隨著（zhe）3D 打印技術（shù）的不（bú）斷進步和成熟，它在航空航天、生物醫藥、建（jiàn）築等領域的應用逐步拓寬，其方（fāng）便快（kuài）捷、能夠（gòu）提高（gāo）材料利用率等優勢不（bú）斷顯現，與傳統製造的結合也更加緊密，不斷（duàn）推動傳（chuán）統製造業的轉（zhuǎn）型升級。目前，我國的3D 打印技術在某些領域處於世界（jiè）領先水平，但在產業化應（yīng）用方麵與（yǔ）國外的差距較大，除了產學研用相脫節等問題，上遊原材料製約也是阻礙3D打印（yìn）產業化發展的重要原（yuán）因。 

 

一、3D 打印材料的應用現狀 

1.發達國家高度重視3D打印材料的研發應用 

　　金融危機使美國、歐盟（méng）等發達國家和地（dì）區強烈意識到了製造業空（kōng）心化在（zài）麵對經濟波動時的脆弱（ruò）性，它們紛紛（fēn）實行再工業化戰略，將3D 打印（yìn）、新一代信息技術（shù）等（děng）作為發展重（chóng）點。美國總統奧（ào）巴馬宣布，要投入5 億美元用於3D 打印產業以確保美國先進（jìn）製造業發展；歐盟在諾丁（dīng）漢大（dà）學、謝菲爾德（dé）大學等（děng）成立（lì）3D 打印（yìn）中心並給予基金支持，以推動3D 打印技術的產業化。同時（shí），發達國家也意識到（dào）了材料在發展3D 打印（yìn）產業過程（chéng）中的重要性，美國（guó）專門出（chū）台了《材料基因組計劃》以（yǐ）適應3D 打印技術對材料的要求，成立關鍵材料創新中（zhōng）心、國家增材（cái）製造（zào）創新研究所來推（tuī）動材料與3D 打印技術的融合發展。 

 

2.種類有（yǒu）增多趨勢，應用領域逐步拓寬（kuān） 

　　隨著3D 打印需求的日益增加，可用的材料種類逐漸增多，從最初的樹脂、塑料拓展到金屬、陶瓷等。目前，可供（gòng）3D 打印使用的材料主要有3大類：一類是金（jīn）屬材（cái）料，如鈦合（hé）金、銅鋁合金、鎳鉻合金等（děng），應用於航空航天、醫藥等高端領（lǐng）域；一類是高分子材料，如ABS 、PLA、PC、尼龍粉、石膏粉、光敏樹脂、PVC 等；還有一類是無機非金屬，如陶瓷。3D 打印材料種類的增加直接帶（dài）動了下遊應用領域的拓（tuò）展，如鈦合金和不鏽鋼材料（liào）在3D 打印領域的使用，促（cù）使（shǐ）波音公司嚐（cháng）試使用3D 打印技術來生產飛機機翼，而我國也已經能夠使用3D 技術生產飛機鈦（tài）合（hé）金鑄件（jiàn）。 

 

3.需求不斷增加，市場價值日益凸顯 

　　隨著3D 打印技術的成熟和市場開拓力度的加大，3D 打印的需（xū）求不斷（duàn）增加，市（shì）場價值逐漸提升。從（cóng）品種來看，金屬和（hé）塑料的需求較高，如2012 年（nián）塑料材料市場需求達到7000 萬（wàn）美元。有專家估算，到2018 年（nián），來自金屬和塑料（liào）材料的市場需（xū）求將達到4 億美元，其中塑料市場需求規模（mó）將（jiāng）達到2 億美元；2013-2018 年，塑料（liào）市場需求將保持20% 左右（yòu）的（de）增長。從應用領域來看（kàn），醫療和牙科領域市場需求較高， 其次是珠寶首飾、建（jiàn）築、航空航天、汽車等領域。從區域分布來看，美（měi）國、日本、中國、英國、德國對3D 打印材料的需求較大，2012 年北（běi）美和亞太地區3D 打印材料銷售收入占全球（qiú）的68% 。其中，北美地區（qū）市場收入最高，其次是亞太地區。預計，未來隨著3D 打印在亞（yà）太地區的推廣，亞洲有望成（chéng）為3D 打印材料需求增長最快的地區。

 

