樊新波 王桂紅

摘 要：本文針對3D打印的設備及材料國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀進行論述，并對其現(xiàn)有較成熟的成型技術(shù)進行分析，指出其發(fā)展趨勢及制約其技術(shù)發(fā)展的因素，并對如何加快3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進程給出了建議。

關鍵詞：3D打?。辉O備；快速成型；產(chǎn)業(yè)化；發(fā)展瓶頸

中圖分類號： TP3 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）12-88-2

0 引言

3D打印是基于材料堆積法的一種快速成型技術(shù)，在未來的制造領域?qū)⒕哂信e足輕重的地位，其制造過程簡單、開發(fā)時間短、成本低、效率高、應用范圍廣等特點對提高企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)實力及市場競爭力具有重要意義[1]。

1 3D打印設備及材料國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

美國3D Systems和Strategys公司是全球3D打印行業(yè)領導者，在3D打印行業(yè)占主導地位。近年來3D Systems公司通過并購和研發(fā)獲得了激光選擇性燒結(jié)，熔融堆積，多噴頭三位打印等技術(shù)，推出專業(yè)打印機ProJet35003D，ProJet7000等，該系列產(chǎn)品打印精度極高，其最小層厚可達16微米。Stratasys公司通過收購Solidscape和以色列公司Objet，獲得了DoD技術(shù)、Polyjet技術(shù)及其系列產(chǎn)品，2012年該公司發(fā)布的超大型快速成型系統(tǒng)Fortus 900mc，打印出直徑近1.4米的零件，支持多種材料選擇。德國EOS公司EOSM400 3D金屬打印機可直接生產(chǎn)產(chǎn)品，制作范圍達到400毫米。ExOne公司推出的M-Flex工業(yè)級3D打印機，能夠打印各種材料，打印速度達到30～60秒/層，最小層厚可達0.15毫米[2]。

3D打印材料主要分為聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料和復合材料等。Stratasys的ABS-M30比傳統(tǒng)ABS塑料機械性能提高了67%；德國拜耳公司的PC2605可用于防彈玻璃、宇航員頭盔面罩等異型構(gòu)件打?。凰鳡柧S公司的PA材料解決了汽車輕量化問題；Shapeways公司的EP彈性塑料可應用于穿戴物品[3]；德國EOS公司開發(fā)有不銹鋼粉、鋁硅粉、鈦合金粉等金屬粉末材料，不同材料的打印需要有不同的設備與工藝與之相配合[4]。

1.2 國內(nèi)研究

我國3D打印設備研發(fā)已取得一系列成果。2007年盈普光電開發(fā)出國內(nèi)首臺采用激光燒結(jié)成型方法直接制造塑膠零件的3D打印系統(tǒng)，2013年華中科技大學史玉升教授帶領團隊開發(fā)出可打印長寬達1.2米的立體打印機，其可打印空間規(guī)模上具世界首位。2014年華曙高科推出世界最快的3D工業(yè)級打印機，可實現(xiàn)12.7米/秒的激光掃描速度。青島尤尼科技和美國Drexel大學周功耀教授聯(lián)合研發(fā)出國內(nèi)首臺可打印人體心臟支架及骨骼材料的re-human生物打印機[5]。

在3D打印材料研究方面，清華大學開發(fā)了FDM工藝用ABS絲材和蠟，依托北京殷華重點研究生物制造；華中科技大學專項研究了LOM工藝，聯(lián)合武漢濱湖推進激光柔性加工技術(shù)的產(chǎn)業(yè)升級；西安交通大學推出了LPS和CPS光固化成型系統(tǒng)系列及其樹脂材料，依托陜西恒通在模具、汽車等領域有所突破；北京航空航天大學掌握了激光將金屬熔化后對金屬重結(jié)晶的控制技術(shù)，依托中航激光在民用及軍用飛機領域有所造詣，中航激光在世界范圍內(nèi)首次將激光成形鈦合金構(gòu)件應用在民用客機的研制。北京隆源公司研制的工程塑料、精鑄蠟粉體料等適用于SLS工藝；近期華曙高科與巴陵石化合作開發(fā)彈性體粉末材料、SLA環(huán)氧樹脂等材料。頂立科技自主開發(fā)出球形純鈦粉等金屬基3D打印材料[6]。

2 3D打印成型技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化分析

目前，3D打印成型技術(shù)主要有以下4種：液態(tài)光敏樹脂固化成形、 薄型材料分層疊加成形、 粉末材料選擇性激光燒結(jié)成形、熔絲堆積成形。

2.1 3D打印成型技術(shù)分析

①光敏樹脂液態(tài)固化成形（SLA）技術(shù)，該技術(shù)主要采用液態(tài)光敏樹脂，其優(yōu)點是成型的零件有較高的精度且表面光潔，加工精度能達到0.08mm，可制作空心零件，即使其形狀很復雜，成品柔性好，可隨意拆裝。缺點是可用材料的范圍有限，并且不能多色成型，需要支撐，樹脂收縮會導致精度下降。

