【解析】史玉升：3D打印技術的工業(yè)應用及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

增材制造技術發(fā)展的時間只有30多年，其中3D打印技術作為一種重要的增材制造技術，突破了面向制造工藝的產(chǎn)品設計概念，實現(xiàn)了面向性能的產(chǎn)品設計理念。3D打印技術雖然還存在相關設計理論和方法不完善、 用于打印的耗材種類少、工業(yè)打印裝備貴、相關應用研究不足等問題，但是由于3D打印技術具有既解決了復雜零件難以整體制造的難題，又減少了機加工制造帶來的原材料和能源浪費的優(yōu)點，因而方興未艾。

  

奧巴馬早在2012年就提出3D打印技術是對 于美國制造業(yè)的一次具有戰(zhàn)略意義的重大變革，對制造業(yè)的振興起著至關重要的作用，并把這項技術 定義為“一種全新的生產(chǎn)方式”，認為它的市場前景十分明朗，對于新一次工業(yè)革命的開展起著推動 作用。2012年8月， 美國政府部門和企業(yè)一起出資，在美國俄亥俄州成立了一所專門研究3D打印 技術的創(chuàng)新研究所。美國政府對于3D打印技術的重視程度之高，由此可見一斑。

1.3D打印技術的優(yōu)勢
在材料加工和產(chǎn)品制造領域，按照是否去除材 料，可將現(xiàn)有的加工制造劃分為等材制造、減材制造和增材制造3個類型。

1．1傳統(tǒng)加工技術的局限性
3000年前，夏朝晚期出現(xiàn)了青銅鑄造工藝。作為一種等材加工工藝，經(jīng)過先人的不斷探索，至 西周時期青銅鑄造工藝發(fā)展至巔峰，出現(xiàn)了一批如 司母戊鼎、 四羊方尊、大盂鼎等舉世稱贊的青銅藝術品。隨著人類生產(chǎn)力的提高，冶鐵技術的出現(xiàn)， 鐵器得以應用，特別是鑄鐵農(nóng)具的普遍推廣，成為農(nóng)業(yè)文明時期生產(chǎn)力發(fā)展的重要標志，引起了全社會整個技術基礎的巨大變化。此外，鍛造技術作為另一種典型的等材加工技術，對于刃具、兵器的制造具有重要意義。

第一次工業(yè)革命時期，切削加工技術（車削、銑削、磨削等）作為一種減材加工技術一經(jīng)出現(xiàn)，便由于其具有加工時間短、產(chǎn)品表面粗糙度低、 精度高、便于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點，得到迅速發(fā)展和廣泛運用。 進入21世紀，工業(yè)應用對產(chǎn)品的要求越發(fā)提高，產(chǎn)品結構更為復雜，單個零件體積越來越小，同時企業(yè)需要縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、 降低研發(fā)成本，目前傳統(tǒng)的加工工藝已越來越難以滿足企業(yè)制造復雜零件和研發(fā)新品的需求。此外，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為當代制造業(yè)的發(fā)展趨勢，鑄造和鍛造過程中會產(chǎn) 生大量的廢熱， 而切削加工也會附帶產(chǎn)生大量的材料浪費，這些都不符合時代的主流。

1.2.3D打印技術的特點
3D打印技術，作為一種增材制造技術，突破了傳統(tǒng)制造業(yè)技術的4個復雜性難題，即形狀復雜性、材料復雜性、層次復雜性和功能復雜性。
1）形狀復雜性。幾乎任意復雜的形狀，只要在三維設計軟件中設計出來，就能通過3D打印技術制造出來。
2）材料復雜性。全彩色、異質、功能梯度材料的結構，均可用3D打印技術實現(xiàn)，如圖1（a）所示。
3）層次復雜性。傳統(tǒng)加工技術難以實現(xiàn)的多尺度（宏、介、微觀），如原子打印、細胞打印都可以實現(xiàn)。
4）功能復雜性。對于結構復雜的零件，3D打印技術可以實現(xiàn)整體打印成形，避免了將一個復雜零件進行分拆制造后通過焊接成形而帶來的質量增大和潛在的質量缺陷，甚至能夠取消復雜零部件的裝配。圖1（b）所示的齒輪組，通過3D打印技術整體成形，齒輪就可以轉動。

