3D打印的突破之道

俞凱怡

最近10年來，3D打印市場(chǎng)的年平均增長(zhǎng)率超過25%，3D打印的終端用戶正在跨越航空航天、醫(yī)藥、汽車等高價(jià)值垂直行業(yè)，應(yīng)用場(chǎng)景更趨多元。材料是3D打印技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，決定了該技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用的深度和廣度，甚至成為實(shí)現(xiàn)3D打印規(guī)模化發(fā)展的一大挑戰(zhàn)。隨著3D打印技術(shù)的多樣性、復(fù)雜性不斷增長(zhǎng)，適用于該領(lǐng)域的各類新材料也在隨之驟增。

愈加廣泛的材料組合

3D打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)材料組合的可控調(diào)節(jié)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確制造方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可減少原材料的浪費(fèi)，且適度使用新的智能材料。中國(guó)工程院院士、西安交通大學(xué)教授盧秉恒認(rèn)為這些特性使3D打印成為高端制造的利器，“在計(jì)算機(jī)控制下，把需要的材料按照設(shè)計(jì)累加到需要的地方，實(shí)現(xiàn)控形控性。3D打印技術(shù)能在可控條件下，快速將不同材料混合在一起，打印試件或零件，因此可以按照材料基因組方法，實(shí)驗(yàn)與發(fā)明新合金、新復(fù)合材料，為工業(yè)應(yīng)用快速開發(fā)出更多更好的新材料，滿足高端裝備、新產(chǎn)品的多方面需求。”

盡管3D打印材料的成本是傳統(tǒng)制造類似材料的數(shù)倍乃至百倍以上，但3D打印高還原和高精度的數(shù)字化特性仍讓其深受各行各業(yè)的歡迎，3D打印市場(chǎng)也順勢(shì)囊括了越來越廣泛的材料組合，全球范圍內(nèi)的材料研發(fā)機(jī)構(gòu)和制造企業(yè)都在積極開發(fā)適用于3D打印的新材料，新的材料供給不斷涌現(xiàn)。

汽車產(chǎn)業(yè)是3D打印應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，各大汽車品牌都在布局研究3D打印的相關(guān)技術(shù)與材料，期望使用3D打印工藝批量生產(chǎn)一些終端零件，為消費(fèi)者提供舒適、輕量化、易用的產(chǎn)品，給他們的愛車帶來更多不同的風(fēng)格，一些愿景遠(yuǎn)大的老牌車企甚至冀望于自己投資的新材料團(tuán)隊(duì)與合作伙伴能夠開發(fā)出具有革命性的3D打印新材料。

3D打印材料的演進(jìn)從未停止。比如光聚合物材料是3D打印技術(shù)推廣以來應(yīng)用極為廣泛的材料之一，應(yīng)用于眾多實(shí)際使用場(chǎng)景，可直接打印電子接插件、裝配零件、殼體、高精細(xì)工業(yè)零部件等終端應(yīng)用配件，其細(xì)分品類不斷升級(jí)。以生產(chǎn)具有優(yōu)異機(jī)械性能的零件而聞名的鈦合金粉末是當(dāng)前價(jià)值最高、應(yīng)用最廣泛的3D打印金屬材料之一，其細(xì)分品類同樣眾多。另一種被廣泛使用的鋁合金亦是如此，隨著市場(chǎng)對(duì)具有特殊性能的鋁合金需求越來越旺盛，具備耐高溫、高強(qiáng)度、高韌性屬性的鋁合金是船舶、航空、航天、汽車等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的稀缺品，有新材料研發(fā)機(jī)構(gòu)據(jù)此需求推出的強(qiáng)度更高的、可在更高溫度下保持性能的3D打印鋁合金為客戶的產(chǎn)品升級(jí)帶來了新的可能。

只是突破永遠(yuǎn)會(huì)在下一場(chǎng)。高強(qiáng)度、高塑性的3D打印鈦合金仍在爬坡升級(jí)，客戶卻似乎有了新的想法。空客公司與材料制造商正試圖以由連續(xù)纖維與熱塑性塑料構(gòu)成的3D打印復(fù)合材料支架替換原有的鈦合金產(chǎn)品，因?yàn)閺?fù)合材料在性能可靠的情況下可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的輕量化，在使用壽命期間大量減少碳排放。這里被提及的纖維增強(qiáng)熱塑性塑料是新興工業(yè)材料的代表作之一，擁有更多也更新的優(yōu)異特性，如高強(qiáng)、輕質(zhì)、導(dǎo)電、耐腐蝕、高吸波性等，賦予3D打印成品更高的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。

