唐 洋，陳海鋒，劉志強(qiáng)，肖 倩

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

3D打印技術(shù)是一種采用“增材制造”的三維制造技術(shù)。其思想源于1989年的美國麻省理工學(xué)院，并在20世紀(jì)后期得到了發(fā)展[1-2]。其制造方式是將三維模型轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，采用分層加工、疊加成型的方式構(gòu)建三維實(shí)體。3D 打印技術(shù)具有成型速度快、操作簡單、通用性高等優(yōu)點(diǎn)。

3D打印技術(shù)降低了制造業(yè)從業(yè)人員的技術(shù)門檻,也在企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)作管理方面降低了資金投入,有利于實(shí)現(xiàn)制造業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。在我國,由于國家相關(guān)政策對制造業(yè)的支持,為3D打印技術(shù)的發(fā)展提供了良好的條件；同時(shí)，3D打印的生產(chǎn)模式在工業(yè)制造中越來越受到重視。3D打印技術(shù)在商業(yè)中也有廣泛的應(yīng)用,拉動了整個(gè)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,“互聯(lián)網(wǎng)+3D打印機(jī)”的商業(yè)模式是新興商業(yè)服務(wù)模式,是對傳統(tǒng)商業(yè)服務(wù)模式的極大變革。

1 3D打印設(shè)備的發(fā)展

3D打印機(jī)是基于3D打印技術(shù)的打印設(shè)備。德國公布的一款納米級3D打印機(jī)Photonic Professional GT具有較高的分辨率，能打印出具有納米級微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)體。維也納技術(shù)大學(xué)發(fā)明了一款小型的3D打印機(jī)，只有牛奶盒大小。相比其他的機(jī)型，該款3D打印機(jī)的成本大為降低。電機(jī)工程師RichardHcrne研發(fā)了一款名為RichRap 的3D打印機(jī)。該款機(jī)器采用多種打印材料相結(jié)合的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)彩色打印。世界上大型的3D打印機(jī)來自華中科技大學(xué)[3]。該打印機(jī)可降低部件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，縮短鑄件工期。

對于增材制造技術(shù)和3D打印技術(shù)相結(jié)合的開發(fā)和應(yīng)用，發(fā)達(dá)國家領(lǐng)先于發(fā)展中國家。從1988年商業(yè)化的增材制造設(shè)備銷售開始，近30年來，各行業(yè)的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者都先后引進(jìn)增材制造技術(shù)。從3D打印設(shè)備應(yīng)用的數(shù)量上來看，美國占有38%的份額，而日本、德國、俄羅斯和中國等緊跟其后。在全球范圍內(nèi)，美國和日本對3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用走在前列。因工業(yè)起步晚，中國的3D打印技術(shù)發(fā)展緩慢；但由于行業(yè)的應(yīng)用需求，其蓬勃發(fā)展的趨勢日益凸顯。

2 3D打印產(chǎn)業(yè)鏈分析

3D打印行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋了上游基礎(chǔ)配件、3D打印設(shè)備、3D打印材料、支持配套、下游應(yīng)用等環(huán)節(jié)，推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化與升級[4]。3D打印行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈如圖1所示。

圖1 3D打印行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭DFig.1 Industry chain of 3D printing

由圖1分析可知，上游基礎(chǔ)配件涉及控制電路板、電機(jī)、打印噴頭等機(jī)電行業(yè)；3D打印設(shè)備商引領(lǐng)材料商的發(fā)展；配套企業(yè)成為該產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，將軟件、銷售、信息服務(wù)等行業(yè)聯(lián)系起來；3D打印技術(shù)應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，包括航天航空、軍工制造、建筑設(shè)計(jì)、食品加工等。

3D打印產(chǎn)業(yè)主要由設(shè)備、材料與服務(wù)組成。設(shè)備主要是指3D打印機(jī)、控制系統(tǒng)；材料是指各類型3D打印材料；服務(wù)是指利用3D打印機(jī)提供的商業(yè)服務(wù)，包括零件加工及售后服務(wù)。

2012年，全球3D打印機(jī)產(chǎn)業(yè)占比如圖2所示。由圖2分析可知，2012年3D打印產(chǎn)業(yè)主要以服務(wù)行業(yè)為主，占整個(gè)產(chǎn)業(yè)的一半以上，貿(mào)易額達(dá)到12.0億美元。由于3D打印材料是3D打印技術(shù)的壁壘，各研究機(jī)構(gòu)都致力于材料科學(xué)的技術(shù)突破，故該行業(yè)也占有很高的比重，貿(mào)易額達(dá)到4.2億美元。

