CNN Explains: 3-D printing

來源： 3D打印智造網

3D列印與增材製造(AM)是兩個可互換使用的術語。目前，3D列印行業發展態勢良好，世界各地的相關組織(包括許多國家的政府)正投入大量資源，用於3D列印技術的開發與應用。許多新的公司和部門，正以該行業過去未曾見過的方式開發3D列印產品和服務。

新型的3D 列印機和列印材料正以驚人的速度不斷湧現。新的應用和進展表明，今後，3D 列印將從過去，主要用於原型製造，演變為用於規模化生產。這一前景正激勵著全世界無數組織去探索，如何才能成為這一高速成長和激動人心的行業的組成部分。

投資狀況

全球許多組織都在投資3D列印行業，有的投資額還相當大。例如，美國2015年初宣佈，將投資2.59億美元創建「先進複合材料製造創新研究所」。這是一個旨在將田納西州東部開發為3D 列印中心的公私合作項目。美國能源部承諾注資7,000萬美元，其餘資金來自122家企業和大學組成的財團。

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2015年9月，美鋁集團宣佈斥資6,000萬美元，擴建一個研發中心，其中包括對3D列印方法和材料的開發。2015年10月，美國紐約州表示會投資1.25億美元建造3D列印設施，並將其作為公私合作項目投入營運，挪威的Norsk Titanium公司是其主要合作夥伴。

2016年1月，全球最大的骨科及醫療器械企業Stryker公司宣佈，斥資近4億美元建造，用於生產鈦金屬骨科植入物的3D列印設備。2016年2月，西門子公司宣佈投資2,140萬歐元在瑞典設立金屬3D列印設施。

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同月，總部位於英國的材料開發商，Metalysis公司獲得了2,000萬英鎊(約合2,840萬美元)的投資，用於推動3D列印用金屬粉末(如鈦、鉭和定制合金)的開發和商業化應用。

2016年第一季，通用電氣(GE)斥資3,200萬美元，在美國賓夕法尼亞州匹茲堡開設了一家佔地1.16萬平米、名為「增材製造技術進步中心」的研發中心，該中心將作為GE許多業務部門的測試基地。

2015年12月，GE航空集團宣佈，在LEAP航空發動機上開始採用3D列印技術生產安裝燃油噴嘴，該發動機於2016年開始投入使用。

據美國國家增材製造創新研究所(America Makes)所長Ed Morris介紹，截至2016年2月，全美已有163個組織成為該機構成員。而在一年前，其成員還只有120個。

這一專注於增材製造(AM)技術的公私協作機構，在AM研發項目上的投資超過8,700萬美元，有150個合作夥伴參與其中。2016年3月，一個由該所牽頭的項目，又增加了大約1,000萬美元的投資。

新企業和新機型

數量驚人的企業正蜂擁進入3D列印行業。2015年10月在美國加州聖克拉拉市舉辦的「Inside 3D Printing」展會上，至少有25家新入行企業，展示了3D列印產品和/或服務。

全球有許多企業，都在提供工業級3D列印系統(售價在5,000美元以上)，儘管其中只有少數企業參加了該次展會。根據《Wohlers報告(2016)》的研究，2015年，世界各地有62家製造商生產和銷售工業級3D列印系統，而前一年這一數字，僅為49家。

圖1 理光AM S5500P 雷射燒結機　
　

圖2 AdditiveIndustries公司的MetalFAB1 Beta系統

理光(Ricoh)公司與日本Aspect公司，合作開發了AM S5500P 雷射燒結(LS)機(見圖1)，並實現了商業化應用。該產品的列印空間為550mm×550mm×500mm，售價為7,500萬日元(約合65．8萬美元)。

2015年9月，中國Farsoon公司與法國Prodways公司合作，在AM市場上，推出了新型粉末熱床熔融列印機。2016年初，Prodways公司又推出了稱為「Prodways powered by Farsoon」的系列3D列印系統——ProMaker P系列。Prodways公司還銷售Farsoon公司的熱塑性粉末材料。

