浅谈3D打印材料产业发展现状及建议

方莹，吕莎

（宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644000）

3D打印技术缩短了生产周期，简化了复杂结构，节约了材料和能源，它引起了国内外的高度关注。近年来，3D打印技术生产已广泛应用于航空航天、医疗产品、家用电器、工业机械和其他领域，3D打印材料是制造的基础。我国3D打印材料生产技术基础研发缓慢，材料种类少，性能不达标，材料行业发展不成熟，缺乏专业人才培养机制。1984年，当查尔斯·费德打开3D打印序幕时，他将光学技术应用于石材生产领域。自20世纪80年代以来，3D打印在国外引起了广泛关注。各种3D打印技术已在许多行业得到应用和发展。现在它包括制造业、医学、科学、航空、航空、航天、军事等许多领域。2011年，全球3D打印行业的总收入为17.14亿美元，但2015年其复合增长率将超过30%，达到5165亿美元。到2018年，全球3D打印行业的总收入达到1100万美元。

1 3D打印技术的发展现状

1．1 3D打印技术概述

3D打印技术，又称“Lapid编程技术”，是以三维设计和三维计算机技术为基础，借助计算机软件和数控系统对特殊功能材料层进行叠加和加固。它始于19世纪的美国，直到20世纪80年代才被其他国家慢慢尝试。由于3D打印是基于信息技术和虚拟世界的生产和制造，3D打印技术概念实际上可以在现实世界中实现。首先，可以向消费者和制造商提供特别适合消费者需求的产品，以减少供应短缺，并在市场经济中发挥作用。3D打印技术生产的产品是无缝的，所需的材料类型可以减少传统工业中使用的零件数量。最后，3D打印技术可以提高生产的自动化程度，短期内可能会出现“机械变化”现象。然而，随着3D打印行业的逐步完善，数字建模、软件开发、材料开发等市场也在逐步完善，替代问题也在逐步缓解。

1．2 我国3D打印产业发展现状

为了满足不同行业的需求，3D打印机在工业生产、生物技术、家居产品等产品中得到了细化。然而，3D打印行业在打印材料和应用软件的研发方面还不成熟。从不同国家的角度来看，美国一直是3D打印技术发展的领导者，包括具有代表性的3D系统公司和STRATASYS公司。德国坚持严肃和远见的一贯原则，特别是研发高端打印机和3D打印行业开发的特殊打印材料。由于国外对尼龙粉等印刷材料的垄断，潜在的市场需求尚未开发，我国3D打印产业发展缓慢。经过多年的努力，我国在熔炼技术、涂层技术、电子束熔炼技术和选择性激光烧结技术等方面取得了长足的进步。凭借这些技术，我国在北京建立了十多家3D印刷机生产和服务公司，如龙源、时代天使和小林，负责全球3D印刷机生产和服务公司的总销售。但是，我国3D打印产业的发展与发达国家相比仍有很大差距。

1．3 3D打印的材料

3D打印钛合金除了在航空航天、汽车等领域的应用外，还具有良好的生物相容性和耐腐蚀性，在医学领域得到广泛应用。是人工关节、骨创伤、脊柱外科内固定系统、骨科手术器械等医用材料的首选，3D打印钛合金植入物可以适应不同的个人需求。此外，本发明还具有运动器材独特、密度低、强度高、重量轻的优点。广泛应用于自行车、网球俱乐部和高尔夫俱乐部。目前，塑料常用作聚碳酸酯（PC）、尼龙（PA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）等塑料。由于PC在某些方面的优异性能，近年来也出现了3D打印材料。

与ABS树脂相比，PC具有更高的机械强度、更高的阻燃性、更高的材料安全性以及更低的收缩和变形。因此，它在高强度要求产品的制造中得到了进一步发展。PA在力学性能方面比前两种塑料有更明显的优势。PA66树脂具有优良的韧性、耐磨性、高熔点和难加工性。因此，添加PVA和其他改性材料，将PVA与PA分子链结合，形成覆盖PA材料表面的网络结构，以提高PA材料的抗弯曲性、分子黏度和聚集性。许多公司的研究人员已经越来越多地开发出合适的塑料。无机非金属材料（用于制造添加剂的无机非金属材料）为污泥或粉末。陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等优点，广泛应用于机械工程、航空、医疗工程、建筑等领域。

1．4 3D打印的优势与缺陷

在产品的生产和加工过程中，使用了降低产品生产复杂性的加工工艺，如旋转铣削和成型。3D打印将三维实体转换为多个二维标高，通过加工材料和重叠层，生产的复杂性大大降低。与提高材料利用率的传统金属加工相比，3D打印机在金属加工中产生的副产品更少。随着印刷品的发展，网络化生产可以成为一种更环保的加工方法。扫描技术和3D打印技术改善了物理世界和数字世界之间的形态转换解决方案。我们可以扫描、编辑、复制物理对象、创建正确的副本或优化原始文件。3D产品的缺陷很难在批次中复制，3D在小型个人制作中是独一无二的，但无法通过大规模制作实现。制造过程比较复杂，特别是对于结构复杂的产品，需要收集结构信息并更换印刷设备。

先进的3D打印材料可以在很多情况下使用，但传统的材料、打印技术和制造技术没有优势，需要更好的行业合作和支持。高成本和缺乏再现性也是成本增加的重要原因。实用性不强，对于某些产品，不能打印产品的所有功能。作为冲床，三维零件是完成不同制造工艺最常用的零件。3D打印创新的真正局限在于我们看待这些技术的方式：我们只将它们视为制造业的一个组成部分，但它们不是系统的。

