被賦予開(kāi)啟第三次工業(yè)革命使命的3D打印技術(shù)將我們的關(guān)注點(diǎn)從傳統(tǒng)的批量生產(chǎn)上移開(kāi)，并帶我們進(jìn)入一個(gè)可定制化的一次性生產(chǎn)時(shí)代。 

   洗衣機(jī)上壞個(gè)塑料件？目前的做法是：維修人員從經(jīng)銷商那里下個(gè)單，然后他們?cè)購(gòu)墓S將零件發(fā)過(guò)來(lái)，這個(gè)工廠可能在國(guó)內(nèi)，也可能在印度或菲律賓，在那里他們使用非常昂貴的模具從注塑機(jī)里注塑出來(lái)。在可想象的未來(lái)，事情會(huì)變得非常簡(jiǎn)單，你只要在家里用3D打印機(jī)就可以把這個(gè)零件打印出來(lái)，你所需要做的就是從制造商網(wǎng)站上下載一個(gè)CAD文件。如果家里沒(méi)有3D打印機(jī)，你也可以帶上文件到專門的3D打印店去打印。 

    3D打印機(jī)誕生于上個(gè)世紀(jì)80年代中期，這種技術(shù)也稱為“增材制造”，因?yàn)槠洳捎昧?ldquo;累積成型”的工藝，這與傳統(tǒng)的“減成法”相反。要了解這兩者之間的區(qū)別，可以想象雕刻工藝，雕刻師在一塊石材上一點(diǎn)一點(diǎn)鑿去多余的部分，直到整個(gè)物體形狀顯露出來(lái)，而鑿下來(lái)的材料則棄之不用。這是一種“減成法”工藝。在生產(chǎn)制造中，這與切削、鉆孔、研磨等工藝類似。但是在增材制造中，3D打印機(jī)并不會(huì)減掉任何材料，而是采用逐層累積的方式將物體構(gòu)建出來(lái)。 

    相同原理，不同工藝 

    3D打印機(jī)有多種不同的工藝，但是其原理大都相同，都是采用逐層累積的方式將薄層堆疊起來(lái)，直到整個(gè)物體完成，就像是傳統(tǒng)打印方式在紙上打出2D圖形，只不過(guò)多了一個(gè)維度，即朝上的Z軸。每一個(gè)打印出來(lái)的疊層都是最終物體的水平橫截面切片層。就好像是多層的蛋糕一樣，每一層擺上去，直到整個(gè)蛋糕形成。只不過(guò)3D打印的精準(zhǔn)和精確度更高。常見(jiàn)的3D打印工藝包括立體光固化成型、熔融沉積成型工藝和選擇性激光燒結(jié)等。 

    立體光固化成型（SLA）- 最早的商業(yè)化3D打印機(jī)（當(dāng)時(shí)還不叫3D打印機(jī)）采用的是SLA工藝。這種方法由3D Systems公司創(chuàng)始人Charles Hull在1986年發(fā)明。SLA打印機(jī)將紅外激光光束按設(shè)計(jì)路線照射到液態(tài)光敏樹(shù)脂原料的表面，由點(diǎn)到線，由線到面順序讓樹(shù)脂凝固，完成最終3D模型的一個(gè)面。一層完成后再進(jìn)行第二層掃描凝固，每一層都將牢固地粘結(jié)在前一層上，直至層層疊加而成三維原型。沒(méi)有被凝固的樹(shù)脂還可以使用。 

    熔融沉積成型工藝（FDM）- FDM工藝也是在上個(gè)世紀(jì)80年底末問(wèn)世，發(fā)明人是美國(guó)人Scott Crump。在取得這項(xiàng)技術(shù)的專利后，Crump與其妻子在1988年成立了Stratasys公司。該方法將熱塑性材料在熔化的情況下噴涂在工作臺(tái)上冷卻成型形成3D物體的疊層。每一層疊加起來(lái)，并與上一層熔融。熱塑性材料在離開(kāi)噴頭上會(huì)馬上冷卻固化。這是一種成本相對(duì)較低的3D打印方法。大多數(shù)FDM打印機(jī)采用的是ABS塑料，或聚乳酸（PLA），一種生物可降解聚合物。

     熔融沉積成型及其縮寫FDM已經(jīng)被Stratasys公司注冊(cè)為商標(biāo)。RepRap公司采用類似的工藝，只不過(guò)稱其為“熔絲制造（FFF）”，避免商標(biāo)的沖突。不過(guò)在FFF工藝中，材料是以絲束形式提供的。 