其他各種雷射燒結(LS)3D列印機，在市場上也層出不窮，瑞士Sintratec公司2016年推出其S1雷射燒結機，該產品構建零件的列印空間為150mm×150mm×200mm，售價約為9,000歐元。波蘭Sinterit公司也推出Lisa雷射燒結機，尺寸規格與Sintratec的產品類似，售價約為7,000歐元。

同時，韓國的數控機床企業Sentrol公司，推出一款售價約為30萬美元的大型激光燒結機，該機能夠列印生產各種塑料、金屬和型砂(用於鑄造模具和型晶)零件。

其他大型3D列印設備，也在不斷開發和上市。2016年3月23日，荷蘭的Additive Industries公司宣佈，其推出不到三個月的MetalFAB1Beta系統(見圖2)已經售罄。

該系統的列印空間為420mm×420mm×400mm，最多可配置11個模組，並配備了自動化操作的列印平台板、多餘粉末去除裝置和兩個列印室。該產品的基本價格為110萬歐元，其客戶包括空客APWorks、聯合磨削集團和荷蘭食品科技企業Dutch Kaak集團。

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以色列Massivit3D公司提供的3D列印系統，能生產尺寸達1.2m×1.5m×1.8m的大型零件。由於該系統的分辨率相對較低，因此不適合許多對零件精度，要求較高的AM市場，但它可能對主題公園、電影、戲劇表演道具、大型雕塑、行銷/廣告(可能還包括傢具)的製作人具有吸引力。

幾種生產光聚合物零件的快速3D列印機，正在實現商業化應用。在過去一年中，該領域最受關注的企業是美國Carbon公司。該公司基於其連續液相介面生產(CLIP)技術，推出了一種新機型，據說比其他3D列印機的列印速度快100倍。

同時，韓國Carima公司也發佈了，其連續增材3D列印技術(C-CAT)，這種具有替代性的光聚合物生產程序，能以高達60cm/h的速度(在垂直方向上)列印零件，比Carbon公司CLIP的列印速度快4倍。

其他正在開發快速光聚合物，3D列印技術的企業，還包括加拿大的New Pro 3D公司、義大利的Nexa 3D公司，和澳大利亞的Gizmo公司。這三家公司都宣稱其各自採用的生產技術，具有很高的列印速度。

還有更多新型3D列印機即將面世。三家知名企業正準備推出各自的新產品，惠普(HP)公司在2016年底推出，基於其多噴頭熔融(Multi Jet Fusion)技術的新產品，它生產的熱塑性零件與用雷射燒結(LS)技術生產的零件類似，但列印速度是LS的10倍。該公司還計劃開發可生產多種顏色，和具有特殊物理性能(如導電性)零件的3D列印機。

佳能(Canon)公司計劃在2017年，將一種3D列印產品商業化，但尚未公佈該機的具體技術，預計用於列印聚酰胺、聚丙烯和其它熱塑性材料。

美泰(Mattel)公司2016年下半年，推出其基於材料擠出的新型ThingMaker 3D列印機，該產品售價為299美元，目標用戶是孩子。

早在半個世紀以前(1964年)，該公司就開始銷售益智玩具「爬蟲Thing Maker」，它利用小型金屬模具和稱為「Plastigoop」的液態塑性材料，製作各種類似橡膠的爬蟲和昆蟲。

圖3 Mattel公司計劃推出基於材料擠出的新型ThingMaker

新材料

生產材料(尤其是金屬材料)的第三方企業也在快速湧入3D列印行業。其中，推出3D列印金屬材料的企業主要有Equispheres(加拿大)、Carpenter技術公司(美國)、FalconTech(中國)、H．C．Starck(德國)、Höganäs(瑞典)、LPW技術(英國)、大阪鈦技術(日本)、Praxair表面技術(美國)和Sandvik材料技術(瑞典)。據Wohlers協會統計，共有34家公司提供用於3D列印的金屬材料。

儘管與3D列印金屬相比，3D列印聚合物的歷史要長大約15年，但很少有第三方企業，提供用於工業3D列印的聚合物材料。這是因為一些AM系統的主要生產商，鎖定了自己的3D列印機，防止使用其他列印材料。一些關鍵專利到期後，具有開放系統架構的新型3D列印機的開發，使為這些機器提供聚合物的企業，數量不斷增加。

