全球3D打印技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)

《時(shí)代》周刊將3D打印產(chǎn)業(yè)列為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”。據(jù)Wohlers Associates預(yù)測(cè)， 2015年將達(dá)到37億美元，并預(yù)計(jì)到2020年達(dá)到52億美元。隨著技術(shù)成果的推廣和應(yīng)用，3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)勢(shì)頭。
　　從行業(yè)分布來(lái)看，用于消費(fèi)電子領(lǐng)域的打印技術(shù)仍然占主導(dǎo)地位，大約占20.3%的市場(chǎng)份額，其他主要領(lǐng)域依次是汽車（19.5%）、醫(yī)療和醫(yī)科（15.1%）、工業(yè)及商用機(jī)器（10.8%）；從區(qū)域分布來(lái)看，北美地區(qū)（40.2%）、歐洲（29.1%）、亞洲（26.3%）三大區(qū)域占主導(dǎo)地位，其中亞洲地區(qū)主要集中于日本（38.7%）及中國(guó)（32.9%）。
　　三大技術(shù)類型支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展
　　根據(jù)所用材料及生成片層方式的區(qū)別，產(chǎn)業(yè)不斷拓展出新的3D打印技術(shù)路徑和實(shí)現(xiàn)方法。可大致歸納為擠出成型、粒狀物料成型、光聚合成型三大技術(shù)類型，每種類型又包括一種或多種技術(shù)路徑。
　　一是擠出成型。主要以熔融沉積成型（FDM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，與其他的3D打印技術(shù)相比，F(xiàn)DM是唯一使用工業(yè)級(jí)熱塑料作為成型材料的積層制造方法，打印出的物件可耐受高熱、耐受腐蝕性化學(xué)物質(zhì)、抗菌和抗強(qiáng)烈的機(jī)械應(yīng)力，被用于制造概念模型、功能原型，甚至直接制造零部件和生產(chǎn)工具。FDM技術(shù)被Stratasys公司、惠普公司作為核心技術(shù)所采用。2012年由Stratasys公司發(fā)布的超大型快速成型系統(tǒng)Fortus 900mc，代表了當(dāng)今FDM技術(shù)的最高成型精度、成型尺寸和產(chǎn)能，可被用于打印真正的產(chǎn)品級(jí)零部件。
　　二是粒狀物料成型。主要分為兩類，一類是有選擇的在顆粒層中融化打印材料，而未融化的材料則被生成物件的支撐或薄壁以減少對(duì)其他支撐材料的需求。主要包括：3D System公司的sPro系列3D打印機(jī)采用的選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)，德國(guó)EOS公司采用的可打印幾乎所有合金材質(zhì)的直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）技術(shù),瑞典ARCAM公司采用的通過(guò)高真空環(huán)境下電子束將融化的金屬粉末層層疊加的電子束熔煉（EBM）積層制造技術(shù)。
　　另一類是3D System公司的ZPrinter系列3D打印機(jī)所采用的噴頭式粉末成型打印技術(shù)。該系列打印機(jī)在噴每一層石膏或樹(shù)脂粉末的同時(shí)，都會(huì)通過(guò)橫截面進(jìn)行粘合，并重復(fù)該過(guò)程，直到打印完每一層。該技術(shù)允許打印全色彩原型和彈性部件，將蠟狀物、熱固性樹(shù)脂和塑料加入粉末一起打印還可以增加強(qiáng)度。
　　三是光聚合成型。其實(shí)現(xiàn)途徑較多，其一是由美國(guó)3D System公司開(kāi)發(fā)的用于生產(chǎn)固體部件的光固化成型（SLA）技術(shù)。該技術(shù)具有成型過(guò)程自動(dòng)化程度高、制作原型表面質(zhì)量好、尺寸精度高等特點(diǎn)，但對(duì)液態(tài)光敏聚合物進(jìn)行操作的SLA精密設(shè)備同時(shí)也要求苛刻的工作環(huán)境，且成型件多為樹(shù)脂類，強(qiáng)度、剛度、耐熱性有限，不利于長(zhǎng)時(shí)間保存。
　　其二是Objet公司的PolyJet噴頭打印機(jī)技術(shù)，噴射16-30μm超薄光敏聚合物材料層到構(gòu)建托盤(pán)上直至部件制作完成。該技術(shù)通常被用來(lái)設(shè)計(jì)支撐復(fù)雜幾何形狀的凝膠體材料，通過(guò)手剝和水洗即可去除。
　　其三是德國(guó)EnvisionTec公司的Ultra 3D打印數(shù)字光處理（DLP）快速成型系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠構(gòu)建組合型的3D部件，并使用高分辨率的數(shù)字光處理器投影儀來(lái)固化液態(tài)光聚合物，從而快速精準(zhǔn)的完成模型的制造。
　　產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍面臨著重要的技術(shù)制約
　　3D打印產(chǎn)業(yè)在蓬勃發(fā)展的過(guò)程中也面臨諸多問(wèn)題，影響和制約其快速大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的因素主要是以下三點(diǎn)：
