增材制造（3D打?。┘夹g(shù)發(fā)展

2013-04-17 15:06:17盧秉恒李滌塵

機械制造與自動化 2013年4期

盧秉恒，李滌塵

（西安交通大學(xué)a機械工程學(xué)院;b機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室快速制造國家工程研究中心，西安交通大學(xué)陜西西安 710049）

0 概述

增材制造（additive manufacturing，AM）技術(shù)是通過CAD設(shè)計數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除（切削加工）技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。自20世紀(jì)80年代末增材制造技術(shù)逐步發(fā)展，期間也被稱為“材料累加制造”（material increse manufacturing）、“快速原型”（rapid prototyping）、“分層制造”（layered manufacturing）、“實體自由制造”（solid free－form fabrication）、“3D打印技術(shù)”（3D printing）等。名稱各異的叫法分別從不同側(cè)面表達(dá)了該制造技術(shù)的特點。

美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）F42國際委員會對增材制造和3D打印有明確的概念定義。增材制造是依據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)將材料連接制作物體的過程，相對于減法制造它通常是逐層累加過程。3D打印是指采用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)沉積材料來制造物體的技術(shù)，3D打印也常用來表示“增材制造”技術(shù)，在特指設(shè)備時，3D打印是指相對價格或總體功能低端的增材制造設(shè)備。

從廣義的原理來看，以設(shè)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將材料（包括液體、粉材、線材或塊材等）自動化地累加起來成為實體結(jié)構(gòu)的制造方法，都可視為增材制造技術(shù)。

增材制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設(shè)計數(shù)據(jù)在一臺設(shè)備上可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實現(xiàn)“自由制造”，解決許多過去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其制造的速度作用越顯著。近年來，增材制造技術(shù)取得了快速的發(fā)展。增材制造原理與不同的材料和工藝結(jié)合形成了許多增材制造設(shè)備。目前已有的設(shè)備種類達(dá)到20多種。該技術(shù)一出現(xiàn)就取得了快速的發(fā)展，在各個領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用，如在消費電子產(chǎn)品、汽車、航天航空、醫(yī)療、軍工、地理信息、藝術(shù)設(shè)計等。增材制造的特點是單件或小批量的快速制造，這一技術(shù)特點決定了增材制造在產(chǎn)品創(chuàng)新中具有顯著的作用。美國《時代》周刊將增材制造列為“美國十大增長最快的工業(yè)”，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志則認(rèn)為它將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動實現(xiàn)第三次工業(yè)革命”，認(rèn)為該技術(shù)改變未來生產(chǎn)與生活模式，實現(xiàn)社會化制造，每個人都可以成為一個工廠，它將改變制造商品的方式，并改變世界的經(jīng)濟(jì)格局，進(jìn)而改變?nèi)祟惖纳罘绞健?/p>

美國專門從事增材制造技術(shù)咨詢服務(wù)的Wohlers協(xié)會在2013年度報告中對行業(yè)發(fā)展情況進(jìn)行了分析。2012年增材制造設(shè)備與服務(wù)全球直接產(chǎn)值22.04億美元，2012年增長率為28.6%，其中，設(shè)備材料:10.03億美元，增長20.3%，服務(wù)產(chǎn)值:12億美元，增長36.6%，其發(fā)展特點是服務(wù)相對設(shè)備材料，增長更快。在增材制造應(yīng)用方面，消費商品和電子領(lǐng)域仍占主導(dǎo)地位，但是比例從23.7%降低到21.8%;機動車領(lǐng)域從19.1%降低到18.6%;研究機構(gòu)為6.8%;醫(yī)學(xué)和牙科領(lǐng)域從13.6%增加到16.4%;工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域為13.4%;航空航天領(lǐng)域從9.9%增加到10.2%。在過去的幾年中，航空器制造和醫(yī)學(xué)應(yīng)用是增長最快的應(yīng)用領(lǐng)域。目前美國在設(shè)備的擁有量上占全球的38%，中國繼日本和德國之后，以約9%的數(shù)量占第四位。在設(shè)備產(chǎn)量方面，美國3D打印設(shè)備產(chǎn)量最高，占世界的71%，歐洲以12%、以色列以10%位居第二和第三，中國設(shè)備產(chǎn)量占4%。

