3D打印技术的发展分析- 大数跨境

乡约海丝

2016-01-20

导读：泉州市微网网络科技有限公司360手信系统微营销立体方案：手机网站+微信公众平台+微信打印机+云路由器+触屏软

　　英国《经济学人》杂志曾在2012年4月发表封面故事《第三次工业革命》，该文在论述数字技术带来的变革时，特别提到3D打印技术由于对传统工业制造规模效应的冲击将获得无比广阔的应用前景。毫无疑问，3D打印作为第三次工业革命的重要标志之一，已经在世界制造业产生了重大反响。3D打印技术发展的状况和方向如何? 各国对其发展的态度如何？本文将从几个方面对3D打印技术的发展状况及发展方向进行论述。

一、3D打印技术简介

　　3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术（增材制造），与传统的去除材料加工技术（减材制造）不同，因此又称为添加制造（Additive Manufacturing，AM）。作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。

　　根据美国材料与试验协会（ASTM）2009年成立的添加制造技术子委员会F42公布的定义：3D打印（或称为“添加制造”）技术是“一种与传统的材料去除加工方法相反的，基于三维数字模型的，通常采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺。其同义词包括添加成型、添加工艺、添加技术、添加分层制造、分层制造，以及无模成型”。根据2012年最新版美国材料与试验协会（ASTM）添加制造技术子委员会F42制定的标准——添加制造技术标准术语中，添加制造技术的工艺分为光聚合技术、材料喷射、粘结剂喷射、材料超充、粉末床融合、片层叠和定向能量沉积等7类。

二、3D打印技术类型

　　目前，根据打印所用材料及生成片层方式的不同，实现方法有以下几种：①熔化或软化材料产生层，如选择性激光烧结（SLS）和熔融沉积成型（FDM）技术；②液体材料加工方法，如光固化成型（SLA）；③层压板制造（LOM），它是将纸、聚合物、金属等材料薄层被剪裁成一定形状并粘接在一起。这些3D打印技术由不同公司研发倡导，主要区别在于打印速度、成本、可选择材料和色彩能力等方面，详见表1。

1. FDM

　　FDM技术是由Stratasys公司于20世纪80年代中后期发明的一种快速成型技术。FDM成型设备采用成卷的塑料丝或金属丝作为材料，工作时将材料供应给挤压喷嘴，喷嘴加热融化材料，并在计算机辅助制造软件的控制以及步进电机或伺服电机的驱动下，沿着水平和垂直方向移动打印，热塑性材料被从喷嘴中挤出，形成层并迅速硬化；打印完成后，拿掉固定在零件或模型外部的支撑材料即可。目前，FDM技术可以打印的材料包括ABS、聚碳酸酯、PLA、聚苯矾等。

　　与其他的3D打印技术相比，FDM是唯一使用工业级热塑材料作为成型材料的积层制造方法，打印出的物件具有可耐受高热、腐蚀性化学物质、抗菌和强烈的机械应力等特性，被用于制造概念模型、功能模型，甚至直接制造零部件和生产工具。FDM技术被Stratasys公司的Dimnsion、uPrint和Fortus全线产品以及惠普大幅面打印机作为核心技术所采用。

　　2012年3月，Stratasys公司发布的超大型快速成型系统Fortus 900mc，代表了当今FDM技术的最高成型精度、成型尺寸和产能，成型尺寸高达914.4mm×696mm×914.4mm，打印误差为每毫米增加0.0015～0.089mm，打印层厚度最小仅为0.178mm，被用于打印真正的产品级零部件。

２

粒状物料成型技术

（1）激光烧结

　　激光烧结是在粒状层中选择性地融化打印材料，通常采用激光来烧结材料并形成固体。在这种方法中，未融化的材料作为生成物件的支撑薄壁，从而减少了对其他支撑材料的需求。激光烧结技术主要包括2种类型：一种是SLS技术，主要采用金属和聚合物作为打印材料，具体包括尼龙、添加玻璃纤维的尼龙、刚性玻璃纤维、聚醚铜、聚苯乙烯、尼龙及铝粉等混合材料、尼龙及碳纤维的混合材料、人造橡胶等，3D Systems公司的sPro系列3D打印机就是采取SLS技术；另一种是直接金属激光烧结（DMLS）技术，已经实现可打印几乎任何金属合金，具有代表性的设备是德国EOS公司的直接金属激光烧结设备。

（2）EBM

　　EBM是一种金属部件的积层制造技术，可打印钛合金等材料。EBM是通过高真空环境下的电子束将融化的金属粉末层层叠加，与直接金属激光烧结技术低于熔点的生产环境有所不同，电子束熔炼技术生产出的物件密度高、无空隙且非常坚固。采用电子束熔炼技术的代表设备为瑞典ARCAM公司的EBM系统。

