全方位解讀3D打印行業(yè)

一、3D打印簡介

3D打印技術(shù)從狹義上來說主要是指增材成型技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。從成型工藝上看3D打印突破了傳統(tǒng)成型方法，無需先行制作模具和機(jī)械加工，通過快速自動成型硬件系統(tǒng)與CAD軟件模型結(jié)合就能夠制造出各種形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，這使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期大大縮短，生產(chǎn)成本大幅下降。

3D打印目前的研究熱點(diǎn)主要集中在材料和設(shè)備，其中設(shè)備分為硬件、軟件部分：

材料：包括樹脂、金屬、陶瓷、塑料或天然材料等，通過3D打印技術(shù)，這些材料最終將變成實(shí)在的功能產(chǎn)品。

設(shè)備：硬件系統(tǒng)將材料按照軟件（設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和制作數(shù)據(jù)）的要求實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品成型。

下面將逐一分別介紹：

二、3D打印常用材料

材料是3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)前制約3D打印發(fā)展的瓶頸。3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設(shè)備和工藝而研發(fā)的，其形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。通常，根據(jù)打印設(shè)備的類型及操作條件的不同，所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為1～100μｍ不等，而為了使粉末保持良好的流動性，一般要求粉末要具有高球形度。

目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

工程塑料指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。工程塑料是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類3D打印材料，常見的有ABS類材料、PC類材料、尼龍類材料等。ABS材料是fused deposition modeling（FDM，熔融沉積造型）快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料，具有強(qiáng)度高、韌性好、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)。

光敏樹脂即UV樹脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光（紫外光）引發(fā)劑（或稱為光敏劑）。在一定波長的紫外光（250０～300ｎｍ）照射下能立刻引起聚合反應(yīng)完成固化。光敏樹脂一般為液態(tài)，可用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水材料。目前，研究光敏材料3D打印技術(shù)的主要有美國3Dsystem公司和以色列object公司。常見的光敏樹脂有somos NEXT材料、樹脂somos11122材料、somos19120材料和環(huán)氧樹脂。

橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特征，這些材料所具備的硬度、斷裂伸長率、抗撕裂強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應(yīng)用領(lǐng)域。3D打印的橡膠類產(chǎn)品主要有消費(fèi)類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及汽車內(nèi)飾、輪胎、墊片等。

金屬材料：在國防領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國家非常重視3D打印技術(shù)的發(fā)展，不惜投入巨資加以研究，而3D打印金屬零部件一直是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等。

陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。但由于陶瓷材料硬而脆的特點(diǎn)使其成形尤其困難。

（1）3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結(jié)劑粉末所組成的混合物。陶瓷粉末和粘結(jié)劑粉末的配比會影響到陶瓷零部件的性能。粘結(jié)劑份量越多，固化比較容易，但在后置處理過程中零件收縮比較大，會影響零件的尺寸精度。粘結(jié)劑份量少，則不易固化成形。

（2）由于光敏樹脂的熔點(diǎn)較低，液態(tài)樹脂具有高粘性而導(dǎo)致流動性較差，在每層固化之后液面很難在短時(shí)間內(nèi)迅速撫平，這樣將會影響到實(shí)體的成型精度。

（3）瓷粉末在激光直接快速燒結(jié)時(shí)液相表面張力大，在快速凝固過程中會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而形成較多微裂紋。

目前，國內(nèi)陶瓷直接快速成形工藝尚未成熟，正處于研究階段。

三、3D打印設(shè)備技術(shù)

３Ｄ打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。

1）信息技術(shù)先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件及數(shù)字 化工具，輔助設(shè)計(jì)人員制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并根據(jù)模型自動分析出打印的工序，自動控制打印器材的走向。

２）精密機(jī)械，３Ｄ打印技術(shù)以“每層的疊加”為加工方式，產(chǎn)品的生產(chǎn)要求高精度，必須對打印設(shè)備的精準(zhǔn)程度、穩(wěn)定性有較高的要求。

根據(jù)成型原理的差異我們主要介紹一下幾種常用的3D打印技術(shù)：

1、分層實(shí)體成型工藝（LOM），這是歷史最為悠久的3D打印成型技術(shù)。LOM技術(shù)成型多使用紙材、PVC薄膜等材料，價(jià)格低廉且成型精度高。如圖所示為LOM技術(shù)的基本原理

