3D打印技術：催生原材料革命

文/ 王 冰

3D打印技術這種全新的制造技術正在變得無所不能。先是美國賓夕法尼亞大學宣布用改進的3D打印技術打印出了鮮肉，這種利用糖、蛋白質、脂肪、肌肉細胞等原材料打印出的肉具有和真正的肉類相似的口感和紋理。其后不久，空客公司的機艙設計師宣布將從打印飛機的小部件開始，最終在2050年左右用3D打印機打印出整架飛機。

有人說，對于彌合數字世界和物理世界之間的差距，如果說與設計文件之間的角力是一項挑戰的話，那么另一項挑戰就是將原材料變成設計者想要的形式。現在，材料的局限性成為這一挑戰最大的瓶頸。

塑料：最普及的打印材料

目前，3D打印設備主要以塑料為原料，大多數消費類3D打印機（通過打印頭沉積原材料）使用一種名為ABS的熱塑性材料。大部分SL打印機（立體光刻）使用光敏熱性固體聚合物，LS打印機使用熱塑性粉末。塑料工程師將塑料分成兩大類：熱塑性塑料和熱固性聚合物。熱塑性塑料可以加熱融化，但其內部結構并不改變，所以它們可以反復融化使用。而熱固性聚合物加熱后會固化，其內部結構發生改變，因此只能使用一次，不能融化分解為可反復使用的液體。

可將廢棄塑料變成3D打印材料的機器

此外，3D打印機還可以使用其他類型的塑料，比如軟塑料，也叫“彈性體”，就像它的名字一樣，這種橡皮筋似的材料具有多種彈性性能。這種材料有些可以從注射器中擠壓出來然后風干，比如硅樹脂。另一些柔軟有彈性的物體可以通過熔融一種熱塑性彈性體來打印，就像制造硬質塑料的過程。

雖然塑料已經成為低成本的代名詞，但是3D打印塑料卻價格不菲。事實上，塑料打印材料的成本很快會成為3D打印機運行成本中的重要部分。一位名叫泰勒·麥克楠尼（Tyler McNaney）的美國大學生，正在開發一種可將廢棄的家用塑料制品轉換成3D打印的原材料機器，足以降低3D打印的成本。據了解，這款名叫Filabot的設備，可將廢棄的材料熔化成塑料細絲，供3D打印使用并再一層層地形成物體。

通常來說，英國塑料細絲的成本為每千克50英鎊，這使得3D打印價格昂貴，尤其是在不小心打印出錯時。但現在，有了這臺新發明設備的幫助，不管是使用錯誤的打印制品還是被廣泛采用的塑料制品，3D打印的價格會變得實惠許多。

金屬：未來發展的重點

3D打印的材料多為塑料、無機粉料、光敏樹脂和石膏等，而如果真要“打印”出大多數的工業化產品，光靠這些材料是遠遠不夠的。而對于3D打印技術最重要材料之一的金屬構件，似乎已經變成3D打印的軟肋，目前的研發和生產的進度還很慢。

在3D打印技術發展的早期，有質疑者認為，這種新技術無法在“真正的”制造機器中立足。原因就是那時的3D打印機還不能制造金屬零件。然而，現在一些先進的3D打印機已經可以打印鋼、鈦甚至鎢這樣傳統制造工藝很難塑造的硬質合金。

澳大利亞Swinburne大學的金屬打印機

目前可行的幾種金屬打印方法有：一是使用多步驟工藝，即首先在金屬粉末上涂敷熱敏塑料粘合劑，并使用激光選擇性的將其融合。接下來，抖掉未熔融的粉末，將剩下的金屬部分放置于熱爐中燒掉塑料黏合劑。另一種打印技術更為直接，是通過打印頭擠出熔融金屬，或是直接用激光融化金屬粉末。

據北京隆源自動成型系統有限公司副總經理孫建明介紹，將來不銹鋼和鈦將成為重要的3D打印技術的原材料，它們可以應用的領域更加廣闊。3D打印對粉末材料的粒度分布、松裝密度、氧含量、流動性等性能的要求很高。但目前，國外廠家壟斷市場，價格昂貴，限制了3D打印行業的發展。隆源現在采用的技術是先“打印”沙模，之后通過灌注金屬材料的方法生產出實體產品，主要應用于汽車、直升機發動機等新產品試制。

其實，國內的科研機構早就開始研究金屬材料在3D打印技術中的應用。最典型、也是人們聽到最多的就是2012年10月至11月殲15試飛時，媒體大肆宣傳的其前起落架，就是使用鈦合金通過3D打印技術來制造的。

前不久，北京航空航天大學宣布其全面突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型復雜整體關鍵構件激光成形工藝、成套裝備和應用關鍵技術。據中國3D打印技術產業聯盟理事長、北京航天航空大學材料學院王華明教授介紹，他所帶領的團隊運用上述相關激光直接制造技術制造出了C919大型客機機頭工程樣件研制所需的鈦合金主風擋窗框。“大概用了不到55天，就做出來四個框，省時省錢。”

王華明指出，“高性能難加工的金屬大型復雜構件激光直接制造技術是增材制造或者說3D打印的一個重要發展方向。其具有很多優勢，比如不再需要模具。從這個意義上來說，它確實是一種數字化的帶有變革性的短流程、低成本的數字化制造技術。”

國內金屬粉末材料制造亟待突破瓶頸

有前景也有隱憂。除了相關技術亟待突破并不斷成熟之外，材料供給成為3D打印技術發展最大的瓶頸。由于3D打印技術目前總體并不成熟，產業規模并不大，所以國內生產3D打印材料的企業極少，許多金屬材料更是依賴進口。而在材料性能、數據積累上，全世界都處于非常匱乏的狀態，且有關數據積累也大多集中在鈦合金等貴金屬材料上，因此，這也在一定程度上抬高了3D打印的成本，限制了該技術的普及。

浙江省冶金研究院、浙江省釬焊材料與技術重點實驗室副主任劉平表示，國內3D打印技術的快速發展對金屬粉末材料的國產化需求尤為迫切。

目前中國多家金屬粉末企業加大了3D金屬粉末材料的研發，國內河南黃河旋風股份有限公司宣布已經開始進入3D打印金屬粉末研發。該企業擁有多套國內領先水平的霧化制粉設備，工藝涵蓋真空霧化制粉、超高壓水霧化制粉、惰性氣體緊耦合霧化制粉技術。

另外，銀邦金屬復合材料股份有限公司也被認為是可應用于3D打印的金屬粉末產品的可能制造商。公司目前也已經引進了制粉設備，主要將研發鈦金屬粉末。有分析師預測，2014年銀邦股份研發的應用于3D打印領域的金屬粉末將開始量產，2013年底將達到年產35噸規模。