李小麗 馬劍雄 李 萍 陳 琪 周偉民

(上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院1，上海 201203;上海市納米科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進中心2，上海 200237)

0 引言

2012年4月，英國著名雜志《經(jīng)濟學(xué)人》發(fā)表專題報告指出，全球工業(yè)正在經(jīng)歷第三次工業(yè)革命，與以往不同，本次革命將對制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響，其中一項具有代表性的技術(shù)就是3D打印(3D printing)技術(shù)。美國《時代》周刊也將3D打印列為“美國十大增長最快的工業(yè)”。自2013年以來，國內(nèi)媒體界、學(xué)術(shù)界、金融界也掀起了關(guān)注3D打印技術(shù)的熱潮，各級政府部門開始關(guān)注并制訂3D打印技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。本文在查閱大量文獻和實踐調(diào)研的基礎(chǔ)上，分別從3D打印技術(shù)的概念、工藝、材料、設(shè)備及其商業(yè)化狀況等方面進行介紹;并在此基礎(chǔ)上，進一步展望了3D打印技術(shù)的應(yīng)用趨勢和對人類未來生產(chǎn)生活方式的影響。

1 3D打印技術(shù)的概念和分類

3D打印技術(shù)，學(xué)術(shù)上又稱“添加制造”(additive manufacturing)技術(shù)，也稱增材制造或增量制造。根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)2009年成立的3D打印技術(shù)委員會(F42委員會)公布的定義，3D打印是一種與傳統(tǒng)的材料加工方法截然相反，基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過增加材料逐層制造的方式。其采用直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。3D打印技術(shù)內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品生命周期前端的“快速原型”(rapid prototyping)和全生產(chǎn)周期的“快速制造”(rapid manufacturing)相關(guān)的所有打印工藝、技術(shù)、設(shè)備類別和應(yīng)用。3D打印涉及的技術(shù)包括CAD建模、測量、接口軟件、數(shù)控、精密機械、激光、材料等多種學(xué)科的集成。

3D打印具有如下特點和優(yōu)勢。

①數(shù)字制造:借助CAD等軟件將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)字化，驅(qū)動機器設(shè)備加工制造成器件;數(shù)字化文件還可借助網(wǎng)絡(luò)進行傳遞，實現(xiàn)異地分散化制造的生產(chǎn)模式。

②降維制造(分層制造):即把三維結(jié)構(gòu)的物體先分解成二維層狀結(jié)構(gòu)，逐層累加形成三維物品。因此，原理上3D打印技術(shù)可以制造出任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且制造過程更柔性化。

③堆積制造:“從下而上”的堆積方式對于實現(xiàn)非勻致材料、功能梯度的器件更有優(yōu)勢。

④直接制造:任何高性能難成型的部件均可通過“打印”方式一次性直接制造出來，不需要通過組裝拼接等復(fù)雜過程來實現(xiàn)。

⑤快速制造:3D打印制造工藝流程短、全自動、可實現(xiàn)現(xiàn)場制造，因此，制造更快速、更高效。

3D打印技術(shù)的發(fā)展起源可追溯至20世紀(jì)70年代末到80年代初期，美國3M公司的Alan Hebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美國 UVP公司的Charles Hull(1982年)和日本的丸谷洋二(1983年)四人各自獨立提出了這種概念。1986年，Charles Hull率先推出光固化方法［1］(stereo lithography apparatus，SLA)，這是3D打印技術(shù)發(fā)展的一個里程碑。同年，他創(chuàng)立了世界上第一家3D打印設(shè)備的3D Systems公司。該公司于1988年生產(chǎn)出了世界上第一臺3D打印機SLA-250。1988年，美國人Scott Crump發(fā)明了另外一種3D打印技術(shù)——熔融沉積制造(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)，并成立了Stratasys公司。目前，這兩家公司是僅有的兩家在納斯達克上市的3D打印設(shè)備制造企業(yè)。1989年，C.R.Dechard發(fā)明了選擇性激光燒結(jié)法(selective laser sintering，SLS)，其原理是利用高強度激光將材料粉末燒結(jié)直至成型。1993年，麻省理工大學(xué)教授Emanual Sachs發(fā)明了一種全新的3D打印技術(shù)。這種技術(shù)類似于噴墨打印機，通過向金屬、陶瓷等粉末噴射粘接劑的方式將材料逐片成型，然后進行燒結(jié)制成最終產(chǎn)品。這種技術(shù)的優(yōu)點在于制作速度快、價格低廉。隨后，Z Corporation公司獲得麻省理工大學(xué)的許可，利用該技術(shù)來生產(chǎn)3D打印機，“3D打印機”的稱謂由此而來。此后，以色列人 Hanan Gothait于1998年創(chuàng)辦了 Objet Geometries公司，并于2000年在北美推出了可用于辦公室環(huán)境的商品化3D打印機。

