張利成

3D打印被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命的代表，其對(duì)材料的處理方式實(shí)現(xiàn)了從等材、減材到增材的轉(zhuǎn)變，完全顛覆了傳統(tǒng)加工制造行業(yè)減材制造的理念和模式，同時(shí)具有直接快速、個(gè)性化設(shè)計(jì)、無(wú)難度成型等特點(diǎn)，一直以來(lái)都是“智能制造”的重要研究課題之一。為此，本文從工藝技術(shù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、市場(chǎng)規(guī)模等方面分析和歸納了3D打印在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，并對(duì)今后的研究方向提出了智能材料、綠色加工、數(shù)字化整合等發(fā)展趨勢(shì)的展望，為我國(guó)3D打印行業(yè)的發(fā)展提供了一定的借鑒意義。

3D打印;增材制造;智能制造;趨勢(shì)展望

標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化的橋梁和紐帶，是技術(shù)發(fā)展催化劑。2017年底，原國(guó)家質(zhì)檢總局發(fā)布了一份關(guān)于2017年3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)分析報(bào)告：經(jīng)過(guò)機(jī)械安全、電機(jī)安全及電磁兼容安全等安全指標(biāo)的監(jiān)測(cè)分析，在被監(jiān)測(cè)的37批次自主品牌的增材制造設(shè)備中，發(fā)現(xiàn)了34批次的產(chǎn)品在安全指標(biāo)監(jiān)測(cè)中均存在不達(dá)標(biāo)的情況，僅有3批次的增材制造設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量和性能能夠通過(guò)全部的安全指標(biāo)監(jiān)測(cè)，合格率不足10%。由此可見(jiàn)，我國(guó)3D打印設(shè)備質(zhì)量良莠不齊，行業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)了無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)的跡象，必需通過(guò)制定更多的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行約束、規(guī)范和引導(dǎo)，不斷加強(qiáng)增材制造標(biāo)準(zhǔn)的有效供給，以及積極提升我國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際化水平，充分利用“標(biāo)準(zhǔn)化+”產(chǎn)生的引領(lǐng)效應(yīng)，從而推動(dòng)我國(guó)增材制造業(yè)有序、健康地向前發(fā)展。

目前，3D打印標(biāo)準(zhǔn)制定的主要組織機(jī)構(gòu)中最重要的組織機(jī)構(gòu)為：美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)增材制造技術(shù)委員會(huì)（ASTMF42）、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織增材制造技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC261）以及歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（CEN）.2002年，美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）發(fā)布第一份增材制造標(biāo)準(zhǔn)《Ti-6Al-4V鈦合金粉末》（AMS4998），同年還頒布了《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產(chǎn)品》（AMS4999），標(biāo)志著增材制造標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)始進(jìn)入人們的視野，并逐漸引起各國(guó)的高度重視。2009年1月，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）針對(duì)3D打印標(biāo)準(zhǔn)的制定成立了增材制造技術(shù)委員會(huì)（ASTMF42），下設(shè)8個(gè)分技術(shù)委員會(huì)，專門(mén)從事增材制造專用術(shù)語(yǔ)、過(guò)程控制、測(cè)試方法、零件設(shè)計(jì)和專用材料等方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作，已有16個(gè)國(guó)家的200多個(gè)成員單位。

3D打印相比于傳統(tǒng)制造工藝對(duì)材料處理方式為“減法”的觀念，3D打印對(duì)材料的處理方式為“加法”，是一種通過(guò)分層材料“自下而上”疊加的制造工藝。這項(xiàng)技術(shù)由CharlesHull于1986年在被稱為立體光固化（SLA）過(guò)程中開(kāi)發(fā)出來(lái)，隨后又發(fā)展出粉末床熔融、熔融沉積成型（FDM）、噴墨印刷和輪廓加工（CC）等相關(guān)技術(shù)。

3D打印涉及各種技術(shù)、材料和設(shè)備，而技術(shù)作為3D打印發(fā)展過(guò)程中最重要的影響因素之一，是3D打印的核心。經(jīng)過(guò)多年的不斷發(fā)展，3D打印已廣泛應(yīng)用于不同行業(yè)，而相對(duì)應(yīng)的技術(shù)也是種類繁多，本文對(duì)目前比較常見(jiàn)的3D打印技術(shù)進(jìn)行歸納和分析，并總結(jié)出該技術(shù)未來(lái)可能的發(fā)展方向。

