淺談3D打印材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及建議

方瑩，呂莎

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644000）

3D打印技術(shù)縮短了生產(chǎn)周期，簡化了復(fù)雜結(jié)構(gòu)，節(jié)約了材料和能源，它引起了國內(nèi)外的高度關(guān)注。近年來，3D打印技術(shù)生產(chǎn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療產(chǎn)品、家用電器、工業(yè)機(jī)械和其他領(lǐng)域，3D打印材料是制造的基礎(chǔ)。我國3D打印材料生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)緩慢，材料種類少，性能不達(dá)標(biāo)，材料行業(yè)發(fā)展不成熟，缺乏專業(yè)人才培養(yǎng)機(jī)制。1984年，當(dāng)查爾斯·費(fèi)德打開3D打印序幕時(shí)，他將光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于石材生產(chǎn)領(lǐng)域。自20世紀(jì)80年代以來，3D打印在國外引起了廣泛關(guān)注。各種3D打印技術(shù)已在許多行業(yè)得到應(yīng)用和發(fā)展。現(xiàn)在它包括制造業(yè)、醫(yī)學(xué)、科學(xué)、航空、航空、航天、軍事等許多領(lǐng)域。2011年，全球3D打印行業(yè)的總收入為17.14億美元，但2015年其復(fù)合增長率將超過30%，達(dá)到5165億美元。到2018年，全球3D打印行業(yè)的總收入達(dá)到1100萬美元。

1 3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1．1 3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)，又稱“Lapid編程技術(shù)”，是以三維設(shè)計(jì)和三維計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，借助計(jì)算機(jī)軟件和數(shù)控系統(tǒng)對特殊功能材料層進(jìn)行疊加和加固。它始于19世紀(jì)的美國，直到20世紀(jì)80年代才被其他國家慢慢嘗試。由于3D打印是基于信息技術(shù)和虛擬世界的生產(chǎn)和制造，3D打印技術(shù)概念實(shí)際上可以在現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)現(xiàn)。首先，可以向消費(fèi)者和制造商提供特別適合消費(fèi)者需求的產(chǎn)品，以減少供應(yīng)短缺，并在市場經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮作用。3D打印技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品是無縫的，所需的材料類型可以減少傳統(tǒng)工業(yè)中使用的零件數(shù)量。最后，3D打印技術(shù)可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，短期內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)“機(jī)械變化”現(xiàn)象。然而，隨著3D打印行業(yè)的逐步完善，數(shù)字建模、軟件開發(fā)、材料開發(fā)等市場也在逐步完善，替代問題也在逐步緩解。

1．2 我國3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

為了滿足不同行業(yè)的需求，3D打印機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)、生物技術(shù)、家居產(chǎn)品等產(chǎn)品中得到了細(xì)化。然而，3D打印行業(yè)在打印材料和應(yīng)用軟件的研發(fā)方面還不成熟。從不同國家的角度來看，美國一直是3D打印技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)導(dǎo)者，包括具有代表性的3D系統(tǒng)公司和STRATASYS公司。德國堅(jiān)持嚴(yán)肅和遠(yuǎn)見的一貫原則，特別是研發(fā)高端打印機(jī)和3D打印行業(yè)開發(fā)的特殊打印材料。由于國外對尼龍粉等印刷材料的壟斷，潛在的市場需求尚未開發(fā)，我國3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。經(jīng)過多年的努力，我國在熔煉技術(shù)、涂層技術(shù)、電子束熔煉技術(shù)和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)等方面取得了長足的進(jìn)步。憑借這些技術(shù)，我國在北京建立了十多家3D印刷機(jī)生產(chǎn)和服務(wù)公司，如龍?jiān)?、時(shí)代天使和小林，負(fù)責(zé)全球3D印刷機(jī)生產(chǎn)和服務(wù)公司的總銷售。但是，我國3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與發(fā)達(dá)國家相比仍有很大差距。