2 材料和設(shè)備

3D打印設(shè)備制造商主要集中在美國、德國、以色列、日本和瑞典等，并以美國為主導(dǎo)。其中，美國的Stratasys和3D Systems兩家公司整合了全球主流工藝90%的產(chǎn)品線。2011年，3D Systems公司收購了Z Corporation公司。2012年，Stratasys公司并購了以色列Objet公司，完成了資源整合。

3D打印按材料可分為塊體材料、液態(tài)材料和粉末材料等。按照美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)3D打印技術(shù)委員會(F42委員會)的標(biāo)準(zhǔn)，目前七類3D打印工藝與所用材料如表1所示。

表1 3D打印技術(shù)的類型和屬性Tab.1 Types and properties of 3D printing technology

目前，已實現(xiàn)商品化的3D打印機共涵蓋了七類工藝，其中以SLA、SLS、FDM和3D打印等為主。

光固化打印(SLA)是采用紫外光在液態(tài)光敏樹脂表面進行掃描，每次生成一定厚度的薄層，從底部逐層生成物體。其優(yōu)點是原材料的利用率將近100%，尺寸精度高(±0.1 mm)，表面質(zhì)量優(yōu)良，可以制作結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的模型;缺點是價格昂貴，可用材料種類有限，制成品在光照下會逐漸解體。

選擇性激光燒結(jié)打印(SLS)是采用高功率的激光，把粉末加熱燒結(jié)在一起形成零件。SLS工藝的優(yōu)點是可打印金屬材料和多種熱塑性塑料，如尼龍、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯類、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等，打印時無需支撐，打印的零件機械性能好、強度高;缺點是材料粉末比較松散，燒結(jié)后成型精度不高，且高功率的激光器價格昂貴。

熔融沉積打印(FDM)是采用熱融噴頭，使塑性纖維材料經(jīng)熔化后從噴頭內(nèi)擠壓而出，并沉積在指定位置后固化成型。這種工藝類似于擠牙膏的方式，其優(yōu)點是價格低廉、體積小、生成操作難度相對較小;缺點是成型件的表面有較明顯的條紋，產(chǎn)品層間的結(jié)合強度低、打印速度慢。

3D打印是采用類似噴墨打印機噴頭的工作方式［2］，這種工藝與選擇性激光燒結(jié)十分類似，只是將激光燒結(jié)過程改為噴頭粘結(jié)，光柵掃描器改為粘結(jié)劑噴射頭。其優(yōu)點是打印速度快、價格低;缺點是打印出來的產(chǎn)品機械強度不高。

3 目前存在的主要問題

3D打印技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的進展，但仍存在以下幾方面問題。

①3D打印的耗材。耗材是目前制約3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前已研發(fā)的材料主要有塑料、樹脂和金屬等，然而3D打印技術(shù)要實現(xiàn)更多領(lǐng)域的應(yīng)用，就需要開發(fā)出更多的可打印材料，根據(jù)材料特點深入研究加工、結(jié)構(gòu)與材料之間的關(guān)系，開發(fā)質(zhì)量測試程序和方法，建立材料性能數(shù)據(jù)的規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)等。此外，在一些關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，尋找合適的材料也是一大挑戰(zhàn)，例如空客概念飛機的仿真結(jié)構(gòu)，要求機身必須透明且有很高的硬度。為符合這些要求就需要研發(fā)新型的復(fù)合材料。Xerox PARC研究中心的研究人員正在致力于可打印電子產(chǎn)品的新工藝研究，但是目前的可用原料還不多。

在打印材料方面，以色列Objet公司處于領(lǐng)先地位。最近，該公司宣布為Connex系列多材料3D打印機新開發(fā)了39種新的“數(shù)字材料”，可供客戶選擇的基本材料已多達107種。這些材料的質(zhì)地、韌性、剛度、強度都各不相同。該公司目前可提供90種“數(shù)字材料”，這些材料都是由公司提供的基本材料復(fù)合而成，這樣可使設(shè)計師、工程師和制造商能夠非常精確地模擬其最終產(chǎn)品的材料性能。用戶使用Connex多材料3D打印機，可以在一個模型中同時使用多達14種不同硬度和透明度的材料。