3D打印技術(shù)的分類目前沒(méi)有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，按照成型技術(shù)原理可劃分為熔融沉積成型技術(shù)（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM）、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SelectiveLaserSintering，SLS）、分層實(shí)體制造技術(shù)（LaminatedObjectManufacturing，LOM）、立體光固化技術(shù)（StereolithographyAppearance，SLA）、三維打印粘接成型技術(shù)（ThreeDimensionalPrintingandGluing，3DP）、數(shù)字光處理技術(shù)（DigitalLightPro-cessing，DLP）、多頭噴射技術(shù)（PloyJet）、選擇性激光熔化技術(shù)（SelectiveLaserMelting，SLM）、直接金屬激光燒結(jié)（DirectMetalLaserSintering，DMLS）、電子束熔煉技術(shù)（ElectronBeamMelting，EBM）等。

2009年，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）根據(jù)增材制造業(yè)現(xiàn)狀及其技術(shù)需求，成立了專門(mén)的增材制造技術(shù)委員會(huì)，其最新的F2792標(biāo)準(zhǔn)將目前3D打印技術(shù)分為八大類：光聚合（PhotoPolymerization）、復(fù)合增材制造（HybridAdditiveManufacturing）、粘結(jié)劑噴射（BinderJet-ting）、直接能量沉積（DirectedEnergyDeposition）、疊層（SheetLamination）、材料噴射（MaterialJet-ting）、材料擠出（MaterialExtrusion）、粉末床熔融（PowderBedFusion）。國(guó)際ISO/ASTM52900∶2015標(biāo)準(zhǔn)，將增材制造工藝分為黏結(jié)劑噴射、定向能量沉積、材料擠出、材料噴射、粉末床熔融、薄材疊層和立體光固化七大類。3D打印技術(shù)早已打破了原有制造技術(shù)在加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)上面臨的技術(shù)瓶頸.

未來(lái)3D打印的制造成本將逐步降低，而加工速度則會(huì)飛速增長(zhǎng)，其研究熱點(diǎn)將從基礎(chǔ)研究工作中轉(zhuǎn)移拓寬，包括：生物材料3D打印，金屬材料3D打印，噴射3D打印技術(shù)，多材料、多功能梯度材料、多色及真彩色表面紋理3D打印，配套軟件及數(shù)據(jù)處理等。3D打印技術(shù)是一種交叉和融合了包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械工程、材料科學(xué)、生物科學(xué)以及數(shù)控技術(shù)等多學(xué)科的新型制造技術(shù)，在機(jī)械制造、生物醫(yī)療、海洋、航空、建筑等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

1.不斷加強(qiáng)國(guó)家層面的戰(zhàn)略布局

構(gòu)建我國(guó)3D打印頂層設(shè)計(jì)，同時(shí)努力強(qiáng)化、細(xì)化政策引導(dǎo)，有序推進(jìn)3D打印市場(chǎng)良性發(fā)展。

2.要清楚認(rèn)識(shí)到3D打印并不會(huì)取代傳統(tǒng)的制造技術(shù)

更是一種技術(shù)融合，一種對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)和傳統(tǒng)技術(shù)的全面升級(jí)和改進(jìn)。要適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)紅利進(jìn)行數(shù)字化資源的優(yōu)化整合，搭建更多開(kāi)放式服務(wù)平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)3D打印與各產(chǎn)業(yè)間的深度融合。

3.不斷加強(qiáng)3D打印科學(xué)研究，尤其是制造工藝和材料研究

努力構(gòu)建3D打印過(guò)程的實(shí)時(shí)反饋和誤差分析系統(tǒng)，減少材料浪費(fèi)、降低冗余度，實(shí)現(xiàn)綠色加工、智能制造;研究和開(kāi)發(fā)新型材料、智能材料，豐富和提高材料的多樣性和力學(xué)性能。

3D打印是對(duì)傳統(tǒng)制造工藝的革命性變革，能夠給制造業(yè)帶來(lái)全新的理念，也將成長(zhǎng)為未來(lái)制造業(yè)新的、強(qiáng)有力的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。近些年，隨著各國(guó)對(duì)增材制造的重視和發(fā)展，3D打印不管是技術(shù)研究還是產(chǎn)業(yè)規(guī)模都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍具有巨大的市場(chǎng)潛能。我國(guó)增材制造技術(shù)的起步時(shí)間跟全球其他國(guó)家基本同步，前期在設(shè)備制造工藝、材料、軟件開(kāi)發(fā)等方面研究取得了豐碩的成果，制造技術(shù)基本達(dá)到國(guó)際水平，部分技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平;但是在技術(shù)轉(zhuǎn)化、應(yīng)用推廣及產(chǎn)業(yè)化等方面卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，亟待解決。

[1]T Sathish，M D Vijayakumar，Anshumaan Krishnan Ayyan-gar.Design and fabrication of industrial components using3D printing[J].Materials Today：Proceedings，2018 （5）：14489 -14498.