【解析】3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢

2012年4月，英國著名雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》發(fā)表專題 報告指出，全球工業(yè)正在經(jīng)歷第三次工業(yè)革命，與以往不同，本次革命將對制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響，其中一項具有代表性的技術(shù)就是3D打�。�3Dprinting）技術(shù)。美國《時代》周刊也將3D打印列為“美國十大增長最快的工業(yè)”。自2013年以來，國內(nèi)媒體界、學(xué)術(shù)界、金融界也掀起了關(guān)注3D打印技術(shù)的熱潮，各級政府部門開始關(guān)注并制訂3D打印技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。本文在查閱大量文獻(xiàn)和實踐調(diào)研的基礎(chǔ)上， 分別從3D打印技術(shù)的概念、工藝、材料、設(shè)備及其商業(yè)化狀況等方面進(jìn)行介紹；并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步展望了3D打印技術(shù)的應(yīng)用趨勢和對人類未來生產(chǎn)生活方式的影響。

13D打印技術(shù)的概念和分類
3D打印技術(shù)，學(xué)術(shù)上又稱“添加制造” （additivemanufacturing）技術(shù)，也稱增材制造或增量制造。根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）2009年成立的3D打印技術(shù)委員會（F42委員會）公布的定義， 3D打印是一種與傳統(tǒng)的材料加工方法截然相反，基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過增加材料逐層制造的方式。其采用直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。3D打印技術(shù)內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品生命周期前端的 “快速原型”（rapidprototyping）和全生產(chǎn)周期的“快速制造” （rapidmanufacturing）相關(guān)的所有打印工藝、技術(shù)、設(shè)備類別和應(yīng)用。3D打印涉及的技術(shù)包括CAD建模、測量、接口軟件、數(shù)控、精密機(jī)械、激光、材料等多種學(xué)科的集成。 3D打印具有如下特點和優(yōu)勢。

①數(shù)字制造：借助CAD等軟件將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)字化，驅(qū)動機(jī)器設(shè)備加工制造成器件；數(shù)字化文件還可借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞，實現(xiàn)異地分散化制造的生產(chǎn)模式。
②降維制造（分層制造）：即把三維結(jié)構(gòu)的物體先分解成二維層狀結(jié)構(gòu)， 逐層累加形成三維物品。因此，原理上3D打印技術(shù)可以制造出任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且制造過程更柔性化。
③堆積制造：“從下而上”的堆積方式對于實現(xiàn)非勻致材料、功能梯度的器件更有優(yōu)勢。

④直接制造：任何高性能難成型的部件均可通過“打印”方式一次性直接制造出來，不需要通過組裝拼接等復(fù)雜過程來實現(xiàn)。
⑤快速制造：3D打印制造工藝流程短、全自動、可實現(xiàn)現(xiàn)場制造，因此，制造更快速、更高效。

3D打印技術(shù)的發(fā)展起源可追溯至20世紀(jì)70年代末到80年代初期，美國3M公司的AlanHebert（1978年）、日本的小玉秀男（1980年）、美國UVP公司的CharlesHull（1982年）和日本的丸谷洋二（1983年）四人各自獨立提出了這種概念。1986年，CharlesHull率先推出光固化方法 （SLA）， 這是3D打印技術(shù)發(fā)展的一個里程碑。同年，他創(chuàng)立了世界上第一家3D打印設(shè)備的3DSystems公司。該公司于1988年生產(chǎn)出了世界上第一臺3D打印機(jī)SLA-250。1988年，美國人ScottCrump發(fā)明了另外一種3D打印技術(shù)— ——熔融沉積制造（FDM），并成立了Stratasys公司。目前，這兩家公司是僅有的兩家在納斯達(dá)克上市的3D打印設(shè)備制造企業(yè)。