（1）分層實(shí)體成型系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)、原材料存儲與運(yùn)送部件、熱粘壓部件、激光切系統(tǒng)、可升降工作臺等部分組成。

（2）其中計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)接收和存儲成型工件的三維模型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要是沿模型高度方向提取的一系列截面輪廓。原材料存儲與運(yùn)送部件將把存儲在其中的原材料（底面涂有粘合劑的薄膜材料）逐步送至工作臺上方。

（3）激光切割器將沿著工件截面輪廓線對薄膜進(jìn)行切割，可升降的工作臺能支撐成型的工件，并在每層成型之后降低一個(gè)材料厚度以便送進(jìn)將要進(jìn)行粘合和切割的新一層材料，最后熱粘壓部件將會一層一層地把成型區(qū)域的薄膜粘合在一起，就這樣重復(fù)上述的步驟直到工件完全成型。

2、立體光固化成型工藝（SLA），是目前世界上研究最為深入、技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種3D打印技術(shù)。SLA工藝以光敏樹脂作為材料，在系統(tǒng)控制下紫外激光將對液態(tài)的光敏樹脂進(jìn)行掃描從而讓其逐層凝固成型，SLA工藝能以簡潔且全自動的方式制造出精度極高的幾何立體模型。如圖所示為SLA技術(shù)的基本原理：

（1）液槽中會先盛滿液態(tài)的光敏樹脂，氦—鎘激光器或氬離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在計(jì)算機(jī)的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行逐行逐點(diǎn)掃描，這使掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化從形成工件的一個(gè)薄層。

（2）當(dāng)一層樹脂固化完畢后，工作臺將下移一個(gè)層厚的距離以使在原先固化好的樹脂表面上再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平然后再進(jìn)行下一層的激光掃描固化。因?yàn)橐簯B(tài)樹脂具有高粘性而導(dǎo)致流動性較差，在每層固化之后液面很難在短時(shí)間內(nèi)迅速撫平，這樣將會影響到實(shí)體的成型精度。采用刮板刮平后所需要的液態(tài)樹脂將會均勻地涂在上一疊層上，這樣經(jīng)過激光固化后將可以得到較好的精度，也能使成型工件的表面更加光滑平整。

（3）新固化的一層將牢固地粘合在前一層上，如此重復(fù)直至整個(gè)工件層疊完畢，這樣最后就能得到一個(gè)完整的立體模型。

3、選擇性激光燒結(jié)工藝（SLS）：SLS工藝使用的是粉末狀材料，激光器在計(jì)算機(jī)的操控下對粉末進(jìn)行掃描照射而實(shí)現(xiàn)材料的燒結(jié)粘合，就這樣材料層層堆積實(shí)現(xiàn)成型，如圖所示為SLS的成型原理：

（1）先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表面，數(shù)控系統(tǒng)操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進(jìn)行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，從而進(jìn)行燒結(jié)并于下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘合。

（2）當(dāng)一層截面燒結(jié)完后工作臺將下降一個(gè)層厚，這時(shí)壓輥又會均勻地在上面鋪上一層粉末并開始新一層截面的燒結(jié)，如此反復(fù)操作直接工件完全成型。

（3）在成型的過程中，未經(jīng)燒結(jié)的粉末對模型的空腔和懸臂起著支撐的作用，因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那樣需要支撐結(jié)構(gòu)。SLS工藝使用的材料與SLA相比相對豐富些，主要有石蠟、聚碳酸酯、尼龍、纖細(xì)尼龍、合成尼龍、陶瓷甚至還可以是金屬。

（4）當(dāng)工件完全成型并完全冷卻后，工作臺將上升至原來的高度，此時(shí)需要把工件取出使用刷子或壓縮空氣把模型表層的粉末去掉。

4、熔融沉積成型工藝（FDM）將絲狀的熱熔性材料進(jìn)行加熱融化，通過帶有微細(xì)噴嘴的擠出機(jī)把材料擠出來，熔融的絲材被擠出后隨即會和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積后工作臺將按預(yù)定的增量下降一個(gè)厚度，然后重復(fù)以上的步驟直到工件完全成型。FDM的詳細(xì)技術(shù)原理：

（1）熱熔性絲材（通常為ABS或PLA材料）先被纏繞在供料輥上，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動輥?zhàn)有D(zhuǎn)，絲材在主動輥與從動輥的摩擦力作用下向擠出機(jī)噴頭送出。在供料輥和噴頭之間有一導(dǎo)向套，導(dǎo)向套采用低摩擦力材料制成以便絲材能夠順利準(zhǔn)確地由供料輥送到噴頭的內(nèi)腔。

