3D打印将颠覆传统制造业

中北大学仪器与电子学院吴文天

南京科技职业学院化学工程系吴永忠

3D打印技术快速发展

　　 3D打印技术自20世纪80年代问世以来，短短数十年取得了快速的发展，详见表1。根据美国3D打印技术咨询公司Wohlers Associates公司的数据，仅2013年全球3D打印市场增长就超过了1/3，达到30.7亿美元。这主要得益于低于5000美元的个人3D打印机的销售，但产业发展主要依赖于专业化设备的完善和提高，这些个人3D打印机对庞大的制造业帮助微乎其微。目前3D打印更多集中在个性消费、商用制造和医疗、航空等高端领域，在材料与打印效率未提高的情况下，尚未对制造业产生重大影响。随着科技的不断发展，3D打印将以其数字化信息化的特点逐步改变制造业格局。可以预见，在不远的未来，3D打印技术将对传统制造及相关行业造成深远影响。
　　 3D打印技术主要包括立体光固化成型技术（Stereo Lithography Apparatus， SLA）、熔融沉积成型技术（Fused Deposition Modeling，FDM）、选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering，SLS）、数字光处理技术（Digital Light Processing，DLP）、分层实体制造技术（Laminated Object Manufacturing，LOM）等。
　　从1986年Charles W. Hull成立3D Systems公司，到1988年3D Systems公司研发出世界上第一台基于SLA技术的商用3D打印机SLA-250，3D打印技术取得飞速发展，并已逐步形成成功的商业应用形式，在汽车制造业、电子产业、医疗业、消费电子业、工业制造等领域的市场份额已初具规模。详见表2。在教育领域，很多高校已将3D打印应用于多个学科的教育和科研工作中。目前，美国的3D Systems和Stratasys是3D打印行业齐头并进的超级公司，其产品占据了绝大多数的市场份额。

3D打印将颠覆传统制造业

　　由表3可见，从资源、环保、质量与个性化方面来看，3D打印技术将对制造业特别是高端制造业产生巨大影响，在不久的将来，必将冲击传统制造业。
3D打印过去常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。3D打印主要分为桌面级和工业级两种。桌面级是3D打印技术的初级阶段和入门阶段，能够很直观地阐述3D打印技术的工艺原理。工业级的3D打印机主要分为快速原型制造和直接产品制造两种。
3D打印的应用领域广泛，在下游应用行业和具体用途领域的分布反映了这一技术具有的优势和特点，同时也反映了这一技术的局限及在发展过程中尚需完善的地方，详见表4。前瞻分析认为，3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。目前，应用领域排名前三的是汽车、消费产品和商用机器设备。
　　由表4可见，3D打印机在制造业已经取得部分应用，可用于低端产品上采用FDM等工艺快速打印，具有小批量快速制造、能够直接将数字模型打印成成品、操作简单快捷等优点。在高端领域，采用SLS、SLA等工艺3D打印能够以高精度、低原料浪费等优点快速加工复杂的、传统工艺很难加工的零件。

四大劣势不容忽视

    1．成本高限制产业化
    ——材料昂贵限制应用
　　在家用领域，目前3D打印的材料有石膏、光敏树脂、塑料等，这些材料难以满足大众用户的需求。即使是工业级的3D打印材料也十分有限，目前适用的金属材料只有10余种，而且还需要专用的金属粉末材料才能获得满足要求的金属零件。原料尚未大批量供应造成3D打印材料昂贵。
    ——设备昂贵限制普及
　　3D打印机本身造价高昂，现在市面上一台稳定可靠的金属材料3D打印设备的价格在60万美元以上，而同等价格的传统数控机床的加工精度则远远高于3D打印设备。如果3D打印要想产业化，设备的成本毫无疑问将会十分巨大。
    2．材料缺限制领域扩展
　　目前3D打印技术能打印的材料还很有限，主要有树脂、石蜡、石膏、尼龙丝、钛合金、陶瓷、金属粉末等10多种，工业用 3D 打印机所使用的多为金属粉末，但目前打印还不能适应所有的金属牌号，受制于对激光熔炼技术的掌握，还只能简单地应用一些塑性较高、热加工性能好、内部含联结元素高的金属材料。目前的诸多成型手段和方法都有各自的一些缺陷，在航空领域，SLS工艺潜力最大，应用前景最广泛。目前SLS工艺成型的构件大多只能达到同牌号金属铸造的强度水平，虽然这已经能让构件进入正常的应用领域，但要承担像飞机这样的主要结构受力构件还是有很大限制的，3D打印工艺的完善和成熟还需要一段很长的路要走。
    3．效率低限制批量生产
　　就金属材料而言，传统工艺的速度优势是3D 打印技术无法比拟的。目前激光打印还是单光头、单层铺粉作业，速度还比较慢，每小时打印质量大多在1 kg以下，最好水平也只有9 kg左右，要实现工业化生产，特别是大规模生产，这个速度远远不够。而传统铸造工艺，只要有现成且合适的模具和设备，短时间内便可以实现量产。
    4．精度低限制直接成型
    ——打印成型后需要进一步精密机械加工
　　目前的金属 3D 打印构件都不能直接形成符合要求的零件表面，都必须经过表面的机械加工，去除表面多余的、不连续的、不光滑的金属，才能作为最终零件投入使用。因此，尽管3D打印可以获得复杂的空间结构和一些复杂的管路和腔体，但是电子束成型对复杂腔体、扭转体、薄壁腔体等成型效果不佳，成型以后仍然需要传统的精密机械加工，也需要传统的热处理，甚至锻造等。
    ——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一些复杂的管路和腔体，但这些管路和腔体的进一步机械加工很有可能无法进行，零件的重量效率、管路流动效率等方面不一定能够满足实际需求。
　　
“轮廓工艺”勾勒打印蓝图