二、材料對3D 打印產業發展的製約

1.材料性（xìng）能（néng）達（dá）不到要求，影響3D 打印（yìn）的推廣

　　區別於傳統材料，3D 打印技術對材（cái）料的性能和適用性提出了更高要求，最（zuì）基本的（de）要求是材料必須可以液化（huà）、絲化、粉末化，在程序控製下打印後（hòu）還要能（néng）重（chóng）新結合起來。除此之外，3D 打印材料還必須性能穩定，滿足3D 打印連續生（shēng）產的（de）需要；功能豐富（fù），具有導電、水溶、耐磨等特性（xìng）；綠色環保，對人體安全且對環境友好。但在現階段，3D 打印材料的成熟度不夠，材料精度、強（qiáng）度也不（bú）夠，一時還無法實現流暢打印的效果，而（ér）且材料的（de）安全性也無法保證。 

 

2.可用材料種類偏少，難以滿足3D 打印需求

　　目前，無論是從家用還是工業用的（de）角度（dù）來看，與（yǔ）種類繁多、用途廣泛的傳統材料相比，3D 打印材料的（de）種類都比較少，無（wú）法滿足普通民眾和工業生產的需求。比如，適（shì）用於家用3D 打印的（de）材料主要有石（shí）膏、光敏樹脂、塑料等；適用於工業用3D 打印的金屬材（cái）料有10 多種（zhǒng），並且隻有專用的金（jīn）屬粉末材料才能（néng）滿足工（gōng）業生產要求。即使是掌握打印材（cái）料最多的以色列Object 公司，也僅能在14 種基本材料基礎上組合（hé）出（chū）107 種材料，這與工業和民用領域（yù）成千上（shàng）萬種材料需求相比還遠遠不（bú）夠。 

 

3.材料成本較高，限製（zhì）了應（yīng）用領域

　　盡管（guǎn）3D 打印減少了切削、成型等方麵的（de）製造成（chéng）本，卻增加了材料、軟件、設計等（děng）環節的（de）成本，其中對（duì）材（cái）料成（chéng）本的影響較大。由於適用於3D 打印技術（shù）的材料有限，並且現階段的3D 打印更多（duō）是為了滿足（zú）個性化生產需求，材料的專用性較強，無法實現規模化生產，這也致使3D 打印材料成本居高不下。比如，2013 年7 月（yuè）由美國北卡羅來納州立大學研究（jiū）出來（lái）的可用於液（yè）態打印的（de）金屬材料價格大約是塑料的100 倍，要想（xiǎng）通過該材料來實現生（shēng）產柔性金屬設備，如何降低材料成本就成為關鍵。較高的材料成本也限製了（le）3D 打印（yìn）的應用，特別是在民用領域的（de）應用，比如一台（tái）民用3D 打印機的價格在2萬元左右，而材料的價格（gé）卻從（cóng）最便宜的每千克幾百（bǎi）元（yuán）到最貴的四萬元（yuán）左右不等。 

 

4.我國部分3D 打印材料依賴進口，限製了產業化應用

　　由於3D 打印技術還處於起步發展階段，產業規模偏小，所以國內專業從事3D 打印（yìn）材料生產的企業不（bú）多。同時，3D 打印材料也大多由3D 打印設（shè）備製造企業直接提供，沒有實現第三方供應，部分材料國內還沒有生產，或是生產的材料精度（dù）和強度都（dōu）較低，難以滿足實際應用需要，隻能進口。國內3D 打印材料技術（shù）研發基礎比較薄弱，光（guāng）麵樹脂就遇到研（yán）發時間長、材料配（pèi）比技術難掌握等研發難題，不得不從國外進口實（shí）驗材（cái）料。有（yǒu）關3D 打印用粉末材料的研究少，對粉末成份（fèn）、物理性能對3D 打印技術的影響及適應性（xìng）的研究還沒有廣泛開展，也限製了3D 打印技術的產業化（huà）應用。此外，國外（wài）對（duì）部分3D 打印材料采取搭售策略，如在（zài）銷售3D 打印設備時搭售價格較高的金屬粉末材料，限製了我國3D 打印材料生產企業的（de）發展，致使對外依賴性較高。 

 

