“中國(guó)制造2025”背景下的3D打印技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

李小東 游伴奏 蘭希 俞朝暉

制造業(yè)采用以機(jī)器人為代表的新一代智能裝備，逐步向柔性化智能制造轉(zhuǎn)變。企業(yè)引入人工智能、大數(shù)據(jù)分析來(lái)提升生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率，利用數(shù)字化將物理設(shè)備虛擬化，以獲得快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的能力，并支持小批量的個(gè)性化定制要求。

作為“中國(guó)制造2025”的發(fā)展重點(diǎn)，同時(shí)作為第四次工業(yè)革命的九大技術(shù)支柱之一，3D打印根據(jù)其可快速制造出各種形態(tài)的結(jié)構(gòu)組織特點(diǎn)，在個(gè)性化定制市場(chǎng)有著巨大的市場(chǎng)機(jī)遇?！?D打印”之所以叫“打印”，是因?yàn)槠浣梃b了打印機(jī)的噴墨技術(shù)，普通的打印機(jī)是在紙上噴一層墨粉，形成二維圖文，而3D打印是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實(shí)體物品的新興制造技術(shù)，能“打”出三維立體實(shí)物來(lái)，它對(duì)傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線(xiàn)、工廠(chǎng)模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合產(chǎn)生深刻的影響，是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù)。

關(guān)于3D打印技術(shù)的前景，《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》中曾經(jīng)評(píng)價(jià)道：“3D打印使得生產(chǎn)單個(gè)物品和批量生產(chǎn)幾乎一樣便宜，這就削減了規(guī)模經(jīng)濟(jì)。它對(duì)社會(huì)影響的深遠(yuǎn)程度可能同1750年的蒸汽機(jī)，1450年的印刷機(jī)和1950年的晶體管一樣，沒(méi)人能輕易預(yù)料。它迅速發(fā)展著，對(duì)每個(gè)相關(guān)領(lǐng)域都產(chǎn)生著巨大的影響?！?/p>

3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

2017年全球3D打印全球市場(chǎng)規(guī)模為73.4億美元，2018年約在83.7億美元左右。我國(guó)3D打印從1988年發(fā)展至今，呈現(xiàn)出不斷深化、不斷擴(kuò)大應(yīng)用的態(tài)勢(shì)。近5年我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模及增速如圖1所示。

3D打印應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，主要集中在航天和國(guó)防、醫(yī)療設(shè)備、高科技、教育業(yè)以及制造業(yè)。目前，應(yīng)用領(lǐng)域排名前三位的是工業(yè)機(jī)械、航空航天和汽車(chē)，分別占市場(chǎng)份額的20.0%、16.6%和13.8%，如圖2所示。

隨著產(chǎn)業(yè)的興起，我國(guó)以高?？蒲袡C(jī)構(gòu)為主的3D技術(shù)研究不斷取得進(jìn)步。2017年中國(guó)3D打印相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)量達(dá)到7402件，其中華南理工大學(xué)、西安交通大學(xué)分別排名第一、第二。2019年1月11日，中國(guó)第一座使用3D打印技術(shù)制作的高分子材料觀(guān)景橋正式亮相。未來(lái)，“3D打印+”生態(tài)圈將會(huì)越來(lái)越完善。

3D打印行業(yè)的發(fā)展是在技術(shù)的促進(jìn)下對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用的突破。材料的可回收、可降解、能源高效利用等，將實(shí)現(xiàn)3D打印產(chǎn)品和系統(tǒng)全生命周期可持續(xù)發(fā)展。不間斷的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路將可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、加工制造、裝配、檢測(cè)全流程的自動(dòng)化、智能化，是“數(shù)字化改造”的核心?？萍挤?wù)將為3D打印相關(guān)企業(yè)提供所需的配套服務(wù)，包括教育培訓(xùn)、咨詢(xún)、售后、宣傳等，促進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