圖 2 3D打印產(chǎn)業(yè)占比圖Fig.2 3D printing industry account diagram

3 3D打印機(jī)產(chǎn)業(yè)市場分析

2010～2016年，全球3D打印設(shè)備總出貨及增長率情況如圖3所示。

圖3 3D打印設(shè)備總出貨及增長率情況圖Fig.3 Total shipment and growth rate of 3D printing equipment

由圖3可知，2015年全球3D打印設(shè)備的總出貨量為23.02萬臺，達(dá)到了近幾年的小高峰；而2016年上半年全球3D打印機(jī)的總出貨量已達(dá)到14.08萬臺。總出貨量幾乎每年都在持續(xù)增長，增長率在2011年就達(dá)到154.34%的高峰，雖然在2014年后增幅有所下降，但是根據(jù)總的發(fā)展趨勢來看，不足以說明3D打印機(jī)的發(fā)展趨于萎縮。

3.1 工業(yè)級3D打印機(jī)

專業(yè)級3D打印機(jī)又稱為工業(yè)級3D打印機(jī)。工業(yè)級3D打印機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)[5]。與傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)相比，工業(yè)級3D打印機(jī)具有操作簡單、自動化程度高、效率高等特點(diǎn)，適用于概念設(shè)計(jì)階段的快速成型、玩具模型生產(chǎn)、醫(yī)療器械與人體器官制造、汽車與軍事等行業(yè)。2010～2016年，全球工業(yè)級3D打印設(shè)備總出貨及增長率情況如圖4所示。

從圖4分析可知，2014年后，工業(yè)級3D打印機(jī)的發(fā)展已出現(xiàn)開始下滑的趨勢。出貨量從2014年的1.29萬臺下降到2015年的1.16萬臺，同比增長-10.07%，到2016年仍然呈現(xiàn)持續(xù)下滑趨勢。

圖4 工業(yè)級3D打印設(shè)備總出貨及增長率情況圖Fig.4 Total shipment and growth rate of industrial grade 3D printing equipment

自2010年開始，工業(yè)級3D打印設(shè)備逐漸發(fā)展。其中，金屬3D打印機(jī)占有工業(yè)級3D打印設(shè)備的大部分份額。盡管金屬3D打印設(shè)備價(jià)格昂貴，但是近年銷售量始終不斷增長，說明了金屬3D打印機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用逐步受到重視。2015年，全球工業(yè)級3D打印設(shè)備出貨量TOP5企業(yè)如表1所示。由于金屬3D打印市場擴(kuò)大化日益凸顯，根據(jù)2015年全球工業(yè)級3D打印設(shè)備銷售量排名，全球前五位的3D打印廠商中有3家的主要經(jīng)營業(yè)務(wù)在金屬3D打印領(lǐng)域。

表1 工業(yè)級3D打印設(shè)備出貨量TOP5企業(yè)Tab.1 Total shipments of top 5 enterprises of industrial grade 3D printing equipment

3.2 消費(fèi)級3D打印機(jī)

消費(fèi)級3D打印機(jī)主要以桌面級3D打印機(jī)為主。其成型技術(shù)主要是熔融沉積制造(fused deposition medeling,FDM)技術(shù)，以高分子材料加工成的絲狀材料作為該類型打印機(jī)的主要耗材。2010～2015年,全球消費(fèi)級3D打印設(shè)備出貨量及增長率情況如圖5所示。

由圖5可知，從2010年到2015年，全球范圍內(nèi)桌面級3D打印設(shè)備發(fā)展持續(xù)增長，這與專業(yè)級3D打印機(jī)成為發(fā)展焦點(diǎn)有關(guān)。雖然桌面級3D打印機(jī)普遍被認(rèn)為是低端打印設(shè)備，但是隨著FDM 熔融打印技術(shù)的發(fā)展的日趨成熟，市場競爭愈加激烈，2015年消費(fèi)級3D打印機(jī)出貨量達(dá)到21.87萬臺。

圖5 桌面級3D打印設(shè)備總出貨量及增長率情況圖Fig.5 Total shipment and growth rate of desktop 3D printing equipment

