科技支撐3D打印技術發展創新引領制造產業市場未來

文 朱則剛

科技支撐3D打印技術發展創新引領制造產業市場未來

文 朱則剛

如今，3D打印技術讓全球愈來愈多的人著迷，因為3D打印技術的確能使人聯想到未來徹底改變我們生活的可能。3D打印已在世界各地開花結果，并成為全球性研發競爭的焦點。在世界各地的家庭、辦公室和工廠車間，3D打印革命才剛剛開始，即以從容不迫的腳步設計生產著尺度相對較小的打印產品與設備。當下發展中國家的勞動力成本正逐年上升，要在新一輪競爭中勝出，得靠技術創新優勢，3D打印正處行業創新活躍期，我國應將加強頂層設計和統籌規劃，并組織制定3D打印發展路線圖和中長期發展戰略，值得相關部門的關注。

3D打印技術的路徑和實現方法

3D打印是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印通常是采用數字技術材料打印機來實現的。軟件通過電腦輔助設計技術（CAD）完成一系列數字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機上，后者會將連續的薄型層面堆疊起來，直到一個固態物體成型。

3D打印又稱增材制造技術、激光堆積型技術或激光快速成型技術。通過3D打印機，采用計算機輔助設計、遠程數據傳輸、激光掃描、材料熔融等一系列技術，以分層加工、迭加成形的方式逐層增加材料來生成3D真實物體。3D打印機所使用的材料，自然不是紙或墨水，而是一些可以發生固化反應的材料，現在可以作為原材料的東西已經多種多樣，包括樹脂、塑料、陶瓷、金屬等。3D打印技術最突出的優點是無需機械加工或模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的物體，從而極大地縮短產品的研制周期。

3D打印機與傳統打印機最大的區別在于它使用的“墨水”是實實在在的原材料。目前，從珠寶、鞋類、工業設計到建筑、工程施工、汽車、航空航天，從醫療產業、教育到地理信息系統、土木工程以及其他領域，3D打印離老百姓的日常生活越來越近。根據所用材料及生成片層方式的區別，產業不斷拓展出新的3D打印技術路徑和實現方法。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類型，每種類型又包括一種或多種技術路徑。

擠出成型主要以熔融沉積成型（FDM）技術實現，與其他的3D打印技術相比，FDM是唯一使用工業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、耐受腐蝕性化學物質、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工具。FDM技術被Stratasys公司、惠普公司作為核心技術所采用。2012年由Stratasys公司發布的超大型快速成型系統Fortus 900mc，代表了當今FDM技術的最高成型精度、成型尺寸和產能，可被用于打印真正的產品級零部件。

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（SLS）技術、德國EOS公司采用的可打印幾乎所有合金材質的直接金屬激光燒結（DMLS）技術、瑞典ARCAM公司采用的通過高真空環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。另一類是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。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，并重復該過程，直到打印完每一層。該技術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。

光聚合成型其實現途徑較多，由美國3 D System公司開發的用于生產固體部件的光固化成型（SLA）技術。該技術具有成型過程自動化程度高、制作原型表面質量好、尺寸精度高等特點，但對液態光敏聚合物進行操作的SLA精密設備同時也要求苛刻的工作環境，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。Objet公司的PolyJet噴頭打印機技術，噴射16-30μm超薄光敏聚合物材料層到構建托盤上直至部件制作完成。該技術通常被用來設計支撐復雜幾何形狀的凝膠體材料，通過手剝和水洗即可去除。德國EnvisionTec公司的Ultra 3D打印數字光處理快速成型系統。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固化液態光聚合物，從而快速精準的完成模型的制造。

3D打印打開第三次工業革命大門，它的蓬勃發展會使中國制造業遇到機遇與挑戰。據悉，我國從上世紀90年代起開始研發3D打印技術，目前包括西安交通大學、華中科技大學、清華大學、北京航空航天大學等高校在這一技術領域已取得了不俗成績，基本與西方發達國家處于同一水平，研發出光固化、金屬熔敷、陶瓷成形、激光燒結、金屬燒結、生物制造等類型的3D打印裝備和材料。從科研機構投入3D打印技術的研究，到民間資本進入到該領域，伴隨著科技進步，3D打印將逐步從專業領域走入民眾日常生活，產業化步伐將加快。

