3D打印技术及产业前景

3D Printing Technology and Its Industry Prospect

郭日阳

(大连交通大学机械工程学院，辽宁 大连　116028)

3D打印技术及产业前景

3D Printing Technology and Its Industry Prospect

郭日阳

(大连交通大学机械工程学院，辽宁 大连116028)

摘要：3D打印是一种增量制造技术，是众多快速成形工艺中的一种，其研究应用前景广阔。在简要介绍3D打印的发展历程、原理分类的基础上，描述了粘结式打印设备的基本工作流程，并对3D打印技术的优点及技术瓶颈进行了分析。通过具体实例介绍了3D打印技术在不同行业领域中的应用，并对3D打印产业的发展前景进行了分析和展望，指出3D打印技术将对传统制造业模式升级起到巨大的推动作用。

关键词：3D打印快速成形技术应用智能制造产业前景

Abstract：3D printing is an incremental manufacturing technology, it is one of the rapid forming processes, and possess broad research and application prospects. On the basis of brief introduction of the development course of 3D printing, and classification of principles, the fundamental operating process flow of the adhesive printing equipment is described, and the advantages and the technical bottleneck of 3D printing technology are analyzed. The applications of 3D printing technology in different industrial areas are introduced specifically, and the developing prospects of 3D printing industry is analyzed and forecasted. It is proposed that the 3D printing technology will play a huge role in promoting upgrade of traditional manufacturing mode.

Keywords：3D printingRapid formingTechnology applicationIntelligent manufacturingIndustry prospect

0引言

3D打印技术(three dimensional printing，3DP)即三维打印技术，近年来,各大媒体对此的报道屡见不鲜。英国《The Economist》杂志2011年2月刊发《How a new manufacturing technology will change the world》一文，文章认为：3D打印技术未来将与数字化生产模式一起推动实现新的工业革命，这会带来全球制造业经济的重大变革，其被列为第三次工业革命的范畴。美国《时代》周刊将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”。本文从3D打印技术的基本原理出发，分析了该技术的优势及面临的技术瓶颈，结合3D打印技术在各行业领域中的应用和既有成果，展望了3D打印产业的发展前景。

13D打印的发展历程

3D打印是一种增量制造技术，属于快速成形(rapid prototyping，RP)技术，是一种根据零部件或物体的三维模型数据，利用成形设备以材料堆积的方式制造实体的技术。三维打印工艺是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制并于1989年申请了3DP专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。该学院的研究人员从喷墨打印机的原理出发，研制出一种能在平铺着“塑料”粉末的平面上喷洒各种颜色“胶水”的打印机。在打印生成一个平面后，在该平面上铺洒一层新的粉末，再继续打印。待全部打印过程结束后，去除多余粉末，获得一个彩色的实体。

经过近年来的研究探索，打印机巨头Stratasys公司生产的3D打印机可以实现分辨率为20~85 μm、层厚16 μm的高精度打印制造，并实现多材料彩色打印。随着打印技术的发展，更高分辨率的打印设备将会投入使用。

23D打印的原理分类

快速成形制造技术有很多，具有代表性的工艺有：光敏树脂液相固化成形(stereo lithography apparatus,SLA)、选择性激光粉末烧结(selected laser sintering,SLS)、分层叠加成形(laminated object manufacturing,LOM)、熔融堆积成形(fused deposition modeling,FDM)、三维打印成形(three dimensional printing,3DP)等。

3D打印中采用的技术原理具体介绍如下。

① FDM技术

FDM 技术利用热塑性材料的热熔性、粘结性，由计算机控制层层堆积成形。工艺特点是：成形零件力学性能好、强度高，材料来源广，制造成本低，但精度不足。该技术可用于快速模具制造。

② SLA技术

SLA 技术基于液态光敏树脂在一定波长和功率的紫外激光照射下发生光聚合反应的原理，实现固化成形。工艺特点是：制造精度高，表面质量好，材料利用率高。该技术可用于形状复杂(如腔体)和特别精细(如工艺品)的零件加工。