1．3 3D打印的材料

3D打印鈦合金除了在航空航天、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用外，還具有良好的生物相容性和耐腐蝕性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。是人工關(guān)節(jié)、骨創(chuàng)傷、脊柱外科內(nèi)固定系統(tǒng)、骨科手術(shù)器械等醫(yī)用材料的首選，3D打印鈦合金植入物可以適應(yīng)不同的個(gè)人需求。此外，本發(fā)明還具有運(yùn)動(dòng)器材獨(dú)特、密度低、強(qiáng)度高、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于自行車、網(wǎng)球俱樂部和高爾夫俱樂部。目前，塑料常用作聚碳酸酯（PC）、尼龍（PA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）等塑料。由于PC在某些方面的優(yōu)異性能，近年來也出現(xiàn)了3D打印材料。

與ABS樹脂相比，PC具有更高的機(jī)械強(qiáng)度、更高的阻燃性、更高的材料安全性以及更低的收縮和變形。因此，它在高強(qiáng)度要求產(chǎn)品的制造中得到了進(jìn)一步發(fā)展。PA在力學(xué)性能方面比前兩種塑料有更明顯的優(yōu)勢。PA66樹脂具有優(yōu)良的韌性、耐磨性、高熔點(diǎn)和難加工性。因此，添加PVA和其他改性材料，將PVA與PA分子鏈結(jié)合，形成覆蓋PA材料表面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以提高PA材料的抗彎曲性、分子黏度和聚集性。許多公司的研究人員已經(jīng)越來越多地開發(fā)出合適的塑料。無機(jī)非金屬材料（用于制造添加劑的無機(jī)非金屬材料）為污泥或粉末。陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、航空、醫(yī)療工程、建筑等領(lǐng)域。

1．4 3D打印的優(yōu)勢與缺陷

在產(chǎn)品的生產(chǎn)和加工過程中，使用了降低產(chǎn)品生產(chǎn)復(fù)雜性的加工工藝，如旋轉(zhuǎn)銑削和成型。3D打印將三維實(shí)體轉(zhuǎn)換為多個(gè)二維標(biāo)高，通過加工材料和重疊層，生產(chǎn)的復(fù)雜性大大降低。與提高材料利用率的傳統(tǒng)金屬加工相比，3D打印機(jī)在金屬加工中產(chǎn)生的副產(chǎn)品更少。隨著印刷品的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)可以成為一種更環(huán)保的加工方法。掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)改善了物理世界和數(shù)字世界之間的形態(tài)轉(zhuǎn)換解決方案。我們可以掃描、編輯、復(fù)制物理對象、創(chuàng)建正確的副本或優(yōu)化原始文件。3D產(chǎn)品的缺陷很難在批次中復(fù)制，3D在小型個(gè)人制作中是獨(dú)一無二的，但無法通過大規(guī)模制作實(shí)現(xiàn)。制造過程比較復(fù)雜，特別是對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，需要收集結(jié)構(gòu)信息并更換印刷設(shè)備。

先進(jìn)的3D打印材料可以在很多情況下使用，但傳統(tǒng)的材料、打印技術(shù)和制造技術(shù)沒有優(yōu)勢，需要更好的行業(yè)合作和支持。高成本和缺乏再現(xiàn)性也是成本增加的重要原因。實(shí)用性不強(qiáng)，對于某些產(chǎn)品，不能打印產(chǎn)品的所有功能。作為沖床，三維零件是完成不同制造工藝最常用的零件。3D打印創(chuàng)新的真正局限在于我們看待這些技術(shù)的方式：我們只將它們視為制造業(yè)的一個(gè)組成部分，但它們不是系統(tǒng)的。