根據(jù)2015年銷售量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)年全球桌面級3D打印設(shè)備出貨量TOP5企業(yè)如表2所示。由表2可知，XYZprinting在消費(fèi)級3D打印機(jī)行業(yè)保持全球領(lǐng)先地位，其市場份額達(dá)到22.92%。根據(jù)全球主營消費(fèi)級3D打印設(shè)備的公司發(fā)展?fàn)顩r來看，Stratasys和3D Systems兩大公司市場份額大幅縮減，被Ultimaker和M3D取而代之。

表2 消費(fèi)級3D打印設(shè)備出貨量TOP5企業(yè)Tab.2 Shipments of top 5 enterprises of desktop 3D printing equipment

4 3D打印機(jī)的應(yīng)用及質(zhì)量指標(biāo)分析

4.1 3D打印機(jī)應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和3D打印技術(shù)的發(fā)展，基于3D打印的計(jì)算機(jī)輔助制造已廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)[6]。3D打印技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，創(chuàng)造了一個(gè)“互聯(lián)網(wǎng)+3D打印機(jī)”的新商業(yè)模式。各行業(yè)3D打印機(jī)對比分析如表3所示。

表3 各行業(yè)3D打印機(jī)對比分析Tab.3 Comparison and analysis of 3D printers in different industries

分析表3可知，目前的3D打印設(shè)備呈現(xiàn)發(fā)展不平衡的特點(diǎn)。3D打印設(shè)備在工業(yè)和制造業(yè)運(yùn)用更為廣泛[7]，而且逐步向技術(shù)運(yùn)用成熟化方向靠攏；而在生物、醫(yī)療[8]、教育等行業(yè)，其尚處于起步階段，在這些行業(yè)運(yùn)用的成績不夠顯著。此外，3D打印機(jī)的通用性強(qiáng)，即使是同類型的3D打印機(jī)，也并不局限于在某一個(gè)特定行業(yè)的運(yùn)用。

4.2 3D打印機(jī)的質(zhì)量指標(biāo)分析

4.2.1 打印速度

打印速度是3D打印機(jī)基本的指標(biāo)。由于各生產(chǎn)商的標(biāo)準(zhǔn)不同，各機(jī)構(gòu)對打印速度的定義也存在差異。①打印單個(gè)部件在Z軸方向構(gòu)建一段距離所用的時(shí)間。這種定義方式適用于部件垂直建立速度快、X軸和Y軸尺寸方向速度受損影響小、效率受打印部件數(shù)約束小的3D打印機(jī)。②打印完成一個(gè)特定部件或者單個(gè)實(shí)體所需的時(shí)間。這種定義適用于打印單個(gè)具體部件的3D打印機(jī)。

目前，打印速度廣泛的定義是打印噴頭單位時(shí)間內(nèi)的出料長度。通常認(rèn)為，在不影響質(zhì)量的前提下，打印速度始終是越快越好?，F(xiàn)階段的3D打印機(jī)的打印速度可以分為三個(gè)層次。第一層次打印速度是150 mm/s，第二層次打印速度是80～100 mm/s，而第三層次則是40～50 mm/s。

3D打印機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致印刷質(zhì)量不高。目前，市場上有部分3D打印機(jī)的速度已經(jīng)達(dá)到150 mm/s以上。因?yàn)楹牟谋仨毟S擠出機(jī)的運(yùn)作而進(jìn)行調(diào)整，所以在這種高速情況下，打印質(zhì)量明顯下降，技術(shù)未完全成熟，還未被充分認(rèn)可。

4.2.2 分辨率

分辨率的表示方法有很多種，一般可以表示為每英寸點(diǎn)數(shù)(dots per inch，DPI)、Z軸單層厚、噴嘴直徑等。這些指標(biāo)與同類型的3D打印機(jī)可以比較，但是對于不同類型的3D打印機(jī)就不適用。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常都以噴嘴出料的直徑來表示分辨率。在機(jī)器的概念設(shè)計(jì)階段，總是將該指標(biāo)設(shè)計(jì)得盡可能小，從而使打印出的部件質(zhì)量更好。Dremel生產(chǎn)一種DigiLab數(shù)字制作產(chǎn)品3D45打印機(jī)。該機(jī)器采用一個(gè)加熱打印床設(shè)計(jì)，可以兼容多種類型的線型耗材，其構(gòu)建分辨率達(dá)到100 μm。

Wave3D展示了一款商用光固化成型(stereo lithography appearance,SLA)3D打印機(jī)Wave3D Pro，其分辨率則達(dá)到了50 μm。