此外，目前對金屬材料進行3D打印的需求尤為迫切，如工具鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳基合金、銀和金等，但目前這些打印技術(shù)尚未完全突破。

②3D打印機本身。據(jù)報道，世界上目前只有一種3D打印機能夠同時打印出多種材料的產(chǎn)品。由于3D打印工藝發(fā)展還不完善，快速成型零件的精度和表面質(zhì)量大多不能滿足工程直接使用要求，只能做原型使用。

3D打印產(chǎn)品由于采用疊加制造工藝，層與層之間連接得再緊密，目前也很難與傳統(tǒng)鍛件相媲美。

③3D打印的價格。目前，3D打印不具備規(guī)模經(jīng)濟的優(yōu)勢，價格方面的優(yōu)勢尚不明顯。目前，1kg打印材料少則幾百元，多則要4萬元左右，因此3D打印技術(shù)在一段時間里還無法全面取代傳統(tǒng)制造技術(shù)。但是在單件小批量、個性化訂制和網(wǎng)絡(luò)社區(qū)化生產(chǎn)方面，對于大多數(shù)產(chǎn)品來說，不管打印1件還是100件，價格都相差無幾，因而3D打印具有無可比擬的優(yōu)勢。

④知識產(chǎn)權(quán)的保護。3D打印技術(shù)的意義不僅在于改變資本和工作的分配模式，而且也在于它能改變知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)則。該技術(shù)的出現(xiàn)使制造業(yè)的成功不再取決于生產(chǎn)規(guī)模，而取決于創(chuàng)意。然而，單靠創(chuàng)意也是很危險的，模仿者和創(chuàng)新者都能輕而易舉地在市場上快速推出新產(chǎn)品，極有可能就像當(dāng)初的音樂領(lǐng)域一樣面臨盜版的威脅。

⑤3D打印機的操作技能。3D打印技術(shù)需要依靠數(shù)字模型來進行生產(chǎn)，但是對普通用戶來說學(xué)會使用計算機輔助設(shè)計工具(CAD)還是有一定難度。但隨著社會發(fā)展，未來會有越來越多的學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握這方面的技能，而且企業(yè)也會提供一些簡單的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，用戶不必學(xué)會3D設(shè)計技能就能制作模型，就像傻瓜相機的發(fā)展一樣。

⑥政策方面。3D技術(shù)的研發(fā)需要大量的政府投入或產(chǎn)業(yè)界的資金支撐。如在醫(yī)療領(lǐng)域，可能會因缺少食品和藥品監(jiān)管部門的許可，造成許多臨床醫(yī)療產(chǎn)品應(yīng)用的滯緩等。

4 應(yīng)用領(lǐng)域與趨勢

4.1 全球商業(yè)化狀況

根據(jù)美國技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會Wohlers Associates發(fā)布的2012年度報告，全球3D打印行業(yè)在2011年銷售額為17.14億美元，當(dāng)前該技術(shù)的市場滲透度為8%，因此，報告保守估計3D打印市場機會為214億美元。樂觀者則認(rèn)為當(dāng)前市場滲透度僅為1%，從而3D打印市場機會為1700億美元。目前，3D打印技術(shù)市場的年增長率為29.4%。據(jù)預(yù)測，該行業(yè)的市場規(guī)模到2015年將達37億美元，到2019年將增長到65億美元。

3D打印技術(shù)市場規(guī)模如圖1所示。

圖1 3D打印技術(shù)市場規(guī)模示意圖Fig.1 Marketing scale of 3D printing technology

從行業(yè)分布看，目前消費電子領(lǐng)域仍然占主導(dǎo)地位，約20.3%;其他主要應(yīng)用在汽車、醫(yī)療/牙科、工業(yè)/商業(yè)機器和航空航天領(lǐng)域。3D打印技術(shù)行業(yè)分布如圖2所示。3D打印技術(shù)主要應(yīng)用功能的分布比例如圖3所示。

圖2 3D打印技術(shù)行業(yè)分布圖Fig.2 Industrial distribution of 3D printing technology

圖3 3D打印技術(shù)應(yīng)用分布圖Fig.3 Application distribution of 3D printing technology

