增材制造（3D打印）技術發展

盧秉恒，李滌塵

（西安交通大學a機械工程學院;b機械制造系統工程國家重點實驗室快速制造國家工程研究中心，西安交通大學陜西西安 710049）

0 概述

增材制造（additive manufacturing，AM）技術是通過CAD設計數據采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除（切削加工）技術，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。自20世紀80年代末增材制造技術逐步發展，期間也被稱為“材料累加制造”（material increse manufacturing）、“快速原型”（rapid prototyping）、“分層制造”（layered manufacturing）、“實體自由制造”（solid free－form fabrication）、“3D打印技術”（3D printing）等。名稱各異的叫法分別從不同側面表達了該制造技術的特點。

美國材料與試驗協會（ASTM）F42國際委員會對增材制造和3D打印有明確的概念定義。增材制造是依據三維CAD數據將材料連接制作物體的過程，相對于減法制造它通常是逐層累加過程。3D打印是指采用打印頭、噴嘴或其他打印技術沉積材料來制造物體的技術，3D打印也常用來表示“增材制造”技術，在特指設備時，3D打印是指相對價格或總體功能低端的增材制造設備。

從廣義的原理來看，以設計數據為基礎，將材料（包括液體、粉材、線材或塊材等）自動化地累加起來成為實體結構的制造方法，都可視為增材制造技術。

增材制造技術不需要傳統的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設計數據在一臺設備上可快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現“自由制造”，解決許多過去難以制造的復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且越是復雜結構的產品，其制造的速度作用越顯著。近年來，增材制造技術取得了快速的發展。增材制造原理與不同的材料和工藝結合形成了許多增材制造設備。目前已有的設備種類達到20多種。該技術一出現就取得了快速的發展，在各個領域都取得了廣泛的應用，如在消費電子產品、汽車、航天航空、醫療、軍工、地理信息、藝術設計等。增材制造的特點是單件或小批量的快速制造，這一技術特點決定了增材制造在產品創新中具有顯著的作用。美國《時代》周刊將增材制造列為“美國十大增長最快的工業”，英國《經濟學人》雜志則認為它將“與其他數字化生產模式一起推動實現第三次工業革命”，認為該技術改變未來生產與生活模式，實現社會化制造，每個人都可以成為一個工廠，它將改變制造商品的方式，并改變世界的經濟格局，進而改變人類的生活方式。

美國專門從事增材制造技術咨詢服務的Wohlers協會在2013年度報告中對行業發展情況進行了分析。2012年增材制造設備與服務全球直接產值22.04億美元，2012年增長率為28.6%，其中，設備材料:10.03億美元，增長20.3%，服務產值:12億美元，增長36.6%，其發展特點是服務相對設備材料，增長更快。在增材制造應用方面，消費商品和電子領域仍占主導地位，但是比例從23.7%降低到21.8%;機動車領域從19.1%降低到18.6%;研究機構為6.8%;醫學和牙科領域從13.6%增加到16.4%;工業設備領域為13.4%;航空航天領域從9.9%增加到10.2%。在過去的幾年中，航空器制造和醫學應用是增長最快的應用領域。目前美國在設備的擁有量上占全球的38%，中國繼日本和德國之后，以約9%的數量占第四位。在設備產量方面，美國3D打印設備產量最高，占世界的71%，歐洲以12%、以色列以10%位居第二和第三，中國設備產量占4%。

1 國際發展狀況

國際上增材制造經過20多年的發展，美國已經成為增材制造領先的國家，3D打印技術不斷融入人們的生活，在食品、服裝、家俱、醫療、建筑、教育等領域大量應用，催生許多新的產業。增材制造設備已經從制造業設備成為生活中的創造工具。人們可以用3D打印技術自己設計的物品，使得創造越來越容易，人們可以自由地開展創造活動。創造活力成為引領社會發展的熱點。增材制造技術正在快速改變傳統的生產方式和生活方式，歐美等發達國家和新興經濟國家將其作為戰略性新興產業，紛紛制定發展戰略，投入資金，加大研發力量和推進產業化。

美國奧巴馬總統在2012年3月9日提出發展美國振興制造業計劃，向美國國會提出“制造創新國家網絡”（NNMI），其目的在奪回制造業霸主地位，要以一半的時間和費用完成產品開發，實現在美國設計，在美國制造，使更多美國人返回工作崗位，構建持續發展的美國經濟。為此，奧巴馬政府啟動首個項目“增材制造”，初期政府投資3 000萬美元，企業配套4 000萬元，由國防部牽頭，制造企業、大學院校以及非盈利組織參加，研發新的增材制造技術與產品，使美國成為全球優秀的增材制造的中心，架起“基礎研究與產品研發”之間的紐帶。美國政府已經將增材制造技術作為國家制造業發展的首要戰略任務給予支持。