　　一是材料的限制對(duì)3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍形成掣肘。目前3D打印耗材有限，多為石膏、塑料、可粘結(jié)的粉末顆粒、樹(shù)脂等，制造精度、復(fù)雜性、強(qiáng)度等難以達(dá)到較高要求，一般只能應(yīng)用于模型、玩具等產(chǎn)品領(lǐng)域。對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，如果液化打印則難以成型；采用粉末冶金方式，除高溫還需高壓，這些技術(shù)恐怕短期很難成熟。
　　二是價(jià)格成本的制約導(dǎo)致設(shè)備需求量難有爆發(fā)性增長(zhǎng)。當(dāng)前3D打印機(jī)價(jià)格高企，昂貴的設(shè)備只能提供有限的價(jià)值。即使3D打印機(jī)成本能夠降下來(lái)，但單個(gè)商品的制造成本依然得不到解決。使用3D打印機(jī)制造商品，其成本要遠(yuǎn)高于大型企業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)后均攤到每一件商品的成本。而后者批量生產(chǎn)也比3D打印產(chǎn)品的制造速度要快得多。
　　三是3D打印技術(shù)產(chǎn)品性能缺陷暫時(shí)無(wú)法彌補(bǔ)。3D打印不適合直接制造高精度零件，后期仍需經(jīng)過(guò)人工處理。由于3D打印是材質(zhì)一層一層堆積成形，每一層都有厚度，這決定了它的精度難以企及傳統(tǒng)制造方法。提高制造精度需不斷降低每一層的厚度，難度提高的同時(shí)，制造時(shí)間也大幅延長(zhǎng)。即便層和層之間粘結(jié)再緊密，其產(chǎn)品性能也無(wú)法和傳統(tǒng)模具整體澆鑄的零件相媲美。
　　未來(lái)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)日益明顯
　　當(dāng)前產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域正朝著以下方向發(fā)展：
　　一是規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)成為3D打印材料選取的基本保障。目前已有大量材料或混合物應(yīng)用于3D打印技術(shù)，但如何更好地理解每種材料的加工—結(jié)構(gòu)—屬性之間的關(guān)系，并發(fā)揮好它們的特性仍需大量的研究工作。此外，開(kāi)發(fā)質(zhì)量測(cè)試的程序和方法以幫助擴(kuò)展可用材料的種類也十分重要。在3D打印技術(shù)完全過(guò)渡到可提供切實(shí)可行的制造解決方案之前，需要整合研究機(jī)構(gòu)和材料制造商等多方力量來(lái)為材料提供力學(xué)性能數(shù)據(jù)的規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)。
　　二是科學(xué)化的把控機(jī)制成為實(shí)現(xiàn)工藝流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為提高機(jī)器之間的連貫性、重復(fù)性和統(tǒng)一性，需要有內(nèi)部過(guò)程監(jiān)控和閉環(huán)反饋的方法。應(yīng)認(rèn)真審查原位傳感器，以此來(lái)提供無(wú)損性評(píng)估，并使之能夠進(jìn)行早期缺陷檢測(cè)，特別是與熱能控制有關(guān)的缺陷檢測(cè)，較好的流程控制也將減少設(shè)備的故障時(shí)間。此外，要了解和預(yù)測(cè)材料性能（如表面粗糙度和疲勞性能），就需要?jiǎng)?chuàng)建預(yù)測(cè)性模型，對(duì)零部件在設(shè)計(jì)過(guò)程中的功能特性進(jìn)行預(yù)估，并調(diào)整設(shè)計(jì)以達(dá)到預(yù)期結(jié)果。
　　三是開(kāi)放性與易操作是設(shè)計(jì)工具的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。3D打印需要廣泛運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具。對(duì)于直接零部件制造，需要新工具來(lái)優(yōu)化形狀和材料性能，同時(shí)設(shè)計(jì)復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，以最大化地減少材料使用和重量。
　　對(duì)于專業(yè)市場(chǎng)，源代碼開(kāi)放式架構(gòu)控制器和可重構(gòu)設(shè)備模塊將使制造和研究更靈活；而對(duì)于非專業(yè)性市場(chǎng)，基于網(wǎng)絡(luò)的新設(shè)計(jì)工具可能允許非專業(yè)人員創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)滿足個(gè)人需求的產(chǎn)品。新的設(shè)計(jì)環(huán)境會(huì)帶動(dòng)專業(yè)設(shè)計(jì)師連同初級(jí)用戶共同開(kāi)展產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
　�。ㄗ髡邌挝唬荷虾＼浛茖W(xué)研究基地——上海科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所前沿技術(shù)發(fā)展研究中心）