论3D打印技术的发展前景

李奎举+余建荣

摘 要：3D打印成型技术采用的是一种增材质堆叠的技术原理，其成型速度、设备运行和维护等方面相比传统的成型技术具有一定的优势，是有着极大发展前景的新型的生产方式，很可能会引发新一轮的工业革命。在互联网时代，由于3D打印技术的数据具有复制方便和快速传播的特征，这将赋予3D打印技术巨大的发展优势和潜力。

关键词：3D打印技术；批量化生产；发展前景

中图分类号：TP391.73 文献标识码：A 文章编号：1005-5312（2017）08-0272-02

一、引言

3D打印技术是一种以3D数据模型为基础，将可粘接耗材（如粉末金属及塑料等）逐层叠加，从而构建出预先设定的物件形体的技术。目前市面上比较流行的3D打印技術包括FDM熔融层积成型技术、SLA立体平板印刷技术、3DP技术、DLP激光成型技术、UV紫外线成型技术和SLS选区激光烧结技术等。通过对这些3D打印技术的打印机体积、打印成本和打印原理的比较发现，FDM技术的设备不但占地空间最小，而且成本最低，所以目前市面上最为常见的3D打印设计设备都是以FDM熔融层积成型技术为技术支撑的。

著名的英国杂志《经济学人》认为3D打印技术是最具有前景的新型生产方式，可以促进传统制造业的转型升级，并将由此引发一场新的工业革命。目前3D打印技术的优势已经初步展现，主要集中体现在少量化和个性化的生产中，如：义肢行业、文物行业、太空行业，珠宝行业、医疗行业、设计行业等。与传统减材质加工方式不同，3D打印技术采用的是一种增材质技术，在成型速度、设备运行及维护等方面具有着明显的优势，但也存在着种种缺陷。3D打印技术可优化生产工序，复杂形体可直接成型，无需开模，无需购买机械设备。一台3D打印机便可打印出各种形态的产品，大大节省了制造时间、空间、成本。同时一体成型的方式可有效降低后期处理的误差累积，从而使得产品精度更高，如汽车、飞机、核电等精密机械行业。3D打印可实现产品无缝连接，没有分模线，甚至没有不必要的接缝，因此产品更稳固，刚性、强度优于传统制造方式。

二、3D打印技术与批量化生产

3D打印能否够代替传统工业大批量生产一直是一个热议话题。由于近年来3D打印技术成果不断，部分专家认为随着技术的不断突破，3D打印将会取代传统工业大批量生产。但3D打印能否在成本更低、速度更快、效果更好这些方面做到优于传统工艺是取代传统工业大批量生产的关键，然而3D打印技术却面临着诸多难以突破的瓶颈。

（一）材料瓶颈

绝大多数人都认为3D打印的瓶颈在材料的价格上，但长远来看，技术的突破加上扩大生产规模必然会降低耗材的价格，反而是材料的种类死死的拖住了3D打印的后腿。因为3D打印耗材不但需要能够被很容易的从喷头喷出，而且当暴露在空气中或者遇到粘合剂时，还要能够很快速的凝固，只有这样才能够保证逐层打印出的模型成品不走形，这一特性把3D打印的材料限定在一定的范围。退一步说就是，新型高性能材料在不断的被发明出来，传统工艺可根据其属性对其进行相应的加工处理，但3D打印工艺相对单一，无法适用于所有材料，如弹簧的加工很难仅靠3D打印完成。另外多材质组合件打印难度大，目前的3D多材质打印技术多基于属性相近的材质，如双喷头打印机可同时打印ABS和PLA，当需要打印的材质属性完全不同时，将会是3D打印的一大难题。以电线为例，简单的橡胶包裹铜丝，但橡胶和金属的打印的技术种类是不同的，就算通过安装多类型的打印喷头，温度的属性差也会给电线的加工带来很大的困难。更要命的是现实生活中的产品材质组合多样，3D打印机很难做到以不变应万变。因此，3D打印技术仍然将需要一场持久的发展。

