王靜蘊(yùn)

摘 要：本文首先介紹了熔融沉積快速成型技術(shù)的原理、特點(diǎn)、發(fā)展史及目前國(guó)內(nèi)整個(gè)3D打印行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，接著論述了熔融沉積快速成型技術(shù)興盛的原因，并分析了影響此技術(shù)發(fā)展停滯不前的四個(gè)重要原因，最后預(yù)測(cè)了FDM技術(shù)及整個(gè)3D打印行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：FDM;熔融沉積快速成型;3D打印技術(shù);發(fā)展趨勢(shì)

0 引言

近年來(lái)，3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日新月異，新機(jī)器、新技術(shù)、新材料、新應(yīng)用不斷推陳出新。基于熔融沉積快速成型（Fused Deposition Modeling，簡(jiǎn)稱FDM）原理的三維打印快速成型技術(shù)是目前世界上最具生命力的快速成型技術(shù)之一。其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到政府、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、建筑、航天、醫(yī)療、工商業(yè)等各個(gè)角落。這當(dāng)然與這種技術(shù)的諸多特點(diǎn)及應(yīng)用潛能和廣闊前景密不可分。在此背景下，加大力度開展對(duì)熔融沉積快速成型技術(shù)的研究，使之更好地服務(wù)于人類、造福于社會(huì)，具有相當(dāng)重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義。

FDM產(chǎn)業(yè)包括桌面級(jí)和工業(yè)級(jí)的熔融沉積快速成型技術(shù)，都曾經(jīng)于2014年前經(jīng)歷過高速發(fā)展。但從2014年以后，國(guó)內(nèi)制造和銷售FDM打印機(jī)的廠商與2014年以前相比，數(shù)量上有大幅下滑，其在整個(gè)3D打印產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)所占的市場(chǎng)份額也呈現(xiàn)明顯萎縮之勢(shì)。拋開市場(chǎng)優(yōu)勝劣汰的機(jī)制及行業(yè)洗牌、再度整合這些原因不談，就從熔融沉積快速成型技術(shù)本身而言，在發(fā)展到一個(gè)瓶頸階段，出現(xiàn)發(fā)展停滯不前的現(xiàn)象，必然有技術(shù)本身或者是大環(huán)境等層面所出現(xiàn)的各種問題。而在研究FDM技術(shù)發(fā)展停滯不前及未來(lái)可能走向等問題之前，我們需要對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的技術(shù)原理、特點(diǎn)及發(fā)展歷史做一個(gè)細(xì)致的了解，這有助于我們掌握細(xì)節(jié)，從而找出問題真正出現(xiàn)的原因。

1 FDM成型技術(shù)的原理和特點(diǎn)

在1995年之前，3D打印這個(gè)名稱并不存在，在研究領(lǐng)域內(nèi)被專家們所接受的名稱是“快速成型”。 快速成型技術(shù)是將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) （ CAD）?，計(jì)算機(jī)輔助制造 （ CAM ） ，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制 （ CNC） ，精密伺服驅(qū)動(dòng)、激光和材料科學(xué)等先進(jìn)技術(shù)集于一體的新技術(shù)。它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。簡(jiǎn)單講，F(xiàn)DM又稱為熔絲沉積，是一種不依靠激光作為成型能源、而將各種絲材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加熱熔化進(jìn)而堆積成型的一種成型方法[1]。

FDM機(jī)械系統(tǒng)主要包括噴頭、送絲機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱工作室、工作臺(tái)五部分，材料上使用成型材料和支撐材料兩部分。具體來(lái)講，F(xiàn)DM技術(shù)是將低熔點(diǎn)絲狀材料通過加熱器的擠壓頭融化成液體，然后再?gòu)膰婎^擠出，擠壓頭沿零件截面輪廓運(yùn)動(dòng)，擠出的絲狀材料沉積固化，形成實(shí)件薄層，覆蓋于已建造的零件之上。一層成型后，工作臺(tái)下降一層高度，噴頭繼續(xù)掃描噴絲，如此反復(fù)逐層堆積，直至模型或零件完全成型[2]。FDM完美地運(yùn)用了降維原理，把相對(duì)復(fù)雜的三維模型塑造轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單明了的多層二維平面，經(jīng)無(wú)數(shù)層二維層面的循環(huán)堆積，進(jìn)而又還原并制造出三維的模型或零件[3]。

FDM成型技術(shù)比其它3D打印技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)。（1） 使用和維護(hù)上相對(duì)比其它3D打印機(jī)簡(jiǎn)單。（2）材料的可得性。一般的高分子材料如ABS、PLA、PC、PPSF以及尼龍絲、蠟絲均可使用，彩色材料也比其它打印機(jī)多。（3）環(huán)境友好。制件過程中無(wú)化學(xué)變化，不產(chǎn)生粉塵，不污染空氣和環(huán)境。（4）成本低廉，利于家庭、個(gè)人的普及及應(yīng)用。（5）材料強(qiáng)度、韌性優(yōu)良，可以裝配進(jìn)行功能測(cè)試。由于在成型過程中無(wú)化學(xué)變化，也不容易導(dǎo)致制件的翹曲變形[3]。

