3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)前景

3D Printing Technology and Its Industry Prospect

郭日陽(yáng)

(大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連　116028)

3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)前景

3D Printing Technology and Its Industry Prospect

郭日陽(yáng)

(大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116028)

摘要：3D打印是一種增量制造技術(shù)，是眾多快速成形工藝中的一種，其研究應(yīng)用前景廣闊。在簡(jiǎn)要介紹3D打印的發(fā)展歷程、原理分類的基礎(chǔ)上，描述了粘結(jié)式打印設(shè)備的基本工作流程，并對(duì)3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及技術(shù)瓶頸進(jìn)行了分析。通過(guò)具體實(shí)例介紹了3D打印技術(shù)在不同行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，并對(duì)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景進(jìn)行了分析和展望，指出3D打印技術(shù)將對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)模式升級(jí)起到巨大的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：3D打印快速成形技術(shù)應(yīng)用智能制造產(chǎn)業(yè)前景

Abstract：3D printing is an incremental manufacturing technology, it is one of the rapid forming processes, and possess broad research and application prospects. On the basis of brief introduction of the development course of 3D printing, and classification of principles, the fundamental operating process flow of the adhesive printing equipment is described, and the advantages and the technical bottleneck of 3D printing technology are analyzed. The applications of 3D printing technology in different industrial areas are introduced specifically, and the developing prospects of 3D printing industry is analyzed and forecasted. It is proposed that the 3D printing technology will play a huge role in promoting upgrade of traditional manufacturing mode.

Keywords：3D printingRapid formingTechnology applicationIntelligent manufacturingIndustry prospect

0引言

3D打印技術(shù)(three dimensional printing，3DP)即三維打印技術(shù)，近年來(lái),各大媒體對(duì)此的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮。英國(guó)《The Economist》雜志2011年2月刊發(fā)《How a new manufacturing technology will change the world》一文，文章認(rèn)為：3D打印技術(shù)未來(lái)將與數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動(dòng)實(shí)現(xiàn)新的工業(yè)革命，這會(huì)帶來(lái)全球制造業(yè)經(jīng)濟(jì)的重大變革，其被列為第三次工業(yè)革命的范疇。美國(guó)《時(shí)代》周刊將3D打印產(chǎn)業(yè)列為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”。本文從3D打印技術(shù)的基本原理出發(fā)，分析了該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及面臨的技術(shù)瓶頸，結(jié)合3D打印技術(shù)在各行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用和既有成果，展望了3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景。

13D打印的發(fā)展歷程

3D打印是一種增量制造技術(shù)，屬于快速成形(rapid prototyping，RP)技術(shù)，是一種根據(jù)零部件或物體的三維模型數(shù)據(jù)，利用成形設(shè)備以材料堆積的方式制造實(shí)體的技術(shù)。三維打印工藝是美國(guó)麻省理工學(xué)院Emanual Sachs等人研制并于1989年申請(qǐng)了3DP專利，該專利是非成形材料微滴噴射成形范疇的核心專利之一。該學(xué)院的研究人員從噴墨打印機(jī)的原理出發(fā)，研制出一種能在平鋪著“塑料”粉末的平面上噴灑各種顏色“膠水”的打印機(jī)。在打印生成一個(gè)平面后，在該平面上鋪灑一層新的粉末，再繼續(xù)打印。待全部打印過(guò)程結(jié)束后，去除多余粉末，獲得一個(gè)彩色的實(shí)體。

經(jīng)過(guò)近年來(lái)的研究探索，打印機(jī)巨頭Stratasys公司生產(chǎn)的3D打印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)分辨率為20~85 μm、層厚16 μm的高精度打印制造，并實(shí)現(xiàn)多材料彩色打印。隨著打印技術(shù)的發(fā)展，更高分辨率的打印設(shè)備將會(huì)投入使用。

23D打印的原理分類

快速成形制造技術(shù)有很多，具有代表性的工藝有：光敏樹(shù)脂液相固化成形(stereo lithography apparatus,SLA)、選擇性激光粉末燒結(jié)(selected laser sintering,SLS)、分層疊加成形(laminated object manufacturing,LOM)、熔融堆積成形(fused deposition modeling,FDM)、三維打印成形(three dimensional printing,3DP)等。

