中国3D打印产业化前景浅析

林蒙丹 赵雪林

摘 要：第三次工业革命后，3D打印技术越来越受到各界的关注。作为一项快速成型技术，3D打印自问世以来便受到社会的强烈关注。有人甚至预测，不久的将来，3D打印技术将会替代传统制造业，使大批产业工人失业。文章从3D打印技术的现状出发，详细阐述目前遇到的瓶颈，从而得出结论：3D打印很难颠覆和替代传统制造技术，而只是作为它的补充。

关键词：3D打印技术;传统制造业;数字制造;瓶颈

3D打印是近几年开始流行的一种快速成型技术，3D是“3 dimensional”的缩写，表示三维空间，这种打印方式不是传统的平面打印，而是以计算机软件辅助建立数字模型，再使用金属或塑料等可粘合材料通过逐层打印的方式来获得一个立体的物件。由于它不需要制作模具，省去了大量的时间和环节，所以越来越受到各方的关注和欢迎。既然3D打印如此方便，未来是否可以直接利用3D打印来制造产品，能否大规模推广进而实现产业化呢？全国政协常委工信部原部長李毅中先生在世界3D打印技术产业大会上表示：“3D打印技术为传统制造业的创新注入新的动力和活力，但受技术和装备的局限，3D打印目前适用于少批量、小尺寸、高精度、造型复杂的零部件的加工制造，难以代替大规模、大批量的加工制造。”3D打印技术虽发展迅速，但还面临着不少瓶颈和挑战，不足以颠覆传统制造业。

1 高成本限制产业化

1.1 原材料昂贵 3D打印的材料种类虽然不少，但也算不上丰富多样，常见的主要包括：工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等，也有具有特殊用途的如彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等，常常以粉末、丝状、层片或液体等形态出现。对最常见的粉末状材料，如果打印设备的类型不同，粒径要求也不同，在1～100μm之间不等，除此之外，为了具有良好的流动性，还要求使用高球形度的粉末。这样苛刻的使用条件要求导致3D打印的材料身价飞涨，要想利用3D技术打印出一个10cm高的小人成本至少在百元以上。

1.2 打印设备昂贵 我国生产的3D打印机装备功能已经接近国际先进水平，差距主要体现在装备的可靠性和材料研发上。假如只需打印一些玩具等普通日用品，国产设备完全可以满足要求，但在生产精度要求较高的制造业，尤其是航空航天、精密制造等领域，如果要使用3D打印技术，那么所使用的3D打印机的关键器件必须得从国外进口，国产打印机在稳定性方面满足不了要求。一台德国Concept Laser高端工业级金属3D打印机，它的售价至少在600万人民币以上。因此，无论是高价的材料还是高昂的设备，都限制了其产业化的步伐。

2 材料缺乏无法开展产业化

3D打印的关键是设备，比设备更关键的则是材。目前能用来打印的材料还很有限，在使用过程中，往往还会发现很多材料的强度和硬度无法达到预期要求，这都会导致本来种类就不多的材料不能按要求使用。因为材料问题，3D打印只能在个别少数人手里进行，如果要放到工厂进行大规模的产业化应用，原材料势必供应不上，用不了一天就要停工。目前的家用3D打印机多数只能采用单一的塑料材质，工业用3D打印机所使用的多为金属粉末，但目前的激光熔炼技术还只能熔炼一些塑性较高、热加工性能较好、内部含联结元素高的金属材料，并不能适应所有的金属牌号，所以，不管是商用还是工业用，打印材料的稀缺是一个亟待解决的问题，我国的3D打印技术目前还处于“有锅没米”的局面。这在很大程度上牵绊了3D打印扩展其应用领域的脚步。

3 低效率限制批量生产

众所周知，3D打印技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的，它可以通过复制的方式在电脑中建立出该物体模型，可以快速地打印出成品，避免了传统制造业中模具设计、切割、抛光等等一系列工序，效率比起传统制造工艺来自然要高出很多，还避免了材料浪费。因此，在只针对单个或小批量元件制造及复杂零部件的生产中3D打印技术占有明显优势。但在金属材料方面，传统工艺的速度优势却是3D打印技术无法比拟的。效率低是3D打印技术所体现出来的最大弱点，尤其是遇到需大批量生产的物件时，3D打印完全不能与传统制造业相抗衡。

4 精度之低限制直接成型

4.1 打印成型后需要精密机械加工 3D打印虽然可以一次成型，但目前的金属3D打印构件所生产出来的零件表面精度往往还不能满足使用要求，还需要对表面进行精密的机械加工，去除表面毛糙的、不光滑的或存在表面瑕疵的部分，才能作为最终零件投入使用。因此，尽管3D打印可以不需要模具一次性构造出复杂的空间结构和内部的管路与腔体，但它的成型点阵精度在mm级，如果是对精度要求较高的零件，势必要在成型以后继续采用传统的精密机械进行加工，包括传统的热处理及锻造等。

4.2 打印成型后影响精密机械加工 3D打印可以获得复杂的空间结构和内部管路与腔体，但这些已形成的管路和腔体要再进一步进行机械加工却很有可能无法进行，反而会对后续的精密加工增加难度，这一引以为豪的优点在此时却成了累赘。如有些模型，想要让它发出迷人的光泽的话，在打印完后还需要对其表面进行二次加工，但已经一次成型的不规则形状却大大增加了二次加工的难度。因此，虽然3D打印可以一次性直接完成较高难度的复杂零件的成型，但其精度方面表现出来的缺陷导致它还不足以取代传统的机械加工。

5 总结

3D打印开创了另一种零件制造的方法，但还存在很多难以克服的困难。只能说这种新型制造方式是对传统制造方式的一种补充，通过新的制造方法克服了传统制造业的一些难题，但还没有发展到取代传统制造业的程度。3D打印想要真正达到大规模应用并产生效益，还需要很长的时间来发展和积累。

参考文献：

[1]中国机械工程协会编著.3D打印/打印未来[M].北京：中国科学技术出版社，2013.

[2]王春净，夏春宝，叶达飞.3D打印技术：如何颠覆传统制造业[J].机械制造，2014（3）.

[3]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）.

[4]管吉，杨树欣，管叶，高磊.3D打印技术在医疗领域的研究进展[J].中国医疗设备，2014（29）.

[5]肖亮，马训鸣，要义勇，谢志宴.3D打印喷头的热力学分析与结构优化设计[J].机械制造，2014（7）.