2012年的增材制造設備市場延續近年的發展好形勢，銷售數目和收入的增加讓銷售商從中獲益，進一步推動了美國股票價格的增長。2012年，增材制造技術通過主要出版物、電視節目甚至電影的方式涌入公眾的視野。2012年4月，在Materialise公司（比利時）的世界大會上，舉辦了一場時裝秀，展出了快速成型制造的帽子和飾品。

據調查，價格低于2 000美元的設備多用于科學研究或個人，對行業產值影響不大。行業發展主要依賴于專業化設備性能的提高。目前，專業化設備主要銷往美國市場。由于經濟不景氣隱藏的潛在客戶被挖掘，并隨著設計與制造的快速增長，快速成型制造行業也得以發展。在美國明尼蘇達州明尼阿波利斯市舉行的年度快速成型會議上，Materialise公司（比利時）的創始人兼首席執行官Wilfried Vancraen因其對快速成型行業的廣泛貢獻被授予行業成就獎。增材制造技術發展呈現以下特點。

a）增材制造產業不斷壯大

在快速成型企業中正在進行公司間的合并，兼并的對象主要是設備供應商、服務供應商以及其他的相關公司。其中最引人注目的是Z Corp.公司被3D System公司收購，還有Stratasys公司計劃與 Objet公司合并。Delcam公司（英國）收購了快速成型軟件公司——Fabbify Software公司（德國）的一部分。據預計，Fabbify Software會在Delcam公司的設計及制造軟件里增添快速成型應用項。3D Systems公司購買了參數化計算機輔助設計（CAD）軟件公司Alibre公司，以實現對計算機輔助設計（CAD）和3D打印的捆綁。2011年11月，EOS公司（德國）宣布該公司已經安裝超過1 000臺的激光燒結成型機。11月初，3D system公司在宣布收購Huntsman公司（德州，林地）與光敏聚合物及數字快速成型機相關的資產;隨后又宣布兼并3D打印機制造商Z Corp（馬薩諸塞州，伯靈頓市），這次兼并花費了1.52億美元。

b）新材料新器件不斷出現

Objet公司發布了一種類ABS的數字材料以及一種名為VeroClear的清晰透明材料。3D Systems公司也發布了一種名為Accura CastPro新材料，該種材料可用于制作熔模鑄造模型。同期，Solidscape公司（梅里馬克，新罕布什爾州）也發布了一種可使蠟模鑄造鑄模更耐用的新型材料——plusCAST。2011年 8月，Kelyniam Global（新不列顛，康涅狄格州）宣布它們正在制作聚醚醚酮（PEEK）顱骨植入物。利用CT或MRI數據制作的光固化頭骨模型可以協助醫生進行術前規劃，在制作規劃的同時，加工PEEK材料植入物。據估計，這種方法會將手術時間降低85%。2011年6月，Optomec公司（新墨西哥州，阿爾伯克基）發布了一種可用于3D打印及保形電子的新型大面積氣溶膠噴射打印頭。Optomec公司雖以生產透鏡設備而為快速成型行業所熟知，但它的氣溶膠噴射打印卻隸屬于美國國防部高級研究計劃局的介觀綜合保形電子（MICE）計劃，該計劃的研究成果主要應用在3D打印、太陽能電池以及顯示設備領域。