3D打印中采用的技術(shù)原理具體介紹如下。

① FDM技術(shù)

FDM 技術(shù)利用熱塑性材料的熱熔性、粘結(jié)性，由計(jì)算機(jī)控制層層堆積成形。工藝特點(diǎn)是：成形零件力學(xué)性能好、強(qiáng)度高，材料來(lái)源廣，制造成本低，但精度不足。該技術(shù)可用于快速模具制造。

② SLA技術(shù)

SLA 技術(shù)基于液態(tài)光敏樹(shù)脂在一定波長(zhǎng)和功率的紫外激光照射下發(fā)生光聚合反應(yīng)的原理，實(shí)現(xiàn)固化成形。工藝特點(diǎn)是：制造精度高，表面質(zhì)量好，材料利用率高。該技術(shù)可用于形狀復(fù)雜(如腔體)和特別精細(xì)(如工藝品)的零件加工。

③ SLS技術(shù)

SLS 技術(shù)基于粉末材料在熱源激光照射下燒結(jié)的原理，在計(jì)算機(jī)控制下不斷循環(huán)，層層堆積成形。工藝特點(diǎn)是：零件的力學(xué)性能好、強(qiáng)度高，適應(yīng)材料范圍廣，可以加工塑料、陶瓷、石蠟等材料的零件。該技術(shù)可用于快速翻制各種模具。

④ 3DP技術(shù)

3DP技術(shù)是將粉末由噴頭送出，然后三維模型切片后獲得的二維層片噴出粘結(jié)劑，粘結(jié)粉末成形。工藝特點(diǎn)是：成形速度快；材料價(jià)格低，粉末在成形過(guò)程中起支撐作用，成形結(jié)束容易去除。該技術(shù)可用于打印全彩色實(shí)體。

33D打印設(shè)備基本工作流程

基于3D打印技術(shù)的打印設(shè)備眾多，其中粘結(jié)式3D打印的基本流程如下[1-2]。

① 通過(guò)CAD軟件生成三維模型(或利用掃描器掃描實(shí)體在計(jì)算機(jī)中建模)。

② 輸出打印所需的STL文件, 對(duì)STL文件進(jìn)行檢查并修正錯(cuò)誤。

③ 使用分層軟件進(jìn)行分層，選擇合理的層厚、精度等參數(shù)，獲得二維切片模型數(shù)據(jù)文件。

④ 發(fā)送打印數(shù)據(jù)文件到3D打印機(jī)上，打印機(jī)接收到指令后進(jìn)行打印工作。

⑤ 打印機(jī)采集打印原料并覆蓋打印區(qū)域。

⑥ 打印機(jī)定位打印截面并噴灑粘結(jié)劑，粘結(jié)粉末。

⑦ 第一層加工完成后，成形裝置下降一個(gè)高度，原料供給裝置上升一個(gè)高度，用來(lái)鋪撒下一層打印原料。

⑧ 重復(fù)進(jìn)行上述過(guò)程，直至整個(gè)打印過(guò)程結(jié)束。

⑨ 去除多余支撐物料，對(duì)得到的實(shí)體進(jìn)行后處理操作。

43D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及技術(shù)瓶頸

相對(duì)于傳統(tǒng)制造業(yè)，3D打印技術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

① 制造范圍廣。理論上只要是計(jì)算機(jī)可以設(shè)計(jì)出來(lái)的模型，3D打印機(jī)都可以制造，即任何結(jié)構(gòu)、任何材料和任何幾何形狀均可以制造[3]。

② 個(gè)性化程度高。依據(jù)個(gè)人或公司的不同加工要求完成制造，滿足個(gè)性化、多樣性的要求，制造更靈活。

③ 成本低。首先，在加工方式上，3D打印技術(shù)采用增材加工方式，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)床的減材加工，可以避免對(duì)原材料的浪費(fèi)，降低了制造成本；其次，與傳統(tǒng)制造相比，使用3D打印技術(shù)制造形狀復(fù)雜物品不會(huì)增加成本。此外，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)就地生產(chǎn)制造，無(wú)需倉(cāng)儲(chǔ)，運(yùn)行成本低。