4.2.3 打印精度

打印精度是打印部件與概念模型比較的準(zhǔn)確程度，可以用打印部件與概念模型的相差尺寸表示。3D打印獨(dú)特的制造特點(diǎn)決定了其在處理過程中容易受到部件尺寸、幾何形狀、材料的特性、光、熱等因素的影響。所以在打印過程中必須進(jìn)行補(bǔ)償，以確保最終部件的準(zhǔn)確度。

意大利Tecnica公司公布了一款叫CASA的3D打印機(jī)。該打印機(jī)配備了25 W的激光噴頭，內(nèi)置溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能保證打印過程溫度可控，精度可達(dá)70 μm。

4.2.4 材料屬性

幾乎每種3D打印技術(shù)都受限于具體的材料屬性及類型[9]。與單種打印材料3D打印機(jī)相比，多種打印材料相結(jié)合的3D打印機(jī)可提高打印靈活性與多樣性，擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。

基于FDM熔融技術(shù)的3D打印技術(shù)常使用的材料類型及屬性[10]如表4所示。

表4 3D打印材料及其屬性Tab.4 3D printing materials and their properties

5 3D打印技術(shù)的未來發(fā)展

5.1 3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢

在大數(shù)據(jù)和信息化的背景下，單一化、純機(jī)械化的3D打印機(jī)已不能順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要。隨著3D打印機(jī)運(yùn)用的推廣，對其技術(shù)發(fā)展也有更高的要求，主要表現(xiàn)在對3D打印機(jī)的操作便利性和打印完成的實(shí)體質(zhì)量有更嚴(yán)格的要求。因此，控制技術(shù)與大數(shù)據(jù)、信息化、智能化的結(jié)合，將成為3D打印技術(shù)發(fā)展的新趨勢。

①精密化。

隨著制作工藝的提高，提升3D打印的精度是3D打印技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。多噴頭交替打印、多材料結(jié)合打印、大型零部件打印等是3D打印技術(shù)的應(yīng)用方向，對打印出來的部件表面質(zhì)量和內(nèi)部的物理性能都將有更高的要求。這得益于3D打印技術(shù)的高精密化指標(biāo)，也是3D打印技術(shù)直接面向成品制造和零部件生產(chǎn)的保證。

②智能化和便捷化。

3D打印設(shè)備所具備的較高自動化程度，源于產(chǎn)品的軟件設(shè)計(jì)、后期處理以及軟件控制的優(yōu)化。加工過程中不同材料的轉(zhuǎn)換使用、部件內(nèi)部的氣泡去除、成型后的支撐材料修飾等，都需要程序化智能設(shè)備的配套支撐。基于3D打印技術(shù)生產(chǎn)的小型無人機(jī)、小型汽車等概念產(chǎn)品已用于商業(yè)宣傳、營銷活動中[11]。智能化和便捷化的一系列問題都直接影響3D打印的設(shè)備推廣與應(yīng)用。

③通用化。

通用化是指3D打印機(jī)運(yùn)用越來越普及并且能“一機(jī)多用”。3D打印機(jī)作為計(jì)算機(jī)的外部輸出設(shè)備,使用便利。用戶通過相關(guān)軟件設(shè)計(jì)的概念模型打印為三維實(shí)體。通過更換不同的打印材料，能打印出適用于不同場景的部件，節(jié)省了設(shè)備更換和維護(hù)的費(fèi)用。3D打印服務(wù)成為行業(yè)發(fā)展的新潮流，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價(jià)值。

④穩(wěn)定化。

穩(wěn)定化包括控制穩(wěn)定和運(yùn)行穩(wěn)定。隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)級3D打印機(jī)必然會起到舉足輕重的作用。在工業(yè)中，擾動因素復(fù)雜，必然會對工業(yè)3D打印機(jī)的穩(wěn)定性有更高的要求。提高控制穩(wěn)定性是對3D打印機(jī)控制器算法的優(yōu)化，包括經(jīng)典算法和人工智能算法在3D打印機(jī)的應(yīng)用[12]。提高運(yùn)行穩(wěn)定性是指控制技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)化，包括控制參數(shù)中超調(diào)量、滯后時(shí)間常數(shù)、穩(wěn)態(tài)誤差等指標(biāo)優(yōu)化。

5.2 3D打印技術(shù)應(yīng)用趨勢

3D打印技術(shù)的發(fā)展包括設(shè)備制造、材料研發(fā)與加工、軟件設(shè)計(jì)、服務(wù)商等方面。若應(yīng)用沒有跟上，則會限制技術(shù)的發(fā)展。3D打印技術(shù)的應(yīng)用將從多方面對傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

