2013年3D打印技术概述

3D打印打印游志高 2013-08-30 01:13 来源：智研咨询

内容摘要：3D打印技术可与传统制造业技术互补，共同推进现代制造业的转型。此外，3D打印技术本身也在不断改进，不断有新的应用材料出现，应用领域也在逐步拓展。

  3D打印技术源自19世纪美国研究的照相雕塑和地貌成型技术，学界将其称为“快速成型技术”。1986年美国科学家查尔斯•胡尔利用一种叫光敏树脂的液态材料，发明出世界上第一台3D打印机。随后胡尔以这种技术为基础成立了世界上第一家3D打印设备公司3D Systems，并于1992年卖出了第一台商业化产品。上世90年代3D技术经历过一波快速发展，例如1989年美国得克萨斯大学卡尔提出选择性激光烧结（SLS）技术，1990年麻省理工学院申请了“三维印刷技术”专利等。本世纪至今全球越来越多的公司先后涉足3D打印制造，目前全球已经产生两家行业巨头Stratasys公司和3D Systems。

  据统计， 2012年3D打印市场规模达到22.04美元，同比增长29%，预计未来3D打印市场将保持快速增长的势头。

  一、3D打印原理——分层制造，逐层叠加

  “3D打印”是一类将材料逐层添加来制造三维物体的“增材制造”技术的统称，其核心原理是：“分层制造，逐层叠加”，类似于高等数学里柱面坐标三重积分的过程。区别于传统的“减材制造”，3D打印技术将机械、材料、计算机、通信、控制技术和生物医学等技术融合贯通，具有缩短产品开发周期、降低研发成本和一体制造复杂形状工件等优势，未来可能对制造业生产模式与人类生活方式产生重要的影响。

  按照3D打印的成型机理，通常将3D打印分为两大类：沉积原材料制造与黏合原材料制造，涵盖十多种具体的三维快速制造技术，较为成熟和具备实际应用潜力的技术有5种：SLA-立体光固化成型、FDM-容积成型、LOM-分层实体制造、3DP-三维粉末粘接和SLS-选择性激光烧结。

三、特点——技术类型与材料共同决定应用范围

  具体到细分类型，不同的成型原理对材料的要求也不同。目前SLA技术主要采用液态光敏树脂，FDM技术主要使用丝状热熔性塑料，LOM使用薄膜材料，SLS使用金属粉末，而3DP可使用金属粉末或塑料粉末等。反过来讲，材料本身的物理特性又会限制不同技术的应用。

  立体光固化成型的成形速度快，精度相对较高，且外形表面好，但限于光敏树脂的物理特性，其3D打印产品主要用于代替熔模精密铸造中的蜡模和原型设计验证方面，而很少作为功能性零件使用。

  目前3D打印技术中唯一可桌面化的技术是FDM，京东商城所售的3D打印机就是基于这种技术，使用ABS或PLA丝状、线状材料制作玩具；而在工业中FDM使用的丝状才来主要是工程塑料，其产品多为塑料件、铸造蜡模和样件等。SLS是3D技术中最具潜力制备功能性零件的技术，SLS可再细分为金属粉末和粘结剂混合烧结、金属粉末激光烧结和金属粉末压坯烧结；SLS主要优势是制作相对高强度的金属制品，在高端制造领域中完成样件功能试验或装备模拟。南京航空航天大学用Ni基合金混铜粉进行烧结成型的试验，成功地制造出具有较大角度的倒锥形状的金属零件。

主要3D打印技术对比

主要技术	原理	使用材料	特点	主要应用领域
SLA 立体光固化成型	用特定波长与强度的“光”聚焦到“光固化材料”表面，完成单层材料的图形化	液态光敏树脂，例如PI	成形速度较快，精度相对较高，外形表面非常好	制造多种模具、模型；代替熔模精密铸造中的蜡模；一般主要用于原型设计验证方面
FDM 容积成型	将丝状材料通过加热器的挤压头熔化成液体，微喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在成型的“作品”上，冷却后完成一层图形制作	丝状材料（石蜡、金属、工程塑料、低熔点合金丝）；桌面级3D打印机主要以ABS和PLA为材料	使用、维护简单，成本较低，速度快，复杂程度原型仅需要几个小时即可成型	塑料件、铸造用蜡模、样件或模型
LOM 分层实体制造	激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的薄材用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用粘压装置将已切割层粘合在一起	纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜及涂敷有热敏胶的纤维纸等	工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高	快速制造新产品样件、模型或铸造用木模
3DP 三维粉末粘接	先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终工件	粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等	成型速度快、无需支撑结构，而且能够输出彩色打印产品，目前其他技术比较难以实现	主要应用在专业领域，桌面级别项目尚需观察
SLS 选择性激光烧结	先铺一层粉末材料，控制激光束有选择地进行烧结，使粉末材料温度升至熔化点，被烧结部分便固化形成图形，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型	金属粉末材料（Ni基合金混铜粉、Ti、Fe、Cu粉末）	成品精度好、强度相对较高，最主要的优势在于金属成品的制作	高端制造领域，样件进行功能试验或装配模拟

资料来源：产业信息网整理

四、对比——与传统制造技术相比，各有用武之地

传统机械制造是基于削、钻、铣、磨、铸和锻等“减”材制造基本工艺的组合，工件的制造一般要经过多个工艺的组合才能完成。而3D打印技术秉承“分层制造，逐层叠加”核心原理，是一体成型技术，一台3D打印机就可以完成整个工件的制造。从工业应用领域来看，目前3D打印适于小批量、造型复杂的非功能性零部件；大多在汽车、航天等领域内用于制造样件和模具等；而传统的机加工制造就适用于大规模、需要量产的部件，并广泛应用在几乎所有领域。从使用的材料来分析，受制于技术的需要，3D打印技术目前使用的材料多为塑料、光敏树脂和金属粉末等材料，这与传统机加工可以使用几乎任何材料相比要少很多。但3D打印就像其技术特点一样，几乎不产生浪费，材料的利用率可超过95%；而传统的“减”材制造，不同程度要产生许多废料。

3D打印技术与传统机械制造的比较

	传统机械制造	3D打印技术
基本技术	削、钻、铣、磨、铸、锻	FDM，SLA，SLS，LOM，3DP
核心原理		分层制造、逐层叠加
技术特点	“减”材制造	“增”材制造
适用场合	大规模、批量化；不受限	小批量、造型复杂；非功能性零部件
使用材料	几乎所有材料	塑料、光敏树脂、金属粉末等（受限）
材料利用率	相对低，有浪费	高，可超过95%
应用领域	广泛不受限制	模具、样件；桌面级玩具等
构件强度	较好	有待提高
产品周期	相对较长	短
智能化	不容易	容易实现

资料来源：产业信息网整理

三、趋势——未来可能与传统制造业优势互补

  如今，3D打印技术已经在社会公众中引起了较大的反响，多个企业宣布即将进入或已经进入3D打印领域，业界也有学者认为3D打印将是推动第三次工业革命的重要内容，将在制造业掀起颠覆性的革命。

  但是，近代装备制造业经过数百年的积累和发展，形成了配套完善、功能齐全产业基础；新世纪以来，传统制造业中不断引入新一代信息技术，正在向智能化、数字化与网络化的现代先进制造业转变。

  从技术上来说，3D打印技术有待未来突破自身的限制，取代传统制造业的道路也许会很漫长。但3D打印技术可与传统制造业技术互补，共同推进现代制造业的转型。此外，3D打印技术本身也在不断改进，不断有新的应用材料出现，应用领域也在逐步拓展。

本文采编：CY209