3D打印材料前景可期 工藝面臨挑戰(zhàn)

堆積制造(Additive Manufacturing，AM)技術(shù)，俗稱3D打印技術(shù)，以計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束或其他手段將塑料、合金等特制粉末進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。這一技術(shù)始于快速成型技術(shù)(RP)，綜合應(yīng)用了CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、光化學(xué)以及材料科學(xué)等諸多方面的技術(shù)和知識(shí)，目前已經(jīng)發(fā)展出激光燒結(jié)技術(shù)、熔融沉積成型技術(shù)、立體光刻技術(shù)、噴墨沉積(3D打印)技術(shù)、電子束(e-beam)熔煉技術(shù)、超聲波固結(jié)技術(shù)(UC)等幾種類型。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ASTMF42)召開的技術(shù)委員會(huì)決定，堆積制造技術(shù)是以上諸類技術(shù)的總稱。

當(dāng)前，在全球范圍內(nèi)堆積制造已初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計(jì)未來5～10年，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步及市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，以3D打印機(jī)為代表的堆積制造業(yè)將呈現(xiàn)新的發(fā)展趨勢(shì)。

2016年市場(chǎng)規(guī)模過31億美元

堆積制造技術(shù)誕生25年以來，已應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，年均增長(zhǎng)率接近27%。

堆積制造技術(shù)誕生25年以來，已應(yīng)用于從航空航天到牙科和口腔正畸等各個(gè)行業(yè)，堆積制造產(chǎn)品和服務(wù)收入的年均增長(zhǎng)率接近27%。據(jù)市場(chǎng)研究公司W(wǎng)ohlers Associate發(fā)布的2012年度報(bào)告，2011年堆積制造業(yè)銷售收入達(dá)16.8億元，比上年增長(zhǎng)29.4%。據(jù)預(yù)測(cè)，到2016年該行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到31億美元，到2020年將增長(zhǎng)到52億美元。

首先是個(gè)人應(yīng)用增加。隨著2000美元以下堆積制造設(shè)備的引入，個(gè)人或團(tuán)體愛好者越來越可能購(gòu)買和使用堆積制造設(shè)備。其次是專利權(quán)的到期加速了其在國(guó)際范圍的應(yīng)用。早期堆積制造專利面臨到期，并開始影響到新設(shè)備的開發(fā)及其在美國(guó)和海外的應(yīng)用。

主要國(guó)家積極推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

從堆積制造應(yīng)用來看，歐洲占29.1%，北美占40.2%，亞洲占26.3%，其他地區(qū)占4.4%。

美國(guó)和歐洲在堆積制造技術(shù)的研發(fā)及推廣應(yīng)用方面具有領(lǐng)先地位。美國(guó)在3D打印機(jī)領(lǐng)域居于壟斷地位，是全球3D打印技術(shù)和應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者。當(dāng)前，美國(guó)Z Corporation和斯特塔西（Stratasys）兩家公司的產(chǎn)品在全球占有絕大多數(shù)市場(chǎng)份額。1994年，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的科研和技術(shù)專家發(fā)明了3D打印技術(shù)并申請(qǐng)了專利。1997年，Z Corporation公司正式成立，并將3D打印技術(shù)推向市場(chǎng)，其3D打印機(jī)產(chǎn)品在全球市場(chǎng)份額中占一半以上。美國(guó)Stratasys公司也率先推出了基于FDM技術(shù)的快速成型機(jī)，并很快發(fā)布了基于FDM的Dimension系列3D打印機(jī)。

當(dāng)前，由于FDM技術(shù)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在汽車、家電、電動(dòng)工具、機(jī)械加工、精密鑄造及工藝品制作等領(lǐng)域使用。歐洲緊隨美國(guó)重視對(duì)3D打印機(jī)的研發(fā)應(yīng)用，至今已生產(chǎn)出多種新產(chǎn)品。具有代表性的有意大利發(fā)明家恩里科·迪尼(Enrico dini)發(fā)明的一臺(tái)巨大的3D打印機(jī)，這臺(tái)機(jī)器可以用沙子直接打印立體的建筑。歐洲飛機(jī)制造公司空客公司(Airbus)正推出3D打印飛機(jī)計(jì)劃，預(yù)計(jì)2050年前完成，此計(jì)劃將使用機(jī)庫(kù)般大小的3D打印機(jī)，制造飛機(jī)零件。

其他國(guó)家也在不斷加強(qiáng)堆積制造技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用。澳大利亞近期制定了金屬堆積制造路線；南非正在扶持基于激光的大型堆積制造機(jī)器的開發(fā)；日本著力推動(dòng)堆積制造技術(shù)的推廣應(yīng)用；中國(guó)堆積制造設(shè)計(jì)服務(wù)市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，已有幾家企業(yè)利用堆積制造技術(shù)生產(chǎn)機(jī)器設(shè)備和提供服務(wù)。從堆積技術(shù)的應(yīng)用來看，歐洲地區(qū)占29.1%，北美地區(qū)占40.2%，亞洲地區(qū)占26.3%，其他地區(qū)占4.4%。其中，亞洲地區(qū)的應(yīng)用主要集中在日本和中國(guó)。

