論3D打印技術(shù)的發(fā)展前景

李奎舉+余建榮

摘 要：3D打印成型技術(shù)采用的是一種增材質(zhì)堆疊的技術(shù)原理，其成型速度、設(shè)備運行和維護等方面相比傳統(tǒng)的成型技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，是有著極大發(fā)展前景的新型的生產(chǎn)方式，很可能會引發(fā)新一輪的工業(yè)革命。在互聯(lián)網(wǎng)時代，由于3D打印技術(shù)的數(shù)據(jù)具有復制方便和快速傳播的特征，這將賦予3D打印技術(shù)巨大的發(fā)展優(yōu)勢和潛力。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；批量化生產(chǎn)；發(fā)展前景

中圖分類號：TP391.73 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5312（2017）08-0272-02

一、引言

3D打印技術(shù)是一種以3D數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，將可粘接耗材（如粉末金屬及塑料等）逐層疊加，從而構(gòu)建出預先設(shè)定的物件形體的技術(shù)。目前市面上比較流行的3D打印技術(shù)包括FDM熔融層積成型技術(shù)、SLA立體平板印刷技術(shù)、3DP技術(shù)、DLP激光成型技術(shù)、UV紫外線成型技術(shù)和SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)等。通過對這些3D打印技術(shù)的打印機體積、打印成本和打印原理的比較發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DM技術(shù)的設(shè)備不但占地空間最小，而且成本最低，所以目前市面上最為常見的3D打印設(shè)計設(shè)備都是以FDM熔融層積成型技術(shù)為技術(shù)支撐的。

著名的英國雜志《經(jīng)濟學人》認為3D打印技術(shù)是最具有前景的新型生產(chǎn)方式，可以促進傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，并將由此引發(fā)一場新的工業(yè)革命。目前3D打印技術(shù)的優(yōu)勢已經(jīng)初步展現(xiàn)，主要集中體現(xiàn)在少量化和個性化的生產(chǎn)中，如：義肢行業(yè)、文物行業(yè)、太空行業(yè)，珠寶行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、設(shè)計行業(yè)等。與傳統(tǒng)減材質(zhì)加工方式不同，3D打印技術(shù)采用的是一種增材質(zhì)技術(shù)，在成型速度、設(shè)備運行及維護等方面具有著明顯的優(yōu)勢，但也存在著種種缺陷。3D打印技術(shù)可優(yōu)化生產(chǎn)工序，復雜形體可直接成型，無需開模，無需購買機械設(shè)備。一臺3D打印機便可打印出各種形態(tài)的產(chǎn)品，大大節(jié)省了制造時間、空間、成本。同時一體成型的方式可有效降低后期處理的誤差累積，從而使得產(chǎn)品精度更高，如汽車、飛機、核電等精密機械行業(yè)。3D打印可實現(xiàn)產(chǎn)品無縫連接，沒有分模線，甚至沒有不必要的接縫，因此產(chǎn)品更穩(wěn)固，剛性、強度優(yōu)于傳統(tǒng)制造方式。

二、3D打印技術(shù)與批量化生產(chǎn)

3D打印能否夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)大批量生產(chǎn)一直是一個熱議話題。由于近年來3D打印技術(shù)成果不斷，部分專家認為隨著技術(shù)的不斷突破，3D打印將會取代傳統(tǒng)工業(yè)大批量生產(chǎn)。但3D打印能否在成本更低、速度更快、效果更好這些方面做到優(yōu)于傳統(tǒng)工藝是取代傳統(tǒng)工業(yè)大批量生產(chǎn)的關(guān)鍵，然而3D打印技術(shù)卻面臨著諸多難以突破的瓶頸。

（一）材料瓶頸

絕大多數(shù)人都認為3D打印的瓶頸在材料的價格上，但長遠來看，技術(shù)的突破加上擴大生產(chǎn)規(guī)模必然會降低耗材的價格，反而是材料的種類死死的拖住了3D打印的后腿。因為3D打印耗材不但需要能夠被很容易的從噴頭噴出，而且當暴露在空氣中或者遇到粘合劑時，還要能夠很快速的凝固，只有這樣才能夠保證逐層打印出的模型成品不走形，這一特性把3D打印的材料限定在一定的范圍。退一步說就是，新型高性能材料在不斷的被發(fā)明出來，傳統(tǒng)工藝可根據(jù)其屬性對其進行相應的加工處理，但3D打印工藝相對單一，無法適用于所有材料，如彈簧的加工很難僅靠3D打印完成。另外多材質(zhì)組合件打印難度大，目前的3D多材質(zhì)打印技術(shù)多基于屬性相近的材質(zhì)，如雙噴頭打印機可同時打印ABS和PLA，當需要打印的材質(zhì)屬性完全不同時，將會是3D打印的一大難題。以電線為例，簡單的橡膠包裹銅絲，但橡膠和金屬的打印的技術(shù)種類是不同的，就算通過安裝多類型的打印噴頭，溫度的屬性差也會給電線的加工帶來很大的困難。更要命的是現(xiàn)實生活中的產(chǎn)品材質(zhì)組合多樣，3D打印機很難做到以不變應萬變。因此，3D打印技術(shù)仍然將需要一場持久的發(fā)展。

