3D打印將如何“引爆”智能制造產(chǎn)業(yè)鏈？

　　近年來(lái)，隨著3D打印人體器官、3D打印個(gè)性服裝等創(chuàng)意的公開(kāi)報(bào)道，3D打印技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入公眾視野。從技術(shù)原理來(lái)講，3D打印屬于增材制造技術(shù)，它以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)一層又一層堆疊材料的方式來(lái)構(gòu)造物體。在構(gòu)建一個(gè)物品時(shí)，傳統(tǒng)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(jì)算機(jī)軟件控制下，將材料逐層疊加起來(lái)，從無(wú)到有地構(gòu)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(yè)的“潛力股”。制造業(yè)的全流程都可以引入3D打印，起到節(jié)約成本、加快進(jìn)度、減少材料浪費(fèi)等效果。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，借助3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)師能夠獲得更大的自由度和創(chuàng)意空間，可以專注于產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新，而不必考慮形狀復(fù)雜度的影響，因?yàn)?D打印幾乎可以完成任何形狀的物品構(gòu)建。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，3D打印可以直接從數(shù)字化模型生成零部件，不需要專門的模具制作等工序，既節(jié)約了成本，又能加快產(chǎn)品上市。此外，傳統(tǒng)制造工藝在鑄造、拋光和組裝部件的過(guò)程中通常會(huì)產(chǎn)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(huì)產(chǎn)生廢料。在分銷環(huán)節(jié)，3D打印可能會(huì)挑戰(zhàn)現(xiàn)有的物流分銷網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)，零部件不再需要從原廠家采購(gòu)和運(yùn)輸，而是從制造商的在線數(shù)據(jù)庫(kù)中下載3D打印模型文件，然后在本地快速打印出來(lái)，由此可能導(dǎo)致遍布全球的零部件倉(cāng)儲(chǔ)與配送體系失去存在的意義。

　　原型制作應(yīng)用較多

　　3D打印不是一種技術(shù)，而是一系列快速成型技術(shù)的統(tǒng)稱。按照基本原理的差異，3D打印技術(shù)可劃分為七大類：材料擠出、材料噴射、片層壓和容器內(nèi)光聚合、直接能量沉積、粉末床熔合、黏結(jié)劑噴射。每個(gè)大類又可細(xì)分為不同的工藝?？傮w來(lái)看，每種工藝各有所長(zhǎng)，適用于不同的場(chǎng)景。

　　目前，3D打印應(yīng)用較多的場(chǎng)景是原型制作。不同行業(yè)領(lǐng)域的原型制作，又對(duì)3D打印的材料、工藝和性能有獨(dú)特要求。在醫(yī)學(xué)模型制作場(chǎng)景下，通常對(duì)模型的表面質(zhì)量和精度要求較高，但不要求耐用性和長(zhǎng)久保存，因此，一般選用容器內(nèi)光聚合技術(shù)，使用液態(tài)光敏樹(shù)脂等材料，打印超高精度的齒科牙模、醫(yī)學(xué)模型等。在汽車、電子等行業(yè)的測(cè)試模型制作中，由于對(duì)成型速度要求較高，可以使用黏結(jié)劑噴射技術(shù)，該技術(shù)的缺點(diǎn)是打印精度不高，并且成型部件強(qiáng)度偏低。在消費(fèi)品領(lǐng)域，需要制作創(chuàng)意玩具、家裝用品模型時(shí)，通常使用材料擠出工藝，其打印設(shè)備和材料成本較低，操作也更加簡(jiǎn)單。

　　直接零部件制造場(chǎng)景下，通常對(duì)強(qiáng)度、硬度等機(jī)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(shù)可使用鈦、不銹鋼等作為原料，利用激光和電子束等熱源，構(gòu)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(lǐng)域的復(fù)雜零部件。粉末床熔合技術(shù)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(gòu)造大型部件。

　　暫時(shí)局限于小規(guī)模市場(chǎng)

　　3D打印技術(shù)已誕生30余年，但是，由于技術(shù)成熟度等因素的影響，其應(yīng)用一直局限于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模型制造等小規(guī)模市場(chǎng)。未來(lái)，3D打印要拓展應(yīng)用領(lǐng)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(wèn)題。因此，業(yè)界主體各顯神通，針對(duì)這些問(wèn)題開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，助力3D打印技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用。

　　通過(guò)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(guó)TETRA公司基于雙光子聚合工藝，推出納米級(jí)3D打印機(jī)，使用超短脈沖激光來(lái)固化液體光敏材料。TETRA公司所使用的激光，波長(zhǎng)780nm，脈沖持續(xù)時(shí)間少于120fs，由此保障固化區(qū)域的直徑最低小于100納米，從而實(shí)現(xiàn)極高的打印精度。