正是由于FDM技術(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)，使其降低了產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)成本，摒棄了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式中的開模環(huán)節(jié)，縮短了生產(chǎn)周期，也縮短了最終產(chǎn)品與客戶的見面時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，從而加速了它向社會(huì)各方面滲透的力度和廣度，在技術(shù)上取得顯著進(jìn)步的同時(shí)，也為社會(huì)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 熔融沉積快速成型技術(shù)的發(fā)展史及目前國(guó)內(nèi)的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)的核心制造思想最早起源于19世紀(jì)末的美國(guó)，到20世紀(jì)80年代后期3D打印技術(shù)發(fā)展才漸趨成熟并被廣泛應(yīng)用。我們沿以時(shí)間軸，來(lái)看看整個(gè)3D打印行業(yè)的發(fā)展情況。

1860年，法國(guó)人申請(qǐng)了多照相機(jī)實(shí)體雕塑的專利。

1979年，日本人中川威雄發(fā)明疊層模型造型法。

1980年，日本人小玉秀男又提出了光造型法。此后幾十年，美國(guó)人把這些方法轉(zhuǎn)為實(shí)際應(yīng)用。

1988年，科特克魯姆普發(fā)明了熔融沉積成型技術(shù)（FDM），次年科成立了Stratasys公司。

1992年，美國(guó)人赫利塞發(fā)明層片疊加制造技術(shù)，同年，Stratasys公司推出第一臺(tái)基于FDM技術(shù)的3D工業(yè)級(jí)打印機(jī)。

2001年，Solido開發(fā)出第一代桌面級(jí)3D打印機(jī)。

2009年，Bre Pettis帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立了著名的桌面級(jí)3D打印機(jī)公司——MakerBot[4]。

MakerBot出售打印機(jī)的零配件，使購(gòu)買者可自行組裝3D打印機(jī)，從此國(guó)外個(gè)人3D打印機(jī)產(chǎn)品市場(chǎng)開始蓬勃興起。其發(fā)展歷史從起源到正式被廣泛應(yīng)用跨度相當(dāng)巨大。因此，人們習(xí)慣上把3D打印技術(shù)稱之為上上個(gè)世紀(jì)的思想，上個(gè)世紀(jì)的技術(shù)，這個(gè)世紀(jì)的

市場(chǎng)。

國(guó)內(nèi)的3D打印技術(shù)研究起步早，從90年代起，處于領(lǐng)先地位科研機(jī)構(gòu)主要為一些高校以及相應(yīng)的企業(yè)化單位，如清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)與北京航空航天大學(xué)。以高校為依托的研究機(jī)構(gòu)主要以研制工業(yè)級(jí)打印機(jī)為主，而另有一些企業(yè)在進(jìn)行工業(yè)級(jí)打印機(jī)研制的同時(shí)，把重點(diǎn)目光投向了更具市場(chǎng)推力的桌面級(jí)打印機(jī)的開發(fā)與銷售上，并嘗試將技術(shù)研究、3D打印機(jī)研發(fā)銷售與3D打印服務(wù)整合在一起，以建立更完善的產(chǎn)業(yè)模式，形成更完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

從2011年開始，中國(guó)的3D打印行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。近年來(lái)中國(guó)3D打印規(guī)模幾乎每年翻番，借著全球3D打印飛速發(fā)展和政府對(duì)這個(gè)行業(yè)的高度重視的東風(fēng)，中國(guó)的3D打印行業(yè)也走上了發(fā)展的快車道。而且3D打印產(chǎn)值幾乎每年都會(huì)增加一倍，其增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于世界其他國(guó)家。到2016年，中國(guó)3D打印機(jī)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了100億元，是2012年的10倍[4]。