1989年，C．Ｒ．Dechard發(fā)明了選擇性激光燒結(jié)法（selectivelasersintering，SLS），其原理是利用高強(qiáng)度激光將材料粉末燒結(jié)直至成型。1993年，麻省理工大學(xué)教授Emanual Sachs發(fā)明了一種全新的3D打印技術(shù)。這種技術(shù)類似于噴墨打印機(jī)，通過向金屬、陶瓷等粉末噴射粘接劑的方式將材料逐片成型，然后進(jìn)行燒結(jié)制成最終產(chǎn)品。這種技術(shù)的優(yōu)點在于制作速度快、價格低廉。隨后，ZCorporation公司獲得麻省理工大學(xué)的許可，利用該技術(shù)來生產(chǎn)3D打印機(jī)，“3D打印機(jī)”的稱謂由此而來。此后，以色列人HananGothait于1998年創(chuàng)辦了ObjetGeometries公司，并于2000年在北美推出了可用于辦公室環(huán)境的商品化3D打印機(jī)。

2材料和設(shè)備
3D打印設(shè)備制造商主要集中在美國、德國、以 色列、日本和瑞典等，并以美國為主導(dǎo)。其中，美國的Stratasys和3DSystems兩家公司整合了全球主流工藝90%的產(chǎn)品線。2011年， 3DSystems公司收購了ZCorporation公司。2012年，Stratasys公司并購了以色列Objet公司，完成了資源整合。 3D打印按材料可分為塊體材料、液態(tài)材料和粉末材料等。按照美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）3D打印技術(shù)委員會（F42委員會）的標(biāo)準(zhǔn)，目前七類3D打印工藝與所用材料如表1所示。

目前，已實現(xiàn)商品化的3D打印機(jī)共涵蓋了七類工藝，其中以SLA、 SLS、FDM和3D打印等為主。光固化打�。⊿LA）是采用紫外光在液態(tài)光敏樹脂表面進(jìn)行掃描，每次生成一定厚度的薄層，從底部逐層生成物體。其優(yōu)點是原材料的利用率將近100%，尺寸精度高（±0．1mm），表面質(zhì)量優(yōu)良，可以制作結(jié)構(gòu) 十分復(fù)雜的模型；缺點是價格昂貴，可用材料種類有限，制成品在光照下會逐漸解體。 選擇性激光燒結(jié)打�。⊿LS）是采用高功率的激光，把粉末加熱燒結(jié)在一起形成零件。SLS工藝的優(yōu)點是可打印金屬材料和多種熱塑性塑料，如尼龍、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯類、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等，打印時無需支撐，打印的零件機(jī)械性能好、強(qiáng)度高；缺點是材料粉末比較松散，燒結(jié)后成型精度不高，且高功率的激光器價格昂貴。 熔融沉積打�。‵DM）是采用熱融噴頭，使塑性纖維材料經(jīng)熔化后從噴頭內(nèi)擠壓而出，并沉積在指定位置后固化成型。這種工藝類似于擠牙膏的方式，其優(yōu)點是價格低廉、 體積小、生成操作難度相對較小；缺點是成型件的表面有較明顯的條紋，產(chǎn)品層間的結(jié)合強(qiáng)度低、打印速度慢。

3D打印是采用類似噴墨打印機(jī)噴頭的工作方式  ，這種工藝與選擇性激光燒結(jié)十分類似，只是將激 光燒結(jié)過程改為噴頭粘結(jié)，光柵掃描器改為粘結(jié)劑噴射頭。其優(yōu)點是打印速度快、價格低；缺點是打印出來的產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度不高。

