科技支撑3D打印技术发展创新引领制造产业市场未来

2015-06-05朱则刚

网印工业 2015年3期

文朱则刚

文朱则刚

如今，3D打印技术让全球愈来愈多的人着迷，因为3D打印技术的确能使人联想到未来彻底改变我们生活的可能。3D打印已在世界各地开花结果，并成为全球性研发竞争的焦点。在世界各地的家庭、办公室和工厂车间，3D打印革命才刚刚开始，即以从容不迫的脚步设计生产着尺度相对较小的打印产品与设备。当下发展中国家的劳动力成本正逐年上升，要在新一轮竞争中胜出，得靠技术创新优势，3D打印正处行业创新活跃期，我国应将加强顶层设计和统筹规划，并组织制定3D打印发展路线图和中长期发展战略，值得相关部门的关注。

3D打印技术的路径和实现方法

3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。软件通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。

3D打印又称增材制造技术、激光堆积型技术或激光快速成型技术。通过3D打印机，采用计算机辅助设计、远程数据传输、激光扫描、材料熔融等一系列技术，以分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来生成3D真实物体。3D打印机所使用的材料，自然不是纸或墨水，而是一些可以发生固化反应的材料，现在可以作为原材料的东西已经多种多样，包括树脂、塑料、陶瓷、金属等。3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，从而极大地缩短产品的研制周期。

3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。目前，从珠宝、鞋类、工业设计到建筑、工程施工、汽车、航空航天，从医疗产业、教育到地理信息系统、土木工程以及其他领域，3D打印离老百姓的日常生活越来越近。根据所用材料及生成片层方式的区别，产业不断拓展出新的3D打印技术路径和实现方法。可大致归纳为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型三大技术类型，每种类型又包括一种或多种技术路径。

挤出成型主要以熔融沉积成型（FDM）技术实现，与其他的3D打印技术相比，FDM是唯一使用工业级热塑料作为成型材料的积层制造方法，打印出的物件可耐受高热、耐受腐蚀性化学物质、抗菌和抗强烈的机械应力，被用于制造概念模型、功能原型，甚至直接制造零部件和生产工具。FDM技术被Stratasys公司、惠普公司作为核心技术所采用。2012年由Stratasys公司发布的超大型快速成型系统Fortus 900mc，代表了当今FDM技术的最高成型精度、成型尺寸和产能，可被用于打印真正的产品级零部件。

粒状物料成型主要分为两类，一类是有选择的在颗粒层中融化打印材料，而未融化的材料则被生成物件的支撑或薄壁以减少对其他支撑材料的需求。主要包括：3D System公司的sPro系列3D打印机采用的选择性激光烧结（SLS）技术、德国EOS公司采用的可打印几乎所有合金材质的直接金属激光烧结（DMLS）技术、瑞典ARCAM公司采用的通过高真空环境下电子束将融化的金属粉末层层叠加的电子束熔炼（EBM）积层制造技术。另一类是3D System公司的ZPrinter系列3D打印机所采用的喷头式粉末成型打印技术。该系列打印机在喷每一层石膏或树脂粉末的同时，都会通过横截面进行粘合，并重复该过程，直到打印完每一层。该技术允许打印全色彩原型和弹性部件，将蜡状物、热固性树脂和塑料加入粉末一起打印还可以增加强度。

光聚合成型其实现途径较多，由美国3 D System公司开发的用于生产固体部件的光固化成型（SLA）技术。该技术具有成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度高等特点，但对液态光敏聚合物进行操作的SLA精密设备同时也要求苛刻的工作环境，且成型件多为树脂类，强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存。Objet公司的PolyJet喷头打印机技术，喷射16-30μm超薄光敏聚合物材料层到构建托盘上直至部件制作完成。该技术通常被用来设计支撑复杂几何形状的凝胶体材料，通过手剥和水洗即可去除。德国EnvisionTec公司的Ultra 3D打印数字光处理快速成型系统。该系统能够构建组合型的3D部件，并使用高分辨率的数字光处理器投影仪来固化液态光聚合物，从而快速精准的完成模型的制造。