③ SLS技术

SLS 技术基于粉末材料在热源激光照射下烧结的原理，在计算机控制下不断循环，层层堆积成形。工艺特点是：零件的力学性能好、强度高，适应材料范围广，可以加工塑料、陶瓷、石蜡等材料的零件。该技术可用于快速翻制各种模具。

④ 3DP技术

3DP技术是将粉末由喷头送出，然后三维模型切片后获得的二维层片喷出粘结剂，粘结粉末成形。工艺特点是：成形速度快；材料价格低，粉末在成形过程中起支撑作用，成形结束容易去除。该技术可用于打印全彩色实体。

33D打印设备基本工作流程

基于3D打印技术的打印设备众多，其中粘结式3D打印的基本流程如下[1-2]。

① 通过CAD软件生成三维模型(或利用扫描器扫描实体在计算机中建模)。

② 输出打印所需的STL文件, 对STL文件进行检查并修正错误。

③ 使用分层软件进行分层，选择合理的层厚、精度等参数，获得二维切片模型数据文件。

④ 发送打印数据文件到3D打印机上，打印机接收到指令后进行打印工作。

⑤ 打印机采集打印原料并覆盖打印区域。

⑥ 打印机定位打印截面并喷洒粘结剂，粘结粉末。

⑦ 第一层加工完成后，成形装置下降一个高度，原料供给装置上升一个高度，用来铺撒下一层打印原料。

⑧ 重复进行上述过程，直至整个打印过程结束。

⑨ 去除多余支撑物料，对得到的实体进行后处理操作。

43D打印技术的优点及技术瓶颈

相对于传统制造业，3D打印技术具有许多独特的优势。

① 制造范围广。理论上只要是计算机可以设计出来的模型，3D打印机都可以制造，即任何结构、任何材料和任何几何形状均可以制造[3]。

② 个性化程度高。依据个人或公司的不同加工要求完成制造，满足个性化、多样性的要求，制造更灵活。

③ 成本低。首先，在加工方式上，3D打印技术采用增材加工方式，相对于传统机床的减材加工，可以避免对原材料的浪费，降低了制造成本；其次，与传统制造相比，使用3D打印技术制造形状复杂物品不会增加成本。此外，该技术可以实现就地生产制造，无需仓储，运行成本低。

④ 周期短，速度快。去除了传统制造工艺中工装夹具的设计制造、毛坯的准备、零件加工装配等工序，尤其是对复杂造型的加工，其技术优势更加突出。此外，3D打印可以实现零部件一体化成形，节省了组装时间，效率更高。

⑤ 材料的多样性。3D打印机可以实现不同材料的打印，满足不同领域的需要，如金属、高分子材料、陶瓷、石膏、淀粉及各种复合材料都可以应用于3D打印[4]。

⑥ 精确的实体复制。3D打印基于同一模型上进行制造，同时也可结合扫描技术，精确复制实体。

⑦ 零交付时间。3D打印机可以实现按需打印，能快速响应和满足生产计划的变更需求，企业生产更加灵活自由。若选择就地生产，还可节省产品的物流运输时间和成本。

当然3D技术也面临许多的技术难题和瓶颈。

① 加工成本方面。目前用于3D打印的设备价格较高，对其快速应用普及形成挑战。

② 制造精度与效率方面。制造成品的精度不高、表面质量较差，加工效率低，在适应大规模生产需求方面问题比较突出。此外打印精度与速度之间平衡还需要进一步的改进。

③ 版权方面。由于整个设计过程依托计算机实现，设计成果的转移复制容易，极易发生数字版权、著作权、商标权等权益的侵犯，对现在的版权保护形成巨大挑战。

④ 材料选择方面。3D打印使用的材料品种局限性大，在已有材料的使用上存在一定的安全隐患，材料的物理化学性能也不能很好地满足要求。

⑤ 安全问题。基于3D打印技术制造的便捷和快速性，3D打印为犯罪提供了很好的工具。打印武器、毒品、假冒伪劣产品等的风险大大提升，对于公众的安全构成威胁。

⑥ 道德和伦理方面。随着生物科技的广泛应用，与3D技术结合则会带来与“克隆”技术一样的隐患，对传统的价值观念和道德理念形成强有力的挑战。如果使用中不加限制，将引发科学技术与伦理道德的两难问题。