c）新市場產品不斷涌現

2011年7月，Objet公司發布了一種新型打印機——Objet260 Connex，該種打印機可以構建更小體積的多材料模型。2011年7月，Stratasys公司發布了一種復合型快速成型機——Fortus250mc，該成型機可以將ABSplus材料與一種可溶性支撐材料的進行復合。Stratasys公司還發布了一種適用于Fortus400mc及900mc的新型靜態損耗材料——ABS－ESD7。2011年9月，Bulidatron Systems公司（紐約，紐約）宣布推出基于RepRap的Buildaron1 3D打印機。這種單一材料打印機既可以作為一種工具箱使用（售價1 200美元），也作為組裝系統使用（售價2 000美元）。Objet公司引入了一種新型生物相容性材料——MED610，這種材料適用于所有的PolyJet系統。剛性材料主要面向醫療及牙科市場。3D System公司發布了一種基于覆膜傳輸成像的打印機——PROJET1500，同時也發布了一種從二進制信息到字節的3D觸摸產品。2012年1月，MakerBot（布魯克林，紐約）推出了售價1 759美元的新機器MakerBot Replicator，與它的前身相比，該機器可以打印更大體積的模型，并且第二個塑料擠出機的噴頭可以更換，從而擠出更多顏色的ABS或PLA。3D Systems公司推出了一種名Cube的單材料、消費者導向型3D打印機，其售價低于1 300美元。該機器裝有無線連接裝置，從而具有了從3D數字化設計庫中下載3D模型的功能。國防部與Stratasys公司簽訂了100萬美元的uPrint3D打印機訂單，以支持國防部的DoD’s STARBASE計劃，該計劃的目的是吸引青少年對科學、技術、工程、數學以及先進制造技術中快速成型制造的興趣。2012年2月，EasyClad公司（法國）發布了MAGIC LF600大框架快速成型機，該成型機可構建大體積模型，并具有兩個獨立的5軸控制沉積頭，從而可具有圖案壓印、修復及功能梯度材料沉積的功能。3D Systems公司推出了一種可用于計算機輔助制造程序，如 Solidworks，Pro/Engineer的插件——Print3D。通過3D Systems’ProParts服務機構，這種插件可對零件及裝配體進行動態的零件成本計算。2012年3月，Bumpy-Photo公司（俄勒岡州，波蘭市）正式推出了一款彩色3D打印的照片浮雕。先輸入數字照片，再在24位色打印機ZPrinter上打印，就能形成3D照片浮雕。價格也從最初79美元的3D照片變為89美元的3D刻印圖樣。Stratasys公司和Optomec公司展出了帶有保形電子電路（利用的是Optomec’s Aerosol Jet公司的技術）的熔化沉積打印的機翼結構。

d）新標準不斷更新

2011年7月，同期，美國試驗材料學會（ASTM）的快速成型制造技術國際委員會F42發布了一種專門的快速成型制造文件（AMF）格式，新格式包含了材質，功能梯度材料，顏色，曲邊三角形及其他的STL文件格式不支持的信息。10月份，美國試驗材料學會國際（ASTM）與國際標準化組織（ISO）宣布，ASTM國際委員會F42與ISO技術委員會261將在快速成型制造領域進行合作，該合作將降低重復勞動量。此外，ASTM F42還發布了關于坐標系統與測試方法的標準術語。

2 我國增材制造技術的發展

我國自20世紀90年代初，在國家科技部等多部門持續支持下，在西安交通大學、華中科技大學、清華大學、北京隆源公司等在典型的成形設備、軟件、材料等方面研究和產業化方面獲得了重大進展。隨后國內許多高校和研究機構也開展了相關研究，如西北工業大學、北京航空航天大學、華南理工大學、南京航空航天大學、上海交通大學、大連理工大學、中北大學、中國工程物理研究院等單位都在做探索性的研究和應用工作。我國研發出了一批增材制造裝備，在典型成形設備、軟件、材料等方面研究和產業化方面獲得了重大進展，到2000年初步實現的設備產業化，接近國外產品水平，改變了該類設備早期仰賴進口的局面。在國家和地方的支持下，在全國建立了20多個服務中心，設備用戶遍布醫療、航空航天、汽車、軍工、模具、電子電器、造船等行業。推動了我國制造技術的發展。近5年國內增材制造市場發展不大，主要還在工業領域應用，沒有在消費品領域形成快速發展的市場。另一方面，研發方面投入不足，在產業化技術發展和應用方面落后于美國和歐洲。

近5年來，增材制造技術在美國取得了快速的發展。主要的引領要素是低成本3D打印設備社會化應用和金屬零件直接制造技術在工業界的應用。我國金屬零件直接制造技術也有達到國際領先水平的研究與應用，例如北京航空航天大學、西北工業大學和北京航空制造技術研究所制造出大尺寸金屬零件，并應用在新型飛機研制過程中，顯著提高了飛機研制速度。

在技術研發方面，我國增材制造裝備的部分技術水平與國外先進水平相當，但在關鍵器件、成形材料、智能化控制和應用范圍等方面較國外先進水平落后。我國增材制造技術主要應用于模型制作，在高性能終端零部件直接制造方面還具有非常大的提升空間。例如:在增材的基礎理論與成形微觀機理研究方面，我國在一些局部點上開展了相關研究，但國外的研究更基礎、系統和深入;在工藝技術研究方面，國外是基于理論基礎的工藝控制，而我國則更多依賴于經驗和反復的試驗驗證，導致我國增材制造工藝關鍵技術整體上落后于國外先進水平;材料的基礎研究、材料的制備工藝以及產業化方面與國外相比存在相當大的差距;部分增材制造工藝裝備國內都有研制，但在智能化程度與國外先進水平相比還有差距;我國大部分增材制造裝備的核心元器件還主要依靠進口。