2 3D打印的发展与对策

2．1 我国3D打印产业发展存在的问题

3D打印行业通常由上游、中游和下游区域组成。上游是印刷产品的研发和供应，中游是印刷机械的生产和制造，发展重点是科技进步。目前，我国3D打印印刷行业各环节的发展还存在一些问题。例如，在3D打印行业中，技术不完善、生产周期长、产品质量不稳定是主要的技术问题。例如，在现有的技术水平之后，打印10cm以上的娃娃需要7个多小时。现有的3D打印技术只能用于定制和专业产品的小型生产，但不能像以前那样形成大型生产线。此外，3D打印技术可以生产汽车、房屋、工艺品和零件，但不能满足人们更高的需求。由金属材料制成的印刷材料通常由受外部张力和温度变形的非金属材料组成。

表面粗糙，通常需要二次“美观”，这在一定程度上降低了产品的精度。因此，3D打印技术无法满足高精度产品的打印要求。印刷材料有许多限制。首先，我国3D打印材料主要限于石膏、树脂、塑料等，因为不同的打印机必须匹配不同的打印材料，有限的打印机类型限制了可用打印材料的范围。此外，不同的打印材料不能同时打印，这也会影响打印质量。其次，尽管我国能够满足低端印刷产品的需求，但进口原材料的成本一直很高，因为大多数高质量印刷产品依赖进口。例如，需求量大的树脂原料价格可达每公斤数千元，用于组织器官培养的生物材料价格可达每克100元左右。因此，有必要加强3D打印机的研发，以消除印刷材料的供应范围和价格限制。

截至2013年底，我国3D打印人才缺口已达1000万人，制造业需要3亿人，硅谷缺口为800万人。作为一个新兴产业，3D打印产业的发展需要软件开发、光电子技术、数字技术、材料科学和专业技术的支撑，但我国3D打印人才的培养还很薄弱。在主要大学中，3D打印技术的相关领域很少。

为了促进理论的扩展和技术的发展，需要整合不同领域的平台，健全知识产权保护机制。随着3D打印技术的出现，它可以轻松复制和推广现有知识产权保护机制的严峻挑战。3D打印是一种研磨技术。用户必须使用现有产品的数字模型，印刷品的数字造型,是科技人员们聪明才智的结晶。而如何利用知识产权制度维护好这部分人的权益,是促进他们技术创新的关键问题。但目前,对于我国相关群体的著作权保护问题,没有具体结论。整个产业链还没有形成。目前,虽然我国已发展了3D打印产业,但还没有建立专门从事软件技术和新材料技术生产的3D打印企业。而且财务保障、独立第三方认证制度以及电子商务支持并不健全。如何推广3D打印技术，创造新的3D打印概念，也是3D打印行业现代化进程中的一个问题。

2．2 发展我国3D打印产业的对策建议

加强基础理论和技术的研究与开发。

（1）搭建高校、大学、科研院所之间的技术信息交流平台，汇聚不同领域、不同学科的专家，参与3D打印技术的理论交流和讨论。加强基础理论研究，如印刷材料的稳定性、耐压性和耐热性的演化分析。

（2）加强对核技术的研究和开发。以免税政策为主要内容，进口激光器、工业喷嘴和高精度光学设备，鼓励企业通过进口学习先进技术，始终坚持自主创新。我们必须突破影响工业发展的技术瓶颈。

（3）我们正在加快开发新型印刷材料，通过质量检测不断扩大材料范围，确保金属和非金属材料的市场需求，并不断加强环保材料的开发。专业人才的培养和高等教育的推进是人才培养的主要途径。我国的大型大学已经建立了专业的3D打印技术教学人员，鼓励引进优秀的技术人才回国，以满足市场需求。为了提高学生对3D打印技术的关注，相关部门定期在文化中心和科技博物馆等公共机构举办科技展览。专注于3D打印产品。强化技术人员的观念。印刷技术基于数字模型和打印机，数字模型可以在互联网上轻松下载和购买，从而改善了知识产权保护机制。为了保护数字模型设计师的利益，我们应该首先使用付费机制下载数字模型；其次，产品的生产过程必须通过与数字模型对应的印刷设备进行识别和链接，管理模型下载，有效保护模型设计师的利益。最后，必须限制数字模型的下载。例如，应该禁止下载对社会有害的数据模型。

为3D打印行业制定全面的发展计划。作为一个新兴行业，政府应该制定一个全面的工业发展计划，明确工业发展趋势，并加强政策指导。结合其他产业链的实验方法，创建产业合作，提升3D印刷产业，促进3D和民族产业的发展。

3 结语

近年来，3D打印技术发展迅速，领域也逐渐拓宽。但是,目前3D打印材料的供给状况并不乐观,这也制约着我国3D打印产业的发展。国内极少的企业可以通过进口生产3D打印材料,尤其是高价金属材料。这将造成3D打印产品的高昂生产成本,并将影响其产业化进度。国家为此已经出台了3D打印材料的有关技术标准,并加大了对3D打印材料研制与产业化的科技与资金扶持，从而提升了3D打印材料的品质,进一步推动了我国3D打印产业的发展。3D打印技术的进步,使我国电子工业发展实现了跨越。我国将由工业强国逐步转型为能源制造强国，积极适应当前3D打印材料品质,全面发掘新能源的利用效益,积极开发新材料,追求价格低、兼容性好、实用性强的3D打印材料。