解析3D打印技术以及未来发展方向

1、解析3D打印技术以及未来发展方向时代周刊将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”。据Wohlers Associates预测，2015年将达到37亿美元，并预计到2020年达到52亿美元。随 着技术成果的推广和应用，3D打印技术产业的发展呈现出快速增长势头。从行业分布来看，用于消费电子领域的打印技术仍然占主导地位，大约占 20.3%的市场份额，其他主要领域依次是汽车(19.5%)、医疗和医科(15.1%)、工 业及商用机器(10.8%)；从区域分布来看，北美地区(40.2%)、欧洲(29.1%)、亚 洲(26.3%)三大区域占主导地位，其中亚洲地区主要集中于日本(38.7%)及中国 (32

2、.9%)。一、3大技术类型支撑产业发展根据所用材料及生成片层方式的区别，产业不断拓展出新的3D打印技术路 径和实现方法。可大致归纳为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型三大技术类 型，每种类型又包括一种或多种技术路径。1、挤出成型。主要以熔融沉积成型(FDM)技术实现，与其他的3D打印技术 相比，FDM是唯一使用工业级热塑料作为成型材料的积层制造方法，打印出的物 件可耐受高热、耐受腐蚀性化学物质、抗菌和抗强烈的机械应力，被用于制造概 念模型、功能原型，甚至直接制造零部件和生产工具。FDM技术被Stratasys公 司、惠普公司作为核心技术所采用。2012年由Stratasys公司发布的超大型快速

3、 成型系统Fortus 900mc，代表了当今FDM技术的最高成型精度、成型尺寸和产 能，可被用于打印真正的产品级零部件。2、粒状物料成型。主要分为两类，一类是有选择的在颗粒层中融化打印材 料，而未融化的材料则被生成物件的支撑或薄壁以减少对其他支撑材料的需求。 主要包括：3D System公司的sPro系列3D打印机采用的选择性激光烧结(SLS) 技术，德国EOS公司采用的可打印几乎所有合金材质的直接金属激光烧结(DMLS) 技术，瑞典ARCAM公司采用的通过高真空环境下电子束将融化的金属粉末层层叠 加的电子束熔炼(EBM)积层制造技术。另一类是3D System公司的ZPrinter系列3D

4、打印机所采用的喷头式粉末成 型打印技术。该系列打印机在喷每一层石膏或树脂粉末的同时，都会通过横截面 进行粘合，并重复该过程，直到打印完每一层。该技术允许打印全色彩原型和弹 性部件，将蜡状物、热固性树脂和塑料加入粉末一起打印还可以增加强度。3、光聚合成型。其实现途径较多，其一是由美国3D System公司开发的用 于生产固体部件的光固化成型(SLA)技术。该技术具有成型过程自动化程度高、 制作原型表面质量好、尺寸精度高等特点，但对液态光敏聚合物进行操作的SLA 精密设备同时也要求苛刻的工作环境，且成型件多为树脂类，强度、刚度、耐热 性有限，不利于长时间保存。OFweeK其二是Objet公司的Po

5、lyJet喷头打印机技术，喷射16-30 m超薄光敏聚 合物材料层到构建托盘上直至部件制作完成。该技术通常被用来设计支撑复杂几 何形状的凝胶体材料，通过手剥和水洗即可去除。其三是德国EnvisionTec公司的Ultra 3D打印数字光处理(DLP)快速成型系 统。该系统能够构建组合型的3D部件，并使用高分辨率的数字光处理器投影仪 来固化液态光聚合物，从而快速精准的完成模型的制造。二、产业发展仍面临着重要的技术制约3D打印产业在蓬勃发展的过程中也面临诸多问题，影响和制约其快速大规 模产业化的因素主要是以下三点：1、材料的限制对3D打印技术应用范围形成掣肘。目前3。打印耗材有限，多 为石膏、塑料

6、、可粘结的粉末颗粒、树脂等，制造精度、复杂性、强度等难以达 到较高要求，一般只能应用于模型、玩具等产品领域。对于金属材料来说，如果 液化打印则难以成型；采用粉末冶金方式，除高温还需高压，这些技术恐怕短期 很难成熟。2、价格成本的制约导致设备需求量难有爆发性增长。当前3D打印机价格高 企，昂贵的设备只能提供有限的价值。即使3D打印机成本能够降下来，但单个 商品的制造成本依然得不到解决。使用3D打印机制造商品，其成本要远高于大 型企业规模化生产后均摊到每一件商品的成本。而后者批量生产也比3D打印产 品的制造速度要快得多。3、3D打印技术产品性能缺陷暂时无法弥补。3D打印不适合直接制造高精度 零件，

7、后期仍需经过人工处理。由于3D打印是材质一层一层堆积成形，每一层 都有厚度，这决定了它的精度难以企及传统制造方法。提高制造精度需不断降低 每一层的厚度，难度提高的同时，制造时间也大幅延长。即便层和层之间粘结再 紧密，其产品性能也无法和传统模具整体浇铸的零件相媲美。三、未来产业技术发展趋势日益明显当前产业技术领域正朝着以下方向发展：1、规范性标准成为3D打印材料选取的基本保障。目前已有大量材料或混合 物应用于3D打印技术，但如何更好地理解每种材料的加工一结构一属性之间的 关系，并发挥好它们的特性仍需大量的研究工作。此外，开发质量测试的程序和 方法以帮助扩展可用材料的种类也十分重要。在3D打印技术

8、完全过渡到可提供 切实可行的制造解决方案之前，需要整合研究机构和材料制造商等多方力量来为 材料提供力学性能数据的规范性标准。2、科学化的把控机制成为实现工艺流程的关键环节。为提高机器之间的连贯性、重复性和统一性，需要有内部过程监控和闭环反馈的方法。应认真审查原 位传感器，以此来提供无损性评估，并使之能够进行早期缺陷检测，特别是与热 能控制有关的缺陷检测，较好的流程控制也将减少设备的故障时间。此外，要了 解和预测材料性能（如表面粗糙度和疲劳性能），就需要创建预测性模型，对零部 件在设计过程中的功能特性进行预估，并调整设计以达到预期结果。3、开放性与易操作是设计工具的重要评价标准。3D打印需要广泛运用计算 机辅助设计工具。对于直接零部件制造，需要新工具来优化形状和材料性能，同 时设计复杂的点阵结构，