試析國內熔融沉積快速成型技術的發展滯因及未來發展趨勢

王靜蘊

摘 要：本文首先介紹了熔融沉積快速成型技術的原理、特點、發展史及目前國內整個3D打印行業的發展現狀，接著論述了熔融沉積快速成型技術興盛的原因，并分析了影響此技術發展停滯不前的四個重要原因，最后預測了FDM技術及整個3D打印行業未來的發展趨勢。

關鍵詞：FDM;熔融沉積快速成型;3D打印技術;發展趨勢

0 引言

近年來，3D打印產業的發展日新月異，新機器、新技術、新材料、新應用不斷推陳出新。基于熔融沉積快速成型（Fused Deposition Modeling，簡稱FDM）原理的三維打印快速成型技術是目前世界上最具生命力的快速成型技術之一。其應用領域涉及到政府、學術機構、建筑、航天、醫療、工商業等各個角落。這當然與這種技術的諸多特點及應用潛能和廣闊前景密不可分。在此背景下，加大力度開展對熔融沉積快速成型技術的研究，使之更好地服務于人類、造福于社會，具有相當重要的戰略意義和現實意義。

FDM產業包括桌面級和工業級的熔融沉積快速成型技術，都曾經于2014年前經歷過高速發展。但從2014年以后，國內制造和銷售FDM打印機的廠商與2014年以前相比，數量上有大幅下滑，其在整個3D打印產業領域內所占的市場份額也呈現明顯萎縮之勢。拋開市場優勝劣汰的機制及行業洗牌、再度整合這些原因不談，就從熔融沉積快速成型技術本身而言，在發展到一個瓶頸階段，出現發展停滯不前的現象，必然有技術本身或者是大環境等層面所出現的各種問題。而在研究FDM技術發展停滯不前及未來可能走向等問題之前，我們需要對此項技術的技術原理、特點及發展歷史做一個細致的了解，這有助于我們掌握細節，從而找出問題真正出現的原因。

1 FDM成型技術的原理和特點

在1995年之前，3D打印這個名稱并不存在，在研究領域內被專家們所接受的名稱是“快速成型”。 快速成型技術是將計算機輔助設計 （ CAD）?，計算機輔助制造 （ CAM ） ，計算機數字控制 （ CNC） ，精密伺服驅動、激光和材料科學等先進技術集于一體的新技術。它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。簡單講，FDM又稱為熔絲沉積，是一種不依靠激光作為成型能源、而將各種絲材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加熱熔化進而堆積成型的一種成型方法[1]。

FDM機械系統主要包括噴頭、送絲機構、運動機構、加熱工作室、工作臺五部分，材料上使用成型材料和支撐材料兩部分。具體來講，FDM技術是將低熔點絲狀材料通過加熱器的擠壓頭融化成液體，然后再從噴頭擠出，擠壓頭沿零件截面輪廓運動，擠出的絲狀材料沉積固化，形成實件薄層，覆蓋于已建造的零件之上。一層成型后，工作臺下降一層高度，噴頭繼續掃描噴絲，如此反復逐層堆積，直至模型或零件完全成型[2]。FDM完美地運用了降維原理，把相對復雜的三維模型塑造轉化為簡單明了的多層二維平面，經無數層二維層面的循環堆積，進而又還原并制造出三維的模型或零件[3]。

FDM成型技術比其它3D打印技術有很多優點。（1） 使用和維護上相對比其它3D打印機簡單。（2）材料的可得性。一般的高分子材料如ABS、PLA、PC、PPSF以及尼龍絲、蠟絲均可使用，彩色材料也比其它打印機多。（3）環境友好。制件過程中無化學變化，不產生粉塵，不污染空氣和環境。（4）成本低廉，利于家庭、個人的普及及應用。（5）材料強度、韌性優良，可以裝配進行功能測試。由于在成型過程中無化學變化，也不容易導致制件的翹曲變形[3]。

正是由于FDM技術的這些優點，使其降低了產品的研發、生產成本，摒棄了傳統生產方式中的開模環節，縮短了生產周期，也縮短了最終產品與客戶的見面時間，提高了生產效率，從而加速了它向社會各方面滲透的力度和廣度，在技術上取得顯著進步的同時，也為社會帶來了巨大的經濟效益。

2 熔融沉積快速成型技術的發展史及目前國內的行業發展現狀

3D打印技術的核心制造思想最早起源于19世紀末的美國，到20世紀80年代后期3D打印技術發展才漸趨成熟并被廣泛應用。我們沿以時間軸，來看看整個3D打印行業的發展情況。

