3D打印技術(shù)的發(fā)展給石化行業(yè)提供的機(jī)會

李漢初

（中國石化化工銷售有限公司華南分公司，廣東省廣州市510620）

隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，誕生了有實際用途的三維（3D）打印機(jī)[1]，開辟了制造業(yè)的全新領(lǐng)域，3D打印技術(shù)將數(shù)字化生產(chǎn)、互聯(lián)網(wǎng)、新材料、等結(jié)合在一起改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式[2]。本文綜述了3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程、優(yōu)勢及未來發(fā)展方向，提出了3D打印技術(shù)給石化行業(yè)在新產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)備制造、管理等方面提供的機(jī)會。

1 3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程

3D打印技術(shù)是指通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成3D實體的技術(shù)，它結(jié)合了精密機(jī)械、自動化控制、材料科學(xué)、信息技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，也稱為增材制造[3]、立體印刷或直接數(shù)字制造[4]。3D打印技術(shù)包括建模、打印和完成（也稱為后處理）3個步驟，以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用液體（如液態(tài)光敏樹脂）、固體粉末（如陶瓷粉和金屬粉）、絲材（如塑料絲）或片材等作為耗材，通過熔融擠出、光固化成型、層壓成型等技術(shù)，以逐層打印的方式制造產(chǎn)品。

20世紀(jì)80—90年代，美國出現(xiàn)了光固化成型、選擇性激光燒結(jié)、熔融擠出成型、3D印刷等一系列3D打印技術(shù)的核心專利技術(shù)，隨后各種用途的3D打印機(jī)相繼問世。3D打印技術(shù)的主要發(fā)展歷程見表1。

表1 3D打印技術(shù)的主要發(fā)展歷程Tab.1 Main development course of the 3D printing technology

2 3D打印技術(shù)的前景

2.1 優(yōu)勢

3D打印技術(shù)具有傳統(tǒng)模型加工制造所不具備的優(yōu)勢：1）可完全實現(xiàn)按人們意愿的個性化生產(chǎn)[7]；2）產(chǎn)品制造周期短，生產(chǎn)流程簡單；3）產(chǎn)品精度非常高；4）可實現(xiàn)傳統(tǒng)加工工藝難以完成的復(fù)雜一體化成型產(chǎn)品的制造；5）場地簡單，投資少；6）原料利用率高，幾乎無邊角廢料；7）生產(chǎn)柔性大，可按需生產(chǎn)；8）工藝水平先進(jìn)，可實現(xiàn)無縫生產(chǎn)。

2.2 應(yīng)用

隨著3D打印技術(shù)的日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大：1）航空航天領(lǐng)域中許多小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、昂貴的構(gòu)件已由3D打印技術(shù)制造。美國波音公司已用3D打印技術(shù)制造了300多種飛機(jī)零部件[8]，中國的殲-16、殲-20、殲-31 和 C-919 等高端飛機(jī)均使用了3D打印技術(shù)。2）生物工程與醫(yī)療設(shè)備。3D打印技術(shù)廣泛用于人造骨骼、牙齒、假肢、助聽器等[9]，甚至人造血管、組織和器官等領(lǐng)域均有成功應(yīng)用的報道。3）裝飾品。各種個性化的珠寶首飾、服裝、玩具、鞋類等。4）電子產(chǎn)品。手機(jī)、音響及各種高檔光電器材。5）工業(yè)制造、產(chǎn)品設(shè)計、文化創(chuàng)意、數(shù)碼娛樂等。3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用情況見圖1。

圖1 3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用Fig.1 Applications of the 3D printing technology in various fields

2.3 未來發(fā)展方向

未來，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化及便捷化等主要特點：1）提升3D打印的速率、效率和精度，開拓連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；2）開發(fā)更為多樣的3D打印耗材（如智能材料、功能梯度材料、納米材料等）；3）3D打印機(jī)的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便；4）軟件集成化，使設(shè)計軟件和生產(chǎn)控制軟件能無縫對接；5）拓展3D打印技術(shù)在更多高端、個性化領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。

2.4 前景

2014年4月，在紐約舉行的“3D打印博覽會”上，世界上著名的3D打印機(jī)生產(chǎn)企業(yè)各自推出更為廉價實用的3D打印機(jī)：北京太爾時代科技有限公司推出任何人在任何地方都能使用的PP3DP型3D打印機(jī)，售價為900美元/臺[10]；浙江金華萬豪配件有限公司推出的勇士4號3D打印機(jī)僅需4999元/臺；中國臺灣 XYZ Printing公司推出的da Vinci型3D打印機(jī)起步價僅需499美元/臺；而美國Form Labs公司推出的 Form 1型3D打印機(jī)可以打印厚度僅為25 μm的產(chǎn)品[11]。目前，各國的研發(fā)投入都在不斷增加，以搶占制高點，而且，越發(fā)達(dá)的國家越重視，3D打印技術(shù)的前景非常廣闊。各國和地區(qū)所擁有的市場份額見圖2。

