漫談3D打印
——機遇與挑戰(zhàn)

朱宏康 賈豫冬 王 方

（西北有色金屬研究院，陜西西安710016）

漫談3D打印
——機遇與挑戰(zhàn)

朱宏康 賈豫冬 王 方

（西北有色金屬研究院，陜西西安710016）

【編者按】2014年9月21日，“2014新材料國際發(fā)展趨勢高層論壇——3D打印材料技術前沿論壇”在與會代表的密切關注下，在西安高新技術開發(fā)區(qū)都市之門二層學術報告廳隆重召開，現(xiàn)場異?；鸨?，會場內(nèi)外座無虛席。筆者全程聽取了10位報告人關于3D打印材料，3D打印技術的主要特征、進展以及在工業(yè)和生物醫(yī)學領域應用前景等方面的報告。正如中國工程院盧秉恒院士的報告所說，3D打印技術正在改變世界。3D打印是一種顛覆性的制造技術，參照的是打印機技術原理，分層加工。傳統(tǒng)制造技術是“減材制造技術”，3D打印則是“增材制造技術”，它具有制造成本低、生產(chǎn)周期短、能最大限度滿足個性化需求等優(yōu)勢。利用3D打印技術為飛機、宇宙飛船和聚變項目制造的零部件要比常規(guī)部件更輕、更堅固、更廉價。因為增材制造技術幾乎是“零浪費”，并且相比焊接和熔合的方法，產(chǎn)品更堅固、更輕。因此，3D打印技術被譽為“第三次工業(yè)革命最具標志性的生產(chǎn)工具”。

1 前 言

如同材料計算工程被冠以材料基因組的名稱，增材制造技術被稱為3D打印技術，這種更形象的叫法借助奧巴馬總統(tǒng)的名人效應使得3D打印技術家喻戶曉。3D打印技術的最大優(yōu)勢在于人們可以量身定制（Tailored）或自由設計（Free Design）所需要的產(chǎn)品。這引起了各行各業(yè)設計人員的興趣及熱情，在全球掀起了3D打印熱潮。甚至不少人夢想著能創(chuàng)辦一間個人3D打印工作室。但是，3D打印不是制造業(yè)的救星，或者說，至少在今后5年，不是“家庭工廠”的救星。面對如此火爆的場景，筆者通過綜述世界各國3D打印技術的實際應用以及產(chǎn)業(yè)化中遇到的問題，認為在美好的機遇面前也一并存在著發(fā)展的諸多隱憂，希望狂熱的關注者保持謹慎樂觀的態(tài)度。

2 應用現(xiàn)狀

3D打印技術已吸引了全球礦商、金屬公司和制造企業(yè)的關注，并開始進入工廠，在多個領域?qū)嵤┝藨茫?/p>

●世界最大礦商必和必拓（BHP）公司，擁有生產(chǎn)鈦粉末的英國羅瑟勒姆公司（Metalysis Ltd.）6.85%的股權，其生產(chǎn)的粉末用于3D打印汽車零部件。

●澳大利亞艾綠卡公司（Iluka Resources Ltd.，ILU），全球第二大TiO2生產(chǎn)商，在2014年2月投資1 200萬英鎊，占有英國羅瑟勒姆公司18.3%的股權。

●寶鋼正在支持澳大利亞的一個3D打印項目Sandvik AB（SAND）。

●GE航空部計劃2015年投資1.25億美元，利用3D打印機為飛機發(fā)動機制造燃油噴嘴。

●歐洲航天局公布了旨在“將3D打印帶入金屬時代”的計劃，為飛機、宇宙飛船和聚變項目制造零部件。新部件要比常規(guī)部件更輕、更堅固、更廉價。因為增材技術幾乎是“零浪費”，并且相比焊接和熔合的方法，產(chǎn)品更堅固、更輕。

●GE子公司Avio增材制造公司開發(fā)了3 kW金屬熔煉電子槍，其電子束的功率是激光的10倍?？梢詫⑩伔圩?yōu)轱w機渦輪葉片。此電子槍打印技術避免了傳統(tǒng)方法下TiAl冷卻時的收縮、破損，能更好地控制TiAl性能。

●法國空客公司（Airbus）同中國西北工業(yè)大學簽署合作協(xié)議，探索未來飛機鈦零部件增材制造技術的進一步應用。空客稱其正在研究采用3D打印技術為A320、A380和A350WXB系列飛機制造特殊零部件或規(guī)格更大的機身結構件?？湛皖A計，采用3D打印技術生產(chǎn)的零部件比采用傳統(tǒng)生產(chǎn)方式輕55%。3D打印技術更適合小批量零部件的生產(chǎn)和樣品試制。

●空客Airbus Group NV（AIR）于2014年3月制造了第一個3D打印A310機組人員座椅。

●德國EOS3D打印機公司拓展了其金屬粉末產(chǎn)品：新增了具有抗腐蝕和生物兼容性的EOS Titanium Ti64ELI和EOS Stainless Steel-316L，用來制造高質(zhì)量3D金屬零件。

直接的金屬激光熔化

●美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室研究人員開發(fā)了新的更有效的途徑來解決增材技術所面臨的巨大挑戰(zhàn)，即利用選擇性激光熔化技術，選取恰當?shù)墓に噮?shù)，使零件得到期望的性能。