     選擇性激光燒結(jié)（SLS）- 上個(gè)世紀(jì)80年代的確是3D打印技術(shù)集中涌現(xiàn)的時(shí)代。不僅僅是SLA和FDM技術(shù)在同時(shí)期被發(fā)明出來(lái)并取得專利，由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Carl Deckard及其同事發(fā)明的選擇性激光燒結(jié)成型（SLS）也被發(fā)明出來(lái)。SLS與SLA工藝原理接近，不過(guò)采用的材料并不是液態(tài)光敏樹(shù)脂原料，而是一些粉末材料，比如聚苯乙烯、陶瓷、玻璃、尼龍，還有金屬粉末，比如鋼、鈦、鋁及銀等。當(dāng)激光照射到粉末上時(shí)會(huì)在該點(diǎn)上燒結(jié)，層層燒結(jié)固化的疊層形成所需的形狀。沒(méi)有燒結(jié)的粉末保持原樣，同時(shí)起到支撐物體的作用。相對(duì)FDM/FFF和SLA工藝來(lái)說(shuō)，SLS并不需要額外的支撐結(jié)構(gòu)，這也算是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。在打印完成后，并不需要移除任何材料，而且也不會(huì)有浪費(fèi)產(chǎn)生。所有沒(méi)有燒結(jié)的粉末都可以回收再利用。

    針式擠出 - 幾乎所有具有一定粘度的材料都可以用于采用針式擠出頭工藝的3D打印機(jī)。這些材料包括黏土、水泥、硅及一些彩泥。一些食物比如巧克力、糖稀及奶酪都可以用這樣的系統(tǒng)來(lái)打印。針頭是否要加熱取決于材料本身，比如巧克力可能需要保持一定熱度，而硅則可以在室溫條件下進(jìn)行。 

    其他工藝 - 除了以上這些主流技術(shù)外，還有一些其他3D打印工藝，比如有一種稱為選擇性激光熔融（SLM）。該工藝與SLS類似，但是它會(huì)使整個(gè)粉末熔化，而不是在低溫下熔化粉末顆粒。這與電子束熔煉（EBM）相似，只不過(guò)其采用的是電子束，而不是紅外激光。還有一種完全不同的工藝稱為分層實(shí)體制造（LOM），它以片材如紙片、塑料薄膜或金屬薄片為原料，按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)將這些片材切割成形狀，再一層一層粘合在一起，最終形成三維物體。 

   在以上所有這些不同的3D打印工藝中，SLS被認(rèn)為是在工業(yè)生產(chǎn)中最具發(fā)展前景的一項(xiàng)工藝。上海光韻達(dá)三維科技有限公司總經(jīng)理張國(guó)良去年12月份在蘇州舉行的“2013 汽車零部件綠色制造技術(shù)峰會(huì)”上表示，相對(duì)其他三維打印技術(shù)，SLS更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@種工藝不僅制造成本低，打印速度快，它還可以制造真正的產(chǎn)品而非模型，這也是3D打印未來(lái)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。此外，更為重要的是，激光燒結(jié)也是唯一一個(gè)能夠打印金屬產(chǎn)品的3D打印技術(shù)，這大大拓展了3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。 

    傳統(tǒng)制造企業(yè)涉入 

    目前3D打印技術(shù)依然是一個(gè)利基市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)有一些專門的3D打印展，但是規(guī)模都不大，更多的3D制造商和原料供應(yīng)商還是通過(guò)其他一些專業(yè)展會(huì)來(lái)推廣其產(chǎn)品，比如橡塑展、模具展、金屬加工展，以及其他一些應(yīng)用行業(yè)的展會(huì)。3D打印的受重視程度從展會(huì)主辦方的宣傳和組織上可窺一斑，比如在去年在德國(guó)杜塞爾多夫舉行的K展期間，主辦方推出了“3D制作及打?。?D fab+prin）”概念，并制作了特別的宣傳手冊(cè)，引導(dǎo)參觀者到相關(guān)的展臺(tái)參觀。 

    在此次K展上，除了傳統(tǒng)3D打印機(jī)制造商如Stratasys和EOS參展，全球領(lǐng)先的注塑機(jī)廠商—德國(guó)阿博格公司發(fā)布的3D打印機(jī)尤其引起了業(yè)界的高度關(guān)注，這也是全球范圍內(nèi)塑料加工企業(yè)首次涉足3D打印技術(shù)領(lǐng)域。這款名為Freeformer的機(jī)器基于增材制造技術(shù)的最新工藝—阿博格塑料無(wú)模成形技術(shù)（AKF-Arburg Plasstic Freeforming）。 