當(dāng)前，歐洲、美洲和亞洲是3D打印設(shè)備的主要需求市場。從2011年設(shè)備市場份額分布來看，北美地區(qū)占40.2%，位居第一，歐洲地區(qū)和亞洲地區(qū)緊隨其后。3D打印設(shè)備數(shù)量區(qū)域分布如圖4所示。美國是3D打印設(shè)備安裝的第一大國，日本處于第二。

圖4 3D打印設(shè)備數(shù)量區(qū)域分布圖Fig.4 Quantitative regional distribution of 3D printing devices

全球3D打印技術(shù)的產(chǎn)品和服務(wù)的收入如圖5所示。圖5中，柱狀圖上段為服務(wù)收入，下段為產(chǎn)品(即設(shè)備和材料等)收入。從圖5不難看出，3D打印設(shè)備及材料和服務(wù)的經(jīng)濟規(guī)模是相當(dāng)?shù)摹?010年，銷售額為13.25億美元;到2011年，銷售額為17.14億美元，增長率達到24.1%。在產(chǎn)品收入中，3D打印設(shè)備和材料占主要部分，2011年為8.34億美元。

圖5 全球3D打印技術(shù)的產(chǎn)品和服務(wù)收入示意圖Fig.5 Schematic diagram of product and service revenues of 3D printing technology

由于3D打印產(chǎn)品種類豐富，帶動了打印材料的快速發(fā)展。2001年到2011年，全球打印材料的銷售情況如圖6所示，除了2009年由于全球經(jīng)濟危機的影響稍有下降外，基本上每年都保持10% ～20%的增長速度。

圖6 全球3D打印材料銷售額示意圖Fig.6 Schematic diagram of the global sales of 3D printing materials

4.2 應(yīng)用領(lǐng)域

3D打印機的應(yīng)用對象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型［4－6］。目前，3D打印技術(shù)已在工業(yè)設(shè)計、文化藝術(shù)、機械制造(汽車、摩托車)、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。隨著技術(shù)自身的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣?。這些應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下十個方面。

①設(shè)計方案評審。借助于3D打印的實體模型，不同專業(yè)領(lǐng)域(設(shè)計、制造、市場、客戶)的人員可以對產(chǎn)品實現(xiàn)方案、外觀、人機功效等進行實物評價。

②制造工藝與裝配檢驗。3D打印可以較精確地制造出產(chǎn)品零件中的任意結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，借助3D打印的實體模型結(jié)合設(shè)計文件，就可有效指導(dǎo)零件和模具的工藝設(shè)計，或進行產(chǎn)品裝配檢驗，避免結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計錯誤。

③功能樣件制造與性能測試。3D打印的實體原型本身具有一定的結(jié)構(gòu)性能，同時利用3D打印技術(shù)可直接制造金屬零件，或制造出熔(蠟)模;再通過熔模鑄造金屬零件，甚至可以打印制造出特殊要求的功能零件和樣件等。

④快速模具小批量制造。以3D打印制造的原型作為模板，制作硅膠、樹脂、低熔點合金等快速模具，可便捷地實現(xiàn)幾十件到數(shù)百件數(shù)量零件的小批量制造。

⑤建筑總體與裝修展示評價。利用3D打印技術(shù)可實現(xiàn)模型真彩及紋理打印的特點，可快速制造出建筑的設(shè)計模型，進行建筑總體布局、結(jié)構(gòu)方案的展示和評價。

⑥科學(xué)計算數(shù)據(jù)實體可視化。計算機輔助工程、地理地形信息等科學(xué)計算數(shù)據(jù)可通過3D彩色打印，實現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)與分析數(shù)據(jù)的實體可視化。

⑦醫(yī)學(xué)與醫(yī)療工程。通過醫(yī)學(xué)CT數(shù)據(jù)的三維重建技術(shù)，利用3D打印技術(shù)制造器官、骨骼等實體模型，可指導(dǎo)手術(shù)方案設(shè)計，也可打印制作組織工程和定向藥物輸送骨架等。

⑧首飾及日用品快速開發(fā)與個性化定制。利用3D打印制作蠟?zāi)?，通過精密鑄造實現(xiàn)首飾和工藝品的快速開發(fā)和個性化定制。

⑨動漫造型評價。借助于動漫造型評價可實現(xiàn)動漫等模型的快速制造，指導(dǎo)和評價動漫造型設(shè)計。

⑩電子器件的設(shè)計與制作。利用3D打印可在玻璃、柔性透明樹脂等基板上，設(shè)計制作電子器件和光學(xué)器件，如RFID、太陽能光伏器件、OLED等。

