漫談3D打印
——機遇與挑戰

朱宏康 賈豫冬 王 方

（西北有色金屬研究院，陜西西安710016）

漫談3D打印
——機遇與挑戰

朱宏康 賈豫冬 王 方

（西北有色金屬研究院，陜西西安710016）

【編者按】2014年9月21日，“2014新材料國際發展趨勢高層論壇——3D打印材料技術前沿論壇”在與會代表的密切關注下，在西安高新技術開發區都市之門二層學術報告廳隆重召開，現場異常火爆，會場內外座無虛席。筆者全程聽取了10位報告人關于3D打印材料，3D打印技術的主要特征、進展以及在工業和生物醫學領域應用前景等方面的報告。正如中國工程院盧秉恒院士的報告所說，3D打印技術正在改變世界。3D打印是一種顛覆性的制造技術，參照的是打印機技術原理，分層加工。傳統制造技術是“減材制造技術”，3D打印則是“增材制造技術”，它具有制造成本低、生產周期短、能最大限度滿足個性化需求等優勢。利用3D打印技術為飛機、宇宙飛船和聚變項目制造的零部件要比常規部件更輕、更堅固、更廉價。因為增材制造技術幾乎是“零浪費”，并且相比焊接和熔合的方法，產品更堅固、更輕。因此，3D打印技術被譽為“第三次工業革命最具標志性的生產工具”。

1 前 言

如同材料計算工程被冠以材料基因組的名稱，增材制造技術被稱為3D打印技術，這種更形象的叫法借助奧巴馬總統的名人效應使得3D打印技術家喻戶曉。3D打印技術的最大優勢在于人們可以量身定制（Tailored）或自由設計（Free Design）所需要的產品。這引起了各行各業設計人員的興趣及熱情，在全球掀起了3D打印熱潮。甚至不少人夢想著能創辦一間個人3D打印工作室。但是，3D打印不是制造業的救星，或者說，至少在今后5年，不是“家庭工廠”的救星。面對如此火爆的場景，筆者通過綜述世界各國3D打印技術的實際應用以及產業化中遇到的問題，認為在美好的機遇面前也一并存在著發展的諸多隱憂，希望狂熱的關注者保持謹慎樂觀的態度。

2 應用現狀

3D打印技術已吸引了全球礦商、金屬公司和制造企業的關注，并開始進入工廠，在多個領域實施了應用：

●世界最大礦商必和必拓（BHP）公司，擁有生產鈦粉末的英國羅瑟勒姆公司（Metalysis Ltd.）6.85%的股權，其生產的粉末用于3D打印汽車零部件。

●澳大利亞艾綠卡公司（Iluka Resources Ltd.，ILU），全球第二大TiO2生產商，在2014年2月投資1 200萬英鎊，占有英國羅瑟勒姆公司18.3%的股權。

●寶鋼正在支持澳大利亞的一個3D打印項目Sandvik AB（SAND）。

●GE航空部計劃2015年投資1.25億美元，利用3D打印機為飛機發動機制造燃油噴嘴。

●歐洲航天局公布了旨在“將3D打印帶入金屬時代”的計劃，為飛機、宇宙飛船和聚變項目制造零部件。新部件要比常規部件更輕、更堅固、更廉價。因為增材技術幾乎是“零浪費”，并且相比焊接和熔合的方法，產品更堅固、更輕。

●GE子公司Avio增材制造公司開發了3 kW金屬熔煉電子槍，其電子束的功率是激光的10倍。可以將鈦粉變為飛機渦輪葉片。此電子槍打印技術避免了傳統方法下TiAl冷卻時的收縮、破損，能更好地控制TiAl性能。

●法國空客公司（Airbus）同中國西北工業大學簽署合作協議，探索未來飛機鈦零部件增材制造技術的進一步應用。空客稱其正在研究采用3D打印技術為A320、A380和A350WXB系列飛機制造特殊零部件或規格更大的機身結構件。空客預計，采用3D打印技術生產的零部件比采用傳統生產方式輕55%。3D打印技術更適合小批量零部件的生產和樣品試制。

●空客Airbus Group NV（AIR）于2014年3月制造了第一個3D打印A310機組人員座椅。

●德國EOS3D打印機公司拓展了其金屬粉末產品：新增了具有抗腐蝕和生物兼容性的EOS Titanium Ti64ELI和EOS Stainless Steel-316L，用來制造高質量3D金屬零件。