    據(jù)了解，不同于傳統(tǒng)的增材制造工藝，阿博格塑料無(wú)模成形技術(shù)（AKF）如同注塑成型一樣熔化標(biāo)準(zhǔn)顆粒。Freeformer在生產(chǎn)部件時(shí)無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，以最小液滴為單位逐步生產(chǎn)。最為重要的是，這款設(shè)備可以采用廉價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)樹(shù)脂顆粒取代大多數(shù)3D打印設(shè)備制造商提供的價(jià)格更高的專用材料。目前，阿博格已經(jīng)采用過(guò)的材料有ABS、PA、PC以及熱塑性彈性（TPE/TPU），當(dāng)然用戶可以采用其他更多類型的材料。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

    傳統(tǒng)塑料設(shè)備制造商進(jìn)入3D打印領(lǐng)域似乎更加順理成章，因?yàn)轭愃瓢⒉└襁@樣的領(lǐng)先注塑機(jī)制造商，他們要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比大部分3D打印機(jī)制造商更了解塑料加工工藝及材料性能。阿博格技術(shù)及工程總經(jīng)理Herbert Kraibühler在K展期間接受采訪時(shí)透露了這臺(tái)設(shè)備的開(kāi)發(fā)背景：“我們?cè)谶^(guò)去十年里看到用戶對(duì)低產(chǎn)量高品質(zhì)的一次性部件生產(chǎn)需求越來(lái)越強(qiáng)烈。這些新的需求是我們開(kāi)發(fā)這臺(tái)設(shè)備的催化劑，也讓我們開(kāi)始考慮如何利用我們已有的注塑技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)一款這樣的快速成型設(shè)備。” 

     此外，打印材料也面臨相同的局勢(shì)。目前，用于3D打印的材料主要還以塑料為主。據(jù)市場(chǎng)咨詢公司IDTechEx統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，2013年光敏樹(shù)脂占打印材料的絕大部分份額，為56%，其次為固態(tài)熱塑性塑料（40%），粉末狀熱塑性塑料為2%。 

       IDTechEx公司在其發(fā)布的最新一份報(bào)告《3D打印材料2014-2025年：現(xiàn)狀、機(jī)遇及市場(chǎng)預(yù)測(cè)》中指出，目前3D打印材料市場(chǎng)處于一種不成熟階段，材料基本由3D打印機(jī)制造商控制。他們通過(guò)對(duì)自己的材料進(jìn)行秘鑰編碼和在材料盒上嵌入RFID標(biāo)記而對(duì)打印材料進(jìn)行捆綁，讓用戶無(wú)法選擇其他材料。報(bào)告指出，3D打印制造商的這種做法使得材料的價(jià)格居高不下，有些材料的價(jià)格甚至是類似材料市場(chǎng)價(jià)格的幾百倍。這種做法不僅將第三方原材料供應(yīng)商拒之門外，也阻礙了整個(gè)3D打印市場(chǎng)的發(fā)展，畢竟傳統(tǒng)塑料原料供應(yīng)商在材料的研發(fā)、生產(chǎn)及供應(yīng)方面無(wú)疑更具優(yōu)勢(shì)。 

    但是這樣的局勢(shì)并沒(méi)有阻礙原材料供應(yīng)商對(duì)打印材料的開(kāi)發(fā)，因?yàn)榻档统杀臼?D打印市場(chǎng)發(fā)展的必經(jīng)之路，打印材料的大門也會(huì)為第三方材料供應(yīng)商打開(kāi)，其次類似阿博格Freeformer產(chǎn)品的出現(xiàn)也給第三方材料供應(yīng)商提供了發(fā)展契機(jī)。隨著市場(chǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)塑料制造商也將逐漸進(jìn)入到這個(gè)市場(chǎng)。 

    比如在此次K展上，全球聚酰胺解決方案領(lǐng)先供應(yīng)商索爾維集團(tuán)便推出了Technyl®工程塑料旗下的最新成員SinterlineTM Technyl®粉末。作為包含增強(qiáng)產(chǎn)品的PA6粉末系列，這款產(chǎn)品大大提升了快速制造能力。“采用Sinterline通過(guò)激光燒結(jié)打印出來(lái)的零部件表現(xiàn)出了出色的熱穩(wěn)定性和強(qiáng)度，與采用尼龍6通過(guò)傳統(tǒng)注塑工藝生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品基本相當(dāng)，”索爾維工程塑料業(yè)務(wù)部業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Ralph Rissé表示。 

    市場(chǎng)“錢景”看好 

    雖然3D打印無(wú)論從設(shè)備還是從原料方面來(lái)看，在類似K展這樣的橡塑展上，依然是毫不起眼的新興技術(shù)，在整個(gè)塑料行業(yè)中，它依然是一個(gè)利基市場(chǎng)，但是“錢景”一片看好。