①使制造模式發(fā)生深刻變革。傳統(tǒng)的制造技術(shù)多采用減材加工的方式。這種方式最大的缺陷是原材料浪費(fèi)嚴(yán)重。3D打印技術(shù)改變了這種加工模式，能有效節(jié)省材料、縮短加工時(shí)間、提高工業(yè)生產(chǎn)效率。

②帶動產(chǎn)業(yè)技術(shù)的快速提升。3D打印技術(shù)是一門綜合應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、激光、控制、網(wǎng)絡(luò)、材料科學(xué)等諸多科學(xué)的高新技術(shù)。3D打印技術(shù)使該項(xiàng)高新技術(shù)由理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化。

③使商業(yè)模式發(fā)生革命性變化。3D打印可以使產(chǎn)品生產(chǎn)走向個(gè)性化、定制化，這將縮短產(chǎn)品推向市場的生命周期。其優(yōu)勢是通過互聯(lián)網(wǎng)，快速建立高效的供應(yīng)鏈、市場銷售和用戶服務(wù)網(wǎng)。該商業(yè)模式能實(shí)現(xiàn)敏捷制造、精益制造。

④推動人工智能的發(fā)展。21世紀(jì)人工智能已經(jīng)開始融入大眾生活。物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、智能家居等智能化產(chǎn)品與3D打印機(jī)的結(jié)合，已成為3D打印改變傳統(tǒng)制造業(yè)的新趨勢。這將提高技術(shù)的共享性，從而促進(jìn)3D打印與人工智能新技術(shù)的誕生。

6 結(jié)束語

3D打印技術(shù)是制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑，是人們在工業(yè)制造方面取得巨大進(jìn)展的標(biāo)志。隨著3D打印技術(shù)的不斷更新，該技術(shù)越來越多地進(jìn)入人們的視野，使產(chǎn)品制造的高成本障礙得以緩解。3D打印技術(shù)在商業(yè)與服務(wù)業(yè)的應(yīng)用，將促使生產(chǎn)模式、商業(yè)模式、競爭模式等發(fā)生巨大的變革，促進(jìn)“個(gè)性化定制”商業(yè)模式的產(chǎn)生，并衍生出新的細(xì)分產(chǎn)業(yè)，引導(dǎo)新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，從而更好地提高人們的生活品質(zhì)，為人們提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

參考文獻(xiàn):

[1] 史玉升,張李超,白宇,等.3D打印技術(shù)的發(fā)展及其軟件實(shí)現(xiàn)[J].中國科學(xué),2015,45(2):197-203.

[2] 郭日陽.3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)前景[J].自動化儀表,2015,36(3):5-8.

[3] 向友來,杜艾,謝志勇,等.3D打印技術(shù)應(yīng)用于加工微靶零件[J/OL].強(qiáng)激光與粒子束,2016,28(12):77-83.

[4] LEE J Y,AN J,CHUA C K.Fundamentals and applications of 3D printing for novel materials[J].Applied Materials Today,2017,7(7):120-133.

[5] 崔俊星.淺析工業(yè)制造中的3D打印機(jī)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2016(3):25.

[6] 趙秋云,楚恩惠.3D打印機(jī)在各領(lǐng)域的發(fā)展前景[J].軟件導(dǎo)刊(教育技術(shù)),2015(5):81-82.

[7] 李小麗,馬劍雄,李萍,等.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J].自動化儀表,2014,35(1):1-5.

[8] SOON D S C,CHAE M P,PILGRIM C H C.3D haptic modelling for preoperative planning of hepatic resection:A systematic review[J].Annals of Medicine and Surgery,2016(10):1-7.

[9] ZOU R,XIA Y,LIU S Y.Isotropic and anisotropic elasticity and yielding of 3D printed material[J].Composites Part B:Engineering,2016(99):506-513.

[10]DUDEK P.FDM 3D printing technology in manufacturing composite elements[J].Archives of Metallurgy and Materials,2013,58(4):1415-1418.

[11]BRANS K.3D printing,a maturing technology[J].IFAC Proceedings,2013,46(7):468-472.

[12]郭飛,梁園,楊朝航,等.軸動式激光固化3D打印技術(shù)的研究與實(shí)踐[J].自動化儀表,2017,38(8):14-16+22.