　　美国航天局（NASA）出资与美国南加州大学合作，最新研发出“轮廓工艺”3D打印技术，只要一个按键就可以操控机械打印出房子。24小时内就可以打印出大约232m2的两层楼房，大大节约了建筑时间和建筑成本，该技术让人类在移民月球或火星后可以就地取材，快速并且批量打印出“外星屋”。该技术具有以下特点：
    1．速度快——24 小时打印出232 m2大宅
　“轮廓工艺”的工作速度非常快，24小时之内能打印出一栋两层楼高、2500平方英尺（约合232 m2）的房子。轮廓工艺3D打印技术目前已可以用水泥混凝土为材料，按照设计图的预先设计，用3D打印机喷嘴喷出高密度、高性能混凝土，逐层打印出墙壁和隔间、装饰等，再用机械手臂完成整座房子的基本架构。全程由电脑程序操控。
    2．成本低、省钱省力省料、更快更环保
　　为了节省建筑材料，轮廓工艺机器人打印出来的墙壁是空心的，虽然质量更轻，但它们的强度系数约为100 MPa，远远超过了传统房屋的墙壁，并可节省20%～25%的资金和25%～30%的材料；“轮廓工艺”最大的节省还是人力，通过使用3D打印机，“轮廓工艺”将节省45%～55%的人工，相应地也会使用更少的能源，排放更少的二氧化碳，不仅降低了成本，而且提高了速度。
    3．外形美、波浪形外墙、更美观更环保
　　这项新技术还可以将建筑构件根据需要制成任意形状，不一定非得是传统的直线形，比如可以让房屋墙面拥有弧形或波浪形的独特外观，既丰富了建筑的美感，又符合经济及环保效益。此外，它还可以在灾区重建、贫民区改造中大显身手。
    4．批量打印“外星屋”
　　“轮廓工艺”技术不仅可在地球使用，还可以运用于外太空。据联合国估计，2050年全球人口将达到史无前例的96亿，地球居住空间将更为拥挤，荷兰非营利组织“火星一号”从20万报名者中挑出1058人，参加移民火星训练，预计将挑选出24位移民者，2024年分成6个梯次依序升空到火星居住。而人类未来若要移居其他星球，解决住宅问题可谓首要任务。
　　虽然“轮廓工艺”技术还存在一些不足，但它的诞生意味着在这个领域会有许多新工种出现。目前，该项目已经获得众多建筑机构和公司的关注。可以预见，在不久的将来，3D打印制造技术必将对传统制造业形成很大的冲击力，3D打印制造已经离我们越来越近了。

表1 3D打印技术发展历程
时间                                                 发展事件
1982年由Charles W. Hull首次应用光学技术于增材制造
1986年 Charles W. Hull成立3D Systems公司，研发了著名的STL文件格式，STL格
  式逐渐发展成为CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准
1988年 3D Systems公司研发出世界上第一台基于SLA技术的商用3D打印机SLA-250，
  此台打印机的面世标志着3D打印商业化的起步
1988年 3D Systems公司利用SLA技术研发出人类史上第一台商业3D打印机SLA-250，3D
  打印商业化正式起步
1989年 Scott Crump发明FDM技术，并成立了另一个3D打印行业巨头Stratasys公司
1992年 Stratasys公司推出第一台基于FDM技术的3D打印机3D Moldeler，标志着FDM
  技术步入了商用阶段
1993年麻省理工大学发明了三维印刷技术，此技术可通过胶黏剂将金属、陶瓷等粉末
  粘合成型
1995年我国的自然科学学科战略发展将自由造型系统、计算机集成系统研究列为重点
  研究领域之一
1996年快速成型技术有了更通俗的称谓——3D打印
2002年 Stratasys公司推出基于FDM技术的Dimension桌面打印机
2005年 Z Corporation公司推出世界上首台彩色打印机Spectrum 2510，从此3D打印
  进入彩色时代
2007年全球首个3D打印服务创业公司Shaperways成立，为用户提供个性化的3D打
  印服务
2008年第一款开源的桌面级3D打印机RepRap发布，它的面世为新一轮的3D打印浪
  潮开辟了道路
2009年著名的桌面级3D打印机公司MakerBot问世，相比较之前的3D打印机，MakerBot
  在成型精度、打印尺寸等指标上都有了长足的进步
2012年 3D打印行业的两个领先企业Stratasys公司和Objet公司合并，合并后的Stratasys
  公司进一步确立了自己在3D打印及数字制造业的领先地位，与此同时，中国拥有
  了自己的3D打印技术产业联盟
2014年美国成功打印出美国南加州大学的“轮廓工艺”3D打印在24 h内能打印出一栋
  两层楼高、2500平方英尺（约合232平方米）的房子
2015年中国成功打印出飞机用中央翼缘条制造并成功应用于国产首架大型客机C919原
  型机

表2 3D打印应用的需求量
行业需求占比/%
汽车 31.7
消费产品 18.4
商用机械设备 11.2
医学 8.8
学术理论建模 8.6
航天 8.2
政府军事 5.5
其它 7.7
合计 100

表3 3D打印与传统制造工艺的比较
制造方法传统制造 3D打印
用材量加法制造（增材制造）减法制造（减材制造）
规模与成本决定因素大量制造，以量定价小量生产，成本均一
手段手工数字化
工作特色劳动力密集脑力密集
产品特性规格化定制化
产品设计难度受模具设计限制能实现任何设计
工厂设置跨国企业在人力便宜之处设工厂跨国企业在各国市场所在地设工厂
设计与生产线间的距离遥远涉及即生产，随时回应市场需求