在技術(shù)的不斷支撐下，國(guó)內(nèi)外對(duì)3D打印發(fā)展前景看好，但作為新興產(chǎn)業(yè)，我國(guó)3D打印還應(yīng)從3D打印前處理模塊、3D打印材料和3D應(yīng)用3個(gè)方面同步推進(jìn)。在國(guó)家政策的推動(dòng)下，加大對(duì)3D打印材料的研發(fā)，更重要的是增加相關(guān)企業(yè)研發(fā)、應(yīng)用意識(shí)的提升和對(duì)3D打印終端的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)制造行業(yè)的革新。

3D打印前處理

3D打印前處理模塊產(chǎn)業(yè)，包括模型的設(shè)計(jì)與前期處理服務(wù)，以3D模型設(shè)計(jì)軟件公司為主，其主要代表有因Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件而聞名的美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC）和主營(yíng)產(chǎn)品為UG的德國(guó)西門(mén)子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)（A&D），以及Solidworks、Inventor、3DS MAX、MAYA等。

2017年4月，西門(mén)子推出了全新的線(xiàn)上協(xié)作平臺(tái)，旨在將定制化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和3D打印引入全球制造行業(yè)，并于2018年推出的西門(mén)子零部件制造平臺(tái)，旨在以新的方式連接成員，以推進(jìn)增材制造在生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

Shapeways平臺(tái)主要為客戶(hù)定制各種產(chǎn)品，幫助設(shè)計(jì)人員和3D打印愛(ài)好者銷(xiāo)售自己的3D設(shè)計(jì)和產(chǎn)品。目前，該平臺(tái)云集了來(lái)自全球超過(guò) 130個(gè)國(guó)家，數(shù)量超過(guò)50萬(wàn)的會(huì)員，月均3D打印產(chǎn)品數(shù)量已經(jīng)高達(dá)18萬(wàn)件。

亞馬遜將通過(guò)第三方的3D打印服務(wù)提供商，包括Sculpteo、Mixee Labs以及3DLT完成生產(chǎn)。3D Hubs則是另外一種3D打印云平臺(tái)的代表，該平臺(tái)并不擁有3D打印機(jī)，而是建立了一個(gè)全球的3D打印機(jī)分布式網(wǎng)絡(luò)，形成一種C2C的服務(wù)模式。

近幾年，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出多個(gè)3D打印云平臺(tái)企業(yè)，類(lèi)似裕同科技旗下的云創(chuàng)盒酷平臺(tái)，是全國(guó)首家基于互聯(lián)網(wǎng)的在線(xiàn)編輯器，專(zhuān)為用戶(hù)提供個(gè)性化文創(chuàng)商品，用戶(hù)可以在線(xiàn)自主選擇盒型以及海量設(shè)計(jì)素材，全程在線(xiàn)協(xié)助完成設(shè)計(jì)。如三迪時(shí)空、叁迪網(wǎng)、紫晶立方、南極熊3D打印網(wǎng)、美匠網(wǎng)、中國(guó)3D打印網(wǎng)、天工社等等，一部分為3D打印裝備制造企業(yè)布局的業(yè)務(wù)延伸，另一部分為獨(dú)立的3D打印服務(wù)平臺(tái)，還有一些網(wǎng)站從事3D打印相關(guān)的周邊服務(wù)。據(jù)了解，三迪時(shí)空正在建設(shè)“中國(guó)3D打印地圖”——把全國(guó)各地的3D打印機(jī)信息疊加到地圖信息上，并實(shí)時(shí)顯示其運(yùn)行狀態(tài)，然后通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、設(shè)備物聯(lián)管控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)3D打印定制服務(wù)派單和管理等核心功能，就像“滴滴”派車(chē)一樣，3D打印業(yè)務(wù)也將實(shí)現(xiàn)就近服務(wù)。

