科技支撐3D打印技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新引領(lǐng)制造產(chǎn)業(yè)市場未來

文 朱則剛

科技支撐3D打印技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新引領(lǐng)制造產(chǎn)業(yè)市場未來

文 朱則剛

如今，3D打印技術(shù)讓全球愈來愈多的人著迷，因?yàn)?D打印技術(shù)的確能使人聯(lián)想到未來徹底改變我們生活的可能。3D打印已在世界各地開花結(jié)果，并成為全球性研發(fā)競爭的焦點(diǎn)。在世界各地的家庭、辦公室和工廠車間，3D打印革命才剛剛開始，即以從容不迫的腳步設(shè)計(jì)生產(chǎn)著尺度相對(duì)較小的打印產(chǎn)品與設(shè)備。當(dāng)下發(fā)展中國家的勞動(dòng)力成本正逐年上升，要在新一輪競爭中勝出，得靠技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢，3D打印正處行業(yè)創(chuàng)新活躍期，我國應(yīng)將加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌規(guī)劃，并組織制定3D打印發(fā)展路線圖和中長期發(fā)展戰(zhàn)略，值得相關(guān)部門的關(guān)注。

3D打印技術(shù)的路徑和實(shí)現(xiàn)方法

3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。軟件通過電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，后者會(huì)將連續(xù)的薄型層面堆疊起來，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。

3D打印又稱增材制造技術(shù)、激光堆積型技術(shù)或激光快速成型技術(shù)。通過3D打印機(jī)，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、激光掃描、材料熔融等一系列技術(shù)，以分層加工、迭加成形的方式逐層增加材料來生成3D真實(shí)物體。3D打印機(jī)所使用的材料，自然不是紙或墨水，而是一些可以發(fā)生固化反應(yīng)的材料，現(xiàn)在可以作為原材料的東西已經(jīng)多種多樣，包括樹脂、塑料、陶瓷、金屬等。3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需機(jī)械加工或模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期。

3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實(shí)實(shí)在在的原材料。目前，從珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)到建筑、工程施工、汽車、航空航天，從醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育到地理信息系統(tǒng)、土木工程以及其他領(lǐng)域，3D打印離老百姓的日常生活越來越近。根據(jù)所用材料及生成片層方式的區(qū)別，產(chǎn)業(yè)不斷拓展出新的3D打印技術(shù)路徑和實(shí)現(xiàn)方法。可大致歸納為擠出成型、粒狀物料成型、光聚合成型三大技術(shù)類型，每種類型又包括一種或多種技術(shù)路徑。

擠出成型主要以熔融沉積成型（FDM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，與其他的3D打印技術(shù)相比，F(xiàn)DM是唯一使用工業(yè)級(jí)熱塑料作為成型材料的積層制造方法，打印出的物件可耐受高熱、耐受腐蝕性化學(xué)物質(zhì)、抗菌和抗強(qiáng)烈的機(jī)械應(yīng)力，被用于制造概念模型、功能原型，甚至直接制造零部件和生產(chǎn)工具。FDM技術(shù)被Stratasys公司、惠普公司作為核心技術(shù)所采用。2012年由Stratasys公司發(fā)布的超大型快速成型系統(tǒng)Fortus 900mc，代表了當(dāng)今FDM技術(shù)的最高成型精度、成型尺寸和產(chǎn)能，可被用于打印真正的產(chǎn)品級(jí)零部件。

粒狀物料成型主要分為兩類，一類是有選擇的在顆粒層中融化打印材料，而未融化的材料則被生成物件的支撐或薄壁以減少對(duì)其他支撐材料的需求。主要包括：3D System公司的sPro系列3D打印機(jī)采用的選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)、德國EOS公司采用的可打印幾乎所有合金材質(zhì)的直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）技術(shù)、瑞典ARCAM公司采用的通過高真空環(huán)境下電子束將融化的金屬粉末層層疊加的電子束熔煉（EBM）積層制造技術(shù)。另一類是3D System公司的ZPrinter系列3D打印機(jī)所采用的噴頭式粉末成型打印技術(shù)。該系列打印機(jī)在噴每一層石膏或樹脂粉末的同時(shí)，都會(huì)通過橫截面進(jìn)行粘合，并重復(fù)該過程，直到打印完每一層。該技術(shù)允許打印全色彩原型和彈性部件，將蠟狀物、熱固性樹脂和塑料加入粉末一起打印還可以增加強(qiáng)度。

