文/ 王 冰

3D打印技術(shù)這種全新的制造技術(shù)正在變得無所不能。先是美國賓夕法尼亞大學(xué)宣布用改進的3D打印技術(shù)打印出了鮮肉，這種利用糖、蛋白質(zhì)、脂肪、肌肉細(xì)胞等原材料打印出的肉具有和真正的肉類相似的口感和紋理。其后不久，空客公司的機艙設(shè)計師宣布將從打印飛機的小部件開始，最終在2050年左右用3D打印機打印出整架飛機。

有人說，對于彌合數(shù)字世界和物理世界之間的差距，如果說與設(shè)計文件之間的角力是一項挑戰(zhàn)的話，那么另一項挑戰(zhàn)就是將原材料變成設(shè)計者想要的形式?，F(xiàn)在，材料的局限性成為這一挑戰(zhàn)最大的瓶頸。

塑料：最普及的打印材料

目前，3D打印設(shè)備主要以塑料為原料，大多數(shù)消費類3D打印機（通過打印頭沉積原材料）使用一種名為ABS的熱塑性材料。大部分SL打印機（立體光刻）使用光敏熱性固體聚合物，LS打印機使用熱塑性粉末。塑料工程師將塑料分成兩大類：熱塑性塑料和熱固性聚合物。熱塑性塑料可以加熱融化，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不改變，所以它們可以反復(fù)融化使用。而熱固性聚合物加熱后會固化，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，因此只能使用一次，不能融化分解為可反復(fù)使用的液體。

可將廢棄塑料變成3D打印材料的機器

此外，3D打印機還可以使用其他類型的塑料，比如軟塑料，也叫“彈性體”，就像它的名字一樣，這種橡皮筋似的材料具有多種彈性性能。這種材料有些可以從注射器中擠壓出來然后風(fēng)干，比如硅樹脂。另一些柔軟有彈性的物體可以通過熔融一種熱塑性彈性體來打印，就像制造硬質(zhì)塑料的過程。

雖然塑料已經(jīng)成為低成本的代名詞，但是3D打印塑料卻價格不菲。事實上，塑料打印材料的成本很快會成為3D打印機運行成本中的重要部分。一位名叫泰勒·麥克楠尼（Tyler McNaney）的美國大學(xué)生，正在開發(fā)一種可將廢棄的家用塑料制品轉(zhuǎn)換成3D打印的原材料機器，足以降低3D打印的成本。據(jù)了解，這款名叫Filabot的設(shè)備，可將廢棄的材料熔化成塑料細(xì)絲，供3D打印使用并再一層層地形成物體。

通常來說，英國塑料細(xì)絲的成本為每千克50英鎊，這使得3D打印價格昂貴，尤其是在不小心打印出錯時。但現(xiàn)在，有了這臺新發(fā)明設(shè)備的幫助，不管是使用錯誤的打印制品還是被廣泛采用的塑料制品，3D打印的價格會變得實惠許多。

金屬：未來發(fā)展的重點

3D打印的材料多為塑料、無機粉料、光敏樹脂和石膏等，而如果真要“打印”出大多數(shù)的工業(yè)化產(chǎn)品，光靠這些材料是遠遠不夠的。而對于3D打印技術(shù)最重要材料之一的金屬構(gòu)件，似乎已經(jīng)變成3D打印的軟肋，目前的研發(fā)和生產(chǎn)的進度還很慢。

在3D打印技術(shù)發(fā)展的早期，有質(zhì)疑者認(rèn)為，這種新技術(shù)無法在“真正的”制造機器中立足。原因就是那時的3D打印機還不能制造金屬零件。然而，現(xiàn)在一些先進的3D打印機已經(jīng)可以打印鋼、鈦甚至鎢這樣傳統(tǒng)制造工藝很難塑造的硬質(zhì)合金。

澳大利亞Swinburne大學(xué)的金屬打印機

目前可行的幾種金屬打印方法有：一是使用多步驟工藝，即首先在金屬粉末上涂敷熱敏塑料粘合劑，并使用激光選擇性的將其融合。接下來，抖掉未熔融的粉末，將剩下的金屬部分放置于熱爐中燒掉塑料黏合劑。另一種打印技術(shù)更為直接，是通過打印頭擠出熔融金屬，或是直接用激光融化金屬粉末。