⑦ 能源节约方面。在当前技术条件下，与传统制造相比，在制造相同质量的零部件过程中，使用聚合物材料的3D打印机的耗电量是传统的10倍左右。工业规模3D打印机使用激光器(或高温)凝固粉末状聚合物，与注塑机的注压成形过程相比，多产生约65%的废弃注塑材料。资源浪费与环境污染会加剧对自然环境的破坏，这是3D打印亟待解决的问题。

53D打印技术的应用领域

3D打印技术主要被应用于原形制造、医药工业、航空工业、军事等领域，替代这些领域传统的加工工艺。此外，在家居、建筑等行业，3D打印技术的应用为行业发展带来了全新的机遇。

5.1　工业设计中的应用

通常产品造型设计只能通过计算机软件在屏幕上描绘其三维图形。采用三维打印技术不但可以快速制作出1∶1的实物模型，还可以对产品的人机界面进行真实的评测，使其更符合人性化需求。在汽车内饰件、家用电器、轻工产品的开发设计中，3D打印已成为很可靠的技术手段。

5.2　医药工业中的应用

依据仿真的人体器官模型，在人造骨骼材料、心脏瓣膜、人体心脏支架乃至人体器官的制造方面，3D打印已经拥有很多成功的应用案例[4-5]。英国研究人员利用3D打印技术，打印出活体胚胎干细胞。试验证明，这些干细胞仍保持着人体胚胎干细胞的正常分化能力。此外，3D打印技术在生物制药中也有很重要的应用。

5.3　航空工业中的应用

利用3D打印技术，波音公司已经制造了大约300种不同的飞机零部件，目前波音公司正在研究利用3D打印技术打印出诸如机翼等更大型的产品[6]。航空业巨头空客公司也试图利用3D打印技术制造飞机机舱，目前采用3D打印的行李架在空客A350上已有应用。在我国自主研发的C919大型客机中，3D打印用于制造飞机钛合金部件。

5.4　家居行业中的应用

在3D打印技术出现初期，打印机的规格大，功能单一，多应用于大型工厂、企业中，在家庭内应用很少。经过了二十多年技术革新，打印机逐渐向小型化、轻便化方向发展。在家居行业中，3D打印已经有了部分应用，在打印玩具、食品方面已经取得了成功[7]，在家具行业的探索也正在展开。

5.5　建筑行业中的应用

3D打印在建筑领域的应用有两个方面：一是打印建筑物模型，iMaterialise等公司提供打印微型家庭模型服务；二是打印建筑物各个组块，最终拼接成整体建筑。荷兰的建筑设计师Janjaap Ruijssenaars设计了全球第一座3D打印建筑物“Landscape House”，该建筑物特别模拟了奇特的“莫比乌斯环”。设计师计划通过3D打印建筑物组块并拼接的方式建成该建筑物。

5.6　军事领域的应用

3D打印在军事领域中的应用广泛，中国第一款战斗机歼-15、多用途战斗轰炸机歼-16、隐形战斗机歼-20、第五代战斗机歼-31的研发中大量采用3D打印技术。使用3D打印机制造的步枪、多轮手枪均已经诞生。美国军方运用3D打印技术辅助制造导弹点火模型，并将3D打印技术用于发动机及军事卫星零件的加工制造。

63D打印产业的发展前景

3D打印快速成形技术在发挥其优势方面有很大的增长空间，今后对我们的工作、生活、学习等方面会产生巨大的影响，3D打印产业也将向着以下几个方面推进。

6.1　打印设备的两型化、智能化

未来3D打印设备将向着小型化和巨型化趋势迈进。小型打印设备既可以满足家庭和办公的使用要求，又可以在提供3D打印服务的打印店内实现很好的应用；巨型打印机可以满足大型制造工厂诸如航空航天、汽车制造企业的使用需求。同时，3D打印也向着智能化方向发展，3D打印软件可以依据材料、结构和制造环境等因素的变化来实现不同的响应方式，实现制造的智能化[8-9]。

