試析國內(nèi)熔融沉積快速成型技術(shù)的發(fā)展滯因及未來發(fā)展趨勢

王靜蘊

摘 要：本文首先介紹了熔融沉積快速成型技術(shù)的原理、特點、發(fā)展史及目前國內(nèi)整個3D打印行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，接著論述了熔融沉積快速成型技術(shù)興盛的原因，并分析了影響此技術(shù)發(fā)展停滯不前的四個重要原因，最后預(yù)測了FDM技術(shù)及整個3D打印行業(yè)未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：FDM;熔融沉積快速成型;3D打印技術(shù);發(fā)展趨勢

0 引言

近年來，3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日新月異，新機器、新技術(shù)、新材料、新應(yīng)用不斷推陳出新。基于熔融沉積快速成型（Fused Deposition Modeling，簡稱FDM）原理的三維打印快速成型技術(shù)是目前世界上最具生命力的快速成型技術(shù)之一。其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到政府、學術(shù)機構(gòu)、建筑、航天、醫(yī)療、工商業(yè)等各個角落。這當然與這種技術(shù)的諸多特點及應(yīng)用潛能和廣闊前景密不可分。在此背景下，加大力度開展對熔融沉積快速成型技術(shù)的研究，使之更好地服務(wù)于人類、造福于社會，具有相當重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義。

FDM產(chǎn)業(yè)包括桌面級和工業(yè)級的熔融沉積快速成型技術(shù)，都曾經(jīng)于2014年前經(jīng)歷過高速發(fā)展。但從2014年以后，國內(nèi)制造和銷售FDM打印機的廠商與2014年以前相比，數(shù)量上有大幅下滑，其在整個3D打印產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)所占的市場份額也呈現(xiàn)明顯萎縮之勢。拋開市場優(yōu)勝劣汰的機制及行業(yè)洗牌、再度整合這些原因不談，就從熔融沉積快速成型技術(shù)本身而言，在發(fā)展到一個瓶頸階段，出現(xiàn)發(fā)展停滯不前的現(xiàn)象，必然有技術(shù)本身或者是大環(huán)境等層面所出現(xiàn)的各種問題。而在研究FDM技術(shù)發(fā)展停滯不前及未來可能走向等問題之前，我們需要對此項技術(shù)的技術(shù)原理、特點及發(fā)展歷史做一個細致的了解，這有助于我們掌握細節(jié)，從而找出問題真正出現(xiàn)的原因。

1 FDM成型技術(shù)的原理和特點

在1995年之前，3D打印這個名稱并不存在，在研究領(lǐng)域內(nèi)被專家們所接受的名稱是“快速成型”。 快速成型技術(shù)是將計算機輔助設(shè)計 （ CAD）?，計算機輔助制造 （ CAM ） ，計算機數(shù)字控制 （ CNC） ，精密伺服驅(qū)動、激光和材料科學等先進技術(shù)集于一體的新技術(shù)。它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運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)。簡單講，F(xiàn)DM又稱為熔絲沉積，是一種不依靠激光作為成型能源、而將各種絲材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加熱熔化進而堆積成型的一種成型方法[1]。

FDM機械系統(tǒng)主要包括噴頭、送絲機構(gòu)、運動機構(gòu)、加熱工作室、工作臺五部分，材料上使用成型材料和支撐材料兩部分。具體來講，F(xiàn)DM技術(shù)是將低熔點絲狀材料通過加熱器的擠壓頭融化成液體，然后再從噴頭擠出，擠壓頭沿零件截面輪廓運動，擠出的絲狀材料沉積固化，形成實件薄層，覆蓋于已建造的零件之上。一層成型后，工作臺下降一層高度，噴頭繼續(xù)掃描噴絲，如此反復(fù)逐層堆積，直至模型或零件完全成型[2]。FDM完美地運用了降維原理，把相對復(fù)雜的三維模型塑造轉(zhuǎn)化為簡單明了的多層二維平面，經(jīng)無數(shù)層二維層面的循環(huán)堆積，進而又還原并制造出三維的模型或零件[3]。