    咨詢公司Gartner的一份報(bào)告顯示，2014年，3D打印機(jī)的出貨量則會(huì)增長(zhǎng)75%，達(dá)到98065臺(tái)，終端用戶在設(shè)備上的花費(fèi)將增長(zhǎng)62%達(dá)到6.69億美元。 

    Freedonia Group公司也對(duì)未來(lái)3D打印市場(chǎng)做出了預(yù)測(cè)。該公司在其最新的調(diào)查報(bào)告《世界3D打?。ㄔ霾闹圃欤分兄赋?，全球3D打印機(jī)及相關(guān)材料和軟件市場(chǎng)需求量每年將保持21%的增長(zhǎng)率，到2017年將達(dá)到50億美元。3D打印機(jī)將在許多領(lǐng)域越來(lái)越多地用于制造成品件。 

    報(bào)告還指出，打印材料的需求量將呈現(xiàn)穩(wěn)健的增長(zhǎng)，大量應(yīng)用的3D打印機(jī)將進(jìn)一步提高材料的消耗量。塑料將依然是3D打印的最主要材料，但是金屬有望呈現(xiàn)更快的增長(zhǎng)速度。此外，相關(guān)軟件及3D掃描儀等周邊產(chǎn)品也會(huì)著整體市場(chǎng)趨勢(shì)呈現(xiàn)增長(zhǎng)。 

    從區(qū)域方面看，美國(guó)一直是全球最大的3D打印市場(chǎng)，到2017年會(huì)占到全球銷售總量的42%。其他發(fā)達(dá)地區(qū)比如美國(guó)和西歐，3D打印市場(chǎng)價(jià)值主要是依靠可以直接生產(chǎn)部件的金屬3D打印機(jī)，這些3D打印系統(tǒng)比其他以塑料為生產(chǎn)材料的系統(tǒng)要昂貴許多。中國(guó)的市場(chǎng)也被看好，主要的應(yīng)用集中在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、樣品測(cè)試和原型制造方面，尤其是在一些比較大的行業(yè)，比如消費(fèi)類產(chǎn)品。

    IDTechEx在其《3D打印材料2014-2025年：現(xiàn)狀、機(jī)遇及市場(chǎng)預(yù)測(cè)》報(bào)告中對(duì)打印材料做了更遠(yuǎn)的預(yù)測(cè)。該報(bào)告稱，到2025年，全球3D打印材料市場(chǎng)銷售額將達(dá)到6.15億美元。此外，光敏樹(shù)脂市場(chǎng)到2025年將成為最大的單一細(xì)分市場(chǎng)。不過(guò)，未來(lái)最大的年復(fù)合增長(zhǎng)率將來(lái)自于金屬和塑料粉末，光敏聚合物的份額也會(huì)逐步下滑。 

    改變“游戲規(guī)則” 

    3D打印并非新鮮事物，該技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)幾十年了。生產(chǎn)企業(yè)早就在設(shè)計(jì)階段通過(guò)這種技術(shù)來(lái)制造樣品，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后再開(kāi)始傳統(tǒng)的制造。不過(guò)，一直以來(lái)，這種設(shè)備都非常昂貴，而且打印速度非常慢。 

    而現(xiàn)在，3D打印機(jī)的價(jià)格也降到了幾萬(wàn)甚至幾千元（筆者曾經(jīng)在一個(gè)3D打印展上看到一家國(guó)內(nèi)企業(yè)標(biāo)出兩千多元一臺(tái)的低端3D打印機(jī)），幫助企業(yè)節(jié)省了很多花在樣品制作方面的時(shí)間。近幾年，筆者也在越來(lái)越多的企業(yè)研發(fā)中心或?qū)嶒?yàn)室中看到3D打印設(shè)備。 

   有些公司采用3D打印機(jī)進(jìn)行短期或定制化制造，打印出來(lái)的物體并不是作為樣品使用，而是最終的產(chǎn)品。隨著3D打印速度的不斷提升及價(jià)格的下降，在這方面的用途有望逐漸增加，而且更多可能會(huì)出現(xiàn)在個(gè)人定制化的產(chǎn)品方面。

    隨時(shí)隨地打印出零件或整個(gè)產(chǎn)品，這聽(tīng)上去有點(diǎn)像天方夜譚，但是今天已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。這是一種革命式的技術(shù)，對(duì)能源使用、資源優(yōu)化、定制化、產(chǎn)品成型制造等工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)環(huán)節(jié)都將帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響—3D打印技術(shù)必將改變整個(gè)制造業(yè)的“游戲規(guī)則”。 

                                                                                作者：李治國(guó)