“中國(guó)制造2025”背景下的3D打印，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)和算法構(gòu)建云平臺(tái)，整合和簡(jiǎn)化3D打印業(yè)務(wù)流程，將閑置的3D打印資源盤(pán)活，對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有正面積極作用。

3D打印材料及工藝

3D打印材料（裝備和材料）是3D打印技術(shù)重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，它的性能在很大程度上決定了成形零件的綜合性能。目前材料種類(lèi)已經(jīng)十分豐富，主要包括聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料等。而聚合物材料又包括了光敏樹(shù)脂、熱塑性塑料及水凝膠等，金屬材料又分為粉末形式和絲材形式以及按照材料種類(lèi)可以分為鐵基合金、鈦及鈦基合金、鎳基合金、鈷鉻合金、鋁合金、銅合金及貴金屬等。

同時(shí)，國(guó)內(nèi)外3D打印領(lǐng)域中已有近20種不同的工藝系統(tǒng)，其中應(yīng)用最典型、最成熟的就有6種，分別是立體光刻、疊層實(shí)體制造、熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)、選擇性激光熔化和三維打印與膠粘。工藝不同，所用打印材料復(fù)雜多樣，各自特點(diǎn)和具體應(yīng)用場(chǎng)合也就不同。那么，面對(duì)個(gè)性化的需求，3D打印設(shè)備就需要超越傳統(tǒng)單材質(zhì)均質(zhì)加工技術(shù)的限制，突破需求復(fù)雜性，可實(shí)現(xiàn)多材料、功能梯度材料、多色及真彩色表面紋理貼圖零件的直接制造，實(shí)現(xiàn)多重需求的個(gè)性化定制。

多色的3D打印設(shè)備能直接獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)的彩色外觀(guān)，而不需要后處理流程，在消費(fèi)領(lǐng)域、原型手板及教育行業(yè)較以往的單色3D打印制件有著巨大優(yōu)勢(shì)。多材質(zhì)的3D打印設(shè)備能將不同性能的材料構(gòu)建于同一零件上，縮短加工流程，減少裝配，提高性能。

Stratasys公司的3D打印裝備Objet500 Connex3支持同一部件多材質(zhì)、多色打印，該系列3D打印裝備采用Polyjet（噴射固化成型）技術(shù)，PolyJet 3D打印技術(shù)最顯著的特點(diǎn)是可同時(shí)打印多種材料，包括上百種鮮亮顏色的剛性不透明材料、透明和著色的半透明色調(diào)材料、橡膠類(lèi)柔韌材料和專(zhuān)業(yè)光聚合物。3D Systems公司的Z Printer系列3D打印裝備采用彩色噴墨打?。–olorjet Printing，CJP）技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)在粉末床上噴射彩色粘接劑的方法實(shí)現(xiàn)彩色技術(shù)，由于彩色粘接劑特性與彩色墨水類(lèi)似，通過(guò)混合漸變可實(shí)現(xiàn)真彩色制件打印。Mcor公司的Mcor IRIS真彩色3D打印裝備采用LOM技術(shù)，配有墨盒，根據(jù)每層的顏色將紙張雙面用普通彩色打印機(jī)打印成彩色，再切出所需輪廓并粘接，能打印出100萬(wàn)種以上的接近真實(shí)色彩的3D模型。

在控制技術(shù)方面，多重個(gè)性化的需求要求新的裝備技術(shù)能夠在新的3D文件格式基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多色、多材料配比、多尺度工藝結(jié)構(gòu)3D打印的主要轉(zhuǎn)變，傾向于采用陣列式噴頭實(shí)現(xiàn)多種材料（或色彩）的同步噴出，以往主流的基于高能束（激光或電子束）成形的3D打印技術(shù)，相對(duì)難以實(shí)現(xiàn)多材料、多色的高效率打印，因此基于光柵掃描的控制方式將在未來(lái)3D多重個(gè)性化的需求中占據(jù)更加重要的地位。