（二）速度、精度與效率瓶頸

（1）3D打印技術(shù)被稱為快速成型技術(shù)，指的是方案到單件成品制作完成的速度快。當需要加工成千上萬個產(chǎn)品時，單件產(chǎn)品的速度慢于大批量生產(chǎn)下的單件速度；（2）由于3D打印技術(shù)成型原理的限制，打印件的強度取決于每一層的粘接程度，使得絕大多數(shù)打印件的性能劣于傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)（一體澆鑄成型）；（3）在根本上無法實現(xiàn)精度與速度的統(tǒng)一，原因是要想使得打印件越精細，那么每層的厚度就要越薄，結(jié)果就是整體成型的速度勢必越慢，而要想使得打印的速度越快，那么每層的厚度就要越厚，結(jié)果就是打印件越粗糙。

值得一提的是，這些特性都和2D打印技術(shù)極其類似，早期的2D打印機打印品質(zhì)差、打印速度慢，發(fā)展至今日，2D打印技術(shù)的打印精度和打印速度竟然出乎意料的和上世紀90年代相比并沒有明顯的改進，而更多的是用戶體驗等方面的優(yōu)化，可見精度和速度的相斥瓶頸是真實存在的，并且該瓶頸限制了2D打印機的進一步發(fā)展。2D打印技術(shù)仍未能取代印刷廠，原因在于成本和效率的考慮。譬如：辦公文檔、合同、表格的打印多采用小型打印機，因為小型打印機具有較強的實時性且單件成本低的特點，但書本、報紙、包裝、數(shù)量較大的海報等則更多的選擇印刷廠（部分原因是因為2D打印機存在技術(shù)局限，如包裝等領(lǐng)域），因為該條件下印刷廠價格、效率和效果優(yōu)于打印機。在這一方面，3D打印機與傳統(tǒng)工藝工廠的關(guān)系和2D打印機與印刷廠的關(guān)系雖不同卻具有著極高的相似性，不禁令人對3D打印代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的說法產(chǎn)生懷疑。

（三）對于形體簡單的產(chǎn)品的生產(chǎn)，3D打印不占優(yōu)勢

如管材的生產(chǎn)：熱擠出的工藝在成型原理上決定了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的成品在價格、性能、速度均優(yōu)于3D打印成型。且3D打印的耗材的本身就是工業(yè)化大批量產(chǎn)物，用3D打印機生產(chǎn)耗材顯然在邏輯上不成立。

3D打印技術(shù)已經(jīng)在少量化和個性化的生產(chǎn)行業(yè)中取得了一定的成功，如義肢行業(yè)、文物行業(yè)、太空行業(yè)，珠寶行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、設(shè)計行業(yè)、模具手板等。相信，隨著技術(shù)的突破，未來的3D打印的速度將會更快；精度、穩(wěn)固性將會更高；打印的材料將會更多樣；價格將會更低，這些進步將會促使3D打印技術(shù)在原有領(lǐng)域的進一步發(fā)展。

另外，一臺計算機和一臺3D打印機即可進行產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)，這一勢必削弱大企業(yè)集約生產(chǎn)優(yōu)勢的低門檻生產(chǎn)模式，將會使得小型化生產(chǎn)模式甚至個人化的全新生產(chǎn)模式更具生命力?？梢姡?D打印在滿足個性化需求和適應小批量化生產(chǎn)的同時，將會誘發(fā)更多的小批量生產(chǎn)格局。

三、3D打印技術(shù)的優(yōu)勢展望

3D打印技術(shù)的未來不應被簡單的安放在“替代傳統(tǒng)工業(yè)”，它所采用的層鋪成型方式，突破了傳統(tǒng)工具和制造工藝對產(chǎn)品形態(tài)結(jié)構(gòu)的限制，允許根據(jù)需要對產(chǎn)品實體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。3D打印技術(shù)不僅在某些領(lǐng)域可以提高產(chǎn)品性能，而且給設(shè)計師以極大發(fā)揮空間，解放了產(chǎn)品在美學層面的限制，使得傳統(tǒng)工藝無法制作復雜形態(tài)成為可能。此外，這種無需模具的增材質(zhì)生產(chǎn)加工方式，允許商品生產(chǎn)商們按需生產(chǎn)，而無需建立產(chǎn)品存儲機制，可以極大地減少成本投入風險。

3D打印的一大特征就是將產(chǎn)品數(shù)據(jù)化，在互聯(lián)網(wǎng)時代，數(shù)據(jù)具有復制方便和快速傳播的特征，它將賦予3D打印技術(shù)巨大的潛力。給產(chǎn)品從研發(fā)，到生產(chǎn)，再到銷售的整個過程的交流帶來極大的便利，并在很大的程度上可以解決物流問題，允許進行遠程驅(qū)動制造，甚至將會改變?nèi)蜻M出口格局。進口國將減輕對進口的依賴，本土化生產(chǎn)可減輕經(jīng)濟失衡問題，發(fā)展中國家將降低對國外先進且昂貴的材料、技術(shù)的依賴性，發(fā)達國家可減少對昂貴勞動力需求，有助于提高國家整體生產(chǎn)力。

四、結(jié)語

與傳統(tǒng)工藝的成型方式相比，3D打印技術(shù)有著傳統(tǒng)工藝諸多沒有的優(yōu)點，在快速成型、原料利用率、操作性、價格、復雜形態(tài)產(chǎn)品制造等方面表現(xiàn)優(yōu)異，但由于疊加增材質(zhì)成型原理不能代替所有的傳統(tǒng)工藝，加上自身的諸多瓶頸，3D打印技術(shù)很難代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)化生產(chǎn)。但在部分小批量、個性化生產(chǎn)方面，3D打印技術(shù)擁有著廣闊的前景。