3D打印技术现状及产业化分析

樊新波 王桂红

摘 要：本文针对3D打印的设备及材料国内外技术现状进行论述，并对其现有较成熟的成型技术进行分析，指出其发展趋势及制约其技术发展的因素，并对如何加快3D打印技术产业化进程给出了建议。

关键词：3D打印；设备；快速成型；产业化；发展瓶颈

中图分类号： TP3 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）12-88-2

0 引言

3D打印是基于材料堆积法的一种快速成型技术，在未来的制造领域将具有举足轻重的地位，其制造过程简单、开发时间短、成本低、效率高、应用范围广等特点对提高企业产品研发实力及市场竞争力具有重要意义[1]。

1 3D打印设备及材料国内外研究现状

1.1 国外研究现状

美国3D Systems和Strategys公司是全球3D打印行业领导者，在3D打印行业占主导地位。近年来3D Systems公司通过并购和研发获得了激光选择性烧结，熔融堆积，多喷头三位打印等技术，推出专业打印机ProJet35003D，ProJet7000等，该系列产品打印精度极高，其最小层厚可达16微米。Stratasys公司通过收购Solidscape和以色列公司Objet，获得了DoD技术、Polyjet技术及其系列产品，2012年该公司发布的超大型快速成型系统Fortus 900mc，打印出直径近1.4米的零件，支持多种材料选择。德国EOS公司EOSM400 3D金属打印机可直接生产产品，制作范围达到400毫米。ExOne公司推出的M-Flex工业级3D打印机，能够打印各种材料，打印速度达到30～60秒/层，最小层厚可达0.15毫米[2]。

3D打印材料主要分为聚合物材料、金属材料、陶瓷材料和复合材料等。Stratasys的ABS-M30比传统ABS塑料机械性能提高了67%；德国拜耳公司的PC2605可用于防弹玻璃、宇航员头盔面罩等异型构件打印；索尔维公司的PA材料解决了汽车轻量化问题；Shapeways公司的EP弹性塑料可应用于穿戴物品[3]；德国EOS公司开发有不锈钢粉、铝硅粉、钛合金粉等金属粉末材料，不同材料的打印需要有不同的设备与工艺与之相配合[4]。

1.2 国内研究

我国3D打印设备研发已取得一系列成果。2007年盈普光电开发出国内首台采用激光烧结成型方法直接制造塑胶零件的3D打印系统，2013年华中科技大学史玉升教授带领团队开发出可打印长宽达1.2米的立体打印机，其可打印空间规模上具世界首位。2014年华曙高科推出世界最快的3D工业级打印机，可实现12.7米/秒的激光扫描速度。青岛尤尼科技和美国Drexel大学周功耀教授联合研发出国内首台可打印人体心脏支架及骨骼材料的re-human生物打印机[5]。

在3D打印材料研究方面，清华大学开发了FDM工艺用ABS丝材和蜡，依托北京殷华重点研究生物制造；华中科技大学专项研究了LOM工艺，联合武汉滨湖推进激光柔性加工技术的产业升级；西安交通大学推出了LPS和CPS光固化成型系统系列及其树脂材料，依托陕西恒通在模具、汽车等领域有所突破；北京航空航天大学掌握了激光将金属熔化后对金属重结晶的控制技术，依托中航激光在民用及军用飞机领域有所造诣，中航激光在世界范围内首次将激光成形钛合金构件应用在民用客机的研制。北京隆源公司研制的工程塑料、精铸蜡粉体料等适用于SLS工艺；近期华曙高科与巴陵石化合作开发弹性体粉末材料、SLA环氧树脂等材料。顶立科技自主开发出球形纯钛粉等金属基3D打印材料[6]。

2 3D打印成型技术及产业化分析

目前，3D打印成型技术主要有以下4种：液态光敏树脂固化成形、 薄型材料分层叠加成形、 粉末材料选择性激光烧结成形、熔丝堆积成形。

2.1 3D打印成型技术分析

①光敏树脂液态固化成形（SLA）技术，该技术主要采用液态光敏树脂，其优点是成型的零件有较高的精度且表面光洁，加工精度能达到0.08mm，可制作空心零件，即使其形状很复杂，成品柔性好，可随意拆装。缺点是可用材料的范围有限，并且不能多色成型，需要支撑，树脂收缩会导致精度下降。

