‧ 3D 列印將如何「引爆」智慧製造產業鏈？

來源：人民郵電報作者：王曉玲

近年來，隨著3D列印人體器官、3D列印個性服裝等創意的公開報導，3D列印技術開始進入公眾視野。

從技術原理來講，3D列印屬於增材製造技術，它以三維數位模型為基礎，通過一層又一層堆疊材料的方式來構造物體。在構建一個物品時，傳統製造工藝通常採用切削、鑽孔等“減材”方式，去除多餘的材料，而3D列印則採用完全相反的理念，在電腦軟體控制下，將材料逐層疊加起來，從無到有地構建物品。

3D列印不僅僅是炫酷的前沿科技，更是有望革新製造業的「潛力股」。

製造業的全流程都可以引入3D列印，起到節約成本、加快進度、減少材料浪費等效果。在設計環節，借助3D列印技術，設計師能夠獲得更大的自由度和創意空間，可以專注於產品形態創意和功能創新，而不必考慮形狀複雜度的影響，因為3D列印幾乎可以完成任何形狀的物品構建。

在生產環節，3D列印可以直接從數位化模型生成零組件，不需要專門的模具製作等工序，既節約了成本，又能加快產品上市。此外，傳統製造製程在鑄造、拋光和組裝部件的過程中，通常會產生廢料，而相同部件使用3D列印則可以一次性成形，基本不會產生廢料。

在分銷環節，3D列印可能會挑戰現有的物流分銷網路。未來，零組件不再需要從原廠家採購和運輸，而是從製造商的線上資料庫中下載3D列印模型檔，然後在本地快速列印出來，由此可能導致遍佈全球的零部件倉儲與配送體系失去存在的意義。

7 Shocking 3D Printed Things

原型製作應用較多

3D列印不是一種技術，而是一系列快速成型技術的統稱。按照基本原理的差異，3D列印技術可劃分為七大類：材料擠出、材料噴射、片層壓和容器內光聚合、直接能量沉積、粉末床熔合、黏結劑噴射。每個大類又可細分為不同的製程。總體來看，每種製程各有所長，適用於不同的場景。

目前，3D列印應用較多的場景是原型製作。不同行業領域的原型製作，又對3D列印的材料、製程和性能有獨特要求。在醫學模型製作場景下，通常對模型的表面品質和精度要求較高，但不要求耐用性和長久保存，因此，一般選用容器內光聚合技術，使用液態光敏樹脂等材料，列印超高精度的齒科牙模、醫學模型等。

在汽車、電子等行業的測試模型製作中，由於對成型速度要求較高，可以使用黏結劑噴射技術，該技術的缺點是列印精度不高，並且成型部件強度偏低。在消費品領域，需要製作創意玩具、家裝用品模型時，通常使用材料擠出的製程，其列印設備和材料成本較低，操作也更加簡單。

直接零組件製造場景下，通常對強度、硬度等機械性能有較高的要求，因此一般選擇直接能量沉積和粉末床熔合等，可以使用金屬材料的製程。其中，直接能量沉積技術可使用鈦、不銹鋼等作為原料，利用雷射和電子束等熱源，構造高性能的金屬部件，能夠直接製造航空航太等高端工程領域的複雜零組件。粉末床熔合技術也可以使用金屬材料直接製造零部件，但是，其成型尺寸受限於粉末床的大小，難以構造大型部件。

暫時局限於小規模市場

3D列印技術已誕生30餘年，但是，由於技術成熟度等因素的影響，其應用一直局限於產品設計和模型製造等小規模市場。未來，3D列印要拓展應用領域，最根本的是要解決列印精度、緻密度、速度和列印成本等方面的問題。因此，業界主體各顯神通，針對這些問題開展技術攻關，助力3D列印技術規模化應用。

通過改善加熱源提高列印精度。在雷射加熱源中，超短脈衝鐳射的光束作用範圍更加集中，能夠顯著提高加工精度。德國TETRA公司基於雙光子聚合工藝，推出納米級3D印表機，使用超短脈衝鐳射來固化液體光敏材料。TETRA公司所使用的鐳射，波長780nm，脈衝持續時間少於120fs，由此保障固化區域的直徑最低小於100納米，從而實現極高的列印精度。

通過改善材料等措施提高列印緻密度。3D印表機製造商ExOne公司推出一種新型3D列印材料——Inconel合金625。該材料的緻密度超過99%，可使用黏結劑噴射技術列印高緻密度金屬材料，用於航空航太等領域。維吉尼亞理工學院正在開發一種新型的金屬3D列印工藝，該工藝基於黏結劑噴射原理，使用銅粉末來列印零部件。研發團隊通過向黏結劑中添加納米粒子，來填補燒結過程中產生的空隙，增加零部件的緻密度。

改良噴嘴技術以提高3D列印的加工速度。日本東芝利用專有的流體模擬技術開發出一種全新噴嘴，這種噴嘴僅在一個極小的區域內施加粉末材料，使得鐳射能夠精確覆蓋微小的區域，進而大幅縮短鐳射金屬沉積的時間，列印速度可達110cc/小時。法國BeAM公司研發出一種直接能量沉積技術，使用獨特的噴嘴系統，能夠在高能鐳射啟動的同時噴射出金屬粉末流，該項技術將列印速度提高到300cc/小時。

從列印設備和材料方面降低3D列印成本。美國北卡羅來納州立大學研發出一種新型光刻技術，不再依賴於專業的鏡頭、電子束等昂貴裝置，而是使用奈米微球來塑造光線模型，因而極大降低了成本。