業內論：3D打印如何為智能制造注入動力？

近年來，隨著3D打印人體器官、3D打印個性服裝等創意的公開報道，3D打印技術開始進入公眾視野。從技術原理來講，3D 打印屬于增材制造技術，它以三維數字模型為基礎，通過一層又一層堆疊材料的方式來構造物體。在構建一個物品時，傳統制造工藝通常采用切削、鉆孔等“減材”方式，去除多余的材料，而3D打印則采用完全相反的理念，在計算機軟件控制下，將材料逐層疊加起來，從無到有地構建物品。

　　3D打印不僅僅是炫酷的前沿科技，更是有望革新制造業的“潛力股”。制造業的全流程都可以引入3D打印，起到節約成本、加快進度、減少材料浪費等效果。在設計環節，借助3D打印技術，設計師能夠獲得更大的自由度和創意空間，可以專注于產品形態創意和功能創新，而不必考慮形狀復雜度的影響，因為3D打印幾乎可以完成任何形狀的物品構建。在生產環節，3D打印可以直接從數字化模型生成零部件，不需要專門的模具制作等工序，既節約了成本，又能加快產品上市。

　　此外，傳統制造工藝在鑄造、拋光和組裝部件的過程中通常會產生廢料，而相同部件使用3D打印則可以一次性成形，基本不會產生廢料。在分銷環節，3D打印可能會挑戰現有的物流分銷網絡。未來，零部件不再需要從原廠家采購和運輸，而是從制造商的在線數據庫中下載3D打印模型文件，然后在本地快速打印出來，由此可能導致遍布全球的零部件倉儲與配送體系失去存在的意義。

　　原型制作應用較多

　　3D打印不是一種技術，而是一系列快速成型技術的統稱。按照基本原理的差異，3D打印技術可劃分為七大類：材料擠出、材料噴射、片層壓和容器內光聚合、直接能量沉積、粉末床熔合、黏結劑噴射。每個大類又可細分為不同的工藝。總體來看，每種工藝各有所長，適用于不同的場景。

　　目前，3D打印應用較多的場景是原型制作。不同行業領域的原型制作，又對3D打印的材料、工藝和性能有獨特要求。在醫學模型制作場景下，通常對模型的表面質量和精度要求較高，但不要求耐用性和長久保存，因此，一般選用容器內光聚合技術，使用液態光敏樹脂等材料，打印超高精度的齒科牙模、醫學模型等。在汽車、電子等行業的測試模型制作中，由于對成型速度要求較高，可以使用黏結劑噴射技術，該技術的缺點是打印精度不高，并且成型部件強度偏低。在消費品領域，需要制作創意玩具、家裝用品模型時，通常使用材料擠出工藝，其打印設備和材料成本較低，操作也更加簡單。

　　直接零部件制造場景下，通常對強度、硬度等機械性能有較高的要求，因此一般選擇直接能量沉積和粉末床熔合等可以使用金屬材料的工藝。其中，直接能量沉積技術可使用鈦、不銹鋼等作為原料，利用激光和電子束等熱源，構造高性能的金屬部件，能夠直接制造航空航天等高端工程領域的復雜零部件。粉末床熔合技術也可以使用金屬材料直接制造零部件，但是，其成型尺寸受限于粉末床的大小，難以構造大型部件。

　　暫時局限于小規模市場

　　3D打印技術已誕生30余年，但是，由于技術成熟度等因素的影響，其應用一直局限于產品設計和模型制造等小規模市場。未來，3D打印要拓展應用領域，最根本的是要解決打印精度、致密度、速度和打印成本等方面的問題。因此，業界主體各顯神通，針對這些問題開展技術攻關，助力3D打印技術規模化應用。

　　通過改善加熱源提高打印精度。在激光加熱源中，超短脈沖激光的光束作用范圍更加集中，能夠顯著提高加工精度。德國TETRA公司基于雙光子聚合工藝，推出納米級3D打印機，使用超短脈沖激光來固化液體光敏材料。TETRA公司所使用的激光，波長780 nm，脈沖持續時間少于120 fs，由此保障固化區域的直徑最低小于100納米，從而實現極高的打印精度。