三、我國發（fā）展3D 打印材料的對策（cè）建議 

　　材料（liào）是3D 打印發展的基礎， 3D 打印技術和裝備的成熟也會促進材料（liào）性能的開發（fā）和完善（shàn），拓展材料品種和應用。目前，我國部分3D 打印技術和裝備已經處於世界先進水平，但在材料研發和應用方麵與先進（jìn）國家相比還存在較（jiào）大差距，因此打破材料（liào）對3D 打印發展的（de）製約非常關鍵。 

 

1.加強3D 打印（yìn）材料標準和政策的研究製（zhì）定

　　一是加強材（cái）料（liào）—結構—屬性之間的關係研究，提高（gāo）3D 打印材料性能（néng）以滿足生產需要；利用研究機構、材料生產企業等多方力（lì）量，鼓勵他們提供有關3D 打印材料（liào）性能的相關數據，加強3D 打印材料標準戰略和（hé）預先研究（jiū），加快3D 打印材料規範性標準的（de）製定和修訂（dìng），同步開（kāi）展3D 打印產業上（shàng）下（xià）遊各環節、各（gè）類產品標（biāo）準的製定，最終形成3D 打印產業領域標準全麵覆蓋的局麵。二是建（jiàn）立並完善3D 打印材料技術（shù）標準（zhǔn）體係，提升標準（zhǔn）技術水平，完善（shàn）標準複審製度，實現3D 打印材料行業標準複審的製（zhì）度化和常態化（huà）；開（kāi）發3D 打印（yìn）材料質量測試（shì）程序和方法，建立行業統一的質量標準體係，保證材（cái）料（liào）的穩（wěn）定性和可靠性。三（sān）是加強3D 打印材料相關政策的研究，適時出台推動3D 打印材料發展的產業、財政、金融政策，為3D 打（dǎ）印材料發展創造良好的政策環境。

 

2.加大3D 打印材料研發和人才培養力度

　　一（yī）是加大3D 打印材料（liào）的研發投入，借助3D 打印市場規（guī）模擴大趨勢，發揮企業市場主體（tǐ）的作用，提高企業研發積極性。要鼓勵傳統材料（liào）生產企業參與3D 打印材（cái）料的研發和生產（chǎn），逐步增加研發投入，擴（kuò）大生產規模。二是發揮科研機構、高校的科研優（yōu）勢，加強與企業（yè）的交流合作，通過（guò）產學研合作，推動3D 打印材料科研成果的產業化（huà）應用。三是（shì）加強3D 打印材料人才的培養，一方麵，從3D 打印材料研發實力雄厚和市場應用較廣的美國、日本等國家（jiā）引入高端複合型人才，提高國內3D 打印材料研發（fā）應用的整體水平；另一（yī）方麵，通過自主培養方式，加強對科研院所、高校、企業專（zhuān）業型人才（cái）的培養與培訓，鼓勵材料研發人員之間加強交流，利用幹中學機會，加強產學研合作，提升我國3D 材料研發（fā）和應用水平。

 

3.推動3D 打印產業上下遊領域多方位合作 

　　鑒於3D 打（dǎ）印材料（liào）對生產設備和產品的高度依賴性和專用性，要通過加強上遊材料、3D 打（dǎ）印機設備，以及下遊產品等各個環（huán）節的交流合作，推動3D 打印逐步在某（mǒu）些領域實現規（guī）模化生產，進而（ér）帶動材料的規模化（huà）生產，降低材料成（chéng）本。一是鼓（gǔ）勵3D 打印（yìn）材料企業加強（qiáng）與3D 打印設備（bèi）生產商、下遊產品生產商的交流合作，以下遊需求為（wéi）導（dǎo）向，研發生產有市場前景的3D 打（dǎ）印材（cái）料（liào），二是鼓勵有優勢的材（cái）料生產企（qǐ）業向下遊拓展產業鏈，加強3D 打印設備（bèi）或（huò）3D 打印製品的研發與生產（chǎn），積極搶占發展先機。通過上下遊合（hé）作，逐（zhú）步形成材料—製造—裝備—應用協同發展的全產業鏈發（fā）展模式，壯大3D 打（dǎ）印材料規模，逐步降低3D 打（dǎ）印材料成本，帶動3D 打印產業的整體發展。

 