FDM成型技術(shù)比其它3D打印技術(shù)有很多優(yōu)點。（1） 使用和維護上相對比其它3D打印機簡單。（2）材料的可得性。一般的高分子材料如ABS、PLA、PC、PPSF以及尼龍絲、蠟絲均可使用，彩色材料也比其它打印機多。（3）環(huán)境友好。制件過程中無化學變化，不產(chǎn)生粉塵，不污染空氣和環(huán)境。（4）成本低廉，利于家庭、個人的普及及應(yīng)用。（5）材料強度、韌性優(yōu)良，可以裝配進行功能測試。由于在成型過程中無化學變化，也不容易導(dǎo)致制件的翹曲變形[3]。

正是由于FDM技術(shù)的這些優(yōu)點，使其降低了產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)成本，摒棄了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式中的開模環(huán)節(jié)，縮短了生產(chǎn)周期，也縮短了最終產(chǎn)品與客戶的見面時間，提高了生產(chǎn)效率，從而加速了它向社會各方面滲透的力度和廣度，在技術(shù)上取得顯著進步的同時，也為社會帶來了巨大的經(jīng)濟效益。

2 熔融沉積快速成型技術(shù)的發(fā)展史及目前國內(nèi)的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)的核心制造思想最早起源于19世紀末的美國，到20世紀80年代后期3D打印技術(shù)發(fā)展才漸趨成熟并被廣泛應(yīng)用。我們沿以時間軸，來看看整個3D打印行業(yè)的發(fā)展情況。

1860年，法國人申請了多照相機實體雕塑的專利。

1979年，日本人中川威雄發(fā)明疊層模型造型法。

1980年，日本人小玉秀男又提出了光造型法。此后幾十年，美國人把這些方法轉(zhuǎn)為實際應(yīng)用。

1988年，科特克魯姆普發(fā)明了熔融沉積成型技術(shù)（FDM），次年科成立了Stratasys公司。

1992年，美國人赫利塞發(fā)明層片疊加制造技術(shù)，同年，Stratasys公司推出第一臺基于FDM技術(shù)的3D工業(yè)級打印機。

2001年，Solido開發(fā)出第一代桌面級3D打印機。

2009年，Bre Pettis帶領(lǐng)團隊創(chuàng)立了著名的桌面級3D打印機公司——MakerBot[4]。

MakerBot出售打印機的零配件，使購買者可自行組裝3D打印機，從此國外個人3D打印機產(chǎn)品市場開始蓬勃興起。其發(fā)展歷史從起源到正式被廣泛應(yīng)用跨度相當巨大。因此，人們習慣上把3D打印技術(shù)稱之為上上個世紀的思想，上個世紀的技術(shù)，這個世紀的

市場。

國內(nèi)的3D打印技術(shù)研究起步早，從90年代起，處于領(lǐng)先地位科研機構(gòu)主要為一些高校以及相應(yīng)的企業(yè)化單位，如清華大學、華中科技大學、西安交通大學與北京航空航天大學。以高校為依托的研究機構(gòu)主要以研制工業(yè)級打印機為主，而另有一些企業(yè)在進行工業(yè)級打印機研制的同時，把重點目光投向了更具市場推力的桌面級打印機的開發(fā)與銷售上，并嘗試將技術(shù)研究、3D打印機研發(fā)銷售與3D打印服務(wù)整合在一起，以建立更完善的產(chǎn)業(yè)模式，形成更完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

從2011年開始，中國的3D打印行業(yè)進入高速發(fā)展時期。近年來中國3D打印規(guī)模幾乎每年翻番，借著全球3D打印飛速發(fā)展和政府對這個行業(yè)的高度重視的東風，中國的3D打印行業(yè)也走上了發(fā)展的快車道。而且3D打印產(chǎn)值幾乎每年都會增加一倍，其增長幅度遠遠領(lǐng)先于世界其他國家。到2016年，中國3D打印機市場規(guī)模達到了100億元，是2012年的10倍[4]。