3 熔融沉積快速成型技術(shù)興盛的原因及目前發(fā)展停滯不前的原因

FDM技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)歷一段時(shí)期的高速發(fā)展。驕人的成績(jī)，與以下幾個(gè)因素密不可分：首先是行業(yè)大環(huán)境的東風(fēng)。國(guó)外國(guó)內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)都在飛速發(fā)展，有時(shí)候用一日千里來(lái)形容并不為過。其次是政府的扶持與鼓勵(lì)。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)3D打印產(chǎn)業(yè)的大、小研討會(huì)每年都會(huì)有很多，在政府部門內(nèi)部下設(shè)的機(jī)構(gòu)中也有專門研發(fā)3D打印技術(shù)的專業(yè)團(tuán)隊(duì)。第三是投入少、風(fēng)險(xiǎn)小、技術(shù)門檻相對(duì)低。這是FDM技術(shù)在家庭及個(gè)人應(yīng)用領(lǐng)域普及和興盛的主因。第四是商人的趨利性。不管任何行業(yè)，只要前景好、投入產(chǎn)出比高，有利可圖，那么在這個(gè)行業(yè)內(nèi)迅速出現(xiàn)蝴蝶效應(yīng)，導(dǎo)致行業(yè)紅火興盛的現(xiàn)象必然隨之發(fā)生。然而事物的發(fā)展總是具有兩面性，物極必反這個(gè)原則同樣適用于這個(gè)行業(yè)。由于進(jìn)入門檻低，要承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)也很小，短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入此行業(yè)謀求發(fā)展的公司和團(tuán)體數(shù)不勝數(shù)。在經(jīng)歷最初的新奇和喜悅后，從2014年開始，3D打印行業(yè)這塊大蛋糕不是變大了，而是變小了。以長(zhǎng)三角為例，無(wú)數(shù)的3D打印公司開始堅(jiān)持不下去，進(jìn)而走上倒閉之路。還在繼續(xù)運(yùn)營(yíng)的公司在發(fā)展上也陷入一種停滯的兩難境地，進(jìn)入苦苦支撐的狀態(tài)。是什么導(dǎo)致了3D行業(yè)進(jìn)入了目前原地停步的狀態(tài)呢？筆者研究認(rèn)為，下列幾個(gè)問題是導(dǎo)致此行業(yè)發(fā)展停滯不前的主要原因：

3.1 產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的不平衡

3D打印產(chǎn)業(yè)雖然已經(jīng)歷30多年的發(fā)展，行業(yè)已初具規(guī)模，但總體來(lái)說(shuō)，屬于增材制造的3D打印產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，與先進(jìn)國(guó)家相比仍存在較大差距，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)體系，離實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、工程化應(yīng)還有一定距離。3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈包括材料供應(yīng)、軟件開發(fā)、設(shè)備制造、公共服務(wù)平臺(tái)等幾個(gè)環(huán)節(jié)，這幾個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，為最終用戶創(chuàng)造獨(dú)特價(jià)值，缺一不可。但目前，用于3D打印的軟件是國(guó)外產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)在此方面的研究和開發(fā)還屬空白。用作3D打印的材料并不是很多，選擇范圍窄。對(duì)于3D打印設(shè)備本身的制造方面重視度不夠，機(jī)器外觀設(shè)計(jì)感低，技術(shù)層面無(wú)進(jìn)展。產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的不平衡最終會(huì)影響及拖累整個(gè)3D打印行業(yè)的發(fā)展。

3.2 材料的局限性

3D打印只是解決了快速成型問題，而材料本身的特性則沒有突破性的解決。首先，從材料工藝上，3D打印機(jī)打印出的金屬制品致密度低，最高能達(dá)到鑄造件致密度的98%，某些情況下低于鍛造件的力學(xué)性能。其次，從材料適用范圍看，工業(yè)領(lǐng)域中能供3D打印機(jī)打印的材料較少，較為成熟的金屬材料只有鋁硅合金、鈦合金、鎳合金和不銹鋼，雖然目前有大量的新材料成功研制，但其性能如何還未確定。而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，能使用的材料僅有數(shù)種，且最終成品還未能與生物相結(jié)合，只能用于模仿，如要實(shí)現(xiàn)特定功能，還需經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)與認(rèn)證[5]。第三，從材料的成本來(lái)說(shuō)，由于其屬于新興產(chǎn)業(yè)，對(duì)于特定的產(chǎn)品需要特殊的材料，但其原材料市場(chǎng)并不大，從而造成原材料的價(jià)格高昂等情況，從而提升成本價(jià)格。再者，用于FDM打印機(jī)的打印材料易受潮，需密封儲(chǔ)存，成型過程中和成型后也存在一定的收縮率等。這些材料上的局限性都會(huì)導(dǎo)致3D打印整個(gè)行業(yè)在發(fā)展的道路上緩步而行或停滯不前。

3.3 生產(chǎn)效率低下

3D打印在生產(chǎn)模式上與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式有較大的區(qū)別。傳統(tǒng)生產(chǎn)模式通常是“多級(jí)分工+組裝”，其調(diào)動(dòng)了整個(gè)制造業(yè)體系的產(chǎn)能，從而使工序效率到達(dá)最高點(diǎn)。而3D打印機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間的作業(yè)過程中，其維護(hù)成本和維護(hù)難度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)生產(chǎn)鏈的平攤成本，控制系統(tǒng)智能化水平極低，在打印過程中很多情況下需要人工干預(yù)的介入，如果不干預(yù)，將造成無(wú)法繼續(xù)打印或?qū)⑷毕萘粼诠ぜ?，這種操作上的局限性大大影響了3D打印的廣泛普及。截至目前，3D打印整個(gè)行業(yè)仍沒有進(jìn)入智能化使用的時(shí)代。

