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3D打印，未來路在何方？

2020-5-12 來源：- 作者：-

摘要：20世紀80年代後期，一種基於材（cái）料增長理論的快速成形技術橫空出世，開啟了增材製造時代（那時稱（chēng）為快速成形）。到21世紀初，增材製造技術已（yǐ）成為製造業中一顆冉冉升起的（de）新（xīn）星（xīng），被譽為第三次工業革命的標（biāo）誌。我國增（zēng）材製造的研究起步於20世紀（jì）90年代，發端（duān）於高校，主要包括清華大學、華中科技大學、西安（ān）交（jiāo）通大學等。

3D打（dǎ）印相（xiàng）關概念及發展現狀

他山（shān）之石，可以攻玉。1989年，中國（guó）組織了一個代表團到美國參加（jiā）自然基金會會議，王（wáng）運贛教授第一次（cì）看到（dào）采用光固化技術的快速成形機（jī），感到非常（cháng）震撼，與減材製造不同，快速成形製造的毛坯小於零（líng）件，勢必引起製造方法上的革命。多批次中國學者對美國的（de）訪（fǎng）問、蹣跚起步的光固化技術與分層實體製造技術的摸索（suǒ）等，為我國3D打印的誕生和（hé）發展奠定了（le）基礎。

2014年，通過（guò）昆山（shān）市（shì）的人才引進、資金（jīn）與場地支持（chí）、市場化運營（yíng）協（xié）助，在昆山工業（yè）技術研究院的大力（lì）支持下（xià），王教授創建了昆（kūn）山博力邁三（sān）維打（dǎ）印科技有限公司，依托工研院先進三維噴印裝備研究所的研（yán）究力量，主持開發和生產了多種國（guó）內首創的3D打印機，特別在氧化鋯陶瓷義齒製作等（děng）方麵的應用取得了可喜進展。

“在這個新技術領域，我們已經與國外站在（zài）同樣的（de）高度，不必妄自菲薄。”目前，清華大學、西安交通（tōng）大學、華中科技大學、上海交通大學等國內高校都（dōu）在招（zhāo）收3D打印的研究生，在本科生的（de）課程裏（lǐ）也（yě）加（jiā）入了相關教育。我們與國外的差距（jù）主要體現在打印材料上，引用王教授（shòu）的話，“設備是手段、材（cái）料是基礎、工（gōng）藝是靈魂”，未來國內3D打印的發展之路，應該在打印材料（liào）的研發上下大功夫。

過度（dù）誇大引起的捧殺效應。在（zài）過去幾年裏，3D打印成（chéng）為了熱詞，這其中媒體的作用不可忽視（shì）。用“捧殺”一詞（cí）形容（róng）當時的3D打（dǎ）印狀況較為恰（qià）當，那時，3D打（dǎ）印被廣為熟知的是桌麵式熔絲製造（zào）（FDM）技術（shù），被媒體誇張宣傳成了（le）一門（mén）無所不能的技術，人人爭相入局購買，然而（ér）由於這種機型的局限性，粗製濫造、效率低、壽命短漸漸成為（wéi）了FDM技（jì）術的代名詞（cí），背負了無用的罵名。當時，“技術方麵該說（shuō）的沒說到，而不該說的又說得太多”，王教授（shòu）表示，今後契合於（yú）3D打印技（jì）術特點（diǎn）的研究方向（xiàng）才是發展正途。

“快速成形”、“3D打印”與“增材製造”。沉澱多年的“增材製造”技術經美國前總統奧巴馬解讀變臉為“3D打印”，漂洋過海撲麵而來，加上最初出現的（de）“快（kuài）速成形”，使得不少人莫名其妙，這三個名稱究竟是什麽關係？可（kě）以說快速成形=3D打印=增材製造嗎？正如減材製造技術，在（zài）其發展的不同時期，有不同的代（dài）表子技術（車、銑、刨、鑽、磨、電加工等），雖然它們都基於（yú）減材製（zhì）造技術原理（lǐ），但不能簡單地在這（zhè）些子技（jì）術之間劃等號。增材製造在其發展的不同時期，也有不同（tóng）的子技術，20世紀末剛（gāng）出現時的子（zǐ）技術稱為“快速成形”（RP，快速原型製造），因為那時局限於製造外形相似的原型樣件。發展到現在，增（zēng）材製造的（de）子技術稱為“3D打印”，強調的是製造真實可用的功能器件。因此（cǐ），快速成形（xíng）和3D打印是增材製造發展不同時期的子技術，其原理都屬於（yú）增材製造，兩者之間不（bú）能簡單劃（huá）等號（hào）。