6.2　材料的多元化

就目前而言，3D打印的材料仍局限在很少一部分，与传统制造业上可用材料种类相比，3D打印仍有很大的局限性。但是随着技术的进步，未来适用于3D打印的基础材料也将会大幅增加，而且会产生多元材料的混合制造，实现复杂物体的制造。

6.3　与新能源产业的融合

目前制造业使用的加工设备的原动机多以电能驱动的方式运转，随着地球资源的枯竭以及环境污染的压力，新能源取代传统能源的趋势已成必然。3D打印设备的自身优势为新能源的融合提供了有利支持，可以利用太阳能、风能、核能等新能源为3D打印设备提供能源动力，实现制造业的能源换代，实现“绿色、低碳”制造。

6.4　云制造时代

伴随着互联网高新技术产业的前进步伐，3D打印技术和新型化设计将推动“云制造”[10]模式的发展，即向着小规模、分布式方向转变。现行的大规模制造模式存在投入多、风险大等诸多弊端，而3D打印产业将会扭转这种局面，将一个个的小型制造企业组成大规模的分布式集成网络，规模堪比一个大型的制造企业。各个组成部分既独立又互连，降低了传统产业模式的风险。3D打印技术将推动制造商、小型企业和消费者进入“蚂蚁工厂”时代，应运而生的云平台将整合资源，提升服务与效率。同时云制造也会降低制造业准入门槛，推进技术创新。

6.5　制造业升级与商业模式革新

随着技术的推广，多领域交叉融合更加深入，必将带动制造业向高技术密集方向转化，促使相关产业链逐步形成，推动制造业转型升级，同时也将催生一种全新的商业模式。未来创意模型将作为一种商品出售，形成一种全新的商业模式，也将推动制造业进入“全民制造”时代，并开启和引领“全民智造”的浪潮。提供小型创意打印服务的商店、中大型打印服务的工厂，提供设计服务的专业公司，生态产业链有机结合，促进新型商业模式的发展繁荣。此外，3D打印将为“创新智造”提供动力，提升产业的竞争力。

7结束语

从3D打印技术面世到现在，技术的革新升级不断深化。随着CAD/CAM技术的突破，计算机互联网产业的飞速发展，3D打印将会对生产生活产生更深远的影响。3D打印的发展既是机遇又是挑战，应当看到仅有技术层面的发展远远不够，应在转变产业模式、推进技术创新等方面做足工作，才能让3D打印技术更好地为制造业创新转型提供新的发展动力。

参考文献

[1] 刘厚才，莫健华，刘海涛.三维打印快速成形技术及其应用[J].机械科学与技术，2008(9)：1185-1189.

[2] 陈步庆，林柳兰，陆齐，等.三维打印技术及系统研究[J].机电一体化，2005(4):13-15.

[3] 张曙，金天拾，黄仲明.三维打印的现状与发展前景[J].机械设计与制造工程，2013(2):1-5.

[4] 曹炜,曾忠,李合生.快速成形技术及其发展趋势[J].机械设计与制造，2006(5):104-106.

[5] 张冠石，翟为.三维打印技术及其在医疗领域的应用[J].中国医疗设备，2014(1):66-69.

[6] 杨恩泉.3D打印技术对航空制造业发展的影响[J].航空科学技术，2013(1):13-17.

[7] 闫彬彬，唐波.三维打印技术应用现状及前景展望[J].当代经济，2013(9)：40-41.

[8] 王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012(26):3-5.

[9] 卢秉恒，李涤尘.增材制造(3D打印)技术发展[J].机械制造与自动化，2013(4):1-4.

[10]Hod L，Melba K.Fabricated:the new world of 3D printing[M].New York:John Wiley & Sons Inc,2013:54-58.------------------------------------------------------------------------------------------------

中图分类号：TH164

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503002

修改稿收到日期：2014-09-19。

作者郭日阳(1990-)，男，2014年毕业于大连交通大学机械工程及自动化专业，获学士学位；主要从事先进制造技术的研究。