4.提高（gāo）我國（guó）3D 打印材料的供給保障能（néng）力（lì）

　　一是加大“走出去”力度，積極到國外開拓3D 打印材料供給渠道，通過與美國、歐洲、日本等3D 打印材（cái）料發展較成（chéng）熟（shú）的國家（jiā）和（hé）地區交流合作，建立長期（qī）穩定的原材料供給機製，確保我國3D 打印材料的（de）供給穩定。二是發揮政府的引導調控功（gōng）能，通過給予稅收、金融等優惠政策，吸引更多的企業參與3D 打印材料（liào）的生產，扶植國內3D 打印材（cái）料企業的成長和壯大，逐步降（jiàng）低對關鍵材料的進（jìn）口依賴，提（tí）高國內3D 打印材料的自（zì）給率。

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全方位解（jiě）讀3D打印行業

 

 

一、3D打（dǎ）印簡介

 

3D打印技術從狹義上來說主要是指增（zēng）材成型技術，是快速成型技術的（de）一種綜合了數（shù）字建模技術、機電控製技術、信息技術、材料科學（xué）與化學等諸多領域的前沿技術被譽為“第三次工業革命”的核心技術。從成型工藝上看3D打印突破了傳統成型方法，無需先行製作（zuò）模具和機械加工，通過快（kuài）速自動成型硬件係統（tǒng）與CAD軟件模型結合就能夠（gòu）製造出各種形狀複雜的產品，這使得產品的（de）設計（jì）生產（chǎn）周期大大縮短，生產成本（běn）大幅下降。

 

3D打印目前的研究熱點主（zhǔ）要集中在材料和設備（bèi），其中設備分為硬件、軟件部分：

 

材料：包括樹（shù）脂、金屬、陶瓷、塑料或天然材料等（děng），通（tōng）過3D打（dǎ）印技術，這些材料最終將變成（chéng）實在的（de）功能產品。

 

設備（bèi）：硬（yìng）件係統將材料按照軟（ruǎn）件（設計數據和製作數據）的要求實現產品成型。

 

下麵將逐一分別介紹：

 

二、3D打印常用（yòng）材料

 

材料是3D打印的（de）物質基礎，也是當前製約3D打印發（fā）展的瓶頸。3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設備和（hé）工藝而研發的，其形態一般有粉末狀（zhuàng）、絲狀、層片（piàn）狀（zhuàng）、液體狀等。通常，根據打印設備的類型及操（cāo）作條件的不同，所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為（wéi）1～100μｍ不等，而為（wéi）了使粉末保持良（liáng）好的流（liú）動（dòng）性（xìng），一般要求（qiú）粉（fěn）末要具有高球形（xíng）度。

 

目前，3D打印材料主要包括工程塑（sù）料、光敏樹脂（zhī）、橡膠類材料、金屬材料和陶（táo）瓷材料等，除此（cǐ）之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細（xì）胞生物原料以及砂糖等食品（pǐn）材料也在3D打印領域得到了應用。

 

工程塑料指被用做工業零件或外殼材料（liào）的工業用塑料，是強（qiáng）度、耐衝擊性、耐熱性、硬（yìng）度及（jí）抗老化性均優的塑料。工程塑料是當前應用最廣泛的（de）一類3D打印材料，常見的有ABS類材料、PC類材（cái）料（liào）、尼龍類材料等。ABS材料是fused deposition modeling（FDM，熔（róng）融沉積造型）快速成型工藝常（cháng）用（yòng）的熱塑性工程塑料，具有（yǒu）強度高、韌性好、耐衝擊等優點。

 

光敏樹脂即UV樹脂，由（yóu）聚合物單體與預聚體（tǐ）組成，其（qí）中加有光（紫（zǐ）外光）引發劑（或稱為光敏劑）。在一定波長的紫外光（250０～300ｎｍ）照射下能立刻（kè）引起（qǐ）聚合（hé）反（fǎn）應完成固化。光敏樹脂一般為液態，可用於製作高強度、耐高溫、防水材（cái）料。目前（qián），研究光敏材料3D打印技術（shù）的主要有美（měi）國3Dsystem公司和以（yǐ）色列object公司。常見的光敏樹脂有somos NEXT材料、樹脂somos11122材料、somos19120材料和（hé）環氧樹脂。

 

橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特征，這些材料所（suǒ）具備的硬度、斷裂伸長率、抗撕裂強度和拉伸強度，使其非常適合於要求防滑或柔軟表麵的應用領域。3D打印（yìn）的橡膠類產品主要有消費類電子產品、醫療設備以及汽車內飾（shì）、輪胎、墊片等（děng）。

 

金屬材料：在國防領（lǐng）域，歐美發達國家非常重視3D打（dǎ）印技術的發展，不惜投入（rù）巨資加以研究，而3D打印金屬零（líng）部件一（yī）直是研究和應用的（de）重點。3D打印所使用的金屬粉末一般要求純淨度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應用於3D打印的金屬粉末（mò）材料主要有鈦（tài）合金、鈷鉻合（hé）金、不鏽鋼和鋁合金（jīn）材料等。

 

陶瓷材料具有高強（qiáng）度（dù）、高硬度、耐高溫、低密度、化學穩定性好、耐腐蝕等優異特性，在航空航天（tiān）、汽車、生物等行業有著廣泛（fàn）的應用。但由於陶瓷（cí）材料硬而脆（cuì）的特（tè）點使其成形尤其困難。

 

（1）3D打印用的陶瓷（cí）粉末是陶瓷粉末和某一（yī）種粘結劑（jì）粉末所（suǒ）組成（chéng）的混合（hé）物。陶瓷粉末和粘結劑（jì）粉末的配比會影響到陶（táo）瓷零部件的性能。粘結劑份量越多，固化比較容易（yì），但在後置處（chù）理過程中零件收縮比較大，會影響（xiǎng）零件的尺寸精度。粘結劑份量少，則不易固化成（chéng）形。

 

（2）由於光（guāng）敏樹脂的熔點較低，液態樹脂具有高粘（zhān）性而導致流動性（xìng）較差，在每層固化之後液麵很難在短（duǎn）時間（jiān）內迅速撫平，這（zhè）樣將會影響到實體的成型精度。

 

（3）瓷粉末在（zài）激光直（zhí）接快速燒結時液（yè）相表麵張力大，在（zài）快速（sù）凝固過程中會產生較大的熱應力（lì），從而形成較（jiào）多微裂紋。

 

目前（qián），國內陶瓷直（zhí）接快（kuài）速成形工藝尚未成熟（shú），正處於研究階（jiē）段。

 

三、3D打印設備技術

 

３Ｄ打印通常是采用（yòng）數字技術材（cái）料打印機來實現的。

 

1）信息技（jì）術（shù）先進的設計軟件（jiàn）及數字 化工具，輔助設計人員製作出產品的三維數字模型，並根據模型自動分析出（chū）打印的工序，自動控製打（dǎ）印器材的走向。

 

２）精密（mì）機械（xiè），３Ｄ打印技術以“每層的疊加”為加工方式，產品的生產要求高（gāo）精度，必須對打印（yìn）設備的（de）精準程度、穩定性有較高的（de）要求。

 

根據成型原理的差異我們主要介（jiè）紹一下幾（jǐ）種常用的3D打印技術：

 

1、分層實體成型工藝（LOM），這是曆史最為悠久的3D打印成型技術。LOM技術成型多使用紙材（cái）、PVC薄膜等材料，價格低廉且（qiě）成型精度高。如圖所示為LOM技術的（de）基本原理

 

 

（1）分層實體成型係統主要包（bāo）括計算機、數控係統、原材料存儲與運送部件、熱粘壓部件、激（jī）光切係（xì）統、可升降工作台等部分組成。

 

（2）其中計算機（jī）負責接收和存儲成型（xíng）工件的三維模（mó）型數據，這些數據主要是沿模型高度方向提取的一係列（liè）截麵輪廓。原材料存儲與運送部件將（jiāng）把存儲（chǔ）在其中的原材料（底麵塗有粘合劑（jì）的薄膜材料）逐步送至工作台上方。

 

（3）激光切割器將沿著工件截麵輪廓線對薄膜（mó）進行切割（gē），可升降的工（gōng）作台能支撐成型的工件，並在每層成型之後降低一個材（cái）料厚度（dù）以便送進將要進行粘合和切割的新一層（céng）材料，最後熱粘壓部件將會一層一層地把成型（xíng）區域的薄膜（mó）粘合在一起，就這樣（yàng）重複上述的步驟直到工件完全成型。

 

