增材制造3D打印發(fā)展趨勢

摘要：隨著信息化、智能化技術(shù)在國內(nèi)多個(gè)領(lǐng)域的迅速普及，3D打印對于國人來說已經(jīng)不再是一個(gè)陌生的詞兒。3D打印，屬于一種快速成型的手段，也叫做增材制造。它是基于數(shù)字模型文件，再借助于一些粘合材料（如塑料、粉末狀金屬）等等，一層層進(jìn)行打印，從而實(shí)現(xiàn)對物體的構(gòu)造。該技術(shù)在全世界的誕生和發(fā)展已經(jīng)有30年左右，傳入我國的時(shí)間也已經(jīng)不短。那么，它在未來又會有哪些發(fā)展趨勢呢？本文結(jié)合其目前的現(xiàn)狀，談?wù)勂湮磥淼陌l(fā)展趨勢，提出一些觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化;智能化;增材制造;3D打印;發(fā)展趨勢

1? 引言

3D打印被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命的代表[1]。它可以說是隨著整個(gè)社會在數(shù)字化、智能化方面的趨勢而誕生的。3D打印也叫做“增材制造”，它是通過離散--堆積的機(jī)制，以零件三維數(shù)據(jù)對設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動，從而實(shí)現(xiàn)對零件的直接生產(chǎn)加工。如今，這種技術(shù)在我國受到了很廣泛的推廣，能夠改善對多種工業(yè)品的改善效果。可以說是一項(xiàng)很有價(jià)值的工業(yè)技術(shù)。

為了更進(jìn)一步推動增材制造3D打印在國內(nèi)的推廣，我們有必要分析一下關(guān)于這一技術(shù)的未來發(fā)展走向和變革趨勢。

2? 關(guān)于這一技術(shù)的簡要分析

3D打印技術(shù)是將原材料采用層層堆積法使其成型的一種增材制造新技術(shù)[1]。其技術(shù)藍(lán)本為計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型，再通過數(shù)字打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)其加工目標(biāo)。它一般被運(yùn)用在模具加工及工業(yè)設(shè)計(jì)等等方面，現(xiàn)在也被廣泛運(yùn)用在直接生產(chǎn)一些產(chǎn)品上面，通過其來制造零部件。尤其在去年，該技術(shù)又被運(yùn)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上面，從而幫助實(shí)驗(yàn)用的白鼠恢復(fù)身體運(yùn)動能力。

在使用3D打印技術(shù)時(shí)，離不開兩個(gè)方面的操作系統(tǒng)--軟件分層離散、數(shù)控成型。再通過激光束、熱熔噴嘴這些手段，將一些特殊材料一層層開展堆積黏結(jié)，再進(jìn)行疊加，生成模具，最終生成實(shí)體產(chǎn)品。

對比起常規(guī)的加工制造方式來說，該技術(shù)不是通過原來的三維實(shí)體，而是將其轉(zhuǎn)化為一系列的二維平面，將材料進(jìn)行處理，一層層進(jìn)行疊加，最后投入生產(chǎn)?？梢哉f是帶來了生產(chǎn)制造的又一輪革命，使其難度得到了很大程度的降低，擺脫了過去繁瑣的工藝步驟及龐大繁瑣的機(jī)床系統(tǒng)，也有效節(jié)省了人力資源。任何零件都可以從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)當(dāng)中直接生成。這樣，生產(chǎn)加工業(yè)就可以朝著更為廣泛的群體當(dāng)中發(fā)展。

3? 關(guān)于該技術(shù)簡要的發(fā)展史

3.1 在國外的發(fā)展史

該技術(shù)最初是1940年在美國產(chǎn)生的。當(dāng)時(shí)，有人嘗試將硬紙板進(jìn)行切割，一層層的粘連形成三維地形圖。這可以說是3D打印技術(shù)的雛形。上世紀(jì)八十年代后期，該技術(shù)又實(shí)現(xiàn)了核心環(huán)節(jié)的突破，并先后注冊了多項(xiàng)專利。

具體來說，1986年，光固化在美國產(chǎn)生;兩年后又產(chǎn)生分層實(shí)體制造技術(shù)。在接下來的四年里，又先后誕生了與3D打印相關(guān)的多項(xiàng)新技術(shù)如粉末激光燒結(jié)、熔融沉積制造、噴頭打印等等，并推出了一系列與之相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備，更進(jìn)一步推動了3D打印的迅速發(fā)展。時(shí)至今日，該技術(shù)已經(jīng)在全世界發(fā)展的相當(dāng)成規(guī)模。

3.2 在國內(nèi)的發(fā)展史

在國內(nèi)，雖然該技術(shù)進(jìn)入的比較晚，起步比較晚，但是發(fā)展的卻是很快的。在2000年左右，該技術(shù)開始在我國進(jìn)入起步期。其后，政府對這方面給予了很大程度的扶持，在后來的20年里也實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。如今，國內(nèi)涉足該業(yè)務(wù)的企業(yè)已經(jīng)達(dá)到上百家，通常集中在一些一線城市和省會城市。其產(chǎn)業(yè)規(guī)模也早已達(dá)到了數(shù)十億元，相當(dāng)于是十年前的數(shù)十倍。還被廣泛的運(yùn)用在了國防、醫(yī)療健康、航天、遙感、藝術(shù)品等等多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。