（二）速度、精度与效率瓶颈

（1）3D打印技术被称为快速成型技术，指的是方案到单件成品制作完成的速度快。当需要加工成千上万个产品时，单件产品的速度慢于大批量生产下的单件速度；（2）由于3D打印技术成型原理的限制，打印件的强度取决于每一层的粘接程度，使得绝大多数打印件的性能劣于传统工艺生产（一体浇铸成型）；（3）在根本上无法实现精度与速度的统一，原因是要想使得打印件越精细，那么每层的厚度就要越薄，结果就是整体成型的速度势必越慢，而要想使得打印的速度越快，那么每层的厚度就要越厚，结果就是打印件越粗糙。

值得一提的是，这些特性都和2D打印技术极其类似，早期的2D打印机打印品质差、打印速度慢，发展至今日，2D打印技术的打印精度和打印速度竟然出乎意料的和上世纪90年代相比并没有明显的改进，而更多的是用户体验等方面的优化，可见精度和速度的相斥瓶颈是真实存在的，并且该瓶颈限制了2D打印机的进一步发展。2D打印技术仍未能取代印刷厂，原因在于成本和效率的考虑。譬如：办公文档、合同、表格的打印多采用小型打印机，因为小型打印机具有较强的实时性且单件成本低的特点，但书本、报纸、包装、数量较大的海报等则更多的选择印刷厂（部分原因是因为2D打印机存在技术局限，如包装等领域），因为该条件下印刷厂价格、效率和效果优于打印机。在这一方面，3D打印机与传统工艺工厂的关系和2D打印机与印刷厂的关系虽不同却具有着极高的相似性，不禁令人对3D打印代替传统工业生产的说法产生怀疑。

（三）对于形体简单的产品的生产，3D打印不占优势

如管材的生产：热挤出的工艺在成型原理上决定了传统工业生产的成品在价格、性能、速度均优于3D打印成型。且3D打印的耗材的本身就是工业化大批量产物，用3D打印机生产耗材显然在逻辑上不成立。

3D打印技术已经在少量化和个性化的生产行业中取得了一定的成功，如义肢行业、文物行业、太空行业，珠宝行业、医疗行业、设计行业、模具手板等。相信，随着技术的突破，未来的3D打印的速度将会更快；精度、稳固性将会更高；打印的材料将会更多样；价格将会更低，这些进步将会促使3D打印技术在原有领域的进一步发展。

另外，一台计算机和一台3D打印机即可进行产品研发和生产，这一势必削弱大企业集约生产优势的低门槛生产模式，将会使得小型化生产模式甚至个人化的全新生产模式更具生命力。可见，3D打印在满足个性化需求和适应小批量化生产的同时，将会诱发更多的小批量生产格局。

三、3D打印技术的优势展望

3D打印技术的未来不应被简单的安放在“替代传统工业”，它所采用的层铺成型方式，突破了传统工具和制造工艺对产品形态结构的限制，允许根据需要对产品实体的内部结构进行设计。3D打印技术不仅在某些领域可以提高产品性能，而且给设计师以极大发挥空间，解放了产品在美学层面的限制，使得传统工艺无法制作复杂形态成为可能。此外，这种无需模具的增材质生产加工方式，允许商品生产商们按需生产，而无需建立产品存储机制，可以极大地减少成本投入风险。

3D打印的一大特征就是将产品数据化，在互联网时代，数据具有复制方便和快速传播的特征，它将赋予3D打印技术巨大的潜力。给产品从研发，到生产，再到销售的整个过程的交流带来极大的便利，并在很大的程度上可以解决物流问题，允许进行远程驱动制造，甚至将会改变全球进出口格局。进口国将减轻对进口的依赖，本土化生产可减轻经济失衡问题，发展中国家将降低对国外先进且昂贵的材料、技术的依赖性，发达国家可减少对昂贵劳动力需求，有助于提高国家整体生产力。

四、结语

与传统工艺的成型方式相比，3D打印技术有着传统工艺诸多没有的优点，在快速成型、原料利用率、操作性、价格、复杂形态产品制造等方面表现优异，但由于叠加增材质成型原理不能代替所有的传统工艺，加上自身的诸多瓶颈，3D打印技术很难代替传统工业化生产。但在部分小批量、个性化生产方面，3D打印技术拥有着广阔的前景。