3D打印技术的发展给石化行业提供的机会

2015-03-28李汉初

合成树脂及塑料 2015年3期

李汉初

（中国石化化工销售有限公司华南分公司，广东省广州市510620）

随着计算机和网络技术的发展，诞生了有实际用途的三维（3D）打印机[1]，开辟了制造业的全新领域，3D打印技术将数字化生产、互联网、新材料、等结合在一起改变了传统的生产方式[2]。本文综述了3D打印技术的发展历程、优势及未来发展方向，提出了3D打印技术给石化行业在新产品研发、设备制造、管理等方面提供的机会。

1 3D打印技术的发展历程

3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成3D实体的技术，它结合了精密机械、自动化控制、材料科学、信息技术和计算机技术的复杂机电一体化系统，也称为增材制造[3]、立体印刷或直接数字制造[4]。3D打印技术包括建模、打印和完成（也称为后处理）3个步骤，以数字化模型为基础，运用液体（如液态光敏树脂）、固体粉末（如陶瓷粉和金属粉）、丝材（如塑料丝）或片材等作为耗材，通过熔融挤出、光固化成型、层压成型等技术，以逐层打印的方式制造产品。

20世纪80—90年代，美国出现了光固化成型、选择性激光烧结、熔融挤出成型、3D印刷等一系列3D打印技术的核心专利技术，随后各种用途的3D打印机相继问世。3D打印技术的主要发展历程见表1。

表1 3D打印技术的主要发展历程Tab.1 Main development course of the 3D printing technology

2 3D打印技术的前景

2.1 优势

3D打印技术具有传统模型加工制造所不具备的优势：1）可完全实现按人们意愿的个性化生产[7]；2）产品制造周期短，生产流程简单；3）产品精度非常高；4）可实现传统加工工艺难以完成的复杂一体化成型产品的制造；5）场地简单，投资少；6）原料利用率高，几乎无边角废料；7）生产柔性大，可按需生产；8）工艺水平先进，可实现无缝生产。

2.2 应用

随着3D打印技术的日趋成熟，应用领域不断扩大：1）航空航天领域中许多小批量、结构复杂、昂贵的构件已由3D打印技术制造。美国波音公司已用3D打印技术制造了300多种飞机零部件[8]，中国的歼-16、歼-20、歼-31 和 C-919 等高端飞机均使用了3D打印技术。2）生物工程与医疗设备。3D打印技术广泛用于人造骨骼、牙齿、假肢、助听器等[9]，甚至人造血管、组织和器官等领域均有成功应用的报道。3）装饰品。各种个性化的珠宝首饰、服装、玩具、鞋类等。4）电子产品。手机、音响及各种高档光电器材。5）工业制造、产品设计、文化创意、数码娱乐等。3D打印技术在各领域的应用情况见图1。

图1 3D打印技术在各领域的应用Fig.1 Applications of the 3D printing technology in various fields

2.3 未来发展方向

未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化及便捷化等主要特点：1）提升3D打印的速率、效率和精度，开拓连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，以实现直接面向产品的制造；2）开发更为多样的3D打印耗材（如智能材料、功能梯度材料、纳米材料等）；3）3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便；4）软件集成化，使设计软件和生产控制软件能无缝对接；5）拓展3D打印技术在更多高端、个性化领域的创造性应用。

2.4 前景

2014年4月，在纽约举行的“3D打印博览会”上，世界上著名的3D打印机生产企业各自推出更为廉价实用的3D打印机：北京太尔时代科技有限公司推出任何人在任何地方都能使用的PP3DP型3D打印机，售价为900美元/台[10]；浙江金华万豪配件有限公司推出的勇士4号3D打印机仅需4999元/台；中国台湾 XYZ Printing公司推出的da Vinci型3D打印机起步价仅需499美元/台；而美国Form Labs公司推出的 Form 1型3D打印机可以打印厚度仅为25 μm的产品[11]。目前，各国的研发投入都在不断增加，以抢占制高点，而且，越发达的国家越重视，3D打印技术的前景非常广阔。各国和地区所拥有的市场份额见图2。

图2 世界各国家和地区3D打印技术应用的市场份额Fig.2 Market share of the 3D printing technology in various countries and regions around the world

3 3D打印技术的发展瓶颈

耗材是3D打印产品最主要的成本，有的耗材价格高达4万元/kg，耗材研发是3D打印技术发展的关键。3D打印技术的固化方式主要是加热、降温、紫外光和激光烧结，同时要求产品必须达到一定的强度、刚性和热稳定性等。因此，对材料的各项性能要求很高。3D打印耗材主要包括：黏接材料、熔融材料和光固化3D快速成型材料。目前，主要是热塑性树脂、光敏树脂、橡胶和各种金属[12]，这些材料多为粉末或黏稠的液体。随着研究的深入，这个制约3D打印技术发展的瓶颈将很快被克服。世界上著名3D打印企业的技术和耗材见表2。

