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

   洗衣機上壞個塑料件？目前的做法是：維修人員從經(jīng)銷商那里下個單，然后他們再從工廠將零件發(fā)過來，這個工廠可能在國內(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里注塑出來。在可想象的未來，事情會變得非常簡單，你只要在家里用3D打印機就可以把這個零件打印出來，你所需要做的就是從制造商網(wǎng)站上下載一個CAD文件。如果家里沒有3D打印機，你也可以帶上文件到專門的3D打印店去打印。 

    3D打印機誕生于上個世紀(jì)80年代中期，這種技術(shù)也稱為“增材制造”，因為其采用了“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一點鑿去多余的部分，直到整個物體形狀顯露出來，而鑿下來的材料則棄之不用。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打印機并不會減掉任何材料，而是采用逐層累積的方式將物體構(gòu)建出來。 

    相同原理，不同工藝 

    3D打印機有多種不同的工藝，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，直到整個物體完成，就像是傳統(tǒng)打印方式在紙上打出2D圖形，只不過多了一個維度，即朝上的Z軸。每一個打印出來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，直到整個蛋糕形成。只不過3D打印的精準(zhǔn)和精確度更高。常見的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（當(dāng)時還不叫3D打印機）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打印機將紅外激光光束按設(shè)計路線照射到液態(tài)光敏樹脂原料的表面，由點到線，由線到面順序讓樹脂凝固，完成最終3D模型的一個面。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。沒有被凝固的樹脂還可以使用。 

    熔融沉積成型工藝（FDM）- FDM工藝也是在上個世紀(jì)80年底末問世，發(fā)明人是美國人Scott Crump。在取得這項技術(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上冷卻成型形成3D物體的疊層。每一層疊加起來，并與上一層熔融。熱塑性材料在離開噴頭上會馬上冷卻固化。這是一種成本相對較低的3D打印方法。大多數(shù)FDM打印機采用的是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公司注冊為商標(biāo)。RepRap公司采用類似的工藝，只不過稱其為“熔絲制造（FFF）”，避免商標(biāo)的沖突。不過在FFF工藝中，材料是以絲束形式提供的。 

     選擇性激光燒結(jié)（SLS）- 上個世紀(jì)80年代的確是3D打印技術(shù)集中涌現(xiàn)的時代。不僅僅是SLA和FDM技術(shù)在同時期被發(fā)明出來并取得專利，由美國德克薩斯大學(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。SLS與SLA工藝原理接近，不過采用的材料并不是液態(tài)光敏樹脂原料，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會在該點上燒結(jié)，層層燒結(jié)固化的疊層形成所需的形狀。沒有燒結(jié)的粉末保持原樣，同時起到支撐物體的作用。相對FDM/FFF和SLA工藝來說，SLS并不需要額外的支撐結(jié)構(gòu)，這也算是一個優(yōu)勢。在打印完成后，并不需要移除任何材料，而且也不會有浪費產(chǎn)生。所有沒有燒結(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。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，但是它會使整個粉末熔化，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)展前景的一項工藝。上海光韻達(dá)三維科技有限公司總經(jīng)理張國良去年12月份在蘇州舉行的“2013 汽車零部件綠色制造技術(shù)峰會”上表示，相對其他三維打印技術(shù)，SLS更具優(yōu)勢，因為這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打印未來的一個發(fā)展趨勢。此外，更為重要的是，激光燒結(jié)也是唯一一個能夠打印金屬產(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)依然是一個利基市場，國內(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)商還是通過其他一些專業(yè)展會來推廣其產(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。3D打印的受重視程度從展會主辦方的宣傳和組織上可窺一斑，比如在去年在德國杜塞爾多夫舉行的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，引導(dǎo)參觀者到相關(guān)的展臺參觀。 