光聚合成型其實(shí)現(xiàn)途徑較多，由美國3 D System公司開發(fā)的用于生產(chǎn)固體部件的光固化成型（SLA）技術(shù)。該技術(shù)具有成型過程自動(dòng)化程度高、制作原型表面質(zhì)量好、尺寸精度高等特點(diǎn)，但對(duì)液態(tài)光敏聚合物進(jìn)行操作的SLA精密設(shè)備同時(shí)也要求苛刻的工作環(huán)境，且成型件多為樹脂類，強(qiáng)度、剛度、耐熱性有限，不利于長時(shí)間保存。Objet公司的PolyJet噴頭打印機(jī)技術(shù)，噴射16-30μm超薄光敏聚合物材料層到構(gòu)建托盤上直至部件制作完成。該技術(shù)通常被用來設(shè)計(jì)支撐復(fù)雜幾何形狀的凝膠體材料，通過手剝和水洗即可去除。德國EnvisionTec公司的Ultra 3D打印數(shù)字光處理快速成型系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠構(gòu)建組合型的3D部件，并使用高分辨率的數(shù)字光處理器投影儀來固化液態(tài)光聚合物，從而快速精準(zhǔn)的完成模型的制造。

3D打印打開第三次工業(yè)革命大門，它的蓬勃發(fā)展會(huì)使中國制造業(yè)遇到機(jī)遇與挑戰(zhàn)。據(jù)悉，我國從上世紀(jì)90年代起開始研發(fā)3D打印技術(shù)，目前包括西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高校在這一技術(shù)領(lǐng)域已取得了不俗成績，基本與西方發(fā)達(dá)國家處于同一水平，研發(fā)出光固化、金屬熔敷、陶瓷成形、激光燒結(jié)、金屬燒結(jié)、生物制造等類型的3D打印裝備和材料。從科研機(jī)構(gòu)投入3D打印技術(shù)的研究，到民間資本進(jìn)入到該領(lǐng)域，伴隨著科技進(jìn)步，3D打印將逐步從專業(yè)領(lǐng)域走入民眾日常生活，產(chǎn)業(yè)化步伐將加快。

新一代信息技術(shù)的發(fā)展特別是廣泛應(yīng)用，必將成為新一輪產(chǎn)業(yè)革命孕育發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。第三次工業(yè)革命不能理解為僅僅有3D打印、計(jì)算機(jī)模擬或者信息化等個(gè)別新制造技術(shù)和設(shè)備的出現(xiàn)和應(yīng)用，可以說，這幾方面的變革都有，但是它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)內(nèi)涵豐富、多層次，已經(jīng)發(fā)生突破，但仍處于演進(jìn)中的整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)變革。世界政經(jīng)格局深度調(diào)整和新一輪科技革命為中國創(chuàng)造了新機(jī)遇。這是一場爭奪未來的競爭，每一個(gè)國家都想搶占先機(jī)。對(duì)于中國來說，第三次工業(yè)革命是不可多得的歷史機(jī)遇。前兩次工業(yè)革命中國都落后于世界，而面對(duì)新一輪工業(yè)革命之機(jī)，作為后發(fā)國家的中國，應(yīng)充分利用好全球科技創(chuàng)新資源，在更高起點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)趕超和跨越?！皠?chuàng)新驅(qū)動(dòng)”是新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“靈魂”。當(dāng)下，發(fā)展中國家的勞動(dòng)力成本正逐年上升，要在新一輪競爭中勝出，得靠技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢。3D打印技術(shù)確實(shí)帶有一種變革性，短流程、低成本、數(shù)字化、高性能的裝備構(gòu)建制造一體化技術(shù)，對(duì)于高性能難加工構(gòu)建技術(shù)是一場革命。從目前來看，3D打印和傳統(tǒng)制造都有各自的優(yōu)勢，兩者不可互相取代，在今后很長一段時(shí)間內(nèi)，3D打印與傳統(tǒng)制造工藝將不可分割地共存。

3D打印技術(shù)應(yīng)用及現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機(jī)械加工方式對(duì)原材料進(jìn)行定型、切削以最終生產(chǎn)成品不同，3D打印將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)二維平面，通過對(duì)材料處理并逐層疊加進(jìn)行生產(chǎn)，大大降低了制造的復(fù)雜度。這種數(shù)字化制造模式不需要復(fù)雜的工藝、不需要龐大的機(jī)床、不需要眾多的人力，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中便可生成任何形狀的零件，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸。