3D打印直接將虛擬的數(shù)字化實體模型轉變?yōu)楫a(chǎn)品，極大地簡化了生產(chǎn)流程，降低了研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期，使得任意復雜結構零件的生產(chǎn)成為可能， 對面向功能的產(chǎn)品設計具有重大的推進作用。

2.3D打印技術的工業(yè)應用現(xiàn)狀
3D打印技術由于其突出的技術特點，已迅速 融入到現(xiàn)代制造體系中。其既可以獨立發(fā)展，在直 接整體成形方面獨樹一幟，又能與鑄造、機加工、熱等靜壓等傳統(tǒng)制造工藝交叉融合，改造和提升傳統(tǒng)的制造業(yè)。

2．1 3D打印直接整體成形
在汽車和飛機等制造領域， 3D打印技術可以實現(xiàn)大型復雜異形關鍵零件的快速整體制造，以加速關鍵零件的開發(fā)與制造，提高其創(chuàng)新能力與水平，如通過3D打印可以直接用碳纖維復合材料整體成形汽車與飛機的外殼。在汽車制造中采用3D打印技術，汽車殼體厚度可以按需求變化，實現(xiàn)最 優(yōu)輕量化；此外3D打印可以實現(xiàn)更為復雜的汽車輪廓（無需考慮制造工藝），因而可以實現(xiàn)更好的氣動性能。

圖2所示為3D打印的汽車，整車僅50個零件（常規(guī)制造僅儀表盤就有上千個零件），減 重50%， 該車可以用37．85L燃氣，以112．65km/h的速度橫穿美國東西部。圖3所示為英國南安普 頓大學研發(fā)的世界上第一架3D打印飛機，該機翼展1．98m，最高時速可達160．93km/h，不需要任何螺絲連接，組裝簡單。波音公司使用3D打印制造的無人飛機———PhantomＲay的翼展為15．24m，機長為10．97m。

3D打印技術還可以用于直接成形復雜高性能塑料零件。美國F/A－18戰(zhàn)斗機中的管道系統(tǒng)， 波音公司的高空飛機的入口管道均采用3D打印技術直接制造而成。美國AeroMet公司使用激光3D打印技術制造的次承力結構件在F/A－18戰(zhàn)斗機上實現(xiàn)了裝機驗證。美國宇航局打印的高溫合金噴嘴，噴出燃燒溫度可達3315℃；澳大利亞莫納什大學打印的新型噴氣式航空發(fā)動機，可用于新設計概念的驗證。美國GE（通用電氣）公司，運用3D打印技術，將由20個零件組成的發(fā)動機噴嘴集成為一個零件進行打印，減重25%，增效15%，獲得85000個零件訂單，使得GE的發(fā)動機性能提升了一代。 此外， 3D打印技術可以實現(xiàn)綠色可持續(xù)化的制造。據(jù)統(tǒng)計， 48%的溫室氣體排放是由制造業(yè)造成的，而采用3D打印技術可以有效地減少溫室氣體的排放。圖4為飛機客艙的零件，其中圖4（a）為機加工，圖4（b）為3D打印成形，從表1可以看出， 3D打印所需原材料的質量只有機加工的1/8，最終產(chǎn)品質量為機加工的3/8，而能耗和溫室氣體 排放量只有機加工的1/5， 成功實現(xiàn)減材、減重。

2．23D打印與傳統(tǒng)鑄造工藝相結合 3D打印技術與傳統(tǒng)鑄造工藝相結合，加快了 航空航天等領域關鍵零件的開發(fā)與制造，實現(xiàn)了航空航天、國防等領域大型復雜異形關鍵零件的快速、低成本整體制造，提高了相關領域的創(chuàng)新能力與水平。