3目前存在的主要問題

3D打印技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，但仍存在以 下幾方面問題。

①3D打印的耗材。耗材是目前制約3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前已研發(fā)的材料主要有塑料、樹脂和金屬等，然而3D打印技術(shù)要實現(xiàn)更多領(lǐng)域的應(yīng)用，就需要開發(fā)出更多的可打印材料，根據(jù)材料特點深入研究加工、結(jié)構(gòu)與材料之間的關(guān)系，開發(fā)質(zhì)量測試程序和方法，建立材料性能數(shù)據(jù)的規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)等。此外，在一些關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，尋找合適的材料也是一大挑戰(zhàn)，例如空客概念飛機(jī)的仿真結(jié)構(gòu)，要求機(jī)身必須透明且有很高的硬度。為符合這些要求就需要研發(fā)新型的復(fù)合材料。XeroxPAＲC研究中心的研究人員正在致力于可打印電子產(chǎn)品的新工藝研究，但是目前的可用原料還不多。 在打印材料方面，以色列Objet公司處于領(lǐng)先地位。最近，該公司宣布為Connex系列多材料3D打印機(jī)新開發(fā)了39種新的“數(shù)字材料”，可供客戶選擇的基本材料已多達(dá)107種。這些材料的質(zhì)地、韌性、剛度、強(qiáng)度都各不相同。該公司目前可提供90種“數(shù)字材料”，這些材料都是由公司提供的基本材料復(fù)合而成，這樣可使設(shè)計師、工程師和制造商能夠非常精確地模擬其最終產(chǎn)品的材料性能。用戶使用Connex多材料3D打印機(jī)，可以在一個模型中同時使用多達(dá)14種不同硬度和透明度的材料。 此外，目前對金屬材料進(jìn)行3D打印的需求尤為迫切，如工具鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳基合金、銀和金等，但目前這些打印技術(shù)尚未完全突破。

②3D打印機(jī)本身。據(jù)報道，世界上目前只有一 種3D打印機(jī)能夠同時打印出多種材料的產(chǎn)品。由于3D打印工藝發(fā)展還不完善，快速成型零件的精度和表面質(zhì)量大多不能滿足工程直接使用要求，只能做原型使用。 3D打印產(chǎn)品由于采用疊加制造工藝，層與層之間連接得再緊密，目前也很難與傳統(tǒng)鍛件相媲美。

③3D打印的價格。目前， 3D打印不具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，價格方面的優(yōu)勢尚不明顯。目前，1kg打印材料少則幾百元，多則要4萬元左右，因此3D打印技術(shù)在一段時間里還無法全面取代傳統(tǒng)制造技術(shù)。但是在單件小批量、個性化訂制和網(wǎng)絡(luò)社區(qū)化生產(chǎn)方面，對于大多數(shù)產(chǎn)品來說，不管打印1件還是100件，價格都相差無幾，因而3D打印具有無可比擬的優(yōu)勢。

④知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。3D打印技術(shù)的意義不僅在于改變資本和工作的分配模式， 而且也在于它能改變知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)則。該技術(shù)的出現(xiàn)使制造業(yè)的成功不再取決于生產(chǎn)規(guī)模，而取決于創(chuàng)意。然而，單靠創(chuàng)意也是很危險的，模仿者和創(chuàng)新者都能輕而易舉地在市場上快速推出新產(chǎn)品，極有可能就像當(dāng)初的音樂領(lǐng)域一樣面臨盜版的威脅。

⑤3D打印機(jī)的操作技能。3D打印技術(shù)需要依靠數(shù)字模型來進(jìn)行生產(chǎn)，但是對普通用戶來說學(xué)會使用計算機(jī)輔助設(shè)計工具（CAD）還是有一定難度。但隨著社會發(fā)展，未來會有越來越多的學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握這方面的技能， 而且企業(yè)也會提供一些簡單的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，用戶不必學(xué)會3D設(shè)計技能就能制作模型，就像傻瓜相機(jī)的發(fā)展一樣。 ⑥政策方面。3D技術(shù)的研發(fā)需要大量的政府投入或產(chǎn)業(yè)界的資金支撐。如在醫(yī)療領(lǐng)域，可能會因缺少食品和藥品監(jiān)管部門的許可，造成許多臨床醫(yī)療產(chǎn)品應(yīng)用的滯緩等。

4 應(yīng)用領(lǐng)域與趨勢

4．1 全球商業(yè)化狀況

根據(jù)美國技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會WohlersAssociates發(fā) 布的2012年度報告，全球3D打印行業(yè)在2011年銷售額為17．14億美元，當(dāng)前該技術(shù)的市場滲透度為8%，因此，報告保守估計3D打印市場機(jī)會為214億美元。樂觀者則認(rèn)為當(dāng)前市場滲透度僅為1%，從而3D打印市場機(jī)會為1700億美元。目前， 3D打印技術(shù)市場的年增長率為29．4%。據(jù)預(yù)測，該行業(yè)的市場規(guī)模到2015年將達(dá)37億美元，到2019年將增長到65億美元。 3D打印技術(shù)市場規(guī)模如圖1所示。