1860年，法國人申請了多照相機實體雕塑的專利。

1979年，日本人中川威雄發明疊層模型造型法。

1980年，日本人小玉秀男又提出了光造型法。此后幾十年，美國人把這些方法轉為實際應用。

1988年，科特克魯姆普發明了熔融沉積成型技術（FDM），次年科成立了Stratasys公司。

1992年，美國人赫利塞發明層片疊加制造技術，同年，Stratasys公司推出第一臺基于FDM技術的3D工業級打印機。

2001年，Solido開發出第一代桌面級3D打印機。

2009年，Bre Pettis帶領團隊創立了著名的桌面級3D打印機公司——MakerBot[4]。

MakerBot出售打印機的零配件，使購買者可自行組裝3D打印機，從此國外個人3D打印機產品市場開始蓬勃興起。其發展歷史從起源到正式被廣泛應用跨度相當巨大。因此，人們習慣上把3D打印技術稱之為上上個世紀的思想，上個世紀的技術，這個世紀的

市場。

國內的3D打印技術研究起步早，從90年代起，處于領先地位科研機構主要為一些高校以及相應的企業化單位，如清華大學、華中科技大學、西安交通大學與北京航空航天大學。以高校為依托的研究機構主要以研制工業級打印機為主，而另有一些企業在進行工業級打印機研制的同時，把重點目光投向了更具市場推力的桌面級打印機的開發與銷售上，并嘗試將技術研究、3D打印機研發銷售與3D打印服務整合在一起，以建立更完善的產業模式，形成更完整的產業鏈。

從2011年開始，中國的3D打印行業進入高速發展時期。近年來中國3D打印規模幾乎每年翻番，借著全球3D打印飛速發展和政府對這個行業的高度重視的東風，中國的3D打印行業也走上了發展的快車道。而且3D打印產值幾乎每年都會增加一倍，其增長幅度遠遠領先于世界其他國家。到2016年，中國3D打印機市場規模達到了100億元，是2012年的10倍[4]。

3 熔融沉積快速成型技術興盛的原因及目前發展停滯不前的原因

FDM技術在我國已經歷一段時期的高速發展。驕人的成績，與以下幾個因素密不可分：首先是行業大環境的東風。國外國內3D打印產業都在飛速發展，有時候用一日千里來形容并不為過。其次是政府的扶持與鼓勵。目前國內有關3D打印產業的大、小研討會每年都會有很多，在政府部門內部下設的機構中也有專門研發3D打印技術的專業團隊。第三是投入少、風險小、技術門檻相對低。這是FDM技術在家庭及個人應用領域普及和興盛的主因。第四是商人的趨利性。不管任何行業，只要前景好、投入產出比高，有利可圖，那么在這個行業內迅速出現蝴蝶效應，導致行業紅火興盛的現象必然隨之發生。然而事物的發展總是具有兩面性，物極必反這個原則同樣適用于這個行業。由于進入門檻低，要承擔的風險也很小，短時間內進入此行業謀求發展的公司和團體數不勝數。在經歷最初的新奇和喜悅后，從2014年開始，3D打印行業這塊大蛋糕不是變大了，而是變小了。以長三角為例，無數的3D打印公司開始堅持不下去，進而走上倒閉之路。還在繼續運營的公司在發展上也陷入一種停滯的兩難境地，進入苦苦支撐的狀態。是什么導致了3D行業進入了目前原地停步的狀態呢？筆者研究認為，下列幾個問題是導致此行業發展停滯不前的主要原因：

3.1 產業鏈發展的不平衡

3D打印產業雖然已經歷30多年的發展，行業已初具規模，但總體來說，屬于增材制造的3D打印產業化仍處于起步階段，與先進國家相比仍存在較大差距，尚未形成完整的產業體系，離實現大規模產業化、工程化應還有一定距離。3D打印的產業鏈包括材料供應、軟件開發、設備制造、公共服務平臺等幾個環節，這幾個環節環環相扣，為最終用戶創造獨特價值，缺一不可。但目前，用于3D打印的軟件是國外產品，國內在此方面的研究和開發還屬空白。用作3D打印的材料并不是很多，選擇范圍窄。對于3D打印設備本身的制造方面重視度不夠，機器外觀設計感低，技術層面無進展。產業鏈發展的不平衡最終會影響及拖累整個3D打印行業的發展。