坦克上的渦輪盤，過去采用熔模鑄造的方式進行加工，即首先用模具制造出蠟模，然后再配合鑄造工藝進行鑄造。3D打印技術出現(xiàn)后，可以直接打印出蠟模，節(jié)約了相關模具制造的時間和費用。圖5所示為某大型運輸機的鈦合金航空發(fā)動機機匣鑄造過程，該機匣直徑為1．2m，最小壁厚為3mm，由于其結構復雜，過去都采用先分開鑄造然后焊接的方法制造。而采用3D打印技術，在用CAE軟件仿真模擬后，可以整體打印出內機匣的熔模，最后整體澆鑄出來，不僅整體質量減少了20%，缺陷減少了90%，制造效率還比傳統(tǒng)工藝提高了6倍以上。

此外， 3D打印技術在六缸柴油發(fā)動機缸蓋整體成形以及核電泵整體快速精密鑄造等領域的應 用均取得良好的效果。

2．3 3D打印與傳統(tǒng)模具制造工藝結合

3D打印與傳統(tǒng)模具制造工藝結合，能夠提高復雜模具的冷卻效率，減少產(chǎn)品缺陷，縮短制造周期，大幅降低制造成本。傳統(tǒng)的注塑冷卻采用打直孔的方式進行冷卻，冷卻效果不理想。隨著對產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質量的要求越來越高，現(xiàn)在的注塑模通常帶有隨形冷卻流道，如圖6所示。目前，機加工 與激光選區(qū)熔化（selectivelasermelting， SLM）相結合的方式在模具和工業(yè)刀具領域得到了廣泛應用。 如在機加工的底座上，可通過SLM技術加工隨形 冷卻流道， 以達到最優(yōu)的冷卻效果（如圖7所示）。

經(jīng)實驗比較， 3D打印出的隨形冷卻模具鑲塊具有顯著的冷卻效果：冷卻周期從24s減少到7s，縮短68%以上；平均注射溫度從95℃降至68℃；溫度梯度由12℃減小到4℃（溫度梯度過大，成形的塑料制品會產(chǎn)生翹曲變形）；缺陷率由60%降至0%；制造速率提高到3件/min。

2．43D打印與傳統(tǒng)熱等靜壓工藝結合
傳統(tǒng)熱等靜壓技術（hotisostaticpressing， HIP）是一種集高溫、高壓于一體的生產(chǎn)技術，其將粉末材料放置到密閉的容器中，向制品施加各向同等的 壓力， 同時施以高溫，在高溫高壓的作用下，粉末材料得以致密化。熱等靜壓技術主要用途：

1）對粉末直接加熱加壓燒結成形；
2）對成形后的鑄件，包括鈦合金、高溫合金等需要縮松縮孔的鑄件進行致密化處理，以提高鑄件的整體力學性能。與3D打印技術結合以后，零件可以整體做出，零件性能與鍛件接近。

圖8所示為一種具有特殊要求的零件，圖中外殼部分形狀復雜，內部填充材料需要具有特 殊性能。首先使用3D打印技術制作外殼，然后在其內部裝入異質粉末材料，最后通過熱等靜壓技術 實現(xiàn)兩種不同種類材料的無縫連接成形。該技術對于航空航天領域特殊零件的制造具有重要的意義，如航天器的外殼外部由陶瓷制成，可以耐高溫，內部為金屬材料，具有高韌性，采用3D打印技術與熱等靜壓技術相結合的方法制作，可以避免對兩種材料進行粘接，且能減輕總體質量、減少缺陷。

鈦合金、鎳基高溫合金、陶瓷等材料的高性能異形復雜結構零件用傳統(tǒng)方法難以加工，而將3D打印與熱等靜壓結合起來，就可以解決上述難題。

2．5 3D打印與機加工復合
針對目前3D打印零件表面粗糙度高的問題，誕生了3D打印與傳統(tǒng)機加工技術相結合的復合成形技術。圖9所示為日本松浦金屬激光造型復合加工機LUMEXAdvance－25，通過3D打印與機加工復合的方式，零件的表面質量得到明顯改善。如果在3D打印之后進行后加工，內部孔腔的復雜結構仍然難以加工，只有邊打印邊機加工才能取得較低的表面粗糙度。圖10（a）所示為純激光3D打印加工的表面粗糙的制件，圖10（b）所示為復合成形技術加工的精細制件。

