性化乃至小規模生產中獨具特色，但是在批量生產方面無法實現。

　　（2）制作過程相對復雜，尤其是對于復雜結構的產品，需要各種結構信息的采集，打印設備的矯正。

　　（3）材料的突破。3D打印可以應用到很多場景，但是材料和打印工藝、技術與傳統制造工藝相比沒有優勢，這些需要產業界更好的協作推進。

　　（4）成本較高，不可復制性也是成本提升的重要原因之一。技術標準、政策體系不夠完善，教育和培訓制度急需加強，專業人才比較缺乏。

　　（5）實用性不強，對于一些產品往往只能打印外殼或者樣機，無法像原型樣機那樣具有產品的全部功能。

　　作為快速成型機，3D是用于完成各類制造工程中等級最低的共通部分。這導致的結果是，這些機器可以做很多事，但做得好的卻極少。這不是因為材料特殊或控制太先進復雜而造成的困境。而真正制約3D打印技術創新的是我們看待這些技術的方式：只把它看作單一的部件制造，而缺乏系統性。

　　五、市場分析

　　美國消費者技術協會(CTA)與聯合包裹服務(UPS)近日聯合發布名為《3D打印：工業生產下一場革命》的報告，預測未來4年這個市場營收將增長2倍達到210億美元。去年，3D打印市場價值增長了30%。

　　3D打印行業今年市場價值將達到73億美元，包括打印機器、材料以及打印服務等。到2020年，這個行業的價值有望達到210億美元。其中，消費電子與汽車行業將推動3D打印行業增長40%，醫療設備則推動其增長15%。舉例來說，全球98%的助聽器正使用3D打印技術制造。

　　報告中稱，目前2/3的制造商已經在某種程度上使用3D打印技術，25%的制造商計劃將來采用這種技術。企業采用3D打印技術的最大原因包括：制作原型(占比25%)、產品開發(占比16%)以及創新(占比11%)。

　　早期采用3D打印技術的企業主要利用其制作產品原型。事實上，3D打印僅占全球制造業市場的0.04%，而且制作原型是最常見使用方式。研究公司Wohlers Associates認為，3D打印技術最終將占全球制造業市場的5%，即其代表6400億美元的巨大機遇。

　　六、展望

　　從應用的角度看，過去十年里，涉及到3D打印的專利申請數量已飆升超過800％，而專利授權數量也大幅上升。目前3D打印僅占全球制造業市場的0.04%，與十萬億美元級別的制造市場相比，差距明顯。

　　不過，與高效率的大規模標準化生產相比，3D打印有其本身的優勢，它可以實現定制化甚至以相同的成本來生產個性化的產品，帶給消費者更多的個人價值（不會因為產品規模化而價格下降）。在定制化、個性化以及形狀復雜化領域包括大規模生產沒有利潤空間的產品領域，3D打印可以大顯身手。未來，3D打印可以在時裝、航空航天、醫藥衛生、食品等定制化需求強盛的領域創造強大的產品類目。

　　從長遠角度看，3D打印將為我們帶來分散式的生產工具，分散式的社會化大協作將再次成為主題，未來展現在我們面前的是個性化與社會化創造的時代。3D打印將創建一個全新的功能強大的產品類別，以消除對復雜的供應鏈和過度浪費的依賴，同時分散生產，財富和知識的潛力。3D打印可以幫助建立一個以生產和消費緊密結合為特征的分散的，自力更生的經濟體。