4.3 對人類生產(chǎn)生活方式的影響

3D打印技術(shù)的應(yīng)用將從以下三個方面深刻改變傳統(tǒng)制造業(yè)形態(tài)。

一是使制造工藝發(fā)生深刻變革。3D打印改變了通過對原材料進行切削、組裝進行生產(chǎn)的加工模式，節(jié)省了材料和加工時間。例如，在航空航天工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的金屬部件通常是由高成本的固體鈦加工而成的，90%的材料被切除掉，這些切削材料對于飛行器的制作是毫無利用價值的?？湛偷哪腹練W洲宇航防務(wù)集團(EADS)研究人員指出，這些用鈦粉末打印出的部件與一個傳統(tǒng)用固體鈦加工出來的部件一樣經(jīng)久耐用，但節(jié)省了90%的原材料。

二是帶動制造技術(shù)的重大飛躍。3D打印技術(shù)是一門綜合應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、光化學(xué)、控制、網(wǎng)絡(luò)以及材料科學(xué)等諸多方面技術(shù)和知識的高新技術(shù)。3D打印技術(shù)的不斷成熟將推動新材料技術(shù)和智能制造技術(shù)實現(xiàn)大的飛躍，從而帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

三是使制造模式發(fā)生革命性變化。3D打印將可能改變第二次工業(yè)革命產(chǎn)生的、以裝配生產(chǎn)線為代表的大規(guī)模生產(chǎn)方式，使產(chǎn)品生產(chǎn)向個性化、定制化轉(zhuǎn)變。3D打印機的推廣應(yīng)用將縮短產(chǎn)品推向市場的時間，消費者只要簡單下載設(shè)計圖，在數(shù)小時內(nèi)通過3D打印機就可將產(chǎn)品“打印”出來，從而不需要大規(guī)模生產(chǎn)線，不需要大量的生產(chǎn)工人，不需要庫存大量的零部件，即所謂的“社會化制造”?！吧鐣圃臁钡牧硪粌?yōu)勢是通過制造資源網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，快速建立高效的供應(yīng)鏈、市場銷售和用戶服務(wù)網(wǎng)，這是實現(xiàn)敏捷制造、精益制造和可持續(xù)發(fā)展的一種生產(chǎn)模式。

5 結(jié)束語

隨著3D打印技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，“大批量的個性化定制”將成為重要的生產(chǎn)模式。3D打印與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的緊密結(jié)合，將衍生出新的細(xì)分產(chǎn)業(yè)和新的商業(yè)模式，創(chuàng)造出新的經(jīng)濟增長點。3D打印技術(shù)發(fā)展帶來的產(chǎn)品技術(shù)、制造技術(shù)與管理技術(shù)的進步使企業(yè)具備快速響應(yīng)市場需求的能力［7－9］，特別是形成適應(yīng)全球市場上豐富多樣的客戶群，實現(xiàn)遠程定制、異地設(shè)計、就地生產(chǎn)和銷售的協(xié)調(diào)化新型生產(chǎn)模式，使生產(chǎn)模式、商業(yè)模式等多個方面發(fā)生根本性的變化。

［1］劉海濤.光固化三維打印成形材料的研究與應(yīng)用［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2009.

［2］陳新偉.三維噴繪機器人噴墨機理研究［D］.南京:南開大學(xué)，2009.

［3］Yang S F，Julian R.A dry powder jet printer for dispensing and combinatorial research［J］.Powder Technology，2004(142):219－222.

［4］Blazdell J.Application of a continuous ink jet printer to solid freeforming of ceramics［J］.Journal of Materials Processing Technology，2000(99):94 －102.

［5］Robert Q.Stuart M，Phil R，et al.Shaping our national competency in manufacturing［EB/OL］.［2012 － 09 － 18］.http://www.materialsktn.net/.

［6］Terry W.Additive manufacturing and 3D printing state of the industry［R］.Annual Worldwide Progress Report Wohlers Associstions，2012.

［7］克里斯·安德森.創(chuàng)客［M］.北京:中信出版社，2012.

［8］李滌塵，田小永，王永信，等.增材制造技術(shù)的發(fā)展［J］.電加工與模具，2012(S1):20－22.

［9］李懷學(xué)，鞏水利，孫帆，等.金屬零件激光增材制造技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2012(20):26－31.