　　通過(guò)改善材料等措施提高打印致密度。3D打印機(jī)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(guò)99%，可使用黏結(jié)劑噴射技術(shù)打印高致密度金屬材料，用于航空航天等領(lǐng)域。弗吉尼亞理工學(xué)院正在開(kāi)發(fā)一種新型的金屬3D打印工藝，該工藝基于黏結(jié)劑噴射原理，使用銅粉末來(lái)打印零部件。研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)向黏結(jié)劑中添加納米粒子，來(lái)填補(bǔ)燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的空隙，增加零部件的致密度。

　　改良噴嘴技術(shù)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(shù)開(kāi)發(fā)出一種全新噴嘴，這種噴嘴僅在一個(gè)極小的區(qū)域內(nèi)施加粉末材料，使得激光能夠精確覆蓋微小的區(qū)域，進(jìn)而大幅縮短激光金屬沉積的時(shí)間，打印速度可達(dá)110cc/小時(shí)。法國(guó)BeAM公司研發(fā)出一種直接能量沉積技術(shù)，使用獨(dú)特的噴嘴系統(tǒng)，能夠在高能激光啟動(dòng)的同時(shí)噴射出金屬粉末流，該項(xiàng)技術(shù)將打印速度提高到300cc/小時(shí)。

　　從打印設(shè)備和材料方面降低3D打印成本。美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)研發(fā)出一種新型光刻技術(shù)，不再依賴于專業(yè)的鏡頭、電子束等昂貴裝置，而是使用納米微球來(lái)塑造光線模型，因而極大降低了成本。英國(guó)金屬材料制造商Metalysis開(kāi)發(fā)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(jiǎn)化了鈦粉的生產(chǎn)流程，將鈦粉的生產(chǎn)成本降低了75%，已接近不銹鋼的價(jià)格。

　　我國(guó)尚未形成完整產(chǎn)業(yè)體系

　　我國(guó)高度重視3D打印產(chǎn)業(yè)，已初步建立起研發(fā)體系，形成小規(guī)模應(yīng)用市場(chǎng)。2015年2月，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015~2016年）》，為3D打印的發(fā)展提供了有力的政策支撐環(huán)境。在3D打印技術(shù)研發(fā)方面，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校主導(dǎo)，已經(jīng)在某些關(guān)鍵領(lǐng)域取得突破。而高校在技術(shù)研發(fā)過(guò)程中，通過(guò)專利授予和技術(shù)入股等方式成立公司，加快了3D打印技術(shù)成果的產(chǎn)業(yè)化。目前，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出數(shù)十家3D打印制造設(shè)備與服務(wù)企業(yè)，已初步形成小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)。

　　然而，我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)依然處于新生階段，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)體系。3D打印材料等關(guān)鍵核心技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，生產(chǎn)3D打印材料的企業(yè)較少，尤其是金屬3D打印材料，嚴(yán)重依賴進(jìn)口，導(dǎo)致3D打印成本較高，影響其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

　　總體來(lái)看，我國(guó)發(fā)展3D打印技術(shù)的起點(diǎn)較高，市場(chǎng)空間巨大。為此，我國(guó)應(yīng)當(dāng)從多個(gè)角度發(fā)力，加快推進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

　　加快3D打印技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化。鼓勵(lì)高校、科研院所將3D打印技術(shù)研究成果及時(shí)轉(zhuǎn)化到產(chǎn)業(yè)界。通過(guò)成立3D打印創(chuàng)新中心等方式，促進(jìn)創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈的緊密對(duì)接。依托創(chuàng)新中心，開(kāi)展高校、科研院所與企業(yè)的合作研究，以及3D打印技術(shù)與專利的轉(zhuǎn)讓和交易。

　　加強(qiáng)3D打印材料技術(shù)的研發(fā)。我國(guó)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(yuǎn)不能滿足3D打印推廣應(yīng)用的需求。因此，我國(guó)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)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(jī)構(gòu)對(duì)3D打印材料的特性進(jìn)行研究，面向航空航天、國(guó)防工業(yè)等重點(diǎn)領(lǐng)域的需求，研發(fā)具有較高機(jī)械性能的金屬材料。另一方面，鼓勵(lì)材料生產(chǎn)企業(yè)拓展現(xiàn)有3D打印材料的種類，創(chuàng)新生產(chǎn)工藝，降低3D打印材料的價(jià)格。

　　鼓勵(lì)3D打印與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合。3D打印與傳統(tǒng)制造工藝存在技術(shù)互補(bǔ)的可能性。在金屬3D打印方面，從目前的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，傳統(tǒng)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(fù)雜度遠(yuǎn)高于CNC，因此，將3D打印與傳統(tǒng)CNC加工相結(jié)合是一種理性和經(jīng)濟(jì)的制造方式。在我國(guó)，鼓勵(lì)3D打印與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，能夠加快3D打印在傳統(tǒng)制造業(yè)中的應(yīng)用推廣。

　　中國(guó)信息通信研究院信息化與工業(yè)化融合研究所 王曉玲