3 熔融沉積快速成型技術(shù)興盛的原因及目前發(fā)展停滯不前的原因

FDM技術(shù)在我國已經(jīng)歷一段時期的高速發(fā)展。驕人的成績，與以下幾個因素密不可分：首先是行業(yè)大環(huán)境的東風。國外國內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)都在飛速發(fā)展，有時候用一日千里來形容并不為過。其次是政府的扶持與鼓勵。目前國內(nèi)有關(guān)3D打印產(chǎn)業(yè)的大、小研討會每年都會有很多，在政府部門內(nèi)部下設(shè)的機構(gòu)中也有專門研發(fā)3D打印技術(shù)的專業(yè)團隊。第三是投入少、風險小、技術(shù)門檻相對低。這是FDM技術(shù)在家庭及個人應(yīng)用領(lǐng)域普及和興盛的主因。第四是商人的趨利性。不管任何行業(yè)，只要前景好、投入產(chǎn)出比高，有利可圖，那么在這個行業(yè)內(nèi)迅速出現(xiàn)蝴蝶效應(yīng)，導(dǎo)致行業(yè)紅火興盛的現(xiàn)象必然隨之發(fā)生。然而事物的發(fā)展總是具有兩面性，物極必反這個原則同樣適用于這個行業(yè)。由于進入門檻低，要承擔的風險也很小，短時間內(nèi)進入此行業(yè)謀求發(fā)展的公司和團體數(shù)不勝數(shù)。在經(jīng)歷最初的新奇和喜悅后，從2014年開始，3D打印行業(yè)這塊大蛋糕不是變大了，而是變小了。以長三角為例，無數(shù)的3D打印公司開始堅持不下去，進而走上倒閉之路。還在繼續(xù)運營的公司在發(fā)展上也陷入一種停滯的兩難境地，進入苦苦支撐的狀態(tài)。是什么導(dǎo)致了3D行業(yè)進入了目前原地停步的狀態(tài)呢？筆者研究認為，下列幾個問題是導(dǎo)致此行業(yè)發(fā)展停滯不前的主要原因：

3.1 產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的不平衡

3D打印產(chǎn)業(yè)雖然已經(jīng)歷30多年的發(fā)展，行業(yè)已初具規(guī)模，但總體來說，屬于增材制造的3D打印產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，與先進國家相比仍存在較大差距，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)體系，離實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、工程化應(yīng)還有一定距離。3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈包括材料供應(yīng)、軟件開發(fā)、設(shè)備制造、公共服務(wù)平臺等幾個環(huán)節(jié)，這幾個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，為最終用戶創(chuàng)造獨特價值，缺一不可。但目前，用于3D打印的軟件是國外產(chǎn)品，國內(nèi)在此方面的研究和開發(fā)還屬空白。用作3D打印的材料并不是很多，選擇范圍窄。對于3D打印設(shè)備本身的制造方面重視度不夠，機器外觀設(shè)計感低，技術(shù)層面無進展。產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的不平衡最終會影響及拖累整個3D打印行業(yè)的發(fā)展。

3.2 材料的局限性

3D打印只是解決了快速成型問題，而材料本身的特性則沒有突破性的解決。首先，從材料工藝上，3D打印機打印出的金屬制品致密度低，最高能達到鑄造件致密度的98%，某些情況下低于鍛造件的力學性能。其次，從材料適用范圍看，工業(yè)領(lǐng)域中能供3D打印機打印的材料較少，較為成熟的金屬材料只有鋁硅合金、鈦合金、鎳合金和不銹鋼，雖然目前有大量的新材料成功研制，但其性能如何還未確定。而在醫(yī)學領(lǐng)域中，能使用的材料僅有數(shù)種，且最終成品還未能與生物相結(jié)合，只能用于模仿，如要實現(xiàn)特定功能，還需經(jīng)過長時間的實驗與認證[5]。第三，從材料的成本來說，由于其屬于新興產(chǎn)業(yè)，對于特定的產(chǎn)品需要特殊的材料，但其原材料市場并不大，從而造成原材料的價格高昂等情況，從而提升成本價格。再者，用于FDM打印機的打印材料易受潮，需密封儲存，成型過程中和成型后也存在一定的收縮率等。這些材料上的局限性都會導(dǎo)致3D打印整個行業(yè)在發(fā)展的道路上緩步而行或停滯不前。