（3）PP

　　使用PP技术的3D打印机每次喷一层石膏或者树脂粉末，并通过横截面进行粘合。打印机不断重复该过程，直到打印完每一层。此技术允许打印全色彩原型和弹性部件，将蜡状物、热固性树脂和塑料加入粉末一起打印，还可以增加强度。采用此打印技术的代表设备为3D Systems公司的Z Pringter系列3D打印机。

３

光聚合成型技术

（1）SLA

　　SLA的主要实现途径是用于生产固件部件的光固化成型技术。SLA技术最早由美国3D Systems公司成功实现商业化，其生产的Projet系列和iPro系列3D打印设备均采用了SLA技术。该技术由于具有成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度高以及能够实现比较精细的成型尺寸等特点，因而成为广泛应用的快速成型工艺方法。但SLA系统的缺点是对液态光敏聚合物进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻，同时，成型件多为树脂类，强度、刚度和耐热性有限，不利于长期保存。

　　Objet公司的PolyJet系统是一种喷头打印技术，目前已实现以16～30μm的超薄层喷射光敏聚合物材料，并层层构建到托盘上，直至部件制作完成。每一层光敏聚合物在喷射时即采用紫外线光固化，打印出的物件即为完全凝固的模型，无需后固化。被设计用来支撑复杂几何形状的凝胶体支撑材料，通过手剥和水洗即可除去。

（2）DLP

　　在DLP技术中，大桶的物体聚合物被暴露在数字光处理投影机的安全灯环境下，暴露的液体聚合物快速变硬，然后设备的构建盘以较小的增量向下移动，液体聚合物再次暴露在光线下。这个过程不断重复，直到模型建成。最后排除桶中的液体聚合物，留下实体模型。采用DLP技术的代表设备是德国EnvisionTec公司的Ultra 3D打印数字光处理快速成型系统。

三、世界各国对3D打印技术的支持情况

美国

　　美国是世界上3D打印技术最先进的国家。2012年8月,美国总统奥巴马拨款3 000万美元，在俄亥俄州建立了国家级3D打印添加剂工业研究中心，并计划累计投入5亿美元资金用于3D打印技术，以确保美国制造业不再继续转移到中国和印度。2013年2月18日，奥巴马再次在国情咨文演讲中强调了3D打印技术的重要性，并指出：“制造业在经历了10多年就业人数不断减少之后，过去3年就业人数增加了50万。现在我们所能做的就是庆祝这一发展趋势。2012年，我们在俄亥俄州的扬斯敦成立了首个制造创新中心。一间曾经关闭的仓库现在成了一流的实验室，许多新人在这里研发3D打印技术，3D打印有可能颠覆我们几乎所有产品的生产方式。”奥巴马还宣布再成立3个这样的制造中心，美国本土企业将与美国国防部和能源部合作，目标是把在全球化上落后的地区转变成全球高科技中心。

　　除了奥巴马提到的由联邦政府资助、在俄亥俄州的扬斯敦建立起来的制造创新中心以外，美国的多所高校也开始研究这项技术。弗吉尼亚大学一直在通过一些项目来推广3D打印机产品，在夏洛茨维尔市弗吉尼亚大学对从幼儿园到12年级的各个年龄的学生推广该技术，并希望学生能够具备未来制造业技术的相关知识。

　　美国国防部先进研究项目局(DARPA)发布的项目中包括许多与3D打印相关的内容:

①新一代自适应交通工具创造项目（The new AVM），该项目主要内容就包含：创造能够实现快速设计、快速重组制造能力的“铸造车间”以支持多样化、系列化军用交通工具的制造。

　　②科技商店计划（The new AVM子计划）：投资350万美元增开2家科技商店（一种会员制的创客空间，每月交纳125美元，你就可以获得帮助你实现创意的工具、设备、课程，更重要的是这里的会员都富有创造性，而且非常讲究分享、协作），如此一来，国防部的科技商店达到了7家。

　　③MENTOR计划（The new AVM子计划）：2012年为20所高中提供3D打印机、开源硬件等；2013-2015年，为1 000所高中提供3D打印机、开源硬件等，让这些学生在高中就得以参与协同设计，分享物理与数字车间的制造经验。

２

欧盟

　　欧盟地区研究人员和企业领导者也将3D打印制造技术视作一种重要的新兴技术。与美国相比，欧盟区域内单个国家的实力不强，但欧洲的大学、企业和政府实体之间建立了众多技术联盟。许多大型合作计划得到了数百万美元的资助，包括“大型航空航天部件快速生产计划”（RAPOLAC），面向大规模客户定制和药品生产的“自定制”（Custom Fit）计划等。

３

中国

（1）国家层面

　　中国已经从战略高度着手3D打印技术的布局，在《国家高技术研究发展计划（“863”计划）、国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》（以下简称“《指南》”）中高端装备及关键技术项目明确将3D打印关键技术、装备研制列为重大支持方向，要求聚焦航空航天、模具领域的需求，突破3D打印制造技术中的核心关键技术，研制重点装备产品，并在相关领域开展验证，初步具备开展全面推广应用的技术、装备和产业化条件。《指南》明确了面向航空航天大型零件激光熔化成型装备研制及应用、面向复杂零部件模具制造的大型激光烧结成型装备研制及应用、面向材料结构一体化复杂零部件高温高压扩散连接设备研制与应用、基于3D打印制造技术的家电行业个性化定制关键技术研究及应用示范等4个支持方向。