3D打印（yìn）采用增材製造的方式，是“減材製造”和“等材製造（模（mó）具成形）”的重要補充，同時也將有效（xiào）地推動製造業的轉型升級。在問及3D打印的發展趨勢時，王教授表示：塑料和金屬的打（dǎ）印高峰已（yǐ）過，進入了一個（gè）平穩期，而陶（táo）瓷的打印正處於上升期，這也是3D打印最值得期待的發（fā）展領域。

打印速度不是優勢，要注重發展精細複雜工件的打印。3D打印的（de）核心是將3D製造轉化為2D製（zhì）造，通過一層層2D樣片堆疊而（ér）成最終工件，3D打印的優勢在於無需花大量的時間和費用去設計、製（zhì）造模具，就能直接製造形狀複雜的個性化定製工件，然而打印一層層2D樣片相當（dāng）費時，速度並不是（shì）優勢，打印一個工件動輒要數小時甚至數天（tiān），這對於大規模工業化應用（yòng）無疑是巨大阻礙，如何有效提升效率，使3D打印機成為一種生產機械，是整個行業麵對的難題。王教授認為，近年（nián）來出現的多噴頭（tóu）並（bìng）行協同運行3D打印機，是實現上述高效目標的一個很好的探索。另（lìng）一方（fāng）麵，要充分發揮3D打印的獨特優（yōu）勢，注重發展打印精細複雜工件。

高性能陶瓷3D打印機，打造個人定製複雜件

目前，陶瓷3D打印發展已步入快車道，在許多（duō）方麵展露出（chū）優異的性能（néng）。陶（táo）瓷3D打印是材料科學與增材（cái）製造技術相（xiàng）結合的典範，采用陶瓷粉末與光敏樹脂混合為漿（jiāng）體的打印材料，通過激光逐層固化成形為陶（táo）瓷生坯，再經脫脂燒結等工（gōng）序，得到（dào）最終的高性能陶瓷工件。這種方法製作的（de）陶（táo）瓷產品（pǐn）的理化性能（néng）已能媲美常規的注射成（chéng）型或（huò）幹壓成型。

王教授認為，義齒是陶瓷3D打印的皇冠（guàn）明珠（zhū），對生物性能、理化性能、形貌和尺寸精度等諸多（duō）方麵有非常高的要求，且每個人（rén）每一顆牙齒的各項參數都不（bú）盡相（xiàng）同，屬於真正的個性化定製，采用（yòng）傳統的義齒製作技術已經很難（nán）滿足（zú）現代（dài）人的要求，而塑料和金屬的（de）3D打印在技術和性能方麵（miàn）也顯露出了弊端。

博力（lì）邁公司研製的高性（xìng）能陶瓷3D打印機具有完全自主知識產（chǎn）權，采用激光掃描固化高陶瓷含量漿（jiāng）料，能打印（yìn）氧（yǎng）化鋯、氧化鋁（lǚ）等各類生物陶瓷工件。作為科技部重點專項“口（kǒu）腔修複體3D打印臨床應用示範”的首選陶瓷3D打印機，其特點主要包括：采用先（xiān）進激光（guāng）-振鏡掃描成形（xíng）原理；漿料性能穩定，打印（yìn）陶瓷件的密度和強度高；采用循環式加料與餘料回收，材料利用（yòng）率高；刮（guā）刀傾角可變，鋪設漿料薄層均勻、平坦；采用特殊防卡結構設計，運行更可靠（kào）；多項打（dǎ）印參數（shù）可調，工藝性和材料適應（yīng）性更好。

是盲崇仿效，還是走中國創新（xīn）之路？

往往，國（guó）外公司推出一種新機型，國內立即有諸多企業盲崇（chóng）仿（fǎng）效，通過減少造（zào）價的方式迎合一部分市場。從設計理念看，即使國際知名公司推出的某些產（chǎn）品（pǐn），也不（bú）一定完美無瑕，也還（hái）有（yǒu）許多值得商榷之處。我國的3D打印技術雖然起步比美國（guó）晚幾年，但國（guó）家十分重視，發展也較快，有（yǒu）些設計理念甚至比較超（chāo）前。下麵以博力邁公司的工業級熔絲製造（FFF）3D打印機（圖4）為（wéi）例，提出幾個有關設計理念的問題，期（qī）與業界交流探討。