圖2 世界各國家和地區(qū)3D打印技術(shù)應(yīng)用的市場份額Fig.2 Market share of the 3D printing technology in various countries and regions around the world

3 3D打印技術(shù)的發(fā)展瓶頸

耗材是3D打印產(chǎn)品最主要的成本，有的耗材價格高達(dá)4萬元/kg，耗材研發(fā)是3D打印技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。3D打印技術(shù)的固化方式主要是加熱、降溫、紫外光和激光燒結(jié)，同時要求產(chǎn)品必須達(dá)到一定的強(qiáng)度、剛性和熱穩(wěn)定性等。因此，對材料的各項性能要求很高。3D打印耗材主要包括：黏接材料、熔融材料和光固化3D快速成型材料。目前，主要是熱塑性樹脂、光敏樹脂、橡膠和各種金屬[12]，這些材料多為粉末或黏稠的液體。隨著研究的深入，這個制約3D打印技術(shù)發(fā)展的瓶頸將很快被克服。世界上著名3D打印企業(yè)的技術(shù)和耗材見表2。

表2 世界著名3D打印公司的成型技術(shù)及耗材Tab.2 Molding technologies and consumables of worldwide famous 3D printing companies

4 3D打印技術(shù)給石化行業(yè)提供的機(jī)會

2014年，英國Canalys公司的市場研究報告表明：3D打印市場目前仍處于起步階段，但發(fā)展速度不斷加快，2013年，全球銷售額約為25億美元，2018年將增至162美元以上[13]，“只要你能想到的，就能被設(shè)計和打印”[14]，這將為石化行業(yè)各方面特別是新產(chǎn)品開發(fā)提供難得的發(fā)展機(jī)會。

4.1 開發(fā)可用于3D打印的材料，提升石化行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益

目前，3D打印用量最大、技術(shù)最成熟可靠的耗材就是各種樹脂，而石化行業(yè)是世界上技術(shù)最先進(jìn)、科研力量最強(qiáng)的樹脂生產(chǎn)企業(yè)，3D打印最常用的耗材包括ABS、聚酰胺、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯醇（PVA）、聚苯砜、PLA、光敏樹脂等，石化行業(yè)均能生產(chǎn)，擁有開發(fā)3D打印耗材的所有優(yōu)勢，而這也必將促進(jìn)石化行業(yè)的發(fā)展。

1）利潤巨大，效益很好。美國的3D打印耗材在45美元/kg以上[15]，而國內(nèi)市場上用量較大的各種3D打印專用樹脂都很貴。濟(jì)南三帝信息科技有限公司生產(chǎn)的3D打印專用PC/ABS共混物為1 200元/kg，東莞哲瀚塑膠五金制品有限公司生產(chǎn)的PVA/PLA共混物為60～200元/kg，而中國石油化工股份有限公司、中國石油天然氣股份有限公司、?？松梨诠旧a(chǎn)的聚丙烯T30S和線型低密度聚乙烯DFDA7042等普通樹脂的價格均為12元/kg左右。3D打印專用樹脂的價格見表3。

2）鍛煉隊伍，提升科研水平。3D打印技術(shù)對耗材的要求較高，開發(fā)過程中不但可以吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，同時可以提升開發(fā)新產(chǎn)品的水平。

表3 3D打印專用樹脂的價格Tab.3 Price of the special resins for 3D printing

3）儲備先進(jìn)技術(shù)。3D打印技術(shù)作為實現(xiàn)數(shù)字化和智能化制造的一項關(guān)鍵性技術(shù)，將深刻地影響制造業(yè)的未來，有些投入不一定馬上有效益，但作為技術(shù)儲備對企業(yè)是必要的。

4）拓展新業(yè)務(wù)，開拓新市場。隨著有成本優(yōu)勢的頁巖氣化工和煤化工的發(fā)展，樹脂銷售的競爭將更加激烈，而3D打印耗材是一項前景很好的新業(yè)務(wù)。

