李漢初

（中國石化化工銷售有限公司華南分公司，廣東省廣州市510620）

隨著計算機和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，誕生了有實際用途的三維（3D）打印機[1]，開辟了制造業(yè)的全新領域，3D打印技術將數(shù)字化生產(chǎn)、互聯(lián)網(wǎng)、新材料、等結合在一起改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式[2]。本文綜述了3D打印技術的發(fā)展歷程、優(yōu)勢及未來發(fā)展方向，提出了3D打印技術給石化行業(yè)在新產(chǎn)品研發(fā)、設備制造、管理等方面提供的機會。

1 3D打印技術的發(fā)展歷程

3D打印技術是指通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成3D實體的技術，它結合了精密機械、自動化控制、材料科學、信息技術和計算機技術的復雜機電一體化系統(tǒng)，也稱為增材制造[3]、立體印刷或直接數(shù)字制造[4]。3D打印技術包括建模、打印和完成（也稱為后處理）3個步驟，以數(shù)字化模型為基礎，運用液體（如液態(tài)光敏樹脂）、固體粉末（如陶瓷粉和金屬粉）、絲材（如塑料絲）或片材等作為耗材，通過熔融擠出、光固化成型、層壓成型等技術，以逐層打印的方式制造產(chǎn)品。

20世紀80—90年代，美國出現(xiàn)了光固化成型、選擇性激光燒結、熔融擠出成型、3D印刷等一系列3D打印技術的核心專利技術，隨后各種用途的3D打印機相繼問世。3D打印技術的主要發(fā)展歷程見表1。

表1 3D打印技術的主要發(fā)展歷程Tab.1 Main development course of the 3D printing technology

2 3D打印技術的前景

2.1 優(yōu)勢

3D打印技術具有傳統(tǒng)模型加工制造所不具備的優(yōu)勢：1）可完全實現(xiàn)按人們意愿的個性化生產(chǎn)[7]；2）產(chǎn)品制造周期短，生產(chǎn)流程簡單；3）產(chǎn)品精度非常高；4）可實現(xiàn)傳統(tǒng)加工工藝難以完成的復雜一體化成型產(chǎn)品的制造；5）場地簡單，投資少；6）原料利用率高，幾乎無邊角廢料；7）生產(chǎn)柔性大，可按需生產(chǎn)；8）工藝水平先進，可實現(xiàn)無縫生產(chǎn)。

2.2 應用

隨著3D打印技術的日趨成熟，應用領域不斷擴大：1）航空航天領域中許多小批量、結構復雜、昂貴的構件已由3D打印技術制造。美國波音公司已用3D打印技術制造了300多種飛機零部件[8]，中國的殲-16、殲-20、殲-31 和 C-919 等高端飛機均使用了3D打印技術。2）生物工程與醫(yī)療設備。3D打印技術廣泛用于人造骨骼、牙齒、假肢、助聽器等[9]，甚至人造血管、組織和器官等領域均有成功應用的報道。3）裝飾品。各種個性化的珠寶首飾、服裝、玩具、鞋類等。4）電子產(chǎn)品。手機、音響及各種高檔光電器材。5）工業(yè)制造、產(chǎn)品設計、文化創(chuàng)意、數(shù)碼娛樂等。3D打印技術在各領域的應用情況見圖1。

圖1 3D打印技術在各領域的應用Fig.1 Applications of the 3D printing technology in various fields

2.3 未來發(fā)展方向

未來，3D打印技術的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化及便捷化等主要特點：1）提升3D打印的速率、效率和精度，開拓連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；2）開發(fā)更為多樣的3D打印耗材（如智能材料、功能梯度材料、納米材料等）；3）3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便；4）軟件集成化，使設計軟件和生產(chǎn)控制軟件能無縫對接；5）拓展3D打印技術在更多高端、個性化領域的創(chuàng)造性應用。

2.4 前景

2014年4月，在紐約舉行的“3D打印博覽會”上，世界上著名的3D打印機生產(chǎn)企業(yè)各自推出更為廉價實用的3D打印機：北京太爾時代科技有限公司推出任何人在任何地方都能使用的PP3DP型3D打印機，售價為900美元/臺[10]；浙江金華萬豪配件有限公司推出的勇士4號3D打印機僅需4999元/臺；中國臺灣 XYZ Printing公司推出的da Vinci型3D打印機起步價僅需499美元/臺；而美國Form Labs公司推出的 Form 1型3D打印機可以打印厚度僅為25 μm的產(chǎn)品[11]。目前，各國的研發(fā)投入都在不斷增加，以搶占制高點，而且，越發(fā)達的國家越重視，3D打印技術的前景非常廣闊。各國和地區(qū)所擁有的市場份額見圖2。

圖2 世界各國家和地區(qū)3D打印技術應用的市場份額Fig.2 Market share of the 3D printing technology in various countries and regions around the world

3 3D打印技術的發(fā)展瓶頸

耗材是3D打印產(chǎn)品最主要的成本，有的耗材價格高達4萬元/kg，耗材研發(fā)是3D打印技術發(fā)展的關鍵。3D打印技術的固化方式主要是加熱、降溫、紫外光和激光燒結，同時要求產(chǎn)品必須達到一定的強度、剛性和熱穩(wěn)定性等。因此，對材料的各項性能要求很高。3D打印耗材主要包括：黏接材料、熔融材料和光固化3D快速成型材料。目前，主要是熱塑性樹脂、光敏樹脂、橡膠和各種金屬[12]，這些材料多為粉末或黏稠的液體。隨著研究的深入，這個制約3D打印技術發(fā)展的瓶頸將很快被克服。世界上著名3D打印企業(yè)的技術和耗材見表2。