堆積制造業(yè)依然面臨挑戰(zhàn)

堆積制造業(yè)已經(jīng)有了長(zhǎng)足發(fā)展，但有關(guān)材料、工藝、設(shè)備和應(yīng)用的挑戰(zhàn)依然存在。

(一)材料可用性
目前的可用原料還不多，開始逐步從樹脂、塑料擴(kuò)展到陶瓷、金屬，乃至最新的金、銀以及強(qiáng)度極高的鈦和不銹鋼等材料。雖然已有大量的同質(zhì)與異質(zhì)材料混合物應(yīng)用于堆積制造業(yè)，但仍然需要開發(fā)更多的材料。其中包括更好地理解已經(jīng)使用的材料的加工-結(jié)構(gòu)-屬性之間的關(guān)系，從而了解這些材料的局限性和優(yōu)點(diǎn)。此外，還需要開發(fā)質(zhì)量測(cè)試程序和方法，以幫助擴(kuò)展可用材料的種類。另外還需要為材料提供力學(xué)性能數(shù)據(jù)的規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)，也需要更詳細(xì)的由這些材料性能制成零部件的規(guī)范信息。工程師和設(shè)計(jì)師在沒有充分認(rèn)識(shí)材料屬性之前，是無法進(jìn)行相應(yīng)零部件設(shè)計(jì)的。目前很多堆積制造工藝和材料已經(jīng)得到研發(fā)。因此，建立全面的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)只需要整合資源，但這需要研究機(jī)構(gòu)以及系統(tǒng)與材料制造商共同參與。

(二)工藝條件
一是工藝控制。為提高機(jī)器之間的連貫性、重復(fù)性和統(tǒng)一性，需要有內(nèi)部過程監(jiān)控和閉環(huán)反饋的方法。應(yīng)認(rèn)真審查原位傳感器，以此來提供無損性評(píng)估，并使之能夠進(jìn)行早期缺陷檢測(cè)，特別是與熱能控制有關(guān)的缺陷檢測(cè)。較好的流程控制也將減少設(shè)備故障時(shí)間，而這是目前許多機(jī)器和工藝面臨的主要問題。二是工藝?yán)斫馀c建模。要了解和預(yù)測(cè)材料性能(如表面粗糙度和疲勞性能)，就需要有堆積制造工藝的新物理模型。更好地理解基礎(chǔ)物理學(xué)將有助于創(chuàng)建預(yù)測(cè)性模型，使設(shè)計(jì)師、工程師、科學(xué)家和用戶能夠估計(jì)零部件在設(shè)計(jì)過程中的功能特性，并調(diào)整設(shè)計(jì)以達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。

(三)設(shè)備要求
一是需要建立設(shè)備認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)可以幫助實(shí)現(xiàn)機(jī)器到機(jī)器以及部件到部件的可重復(fù)性。政府的資格審查程序使得行業(yè)規(guī)范更加嚴(yán)格。因此，盡可能簡(jiǎn)化這些必要的程序可以幫助獲取更多的堆積制造技術(shù)。依靠標(biāo)準(zhǔn)化的材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)設(shè)備或工藝水平的認(rèn)證可以幫助減少認(rèn)證時(shí)間和精力消耗。二是設(shè)備的模塊化。許多用于堆積制造的控制器與設(shè)備模塊有封閉式的架構(gòu)，使用戶難以測(cè)試新鑄造程序、材料等。開放式架構(gòu)控制器和可重構(gòu)設(shè)備模塊將使制造和研究更靈活，這類似計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)加工系統(tǒng)的模式。

(四)設(shè)計(jì)工具
堆積制造要求開發(fā)和廣泛運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)工具。對(duì)于直接零部件制造，需要新的工具來優(yōu)化形狀和材料性能，同時(shí)設(shè)計(jì)復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，以最大化地減少材料使用和重量。對(duì)于非專業(yè)性市場(chǎng)，基于網(wǎng)絡(luò)的新設(shè)計(jì)工具可能允許非專業(yè)人員創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)滿足其需求的產(chǎn)品。新的支持Web的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境會(huì)帶動(dòng)專業(yè)設(shè)計(jì)師連同初級(jí)用戶一起進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。

對(duì)于直接零部件生產(chǎn)而言，依然面臨4個(gè)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)：一是變形開裂——主要是熱應(yīng)力控制不好，容易變形，控制變形又容易開裂；二是內(nèi)部質(zhì)量——力學(xué)性能低，無法承受住疲勞高溫等；三是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——對(duì)任何一個(gè)新技術(shù)產(chǎn)業(yè)來說，標(biāo)準(zhǔn)都是很重要的；四是成套裝備——缺乏大型裝備(如真空爐，目前歐洲已具有30噸的真空爐)，只適合做小型零件激光快速成型。 [!--empirenews.page--]