讓材料與工藝更契合

3D打印技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了“風(fēng)起”、“狂熱”、“退燒”和“回歸”的不同階段，雖然被公認(rèn)為是生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品、替換零件、按需制造以及大規(guī)模定制產(chǎn)品的理想選擇，然而3D打印并不是“簡(jiǎn)單按鍵”就能搞定的技術(shù)，其作為典型的數(shù)字化制造技術(shù)，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)再到質(zhì)量保證的全套流程都運(yùn)轉(zhuǎn)著海量數(shù)據(jù)，適用材料、生產(chǎn)參數(shù)、質(zhì)量要求等因素相互影響、依存，對(duì)其的認(rèn)知永遠(yuǎn)“在路上”，每一項(xiàng)要素的變化都可能帶來新增長(zhǎng)點(diǎn)，材料的適用與否更是如此。

3D打印技術(shù)直接將3D設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品后，其外觀和內(nèi)在特性均有保障，“用多種不同材料打印零件，將材料分層，不同材料打印在不同層，零件就可以實(shí)現(xiàn)表面是耐磨、耐腐蝕的，里面是高強(qiáng)度、韌性好的，再里面就是疏松的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。如此一來，產(chǎn)品在增強(qiáng)剛性的同時(shí)減輕了重量。”但材料的成熟度和擴(kuò)展方向一直都是3D打印領(lǐng)域發(fā)展的重要問題，為開發(fā)特定用途的新型3D打印材料，縮短發(fā)現(xiàn)這些新材料所需的時(shí)間，研究人員已經(jīng)開始使用人工智能優(yōu)化具有多種特性，如韌性和抗壓強(qiáng)度的新型3D打印材料。3D打印的價(jià)值鏈上有著巨大的增長(zhǎng)機(jī)遇，據(jù)預(yù)測(cè)，一方面新材料源源產(chǎn)出，每推出一種即有新的3D打印應(yīng)用供各方探索，一方面仍在使用的3D打印機(jī)將繼續(xù)消耗原有的打印材料，由此并行、疊加，3D打印材料的全球市場(chǎng)規(guī)模有望在2032年增長(zhǎng)至300億美元。

3D打印材料較好體現(xiàn)出“小而美，高精尖”的產(chǎn)品價(jià)值導(dǎo)向，有些產(chǎn)品甚至是“單品、單線、單獨(dú)工藝”，這有其益處也不乏弊端。西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院特聘教授、機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任李滌塵這樣解讀目前市場(chǎng)上較為普遍的3D打印材料與設(shè)備綁定的現(xiàn)象，“材料和設(shè)備工藝的綁定，的確有封閉的一面，但是也有其存在的合理性，因?yàn)椴牧细に嚸芮邢嚓P(guān)。工藝是根據(jù)使用的材料做了大量的實(shí)驗(yàn)形成的，如果脫離原先的材料，還用這個(gè)工藝參數(shù)去做，一旦不成功，設(shè)備廠商就可能面臨責(zé)備。實(shí)際上并非設(shè)備本身的問題，而是工藝參數(shù)和材料的作用關(guān)系導(dǎo)致。”

3D打印新材料的性能與產(chǎn)品契合度永遠(yuǎn)是用戶關(guān)注的重點(diǎn)，各方都在期待材料和工藝的更好結(jié)合，彼此心聲趨同：“如果我們希望制造商在工業(yè)生產(chǎn)中越來越多地采用3D打印，他們需要獲得更多的功能性材料，這些材料的性能、法規(guī)、安全和質(zhì)量都與他們的應(yīng)用相匹配。這需要扎實(shí)的材料專業(yè)知識(shí)來設(shè)計(jì)材料，使其不僅在離開打印機(jī)時(shí)表現(xiàn)出所需的性能，而且隨著時(shí)間的推移，在不同的功能和環(huán)境條件下也表現(xiàn)出所需的性能。”