④ 周期短，速度快。去除了傳統(tǒng)制造工藝中工裝夾具的設(shè)計(jì)制造、毛坯的準(zhǔn)備、零件加工裝配等工序，尤其是對(duì)復(fù)雜造型的加工，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加突出。此外，3D打印可以實(shí)現(xiàn)零部件一體化成形，節(jié)省了組裝時(shí)間，效率更高。

⑤ 材料的多樣性。3D打印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)不同材料的打印，滿足不同領(lǐng)域的需要，如金屬、高分子材料、陶瓷、石膏、淀粉及各種復(fù)合材料都可以應(yīng)用于3D打印[4]。

⑥ 精確的實(shí)體復(fù)制。3D打印基于同一模型上進(jìn)行制造，同時(shí)也可結(jié)合掃描技術(shù)，精確復(fù)制實(shí)體。

⑦ 零交付時(shí)間。3D打印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)按需打印，能快速響應(yīng)和滿足生產(chǎn)計(jì)劃的變更需求，企業(yè)生產(chǎn)更加靈活自由。若選擇就地生產(chǎn)，還可節(jié)省產(chǎn)品的物流運(yùn)輸時(shí)間和成本。

當(dāng)然3D技術(shù)也面臨許多的技術(shù)難題和瓶頸。

① 加工成本方面。目前用于3D打印的設(shè)備價(jià)格較高，對(duì)其快速應(yīng)用普及形成挑戰(zhàn)。

② 制造精度與效率方面。制造成品的精度不高、表面質(zhì)量較差，加工效率低，在適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)需求方面問(wèn)題比較突出。此外打印精度與速度之間平衡還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

③ 版權(quán)方面。由于整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程依托計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)成果的轉(zhuǎn)移復(fù)制容易，極易發(fā)生數(shù)字版權(quán)、著作權(quán)、商標(biāo)權(quán)等權(quán)益的侵犯，對(duì)現(xiàn)在的版權(quán)保護(hù)形成巨大挑戰(zhàn)。

④ 材料選擇方面。3D打印使用的材料品種局限性大，在已有材料的使用上存在一定的安全隱患，材料的物理化學(xué)性能也不能很好地滿足要求。

⑤ 安全問(wèn)題?；?D打印技術(shù)制造的便捷和快速性，3D打印為犯罪提供了很好的工具。打印武器、毒品、假冒偽劣產(chǎn)品等的風(fēng)險(xiǎn)大大提升，對(duì)于公眾的安全構(gòu)成威脅。

⑥ 道德和倫理方面。隨著生物科技的廣泛應(yīng)用，與3D技術(shù)結(jié)合則會(huì)帶來(lái)與“克隆”技術(shù)一樣的隱患，對(duì)傳統(tǒng)的價(jià)值觀念和道德理念形成強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。如果使用中不加限制，將引發(fā)科學(xué)技術(shù)與倫理道德的兩難問(wèn)題。

⑦ 能源節(jié)約方面。在當(dāng)前技術(shù)條件下，與傳統(tǒng)制造相比，在制造相同質(zhì)量的零部件過(guò)程中，使用聚合物材料的3D打印機(jī)的耗電量是傳統(tǒng)的10倍左右。工業(yè)規(guī)模3D打印機(jī)使用激光器(或高溫)凝固粉末狀聚合物，與注塑機(jī)的注壓成形過(guò)程相比，多產(chǎn)生約65%的廢棄注塑材料。資源浪費(fèi)與環(huán)境污染會(huì)加劇對(duì)自然環(huán)境的破壞，這是3D打印亟待解決的問(wèn)題。

53D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

3D打印技術(shù)主要被應(yīng)用于原形制造、醫(yī)藥工業(yè)、航空工業(yè)、軍事等領(lǐng)域，替代這些領(lǐng)域傳統(tǒng)的加工工藝。此外，在家居、建筑等行業(yè)，3D打印技術(shù)的應(yīng)用為行業(yè)發(fā)展帶來(lái)了全新的機(jī)遇。

