淺談3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

程俊廷 張 懌 盧建軍

（1.黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150022；2.首都信息發(fā)展股份有限公司，北京100161）

0 引言

3D打印技術(shù)是一種新的制造工藝[1]。它通過數(shù)字模型來構(gòu)建實體，其思想源于美國一項地貌地形分層專利，此技術(shù)的實現(xiàn)與傳統(tǒng)加工差異較大，它顛覆性地改變了傳統(tǒng)減材技術(shù)，從設(shè)計之初就改變了整個加工的工藝與流程，其涉及諸多領(lǐng)域與學(xué)科。此技術(shù)的普遍運用，可將簡單制造完成于任意場合，如辦公室、家庭甚至太空等[2]。

3D技術(shù)的出現(xiàn)催生了許多新型產(chǎn)業(yè)和新型設(shè)計理念。它將改變產(chǎn)品的生產(chǎn)方式，從而改變世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局，并最終改變?nèi)藗兊纳罘绞絒3]。

1 3D打印技術(shù)簡介及其材料對比

1.1 3D打印技術(shù)簡介

當(dāng)今主流的3D打印技術(shù)包括熔融沉積、光固化成型、激光燒結(jié)、分層實體加工等[4]。

1.2 相關(guān)材料對比分析

1.2.1 3D打印技術(shù)及所用材料對比

表1歸納分析了上述各項技術(shù)的優(yōu)缺點。

1.2.2 各國3D打印設(shè)備及精度概況

圖1所示為世界各國3D打印制造設(shè)備及精度示意圖[5]。

2 3D打印技術(shù)專利情況

2.1 全球?qū)＠闆r

從發(fā)明專利申請的角度來看，數(shù)量由高到低的國家依次為中國、美國及日本。從圖2可以看出，中國的申請量自2013年以來飛速提升。截至2017年，中國共有9 907項專利申請，共3 062人，專利平均數(shù)量3.24件。2016年，全年專利申請3 554個，占專利總量的35.87%；公布于眾的專利數(shù)量為4 739項，占專利總數(shù)的48.38%，同比增長79.78%。

2.2 我國專利情況

2.2.1 概況分析

中國在3D打印領(lǐng)域的探索與研究較遲，最初的專利多集中在少數(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)。目前，歐美等地仍然是世界研發(fā)的中堅力量，日本也很有競爭力。

表1 3D打印技術(shù)優(yōu)缺點分析

圖1 各國3D打印設(shè)備及精度概況

圖2 申請量示意圖

2.2.2 專利類型占比

如今，中國在3D打印領(lǐng)域的實力正在逐步增強(qiáng)。眾多企業(yè)開始邁入3D打印業(yè)。據(jù)有關(guān)報道，國內(nèi)專利申請在各領(lǐng)域內(nèi)占比如圖3所示[6]。

圖3 中國3D打印領(lǐng)域?qū)＠诸?/p>

2.2.3 打印材料占比

制造材料基本分為三類：聚合物、金屬和復(fù)合材料。據(jù)統(tǒng)計，2017年，聚合物占3D打印材料市場份額的51%，金屬占19.8%，復(fù)合及其他材料占29.2%（圖4）[7]。從發(fā)展趨勢來看，金屬及復(fù)合等材料依舊具有很大的發(fā)展空間。

2.2.4 應(yīng)用情況

根據(jù)Wohlers Report報告，航空航天在3D打印領(lǐng)域占據(jù)了14.8%，工業(yè)應(yīng)用占17.5%，消費電子產(chǎn)品占16.6%，汽車工業(yè)占16.1%，醫(yī)療應(yīng)用占13.1%，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)占8.2%，政府軍事占6.6%，其余則占7.1%（圖5）。

3 3D打印的發(fā)展趨勢

圖5 中國3D打印領(lǐng)域分布

經(jīng)過多年發(fā)展與積累，中國在實現(xiàn)3D打印產(chǎn)業(yè)化的道路上越走越快，步伐越邁越大。在“中國制造2025”等相關(guān)政策的引導(dǎo)和支持下，中國3D打印的相關(guān)行業(yè)發(fā)展迅速，關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，設(shè)備性能明顯加強(qiáng)。同時，其工作模式正逐漸系統(tǒng)化，服務(wù)領(lǐng)域也在不斷拓展擴(kuò)大。

3.1 產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖僭鲩L

根據(jù)Wohlers Associates的數(shù)據(jù)，61家工業(yè)系統(tǒng)制造商、19家特種材料制造商、100家服務(wù)單位以及一批消費級3D打印設(shè)備制造商的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示（圖6），工業(yè)級3D打印設(shè)備制造公司的數(shù)量不斷增加。

圖6 3D打印產(chǎn)業(yè)全球年產(chǎn)值圖

產(chǎn)業(yè)規(guī)模實現(xiàn)快速擴(kuò)張。通過收集對比23家大規(guī)模企業(yè)經(jīng)營的數(shù)據(jù)，2016年相關(guān)大規(guī)模企業(yè)的產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值為20.3億元，比2015年的10.8億元增長88.0%。從2017年上半年來看，生產(chǎn)總值為11.6億元，對比往年提高了50.5%，產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大加速。3D打印產(chǎn)業(yè)主要由設(shè)備、材料和服務(wù)三方面構(gòu)成，其產(chǎn)值中，設(shè)備占50.1%，材料占26.9%，服務(wù)占23.0%，可見僅3D打印裝備產(chǎn)值就占到了一半[8]。

3.2 產(chǎn)業(yè)格局

中國3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已逐步成形，主要以環(huán)渤海、珠三角、長三角為核心。在環(huán)渤海地區(qū)，3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在中國處于領(lǐng)先地位，形成了以北京為核心，協(xié)調(diào)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局。長三角地區(qū)已形成了良好的經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)勢、區(qū)位條件和強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，3D打印產(chǎn)業(yè)鏈包含打印設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)和相關(guān)設(shè)備。在珠三角地區(qū)，3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在深圳和東莞等地大多運用于服務(wù)行業(yè)。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的制造技術(shù)，如鑄造、鍛造、焊接等，經(jīng)過數(shù)百年的研究、應(yīng)用和發(fā)展，積累了豐富的經(jīng)驗，形成了完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。3D打印這一新興技術(shù)依舊需要長時間的技術(shù)積累和驗證，只有在經(jīng)過較多大規(guī)模的應(yīng)用研究之后，才能發(fā)現(xiàn)和解決眾多實際問題。

創(chuàng)造改變世界，知識成就未來，3D打印的時代已經(jīng)來臨，3D打印技術(shù)已經(jīng)從研發(fā)轉(zhuǎn)向工業(yè)應(yīng)用。諸多國家都已將3D打印作為未來工業(yè)發(fā)展的突破點，促進(jìn)3D打印技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)及新型材料的加速融合，力爭抓取未來科技和行業(yè)的制高點已成為當(dāng)務(wù)之急。