（2）噴頭的上方有電阻絲式加熱器，在加熱器的作用下絲材被加熱到熔融狀態(tài)，然后通過擠出機(jī)把材料擠壓到工作臺上，材料冷卻后便形形成了工件的截面輪廓。

5、三維印刷工藝（3DP），工作原理類似于噴墨打印機(jī)，與SLS工藝也有著類似的地方，采用的都是粉末狀的材料，如陶瓷、金屬、塑料，但與其不同的是3DP使用的粉末并不是通過激光燒結(jié)粘合在一起的，而是通過噴頭噴射粘合劑將工件的截面“打印”出來并一層層堆積成型的，如圖所示為3DP的技術(shù)原理：

首先設(shè)備會把工作槽中的粉末鋪平，接著噴頭會按照指定的路徑將液態(tài)粘合劑（如硅膠）噴射在預(yù)先粉層上的指定區(qū)域中，此后不斷重復(fù)上述步驟直到工件完全成型后除去模型上多余的粉末材料即可。3DP技術(shù)成型速度非?？?，適用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，也適用于制作復(fù)合材料或非均勻材質(zhì)材料的零件。

6、PolyJet技術(shù)也是當(dāng)前最為先進(jìn)的3D打印技術(shù)之一，與3DP有點(diǎn)類似，不過噴射的不是粘合劑而是聚合成型材料，如圖所示為PolyJet聚合物噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：

（1）PolyJet的噴射打印頭沿X軸方向來回運(yùn)動，工作原理與噴墨打印機(jī)十分類似，不同的是噴頭噴射的不是墨水而是光敏聚合物。當(dāng)光敏聚合材料被噴射到工作臺上后，UV紫外光燈將沿著噴頭工作的方向發(fā)射出UV紫外光對光敏聚合材料進(jìn)行固化。

（2）完成一層的噴射打印和固化后，設(shè)備內(nèi)置的工作臺會極其精準(zhǔn)地下降一個(gè)成型層厚，噴頭繼續(xù)噴射光敏聚合材料進(jìn)行下一層的打印和固化。就這樣一層接一層，直到整個(gè)工件打印制作完成。

四、3D打印優(yōu)勢與缺陷

1、 優(yōu)勢：

如前所述，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印不必事先制造模具，不必在制造過程中去除大量的材料，也不必通過復(fù)雜的鍛造工藝就可以得到最終產(chǎn)品，因此，在生產(chǎn)上可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)約材料和節(jié)省能源。3D打印技術(shù)適合于新產(chǎn)品開發(fā)、快速單件及小批量零件制造、復(fù)雜形狀零件的制造、模具的設(shè)計(jì)與制造等，也適合于難加工材料的制造、外形設(shè)計(jì)檢查、裝配檢驗(yàn)和快速反求工程等。

另外在材料合成上，與傳統(tǒng)相比，3D打印將獲得更高的靈活性和有效性。這是未來3D打印發(fā)展的新領(lǐng)域。

傳統(tǒng)：

3D打印：

3D打印的共同目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)從一臺機(jī)器中打印出各種復(fù)合材料，一次性為項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)多重制造屬性。然而，細(xì)觀結(jié)構(gòu)材料技術(shù)允許我們獲得更多單一材料之外的利用價(jià)值。相比較于對不同的性能便要依賴不一樣的材料，設(shè)計(jì)師可以利用細(xì)觀結(jié)構(gòu)材料技術(shù)來創(chuàng)造一種擁有各種所需的性能特點(diǎn)的物體。

2、缺陷

（1）3D產(chǎn)品難以批量復(fù)制。3D在個(gè)性化乃至小規(guī)模生產(chǎn)中獨(dú)具特色，但是在批量生產(chǎn)方面無法實(shí)現(xiàn)。

（2）制作過程相對復(fù)雜，尤其是對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，需要各種結(jié)構(gòu)信息的采集，打印設(shè)備的矯正。

（3）材料的突破。3D打印可以應(yīng)用到很多場景，但是材料和打印工藝、技術(shù)與傳統(tǒng)制造工藝相比沒有優(yōu)勢，這些需要產(chǎn)業(yè)界更好的協(xié)作推進(jìn)。