3.4 FDM自身技術(shù)上的缺陷

FDM型3D打印機(jī)雖然經(jīng)過了幾十年的發(fā)展并且得到廣泛的應(yīng)用，但它仍存在很多不足之處，比如成型精度低、打印速度慢、原材料價(jià)格昂貴、維護(hù)不便、需要設(shè)計(jì)和制作支撐、對(duì)動(dòng)態(tài)物體清晰度的捕捉和實(shí)現(xiàn)等，這些都是制約3D打印快速發(fā)展的路障[6]。

4 熔融沉積快速成型技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

2013年，麥肯錫公司將3D打印列為12項(xiàng)顛覆性技術(shù)之一，并預(yù)測(cè)到2025年，3D打印對(duì)全球經(jīng)濟(jì)的價(jià)值貢獻(xiàn)將為2--6千億美元。誘人的前景及目前制約FDM快速發(fā)展的滯因決定了熔融沉積快速成型技術(shù)未來(lái)發(fā)展的的主要趨勢(shì)，即它們會(huì)朝著精密化、智能化、通用化以及便捷化四個(gè)方向發(fā)展[6]。精密化主要體現(xiàn)在3D打印的精度和質(zhì)量，使產(chǎn)品能直接面向最終客戶，而不是停留在樣品制作階段。智能化和便捷化則主要體現(xiàn)在FDM打印機(jī)的軟件編程和操作上，降低人工成本，實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程操作。通用化是要求FDM打印機(jī)及整個(gè)3D行業(yè)各種型號(hào)打印機(jī)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)并建構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的制定機(jī)構(gòu)，使其資源在共享時(shí)能有統(tǒng)一的格式和標(biāo)準(zhǔn)可做參考。另外，F(xiàn)DM技術(shù)在工商業(yè)、航天、教育及醫(yī)療各自的領(lǐng)域里，其發(fā)展趨勢(shì)也將各有不同。工商業(yè)、建筑、航天、醫(yī)療領(lǐng)域主要集中在研究和拓展FDM所應(yīng)用的材料上，使行業(yè)自身的材料可得性更廣泛以外，讓特殊行業(yè)也能享受3D行業(yè)發(fā)展所帶來(lái)的利好。教育領(lǐng)域里，則是加大大、中、小學(xué)3D打印機(jī)的普及力度，使3D打印技術(shù)真正實(shí)用于民，不再作為尖端科技而存在。

5 結(jié)語(yǔ)

FDM技術(shù)發(fā)展至今，整個(gè)行業(yè)進(jìn)入了一個(gè)瓶頸期。這既與國(guó)際、國(guó)內(nèi)大環(huán)境相關(guān)，也與技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈本身的局限有關(guān)。我們只有進(jìn)一步平衡3D打印產(chǎn)業(yè)的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，使之協(xié)調(diào)、并頭發(fā)展，大力開發(fā)種打印技術(shù)的耗材與應(yīng)用，降低材料成本，并使3D打印同互聯(lián)網(wǎng)深度融合，促使整個(gè)行業(yè)進(jìn)入智能時(shí)代，才能迎來(lái)此技術(shù)大飛躍的另一個(gè)春天。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊繼全，鄭梅等.3D打印技術(shù)導(dǎo)論[M].南京：南京師范大學(xué)出版社，2016.

[2] 楊向東，張鵬飛，陳文軍，李翠坤，陳澤茫.桌面型3D打印機(jī)工藝研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2016（04）.

[3] 吳懷宇.3D打印：三維智能數(shù)字化創(chuàng)造.北京：電子工業(yè)出版社，2015.1.

[4] http：//baike.baidu.com

[5] 唐通鳴，張政，鄧佳文等.基于FDM的3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].化工新型材料，2015，43（6）.

[6] 劉洋子健，夏春蕾等.熔融沉積成型3D打印技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展及展望[J].工程塑料應(yīng)用，2017，45（3）.

[7]王聰聰，詹儀.3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展前景[J].出版與印刷，2014（04）.

[8] 劉金暢.3D打印技術(shù)以及應(yīng)用趨勢(shì) [J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2014（34）.

[9] 陳慶，曾軍堂，陳韋坤.3D打印塑料材料技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2015（06）.

[10] 李新，孫良雙，楊亮，彭家麗，李洪波，葉正濤.FDM3D打印高分子材料改性及應(yīng)用進(jìn)展[J].膠體與聚合物，2017（03）.

[11]陳之佳.FDM快速成型中若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué)，2004.