　　通過改善材料等措施提高打印致密度。3D打印機制造商ExOne公司推出一種新型3D打印材料——Inconel合金625。該材料的致密度超過99%，可使用黏結劑噴射技術打印高致密度金屬材料，用于航空航天等領域。弗吉尼亞理工學院正在開發一種新型的金屬3D打印工藝，該工藝基于黏結劑噴射原理，使用銅粉末來打印零部件。研發團隊通過向黏結劑中添加納米粒子，來填補燒結過程中產生的空隙，增加零部件的致密度。

　　改良噴嘴技術以提高3D打印的加工速度。日本東芝利用專有的流體模擬技術開發出一種全新噴嘴，這種噴嘴僅在一個極小的區域內施加粉末材料，使得激光能夠精確覆蓋微小的區域，進而大幅縮短激光金屬沉積的時間，打印速度可達110cc/小時。法國BeAM公司研發出一種直接能量沉積技術，使用獨特的噴嘴系統，能夠在高能激光啟動的同時噴射出金屬粉末流，該項技術將打印速度提高到300cc/小時。

　　從打印設備和材料方面降低3D打印成本。美國北卡羅來納州立大學研發出一種新型光刻技術，不再依賴于專業的鏡頭、電子束等昂貴裝置，而是使用納米微球來塑造光線模型，因而極大降低了成本。英國金屬材料制造商metalysis開發出低成本的鈦金屬粉末，可用于3D打印汽車、航空零部件。metalysis的工藝極大簡化了鈦粉的生產流程，將鈦粉的生產成本降低了75%，已接近不銹鋼的價格。

　　我國尚未形成完整產業體系

　　我國高度重視3D打印產業，已初步建立起研發體系，形成小規模應用市場。2015年2月，工業和信息化部、發展改革委、財政部聯合印發《國家增材制造產業發展推進計劃(2015~2016年)》，為3D打印的發展提供了有力的政策支撐環境。在3D打印技術研發方面，清華大學、北京航空航天大學、華中科技大學等高校主導，已經在某些關鍵領域取得突破。而高校在技術研發過程中，通過專利授予和技術入股等方式成立公司，加快了3D打印技術成果的產業化。目前，國內涌現出數十家3D打印制造設備與服務企業，已初步形成小規模的產業市場。

　　然而，我國3D打印產業依然處于新生階段，尚未形成完整的產業體系。3D打印材料等關鍵核心技術基礎薄弱，生產3D打印材料的企業較少，尤其是金屬3D打印材料，嚴重依賴進口，導致3D打印成本較高，影響其產業化進程。

　　總體來看，我國發展3D打印技術的起點較高，市場空間巨大。為此，我國應當從多個角度發力，加快推進3D打印產業健康有序發展。

　　加快3D打印技術成果產業化

　　鼓勵高校、科研院所將3D打印技術研究成果及時轉化到產業界。通過成立3D打印創新中心等方式，促進創新鏈與產業鏈的緊密對接。依托創新中心，開展高校、科研院所與企業的合作研究，以及3D打印技術與專利的轉讓和交易。

　　加強3D打印材料技術的研發

　　我國3D打印材料的種類和性能受限，特別是金屬材料制造還存在瓶頸，遠不能滿足3D打印推廣應用的需求。因此，我國應當加強材料的研制，形成完備的打印材料體系。一方面依托高校、科研機構對3D打印材料的特性進行研究，面向航空航天、國防工業等重點領域的需求，研發具有較高機械性能的金屬材料。另一方面，鼓勵材料生產企業拓展現有3D打印材料的種類，創新生產工藝，降低3D打印材料的價格。

　　鼓勵3D打印與傳統工藝相結合

　　3D打印與傳統制造工藝存在技術互補的可能性。在金屬3D打印方面，從目前的技術發展來看，傳統CNC的加工精度依然高于金屬3D打印，而3D打印能夠制造的零件復雜度遠高于CNC，因此，將3D打印與傳統CNC加工相結合是一種理性和經濟的制造方式。在我國，鼓勵3D打印與傳統工藝相結合，能夠加快3D打印在傳統制造業中的應用推廣。