3D打印技術現狀及產業化分析

樊新波 王桂紅

摘 要：本文針對3D打印的設備及材料國內外技術現狀進行論述，并對其現有較成熟的成型技術進行分析，指出其發展趨勢及制約其技術發展的因素，并對如何加快3D打印技術產業化進程給出了建議。

關鍵詞：3D打印；設備；快速成型；產業化；發展瓶頸

中圖分類號： TP3 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）12-88-2

0 引言

3D打印是基于材料堆積法的一種快速成型技術，在未來的制造領域將具有舉足輕重的地位，其制造過程簡單、開發時間短、成本低、效率高、應用范圍廣等特點對提高企業產品研發實力及市場競爭力具有重要意義[1]。

1 3D打印設備及材料國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

美國3D Systems和Strategys公司是全球3D打印行業領導者，在3D打印行業占主導地位。近年來3D Systems公司通過并購和研發獲得了激光選擇性燒結，熔融堆積，多噴頭三位打印等技術，推出專業打印機ProJet35003D，ProJet7000等，該系列產品打印精度極高，其最小層厚可達16微米。Stratasys公司通過收購Solidscape和以色列公司Objet，獲得了DoD技術、Polyjet技術及其系列產品，2012年該公司發布的超大型快速成型系統Fortus 900mc，打印出直徑近1.4米的零件，支持多種材料選擇。德國EOS公司EOSM400 3D金屬打印機可直接生產產品，制作范圍達到400毫米。ExOne公司推出的M-Flex工業級3D打印機，能夠打印各種材料，打印速度達到30～60秒/層，最小層厚可達0.15毫米[2]。

3D打印材料主要分為聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料和復合材料等。Stratasys的ABS-M30比傳統ABS塑料機械性能提高了67%；德國拜耳公司的PC2605可用于防彈玻璃、宇航員頭盔面罩等異型構件打印；索爾維公司的PA材料解決了汽車輕量化問題；Shapeways公司的EP彈性塑料可應用于穿戴物品[3]；德國EOS公司開發有不銹鋼粉、鋁硅粉、鈦合金粉等金屬粉末材料，不同材料的打印需要有不同的設備與工藝與之相配合[4]。

1.2 國內研究

我國3D打印設備研發已取得一系列成果。2007年盈普光電開發出國內首臺采用激光燒結成型方法直接制造塑膠零件的3D打印系統，2013年華中科技大學史玉升教授帶領團隊開發出可打印長寬達1.2米的立體打印機，其可打印空間規模上具世界首位。2014年華曙高科推出世界最快的3D工業級打印機，可實現12.7米/秒的激光掃描速度。青島尤尼科技和美國Drexel大學周功耀教授聯合研發出國內首臺可打印人體心臟支架及骨骼材料的re-human生物打印機[5]。

在3D打印材料研究方面，清華大學開發了FDM工藝用ABS絲材和蠟，依托北京殷華重點研究生物制造；華中科技大學專項研究了LOM工藝，聯合武漢濱湖推進激光柔性加工技術的產業升級；西安交通大學推出了LPS和CPS光固化成型系統系列及其樹脂材料，依托陜西恒通在模具、汽車等領域有所突破；北京航空航天大學掌握了激光將金屬熔化后對金屬重結晶的控制技術，依托中航激光在民用及軍用飛機領域有所造詣，中航激光在世界范圍內首次將激光成形鈦合金構件應用在民用客機的研制。北京隆源公司研制的工程塑料、精鑄蠟粉體料等適用于SLS工藝；近期華曙高科與巴陵石化合作開發彈性體粉末材料、SLA環氧樹脂等材料。頂立科技自主開發出球形純鈦粉等金屬基3D打印材料[6]。

2 3D打印成型技術及產業化分析

目前，3D打印成型技術主要有以下4種：液態光敏樹脂固化成形、 薄型材料分層疊加成形、 粉末材料選擇性激光燒結成形、熔絲堆積成形。

2.1 3D打印成型技術分析

①光敏樹脂液態固化成形（SLA）技術，該技術主要采用液態光敏樹脂，其優點是成型的零件有較高的精度且表面光潔，加工精度能達到0.08mm，可制作空心零件，即使其形狀很復雜，成品柔性好，可隨意拆裝。缺點是可用材料的范圍有限，并且不能多色成型，需要支撐，樹脂收縮會導致精度下降。