表2 世界著名3D打印公司的成型技術及耗材Tab.2 Molding technologies and consumables of worldwide famous 3D printing companies

4 3D打印技術給石化行業(yè)提供的機會

2014年，英國Canalys公司的市場研究報告表明：3D打印市場目前仍處于起步階段，但發(fā)展速度不斷加快，2013年，全球銷售額約為25億美元，2018年將增至162美元以上[13]，“只要你能想到的，就能被設計和打印”[14]，這將為石化行業(yè)各方面特別是新產(chǎn)品開發(fā)提供難得的發(fā)展機會。

4.1 開發(fā)可用于3D打印的材料，提升石化行業(yè)經(jīng)濟效益

目前，3D打印用量最大、技術最成熟可靠的耗材就是各種樹脂，而石化行業(yè)是世界上技術最先進、科研力量最強的樹脂生產(chǎn)企業(yè)，3D打印最常用的耗材包括ABS、聚酰胺、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯醇（PVA）、聚苯砜、PLA、光敏樹脂等，石化行業(yè)均能生產(chǎn)，擁有開發(fā)3D打印耗材的所有優(yōu)勢，而這也必將促進石化行業(yè)的發(fā)展。

1）利潤巨大，效益很好。美國的3D打印耗材在45美元/kg以上[15]，而國內(nèi)市場上用量較大的各種3D打印專用樹脂都很貴。濟南三帝信息科技有限公司生產(chǎn)的3D打印專用PC/ABS共混物為1 200元/kg，東莞哲瀚塑膠五金制品有限公司生產(chǎn)的PVA/PLA共混物為60～200元/kg，而中國石油化工股份有限公司、中國石油天然氣股份有限公司、埃克森美孚公司生產(chǎn)的聚丙烯T30S和線型低密度聚乙烯DFDA7042等普通樹脂的價格均為12元/kg左右。3D打印專用樹脂的價格見表3。

2）鍛煉隊伍，提升科研水平。3D打印技術對耗材的要求較高，開發(fā)過程中不但可以吸收國內(nèi)外先進技術，同時可以提升開發(fā)新產(chǎn)品的水平。

表3 3D打印專用樹脂的價格Tab.3 Price of the special resins for 3D printing

3）儲備先進技術。3D打印技術作為實現(xiàn)數(shù)字化和智能化制造的一項關鍵性技術，將深刻地影響制造業(yè)的未來，有些投入不一定馬上有效益，但作為技術儲備對企業(yè)是必要的。

4）拓展新業(yè)務，開拓新市場。隨著有成本優(yōu)勢的頁巖氣化工和煤化工的發(fā)展，樹脂銷售的競爭將更加激烈，而3D打印耗材是一項前景很好的新業(yè)務。

5）搶占高端，放眼未來。3D打印耗材制約了3D打印技術，開發(fā)高端3D打印耗材有利于企業(yè)在未來競爭中占據(jù)有利位置，提升競爭力。

4.2 用3D打印技術開拓石化設備新的制造方式

石化行業(yè)是技術密集型行業(yè)，設備種類多、技術要求高、制造工藝復雜，主要設備訂貨時間需1～2年，而且備品備件多，投資很大，從幾十億到幾百億，3D打印技術的發(fā)展將極大改善這種狀況：1）提高設備的精度和可靠性，延長使用壽命；2）可以打印以前傳統(tǒng)制造工藝無法加工生產(chǎn)且結構復雜的設備構件；3）3D打印技術采用增材制造工藝，減少了原材料消耗，昂貴的設備成本將隨之極大降低；4）采用3D打印技術可很快打印損壞的各種設備，極大地減少因設備故障而影響生產(chǎn)時間，因此，可大量減少備品備件數(shù)量；5）3D打印技術采用數(shù)字化模型設計生產(chǎn)，復雜關鍵設備的設計及生產(chǎn)時間將極大縮短；6）直觀提供各種設備的內(nèi)部結構，提高設備檢修的速率和效果。

4.3 3D打印技術將為石化行業(yè)的科研、設計單位提供新的發(fā)展平臺

3D打印技術未來在各方面的廣闊用途將為石化行業(yè)的科研、設計單位提供新的研究方向，為他們業(yè)務的開展提供很好發(fā)展機會。

4.4 為快速提高操作人員的技術水平提供條件

采用3D打印技術可打印石化行業(yè)需要的各種生產(chǎn)裝置的直觀模型，讓操作人員進行模擬生產(chǎn)操作，快速提高他們的技術水平。此外，3D打印技術也可給企業(yè)培訓，企業(yè)的各種展會提供直觀產(chǎn)品，為企業(yè)宣傳提供更為直觀的方式和手段。

5 結語

3D打印技術將引爆一場產(chǎn)品制造、計算機、互聯(lián)網(wǎng)、設計、材料、生物、知識產(chǎn)權等各方面的革命，這項革命性的創(chuàng)新必將給我們的傳統(tǒng)制造業(yè)，傳統(tǒng)觀念帶來很大沖擊，世界各國都非常重視，積極搶占技術制高點。3D打印技術無可比擬的優(yōu)勢決定其應用前景非常廣闊。3D打印技術的快速發(fā)展也將為石化行業(yè)各方面提供很好的發(fā)展機會，特別是制約其發(fā)展瓶頸的新材料研發(fā)，經(jīng)濟效益巨大，石化行業(yè)應加大這方面的投入，爭取在未來的競爭中搶占先機。

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[15] Admin.3D打印耗材市場價格堅冰松動[J/OL].（2014-02-23）[2014-10-16].http://maker8.com/article-749-1.