最初3D打印技術(shù)的主要應(yīng)用是原型制造，將設(shè)計(jì)三維模型轉(zhuǎn)化為實(shí)物，進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證，這種3D打印零件屬于非功能性的模型，使用的材料主要是紙張、塑料和膠水；隨著3D打印技術(shù)的成熟，近幾年國內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)開始嘗試直接打印零件，即3D打印帶有功能性的實(shí)物零件，使用的材料包括金屬、高分子和陶瓷材料等。從技術(shù)難度上分析，功能性的實(shí)物制造比模型制造更難，一方面因?yàn)閷?shí)物制造增加了對(duì)內(nèi)部缺陷的要求；另一方面因?yàn)榻饘俚炔牧系某尚蜏囟雀撸ㄈ刍瘻囟缺人芰细呒s10倍），耐高溫的打印頭設(shè)計(jì)更復(fù)雜，而且凝固時(shí)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，容易出現(xiàn)開裂、變形、氣孔等現(xiàn)象，成型工藝比較復(fù)雜。3D打印的設(shè)計(jì)過程是：先通過計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個(gè)實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。3D打印技術(shù)可以打印假肢、汽車、飛機(jī)的今天，它還在創(chuàng)造無限的可能。首先3D打印技術(shù)可以加工傳統(tǒng)方法難以制造的零件。過去傳統(tǒng)的制造方法就是一個(gè)毛坯，把不需要的地方切除掉，是多維加工的，或者采用模具，把金屬和塑料融化灌進(jìn)去得到這樣的零件，這樣對(duì)復(fù)雜的零部件來說加工起來非常困難。立體打印技術(shù)對(duì)于復(fù)雜零部件而言具有極大的優(yōu)勢，立體打印技術(shù)可以打印非常復(fù)雜的東西。其次實(shí)現(xiàn)了首件的凈型成形，這樣后期輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數(shù)據(jù)泄密和時(shí)間跨度，尤其適合一些高保密性的行業(yè)，如軍工、核電領(lǐng)域。此外，由于制造準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間大幅減少，使得單件試制、小批量出產(chǎn)的周期和成本降低，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的出產(chǎn)。目前大家關(guān)注的3D打印主要是具有功能性的實(shí)物制造，其中，金屬零件的3D打印是最大的熱點(diǎn)。

金屬零件的3D打印主要應(yīng)用領(lǐng)域是航空、航天、軍工、模具制造及醫(yī)療領(lǐng)域，用于這些領(lǐng)域共同特點(diǎn)就是個(gè)性化、小批量的快速制造。相對(duì)來說，醫(yī)療行業(yè)3D打印的應(yīng)用發(fā)展速度較快，而其他領(lǐng)域發(fā)展較緩慢，主要原因是醫(yī)療領(lǐng)域充分利用了3D打印個(gè)性化制造的特點(diǎn)，對(duì)3D打印產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度和效率等要求較低，其他領(lǐng)域都對(duì)打印零部件的內(nèi)部質(zhì)量、機(jī)械強(qiáng)度、成型速度、配合精度均提出高要求。從金屬3D打印實(shí)現(xiàn)方式分類，主要有兩種，分別是燒結(jié)式和熔覆式。據(jù)報(bào)道，采用激光燒結(jié)成型工藝的3D打印典型的國外公司包括德國的EOS、concept、SLM等公司，英國的雷尼紹公司，日本matsuura公司；中國的華中科技大學(xué)濱湖機(jī)電公司、華南理工大學(xué)；采用電子束燒結(jié)成型工藝的瑞典的ARCAM公司，中國的北京航空制造研究所（625所），這類產(chǎn)品主要優(yōu)點(diǎn)是成型的精度較高，缺點(diǎn)是成型速度低，成型尺寸限制在300mm左右；主要應(yīng)用于醫(yī)療和小型模具制造。采用激光熔覆成型工藝的3D打印典型企業(yè)包括美國POM公司和OPTOMEC公司，中國的北京航空航天大學(xué)天地激光公司、西北工業(yè)大學(xué)西安鉑利特公司、沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，電子束熔覆成型工藝3D打印典型企業(yè)包括美國的Sciaky公司、中國的北京航空制造研究所（625所）。這類產(chǎn)品的主要優(yōu)點(diǎn)是冶金質(zhì)量好、成型速度快、成型尺寸大，但精度較低，需后續(xù)加工，典型應(yīng)用是航空高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件、葉片制造、各種金屬模具的直接成型。