2 3D打印的發(fā)展與對策

2．1 我國3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題

3D打印行業(yè)通常由上游、中游和下游區(qū)域組成。上游是印刷產(chǎn)品的研發(fā)和供應(yīng)，中游是印刷機(jī)械的生產(chǎn)和制造，發(fā)展重點(diǎn)是科技進(jìn)步。目前，我國3D打印印刷行業(yè)各環(huán)節(jié)的發(fā)展還存在一些問題。例如，在3D打印行業(yè)中，技術(shù)不完善、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定是主要的技術(shù)問題。例如，在現(xiàn)有的技術(shù)水平之后，打印10cm以上的娃娃需要7個(gè)多小時(shí)?，F(xiàn)有的3D打印技術(shù)只能用于定制和專業(yè)產(chǎn)品的小型生產(chǎn)，但不能像以前那樣形成大型生產(chǎn)線。此外，3D打印技術(shù)可以生產(chǎn)汽車、房屋、工藝品和零件，但不能滿足人們更高的需求。由金屬材料制成的印刷材料通常由受外部張力和溫度變形的非金屬材料組成。

表面粗糙，通常需要二次“美觀”，這在一定程度上降低了產(chǎn)品的精度。因此，3D打印技術(shù)無法滿足高精度產(chǎn)品的打印要求。印刷材料有許多限制。首先，我國3D打印材料主要限于石膏、樹脂、塑料等，因?yàn)椴煌拇蛴C(jī)必須匹配不同的打印材料，有限的打印機(jī)類型限制了可用打印材料的范圍。此外，不同的打印材料不能同時(shí)打印，這也會(huì)影響打印質(zhì)量。其次，盡管我國能夠滿足低端印刷產(chǎn)品的需求，但進(jìn)口原材料的成本一直很高，因?yàn)榇蠖鄶?shù)高質(zhì)量印刷產(chǎn)品依賴進(jìn)口。例如，需求量大的樹脂原料價(jià)格可達(dá)每公斤數(shù)千元，用于組織器官培養(yǎng)的生物材料價(jià)格可達(dá)每克100元左右。因此，有必要加強(qiáng)3D打印機(jī)的研發(fā)，以消除印刷材料的供應(yīng)范圍和價(jià)格限制。

截至2013年底，我國3D打印人才缺口已達(dá)1000萬人，制造業(yè)需要3億人，硅谷缺口為800萬人。作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要軟件開發(fā)、光電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、材料科學(xué)和專業(yè)技術(shù)的支撐，但我國3D打印人才的培養(yǎng)還很薄弱。在主要大學(xué)中，3D打印技術(shù)的相關(guān)領(lǐng)域很少。

為了促進(jìn)理論的擴(kuò)展和技術(shù)的發(fā)展，需要整合不同領(lǐng)域的平臺(tái)，健全知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制。隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，它可以輕松復(fù)制和推廣現(xiàn)有知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。3D打印是一種研磨技術(shù)。用戶必須使用現(xiàn)有產(chǎn)品的數(shù)字模型，印刷品的數(shù)字造型,是科技人員們聰明才智的結(jié)晶。而如何利用知識產(chǎn)權(quán)制度維護(hù)好這部分人的權(quán)益,是促進(jìn)他們技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵問題。但目前,對于我國相關(guān)群體的著作權(quán)保護(hù)問題,沒有具體結(jié)論。整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈還沒有形成。目前,雖然我國已發(fā)展了3D打印產(chǎn)業(yè),但還沒有建立專門從事軟件技術(shù)和新材料技術(shù)生產(chǎn)的3D打印企業(yè)。而且財(cái)務(wù)保障、獨(dú)立第三方認(rèn)證制度以及電子商務(wù)支持并不健全。如何推廣3D打印技術(shù)，創(chuàng)造新的3D打印概念，也是3D打印行業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中的一個(gè)問題。

2．2 發(fā)展我國3D打印產(chǎn)業(yè)的對策建議

加強(qiáng)基礎(chǔ)理論和技術(shù)的研究與開發(fā)。

（1）搭建高校、大學(xué)、科研院所之間的技術(shù)信息交流平臺(tái)，匯聚不同領(lǐng)域、不同學(xué)科的專家，參與3D打印技術(shù)的理論交流和討論。加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，如印刷材料的穩(wěn)定性、耐壓性和耐熱性的演化分析。