2、立體光固（gù）化成型（xíng）工藝（SLA），是目前世界上研究最為深入、技術最為成熟、應用最為廣泛的一種3D打印技術。SLA工藝以光敏樹脂作為材料，在係統控（kòng）製（zhì）下紫外（wài）激光將對液態（tài）的光敏樹脂進行掃描從而讓其逐層凝（níng）固成型（xíng），SLA工藝能以簡潔且全自動的方式製造出精度極高的幾何立體模型（xíng）。如圖所示（shì）為SLA技術（shù）的基本原理：

 

（1）液槽中會先盛滿液態的光敏樹脂，氦—鎘激光器或氬離子激光器發射出的紫外激光束在（zài）計算機的操縱（zòng）下按工件的分層截麵數據在液態的光敏樹脂（zhī）表麵進行逐行逐點掃描，這使掃（sǎo）描區域的樹脂（zhī）薄層產生聚合反應而固化從（cóng）形成工件的一個薄層。

 

（2）當一層（céng）樹脂固化完畢後，工作台將下移一個（gè）層厚的距（jù）離以（yǐ）使在原先（xiān）固化好的樹脂表麵上再覆蓋一層新的液態樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液（yè）麵（miàn）刮平然後再進行下一層的激光掃描固化。因為液態樹脂具有高粘性而（ér）導致流動（dòng）性較差，在每層固化（huà）之後（hòu）液麵很難在（zài）短（duǎn）時間內迅速撫平，這樣將會影響到實體的成型精度。采用刮板刮平後所需要的液態樹脂將會均勻地塗在上一疊層上（shàng），這樣經過激光固化後將可以得（dé）到較好的精度，也能使成型工件的表麵更加光滑平整。

 

（3）新固化的一層將牢固地粘合在前一層上，如此重複直至整個工件層疊完畢，這樣最後就能得到一個完整的立體模型。

 

3、選擇性激光燒結工藝（SLS）：SLS工藝使用的是粉末狀（zhuàng）材料，激光器在計算機的操控下對粉末進行掃描照（zhào）射而實現材料的燒結粘（zhān）合，就這樣材料層層堆（duī）積實現成型，如圖所示為SLS的成型原理：

 

（1）先采用壓輥將一層（céng）粉末平鋪（pù）到已成型工件的上表麵，數控係統操控激光束按照該層截麵輪廓在粉層上進行掃描照射而使粉末（mò）的（de）溫度升至熔化點，從而進（jìn）行燒結並於下麵已成型的部分實現粘合。

 

（2）當一層截麵燒結完（wán）後工作台將下降一個層（céng）厚，這時壓輥又會均勻地在上麵鋪上一層粉末並開始新一層截麵的（de）燒（shāo）結，如（rú）此反複操（cāo）作直接工件（jiàn）完全成型。

 

（3）在成型的過程中（zhōng），未經燒結的粉末對模型（xíng）的空腔和懸臂起著支撐的作用，因此SLS成型的工件（jiàn）不需要像SLA成型的工件那樣需要（yào）支撐結構。SLS工（gōng）藝使用（yòng）的材料與（yǔ）SLA相比相對（duì）豐富（fù）些，主要有石蠟、聚（jù）碳酸酯、尼龍、纖細尼龍、合成尼龍、陶瓷甚至還（hái）可以是金（jīn）屬。

 

（4）當工件完全成型並完全冷卻後，工作台將上升至原來的高度（dù），此時需要把工件取出使用刷（shuā）子或壓（yā）縮（suō）空氣把（bǎ）模型表層的粉末去掉。

 

4、熔融沉積成型工藝（FDM）將絲狀的熱熔性材料進（jìn）行加熱融化（huà），通過帶有微細噴嘴（zuǐ）的擠出機把（bǎ）材料擠出來，熔融的絲材被擠出後隨即（jí）會和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積後工作台將按預定的增量下（xià）降一個厚度，然後重（chóng）複以上的步驟（zhòu）直到工件完全（quán）成型。FDM的詳細技術（shù）原理：

 

（1）熱熔性絲材（通常為ABS或PLA材料）先被纏繞在供料（liào）輥上，由步進電機驅（qū）動輥子旋轉，絲材在主動輥（gǔn）與（yǔ）從動輥（gǔn）的（de）摩（mó）擦力作用下向擠出機噴頭送出。在供料輥和噴頭之間有一導向套（tào），導向套采用低摩擦力材料製成以便絲材能（néng）夠順（shùn）利準確地由供料輥（gǔn）送到噴頭的內腔。