（2）地方政府层面

　　许多地方政府也开始布局与3D打印相关的产业。广东省东莞市《2013年政府工作报告》中提出，扶持3D打印产业等战略性新兴产业发展。东莞市经济和信息化局开展了关于3D打印技术应用及产业化的专题调研，深入了解相关技术应用及产业发展趋势，稳步推进东莞市3D打印产业发展，在此基础上，通过3D打印技术改造和提升传统产业，打造东莞3D打印产业的应用平台，从而形成一条完整的3D打印产业链。

　　从天津市科学技术委员会获悉，目前天津市已有数百家企业在产品设计、模型开发中应用3D打印技术，在三维信息获取、高功率固态激光器、超精密机构、智能控制技术等交叉学科领域，具有较强的研发实力。在天津市滨海工业设计园，富士通、天津汽车、长安汽车等数百家企业应用了3D打印技术，其中大多数都是科技型中小企业。

　　上海浦东新区科技协会党组副书记、专职副主席丁海涛在接受人民网记者采访时说：“在3D打印产业链上，目前国内西安、北京等地的高校掌握前端先进技术，南京、武汉等地集聚中端设备制造企业，而浦东则拥有后端最广阔的应用服务市场，具备最有利的区位竞争优势。”他认为，浦东可结合产业基础，围绕3D打印产业链重点环节（如原材料研发、精密制造等），加快布局相关产业发展要素；另一方面，紧扣浦东产业转型的主题，加快推动3D打印相关技术的应用，争取在部分先进制造业、研发服务业（2.5产业）及设计创意产业等领域，形成竞争优势，将3D打印产业作为推动转型的有力抓手。

（3）企业层面

　　国内的众多企业也越来越多地重视3D打印技术。2013年第6届全国3D大赛以“中国梦”为主题，在工业与工程设计大赛、数字表现设计大赛、数字建筑BIM设计大赛、企业命题大赛4大传统赛项的基础上，增设了海尔智慧生活奖和微电影大赛、网络创意营销大赛、3D创新创业大赛3大方向，30多项竞赛项目，覆盖3D应用各个领域和方向，鼓励多元应用、跨界融合。海尔集团董事局主席、首席执行官张瑞敏表示：针对家电行业个性化定制的迫切需求，结合以3D打印制造技术为核心的数字制造技术带来的制造变革，海尔集团在全国3D大赛“海尔智慧生活奖”中专设3D打印大赛，旨在通过彰显个性的3D打印创意家电或3D打印创意家居装饰或生活用品，推动第三次产业革命前沿技术快速发展，使人们的居住生活变得更加美好。

　　综上所述，不论是从国家宏观战略布局出发，亦或是从地方区域经济发展转型出发，还是从大企业战略升级需求的角度出发，3D打印技术普遍被认为是推动或引领产业升级转型的抓手。

3D打印技术发展建议

　　3D 打印关键技术主要掌握在美国、日本及欧洲国家手中，特别是美国技术处于相对成熟期，相应的技术已经开始市场化，已经基本形成产业链。而国内的技术尚没有形成完整产业，只有部分高校和科研机构开展了相关研究，尚不能形成产业，核心技术的研制和保护尚需要完整策略，需要加大产学研合作，加大扶植重点企业的研发。

　　3D Systems公司和Z Corporation公司的3D 打印技术应用研究最成熟，也是市场的领先者，主要技术优势是彩色三维打印的实现以及拥有的熔融材料高分辨选择性逐层喷射的关键技术。上述2家公司在华申请的专利技术主要集中在打印设备、成型方法、成型制品领域。中国在激光直接加工金属的工艺方面发展快速，3D 打印在中国具有巨大的发展机遇。目前技术研发的空白点主要体现在打印材料、成型技术创新和产业应用等方面。具体而言，包括更为多样的3D 打印材料，如生物活性材料、传感器及晶体管材料；打印成型新工艺，如并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印；设计和生产控制软件的集成化，实现远程在线制造的新工艺等。产业应用表现在拓展3D 打印技术在生物医学、食品、服装等更多行业领域的创造性应用，不断扩展其专利技术的深度及广度。

　　3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战，主要包含4个方面的内容。一是成本方面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难；二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全性也存在一定隐患；三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度还不尽如人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突；四是产业环境方面，3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。

　　从中长期来看，3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估。因此，现阶段产业界对3D 打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进为主，尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据优势地位。

作者：江洪1　康学萍1、2

1. 中国科学院武汉文献情报中心

2. 中国科学院大学

本文来源于《新材料产业》

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