3D打印打开第三次工业革命大门，它的蓬勃发展会使中国制造业遇到机遇与挑战。据悉，我国从上世纪90年代起开始研发3D打印技术，目前包括西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京航空航天大学等高校在这一技术领域已取得了不俗成绩，基本与西方发达国家处于同一水平，研发出光固化、金属熔敷、陶瓷成形、激光烧结、金属烧结、生物制造等类型的3D打印装备和材料。从科研机构投入3D打印技术的研究，到民间资本进入到该领域，伴随着科技进步，3D打印将逐步从专业领域走入民众日常生活，产业化步伐将加快。

新一代信息技术的发展特别是广泛应用，必将成为新一轮产业革命孕育发展的重要动力。第三次工业革命不能理解为仅仅有3D打印、计算机模拟或者信息化等个别新制造技术和设备的出现和应用，可以说，这几方面的变革都有，但是它实质上是一个内涵丰富、多层次，已经发生突破，但仍处于演进中的整个工业系统变革。世界政经格局深度调整和新一轮科技革命为中国创造了新机遇。这是一场争夺未来的竞争，每一个国家都想抢占先机。对于中国来说，第三次工业革命是不可多得的历史机遇。前两次工业革命中国都落后于世界，而面对新一轮工业革命之机，作为后发国家的中国，应充分利用好全球科技创新资源，在更高起点上实现赶超和跨越。“创新驱动”是新兴产业发展的“灵魂”。当下，发展中国家的劳动力成本正逐年上升，要在新一轮竞争中胜出，得靠技术创新优势。3D打印技术确实带有一种变革性，短流程、低成本、数字化、高性能的装备构建制造一体化技术，对于高性能难加工构建技术是一场革命。从目前来看，3D打印和传统制造都有各自的优势，两者不可互相取代，在今后很长一段时间内，3D打印与传统制造工艺将不可分割地共存。

3D打印技术应用及现状

3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

最初3D打印技术的主要应用是原型制造，将设计三维模型转化为实物，进行设计结构的验证，这种3D打印零件属于非功能性的模型，使用的材料主要是纸张、塑料和胶水；随着3D打印技术的成熟，近几年国内外很多机构开始尝试直接打印零件，即3D打印带有功能性的实物零件，使用的材料包括金属、高分子和陶瓷材料等。从技术难度上分析，功能性的实物制造比模型制造更难，一方面因为实物制造增加了对内部缺陷的要求；另一方面因为金属等材料的成型温度更高（熔化温度比塑料高约10倍），耐高温的打印头设计更复杂，而且凝固时产生很大的内应力，容易出现开裂、变形、气孔等现象，成型工艺比较复杂。3D打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。3D打印技术可以打印假肢、汽车、飞机的今天，它还在创造无限的可能。首先3D打印技术可以加工传统方法难以制造的零件。过去传统的制造方法就是一个毛坯，把不需要的地方切除掉，是多维加工的，或者采用模具，把金属和塑料融化灌进去得到这样的零件，这样对复杂的零部件来说加工起来非常困难。立体打印技术对于复杂零部件而言具有极大的优势，立体打印技术可以打印非常复杂的东西。其次实现了首件的净型成形，这样后期辅助加工量大大减小，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度，尤其适合一些高保密性的行业，如军工、核电领域。此外，由于制造准备和数据转换的时间大幅减少，使得单件试制、小批量出产的周期和成本降低，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的出产。目前大家关注的3D打印主要是具有功能性的实物制造，其中，金属零件的3D打印是最大的热点。

