解析3D打印技術(shù)以及未來發(fā)展方向

1、解析3D打印技術(shù)以及未來發(fā)展方向時代周刊將3D打印產(chǎn)業(yè)列為“美國十大增長最快的工業(yè)”。據(jù)Wohlers Associates預(yù)測，2015年將達到37億美元，并預(yù)計到2020年達到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)出快速增長勢頭。從行業(yè)分布來看，用于消費電子領(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)及商用機器(10.8%)；從區(qū)域分布來看，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 (32

2、.9%)。一、3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 徑和實現(xiàn)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 型，每種類型又包括一種或多種技術(shù)路徑。1、擠出成型。主要以熔融沉積成型(FDM)技術(shù)實現(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(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

3、 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)品級零部件。2、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(jié)(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(jié)(DMLS) 技術(shù)，瑞典ARCAM公司采用的通過高真空環(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

4、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脂粉末的同時，都會通過橫截面 進行粘合，并重復(fù)該過程，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、熱固性樹脂和塑料加入粉末一起打印還可以增加強度。3、光聚合成型。其實現(xiàn)途徑較多，其一是由美國3D System公司開發(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)具有成型過程自動化程度高、 制作原型表面質(zhì)量好、尺寸精度高等特點，但對液態(tài)光敏聚合物進行操作的SLA 精密設(shè)備同時也要求苛刻的工作環(huán)境，且成型件多為樹脂類，強度、剛度、耐熱 性有限，不利于長時間保存。OFweeK其二是Objet公司的Po

5、lyJet噴頭打印機技術(shù)，噴射16-30 m超薄光敏聚 合物材料層到構(gòu)建托盤上直至部件制作完成。該技術(shù)通常被用來設(shè)計支撐復(fù)雜幾 何形狀的凝膠體材料，通過手剝和水洗即可去除。其三是德國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 來固化液態(tài)光聚合物，從而快速精準(zhǔn)的完成模型的制造。二、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)展的過程中也面臨諸多問題，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：1、材料的限制對3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍形成掣肘。目前3。打印耗材有限，多 為石膏、塑料

6、、可粘結(jié)的粉末顆粒、樹脂等，制造精度、復(fù)雜性、強度等難以達 到較高要求，一般只能應(yīng)用于模型、玩具等產(chǎn)品領(lǐng)域。對于金屬材料來說，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。2、價格成本的制約導(dǎo)致設(shè)備需求量難有爆發(fā)性增長。當(dāng)前3D打印機價格高 企，昂貴的設(shè)備只能提供有限的價值。即使3D打印機成本能夠降下來，但單個 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(guī)?；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。3、3D打印技術(shù)產(chǎn)品性能缺陷暫時無法彌補。3D打印不適合直接制造高精度 零件，

7、后期仍需經(jīng)過人工處理。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，制造時間也大幅延長。即便層和層之間粘結(jié)再 緊密，其產(chǎn)品性能也無法和傳統(tǒng)模具整體澆鑄的零件相媲美。三、未來產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢日益明顯當(dāng)前產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域正朝著以下方向發(fā)展：1、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一結(jié)構(gòu)一屬性之間的 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也十分重要。在3D打印技術(shù)

8、完全過渡到可提供 切實可行的制造解決方案之前，需要整合研究機構(gòu)和材料制造商等多方力量來為 材料提供力學(xué)性能數(shù)據(jù)的規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)。2、科學(xué)化的把控機制成為實現(xiàn)工藝流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為提高機器之間的連貫性、重復(fù)性和統(tǒng)一性，需要有內(nèi)部過程監(jiān)控和閉環(huán)反饋的方法。應(yīng)認(rèn)真審查原 位傳感器，以此來提供無損性評估，并使之能夠進行早期缺陷檢測，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(shè)備的故障時間。此外，要了 解和預(yù)測材料性能（如表面粗糙度和疲勞性能），就需要創(chuàng)建預(yù)測性模型，對零部 件在設(shè)計過程中的功能特性進行預(yù)估，并調(diào)整設(shè)計以達到預(yù)期結(jié)果。3、開放性與易操作是設(shè)計工具的重要評價標(biāo)準(zhǔn)。3D打印需要廣泛運用計算 機輔助設(shè)計工具。對于直接零部件制造，需要新工具來優(yōu)化形狀和材料性能，同 時設(shè)計復(fù)雜的點陣結(jié)構(gòu)，