從行業(yè)分布看，目前消費電子領(lǐng)域仍然占主導(dǎo)地位， 約20．3%；其他主要應(yīng)用在汽車、醫(yī)療/牙科、工業(yè)/商業(yè)機(jī)器和航空航天領(lǐng)域。3D打印技術(shù)行業(yè)分布如圖2所示。3D打印技術(shù)主要應(yīng)用功能的分布比例如圖3所示。

當(dāng)前，歐洲、美洲和亞洲是3D打印設(shè)備的主要需求市場。從2011年設(shè)備市場份額分布來看， 北美地區(qū)占40．2%，位居第一，歐洲地區(qū)和亞洲地區(qū)緊隨其后。3D打印設(shè)備數(shù)量區(qū)域分布如圖4所示。美國是3D打印設(shè)備安裝的第一大國，日本處于第二。

全球3D打印技術(shù)的產(chǎn)品和服務(wù)的收入如圖5所示。圖5中，柱狀圖上段為服務(wù)收入，下段為產(chǎn)品（即設(shè)備和材料等）收入。從圖5不難看出， 3D打印設(shè)備及材料和服務(wù)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模是相當(dāng)?shù)摹?010年，銷售額為13．25億美元；到2011年，銷售額為17．14億美元，增長率達(dá)到24．1%。在產(chǎn)品收入中，3D打印設(shè)備和材料占主要部分， 2011年為8．34億美元。

由于3D打印產(chǎn)品種類豐富，帶動了打印材料的快速發(fā)展。2001年到2011年，全球打印材料的銷售情況如圖6所示，除了2009年由于全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響稍有下降外，基本上每年都保持10%～20%的增長速度。

4．2應(yīng)用領(lǐng)域

3D打印機(jī)的應(yīng)用對象可以是任何行業(yè)，只要這些 行業(yè)需要模型和原型。目前，3D打印技術(shù)已在工 業(yè)設(shè)計、文化藝術(shù)、機(jī)械制造（汽車、摩托車）、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。隨著技術(shù)自身的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣�。這些應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下十個方面。

①設(shè)計方案評審。借助于3D打印的實體模型，不同專業(yè)領(lǐng)域（設(shè)計、制造、市場、客戶）的人員可以對產(chǎn)品實現(xiàn)方案、外觀、人機(jī)功效等進(jìn)行實物評價。

②制造工藝與裝配檢驗。3D打印可以較精確地制造出產(chǎn)品零件中的任意結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，借助3D打印的實體模型結(jié)合設(shè)計文件，就可有效指導(dǎo)零件和模具的工藝設(shè)計，或進(jìn)行產(chǎn)品裝配檢驗，避免結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計錯誤。

③功能樣件制造與性能測試。3D打印的實體原型本身具有一定的結(jié)構(gòu)性能，同時利用3D打印技術(shù)可直接制造金屬零件， 或制造出熔（蠟）模；再通過熔模鑄造金屬零件，甚至可以打印制造出特殊要求的功能零件和樣件等。

④快速模具小批量制造。以3D打印制造的原型作為模板，制作硅膠、樹脂、低熔點合金等快速模具，可便捷地實現(xiàn)幾十件到數(shù)百件數(shù)量零件的小批量制造。

⑤建筑總體與裝修展示評價。利用3D打印技術(shù)可實現(xiàn)模型真彩及紋理打印的特點，可快速制造出建筑的設(shè)計模型，進(jìn)行建筑總體布局、結(jié)構(gòu)方案的展示和評價。

⑥科學(xué)計算數(shù)據(jù)實體可視化。計算機(jī)輔助工程、地理地形信息等科學(xué)計算數(shù)據(jù)可通過3D彩色打印，實現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)與分析數(shù)據(jù)的實體可視化。