3.2 材料的局限性

3D打印只是解決了快速成型問題，而材料本身的特性則沒有突破性的解決。首先，從材料工藝上，3D打印機打印出的金屬制品致密度低，最高能達到鑄造件致密度的98%，某些情況下低于鍛造件的力學性能。其次，從材料適用范圍看，工業領域中能供3D打印機打印的材料較少，較為成熟的金屬材料只有鋁硅合金、鈦合金、鎳合金和不銹鋼，雖然目前有大量的新材料成功研制，但其性能如何還未確定。而在醫學領域中，能使用的材料僅有數種，且最終成品還未能與生物相結合，只能用于模仿，如要實現特定功能，還需經過長時間的實驗與認證[5]。第三，從材料的成本來說，由于其屬于新興產業，對于特定的產品需要特殊的材料，但其原材料市場并不大，從而造成原材料的價格高昂等情況，從而提升成本價格。再者，用于FDM打印機的打印材料易受潮，需密封儲存，成型過程中和成型后也存在一定的收縮率等。這些材料上的局限性都會導致3D打印整個行業在發展的道路上緩步而行或停滯不前。

3.3 生產效率低下

3D打印在生產模式上與傳統生產模式有較大的區別。傳統生產模式通常是“多級分工+組裝”，其調動了整個制造業體系的產能，從而使工序效率到達最高點。而3D打印機在長時間的作業過程中，其維護成本和維護難度遠大于傳統生產鏈的平攤成本，控制系統智能化水平極低，在打印過程中很多情況下需要人工干預的介入，如果不干預，將造成無法繼續打印或將缺陷留在工件里，這種操作上的局限性大大影響了3D打印的廣泛普及。截至目前，3D打印整個行業仍沒有進入智能化使用的時代。

3.4 FDM自身技術上的缺陷

FDM型3D打印機雖然經過了幾十年的發展并且得到廣泛的應用，但它仍存在很多不足之處，比如成型精度低、打印速度慢、原材料價格昂貴、維護不便、需要設計和制作支撐、對動態物體清晰度的捕捉和實現等，這些都是制約3D打印快速發展的路障[6]。

4 熔融沉積快速成型技術未來的發展趨勢

2013年，麥肯錫公司將3D打印列為12項顛覆性技術之一，并預測到2025年，3D打印對全球經濟的價值貢獻將為2--6千億美元。誘人的前景及目前制約FDM快速發展的滯因決定了熔融沉積快速成型技術未來發展的的主要趨勢，即它們會朝著精密化、智能化、通用化以及便捷化四個方向發展[6]。精密化主要體現在3D打印的精度和質量，使產品能直接面向最終客戶，而不是停留在樣品制作階段。智能化和便捷化則主要體現在FDM打印機的軟件編程和操作上，降低人工成本，實現真正的遠程操作。通用化是要求FDM打印機及整個3D行業各種型號打印機統一標準并建構標準的制定機構，使其資源在共享時能有統一的格式和標準可做參考。另外，FDM技術在工商業、航天、教育及醫療各自的領域里，其發展趨勢也將各有不同。工商業、建筑、航天、醫療領域主要集中在研究和拓展FDM所應用的材料上，使行業自身的材料可得性更廣泛以外，讓特殊行業也能享受3D行業發展所帶來的利好。教育領域里，則是加大大、中、小學3D打印機的普及力度，使3D打印技術真正實用于民，不再作為尖端科技而存在。

5 結語

FDM技術發展至今，整個行業進入了一個瓶頸期。這既與國際、國內大環境相關，也與技術、產業鏈本身的局限有關。我們只有進一步平衡3D打印產業的整個產業鏈，使之協調、并頭發展，大力開發種打印技術的耗材與應用，降低材料成本，并使3D打印同互聯網深度融合，促使整個行業進入智能時代，才能迎來此技術大飛躍的另一個春天。

參考文獻：

[1] 楊繼全，鄭梅等.3D打印技術導論[M].南京：南京師范大學出版社，2016.

[2] 楊向東，張鵬飛，陳文軍，李翠坤，陳澤茫.桌面型3D打印機工藝研究[J].機電工程技術，2016（04）.

[3] 吳懷宇.3D打印：三維智能數字化創造.北京：電子工業出版社，2015.1.

[4] http：//baike.baidu.com

[5] 唐通鳴，張政，鄧佳文等.基于FDM的3D打印技術研究現狀與發展趨勢[J].化工新型材料，2015，43（6）.

[6] 劉洋子健，夏春蕾等.熔融沉積成型3D打印技術應用進展及展望[J].工程塑料應用，2017，45（3）.

[7]王聰聰，詹儀.3D打印技術的應用與發展前景[J].出版與印刷，2014（04）.

[8] 劉金暢.3D打印技術以及應用趨勢 [J].電腦知識與技術，2014（34）.

[9] 陳慶，曾軍堂，陳韋坤.3D打印塑料材料技術現狀和發展趨勢[J].新材料產業，2015（06）.

[10] 李新，孫良雙，楊亮，彭家麗，李洪波，葉正濤.FDM3D打印高分子材料改性及應用進展[J].膠體與聚合物，2017（03）.

[11]陳之佳.FDM快速成型中若干關鍵技術研究[D].華中科技大學，2004.