 

（2）噴頭的上方有電阻絲式（shì）加熱器，在加熱器的作用下絲材被加熱到熔融狀（zhuàng）態，然後通過擠出機把材料擠壓到工作（zuò）台上，材料冷卻後便形形成了（le）工件的截麵輪廓。

 

5、三維印刷工藝（3DP），工作原理類似於噴墨打（dǎ）印機，與SLS工藝也有著類（lèi）似的地方，采用的都是粉末狀的（de）材料，如陶瓷、金屬（shǔ）、塑料，但與其不同（tóng）的（de）是3DP使用的粉末並不是通過激光燒（shāo）結粘合在一起的，而是通過噴頭噴射粘合劑將（jiāng）工件的（de）截麵“打印”出來（lái）並一層層堆積成型的（de），如圖所示為3DP的技術原理（lǐ）：

 

首先設備會把工（gōng）作槽中的粉末鋪平，接著噴頭會按照指定的路徑將液態粘合劑（如矽（guī）膠）噴射在預先粉層上的（de）指定區域中，此後不斷重複上述步驟直到工件完全成型（xíng）後（hòu）除去（qù）模型上多餘的粉末材料即可（kě）。3DP技術（shù）成型速度非常快，適（shì）用於製造結構複雜的工件，也適用於（yú）製作複合材料或（huò）非均勻材質材料（liào）的零件。

 

6、PolyJet技術也是當前最為先進的3D打印技術之（zhī）一，與3DP有點類似，不過噴射的不是粘合劑而是聚合成型材料，如圖所示為PolyJet聚合物噴射（shè）係統（tǒng）的結構：

 

（1）PolyJet的噴射打（dǎ）印頭沿（yán）X軸方向來回運動，工作原理與噴墨打印機（jī）十分類似，不（bú）同（tóng）的是噴頭噴（pēn）射的不是墨水而是光敏聚合物。當光敏聚合材料被噴射到工作台上後，UV紫外光燈將沿著噴頭工（gōng）作的方向發射出UV紫外光對光（guāng）敏聚合材料進行固化（huà）。

 

（2）完成一（yī）層的噴射打印和固化後，設備內置的工作台會極其精準地下降一（yī）個成型層厚，噴（pēn）頭繼續噴射光敏聚合材料進行下一層的（de）打（dǎ）印和固化。就這樣一層（céng）接一層，直到整個工（gōng）件打（dǎ）印製作完成。

 

四、3D打印優勢與缺陷

 

1、 優（yōu）勢：

 

如前所述，與傳統製造技術相比，3D打印不必事（shì）先製造模具，不必在製造過程中去除大量的材料，也不必通過複雜的（de）鍛造工藝就可以得到最終產品，因此，在生產上可以實現（xiàn）結構優化、節約材料和節省（shěng）能（néng）源。3D打印（yìn）技術適合於新產品開發、快速單件（jiàn）及小批（pī）量零件製（zhì）造（zào）、複雜形（xíng）狀零件的製造、模具的設計與製造等，也適合於難加工材料的製造、外形設計檢（jiǎn）查、裝配檢（jiǎn）驗和快速反求工程等。

 

另外在材料合成上，與傳統相比，3D打印將獲得更高的靈活性和有效（xiào）性。這是未來3D打印發展的新領域。

 

傳統：

 

3D打印：

 

3D打印的共同目標是實現從一台機器中打印出各種複合材（cái）料，一次性為項目實現多重製造屬性。然而，細觀（guān）結構材料技術允（yǔn）許（xǔ）我們獲得更（gèng）多單一材料之外的利用價值。相比較於對不同的性能便要依賴不一樣的材（cái）料，設計師可以利用細觀結構材料技術來創造一種擁有各種（zhǒng）所需的性能特點的（de）物體。

 

2、缺陷

 

（1）3D產品難以批量複製。3D在（zài）個性化乃至小規（guī）模生產（chǎn）中獨具特色，但是在批量生產方麵無法實現。

 

（2）製作過程相對複雜，尤其（qí）是對於複雜結構的產品，需要各種結構信（xìn）息的采集，打印設備（bèi）的矯正。

 