博力邁公司研（yán）製的工業級熔絲製造3D打印機（jī）

是（shì）封閉式，還是敞（chǎng）開式？采用封閉式的設計，一大主因就是出於美觀。對於大型FFF式3D打印機床（chuáng），一項非常重要的考量是操作方便性。如果（guǒ）機身非全封閉，那麽可在打印（yìn）機（jī）的固定工作台上，再設置左右各一個活動工作台，兩（liǎng）個活動工作台輪流工作更能提高效（xiào）率（lǜ）。

是全室加熱，還（hái）是工件保溫？在許多大（dà）型FFF式3D打印機中，采用風機向成形室鼓送熱風，使打印件能持續保溫，但副作用是成形室內的零件長時（shí）間處於較高溫度下工作，容易造成故（gù）障、失效。其實，為使（shǐ）打印件保溫，並非必須（xū）對成形室進行（háng）全室（shì）加（jiā）熱，可以借鑒家庭浴室浴霸取暖的設計，機床四周固定四個定向紅外射燈，紅外燈隨打印進程同步提升，持續加溫打印（yìn）樣件，簡單（dān）實用、效果明顯。

3D打印機創意加熱

是籠框式（shì）布局，還是梁柱式布局？目前（qián）市售的大型FFF式（shì）3D打印機多采用（yòng）簡（jiǎn）易的落地籠框式布局，剛度嚴重不足。博力邁公司吸取傳統大型壓力機的成熟經驗，采用由（yóu）上橫梁（liáng）、下橫梁、活動橫梁和4根導向（xiàng）柱構成（chéng）的“3梁4柱”式布局，導向柱粗壯結實，在打印機下部還設置敦實的機座，剛度顯著提高。

是工作台運動，還是噴頭運動？受小型（xíng）桌麵（miàn）機的影響，普通FFF式3D打印機在打印過程中，每打印一層，大型工件必須跟隨工作台，快速精確地下降一（yī）個層厚。這顯然不妥（tuǒ）！應該是質量較輕的噴頭（tóu）抬高一個層厚，減少因沉重工件與工（gōng）作台（tái）下降引起的損耗。

雙（shuāng）噴頭3D打印

前不久，國際頂級期刊《Nature》報道了哈佛大（dà）學多材料3D打印新技術，通過不同材料在噴嘴處進行輪換打印而（ér）實現（xiàn）多材料（liào）的3D打印，引起了巨大反響，但打印速度的（de）問題仍然不得解決。而（ér）博力邁公司研製的FFF式3D打印機，首次實現（xiàn）了雙噴（pēn）頭並行協同材料的（de）擠出成形，兩（liǎng）個擠出不同材料的噴頭並行協同運行，打印軌跡自動生（shēng）成、協同運行防（fáng）誤撞，打印效率成（chéng）倍增長。據王教授（shòu）透露，打印速度可達（dá）單噴頭的1.5至1.7倍。

結語

麵對目前（qián）全球蔓延的新冠肺炎疫情，國內市場需求總體仍（réng）顯疲弱，企業（yè）麵臨需（xū）求不足、訂單下降的困難，而國外疫情的持續蔓（màn）延，又將加重外部情況的複雜性，行業企業關停、虧（kuī）損的消息動搖人心（xīn）。而比這更可怕的是低（dī）價競爭，無底線的低價競爭降低了產品（pǐn）質量，最終擾（rǎo）亂了市場，累死自己、餓（è）死同行、坑死（sǐ）企業的例子屢見不鮮。正如當下的中美關係，合則兩利、鬥則（zé）俱傷（shāng）。王教授表示，隻有加強彼此之間的合作（zuò），把競爭者變成合作夥（huǒ）伴，同時加強行業約束（shù）力，才能實現共贏。

以先進三維噴印（yìn）裝備研究所作為智力支撐，博力邁公司步入創新發展“快車道”。從長遠看，發展（zhǎn）增材製造（zào）技術是推進製造業轉型升級的重要任務，特（tè）別是新材料的（de）不斷湧現，將加速3D打（dǎ）印技術的應用和發（fā）展。

作者簡（jiǎn）介：

王運贛，華中科技大學教授、博士生導師，英（yīng）國伯明翰大學（xué）榮譽研究員，享受國務院特殊津貼（tiē）專家，曾任華中（zhōng）科技大學校長助理，現任昆山博力邁三維打印科技（jì）有限公司董事長、先進三維噴印裝備研究所所長。20世紀90年代初以來，研發（fā）了多種國內首創的3D打印（yìn）機，已出版有關3D打印技術專（zhuān）著（zhe）14本（běn）。

本（běn）文是中國機床工具工業協會特種加（jiā）工機床（chuáng）分會對昆山博力邁三維打印科技有限公司（sī）董事長、先進三維噴印裝備研究所（suǒ）所長王運贛教授的專訪。

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