目前,國際范圍內3D打印雖然在工業領域得到一定應用,但整體技術并沒有成熟,現階段三大3D打印成型技術是支撐行業發展的主要動力。
3D打印理論上的打印能力不斷吸引著人們的眼球,它在民用模型、醫療、工業等方面的應用前景非常可觀,科學家已經通過3D打印制造了迷你肝臟。
現階段3D打印一般應用于工程類制造與民用發展,如國防軍工、航空航天等高端制造的重要零部件等,或者工程制造的小批量或者單件產品生產。隨著3D打印技術的不斷發展成熟,其成本也得到有效控制,成本的降低則意味著受眾的擴大,其市場的進一步擴大。我國多地政府已經開始重視到3D打印工業發展,并積極推進。
《時代》周刊將3D打印產業列為“美國十大增長最快的工業”。據WohlersAssociates預測,2015年將達到37億美元,并預計到2020年達到52億美元。隨著技術成果的推廣和應用,3D打
印技術產業的發展呈現出快速增長勢頭
從行業分布來看,用于消費電子領域的打印技術仍然占主導地位,大約占20.3%的市場份額,其他主要領域依次是汽車(19.5%)、醫療和醫科(15.1%)、工業及商用機器(10.8%);從區域分布來看,北美地區(40.2%)、歐洲(29.1%)、亞洲(26.3%)三大區域占主導地位,其中亞洲地區主要集中于日本(38.7%)及中國(32.9%)。
三大技術類型支撐產業發展
根據所用材料及生成片層方式的區別,產業不斷拓展出新的3D打印技術路徑和實現方法。可大致歸納為擠出成型、粒狀物料成型、光聚合成型三大技術類型,每種類型又包括一種或多種技術路徑。
一是擠出成型。主要以熔融沉積成型(FDM)技術實現,與其他的3D打印技術相比,FDM是唯一使用工業級熱塑料作為成型材料的積層制造方法,打印出的物件可耐受高熱、耐受腐蝕性化學物質、抗菌和抗強烈的機械應力,被用于制造概念模型、功能原型,甚至直接制造零部件和生產工具。FDM技術被Stratasys公司、惠普公司作為核心技術所采用。2012年由Stratasys公司發布的超大型快速成型系統Fortus900mc,代表了當今FDM技術的最高成型精度、成型尺寸和產能,可被用于打印真正的產品級零部件。
二是粒狀物料成型。主要分為兩類,一類是有選擇的在顆粒層中融化打印材料,而未融化的材料則被生成物件的支撐或薄壁以減少對其他支撐材料的需求。主要包括:3DSystem公司的sPro系列3D打印機采用的選擇性激光燒結(SLS)技術,德國EOS公司采用的可打印幾乎所有合金材質的直接金屬激光燒結(DMLS)技術,瑞典ARCAM公司采用的通過高真空環境下電子束將融化的金屬粉末層層疊加的電子束熔煉(EBM)積層制造技術。
另一類是3DSystem公司的ZPrinter系列3D打印機所采用的噴頭式粉末成型打印技術。該系列打印機在噴每一層石膏或樹脂粉末的同時,都會通過橫截面進行粘合,并重復該過程,直到打印完每一層。該技術允許打印全色彩原型和彈性部件,將蠟狀物、熱固性樹脂和塑料加入粉末一起打印還可以增加強度。
三是光聚合成型。其實現途徑較多,其一是由美國3DSystem公司開發的用于生產固體部件的光固化成型(SLA)技術。該技術具有成型過程自動化程度高、制作原型表面質量好、尺寸精度高等特點,但對液態光敏聚合物進行操作的SLA精密設備同時也要求苛刻的工作環境,且成型件多為樹脂類,強度、剛度、耐熱性有限,不利于長時間保存。
其二是Objet公司的PolyJet噴頭打印機技術,噴射16-30μm超薄光敏聚合物材料層到構建托盤上直至部件制作完成。該技術通常被用來設計支撐復雜幾何形狀的凝膠體材料,通過手剝和水洗即可去除。
其三是德國EnvisionTec公司的Ultra3D打印數字光處理(DLP)快速成型系統。該系統能夠構建組合型的3D部件,并使用高分辨率的數字光處理器投影儀來固化液態光聚合物,從而快速精準的完成模型的制造。
未來產業技術發展趨勢日益明顯
隨著,3D打印應用的逐步推廣,部份技術局限性也不斷在應用體現,為更好的發展,當前產業技術領域正朝著以下方向發展:
一是規范性標準成為3D打印材料選取的基本保障。目前已有大量材料或混合物應用于3D打印技術,但如何更好地理解每種材料的加工—結構—屬性之間的關系,并發揮好它們的特性仍需大量的研究工作。此外,開發質量測試的程序和方法以幫助擴展可用材料的種類也十分重要。在3D打印技術完全過渡到可提供切實可行的制造解決方案之前,需要整合研究機構和材料制造商等多方力量來為材料提供力學性能數據的規范性標準。
二是科學化的把控機制成為實現工藝流程的關鍵環節。為提高機器之間的連貫性、重復性和統一性,需要有內部過程監控和閉環反饋的方法。應認真審查原位傳感器,以此來提供無損性評估,并使之能夠進行早期缺陷檢測,特別是與熱能控制有關的缺陷檢測,較好的流程控制也將減少設備的故障時間。此外,要了解和預測材料性能(如表面粗糙度和疲勞性能),就需要創建預測性模型,對零部件在設計過程中的功能特性進行預估,并調整設計以達到預期結果。
三是開放性與易操作是設計工具的重要評價標準。3D打印需要廣泛運用計算機輔助設計工具。對于直接零部件制造,需要新工具來優化形狀和材料性能,同時設計復雜的點陣結構,以最大化地減少材料使用和重量。
此外,2010年全球3D打印設備市場規模達13.25億美元,其中服務收入6.51億美元,預計到2015年全球市場規模將超過30億美元。美國政府將人工智能、3D打印、機器人作為重振美國制造業的三大支柱,其中3D打印是第一個得到政府扶持的產業。目前全球有兩家3D打印機制造巨頭,分別Stratasys和3DSystems,均在美國納斯達克上市,2011年營業收入分別為1.7億美元和2.9億美元,2012年股價分別翻了2倍和3倍。