目前，材料供給成為3D打印技術(shù)發(fā)展的最大瓶頸。由于3D打印技術(shù)目前總體并不成熟，產(chǎn)業(yè)規(guī)模并不大，所以國內(nèi)生產(chǎn)3D打印材料的企業(yè)極少，很多金屬材料更是依賴進(jìn)口。而在材料性能、數(shù)據(jù)積累上，全世界都處于非常不足的狀態(tài)，且有關(guān)數(shù)據(jù)積累也大多集中在鈦合金等貴金屬材料上，這也在一定程度上推高了3D打印的成本，限制了該技術(shù)的普及。

如今智能制造已經(jīng)成為國際新一輪的爭論熱點(diǎn)，具有學(xué)習(xí)和控制能力的3D打印機(jī)已經(jīng)不再是天方夜譚，“機(jī)器制造機(jī)器”是制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢，隨著3D打印機(jī)和智能機(jī)器人的結(jié)合，將一定程度上改變國內(nèi)的制造業(yè)格局，并且將開創(chuàng)一種全新的商業(yè)模式。

3D打印控制方式智能化

3D打印機(jī)可以通過新的方式將原材料加以混合，新型材料就會(huì)出現(xiàn)。有了混合材料打印，多元結(jié)構(gòu)的部件將會(huì)被同時(shí)制造、同時(shí)組裝出來。在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，我們將會(huì)以納米級(jí)的精度將多種材料嵌入和編排到復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)中。

雖然現(xiàn)在3D打印很熱，有很多企業(yè)和政府也紛紛上馬或推廣3D打印項(xiàng)目，但真正用3D打印做出產(chǎn)品的較少。這里面關(guān)鍵問題還是技術(shù)問題，打印速度和精度、打印精度和強(qiáng)度等相互矛盾的技術(shù)指標(biāo)困擾著制造商和最終用戶，當(dāng)然還有操作專業(yè)性強(qiáng)、原材料昂貴等問題，最終讓他們保持觀望態(tài)度。在現(xiàn)階段技術(shù)條件下，3D打印的智能化及復(fù)合兼容技術(shù)非常有效地解決目前存在的弊端，大幅提升3D的性能。

目前國內(nèi)外大部分3D都采用盲打工藝，需總結(jié)大量的工藝數(shù)據(jù)，成型工藝非常復(fù)雜，往往每一種形狀零件、每一種材料都需要不斷的試驗(yàn)，幾乎每一層都需要總結(jié)出工藝參數(shù)。而且當(dāng)成型過程中出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)無法識(shí)別，也不能自動(dòng)調(diào)整，如果不去人工干預(yù)，將造成無法繼續(xù)成型或?qū)⑷毕萘粼诠ぜ铮仨氂山?jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)技術(shù)人員操作機(jī)器隨時(shí)觀察成型狀態(tài)才能做出較合格的零件，嚴(yán)重影響了金屬3D打印的普及性。因此，3D打印機(jī)智能化非常重要，像人一樣，給3D打印機(jī)裝上眼睛是非常必要的，通過看外在物體狀態(tài)隨時(shí)調(diào)整人的姿態(tài)和行為，對(duì)于3D打印機(jī)來說，就是調(diào)整工藝參數(shù)。因此，智能識(shí)別和反饋功能將是目前快速成型系統(tǒng)的迫切需要解決的問題，通過較簡便的工藝參數(shù)積累，讓3D打印設(shè)備自己去判斷，智能調(diào)整即可，讓復(fù)雜的快速成型工藝變簡單，更具有實(shí)用性和推廣性。智能識(shí)別系統(tǒng)將提供大量成型過程的數(shù)據(jù)，希望通過實(shí)踐積累大量數(shù)據(jù)，讓3D打印機(jī)變更聰明，最終通過軟件的開發(fā)讓3D打印機(jī)具備自學(xué)習(xí)功能，這樣的思路也就確確實(shí)實(shí)是3D打印系統(tǒng)需要具備的特征，同時(shí)也符合了機(jī)器人的特征。

（未完待續(xù)，接下期）