表2 世界著名3D打印公司的成型技术及耗材Tab.2 Molding technologies and consumables of worldwide famous 3D printing companies

4 3D打印技术给石化行业提供的机会

2014年，英国Canalys公司的市场研究报告表明：3D打印市场目前仍处于起步阶段，但发展速度不断加快，2013年，全球销售额约为25亿美元，2018年将增至162美元以上[13]，“只要你能想到的，就能被设计和打印”[14]，这将为石化行业各方面特别是新产品开发提供难得的发展机会。

4.1 开发可用于3D打印的材料，提升石化行业经济效益

目前，3D打印用量最大、技术最成熟可靠的耗材就是各种树脂，而石化行业是世界上技术最先进、科研力量最强的树脂生产企业，3D打印最常用的耗材包括ABS、聚酰胺、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯醇（PVA）、聚苯砜、PLA、光敏树脂等，石化行业均能生产，拥有开发3D打印耗材的所有优势，而这也必将促进石化行业的发展。

1）利润巨大，效益很好。美国的3D打印耗材在45美元/kg以上[15]，而国内市场上用量较大的各种3D打印专用树脂都很贵。济南三帝信息科技有限公司生产的3D打印专用PC/ABS共混物为1 200元/kg，东莞哲瀚塑胶五金制品有限公司生产的PVA/PLA共混物为60～200元/kg，而中国石油化工股份有限公司、中国石油天然气股份有限公司、埃克森美孚公司生产的聚丙烯T30S和线型低密度聚乙烯DFDA7042等普通树脂的价格均为12元/kg左右。3D打印专用树脂的价格见表3。

2）锻炼队伍，提升科研水平。3D打印技术对耗材的要求较高，开发过程中不但可以吸收国内外先进技术，同时可以提升开发新产品的水平。

表3 3D打印专用树脂的价格Tab.3 Price of the special resins for 3D printing

3）储备先进技术。3D打印技术作为实现数字化和智能化制造的一项关键性技术，将深刻地影响制造业的未来，有些投入不一定马上有效益，但作为技术储备对企业是必要的。

4）拓展新业务，开拓新市场。随着有成本优势的页岩气化工和煤化工的发展，树脂销售的竞争将更加激烈，而3D打印耗材是一项前景很好的新业务。

5）抢占高端，放眼未来。3D打印耗材制约了3D打印技术，开发高端3D打印耗材有利于企业在未来竞争中占据有利位置，提升竞争力。

4.2 用3D打印技术开拓石化设备新的制造方式

石化行业是技术密集型行业，设备种类多、技术要求高、制造工艺复杂，主要设备订货时间需1～2年，而且备品备件多，投资很大，从几十亿到几百亿，3D打印技术的发展将极大改善这种状况：1）提高设备的精度和可靠性，延长使用寿命；2）可以打印以前传统制造工艺无法加工生产且结构复杂的设备构件；3）3D打印技术采用增材制造工艺，减少了原材料消耗，昂贵的设备成本将随之极大降低；4）采用3D打印技术可很快打印损坏的各种设备，极大地减少因设备故障而影响生产时间，因此，可大量减少备品备件数量；5）3D打印技术采用数字化模型设计生产，复杂关键设备的设计及生产时间将极大缩短；6）直观提供各种设备的内部结构，提高设备检修的速率和效果。

4.3 3D打印技术将为石化行业的科研、设计单位提供新的发展平台

3D打印技术未来在各方面的广阔用途将为石化行业的科研、设计单位提供新的研究方向，为他们业务的开展提供很好发展机会。

4.4 为快速提高操作人员的技术水平提供条件

采用3D打印技术可打印石化行业需要的各种生产装置的直观模型，让操作人员进行模拟生产操作，快速提高他们的技术水平。此外，3D打印技术也可给企业培训，企业的各种展会提供直观产品，为企业宣传提供更为直观的方式和手段。

5 结语

3D打印技术将引爆一场产品制造、计算机、互联网、设计、材料、生物、知识产权等各方面的革命，这项革命性的创新必将给我们的传统制造业，传统观念带来很大冲击，世界各国都非常重视，积极抢占技术制高点。3D打印技术无可比拟的优势决定其应用前景非常广阔。3D打印技术的快速发展也将为石化行业各方面提供很好的发展机会，特别是制约其发展瓶颈的新材料研发，经济效益巨大，石化行业应加大这方面的投入，争取在未来的竞争中抢占先机。

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[2] 郭振华，王清君，郭应焕.3D打印技术与社会制造[J].宝鸡文理学院学报：自然科学版，2013，33（4）：64-70.

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[11] 刘学通.廉价高精密度3D打印机Form 1上市[J/OL].(2012-09-28）[2014-10-16].http://tech.qq.com/a/20120928/000018.htm.

[12] 王忠宏，李扬帆，张曼茵，等.中国3D打印产业的现状及发展思路[J].经济纵横，2013（1）：90-93.