5.1　工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

通常產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)只能通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件在屏幕上描繪其三維圖形。采用三維打印技術(shù)不但可以快速制作出1∶1的實(shí)物模型，還可以對(duì)產(chǎn)品的人機(jī)界面進(jìn)行真實(shí)的評(píng)測(cè)，使其更符合人性化需求。在汽車內(nèi)飾件、家用電器、輕工產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，3D打印已成為很可靠的技術(shù)手段。

5.2　醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用

依據(jù)仿真的人體器官模型，在人造骨骼材料、心臟瓣膜、人體心臟支架乃至人體器官的制造方面，3D打印已經(jīng)擁有很多成功的應(yīng)用案例[4-5]。英國(guó)研究人員利用3D打印技術(shù)，打印出活體胚胎干細(xì)胞。試驗(yàn)證明，這些干細(xì)胞仍保持著人體胚胎干細(xì)胞的正常分化能力。此外，3D打印技術(shù)在生物制藥中也有很重要的應(yīng)用。

5.3　航空工業(yè)中的應(yīng)用

利用3D打印技術(shù)，波音公司已經(jīng)制造了大約300種不同的飛機(jī)零部件，目前波音公司正在研究利用3D打印技術(shù)打印出諸如機(jī)翼等更大型的產(chǎn)品[6]。航空業(yè)巨頭空客公司也試圖利用3D打印技術(shù)制造飛機(jī)機(jī)艙，目前采用3D打印的行李架在空客A350上已有應(yīng)用。在我國(guó)自主研發(fā)的C919大型客機(jī)中，3D打印用于制造飛機(jī)鈦合金部件。

5.4　家居行業(yè)中的應(yīng)用

在3D打印技術(shù)出現(xiàn)初期，打印機(jī)的規(guī)格大，功能單一，多應(yīng)用于大型工廠、企業(yè)中，在家庭內(nèi)應(yīng)用很少。經(jīng)過(guò)了二十多年技術(shù)革新，打印機(jī)逐漸向小型化、輕便化方向發(fā)展。在家居行業(yè)中，3D打印已經(jīng)有了部分應(yīng)用，在打印玩具、食品方面已經(jīng)取得了成功[7]，在家具行業(yè)的探索也正在展開(kāi)。

5.5　建筑行業(yè)中的應(yīng)用

3D打印在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是打印建筑物模型，iMaterialise等公司提供打印微型家庭模型服務(wù)；二是打印建筑物各個(gè)組塊，最終拼接成整體建筑。荷蘭的建筑設(shè)計(jì)師Janjaap Ruijssenaars設(shè)計(jì)了全球第一座3D打印建筑物“Landscape House”，該建筑物特別模擬了奇特的“莫比烏斯環(huán)”。設(shè)計(jì)師計(jì)劃通過(guò)3D打印建筑物組塊并拼接的方式建成該建筑物。

5.6　軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用廣泛，中國(guó)第一款戰(zhàn)斗機(jī)殲-15、多用途戰(zhàn)斗轟炸機(jī)殲-16、隱形戰(zhàn)斗機(jī)殲-20、第五代戰(zhàn)斗機(jī)殲-31的研發(fā)中大量采用3D打印技術(shù)。使用3D打印機(jī)制造的步槍、多輪手槍均已經(jīng)誕生。美國(guó)軍方運(yùn)用3D打印技術(shù)輔助制造導(dǎo)彈點(diǎn)火模型，并將3D打印技術(shù)用于發(fā)動(dòng)機(jī)及軍事衛(wèi)星零件的加工制造。

63D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景

3D打印快速成形技術(shù)在發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)方面有很大的增長(zhǎng)空間，今后對(duì)我們的工作、生活、學(xué)習(xí)等方面會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，3D打印產(chǎn)業(yè)也將向著以下幾個(gè)方面推進(jìn)。

6.1　打印設(shè)備的兩型化、智能化

未來(lái)3D打印設(shè)備將向著小型化和巨型化趨勢(shì)邁進(jìn)。小型打印設(shè)備既可以滿足家庭和辦公的使用要求，又可以在提供3D打印服務(wù)的打印店內(nèi)實(shí)現(xiàn)很好的應(yīng)用；巨型打印機(jī)可以滿足大型制造工廠諸如航空航天、汽車制造企業(yè)的使用需求。同時(shí)，3D打印也向著智能化方向發(fā)展，3D打印軟件可以依據(jù)材料、結(jié)構(gòu)和制造環(huán)境等因素的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的響應(yīng)方式，實(shí)現(xiàn)制造的智能化[8-9]。