    在此次K展上，除了傳統(tǒng)3D打印機制造商如Stratasys和EOS參展，全球領(lǐng)先的注塑機廠商—德國阿博格公司發(fā)布的3D打印機尤其引起了業(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的機器基于增材制造技術(shù)的最新工藝—阿博格塑料無模成形技術(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)部件時無需支撐結(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)備可以采用廉價的標(biāo)準(zhǔn)樹脂顆粒取代大多數(shù)3D打印設(shè)備制造商提供的價格更高的專用材料。目前，阿博格已經(jīng)采用過的材料有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，因為類似阿博格這樣的領(lǐng)先注塑機制造商，他們要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比大部分3D打印機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展期間接受采訪時透露了這臺設(shè)備的開發(fā)背景：“我們在過去十年里看到用戶對低產(chǎn)量高品質(zhì)的一次性部件生產(chǎn)需求越來越強烈。這些新的需求是我們開發(fā)這臺設(shè)備的催化劑，也讓我們開始考慮如何利用我們已有的注塑技術(shù)來開發(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。目前，用于3D打印的材料主要還以塑料為主。據(jù)市場咨詢公司IDTechEx統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，2013年光敏樹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)布的最新一份報告《3D打印材料2014-2025年：現(xiàn)狀、機遇及市場預(yù)測》中指出，目前3D打印材料市場處于一種不成熟階段，材料基本由3D打印機制造商控制。他們通過對自己的材料進(jìn)行秘鑰編碼和在材料盒上嵌入RFID標(biāo)記而對打印材料進(jìn)行捆綁，讓用戶無法選擇其他材料。報告指出，3D打印制造商的這種做法使得材料的價格居高不下，有些材料的價格甚至是類似材料市場價格的幾百倍。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3D打印市場的發(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)方面無疑更具優(yōu)勢。 

    但是這樣的局勢并沒有阻礙原材料供應(yīng)商對打印材料的開發(fā)，因為降低成本是3D打印市場發(fā)展的必經(jīng)之路，打印材料的大門也會為第三方材料供應(yīng)商打開，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。隨著市場的發(fā)展，傳統(tǒng)塑料制造商也將逐漸進(jìn)入到這個市場。 

    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通過激光燒結(jié)打印出來的零部件表現(xiàn)出了出色的熱穩(wěn)定性和強度，與采用尼龍6通過傳統(tǒng)注塑工藝生產(chǎn)出來的產(chǎn)品基本相當(dāng)，”索爾維工程塑料業(yè)務(wù)部業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Ralph Rissé表示。 

    市場“錢景”看好 

    雖然3D打印無論從設(shè)備還是從原料方面來看，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)，在整個塑料行業(yè)中，它依然是一個利基市場，但是“錢景”一片看好。

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

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

    報告還指出，打印材料的需求量將呈現(xiàn)穩(wěn)健的增長，大量應(yīng)用的3D打印機將進(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)更快的增長速度。此外，相關(guān)軟件及3D掃描儀等周邊產(chǎn)品也會著整體市場趨勢呈現(xiàn)增長。 

    從區(qū)域方面看，美國一直是全球最大的3D打印市場，到2017年會占到全球銷售總量的42%。其他發(fā)達(dá)地區(qū)比如美國和西歐，3D打印市場價值主要是依靠可以直接生產(chǎn)部件的金屬3D打印機，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。中國的市場也被看好，主要的應(yīng)用集中在設(shè)計開發(fā)、樣品測試和原型制造方面，尤其是在一些比較大的行業(yè)，比如消費類產(chǎn)品。

    IDTechEx在其《3D打印材料2014-2025年：現(xiàn)狀、機遇及市場預(yù)測》報告中對打印材料做了更遠(yuǎn)的預(yù)測。該報告稱，到2025年，全球3D打印材料市場銷售額將達(dá)到6.15億美元。此外，光敏樹脂市場到2025年將成為最大的單一細(xì)分市場。不過，未來最大的年復(fù)合增長率將來自于金屬和塑料粉末，光敏聚合物的份額也會逐步下滑。 

    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)計階段通過這種技術(shù)來制造樣品，經(jīng)過驗證后再開始傳統(tǒng)的制造。不過，一直以來，這種設(shè)備都非常昂貴，而且打印速度非常慢。 

    而現(xiàn)在，3D打印機的價格也降到了幾萬甚至幾千元（筆者曾經(jīng)在一個3D打印展上看到一家國內(nèi)企業(yè)標(biāo)出兩千多元一臺的低端3D打印機），幫助企業(yè)節(jié)省了很多花在樣品制作方面的時間。近幾年，筆者也在越來越多的企業(yè)研發(fā)中心或?qū)嶒炇抑锌吹?D打印設(shè)備。 

   有些公司采用3D打印機進(jìn)行短期或定制化制造，打印出來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格的下降，在這方面的用途有望逐漸增加，而且更多可能會出現(xiàn)在個人定制化的產(chǎn)品方面。

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

                                                                                作者：李治國