據(jù)北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司副總經(jīng)理孫建明介紹，將來不銹鋼和鈦將成為重要的3D打印技術(shù)的原材料，它們可以應(yīng)用的領(lǐng)域更加廣闊。3D打印對粉末材料的粒度分布、松裝密度、氧含量、流動性等性能的要求很高。但目前，國外廠家壟斷市場，價格昂貴，限制了3D打印行業(yè)的發(fā)展。隆源現(xiàn)在采用的技術(shù)是先“打印”沙模，之后通過灌注金屬材料的方法生產(chǎn)出實體產(chǎn)品，主要應(yīng)用于汽車、直升機發(fā)動機等新產(chǎn)品試制。

其實，國內(nèi)的科研機構(gòu)早就開始研究金屬材料在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用。最典型、也是人們聽到最多的就是2012年10月至11月殲15試飛時，媒體大肆宣傳的其前起落架，就是使用鈦合金通過3D打印技術(shù)來制造的。

前不久，北京航空航天大學(xué)宣布其全面突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形工藝、成套裝備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。據(jù)中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長、北京航天航空大學(xué)材料學(xué)院王華明教授介紹，他所帶領(lǐng)的團隊運用上述相關(guān)激光直接制造技術(shù)制造出了C919大型客機機頭工程樣件研制所需的鈦合金主風(fēng)擋窗框?！按蟾庞昧瞬坏?5天，就做出來四個框，省時省錢。”

王華明指出，“高性能難加工的金屬大型復(fù)雜構(gòu)件激光直接制造技術(shù)是增材制造或者說3D打印的一個重要發(fā)展方向。其具有很多優(yōu)勢，比如不再需要模具。從這個意義上來說，它確實是一種數(shù)字化的帶有變革性的短流程、低成本的數(shù)字化制造技術(shù)?！?/p>

國內(nèi)金屬粉末材料制造亟待突破瓶頸

有前景也有隱憂。除了相關(guān)技術(shù)亟待突破并不斷成熟之外，材料供給成為3D打印技術(shù)發(fā)展最大的瓶頸。由于3D打印技術(shù)目前總體并不成熟，產(chǎn)業(yè)規(guī)模并不大，所以國內(nèi)生產(chǎn)3D打印材料的企業(yè)極少，許多金屬材料更是依賴進口。而在材料性能、數(shù)據(jù)積累上，全世界都處于非常匱乏的狀態(tài)，且有關(guān)數(shù)據(jù)積累也大多集中在鈦合金等貴金屬材料上，因此，這也在一定程度上抬高了3D打印的成本，限制了該技術(shù)的普及。

浙江省冶金研究院、浙江省釬焊材料與技術(shù)重點實驗室副主任劉平表示，國內(nèi)3D打印技術(shù)的快速發(fā)展對金屬粉末材料的國產(chǎn)化需求尤為迫切。

目前中國多家金屬粉末企業(yè)加大了3D金屬粉末材料的研發(fā)，國內(nèi)河南黃河旋風(fēng)股份有限公司宣布已經(jīng)開始進入3D打印金屬粉末研發(fā)。該企業(yè)擁有多套國內(nèi)領(lǐng)先水平的霧化制粉設(shè)備，工藝涵蓋真空霧化制粉、超高壓水霧化制粉、惰性氣體緊耦合霧化制粉技術(shù)。

另外，銀邦金屬復(fù)合材料股份有限公司也被認(rèn)為是可應(yīng)用于3D打印的金屬粉末產(chǎn)品的可能制造商。公司目前也已經(jīng)引進了制粉設(shè)備，主要將研發(fā)鈦金屬粉末。有分析師預(yù)測，2014年銀邦股份研發(fā)的應(yīng)用于3D打印領(lǐng)域的金屬粉末將開始量產(chǎn)，2013年底將達到年產(chǎn)35噸規(guī)模。