②薄型分層疊加成形 （LOM）技術(shù)，該技術(shù)使用薄膜材料。其特點是加工效率高，工作可靠 ，模型支撐性好，成本低。缺點是材料范圍很窄，每層厚度不可調(diào)整，前、后處理費時。

③選擇性激光粉末燒結(jié)成形 （SLS）， 該技術(shù)使用固體粉末材料，其特點是材料適應面廣且價格便宜，成型速度快等，精度、強度高，樣件可用于功能試驗或裝配模擬。

④熔絲堆積成形 （FDM）技術(shù) ，以絲狀熱熔性塑料為材料，技術(shù)的特點是使用、維護簡單，速度快，成本較低且無污染。

2.2 3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢及發(fā)展瓶頸

在制造領域中，隨著信息、控制、材料、智能等技術(shù)的普及，3D打印技術(shù)也被寄予更高的期望，將來3D打印將會更通用、更精密、更智能、更便捷，現(xiàn)階段亟待提升打印精度、效率、容量及工藝方法，使其體積更小，成本更低，更易操作等，同時，提高設計軟件與打印控制軟件的匹配度；拓展其在醫(yī)學、教育、 車輛、建筑等更多行業(yè)領域的應用發(fā)展[7]。

目前主要有四個方面制約3D打印技術(shù)發(fā)展。材料方面：材料可適用性、強度以及環(huán)保性等技術(shù)不成熟；工藝方面：目前3D打印精度尚待進一步提高，打印效率無法滿足批量化生產(chǎn)需求；設備方面：目前3D打印機造價昂貴，制約其普及推廣；知識產(chǎn)權(quán)方面：產(chǎn)品技術(shù)復制因3D打印的發(fā)展變得更易實現(xiàn)，制造業(yè)產(chǎn)品技術(shù)保護變得困難，盜版風險加大，知識產(chǎn)權(quán)現(xiàn)行機制也亟待進一步改進提高以適應3D打印的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需求。

3 3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議

目前，因存在公共技術(shù)平臺缺失、產(chǎn)業(yè)規(guī)?；潭鹊汀a(chǎn)業(yè)鏈尚未有效形成、教育培訓和社會推廣缺乏等問題，距離3D打印技術(shù)在制造領域的批量化生產(chǎn)應用還有很長的一段路要走。為加快推進我國3D打印技術(shù)研究及其產(chǎn)業(yè)化進程，現(xiàn)提出如下建議：

①依托高等院所、科研院所和骨干企業(yè)，有效整合國內(nèi)資源，健全關鍵共性技術(shù)研發(fā)體制機制，增強自主創(chuàng)新能力，加強頂層設計和統(tǒng)籌規(guī)劃。

②推動由企業(yè)、科研院所和高校共同參與的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟及行業(yè)協(xié)會建設，推動產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，加強國際合作與交流，推動技術(shù)領先領域的國內(nèi)標準國際化。

③建立以市場需求為導向，推進3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)的有機融合。開展應用試點示范與推廣，完善市場培育，促進3D產(chǎn)業(yè)優(yōu)先發(fā)展。

④完善高端技術(shù)人才引進與培養(yǎng)政策，將3D打印技術(shù)走進高校課堂，促進3D打印社會化公共化推廣。

4 結(jié)束語

3D打印技術(shù)是制造技術(shù)的一項革命，是伴隨新材料、激光、計算機及其它先進技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，其正在持續(xù)進行自我完善與進步，具有廣泛的應用前景。通過對3D打印設備與材料關鍵技術(shù)及目前產(chǎn)業(yè)化發(fā)展瓶頸分析，提出3D打印發(fā)展趨勢和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議。雖然現(xiàn)階段國內(nèi)部分3D打印技術(shù)與國際水平存在一定的差距，但我相信，經(jīng)過科技人員的不懈努力，3D打印將走進普通人的日常生活中，3D打印產(chǎn)業(yè)化也將會逐步落地。

參 考 文 獻

[1] 夏鵬，王丞，馬明亮.快速成型技術(shù)應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].九江學院學報，2008，（3）：55-58.

[2] 王紅霖.3D打印技術(shù)制造業(yè)發(fā)展新趨勢[J].新興產(chǎn)業(yè)，

2012.

[3] 王巍.光固化快速成型在精密鑄造中的應用[J].鑄造技術(shù)，2012（1）：127-128.

[4] 劉厚才，莫健華，劉海濤.三維打印快速成形技術(shù)及其應用[J].機械科學與技術(shù)，2010（9）.

[5] 偉虹，李志敏.快速成型技術(shù)中材料技術(shù)的發(fā)展與應用前景[J].航空工程與維修，2000，3：37-28.

[6] 王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012.

[7] 殷媛媛，羅津.從專利發(fā)展看全球3D打印技術(shù)的新趨勢[J].科技發(fā)展研究，2013（4）.