（4）成本較高，不可復(fù)制性也是成本提升的重要原因之一。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、政策體系不夠完善，教育和培訓(xùn)制度急需加強(qiáng)，專業(yè)人才比較缺乏。

（5）實(shí)用性不強(qiáng)，對于一些產(chǎn)品往往只能打印外殼或者樣機(jī)，無法像原型樣機(jī)那樣具有產(chǎn)品的全部功能。

作為快速成型機(jī)，3D是用于完成各類制造工程中等級最低的共通部分。這導(dǎo)致的結(jié)果是，這些機(jī)器可以做很多事，但做得好的卻極少。這不是因?yàn)椴牧咸厥饣蚩刂铺冗M(jìn)復(fù)雜而造成的困境。而真正制約3D打印技術(shù)創(chuàng)新的是我們看待這些技術(shù)的方式：只把它看作單一的部件制造，而缺乏系統(tǒng)性。

五、市場分析

美國消費(fèi)者技術(shù)協(xié)會(CTA)與聯(lián)合包裹服務(wù)(UPS)近日聯(lián)合發(fā)布名為《3D打?。汗I(yè)生產(chǎn)下一場革命》的報(bào)告，預(yù)測未來4年這個(gè)市場營收將增長2倍達(dá)到210億美元。去年，3D打印市場價(jià)值增長了30%。

3D打印行業(yè)今年市場價(jià)值將達(dá)到73億美元，包括打印機(jī)器、材料以及打印服務(wù)等。到2020年，這個(gè)行業(yè)的價(jià)值有望達(dá)到210億美元。其中，消費(fèi)電子與汽車行業(yè)將推動3D打印行業(yè)增長40%，醫(yī)療設(shè)備則推動其增長15%。舉例來說，全球98%的助聽器正使用3D打印技術(shù)制造。

報(bào)告中稱，目前2/3的制造商已經(jīng)在某種程度上使用3D打印技術(shù)，25%的制造商計(jì)劃將來采用這種技術(shù)。企業(yè)采用3D打印技術(shù)的最大原因包括：制作原型(占比25%)、產(chǎn)品開發(fā)(占比16%)以及創(chuàng)新(占比11%)。

早期采用3D打印技術(shù)的企業(yè)主要利用其制作產(chǎn)品原型。事實(shí)上，3D打印僅占全球制造業(yè)市場的0.04%，而且制作原型是最常見使用方式。研究公司W(wǎng)ohlers Associates認(rèn)為，3D打印技術(shù)最終將占全球制造業(yè)市場的5%，即其代表6400億美元的巨大機(jī)遇。

六、展望

從應(yīng)用的角度看，過去十年里，涉及到3D打印的專利申請數(shù)量已飆升超過800％，而專利授權(quán)數(shù)量也大幅上升。目前3D打印僅占全球制造業(yè)市場的0.04%，與十萬億美元級別的制造市場相比，差距明顯。

不過，與高效率的大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)相比，3D打印有其本身的優(yōu)勢，它可以實(shí)現(xiàn)定制化甚至以相同的成本來生產(chǎn)個(gè)性化的產(chǎn)品，帶給消費(fèi)者更多的個(gè)人價(jià)值（不會因?yàn)楫a(chǎn)品規(guī)?；鴥r(jià)格下降）。在定制化、個(gè)性化以及形狀復(fù)雜化領(lǐng)域包括大規(guī)模生產(chǎn)沒有利潤空間的產(chǎn)品領(lǐng)域，3D打印可以大顯身手。未來，3D打印可以在時(shí)裝、航空航天、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品等定制化需求強(qiáng)盛的領(lǐng)域創(chuàng)造強(qiáng)大的產(chǎn)品類目。

從長遠(yuǎn)角度看，3D打印將為我們帶來分散式的生產(chǎn)工具，分散式的社會化大協(xié)作將再次成為主題，未來展現(xiàn)在我們面前的是個(gè)性化與社會化創(chuàng)造的時(shí)代。3D打印將創(chuàng)建一個(gè)全新的功能強(qiáng)大的產(chǎn)品類別，以消除對復(fù)雜的供應(yīng)鏈和過度浪費(fèi)的依賴，同時(shí)分散生產(chǎn)，財(cái)富和知識的潛力。3D打印可以幫助建立一個(gè)以生產(chǎn)和消費(fèi)緊密結(jié)合為特征的分散的，自力更生的經(jīng)濟(jì)體。

作者：叮咚