直接的金屬激光熔化

●美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室研究人員開發了新的更有效的途徑來解決增材技術所面臨的巨大挑戰，即利用選擇性激光熔化技術，選取恰當的工藝參數，使零件得到期望的性能。

●3D打印技術開始進入工廠，Nike公司已經提供3D打印的足球鞋。

●悉尼大學、哈佛大學、斯坦福大學和麻省理工大學的科學家已開展生物打印血管網絡，仿制生長大型復合器官所需的人體循環系統。此舉向生物打印可移植組織、器官更進了一步。

●在傳統的3D打印的概念中加入“時間”元素，被打印的物體可以隨著時間的推移而在形態上發生自我調整。例如便于運輸的條狀家具，衣服在光、磁等外力作用下自動變形。

3 推動了金屬需求

根據McKinsey Global Institute的一份研究報告，隨著2014年3D打印激光燒結技術專利（University of Texas at Austin，1980）的失效，3D打印機在制造領域會變得更加普遍，因其比傳統制造可以更快更便宜地制造零部件，因而正在被用來制造房屋、噴射式戰斗機零部件、手槍和自行車等。而這需要礦產和金屬公司提供原材料，因此對特種金屬粉末的需求近4年來增加了3倍。

2013年全球約5.30億美元用在了3D打印的金屬、塑料和陶瓷上，而2009年為2.18億美元。其中對金屬的需求由1.2億美元增加到3.26億美元。2013年金屬3D打印機的銷量上漲76%，預計2025年，全球3D打印商品的總市值會達到5 500億美元。隨著金屬粉末用量的增加及生產商生產工藝的進步，3D打印零件的成本最終會比傳統金屬零件有更大的競爭力。生產成本的降低將加劇鈦產品與鋼、鋁等相關產品競爭。

EBSM成型示意圖

4 未來展望

澳大利亞Monash大學的XinhuaWu教授與法國防務承包商賽峰集團（Safran SA）合作生產3D航空零件。但她對3D打印市場保持了謹慎態度。因為應用于航空和醫療領域的金屬粉末必須遵循嚴格的標準，需要有多年的技術沉淀，而維系低成本的產品市場更需要時間。事實上，在本次“3D打印材料技術前沿論壇”上，多位專業從事3D打印的行內專家一致認為，3D打印并不像外界所想象的，買了設備就可生產那么簡單，在此過程中會遇到各種各樣的困難。比如，如何保證不同批次原材料粉末純凈度的一致性，打印過程中的工藝質量、控制，以及后期成品的表面處理等等。使用3D打印技術制造產品，其質量的穩定性至關重要。因為一種新材料要在航空上應用，需要經過10多萬次的測試，而最終產品更是需要以高質量和低成本占領市場，而要實現商業化則更難。

目前，3D打印市場需求還很小，需要幾年時間的磨合才能廣泛用于商業生產。3D打印機要么太慢，要么太貴，或者由于可使用的材料限制，難以做出人們想要的產品。到目前為止，阻礙3D打印達到應有規模的最大因素始終是它的實用性。對于效率低的問題，有報告人指出，一臺慢，可以同時用100臺進行打印就不慢了。但是這種想法是需要建立在合理的成本預算之內的，現實操作實屬不易。

3D打印技術的最大優勢在于人們可以量身定制（Tailored）或自由設計（Free Design）所需要的產品，這對專業的設計人員和軟件提出了高層次的要求。

盡管如此，3D打印技術在人們的觀念中仍是無所不能的。據預測，3D打印設備及服務市場將在2018年以前增長兩倍。因此面對目前的3D打印市場，我們應保持謹慎樂觀的態度，美好的機遇面前也存在著發展隱憂。我國3D打印行業還存在以下不足：①科研單位與企業間缺乏有效溝通與合作；②3D打印用新材料的研發還需加強。目前材料的限制使3D打印的價格居高不下，與傳統規模化制造業競爭時體現不出明顯優勢。因此，筆者認為，在未來進入3D打印行業之前，企業首先要做好技術沉淀、市場定位和成本控制，避免像某些LED產業一樣，重資引進大批量的MOCVD設備，而本產業卻利潤甚微，過多依賴政府補貼。

［1］ David Stringer.3-D Printers Making Jets and Bikes Drive Demand for Metal，Bloomburg（2014－8－20）.

［2］ Andrew Tarantola.This Electron Gun Turns Titanium Powder into Turbine Blades for Planes，Monster Machines（2014－09－01）.

［3］ High-Quality 3-D Metal Parts using Additive Manufacturing，Lawrence Livermore National Laboratory（2014－06－16）.