●3D打印技術開始進入工廠，Nike公司已經(jīng)提供3D打印的足球鞋。

●悉尼大學、哈佛大學、斯坦福大學和麻省理工大學的科學家已開展生物打印血管網(wǎng)絡，仿制生長大型復合器官所需的人體循環(huán)系統(tǒng)。此舉向生物打印可移植組織、器官更進了一步。

●在傳統(tǒng)的3D打印的概念中加入“時間”元素，被打印的物體可以隨著時間的推移而在形態(tài)上發(fā)生自我調(diào)整。例如便于運輸?shù)臈l狀家具，衣服在光、磁等外力作用下自動變形。

3 推動了金屬需求

根據(jù)McKinsey Global Institute的一份研究報告，隨著2014年3D打印激光燒結技術專利（University of Texas at Austin，1980）的失效，3D打印機在制造領域會變得更加普遍，因其比傳統(tǒng)制造可以更快更便宜地制造零部件，因而正在被用來制造房屋、噴射式戰(zhàn)斗機零部件、手槍和自行車等。而這需要礦產(chǎn)和金屬公司提供原材料，因此對特種金屬粉末的需求近4年來增加了3倍。

2013年全球約5.30億美元用在了3D打印的金屬、塑料和陶瓷上，而2009年為2.18億美元。其中對金屬的需求由1.2億美元增加到3.26億美元。2013年金屬3D打印機的銷量上漲76%，預計2025年，全球3D打印商品的總市值會達到5 500億美元。隨著金屬粉末用量的增加及生產(chǎn)商生產(chǎn)工藝的進步，3D打印零件的成本最終會比傳統(tǒng)金屬零件有更大的競爭力。生產(chǎn)成本的降低將加劇鈦產(chǎn)品與鋼、鋁等相關產(chǎn)品競爭。

EBSM成型示意圖

4 未來展望

澳大利亞Monash大學的XinhuaWu教授與法國防務承包商賽峰集團（Safran SA）合作生產(chǎn)3D航空零件。但她對3D打印市場保持了謹慎態(tài)度。因為應用于航空和醫(yī)療領域的金屬粉末必須遵循嚴格的標準，需要有多年的技術沉淀，而維系低成本的產(chǎn)品市場更需要時間。事實上，在本次“3D打印材料技術前沿論壇”上，多位專業(yè)從事3D打印的行內(nèi)專家一致認為，3D打印并不像外界所想象的，買了設備就可生產(chǎn)那么簡單，在此過程中會遇到各種各樣的困難。比如，如何保證不同批次原材料粉末純凈度的一致性，打印過程中的工藝質(zhì)量、控制，以及后期成品的表面處理等等。使用3D打印技術制造產(chǎn)品，其質(zhì)量的穩(wěn)定性至關重要。因為一種新材料要在航空上應用，需要經(jīng)過10多萬次的測試，而最終產(chǎn)品更是需要以高質(zhì)量和低成本占領市場，而要實現(xiàn)商業(yè)化則更難。

目前，3D打印市場需求還很小，需要幾年時間的磨合才能廣泛用于商業(yè)生產(chǎn)。3D打印機要么太慢，要么太貴，或者由于可使用的材料限制，難以做出人們想要的產(chǎn)品。到目前為止，阻礙3D打印達到應有規(guī)模的最大因素始終是它的實用性。對于效率低的問題，有報告人指出，一臺慢，可以同時用100臺進行打印就不慢了。但是這種想法是需要建立在合理的成本預算之內(nèi)的，現(xiàn)實操作實屬不易。

3D打印技術的最大優(yōu)勢在于人們可以量身定制（Tailored）或自由設計（Free Design）所需要的產(chǎn)品，這對專業(yè)的設計人員和軟件提出了高層次的要求。

盡管如此，3D打印技術在人們的觀念中仍是無所不能的。據(jù)預測，3D打印設備及服務市場將在2018年以前增長兩倍。因此面對目前的3D打印市場，我們應保持謹慎樂觀的態(tài)度，美好的機遇面前也存在著發(fā)展隱憂。我國3D打印行業(yè)還存在以下不足：①科研單位與企業(yè)間缺乏有效溝通與合作；②3D打印用新材料的研發(fā)還需加強。目前材料的限制使3D打印的價格居高不下，與傳統(tǒng)規(guī)?；圃鞓I(yè)競爭時體現(xiàn)不出明顯優(yōu)勢。因此，筆者認為，在未來進入3D打印行業(yè)之前，企業(yè)首先要做好技術沉淀、市場定位和成本控制，避免像某些LED產(chǎn)業(yè)一樣，重資引進大批量的MOCVD設備，而本產(chǎn)業(yè)卻利潤甚微，過多依賴政府補貼。

［1］ David Stringer.3-D Printers Making Jets and Bikes Drive Demand for Metal，Bloomburg（2014－8－20）.

［2］ Andrew Tarantola.This Electron Gun Turns Titanium Powder into Turbine Blades for Planes，Monster Machines（2014－09－01）.

［3］ High-Quality 3-D Metal Parts using Additive Manufacturing，Lawrence Livermore National Laboratory（2014－06－16）.