3D打印技術與產業的發展及前景研究

王嬋

摘要：3D打印技術是一種新興的快速成型的技術，近段時間受到了社會的廣泛關注。本文對3D打印技術體系和國內外產業發展現狀以及發展態勢做出了綜合介紹，以國際產業調查資料為依據對3D打印技術領域未來的發展前景和技術發展趨勢做了預見性分析，并對現階段的3D打印產業投資和技術研發提出建議。

關鍵詞：3D打印快速成型發展前景

中圖分類號：TP391.73 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1578（2019）02-0283-01

引言：3D打印技術作為快速成型領域的一種新興技術，現階段正成為一種迅猛發展的潮流。近一段時間，3D打印技術吸引了國內外新聞媒體和社會公眾的熱切關注。對3D打印技術的發展做出了介紹和展望，本文對3D打印技術的未來發展以及發展規模進行了分析。

1.3D打印技術簡介

3D打印技術是指通過連續的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術，與傳統的去除材料加工技術不同，因此又稱為添加制造（AM，Additive Manufacturing）。作為一種綜合性應用技術，3D打印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術知識，具有很高的科技含量。3D打印機是3D打印的核心裝備。它是集機械、控制及計算機技術等為一體的復雜機電一體化系統，主要由高精度機械系統、數控系統、噴射系統和成型環境等子系統組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設計與控制軟件等也是3D打印技術體系的重要組成部分。

目前，3D打印技術主要被應用于產品原型、模具制造以及藝術創作、珠寶制作等領域，替代這些領域傳統依賴的精細加工工藝。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程與醫學、建筑、服裝等領域，3D打印技術的引入也為創新開拓了廣闊的空間。如2010年澳大利亞Invet-ech公司和美國Organovo公司合作，嘗試以活體細胞為“墨水”打印人體的組織和器官，是醫學領域具有重大意義的創新。

2.3D打印技術以及產業國際內外的發展現狀

2.1國際情況

目前，在全球3D打印機行業，美國3D Systems和Stratasys兩家公司的產品占據了絕大多數市場份額。此外，在此領域具有較強技術實力和特色的企業/研發團隊還有美國的Fab@Home和Shapeways、英國的Reprap等。

3D Systems公司是全世界最大的快速成型設備開發公司。于2011年11月收購了3D打印技術的最早發明者和最初專利擁有者z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印領域的龍頭地位。Stratasys公司2010年與傳統打印行業巨頭惠普公司簽訂了OEM合作協議，生產HP品牌的3D打印機。繼2011年5月收購Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月與以色列著名3D打印系統提供商0bjet宣布合并。當前，國際3D打印機制造業正處于迅速的兼并與整合過程中，行業巨頭正在加速崛起。

2.2國內情況

近年來，國內如深圳維示泰克、南京紫金立德、北京殷華、江蘇敦超等企業已實現了3D打印機的整機生產和銷售，這些企業共同的特點是由海外歸國團隊建立，規模較小，產品技術與國外廠商同類產品相比尚處于低端。目前，國產3D打印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技術水平有待進一步提升。在服務領域，我國東部發達城市已普遍有企業應用進口3D打印設備開展了商業化的快速成型服務，其服務范圍涉及到模具制作、樣品制作、輔助設計、文物復原等多個領域。與內地相比，我國港臺地區3D打印技術引入起步較早，應用更為廣泛，但港臺主要著重于技術應用，而非自主研發。

3.3D打印產業的未來發展前景

根據國際快速制造行業權威報告《Wohlers Report 201 1》發布的調查結果，全球3D打印產業產值在1988-2010年間保持著26.2%的年均增長速度。報告預期，3D打印產業未來仍將持續較快地增長，到2016年，包含設備制造和服務在內的產業總產值將達到31億美元，2020年將達到52億美元。

但3D打印技術要進一步擴展其產業應用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰：一是成本方面，現有3D打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及應用帶來了困難。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度還不盡人意，打印效率還遠不適應大規模生產的需求，而且受打印機工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴重沖突。四是產業環境方面，3D打印技術的普及將使產品更容易被復制和擴散，制造業面對的盜版風險大增，現有知識產權保護機制難以適應產業未來發展的需求。Gartner公司2011年發布的最新技術發展展望報告判斷：3D打印技術目前正在進入概念炒作的高峰階段，其技術還有待充分成熟，主流市場也有待進一步培育。Gartner公司研究人員認為，3D打印技術成熟到適應市場需求還將需要5～10年的時間。在這一較為漫長的發展過程中，產業可能會面臨增長期望落空、技術遭遇瓶頸以及投資撤離等風險。

4.3D打印技術未來發展的主要趨勢

隨著智能制造的進一步發展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到制造領域，3D打印技術也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術的發展將體現出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。

提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質量、力學和物理性能，以實現直接面向產品的制造;開發更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質材料及復合材料等，特別是金屬材料直接成型技術有可能成為今后研究與應用的又一個熱點;3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便，更加適應分布化生產、設計與制造一體化的需求以及家庭日常應用的需求;軟件集成化，實現CAD/CAPP/RP的一體化，使設計軟件和生產控制軟件能夠無縫對接，實現設計者直接聯網控制的遠程在線制造;拓展3D打印技術在生物醫學、建筑、車輛、服裝等更多行業領域的創造性應用。

5.結語

隨著智能制造的進一步成熟，3D打印技術將被推向更高的層面，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用。未來精密化、智能化、通用化以及便捷化等即將成為3D打印技術的主要趨勢。