②薄型分层叠加成形 （LOM）技术，该技术使用薄膜材料。其特点是加工效率高，工作可靠 ，模型支撑性好，成本低。缺点是材料范围很窄，每层厚度不可调整，前、后处理费时。

③选择性激光粉末烧结成形 （SLS）， 该技术使用固体粉末材料，其特点是材料适应面广且价格便宜，成型速度快等，精度、强度高，样件可用于功能试验或装配模拟。

④熔丝堆积成形 （FDM）技术 ，以丝状热熔性塑料为材料，技术的特点是使用、维护简单，速度快，成本较低且无污染。

2.2 3D打印技术发展趋势及发展瓶颈

在制造领域中，随着信息、控制、材料、智能等技术的普及，3D打印技术也被寄予更高的期望，将来3D打印将会更通用、更精密、更智能、更便捷，现阶段亟待提升打印精度、效率、容量及工艺方法，使其体积更小，成本更低，更易操作等，同时，提高设计软件与打印控制软件的匹配度；拓展其在医学、教育、 车辆、建筑等更多行业领域的应用发展[7]。

目前主要有四个方面制约3D打印技术发展。材料方面：材料可适用性、强度以及环保性等技术不成熟；工艺方面：目前3D打印精度尚待进一步提高，打印效率无法满足批量化生产需求；设备方面：目前3D打印机造价昂贵，制约其普及推广；知识产权方面：产品技术复制因3D打印的发展变得更易实现，制造业产品技术保护变得困难，盗版风险加大，知识产权现行机制也亟待进一步改进提高以适应3D打印的产业化发展需求。

3 3D打印技术产业化发展建议

目前，因存在公共技术平台缺失、产业规模化程度低、产业链尚未有效形成、教育培训和社会推广缺乏等问题，距离3D打印技术在制造领域的批量化生产应用还有很长的一段路要走。为加快推进我国3D打印技术研究及其产业化进程，现提出如下建议：

①依托高等院所、科研院所和骨干企业，有效整合国内资源，健全关键共性技术研发体制机制，增强自主创新能力，加强顶层设计和统筹规划。

②推动由企业、科研院所和高校共同参与的产业联盟及行业协会建设，推动产业协同发展，加强国际合作与交流，推动技术领先领域的国内标准国际化。

③建立以市场需求为导向，推进3D打印技术与传统制造技术的有机融合。开展应用试点示范与推广，完善市场培育，促进3D产业优先发展。

④完善高端技术人才引进与培养政策，将3D打印技术走进高校课堂，促进3D打印社会化公共化推广。

4 结束语

3D打印技术是制造技术的一项革命，是伴随新材料、激光、计算机及其它先进技术的发展而发展的，其正在持续进行自我完善与进步，具有广泛的应用前景。通过对3D打印设备与材料关键技术及目前产业化发展瓶颈分析，提出3D打印发展趋势和产业化发展建议。虽然现阶段国内部分3D打印技术与国际水平存在一定的差距，但我相信，经过科技人员的不懈努力，3D打印将走进普通人的日常生活中，3D打印产业化也将会逐步落地。

参 考 文 献

[1] 夏鹏，王丞，马明亮.快速成型技术应用现状及发展趋势[J].九江学院学报，2008，（3）：55-58.

[2] 王红霖.3D打印技术制造业发展新趋势[J].新兴产业，

2012.

[3] 王巍.光固化快速成型在精密铸造中的应用[J].铸造技术，2012（1）：127-128.

[4] 刘厚才，莫健华，刘海涛.三维打印快速成形技术及其应用[J].机械科学与技术，2010（9）.

[5] 伟虹，李志敏.快速成型技术中材料技术的发展与应用前景[J].航空工程与维修，2000，3：37-28.

[6] 王雪莹.3D打印技术与产业发展的前景分析[J].中国高新技术企业，2012.

[7] 殷媛媛，罗津.从专利发展看全球3D打印技术的新趋势[J].科技发展研究，2013（4）.