1 國際發(fā)展?fàn)顩r

國際上增材制造經(jīng)過20多年的發(fā)展，美國已經(jīng)成為增材制造領(lǐng)先的國家，3D打印技術(shù)不斷融入人們的生活，在食品、服裝、家俱、醫(yī)療、建筑、教育等領(lǐng)域大量應(yīng)用，催生許多新的產(chǎn)業(yè)。增材制造設(shè)備已經(jīng)從制造業(yè)設(shè)備成為生活中的創(chuàng)造工具。人們可以用3D打印技術(shù)自己設(shè)計的物品，使得創(chuàng)造越來越容易，人們可以自由地開展創(chuàng)造活動。創(chuàng)造活力成為引領(lǐng)社會發(fā)展的熱點。增材制造技術(shù)正在快速改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和生活方式，歐美等發(fā)達(dá)國家和新興經(jīng)濟(jì)國家將其作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，紛紛制定發(fā)展戰(zhàn)略，投入資金，加大研發(fā)力量和推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。

美國奧巴馬總統(tǒng)在2012年3月9日提出發(fā)展美國振興制造業(yè)計劃，向美國國會提出“制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)”（NNMI），其目的在奪回制造業(yè)霸主地位，要以一半的時間和費用完成產(chǎn)品開發(fā)，實現(xiàn)在美國設(shè)計，在美國制造，使更多美國人返回工作崗位，構(gòu)建持續(xù)發(fā)展的美國經(jīng)濟(jì)。為此，奧巴馬政府啟動首個項目“增材制造”，初期政府投資3 000萬美元，企業(yè)配套4 000萬元，由國防部牽頭，制造企業(yè)、大學(xué)院校以及非盈利組織參加，研發(fā)新的增材制造技術(shù)與產(chǎn)品，使美國成為全球優(yōu)秀的增材制造的中心，架起“基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品研發(fā)”之間的紐帶。美國政府已經(jīng)將增材制造技術(shù)作為國家制造業(yè)發(fā)展的首要戰(zhàn)略任務(wù)給予支持。

2012年的增材制造設(shè)備市場延續(xù)近年的發(fā)展好形勢，銷售數(shù)目和收入的增加讓銷售商從中獲益，進(jìn)一步推動了美國股票價格的增長。2012年，增材制造技術(shù)通過主要出版物、電視節(jié)目甚至電影的方式涌入公眾的視野。2012年4月，在Materialise公司（比利時）的世界大會上，舉辦了一場時裝秀，展出了快速成型制造的帽子和飾品。

據(jù)調(diào)查，價格低于2 000美元的設(shè)備多用于科學(xué)研究或個人，對行業(yè)產(chǎn)值影響不大。行業(yè)發(fā)展主要依賴于專業(yè)化設(shè)備性能的提高。目前，專業(yè)化設(shè)備主要銷往美國市場。由于經(jīng)濟(jì)不景氣隱藏的潛在客戶被挖掘，并隨著設(shè)計與制造的快速增長，快速成型制造行業(yè)也得以發(fā)展。在美國明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯市舉行的年度快速成型會議上，Materialise公司（比利時）的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Wilfried Vancraen因其對快速成型行業(yè)的廣泛貢獻(xiàn)被授予行業(yè)成就獎。增材制造技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)以下特點。

a）增材制造產(chǎn)業(yè)不斷壯大

在快速成型企業(yè)中正在進(jìn)行公司間的合并，兼并的對象主要是設(shè)備供應(yīng)商、服務(wù)供應(yīng)商以及其他的相關(guān)公司。其中最引人注目的是Z Corp.公司被3D System公司收購，還有Stratasys公司計劃與 Objet公司合并。Delcam公司（英國）收購了快速成型軟件公司——Fabbify Software公司（德國）的一部分。據(jù)預(yù)計，F(xiàn)abbify Software會在Delcam公司的設(shè)計及制造軟件里增添快速成型應(yīng)用項。3D Systems公司購買了參數(shù)化計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件公司Alibre公司，以實現(xiàn)對計算機輔助設(shè)計（CAD）和3D打印的捆綁。2011年11月，EOS公司（德國）宣布該公司已經(jīng)安裝超過1 000臺的激光燒結(jié)成型機。11月初，3D system公司在宣布收購Huntsman公司（德州，林地）與光敏聚合物及數(shù)字快速成型機相關(guān)的資產(chǎn);隨后又宣布兼并3D打印機制造商Z Corp（馬薩諸塞州，伯靈頓市），這次兼并花費了1.52億美元。

b）新材料新器件不斷出現(xiàn)