新一代信息技術的發展特別是廣泛應用，必將成為新一輪產業革命孕育發展的重要動力。第三次工業革命不能理解為僅僅有3D打印、計算機模擬或者信息化等個別新制造技術和設備的出現和應用，可以說，這幾方面的變革都有，但是它實質上是一個內涵豐富、多層次，已經發生突破，但仍處于演進中的整個工業系統變革。世界政經格局深度調整和新一輪科技革命為中國創造了新機遇。這是一場爭奪未來的競爭，每一個國家都想搶占先機。對于中國來說，第三次工業革命是不可多得的歷史機遇。前兩次工業革命中國都落后于世界，而面對新一輪工業革命之機，作為后發國家的中國，應充分利用好全球科技創新資源，在更高起點上實現趕超和跨越。“創新驅動”是新興產業發展的“靈魂”。當下，發展中國家的勞動力成本正逐年上升，要在新一輪競爭中勝出，得靠技術創新優勢。3D打印技術確實帶有一種變革性，短流程、低成本、數字化、高性能的裝備構建制造一體化技術，對于高性能難加工構建技術是一場革命。從目前來看，3D打印和傳統制造都有各自的優勢，兩者不可互相取代，在今后很長一段時間內，3D打印與傳統制造工藝將不可分割地共存。

3D打印技術應用及現狀

3D打印技術是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品。與傳統制造業通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產成品不同，3D打印將三維實體變為若干個二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產，大大降低了制造的復雜度。這種數字化制造模式不需要復雜的工藝、不需要龐大的機床、不需要眾多的人力，直接從計算機圖形數據中便可生成任何形狀的零件，使生產制造得以向更廣的生產人群范圍延伸。

最初3D打印技術的主要應用是原型制造，將設計三維模型轉化為實物，進行設計結構的驗證，這種3D打印零件屬于非功能性的模型，使用的材料主要是紙張、塑料和膠水；隨著3D打印技術的成熟，近幾年國內外很多機構開始嘗試直接打印零件，即3D打印帶有功能性的實物零件，使用的材料包括金屬、高分子和陶瓷材料等。從技術難度上分析，功能性的實物制造比模型制造更難，一方面因為實物制造增加了對內部缺陷的要求；另一方面因為金屬等材料的成型溫度更高（熔化溫度比塑料高約10倍），耐高溫的打印頭設計更復雜，而且凝固時產生很大的內應力，容易出現開裂、變形、氣孔等現象，成型工藝比較復雜。3D打印的設計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。3D打印技術可以打印假肢、汽車、飛機的今天，它還在創造無限的可能。首先3D打印技術可以加工傳統方法難以制造的零件。過去傳統的制造方法就是一個毛坯，把不需要的地方切除掉，是多維加工的，或者采用模具，把金屬和塑料融化灌進去得到這樣的零件，這樣對復雜的零部件來說加工起來非常困難。立體打印技術對于復雜零部件而言具有極大的優勢，立體打印技術可以打印非常復雜的東西。其次實現了首件的凈型成形，這樣后期輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數據泄密和時間跨度，尤其適合一些高保密性的行業，如軍工、核電領域。此外，由于制造準備和數據轉換的時間大幅減少，使得單件試制、小批量出產的周期和成本降低，特別適合新產品的開發和單件小批量零件的出產。目前大家關注的3D打印主要是具有功能性的實物制造，其中，金屬零件的3D打印是最大的熱點。

