3D打印的突破之道

俞凯怡

最近10年来，3D打印市场的年平均增长率超过25%，3D打印的终端用户正在跨越航空航天、医药、汽车等高价值垂直行业，应用场景更趋多元。材料是3D打印技术的物质基础，决定了该技术在各领域应用的深度和广度，甚至成为实现3D打印规模化发展的一大挑战。随着3D打印技术的多样性、复杂性不断增长，适用于该领域的各类新材料也在随之骤增。

愈加广泛的材料组合

3D打印技术在实现材料组合的可控调节和复杂结构的精确制造方面具有独特优势，可减少原材料的浪费，且适度使用新的智能材料。中国工程院院士、西安交通大学教授卢秉恒认为这些特性使3D打印成为高端制造的利器，“在计算机控制下，把需要的材料按照设计累加到需要的地方，实现控形控性。3D打印技术能在可控条件下，快速将不同材料混合在一起，打印试件或零件，因此可以按照材料基因组方法，实验与发明新合金、新复合材料，为工业应用快速开发出更多更好的新材料，满足高端装备、新产品的多方面需求。”

尽管3D打印材料的成本是传统制造类似材料的数倍乃至百倍以上，但3D打印高还原和高精度的数字化特性仍让其深受各行各业的欢迎，3D打印市场也顺势囊括了越来越广泛的材料组合，全球范围内的材料研发机构和制造企业都在积极开发适用于3D打印的新材料，新的材料供给不断涌现。

汽车产业是3D打印应用的重要领域之一，各大汽车品牌都在布局研究3D打印的相关技术与材料，期望使用3D打印工艺批量生产一些终端零件，为消费者提供舒适、轻量化、易用的产品，给他们的爱车带来更多不同的风格，一些愿景远大的老牌车企甚至冀望于自己投资的新材料团队与合作伙伴能够开发出具有革命性的3D打印新材料。

3D打印材料的演进从未停止。比如光聚合物材料是3D打印技术推广以来应用极为广泛的材料之一，应用于众多实际使用场景，可直接打印电子接插件、装配零件、壳体、高精细工业零部件等终端应用配件，其细分品类不断升级。以生产具有优异机械性能的零件而闻名的钛合金粉末是当前价值最高、应用最广泛的3D打印金属材料之一，其细分品类同样众多。另一种被广泛使用的铝合金亦是如此，随着市场对具有特殊性能的铝合金需求越来越旺盛，具备耐高温、高强度、高韧性属性的铝合金是船舶、航空、航天、汽车等产业领域的稀缺品，有新材料研发机构据此需求推出的强度更高的、可在更高温度下保持性能的3D打印铝合金为客户的产品升级带来了新的可能。

只是突破永远会在下一场。高强度、高塑性的3D打印钛合金仍在爬坡升级，客户却似乎有了新的想法。空客公司与材料制造商正试图以由连续纤维与热塑性塑料构成的3D打印复合材料支架替换原有的钛合金产品，因为复合材料在性能可靠的情况下可进一步实现飞机的轻量化，在使用寿命期间大量减少碳排放。这里被提及的纤维增强热塑性塑料是新兴工业材料的代表作之一，拥有更多也更新的优异特性，如高强、轻质、导电、耐腐蚀、高吸波性等，赋予3D打印成品更高的强度和尺寸稳定性。

让材料与工艺更契合

3D打印技术的发展已经经历了“风起”、“狂热”、“退烧”和“回归”的不同阶段，虽然被公认为是生产复杂结构的产品、替换零件、按需制造以及大规模定制产品的理想选择，然而3D打印并不是“简单按键”就能搞定的技术，其作为典型的数字化制造技术，从设计到生产再到质量保证的全套流程都运转着海量数据，适用材料、生产参数、质量要求等因素相互影响、依存，对其的认知永远“在路上”，每一项要素的变化都可能带来新增长点，材料的适用与否更是如此。

3D打印技术直接将3D设计模型转化为现实的产品后，其外观和内在特性均有保障，“用多种不同材料打印零件，将材料分层，不同材料打印在不同层，零件就可以实现表面是耐磨、耐腐蚀的，里面是高强度、韧性好的，再里面就是疏松的蜂窝状结构。如此一来，产品在增强刚性的同时减轻了重量。”但材料的成熟度和扩展方向一直都是3D打印领域发展的重要问题，为开发特定用途的新型3D打印材料，缩短发现这些新材料所需的时间，研究人员已经开始使用人工智能优化具有多种特性，如韧性和抗压强度的新型3D打印材料。3D打印的价值链上有着巨大的增长机遇，据预测，一方面新材料源源产出，每推出一种即有新的3D打印应用供各方探索，一方面仍在使用的3D打印机将继续消耗原有的打印材料，由此并行、叠加，3D打印材料的全球市场规模有望在2032年增长至300亿美元。

3D打印材料较好体现出“小而美，高精尖”的产品价值导向，有些产品甚至是“单品、单线、单独工艺”，这有其益处也不乏弊端。西安交通大学机械工程学院特聘教授、机械制造系统工程国家重点实验室主任李涤尘这样解读目前市场上较为普遍的3D打印材料与设备绑定的现象，“材料和设备工艺的绑定，的确有封闭的一面，但是也有其存在的合理性，因为材料跟工艺密切相关。工艺是根据使用的材料做了大量的实验形成的，如果脱离原先的材料，还用这个工艺参数去做，一旦不成功，设备厂商就可能面临责备。实际上并非设备本身的问题，而是工艺参数和材料的作用关系导致。”

3D打印新材料的性能与产品契合度永远是用户关注的重点，各方都在期待材料和工艺的更好结合，彼此心声趋同：“如果我们希望制造商在工业生产中越来越多地采用3D打印，他们需要获得更多的功能性材料，这些材料的性能、法规、安全和质量都与他们的应用相匹配。这需要扎实的材料专业知识来设计材料，使其不仅在离开打印机时表现出所需的性能，而且隨着时间的推移，在不同的功能和环境条件下也表现出所需的性能。”