3.3 生產(chǎn)效率低下

3D打印在生產(chǎn)模式上與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式有較大的區(qū)別。傳統(tǒng)生產(chǎn)模式通常是“多級分工+組裝”，其調(diào)動了整個制造業(yè)體系的產(chǎn)能，從而使工序效率到達最高點。而3D打印機在長時間的作業(yè)過程中，其維護成本和維護難度遠大于傳統(tǒng)生產(chǎn)鏈的平攤成本，控制系統(tǒng)智能化水平極低，在打印過程中很多情況下需要人工干預(yù)的介入，如果不干預(yù)，將造成無法繼續(xù)打印或?qū)⑷毕萘粼诠ぜ?，這種操作上的局限性大大影響了3D打印的廣泛普及。截至目前，3D打印整個行業(yè)仍沒有進入智能化使用的時代。

3.4 FDM自身技術(shù)上的缺陷

FDM型3D打印機雖然經(jīng)過了幾十年的發(fā)展并且得到廣泛的應(yīng)用，但它仍存在很多不足之處，比如成型精度低、打印速度慢、原材料價格昂貴、維護不便、需要設(shè)計和制作支撐、對動態(tài)物體清晰度的捕捉和實現(xiàn)等，這些都是制約3D打印快速發(fā)展的路障[6]。

4 熔融沉積快速成型技術(shù)未來的發(fā)展趨勢

2013年，麥肯錫公司將3D打印列為12項顛覆性技術(shù)之一，并預(yù)測到2025年，3D打印對全球經(jīng)濟的價值貢獻將為2--6千億美元。誘人的前景及目前制約FDM快速發(fā)展的滯因決定了熔融沉積快速成型技術(shù)未來發(fā)展的的主要趨勢，即它們會朝著精密化、智能化、通用化以及便捷化四個方向發(fā)展[6]。精密化主要體現(xiàn)在3D打印的精度和質(zhì)量，使產(chǎn)品能直接面向最終客戶，而不是停留在樣品制作階段。智能化和便捷化則主要體現(xiàn)在FDM打印機的軟件編程和操作上，降低人工成本，實現(xiàn)真正的遠程操作。通用化是要求FDM打印機及整個3D行業(yè)各種型號打印機統(tǒng)一標準并建構(gòu)標準的制定機構(gòu)，使其資源在共享時能有統(tǒng)一的格式和標準可做參考。另外，F(xiàn)DM技術(shù)在工商業(yè)、航天、教育及醫(yī)療各自的領(lǐng)域里，其發(fā)展趨勢也將各有不同。工商業(yè)、建筑、航天、醫(yī)療領(lǐng)域主要集中在研究和拓展FDM所應(yīng)用的材料上，使行業(yè)自身的材料可得性更廣泛以外，讓特殊行業(yè)也能享受3D行業(yè)發(fā)展所帶來的利好。教育領(lǐng)域里，則是加大大、中、小學3D打印機的普及力度，使3D打印技術(shù)真正實用于民，不再作為尖端科技而存在。

5 結(jié)語

FDM技術(shù)發(fā)展至今，整個行業(yè)進入了一個瓶頸期。這既與國際、國內(nèi)大環(huán)境相關(guān)，也與技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈本身的局限有關(guān)。我們只有進一步平衡3D打印產(chǎn)業(yè)的整個產(chǎn)業(yè)鏈，使之協(xié)調(diào)、并頭發(fā)展，大力開發(fā)種打印技術(shù)的耗材與應(yīng)用，降低材料成本，并使3D打印同互聯(lián)網(wǎng)深度融合，促使整個行業(yè)進入智能時代，才能迎來此技術(shù)大飛躍的另一個春天。

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