3D打印應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)，針對(duì)材料、工藝和設(shè)備的研究成果部分已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用范圍覆蓋航空航天、汽車(chē)、建筑、生物醫(yī)療、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具、食物和裝備制造等重要領(lǐng)域。面向的行業(yè)如此廣泛，各有需求，3D打印作為一種“萬(wàn)金油”型技術(shù)，恰好滿(mǎn)足市場(chǎng)應(yīng)用的定制化需求。

在“中國(guó)制造2025”的背景下，智能物流是智能工廠(chǎng)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，AGV車(chē)是該系統(tǒng)的重要硬件構(gòu)成。3D打印市場(chǎng)有這樣一個(gè)案例，客戶(hù)想要用3D打印技術(shù)制作一款A(yù)GV車(chē)外殼。由于自動(dòng)導(dǎo)引裝置等原因，這款A(yù)GV機(jī)器人的外殼結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳統(tǒng)工藝難以完成制作。而此時(shí)3D打印對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制作優(yōu)勢(shì)恰好就體現(xiàn)出來(lái)了。這款A(yù)GV車(chē)外殼采用樹(shù)脂材料、SLA工藝進(jìn)行打印，打印的精度非常好。

3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜的特殊機(jī)器人方面也將發(fā)揮重要作用，哈佛大學(xué)科學(xué)家開(kāi)發(fā)的柔軟而靈活的軟機(jī)器人Octobot，機(jī)器人柔軟的身體中的每一個(gè)功能部件都是由3D打印技術(shù)制造的。美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校也利用3D打印技術(shù)制造了一個(gè)功能特殊的機(jī)器人，機(jī)器人的“腿”是在經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)后由3D打印制造的，具有可多角度彎折的柔軟性和靈活性。研究人員為該機(jī)器人設(shè)計(jì)了一個(gè)由3個(gè)螺旋管連接而成的腿，在制造時(shí)使用了3D打印設(shè)備，以及柔性和剛性?xún)煞N不同材料。3D打印的機(jī)器人腿部是空心的，可以進(jìn)行充氣，其活塞的膨脹量和排列量將決定機(jī)器人的步態(tài)。

航空航天裝備的關(guān)鍵零部件通常具有較復(fù)雜的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，3D打印技術(shù)具有加工過(guò)程不受零件復(fù)雜程度局限的特點(diǎn)，能夠完成傳統(tǒng)制造工藝（如鑄造、鍛造等）難以勝任的加工任務(wù)。

“中國(guó)制造2025”背景下的制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)核心是提高產(chǎn)品整體的功能性。這將導(dǎo)致制造業(yè)的生產(chǎn)模式從批量化、規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化制造轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄖ苹?、個(gè)性化、分布式，新的生產(chǎn)方式將更加靈活，滿(mǎn)足多品種小批量的產(chǎn)品需求，逐步取代大批量生產(chǎn)，同樣適用于印刷包裝行業(yè)以二維碼、RFID、NFC等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托的智能包裝，成為未來(lái)制造的主要形式。

結(jié)語(yǔ)

3D打印打破了傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)方式，已成為未來(lái)科技發(fā)展的新銳力量。因?yàn)橥ㄟ^(guò)傳統(tǒng)的制造方式生產(chǎn)的產(chǎn)品，一般具有一定得剛性需求，但在創(chuàng)意和設(shè)計(jì)上卻未必能夠迎合用戶(hù)的喜好。解決傳統(tǒng)制造業(yè)這些痼疾的最好方式，就是建立以大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)為支撐的云平臺(tái)，整合線(xiàn)下設(shè)備資源，結(jié)合3D打印“個(gè)性化”的優(yōu)點(diǎn)，推動(dòng)3D產(chǎn)業(yè)鏈的互聯(lián)網(wǎng)化、多重個(gè)性化以及應(yīng)用定制化服務(wù)。

（基金項(xiàng)目：東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院政校行企合作項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：政201801）

作者單位：東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院深圳市裕同包裝科技股份有限公司