Objet公司發(fā)布了一種類ABS的數(shù)字材料以及一種名為VeroClear的清晰透明材料。3D Systems公司也發(fā)布了一種名為Accura CastPro新材料，該種材料可用于制作熔模鑄造模型。同期，Solidscape公司（梅里馬克，新罕布什爾州）也發(fā)布了一種可使蠟?zāi)ｈT造鑄模更耐用的新型材料——plusCAST。2011年 8月，Kelyniam Global（新不列顛，康涅狄格州）宣布它們正在制作聚醚醚酮（PEEK）顱骨植入物。利用CT或MRI數(shù)據(jù)制作的光固化頭骨模型可以協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，在制作規(guī)劃的同時，加工PEEK材料植入物。據(jù)估計，這種方法會將手術(shù)時間降低85%。2011年6月，Optomec公司（新墨西哥州，阿爾伯克基）發(fā)布了一種可用于3D打印及保形電子的新型大面積氣溶膠噴射打印頭。Optomec公司雖以生產(chǎn)透鏡設(shè)備而為快速成型行業(yè)所熟知，但它的氣溶膠噴射打印卻隸屬于美國國防部高級研究計劃局的介觀綜合保形電子（MICE）計劃，該計劃的研究成果主要應(yīng)用在3D打印、太陽能電池以及顯示設(shè)備領(lǐng)域。

c）新市場產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)

2011年7月，Objet公司發(fā)布了一種新型打印機——Objet260 Connex，該種打印機可以構(gòu)建更小體積的多材料模型。2011年7月，Stratasys公司發(fā)布了一種復(fù)合型快速成型機——Fortus250mc，該成型機可以將ABSplus材料與一種可溶性支撐材料的進(jìn)行復(fù)合。Stratasys公司還發(fā)布了一種適用于Fortus400mc及900mc的新型靜態(tài)損耗材料——ABS－ESD7。2011年9月，Bulidatron Systems公司（紐約，紐約）宣布推出基于RepRap的Buildaron1 3D打印機。這種單一材料打印機既可以作為一種工具箱使用（售價1 200美元），也作為組裝系統(tǒng)使用（售價2 000美元）。Objet公司引入了一種新型生物相容性材料——MED610，這種材料適用于所有的PolyJet系統(tǒng)。剛性材料主要面向醫(yī)療及牙科市場。3D System公司發(fā)布了一種基于覆膜傳輸成像的打印機——PROJET1500，同時也發(fā)布了一種從二進(jìn)制信息到字節(jié)的3D觸摸產(chǎn)品。2012年1月，MakerBot（布魯克林，紐約）推出了售價1 759美元的新機器MakerBot Replicator，與它的前身相比，該機器可以打印更大體積的模型，并且第二個塑料擠出機的噴頭可以更換，從而擠出更多顏色的ABS或PLA。3D Systems公司推出了一種名Cube的單材料、消費者導(dǎo)向型3D打印機，其售價低于1 300美元。該機器裝有無線連接裝置，從而具有了從3D數(shù)字化設(shè)計庫中下載3D模型的功能。國防部與Stratasys公司簽訂了100萬美元的uPrint3D打印機訂單，以支持國防部的DoD’s STARBASE計劃，該計劃的目的是吸引青少年對科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)以及先進(jìn)制造技術(shù)中快速成型制造的興趣。2012年2月，EasyClad公司（法國）發(fā)布了MAGIC LF600大框架快速成型機，該成型機可構(gòu)建大體積模型，并具有兩個獨立的5軸控制沉積頭，從而可具有圖案壓印、修復(fù)及功能梯度材料沉積的功能。3D Systems公司推出了一種可用于計算機輔助制造程序，如 Solidworks，Pro/Engineer的插件——Print3D。通過3D Systems’ProParts服務(wù)機構(gòu)，這種插件可對零件及裝配體進(jìn)行動態(tài)的零件成本計算。2012年3月，Bumpy-Photo公司（俄勒岡州，波蘭市）正式推出了一款彩色3D打印的照片浮雕。先輸入數(shù)字照片，再在24位色打印機ZPrinter上打印，就能形成3D照片浮雕。價格也從最初79美元的3D照片變?yōu)?9美元的3D刻印圖樣。Stratasys公司和Optomec公司展出了帶有保形電子電路（利用的是Optomec’s Aerosol Jet公司的技術(shù)）的熔化沉積打印的機翼結(jié)構(gòu)。

d）新標(biāo)準(zhǔn)不斷更新

2011年7月，同期，美國試驗材料學(xué)會（ASTM）的快速成型制造技術(shù)國際委員會F42發(fā)布了一種專門的快速成型制造文件（AMF）格式，新格式包含了材質(zhì)，功能梯度材料，顏色，曲邊三角形及其他的STL文件格式不支持的信息。10月份，美國試驗材料學(xué)會國際（ASTM）與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）宣布，ASTM國際委員會F42與ISO技術(shù)委員會261將在快速成型制造領(lǐng)域進(jìn)行合作，該合作將降低重復(fù)勞動量。此外，ASTM F42還發(fā)布了關(guān)于坐標(biāo)系統(tǒng)與測試方法的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語。