3.中國3D打印技術存在的問題
由于3D打印技術起步較晚，實際的應用過程 中， 在以下幾個方面仍然存在許多問題。

1）3D打印的設計理論與方法。
面向3D打印的設計理論與方法的缺乏主要體現(xiàn)為沒有系統(tǒng)的3D打印材料設計制備的理論與方法、 3D打印工業(yè)零部件的設計理論與方法、3D打印生物器官的設計理論與方法。目前，國際 上還沒有完備的可用于3D打印的金屬、高分子、陶瓷及其復合材料的設計制備方法，使得3D打印的耗材費用居高不下、性能不能完全滿足使用要求。在3D打印工業(yè)零部件和人體器官等方面，缺乏必要的數(shù)學模型和設計理論。

2）3D打印裝備。
3D打印裝備在實際應用中存在的主要問題：
①成形件精度和表面質量較差；
②由于3D打印的 工作模式是由點到線， 由線到面，由面到體，因而成形效率比較低；
③雖然民用的3D打印機比較便 宜，但是工業(yè)3D打印裝備的價格較高；
④3D打印裝備的穩(wěn)定性較差，造成零件性能的可重復性差，在不同時間和環(huán)境下，制造的零件性能沒有可重復性；
⑤目前各類國產(chǎn)激光器及其光學系統(tǒng)的性能遠遠落后于國外產(chǎn)品，主要元器件仍依賴進口。

3）3D打印材料。
我國3D打印技術起步時重視打印裝備的研發(fā)，因此國產(chǎn)3D打印裝備已接近或達到國際先進水平。但對相關打印材料的研究重視不夠，目前正 面臨“巧婦難為無米之炊”的尷尬境地。打印材料已成為限制3D打印技術發(fā)展的主要瓶頸。打印材料存在的主要問題是：
①品種少，種類與現(xiàn)實世界中的材料相距甚遠；
②價格貴，極大限制3D打印技術的普及與推廣；
③性能低，制件大多數(shù)無法直接用作功能零件。

4）3D打印應用。
3D打印在實際應用過程中，以下幾個方面還需進行大量研究：
①3D打印零部件的力學性能；
②3D打印零部件的斷裂韌性；
③3D打印零部件的疲勞性能；
④3D打印零部件的裂紋擴展速率；
⑤3D打印零部件的高溫持久性能；
⑥3D打印零部件的微觀組織結構；
⑦標準體系。

4 中國3D打印技術產(chǎn)業(yè)化建議
4．1 指導思想完善
3D打印想要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，必須要堅持多元化 發(fā)展、 協(xié)同發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展的理念。

1）堅持多元發(fā)展。發(fā)展不同類型的3D打印工藝，實現(xiàn)技術手段多元化；開發(fā)應用市場，豐富產(chǎn)品類型，實現(xiàn)服務范圍多元化；開拓應用領域，實現(xiàn)市場類型多元化。
2）堅持協(xié)同發(fā)展。企業(yè)與高校、院、所協(xié)調發(fā)展；3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中企業(yè)之間協(xié)調發(fā)展；3D打印企業(yè)與用戶企業(yè)協(xié)調發(fā)展。
3）堅持創(chuàng)新發(fā)展。加強技術創(chuàng)新，攻破重點關鍵技術；加強商業(yè)模式創(chuàng)新，推動現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)規(guī)模發(fā)展；加強應用服務創(chuàng)新，挖掘潛在市場 需求。