②薄型分層疊加成形 （LOM）技術，該技術使用薄膜材料。其特點是加工效率高，工作可靠 ，模型支撐性好，成本低。缺點是材料范圍很窄，每層厚度不可調整，前、后處理費時。

③選擇性激光粉末燒結成形 （SLS）， 該技術使用固體粉末材料，其特點是材料適應面廣且價格便宜，成型速度快等，精度、強度高，樣件可用于功能試驗或裝配模擬。

④熔絲堆積成形 （FDM）技術 ，以絲狀熱熔性塑料為材料，技術的特點是使用、維護簡單，速度快，成本較低且無污染。

2.2 3D打印技術發展趨勢及發展瓶頸

在制造領域中，隨著信息、控制、材料、智能等技術的普及，3D打印技術也被寄予更高的期望，將來3D打印將會更通用、更精密、更智能、更便捷，現階段亟待提升打印精度、效率、容量及工藝方法，使其體積更小，成本更低，更易操作等，同時，提高設計軟件與打印控制軟件的匹配度；拓展其在醫學、教育、 車輛、建筑等更多行業領域的應用發展[7]。

目前主要有四個方面制約3D打印技術發展。材料方面：材料可適用性、強度以及環保性等技術不成熟；工藝方面：目前3D打印精度尚待進一步提高，打印效率無法滿足批量化生產需求；設備方面：目前3D打印機造價昂貴，制約其普及推廣；知識產權方面：產品技術復制因3D打印的發展變得更易實現，制造業產品技術保護變得困難，盜版風險加大，知識產權現行機制也亟待進一步改進提高以適應3D打印的產業化發展需求。

3 3D打印技術產業化發展建議

目前，因存在公共技術平臺缺失、產業規模化程度低、產業鏈尚未有效形成、教育培訓和社會推廣缺乏等問題，距離3D打印技術在制造領域的批量化生產應用還有很長的一段路要走。為加快推進我國3D打印技術研究及其產業化進程，現提出如下建議：

①依托高等院所、科研院所和骨干企業，有效整合國內資源，健全關鍵共性技術研發體制機制，增強自主創新能力，加強頂層設計和統籌規劃。

②推動由企業、科研院所和高校共同參與的產業聯盟及行業協會建設，推動產業協同發展，加強國際合作與交流，推動技術領先領域的國內標準國際化。

③建立以市場需求為導向，推進3D打印技術與傳統制造技術的有機融合。開展應用試點示范與推廣，完善市場培育，促進3D產業優先發展。

④完善高端技術人才引進與培養政策，將3D打印技術走進高校課堂，促進3D打印社會化公共化推廣。

4 結束語

3D打印技術是制造技術的一項革命，是伴隨新材料、激光、計算機及其它先進技術的發展而發展的，其正在持續進行自我完善與進步，具有廣泛的應用前景。通過對3D打印設備與材料關鍵技術及目前產業化發展瓶頸分析，提出3D打印發展趨勢和產業化發展建議。雖然現階段國內部分3D打印技術與國際水平存在一定的差距，但我相信，經過科技人員的不懈努力，3D打印將走進普通人的日常生活中，3D打印產業化也將會逐步落地。

參 考 文 獻

[1] 夏鵬，王丞，馬明亮.快速成型技術應用現狀及發展趨勢[J].九江學院學報，2008，（3）：55-58.

[2] 王紅霖.3D打印技術制造業發展新趨勢[J].新興產業，

2012.

[3] 王巍.光固化快速成型在精密鑄造中的應用[J].鑄造技術，2012（1）：127-128.

[4] 劉厚才，莫健華，劉海濤.三維打印快速成形技術及其應用[J].機械科學與技術，2010（9）.

[5] 偉虹，李志敏.快速成型技術中材料技術的發展與應用前景[J].航空工程與維修，2000，3：37-28.

[6] 王雪瑩.3D打印技術與產業發展的前景分析[J].中國高新技術企業，2012.

[7] 殷媛媛，羅津.從專利發展看全球3D打印技術的新趨勢[J].科技發展研究，2013（4）.