2 我國增材制造技術(shù)的發(fā)展

我國自20世紀(jì)90年代初，在國家科技部等多部門持續(xù)支持下，在西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京隆源公司等在典型的成形設(shè)備、軟件、材料等方面研究和產(chǎn)業(yè)化方面獲得了重大進(jìn)展。隨后國內(nèi)許多高校和研究機構(gòu)也開展了相關(guān)研究，如西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華南理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)、中北大學(xué)、中國工程物理研究院等單位都在做探索性的研究和應(yīng)用工作。我國研發(fā)出了一批增材制造裝備，在典型成形設(shè)備、軟件、材料等方面研究和產(chǎn)業(yè)化方面獲得了重大進(jìn)展，到2000年初步實現(xiàn)的設(shè)備產(chǎn)業(yè)化，接近國外產(chǎn)品水平，改變了該類設(shè)備早期仰賴進(jìn)口的局面。在國家和地方的支持下，在全國建立了20多個服務(wù)中心，設(shè)備用戶遍布醫(yī)療、航空航天、汽車、軍工、模具、電子電器、造船等行業(yè)。推動了我國制造技術(shù)的發(fā)展。近5年國內(nèi)增材制造市場發(fā)展不大，主要還在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，沒有在消費品領(lǐng)域形成快速發(fā)展的市場。另一方面，研發(fā)方面投入不足，在產(chǎn)業(yè)化技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方面落后于美國和歐洲。

近5年來，增材制造技術(shù)在美國取得了快速的發(fā)展。主要的引領(lǐng)要素是低成本3D打印設(shè)備社會化應(yīng)用和金屬零件直接制造技術(shù)在工業(yè)界的應(yīng)用。我國金屬零件直接制造技術(shù)也有達(dá)到國際領(lǐng)先水平的研究與應(yīng)用，例如北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和北京航空制造技術(shù)研究所制造出大尺寸金屬零件，并應(yīng)用在新型飛機研制過程中，顯著提高了飛機研制速度。

在技術(shù)研發(fā)方面，我國增材制造裝備的部分技術(shù)水平與國外先進(jìn)水平相當(dāng)，但在關(guān)鍵器件、成形材料、智能化控制和應(yīng)用范圍等方面較國外先進(jìn)水平落后。我國增材制造技術(shù)主要應(yīng)用于模型制作，在高性能終端零部件直接制造方面還具有非常大的提升空間。例如:在增材的基礎(chǔ)理論與成形微觀機理研究方面，我國在一些局部點上開展了相關(guān)研究，但國外的研究更基礎(chǔ)、系統(tǒng)和深入;在工藝技術(shù)研究方面，國外是基于理論基礎(chǔ)的工藝控制，而我國則更多依賴于經(jīng)驗和反復(fù)的試驗驗證，導(dǎo)致我國增材制造工藝關(guān)鍵技術(shù)整體上落后于國外先進(jìn)水平;材料的基礎(chǔ)研究、材料的制備工藝以及產(chǎn)業(yè)化方面與國外相比存在相當(dāng)大的差距;部分增材制造工藝裝備國內(nèi)都有研制，但在智能化程度與國外先進(jìn)水平相比還有差距;我國大部分增材制造裝備的核心元器件還主要依靠進(jìn)口。

3 增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢

a）難點與挑戰(zhàn)

增材制造技術(shù)代表著生產(chǎn)模式和先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的趨勢，產(chǎn)品生產(chǎn)將逐步從大規(guī)模制造向定制化制造發(fā)展，滿足社會多樣化需求。目前增材制造2012年直接產(chǎn)值約22億美元，僅占全球制造業(yè)市場0.02%，但是其間接作用和未來前景難以估量。增材制造優(yōu)勢在于制造周期短、適合單件個性化需求、大型薄壁件制造、鈦合金等難加工易熱成形零件制造、結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件制造，在航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域，產(chǎn)品開發(fā)階段，計算機外設(shè)發(fā)展和創(chuàng)新教育上具有廣闊發(fā)展空間。