6.2　材料的多元化

就目前而言，3D打印的材料仍局限在很少一部分，與傳統(tǒng)制造業(yè)上可用材料種類相比，3D打印仍有很大的局限性。但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)適用于3D打印的基礎(chǔ)材料也將會(huì)大幅增加，而且會(huì)產(chǎn)生多元材料的混合制造，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物體的制造。

6.3　與新能源產(chǎn)業(yè)的融合

目前制造業(yè)使用的加工設(shè)備的原動(dòng)機(jī)多以電能驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著地球資源的枯竭以及環(huán)境污染的壓力，新能源取代傳統(tǒng)能源的趨勢(shì)已成必然。3D打印設(shè)備的自身優(yōu)勢(shì)為新能源的融合提供了有利支持，可以利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等新能源為3D打印設(shè)備提供能源動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的能源換代，實(shí)現(xiàn)“綠色、低碳”制造。

6.4　云制造時(shí)代

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的前進(jìn)步伐，3D打印技術(shù)和新型化設(shè)計(jì)將推動(dòng)“云制造”[10]模式的發(fā)展，即向著小規(guī)模、分布式方向轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)行的大規(guī)模制造模式存在投入多、風(fēng)險(xiǎn)大等諸多弊端，而3D打印產(chǎn)業(yè)將會(huì)扭轉(zhuǎn)這種局面，將一個(gè)個(gè)的小型制造企業(yè)組成大規(guī)模的分布式集成網(wǎng)絡(luò)，規(guī)?？氨纫粋€(gè)大型的制造企業(yè)。各個(gè)組成部分既獨(dú)立又互連，降低了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)模式的風(fēng)險(xiǎn)。3D打印技術(shù)將推動(dòng)制造商、小型企業(yè)和消費(fèi)者進(jìn)入“螞蟻工廠”時(shí)代，應(yīng)運(yùn)而生的云平臺(tái)將整合資源，提升服務(wù)與效率。同時(shí)云制造也會(huì)降低制造業(yè)準(zhǔn)入門檻，推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。

6.5　制造業(yè)升級(jí)與商業(yè)模式革新

隨著技術(shù)的推廣，多領(lǐng)域交叉融合更加深入，必將帶動(dòng)制造業(yè)向高技術(shù)密集方向轉(zhuǎn)化，促使相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈逐步形成，推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，同時(shí)也將催生一種全新的商業(yè)模式。未來(lái)創(chuàng)意模型將作為一種商品出售，形成一種全新的商業(yè)模式，也將推動(dòng)制造業(yè)進(jìn)入“全民制造”時(shí)代，并開(kāi)啟和引領(lǐng)“全民智造”的浪潮。提供小型創(chuàng)意打印服務(wù)的商店、中大型打印服務(wù)的工廠，提供設(shè)計(jì)服務(wù)的專業(yè)公司，生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)新型商業(yè)模式的發(fā)展繁榮。此外，3D打印將為“創(chuàng)新智造”提供動(dòng)力，提升產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

7結(jié)束語(yǔ)

從3D打印技術(shù)面世到現(xiàn)在，技術(shù)的革新升級(jí)不斷深化。隨著CAD/CAM技術(shù)的突破，計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，3D打印將會(huì)對(duì)生產(chǎn)生活產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的影響。3D打印的發(fā)展既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)，應(yīng)當(dāng)看到僅有技術(shù)層面的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，應(yīng)在轉(zhuǎn)變產(chǎn)業(yè)模式、推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新等方面做足工作，才能讓3D打印技術(shù)更好地為制造業(yè)創(chuàng)新轉(zhuǎn)型提供新的發(fā)展動(dòng)力。

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中圖分類號(hào)：TH164

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503002

修改稿收到日期：2014-09-19。

作者郭日陽(yáng)(1990-)，男，2014年畢業(yè)于大連交通大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位；主要從事先進(jìn)制造技術(shù)的研究。