⑦醫(yī)學(xué)與醫(yī)療工程。通過醫(yī)學(xué)CT數(shù)據(jù)的三維重建技術(shù)，利用3D打印技術(shù)制造器官、骨骼等實體模型，可指導(dǎo)手術(shù)方案設(shè)計，也可打印制作組織工程和定向藥物輸送骨架等。

⑧首飾及日用品快速開發(fā)與個性化定制。利用3D打印制作蠟?zāi)＃�通過精密鑄造實現(xiàn)首飾和工藝品的快速開發(fā)和個性化定制。

⑨動漫造型評價。借助于動漫造型評價可實現(xiàn)動漫等模型的快速制造， 指導(dǎo)和評價動漫造型設(shè)計。

⑩電子器件的設(shè)計與制作。利用3D打印可在玻璃、柔性透明樹脂等基板上，設(shè)計制作電子器件和光學(xué)器件， 如ＲFID、太陽能光伏器件、OLED等。

4．3對人類生產(chǎn)生活方式的影響

3D打印技術(shù)的應(yīng)用將從以下三個方面深刻改變 傳統(tǒng)制造業(yè)形態(tài)。 一是使制造工藝發(fā)生深刻變革。3D打印改變了通過對原材料進(jìn)行切削、組裝進(jìn)行生產(chǎn)的加工模式，節(jié)省了材料和加工時間。例如，在航空航天工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的金屬部件通常是由高成本的固體鈦加工而成的， 90%的材料被切除掉，這些切削材料對于飛行器的制作是毫無利用價值的。空客的母公司歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）研究人員指出，這些用鈦粉末打印出的部件與一個傳統(tǒng)用固體鈦加工出來的部件一樣經(jīng)久耐用，但節(jié)省了90%的原材料。 二是帶動制造技術(shù)的重大飛躍。3D打印技術(shù)是一門綜合應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、光化學(xué)、控制、網(wǎng)絡(luò)以及材料科學(xué)等諸多方面技術(shù)和知識的高新技術(shù)。3D打印技術(shù)的不斷成熟將推動新材料技術(shù)和 智能制造技術(shù)實現(xiàn)大的飛躍，從而帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 三是使制造模式發(fā)生革命性變化。

3D打印將可能改變第二次工業(yè)革命產(chǎn)生的、以裝配生產(chǎn)線為代表的大規(guī)模生產(chǎn)方式，使產(chǎn)品生產(chǎn)向個性化、定制化轉(zhuǎn)變。3D打印機(jī)的推廣應(yīng)用將縮短產(chǎn)品推向市場的時間，消費者只要簡單下載設(shè)計圖，在數(shù)小時內(nèi)通過3D打印機(jī)就可將產(chǎn)品“打印”出來，從而不需要大規(guī)模生產(chǎn)線，不需要大量的生產(chǎn)工人，不需要庫存大量的零部件，即所謂的“社會化制造”�！吧鐣�化制造”的另一優(yōu)勢是通過制造資源網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)， 快速建立高效的供應(yīng)鏈、市場銷售和用戶服務(wù)網(wǎng)，這是實現(xiàn)敏捷制造、精益制造和可持續(xù)發(fā)展的一種生產(chǎn)模式。

5結(jié)束語

隨著3D打印技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展， “大批量的個性化定制”將成為重要的生產(chǎn)模式。3D打印與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的緊密結(jié)合，將衍生出新的細(xì)分產(chǎn)業(yè)和新的商業(yè)模式， 創(chuàng)造出新的經(jīng)濟(jì)增長點。3D打印技術(shù)發(fā)展帶來的產(chǎn)品技術(shù)、制造技術(shù)與管理技術(shù)的進(jìn)步使企業(yè)具備快速響應(yīng)市場需求的能力 特別是 形成適應(yīng)全球市場上豐富多樣的客戶群，實現(xiàn)遠(yuǎn)程定制、異地設(shè)計、就地生產(chǎn)和銷售的協(xié)調(diào)化新型生產(chǎn)模式，使生產(chǎn)模式、商業(yè)模式等多個方面發(fā)生根本性的變化。

作者：李小麗  馬劍雄  李萍  陳琪  周偉民  （上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，上海市納米科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心）