增材制造技術(shù)相對傳統(tǒng)制造技術(shù)還面臨許多新挑戰(zhàn)和新問題。目前增材主要應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)，還存在使用成本高（10元/g～100元/g），制造效率低，例如金屬材料成形為100 g/h～3 000 g/h，制造精度尚不能令人滿意。其工藝與裝備研發(fā)尚不充分，尚未進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。應(yīng)該說目前增材制造技術(shù)是傳統(tǒng)大批量制造技術(shù)的一個補充。任何技術(shù)都不是萬能的，傳統(tǒng)技術(shù)仍有強勁的生命力，增材制造應(yīng)該與傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)選、集成，會形成新的發(fā)展增長點。對于增材制造技術(shù)需要加強研發(fā)，培育產(chǎn)業(yè)，擴(kuò)大應(yīng)用。通過形成協(xié)同創(chuàng)新的運行機制，積極研發(fā)、科學(xué)推進(jìn)，使之從產(chǎn)品研發(fā)工具走向批量生產(chǎn)模式，技術(shù)引領(lǐng)應(yīng)用市場發(fā)展，改變?nèi)藗兊纳睢?/p>

b）增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢

1）向日常消費品制造方向發(fā)展。三維打印是國外近年來的發(fā)展熱點。該設(shè)備稱為三維打印機，將其作為計算機一個外部輸出設(shè)備而應(yīng)用。它可以直接將計算機中的三維圖形輸出為三維的彩色物體。在科學(xué)教育、工業(yè)造型、產(chǎn)品創(chuàng)意、工藝美術(shù)等有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價值。其發(fā)展方向是提高精度、降低成本、高性能材料發(fā)展。

2）向功能零件制造發(fā)展。采用激光或電子束直接熔化金屬粉，逐層堆積金屬，形成金屬直接成形技術(shù)。該技術(shù)可以直接制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬功能零件，制件力學(xué)性能可以達(dá)到鍛件性能指標(biāo)。進(jìn)一步的發(fā)展方向是進(jìn)一步提高精度和性能，同時向陶瓷零件的增材制造技術(shù)和復(fù)合材料的增材制造技術(shù)發(fā)展。

3）向智能化裝備發(fā)展。目前增材制造設(shè)備在軟件功能和后處理方面還有許多問題需要優(yōu)化。例如，成形過程中需要加支撐，軟件智能化和自動化需要進(jìn)一步提高;制造過程，工藝參數(shù)與材料的匹配性需要智能化;加工完成后的粉料或支撐的需要去除等問題。這些問題直接影響設(shè)備的使用和推廣，設(shè)備智能化是走向普及的保證。

4）向組織與結(jié)構(gòu)一體化制造發(fā)展。實現(xiàn)從微觀組織到宏觀結(jié)構(gòu)的可控制造。例如在制造復(fù)合材料時，將復(fù)合材料組織設(shè)計制造與外形結(jié)構(gòu)設(shè)計制造同步完成，在微觀到宏觀尺度上實現(xiàn)同步制造，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的“設(shè)計—材料—制造”—體化。支撐生物組織制造、復(fù)合材料等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造，給制造技術(shù)帶來革命性發(fā)展。

4 結(jié)語

增材制造以其制造原理的優(yōu)勢成為具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ闹圃旒夹g(shù)。隨著材料適用范圍增大和制造精度的提高，增材制造技術(shù)將給制造技術(shù)帶來革命性的發(fā)展。美國奇點大學(xué)（Singularity University）學(xué)術(shù)與創(chuàng)新中心副主席Vivek Wadhwa在華盛頓郵報上發(fā)表文章（2012年1月11日）“為何該輪到中國為制造業(yè)擔(dān)憂?”（Why it’s China’s turn to worry about manufacturing）。他認(rèn)為“新技術(shù)的出現(xiàn)很可能導(dǎo)致中國在未來20年中出現(xiàn)美國在過去20年所經(jīng)歷的空心化”，引領(lǐng)技術(shù)之一是以3D打印為代表的數(shù)字化制造。他認(rèn)為今天簡單的3D打印只能制作出相對粗糙的物體，這類設(shè)備正在快速發(fā)展，成本不斷降低，功能不斷提高，到2020年代中期，美國人能夠在分子級別上制作精確的3D物體。“這樣，中國還如何能與我們競爭”。他的觀點或許值得我們借鑒，我們未來要在競爭中立于不敗之地，我們今天就要毫不松懈的追趕和創(chuàng)造。