金屬零件的3D打印主要應用領域是航空、航天、軍工、模具制造及醫療領域，用于這些領域共同特點就是個性化、小批量的快速制造。相對來說，醫療行業3D打印的應用發展速度較快，而其他領域發展較緩慢，主要原因是醫療領域充分利用了3D打印個性化制造的特點，對3D打印產品的機械強度和效率等要求較低，其他領域都對打印零部件的內部質量、機械強度、成型速度、配合精度均提出高要求。從金屬3D打印實現方式分類，主要有兩種，分別是燒結式和熔覆式。據報道，采用激光燒結成型工藝的3D打印典型的國外公司包括德國的EOS、concept、SLM等公司，英國的雷尼紹公司，日本matsuura公司；中國的華中科技大學濱湖機電公司、華南理工大學；采用電子束燒結成型工藝的瑞典的ARCAM公司，中國的北京航空制造研究所（625所），這類產品主要優點是成型的精度較高，缺點是成型速度低，成型尺寸限制在300mm左右；主要應用于醫療和小型模具制造。采用激光熔覆成型工藝的3D打印典型企業包括美國POM公司和OPTOMEC公司，中國的北京航空航天大學天地激光公司、西北工業大學西安鉑利特公司、沈陽新松機器人自動化股份有限公司，電子束熔覆成型工藝3D打印典型企業包括美國的Sciaky公司、中國的北京航空制造研究所（625所）。這類產品的主要優點是冶金質量好、成型速度快、成型尺寸大，但精度較低，需后續加工，典型應用是航空高強度結構件、葉片制造、各種金屬模具的直接成型。

目前，材料供給成為3D打印技術發展的最大瓶頸。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，很多金屬材料更是依賴進口。而在材料性能、數據積累上，全世界都處于非常不足的狀態，且有關數據積累也大多集中在鈦合金等貴金屬材料上，這也在一定程度上推高了3D打印的成本，限制了該技術的普及。

如今智能制造已經成為國際新一輪的爭論熱點，具有學習和控制能力的3D打印機已經不再是天方夜譚，“機器制造機器”是制造業發展的一個必然趨勢，隨著3D打印機和智能機器人的結合，將一定程度上改變國內的制造業格局，并且將開創一種全新的商業模式。

3D打印控制方式智能化

3D打印機可以通過新的方式將原材料加以混合，新型材料就會出現。有了混合材料打印，多元結構的部件將會被同時制造、同時組裝出來。在一個較小的范圍內，我們將會以納米級的精度將多種材料嵌入和編排到復雜的微觀結構中。

雖然現在3D打印很熱，有很多企業和政府也紛紛上馬或推廣3D打印項目，但真正用3D打印做出產品的較少。這里面關鍵問題還是技術問題，打印速度和精度、打印精度和強度等相互矛盾的技術指標困擾著制造商和最終用戶，當然還有操作專業性強、原材料昂貴等問題，最終讓他們保持觀望態度。在現階段技術條件下，3D打印的智能化及復合兼容技術非常有效地解決目前存在的弊端，大幅提升3D的性能。

目前國內外大部分3D都采用盲打工藝，需總結大量的工藝數據，成型工藝非常復雜，往往每一種形狀零件、每一種材料都需要不斷的試驗，幾乎每一層都需要總結出工藝參數。而且當成型過程中出現異常時，系統無法識別，也不能自動調整，如果不去人工干預，將造成無法繼續成型或將缺陷留在工件里，必須由經驗豐富的專業技術人員操作機器隨時觀察成型狀態才能做出較合格的零件，嚴重影響了金屬3D打印的普及性。因此，3D打印機智能化非常重要，像人一樣，給3D打印機裝上眼睛是非常必要的，通過看外在物體狀態隨時調整人的姿態和行為，對于3D打印機來說，就是調整工藝參數。因此，智能識別和反饋功能將是目前快速成型系統的迫切需要解決的問題，通過較簡便的工藝參數積累，讓3D打印設備自己去判斷，智能調整即可，讓復雜的快速成型工藝變簡單，更具有實用性和推廣性。智能識別系統將提供大量成型過程的數據，希望通過實踐積累大量數據，讓3D打印機變更聰明，最終通過軟件的開發讓3D打印機具備自學習功能，這樣的思路也就確確實實是3D打印系統需要具備的特征，同時也符合了機器人的特征。

（未完待續，接下期）