3 增材制造技術發展趨勢

a）難點與挑戰

增材制造技術代表著生產模式和先進制造技術發展的趨勢，產品生產將逐步從大規模制造向定制化制造發展，滿足社會多樣化需求。目前增材制造2012年直接產值約22億美元，僅占全球制造業市場0.02%，但是其間接作用和未來前景難以估量。增材制造優勢在于制造周期短、適合單件個性化需求、大型薄壁件制造、鈦合金等難加工易熱成形零件制造、結構復雜零件制造，在航空航天、醫療等領域，產品開發階段，計算機外設發展和創新教育上具有廣闊發展空間。

增材制造技術相對傳統制造技術還面臨許多新挑戰和新問題。目前增材主要應用于產品研發，還存在使用成本高（10元/g～100元/g），制造效率低，例如金屬材料成形為100 g/h～3 000 g/h，制造精度尚不能令人滿意。其工藝與裝備研發尚不充分，尚未進入大規模工業應用。應該說目前增材制造技術是傳統大批量制造技術的一個補充。任何技術都不是萬能的，傳統技術仍有強勁的生命力，增材制造應該與傳統技術優選、集成，會形成新的發展增長點。對于增材制造技術需要加強研發，培育產業，擴大應用。通過形成協同創新的運行機制，積極研發、科學推進，使之從產品研發工具走向批量生產模式，技術引領應用市場發展，改變人們的生活。

b）增材制造技術發展趨勢

1）向日常消費品制造方向發展。三維打印是國外近年來的發展熱點。該設備稱為三維打印機，將其作為計算機一個外部輸出設備而應用。它可以直接將計算機中的三維圖形輸出為三維的彩色物體。在科學教育、工業造型、產品創意、工藝美術等有著廣泛的應用前景和巨大的商業價值。其發展方向是提高精度、降低成本、高性能材料發展。

2）向功能零件制造發展。采用激光或電子束直接熔化金屬粉，逐層堆積金屬，形成金屬直接成形技術。該技術可以直接制造復雜結構金屬功能零件，制件力學性能可以達到鍛件性能指標。進一步的發展方向是進一步提高精度和性能，同時向陶瓷零件的增材制造技術和復合材料的增材制造技術發展。

3）向智能化裝備發展。目前增材制造設備在軟件功能和后處理方面還有許多問題需要優化。例如，成形過程中需要加支撐，軟件智能化和自動化需要進一步提高;制造過程，工藝參數與材料的匹配性需要智能化;加工完成后的粉料或支撐的需要去除等問題。這些問題直接影響設備的使用和推廣，設備智能化是走向普及的保證。

4）向組織與結構一體化制造發展。實現從微觀組織到宏觀結構的可控制造。例如在制造復合材料時，將復合材料組織設計制造與外形結構設計制造同步完成，在微觀到宏觀尺度上實現同步制造，實現結構體的“設計—材料—制造”—體化。支撐生物組織制造、復合材料等復雜結構零件的制造，給制造技術帶來革命性發展。

4 結語

增材制造以其制造原理的優勢成為具有巨大發展潛力的制造技術。隨著材料適用范圍增大和制造精度的提高，增材制造技術將給制造技術帶來革命性的發展。美國奇點大學（Singularity University）學術與創新中心副主席Vivek Wadhwa在華盛頓郵報上發表文章（2012年1月11日）“為何該輪到中國為制造業擔憂?”（Why it’s China’s turn to worry about manufacturing）。他認為“新技術的出現很可能導致中國在未來20年中出現美國在過去20年所經歷的空心化”，引領技術之一是以3D打印為代表的數字化制造。他認為今天簡單的3D打印只能制作出相對粗糙的物體，這類設備正在快速發展，成本不斷降低，功能不斷提高，到2020年代中期，美國人能夠在分子級別上制作精確的3D物體。“這樣，中國還如何能與我們競爭”。他的觀點或許值得我們借鑒，我們未來要在競爭中立于不敗之地，我們今天就要毫不松懈的追趕和創造。

［1］1Wohlers Associates，Wohlers Report 2013－ －Additive manufacturing and 3D printing state of the Industry Annual Worldwide Progress Report，2013，USA