金属零件的3D打印主要应用领域是航空、航天、军工、模具制造及医疗领域，用于这些领域共同特点就是个性化、小批量的快速制造。相对来说，医疗行业3D打印的应用发展速度较快，而其他领域发展较缓慢，主要原因是医疗领域充分利用了3D打印个性化制造的特点，对3D打印产品的机械强度和效率等要求较低，其他领域都对打印零部件的内部质量、机械强度、成型速度、配合精度均提出高要求。从金属3D打印实现方式分类，主要有两种，分别是烧结式和熔覆式。据报道，采用激光烧结成型工艺的3D打印典型的国外公司包括德国的EOS、concept、SLM等公司，英国的雷尼绍公司，日本matsuura公司；中国的华中科技大学滨湖机电公司、华南理工大学；采用电子束烧结成型工艺的瑞典的ARCAM公司，中国的北京航空制造研究所（625所），这类产品主要优点是成型的精度较高，缺点是成型速度低，成型尺寸限制在300mm左右；主要应用于医疗和小型模具制造。采用激光熔覆成型工艺的3D打印典型企业包括美国POM公司和OPTOMEC公司，中国的北京航空航天大学天地激光公司、西北工业大学西安铂利特公司、沈阳新松机器人自动化股份有限公司，电子束熔覆成型工艺3D打印典型企业包括美国的Sciaky公司、中国的北京航空制造研究所（625所）。这类产品的主要优点是冶金质量好、成型速度快、成型尺寸大，但精度较低，需后续加工，典型应用是航空高强度结构件、叶片制造、各种金属模具的直接成型。

目前，材料供给成为3D打印技术发展的最大瓶颈。由于3D打印技术目前总体并不成熟，产业规模并不大，所以国内生产3D打印材料的企业极少，很多金属材料更是依赖进口。而在材料性能、数据积累上，全世界都处于非常不足的状态，且有关数据积累也大多集中在钛合金等贵金属材料上，这也在一定程度上推高了3D打印的成本，限制了该技术的普及。

如今智能制造已经成为国际新一轮的争论热点，具有学习和控制能力的3D打印机已经不再是天方夜谭，“机器制造机器”是制造业发展的一个必然趋势，随着3D打印机和智能机器人的结合，将一定程度上改变国内的制造业格局，并且将开创一种全新的商业模式。

3D打印控制方式智能化

3D打印机可以通过新的方式将原材料加以混合，新型材料就会出现。有了混合材料打印，多元结构的部件将会被同时制造、同时组装出来。在一个较小的范围内，我们将会以纳米级的精度将多种材料嵌入和编排到复杂的微观结构中。

虽然现在3D打印很热，有很多企业和政府也纷纷上马或推广3D打印项目，但真正用3D打印做出产品的较少。这里面关键问题还是技术问题，打印速度和精度、打印精度和强度等相互矛盾的技术指标困扰着制造商和最终用户，当然还有操作专业性强、原材料昂贵等问题，最终让他们保持观望态度。在现阶段技术条件下，3D打印的智能化及复合兼容技术非常有效地解决目前存在的弊端，大幅提升3D的性能。

目前国内外大部分3D都采用盲打工艺，需总结大量的工艺数据，成型工艺非常复杂，往往每一种形状零件、每一种材料都需要不断的试验，几乎每一层都需要总结出工艺参数。而且当成型过程中出现异常时，系统无法识别，也不能自动调整，如果不去人工干预，将造成无法继续成型或将缺陷留在工件里，必须由经验丰富的专业技术人员操作机器随时观察成型状态才能做出较合格的零件，严重影响了金属3D打印的普及性。因此，3D打印机智能化非常重要，像人一样，给3D打印机装上眼睛是非常必要的，通过看外在物体状态随时调整人的姿态和行为，对于3D打印机来说，就是调整工艺参数。因此，智能识别和反馈功能将是目前快速成型系统的迫切需要解决的问题，通过较简便的工艺参数积累，让3D打印设备自己去判断，智能调整即可，让复杂的快速成型工艺变简单，更具有实用性和推广性。智能识别系统将提供大量成型过程的数据，希望通过实践积累大量数据，让3D打印机变更聪明，最终通过软件的开发让3D打印机具备自学习功能，这样的思路也就确确实实是3D打印系统需要具备的特征，同时也符合了机器人的特征。