（2）加強(qiáng)對核技術(shù)的研究和開發(fā)。以免稅政策為主要內(nèi)容，進(jìn)口激光器、工業(yè)噴嘴和高精度光學(xué)設(shè)備，鼓勵(lì)企業(yè)通過進(jìn)口學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，始終堅(jiān)持自主創(chuàng)新。我們必須突破影響工業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

（3）我們正在加快開發(fā)新型印刷材料，通過質(zhì)量檢測不斷擴(kuò)大材料范圍，確保金屬和非金屬材料的市場需求，并不斷加強(qiáng)環(huán)保材料的開發(fā)。專業(yè)人才的培養(yǎng)和高等教育的推進(jìn)是人才培養(yǎng)的主要途徑。我國的大型大學(xué)已經(jīng)建立了專業(yè)的3D打印技術(shù)教學(xué)人員，鼓勵(lì)引進(jìn)優(yōu)秀的技術(shù)人才回國，以滿足市場需求。為了提高學(xué)生對3D打印技術(shù)的關(guān)注，相關(guān)部門定期在文化中心和科技博物館等公共機(jī)構(gòu)舉辦科技展覽。專注于3D打印產(chǎn)品。強(qiáng)化技術(shù)人員的觀念。印刷技術(shù)基于數(shù)字模型和打印機(jī)，數(shù)字模型可以在互聯(lián)網(wǎng)上輕松下載和購買，從而改善了知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制。為了保護(hù)數(shù)字模型設(shè)計(jì)師的利益，我們應(yīng)該首先使用付費(fèi)機(jī)制下載數(shù)字模型；其次，產(chǎn)品的生產(chǎn)過程必須通過與數(shù)字模型對應(yīng)的印刷設(shè)備進(jìn)行識別和鏈接，管理模型下載，有效保護(hù)模型設(shè)計(jì)師的利益。最后，必須限制數(shù)字模型的下載。例如，應(yīng)該禁止下載對社會(huì)有害的數(shù)據(jù)模型。

為3D打印行業(yè)制定全面的發(fā)展計(jì)劃。作為一個(gè)新興行業(yè)，政府應(yīng)該制定一個(gè)全面的工業(yè)發(fā)展計(jì)劃，明確工業(yè)發(fā)展趨勢，并加強(qiáng)政策指導(dǎo)。結(jié)合其他產(chǎn)業(yè)鏈的實(shí)驗(yàn)方法，創(chuàng)建產(chǎn)業(yè)合作，提升3D印刷產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)3D和民族產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3 結(jié)語

近年來，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，領(lǐng)域也逐漸拓寬。但是,目前3D打印材料的供給狀況并不樂觀,這也制約著我國3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)極少的企業(yè)可以通過進(jìn)口生產(chǎn)3D打印材料,尤其是高價(jià)金屬材料。這將造成3D打印產(chǎn)品的高昂生產(chǎn)成本,并將影響其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度。國家為此已經(jīng)出臺(tái)了3D打印材料的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并加大了對3D打印材料研制與產(chǎn)業(yè)化的科技與資金扶持，從而提升了3D打印材料的品質(zhì),進(jìn)一步推動(dòng)了我國3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。3D打印技術(shù)的進(jìn)步,使我國電子工業(yè)發(fā)展實(shí)現(xiàn)了跨越。我國將由工業(yè)強(qiáng)國逐步轉(zhuǎn)型為能源制造強(qiáng)國，積極適應(yīng)當(dāng)前3D打印材料品質(zhì),全面發(fā)掘新能源的利用效益,積極開發(fā)新材料,追求價(jià)格低、兼容性好、實(shí)用性強(qiáng)的3D打印材料。