來(lái)源：科技日報

  [導讀] 隨著(zhù)技術(shù)成果的推廣和應用， 3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現出快速增長(cháng)勢頭。

  《時(shí)代》周刊將3D打印產(chǎn)業(yè)列為“美國十大增長(cháng)最快的工業(yè)”。據Wohlers Associates預測， 2015年將達到37億美元，并預計到2020年達到52億美元。隨著(zhù)技術(shù)成果的推廣和應用，3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現出快速增長(cháng)勢頭。

  從行業(yè)分布來(lái)看，用于消費電子領(lǐng)域的打印技術(shù)仍然占主導地位，大約占20.3%的市場(chǎng)份額，其他主要領(lǐng)域依次是汽車(chē)（19.5%）、醫療和醫科（15.1%）、工業(yè)及商用機器（10.8%）；從區域分布來(lái)看，北美地區（40.2%）、歐洲（29.1%）、亞洲（26.3%）三大區域占主導地位，其中亞洲地區主要集中于日本（38.7%）及中國（32.9%）。

  三大技術(shù)類(lèi)型支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展

  根據所用材料及生成片層方式的區別，產(chǎn)業(yè)不斷拓展出新的3D打印技術(shù)路徑和實(shí)現方法?？纱笾職w納為擠出成型、粒狀物料成型、光聚合成型三大技術(shù)類(lèi)型，每種類(lèi)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，與其他的3D打印技術(shù)相比，FDM是唯一使用工業(yè)級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)、抗菌和抗強烈的機械應力，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Fortus 900mc，代表了當今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)品級零部件。

  二是粒狀物料成型。主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)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打印機采用的選擇性激光燒結（SLS）技術(shù)，德國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（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(lèi)是3D System公司的ZPrinter系列3D打印機所采用的噴頭式粉末成型打印技術(shù)。該系列打印機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度。

  三是光聚合成型。其實(shí)現途徑較多，其一是由美國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)，但對液態(tài)光敏聚合物進(jìn)行操作的SLA精密設備同時(shí)也要求苛刻的工作環(huán)境，且成型件多為樹(shù)脂類(lèi)，強度、剛度、耐熱性有限，不利于長(cháng)時(shí)間保存。

  其二是Objet公司的PolyJet噴頭打印機技術(shù)，噴射16-30μm超薄光敏聚合物材料層到構建托盤(pán)上直至部件制作完成。該技術(shù)通常被用來(lái)設計支撐復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EnvisionTec公司的Ultra 3D打印數字光處理（DLP）快速成型系統。該系統能夠構建組合型的3D部件，并使用高分辨率的數字光處理器投影儀來(lái)固化液態(tài)光聚合物，從而快速精準的完成模型的制造。

  產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍面臨著(zhù)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3D打印技術(shù)應用范圍形成掣肘。目前3D打印耗材有限，多為石膏、塑料、可粘結的粉末顆粒、樹(shù)脂等，制造精度、復雜性、強度等難以達到較高要求，一般只能應用于模型、玩具等產(chǎn)品領(lǐng)域。對于金屬材料來(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)格成本的制約導致設備需求量難有爆發(fā)性增長(cháng)。當前3D打印機價(jià)格高企，昂貴的設備只能提供有限的價(jià)值。即使3D打印機成本能夠降下來(lái)，但單個(gè)商品的制造成本依然得不到解決。使用3D打印機制造商品，其成本要遠高于大型企業(yè)規?；a(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。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(cháng)。即便層和層之間粘結再緊密，其產(chǎn)品性能也無(wú)法和傳統模具整體澆鑄的零件相媲美。

  未來(lái)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢日益明顯

  當前產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域正朝著(zhù)以下方向發(fā)展：

  一是規范性標準成為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用于3D打印技術(shù)，但如何更好地理解每種材料的加工—結構—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)量測試的程序和方法以幫助擴展可用材料的種類(lèi)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，需要整合研究機構和材料制造商等多方力量來(lái)為材料提供力學(xué)性能數據的規范性標準。

  二是科學(xué)化的把控機制成為實(shí)現工藝流程的關(guān)鍵環(huán)節。為提高機器之間的連貫性、重復性和統一性，需要有內部過(guò)程監控和閉環(huán)反饋的方法。應認真審查原位傳感器，以此來(lái)提供無(wú)損性評估，并使之能夠進(jìn)行早期缺陷檢測，特別是與熱能控制有關(guān)的缺陷檢測，較好的流程控制也將減少設備的故障時(shí)間。此外，要了解和預測材料性能（如表面粗糙度和疲勞性能），就需要創(chuàng )建預測性模型，對零部件在設計過(guò)程中的功能特性進(jìn)行預估，并調整設計以達到預期結果。

  三是開(kāi)放性與易操作是設計工具的重要評價(jià)標準。3D打印需要廣泛運用計算機輔助設計工具。對于直接零部件制造，需要新工具來(lái)優(yōu)化形狀和材料性能，同時(shí)設計復雜的點(diǎn)陣結構，以最大化地減少材料使用和重量。

  對于專(zhuān)業(yè)市場(chǎng)，源代碼開(kāi)放式架構控制器和可重構設備模塊將使制造和研究更靈活；而對于非專(zhuān)業(yè)性市場(chǎng)，基于網(wǎng)絡(luò )的新設計工具可能允許非專(zhuān)業(yè)人員創(chuàng )造性地設計滿(mǎn)足個(gè)人需求的產(chǎn)品。新的設計環(huán)境會(huì )帶動(dòng)專(zhuān)業(yè)設計師連同初級用戶(hù)共同開(kāi)展產(chǎn)品設計。

（殷媛媛 作者單位：上海軟科學(xué)研究基地——上?？茖W(xué)技術(shù)情報研究所前沿技術(shù)發(fā)展研究中心）