4? 國內(nèi)關(guān)于該技術(shù)的現(xiàn)狀淺析

盡管該技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)越來越發(fā)展成熟，運(yùn)用的也越來越廣泛，但還是存在著不少發(fā)展的不夠完善的地方，需要我們在今后的研發(fā)當(dāng)中將其做到完善。

比如，我們列舉幾個(gè)方面。

4.1 加工材料還存在著緊缺

目前，國內(nèi)在這方面的耗材，普遍存在著緊缺的狀況。由于國內(nèi)在這些材料的生產(chǎn)加工方面的水平仍然不足;而那些成本較低的材料，又很少有廠商肯加工生產(chǎn)。所以就產(chǎn)生了加工材料緊缺的問題。

4.2 加工材料成本偏高

除了加工材料緊缺的問題之外，還普遍存在著加工材料成本偏高的問題，從而限制了這一技術(shù)的進(jìn)一步普及。這主要是由于該方面的材料絕大部分都是從國外引進(jìn)的，這在無形間增加了其材料成本。比如，國內(nèi)大部分3D打印機(jī)的價(jià)格成本高達(dá)20000元。如此偏高的價(jià)格成本，當(dāng)然就會限制它在國內(nèi)的進(jìn)一步普及。所以，目前這方面材料在我國的量產(chǎn)還處于比較低的水平上面。

5? 國內(nèi)該技術(shù)的發(fā)展趨勢與方向淺析

根據(jù)我們前面分析的關(guān)于現(xiàn)階段，該技術(shù)在我國的運(yùn)用當(dāng)中所存在的一些問題，我們認(rèn)為，該技術(shù)在我國未來的發(fā)展，必須要從壓縮成本和提升材料性能等等上面入手。所以，這也要求從政策上面必須要加強(qiáng)扶持，從而給加強(qiáng)研發(fā)創(chuàng)造條件。具體地說，我們應(yīng)當(dāng)從下列的發(fā)展趨勢入手，由下列的發(fā)展方向作為切入點(diǎn)，來加強(qiáng)對這方面的研發(fā)：

5.1 進(jìn)一步提升打印質(zhì)量

現(xiàn)在，材料較為單一的狀況普遍存在。所以后面我們會采用多種打印材料，如智能材料、功能梯度材料等。從而拓寬其材料選擇。

其次，提升3D打印的速度、效率和精度，從較小的范圍開始推廣再進(jìn)行擴(kuò)大，然后再接著作擴(kuò)大推廣。由于該技術(shù)最長處的地方，為一些難度很大而較為復(fù)雜的加工技術(shù)，這就決定了其可在航空制造、生物醫(yī)療這種對成本不敏感、不需要大規(guī)模生產(chǎn)以及需要個(gè)性化定制的領(lǐng)域取得發(fā)展。

5.2 推動機(jī)器設(shè)備的進(jìn)一步輕量化、輕便化

機(jī)器設(shè)備的體積能夠做的更小，做到桌面化、減少了成本、使用起來也更為簡便，這需要廠商提升研發(fā)水平;在投融資上進(jìn)行革新，比如采取眾籌、PPP等方式，從而能促進(jìn)該領(lǐng)域的更完善的融資，也為其后面的進(jìn)一步革新提供了資金。

6? 具體的案例簡介

在關(guān)于該技術(shù)的具體案例上面，我們特別選用關(guān)于福特公司汽車零件的案例。

福特公司最近使用3D打印技術(shù)的案例包括：

全新福特野馬的發(fā)動機(jī)蓋;HF35變速箱中的轉(zhuǎn)子架、傳動箱、阻尼器外殼、變速箱端蓋。HF35變速箱用于福特C-MAX混動車以及Fusion混動車中;全新福特Fusion中的四缸EcoBoost發(fā)動機(jī);福特探險(xiǎn)者中的剎車盤（修復(fù)一個(gè)在耐久性測試中發(fā)現(xiàn)的制動噪聲問題）;

福特F-150皮卡中3.5升EcoBoost發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管。福特公司表示，3D打印技術(shù)在零部件制造中的應(yīng)用或?qū)㈤_啟汽車工業(yè)的第三次革命。

如果工件的批量較小但形狀復(fù)雜程度很高，那么其中間的步驟——直接制造終端零部件，就可以省略。

7? 結(jié)語

3D打印，如今已經(jīng)是國內(nèi)十分常用，成熟程度也比較高的工業(yè)打印手段了。而隨著其不斷的發(fā)展，其變革趨勢也在隨著市面上具體的運(yùn)用需求而進(jìn)行著調(diào)整。為此我們要不斷地順應(yīng)這種趨勢，推動其在國內(nèi)的進(jìn)一步的發(fā)展與普及。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳為平，林有希等. 3D打印發(fā)展現(xiàn)狀分析及展望[J].工具技術(shù)，2019，8（20）：101-102.

[2]武王凱，周琦琛等.金屬3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀及其趨勢[J].中國金屬通報(bào)，2019，5（31）：88-89.

作者簡介：

過凱楠（1990年1月15日），民族：漢，性別：男，籍貫：江蘇省無錫市，學(xué)歷：本科，職稱：助理工程師，研究方向：3D打印技術(shù)/機(jī)械。

增材制造金屬激光粉末床熔融（L-PBF）。

設(shè)備綜合性能評測和標(biāo)準(zhǔn)化研究（KJ207532）。

（無錫市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，江蘇 無錫 214028）