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)分析來提升生產(chǎn)運(yùn)營效率，利用數(shù)字化將物理設(shè)備虛擬化，以獲得快速響應(yīng)市場需求的能力，并支持小批量的個(gè)性化定制要求。

作為“中國制造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)性化定制市場有著巨大的市場機(jī)遇。“3D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，它對(duì)傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、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

2017年全球3D打印全球市場規(guī)模為73.4億美元，2018年約在83.7億美元左右。我國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。近5年我國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，分別占市場份額的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3D打印相關(guān)專利申請量達(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，中國第一座使用3D打印技術(shù)制作的高分子材料觀景橋正式亮相。未來，“3D打印+”生態(tài)圈將會(huì)越來越完善。

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、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)軟件而聞名的美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC）和主營產(chǎn)品為UG的德國西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)（A&D），以及Solidworks、Inventor、3DS MAX、MAYA等。

2017年4月，西門子推出了全新的線上協(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)主要為客戶定制各種產(chǎn)品，幫助設(shè)計(jì)人員和3D打印愛好者銷售自己的3D設(shè)計(jì)和產(chǎn)品。目前，該平臺(tái)云集了來自全球超過 130個(gè)國家，數(shù)量超過50萬的會(huì)員，月均3D打印產(chǎn)品數(shù)量已經(jīng)高達(dá)18萬件。

亞馬遜將通過第三方的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，國內(nèi)涌現(xiàn)出多個(gè)3D打印云平臺(tái)企業(yè)，類似裕同科技旗下的云創(chuàng)盒酷平臺(tái)，是全國首家基于互聯(lián)網(wǎng)的在線編輯器，專為用戶提供個(gè)性化文創(chuàng)商品，用戶可以在線自主選擇盒型以及海量設(shè)計(jì)素材，全程在線協(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3D打印地圖”——把全國各地的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”派車一樣，3D打印業(yè)務(wù)也將實(shí)現(xiàn)就近服務(wù)。

“中國制造2025”背景下的3D打印，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)和算法構(gòu)建云平臺(tái)，整合和簡化3D打印業(yè)務(wù)流程，將閑置的3D打印資源盤活，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，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。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、橡膠類柔韌材料和專業(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似，通過混合漸變可實(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、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“萬金油”型技術(shù)，恰好滿足市場應(yīng)用的定制化需求。

在“中國制造2025”的背景下，智能物流是智能工廠的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，AGV車是該系統(tǒng)的重要硬件構(gòu)成。3D打印市場有這樣一個(gè)案例，客戶想要用3D打印技術(shù)制作一款A(yù)GV車外殼。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)勢恰好就體現(xiàn)出來了。這款A(yù)GV車外殼采用樹脂材料、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，以及柔性和剛性兩種不同材料。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)。

“中國制造2025”背景下的制造業(yè)競爭核心是提高產(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)?；?、標(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，成為未來制造的主要形式。

結(jié)語

3D打印打破了傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)方式，已成為未來科技發(fā)展的新銳力量。因?yàn)橥ㄟ^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