[emuch.net][2448329]3D打印技术及其产业发展的前景预见_王雪莹

CHUANGXINKEJI 2012.12 创 科技新CHUANGXINKEJI 3D打印（3D Printing）技术作为快速成 型领域的一种新兴技术，目前正成为一种 迅猛发展的潮流。3D打印技术正在吸引 越来越多的国内外新闻媒体和社会公众的 热切关注。英国《经济学人》杂志2011年2 月刊载封面文章，对3D打印技术的发展作 了介绍和展望，文章认为：3D打印技术未来 的发展将使大规模的个性化生产成为可能， 这将会带来全球制造业经济的重大变革。 很多新闻媒体乐观地认为：3D打印产业将 成为下一个具有宽广前景的朝阳产业。 3D打印技术简介 3D打印技术是指通过连续的物理层 叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技 术，与传统的去除材料加工技术不同，因此 又称为添加制造（AM,Additive Manufactur⁃ ing）。作为一种综合性应用技术，3D打印 综合了数字建模技术、机电控制技术、信息 技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿 技术知识，具有很高的科技含量。3D打印 机是3D打印的核心装备。它是集机械、控 制及计算机技术等为一体的复杂机电一体 化系统，主要由高精度机械系统、数控系 统、喷射系统和成型环境等子系统组成。 此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控 制软件等也是 3D打印技术体系的重要组 成部分。 目前，3D打印技术主要应用于产品原 型、模具制造，以及艺术创作、珠宝制作等 领域，替代这些领域传统依赖的精细加工 工艺。3D打印可以在很大程度上提升制 作的效率和精密程度。除此之外，在生物 工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技 术的引入也为创新开拓了广阔的空间。如 2010 年澳大利亚 Invetech 公司和美国 Organovo公司合作，尝试以活体细胞为“墨 水”打印人体的组织和器官，是医学领域具 有重大意义的创新。 3D打印技术及产业国内外发展 现状 经过十多年的探索和发展，3D打印技 术在国外有了长足的进步，目前已经能够 在0.01毫米的单层厚度上实现600dpi的精 细分辨率。目前国际上较先进的产品可以 实现每小时25毫米厚度的垂直速率，并可 实现24位色彩的彩色打印。 目前，在全球 3D打印机 行业，美国3D Systems和Stra⁃ tasys两家公司的产品占据了 绝大多数市场份额。此外，在 此领域具有较强技术实力和 特色的企业/研发团队还有美 国的Fab@Home和Shapeways、 英国的Reprap等。 3D Systems 公司是全世 界最大的快速成型设备开发 公司。于 2011年 11月收购了 3D打印技术的最早发明者和 最初专利拥有者Z Corporation 公司之后，3D Systems奠定了 在 3D打印领域的龙头地位。 Stratasys 公司 2010 年与传统 打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作 ，生产HP品牌的 3D打印机。继 2011 年 5月收购 Solidscape公司之后，Stratasys 又于 2012年 4月与以色列著名 3D打印系 统提供商Objet宣布合并。当前，国际 3D 打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过 程中，行业巨头正在加速崛起。 目前在欧美发达国家，3D打印技术已 经初步形成了成功的商用模式。如在消费 电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D 打印技术可以以较低的成本、较高的效率 生产小批量的定制部件，完成复杂而精细 的造型。另一 3D打印技术获得应用的领 域是个性化消费品产业。如纽约一家创意 消费品公司Quirky通过在线征集用户的设 计，以3D打印技术制成实物产品并通 过电子市场销售，每年能够推出60种创新 33DD 打印技术及其打印技术及其 产业发展的前景预见产业发展的前景预见 主要企业 /团队 3D Systems Stratasys Fab@Home Shapeways Reprap 技术优势和特色 分辨率高达 600dpi；成型尺寸较大，可整体 打印超大模型；全彩 3D打印技术；熔融材 料高分辨选择性逐层喷射技术；工艺经济 性、方便性较高 FDM（熔融沉积成型）技术；逐层喷射，光敏 固化技术；精细度高，能够建立光滑表面、 细小特征和复杂形状；能够喷射第二种材 料为所需形状建立支撑 低价家用3D打印机；开源的简易3D打印机 设计方案 包括塑料、陶瓷在内的多种材质打印；在线 diy设计打印服务 可自身复制的3D打印机；开源的软硬件技 术资料 表 1 3D 打印领域国际主要企业/研发团队及其技术特色 文 /王雪莹 创 科技新CHUANGXICHUANGXINNKEJIKEJI 14 CHUANGXINKEJI 2012.12 创新论坛创新论坛··研究研究 产品，年收入达到100万美元。 自20世纪90年代以来，国内多所高校 开展了 3D打印技术的自主研发。