（3）材料的突破（pò）。3D打印可以應用到（dào）很多（duō）場景，但是（shì）材料（liào）和打印工藝、技術與傳統製造工（gōng）藝相比沒有優（yōu）勢，這些需要產業界更好的協（xié）作推進。

 

（4）成本較高，不可複製性也（yě）是成本提升的重要原因之一。技術標準、政策體（tǐ）係不夠完善，教（jiāo）育和培訓製度急需加強，專業人才比較缺乏。

 

（5）實用性不強，對於一些產品往往隻能打印外殼（ké）或者樣機，無法像原型樣機那樣具有產品的全部功能。

 

作為快速成型機，3D是用於完成各類製造工程中等級最低的共通部分。這導致的結果是，這些（xiē）機器可以做很多事，但做（zuò）得好（hǎo）的卻（què）極少。這（zhè）不是因為材料特殊或控製太先進複雜而（ér）造成的困境。而真正製約3D打印技術創新的是我們看待這些技術的方式：隻把它看作單一的部件製造，而缺乏係統性。

 

五、市場（chǎng）分析

 

美國消費者技術協會(CTA)與聯合包裹服務(UPS)近日（rì）聯合發布名（míng）為《3D打（dǎ）印（yìn）：工業（yè）生產下一場革命》的報告，預測未來4年這（zhè）個市場營收將增長2倍（bèi）達到210億美元。去年，3D打印（yìn）市場價值增長（zhǎng）了30%。

 

3D打印行業今年（nián）市場價值將達到73億美元，包括打印機器、材料以及（jí）打印服務等。到2020年，這個行業的價值有望達到210億美（měi）元。其中，消費電子與汽車行業將推動（dòng）3D打印行業增長40%，醫療設備則推動（dòng）其增長15%。舉例來說，全球98%的助聽器正使用3D打印技術製造。

 

報告中稱（chēng），目前2/3的（de）製造商已經在某種程度上使用（yòng）3D打印技術，25%的製造商計劃將來采用這種技術。企業采用3D打印技術的最（zuì）大原因包（bāo）括：製作原型(占比25%)、產品開發(占比16%)以及（jí）創（chuàng）新(占比11%)。

 

早期（qī）采用（yòng）3D打印（yìn）技術的企業主要利用其製作產品原型。事實上，3D打印僅占全球製造業市場的0.04%，而（ér）且製作原型（xíng）是最常見使用方式。研究公司Wohlers Associates認（rèn）為，3D打印技術最終將占全球製造業市場的5%，即其代表6400億美元（yuán）的巨大機遇（yù）。

 

六、展望

 

從應用的角度看，過（guò）去十年裏，涉及到3D打印的專利申請數量已飆升超過800％，而專利授權數量也大幅上升。目（mù）前（qián）3D打（dǎ）印僅占全（quán）球製（zhì）造業市場的0.04%，與十萬（wàn）億美（měi）元級別的製造市場相比（bǐ），差距明（míng）顯。

 

不過，與高效率的大規模標準化生（shēng）產相比，3D打印有（yǒu）其本身的優勢，它可以（yǐ）實現定製（zhì）化（huà）甚至以相同的成本來生產個性化的產品，帶給（gěi）消費者更多的個人（rén）價值（不會因為產（chǎn）品規模化而價格下降）。在定製化、個性化以（yǐ）及形狀複（fù）雜化領域包括大規模生產沒有（yǒu）利潤空（kōng）間的產品領域，3D打印可以大顯身手。未來（lái），3D打印可以在時裝、航（háng）空航（háng）天、醫藥（yào）衛生、食品等定製化需求強盛的領域創造強大的產品類目。

 

從（cóng）長遠角度（dù）看，3D打印（yìn）將為我們帶來分（fèn）散式的生產工具，分散式的社（shè）會化大（dà）協作將再次成為主題，未來（lái）展現在我們麵前的是個性化與社會化創造的時代。3D打印將創建一個全新的功能強（qiáng）大的產品類別，以消除對複（fù）雜的供應鏈和過度浪費的依賴，同（tóng）時分散生產，財富和知識的潛力。3D打印可以幫助建立一個以生產和消費緊密結合為特征（zhēng）的分散的，自力更生的經濟體。