5）搶占高端，放眼未來。3D打印耗材制約了3D打印技術(shù)，開發(fā)高端3D打印耗材有利于企業(yè)在未來競爭中占據(jù)有利位置，提升競爭力。

4.2 用3D打印技術(shù)開拓石化設(shè)備新的制造方式

石化行業(yè)是技術(shù)密集型行業(yè)，設(shè)備種類多、技術(shù)要求高、制造工藝復(fù)雜，主要設(shè)備訂貨時間需1～2年，而且備品備件多，投資很大，從幾十億到幾百億，3D打印技術(shù)的發(fā)展將極大改善這種狀況：1）提高設(shè)備的精度和可靠性，延長使用壽命；2）可以打印以前傳統(tǒng)制造工藝無法加工生產(chǎn)且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備構(gòu)件；3）3D打印技術(shù)采用增材制造工藝，減少了原材料消耗，昂貴的設(shè)備成本將隨之極大降低；4）采用3D打印技術(shù)可很快打印損壞的各種設(shè)備，極大地減少因設(shè)備故障而影響生產(chǎn)時間，因此，可大量減少備品備件數(shù)量；5）3D打印技術(shù)采用數(shù)字化模型設(shè)計生產(chǎn)，復(fù)雜關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計及生產(chǎn)時間將極大縮短；6）直觀提供各種設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備檢修的速率和效果。

4.3 3D打印技術(shù)將為石化行業(yè)的科研、設(shè)計單位提供新的發(fā)展平臺

3D打印技術(shù)未來在各方面的廣闊用途將為石化行業(yè)的科研、設(shè)計單位提供新的研究方向，為他們業(yè)務(wù)的開展提供很好發(fā)展機(jī)會。

4.4 為快速提高操作人員的技術(shù)水平提供條件

采用3D打印技術(shù)可打印石化行業(yè)需要的各種生產(chǎn)裝置的直觀模型，讓操作人員進(jìn)行模擬生產(chǎn)操作，快速提高他們的技術(shù)水平。此外，3D打印技術(shù)也可給企業(yè)培訓(xùn)，企業(yè)的各種展會提供直觀產(chǎn)品，為企業(yè)宣傳提供更為直觀的方式和手段。

5 結(jié)語

3D打印技術(shù)將引爆一場產(chǎn)品制造、計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、設(shè)計、材料、生物、知識產(chǎn)權(quán)等各方面的革命，這項革命性的創(chuàng)新必將給我們的傳統(tǒng)制造業(yè)，傳統(tǒng)觀念帶來很大沖擊，世界各國都非常重視，積極搶占技術(shù)制高點。3D打印技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢決定其應(yīng)用前景非常廣闊。3D打印技術(shù)的快速發(fā)展也將為石化行業(yè)各方面提供很好的發(fā)展機(jī)會，特別是制約其發(fā)展瓶頸的新材料研發(fā)，經(jīng)濟(jì)效益巨大，石化行業(yè)應(yīng)加大這方面的投入，爭取在未來的競爭中搶占先機(jī)。

[1] 王雪瑩.3D打印技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景預(yù)見[J].創(chuàng)新科技，2012(12)：14-15.

[2] 郭振華，王清君，郭應(yīng)煥.3D打印技術(shù)與社會制造[J].寶雞文理學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，33（4）：64-70.

[3] 王廣春.增材制造技術(shù)及應(yīng)用實例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：8-10.

[4] 王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012（26）：3-5.

[5] 黃健，姜山.3D打印技術(shù)將掀起“第三次工業(yè)革命”[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2013（1）：62-67.

[6] 張玉森.全球3D打印白皮書[J/OL].（2014-07-19）[2014-10-16].http://3dprint.it168.com/a1647.shtml.

[7] 孫柏林.試析“3D打印技術(shù)”的優(yōu)點與局限[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2013，32（6）：1-6.

[8] 王興棟.未來飛機(jī) 3D“打印”[N].解放日報，2012-07-22（B04）.

[9] 王冰.3D打印技術(shù)：催生原材料革命[J].資源再生，2013（6）：16-17.

[10] 楊帆.萬物皆可打印：2014年3D打印博覽會[J/OL].（2014-04-15）[2014-10-16].http://tech.163.com/photoview/5FVH 0009/5605.html#p=9PRT4GCF5FVH0009.

[11] 劉學(xué)通.廉價高精密度3D打印機(jī)Form 1上市[J/OL].(2012-09-28）[2014-10-16].http://tech.qq.com/a/20120928/000018.htm.

[12] 王忠宏，李揚(yáng)帆，張曼茵，等.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟(jì)縱橫，2013（1）：90-93.

[13] Canalys.預(yù)計2018年全球3D打印市場規(guī)模達(dá)162億美元[J/OL].（2014-04-01）[2014-10-16].http://www.199it.com/archives/206699.html.

[14] 胡迪·利普森，梅爾芭·庫曼.3D打?。簭南胂蟮浆F(xiàn)實[M].北京：中信出版社集團(tuán)股份有限公司，2013：92-111.

[15] Admin.3D打印耗材市場價格堅冰松動[J/OL].（2014-02-23）[2014-10-16].http://maker8.com/article-749-1.