清华大 学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM 工艺等方面都有一定的科研优势；华中科 技大学在分层实体制造工艺方面有优势， 并已推出了HRP系列成型机和成型材料； 西安交通大学自主研制了三维打印机喷 头，并开发了光固化成型系统及相应成型 材料，成型精度达到 0.2 mm。中国科技大 学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望 在微制造、光电器件领域得到应用。但总 体而言，国内3D打印技术研发水平与国外 相比还有较大差距。 近年来，国内如深圳维示泰克、南京紫 金立德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现 了3D打印机的整机生产和销售，这些企业 共同的特点是由海外归国团队建立，规模 较小，产品技术与国外厂商同类产品相比 尚处于低端。目前，国产3D打印机在打印 精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方 面还难以满足商用的需求，技术水平有待 进一步提升。在服务领域，我国东部发达 城市已普遍有企业应用进口 3D打印设备 开展了商业化的快速成型服务，其服务范 围涉及模具制作、样品制作、辅助设计、文 物复原等多个领域。与内地相比，我国港 台地区3D打印技术引入起步较早，应用更 为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非 自主研发。 3D打印产业的未来发展前景 根据国际快速制造行业权威报告 《Wohlers Report 2011》发布的调查结果， 全球3D打印产业产值在1988到2010年间 保持着 26.2%的年均增长速度。报告预 期，3D打印产业未来仍将持续较快的增 长，到 2016年，包含设备制造和服务在内 的产业总产值将达到31亿美元，2020年将 达到52亿美元。 但 3D打印技术要进一步扩展其产业 应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和 挑战：一是成本方面，现有 3D打印机造价 仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带 来了困难；二是打印材料方面，目前 3D打 印的成型材料多采用化学聚合物，选择的 局限性较大，成型品的物理特性较差，而且 安全性也存在一定隐患；三是精度、速度和 效率方面，目前3D打印成品的精度还不尽 如人意，打印效率还远不适应大规模生产 的需求，而且受打印机工作原理的限制，打 印精度与速度之间存在严重冲突；四是产 业环境方面，3D打印技术的普及将使产品 更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版 风险大增，现有知识产权保护机制难以适 应产业未来发展的需求。 Gartner公司 2011年发布的最新技术 发展展望报告判断：3D打印技术目前正在 进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待 充分成熟，主流市场也有待进一步培育。 Gartner公司研究人员认为，3D打印技术成 熟到适应市场需求还将需要5到10年的时 间。在这一较为漫长的发展过程中，产业 可能将会面临增长期望落空、技术遭遇瓶 颈以及投资撤离等风险。 总之，从中长期看来3D打印产业具有 较为广阔的发展前景，但目前产业距离成 熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规 模的短期发展不宜过分高估。因此，现阶 段产业界对 3D打印领域的投入应以加强 创新研发、技术引进为主，尤其要重视自主 知识产权的建设和维护，争取在未来的市 场竞争中占据优势地位。如受到概念炒作 影响，在技术尚未充分完善的现阶段大规 模投入产能扩张，则投资回报将面临着较 大的风险。 3D打印技术未来发展的主要趋势 其一，提升 3D打印的速度、效率和精 度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多 材料打印的工艺方法，提高成品的表面质 量、力学和物理性能，以实现直接面向产品 的制造。 其二，开发更为多样的 3D打印材料， 如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非 均质材料及复合材料等，特别是金属材料 直接成型技术有可能成为今后研究与应用 的又一个热点。 其三，3D打印机的体积小型化、桌面 化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分 布化生产，设计与制造一体化的需求以及 家庭日常应用的需求。 其四，软件集成化。实现 CAD/CAPP/ RP的一体化，使设计软件和生产控制软件 能够无缝对接。实现设计者直接联网控制 的远程在线制造。 其五，拓展 3D打印技术在生物医学、 建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性 应用。 （作者单位：上海市科学研究所） 15 Administrator 铅笔