為工業3D列印系統提供聚合物材料的第三方公司，主要有Arkema(法國)、DSM Somos(美國)、Evonik(德國)、Farsoon(中國)和Rhodia(法國)。據估計，現在共有23家公司提供用於工業3D列印系統的聚合物材料，而幾年前這種公司只有很少幾家。

新興應用

應用3D列印技術製造模型，和原型零組件已非常成熟。該行業對此類重要應用的技術，和加工流程的開發和完善，已有28年的歷史。下一個技術前沿和巨大機慧，是用3D列印來製造滿足規模生產品質的最終零組件，而這正是最近一段時期，該行業的關注焦點和投資重點。

3D Bio-Printing; Becoming Economically Feasible

以色列Nano Dimension公司，生產的3D列印機可用於製造印刷電路板(PCB)。2016年1月，該公司在德州達拉斯舉辦的Solid Works World 2016展覽上，展出了樣機和列印的PCB樣品(見圖4)。這種雙列印頭3D列印機，採用材料噴塗技術，來沈積作為基材的光聚合物，並用銀奈米顆粒油墨作為導電跡線。

列印頭將銀沈積在厚度為2μm的層中。列印一塊尺寸為38mm×38mm的電路板大約需要75min，因此該公司目前主要針對原型製造和小批量應用。該機利用光來實現光聚合物的完全固化，和銀的燒結。

圖4 Nano Dimension公司 3D 列印的電路板　　

2015年初的報導顯示，總部位於上海的WinSun公司實現了3D列印多層建築物。過去已經發表過不少3D列印整幢房屋的文章，但其中大多數被認為並不可信。不過，WinSun的報導包括了許多詳細的圖片，表明其很有可能是真實的。

仔細檢查後發現，只有牆體部分是3D列印並現場製作，然後在建築結構位置進行組裝。地板、天花板、屋頂、樓梯、廚房和浴室固定裝置，則是用常規材料和方法構建的。同樣，管道、電氣和採暖通風空調(HVAC)設施，以及隔熱層、窗戶、門、外部覆蓋物(如壁板、磚和灰泥)和內部覆蓋物(如灰板/石膏板)也是如此。

在這一特定案例中，很難得出採用3D列印技術構建房屋，可以節省時間或金錢的結論。考慮到一台體積龐大、價格不菲、便攜性差的3D列印機所增加的成本，這些3D列印牆體可能比常規牆體更昂貴、更耗時。採用3D列印可能有利於行銷宣傳和搏人目光，但其作用僅此而已，至少目前還是如此。

FDM現象

自21世紀初以來，熔融沈積成型(FDM)(ASTM和ISO標準更正式的術語是材料擠出)，是全球最流行的3D列印技術。據《Wohlers報告(2004)》的研究， Stratasys公司2003年銷售的FDM列印機數量，幾乎與所有其他3D列印機一樣多；2006年，Stratasys公司銷售的FDM列印機(1723台)，佔到全部3D列印機銷售量的54.7％。

What is FDM 3D Printing? | KuL 3D

雖然當時還很少有人意識到，但2007年成為了FDM技術的轉捩點。當年，一個專注於FDM技術的開源項目——RepRap開始獲得有力的推動。

這與由Stratasys持有的FDM關鍵性，基礎專利的到期時間，正好吻合。2007年共售出66台低成本(售價在5,000美元以下)的仿制FDM列印機，而根據《Wohlers報告(2016)》的研究，到2015年，估計此類產品的銷售量，已成長到278,385台。2015年銷售的工業級3D列印機(售價在5,000美元以上)為12,558台。

自從Stratasys公司，在1991年售出第一台FDM列印機以來，情況已經發生了很大變化。很少有人預見到了過期專利和開源RepRap項目的巨大影響。雖然有如此多的企業，試圖圍繞FDM建立自己的業務，但尚不清楚最終有多少企業，能存活下來。

雖然家庭中的普通消費，者很少使用這些低成本3D列印機，但各種規模的企業，將其用於基本建模和原型製造的需求，正在推動其發展。此外，各個層級的教育機構，也在大量購買這些3D列印機。