4．2關鍵技術突破
1）著力發(fā)展?jié)撛趹�用市場，推進應用服務發(fā)展。打造服務平臺，為3D打印產(chǎn)業(yè)提供設計、技術支持、金融、設備、產(chǎn)品交易等公共信息服務；打 造應用示范平臺， 針對航空航天、汽車、生物醫(yī)療等重點領域開展應用示范，對重點企業(yè)進行推介；打 造體驗中心，建立生物用品、工業(yè)用品、3D教育體驗館，提高公眾認知度；打造孵化基地，重點推進市 場前景良好、具備成熟產(chǎn)業(yè)化基礎的重點領域。相應平臺如圖11所示，可以為3D打印應用服務提供支撐。

2）重點突破關鍵技術工藝，提高產(chǎn)業(yè)核心競爭力。圍繞3D打印材料的標準化和規(guī)模化生產(chǎn)開展研究， 重點進行高端打印材料及配套生產(chǎn)設備的研發(fā)，解決材料種類少、性能不能滿足使用要求的問題，如圖12所示。提升現(xiàn)有不同3D打印工 藝裝備的水平，包括SLA、FDM、SLS、SLM、LENS、3DP等目前主流的幾種打印工藝。主要的措施為在現(xiàn)有基礎上，提升設備的生產(chǎn)效率、制造精度，降 低制造成本，實現(xiàn)關鍵零部件（激光器、振鏡、噴頭等）的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，打破國外技術壟斷，提高設備的競爭力。一方面提升現(xiàn)有工藝的效率、穩(wěn)定性；另一方面研發(fā)針對特種金屬、高分子、陶瓷等材料的新型打印工藝。同時大力推進3D打印與傳統(tǒng)制造技術的結合，改造和提升傳統(tǒng)制造業(yè)。

3）構建全流程的工藝規(guī)范和技術標準，提升整體產(chǎn)業(yè)鏈水平。構建裝備、數(shù)據(jù)處理、材料、產(chǎn)品 服務的整體產(chǎn)業(yè)鏈， 如圖13所示。

4．3 政策建議

鑒于3D打印技術存在的問題，提出如下7點建議：
1）頂層設計，統(tǒng)籌規(guī)劃。科學規(guī)劃，正確引領，在國家自然科學基金中重點安排，統(tǒng)籌發(fā)展3D打印技術的基礎研究。結合我國各省市產(chǎn)業(yè)特色和3D打印基礎，形成多個不同特色的3D打印技術產(chǎn)業(yè)中心，互為補充，輻射帶動周邊地區(qū)3D打印技術應用和服務產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2）設立專項，工程推進。設立專項，開展3D 打印技術相關軟件、工藝、材料、裝備、應用、標準及 產(chǎn)業(yè)化的系統(tǒng)性整體性攻關，推進建設3D打印技術與其他先進制造技術融合的新型數(shù)字化制造體系。

3）重大需求牽引，重點工程互動。面向航空航天、 汽車、生物醫(yī)療、電子、文化創(chuàng)意等國家重大需求領域，密切與重大工程的聯(lián)動，促進3D打印整體產(chǎn)業(yè)鏈的快速形成與發(fā)展。

4）加強支撐體系建設。加強標準規(guī)范建設，支持標準化組織聯(lián)合行業(yè)協(xié)會、相關工業(yè)企業(yè)等制定材料、元器件、工藝等共性基礎技術標準規(guī)范；加強人才培訓機構和專業(yè)化服務機構的資質認證，規(guī)范培訓和服務市場。

5）加大資金扶持力度，拓展多種融資渠道。 堅持以企業(yè)為主導，政府支持推動發(fā)展的原則，加強相關產(chǎn)業(yè)的資金支持。引導金融機構支持3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，支持3D打印產(chǎn)業(yè)的融資，引導社會資金參與3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

6）鼓勵和扶持新型的產(chǎn)業(yè)模式，鼓勵創(chuàng)新發(fā) 展模式， 形成創(chuàng)新鏈。

7）推行3D打印企業(yè)稅收減免等優(yōu)惠政策，促 使企業(yè)把減免的稅收投入到創(chuàng)新研究中。實行給首臺套使用企業(yè)的補貼政策。在各類院校中設立與3D打印相關的課程或專業(yè)，培養(yǎng)各類3D人才。

編輯：南極熊
作者：史玉升