3D打印的突破之道

俞凱怡

最近10年來，3D打印市場的年平均增長率超過25%，3D打印的終端用戶正在跨越航空航天、醫(yī)藥、汽車等高價值垂直行業(yè)，應(yīng)用場景更趨多元。材料是3D打印技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，決定了該技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用的深度和廣度，甚至成為實現(xiàn)3D打印規(guī)?；l(fā)展的一大挑戰(zhàn)。隨著3D打印技術(shù)的多樣性、復雜性不斷增長，適用于該領(lǐng)域的各類新材料也在隨之驟增。

愈加廣泛的材料組合

3D打印技術(shù)在實現(xiàn)材料組合的可控調(diào)節(jié)和復雜結(jié)構(gòu)的精確制造方面具有獨特優(yōu)勢，可減少原材料的浪費，且適度使用新的智能材料。中國工程院院士、西安交通大學教授盧秉恒認為這些特性使3D打印成為高端制造的利器，“在計算機控制下，把需要的材料按照設(shè)計累加到需要的地方，實現(xiàn)控形控性。3D打印技術(shù)能在可控條件下，快速將不同材料混合在一起，打印試件或零件，因此可以按照材料基因組方法，實驗與發(fā)明新合金、新復合材料，為工業(yè)應(yīng)用快速開發(fā)出更多更好的新材料，滿足高端裝備、新產(chǎn)品的多方面需求?！?/p>

盡管3D打印材料的成本是傳統(tǒng)制造類似材料的數(shù)倍乃至百倍以上，但3D打印高還原和高精度的數(shù)字化特性仍讓其深受各行各業(yè)的歡迎，3D打印市場也順勢囊括了越來越廣泛的材料組合，全球范圍內(nèi)的材料研發(fā)機構(gòu)和制造企業(yè)都在積極開發(fā)適用于3D打印的新材料，新的材料供給不斷涌現(xiàn)。

汽車產(chǎn)業(yè)是3D打印應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，各大汽車品牌都在布局研究3D打印的相關(guān)技術(shù)與材料，期望使用3D打印工藝批量生產(chǎn)一些終端零件，為消費者提供舒適、輕量化、易用的產(chǎn)品，給他們的愛車帶來更多不同的風格，一些愿景遠大的老牌車企甚至冀望于自己投資的新材料團隊與合作伙伴能夠開發(fā)出具有革命性的3D打印新材料。

3D打印材料的演進從未停止。比如光聚合物材料是3D打印技術(shù)推廣以來應(yīng)用極為廣泛的材料之一，應(yīng)用于眾多實際使用場景，可直接打印電子接插件、裝配零件、殼體、高精細工業(yè)零部件等終端應(yīng)用配件，其細分品類不斷升級。以生產(chǎn)具有優(yōu)異機械性能的零件而聞名的鈦合金粉末是當前價值最高、應(yīng)用最廣泛的3D打印金屬材料之一，其細分品類同樣眾多。另一種被廣泛使用的鋁合金亦是如此，隨著市場對具有特殊性能的鋁合金需求越來越旺盛，具備耐高溫、高強度、高韌性屬性的鋁合金是船舶、航空、航天、汽車等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的稀缺品，有新材料研發(fā)機構(gòu)據(jù)此需求推出的強度更高的、可在更高溫度下保持性能的3D打印鋁合金為客戶的產(chǎn)品升級帶來了新的可能。

只是突破永遠會在下一場。高強度、高塑性的3D打印鈦合金仍在爬坡升級，客戶卻似乎有了新的想法?？湛凸九c材料制造商正試圖以由連續(xù)纖維與熱塑性塑料構(gòu)成的3D打印復合材料支架替換原有的鈦合金產(chǎn)品，因為復合材料在性能可靠的情況下可進一步實現(xiàn)飛機的輕量化，在使用壽命期間大量減少碳排放。這里被提及的纖維增強熱塑性塑料是新興工業(yè)材料的代表作之一，擁有更多也更新的優(yōu)異特性，如高強、輕質(zhì)、導電、耐腐蝕、高吸波性等，賦予3D打印成品更高的強度和尺寸穩(wěn)定性。

讓材料與工藝更契合

3D打印技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了“風起”、“狂熱”、“退燒”和“回歸”的不同階段，雖然被公認為是生產(chǎn)復雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品、替換零件、按需制造以及大規(guī)模定制產(chǎn)品的理想選擇，然而3D打印并不是“簡單按鍵”就能搞定的技術(shù)，其作為典型的數(shù)字化制造技術(shù)，從設(shè)計到生產(chǎn)再到質(zhì)量保證的全套流程都運轉(zhuǎn)著海量數(shù)據(jù)，適用材料、生產(chǎn)參數(shù)、質(zhì)量要求等因素相互影響、依存，對其的認知永遠“在路上”，每一項要素的變化都可能帶來新增長點，材料的適用與否更是如此。

3D打印技術(shù)直接將3D設(shè)計模型轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的產(chǎn)品后，其外觀和內(nèi)在特性均有保障，“用多種不同材料打印零件，將材料分層，不同材料打印在不同層，零件就可以實現(xiàn)表面是耐磨、耐腐蝕的，里面是高強度、韌性好的，再里面就是疏松的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。如此一來，產(chǎn)品在增強剛性的同時減輕了重量。”但材料的成熟度和擴展方向一直都是3D打印領(lǐng)域發(fā)展的重要問題，為開發(fā)特定用途的新型3D打印材料，縮短發(fā)現(xiàn)這些新材料所需的時間，研究人員已經(jīng)開始使用人工智能優(yōu)化具有多種特性，如韌性和抗壓強度的新型3D打印材料。3D打印的價值鏈上有著巨大的增長機遇，據(jù)預(yù)測，一方面新材料源源產(chǎn)出，每推出一種即有新的3D打印應(yīng)用供各方探索，一方面仍在使用的3D打印機將繼續(xù)消耗原有的打印材料，由此并行、疊加，3D打印材料的全球市場規(guī)模有望在2032年增長至300億美元。

3D打印材料較好體現(xiàn)出“小而美，高精尖”的產(chǎn)品價值導向，有些產(chǎn)品甚至是“單品、單線、單獨工藝”，這有其益處也不乏弊端。西安交通大學機械工程學院特聘教授、機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室主任李滌塵這樣解讀目前市場上較為普遍的3D打印材料與設(shè)備綁定的現(xiàn)象，“材料和設(shè)備工藝的綁定，的確有封閉的一面，但是也有其存在的合理性，因為材料跟工藝密切相關(guān)。工藝是根據(jù)使用的材料做了大量的實驗形成的，如果脫離原先的材料，還用這個工藝參數(shù)去做，一旦不成功，設(shè)備廠商就可能面臨責備。實際上并非設(shè)備本身的問題，而是工藝參數(shù)和材料的作用關(guān)系導致?！?/p>

3D打印新材料的性能與產(chǎn)品契合度永遠是用戶關(guān)注的重點，各方都在期待材料和工藝的更好結(jié)合，彼此心聲趨同：“如果我們希望制造商在工業(yè)生產(chǎn)中越來越多地采用3D打印，他們需要獲得更多的功能性材料，這些材料的性能、法規(guī)、安全和質(zhì)量都與他們的應(yīng)用相匹配。這需要扎實的材料專業(yè)知識來設(shè)計材料，使其不僅在離開打印機時表現(xiàn)出所需的性能，而且隨著時間的推移，在不同的功能和環(huán)境條件下也表現(xiàn)出所需的性能?！?/p>