林蒙丹 趙雪林

摘 要：第三次工業(yè)革命后，3D打印技術(shù)越來越受到各界的關(guān)注。作為一項(xiàng)快速成型技術(shù)，3D打印自問世以來便受到社會(huì)的強(qiáng)烈關(guān)注。有人甚至預(yù)測(cè)，不久的將來，3D打印技術(shù)將會(huì)替代傳統(tǒng)制造業(yè)，使大批產(chǎn)業(yè)工人失業(yè)。文章從3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀出發(fā)，詳細(xì)闡述目前遇到的瓶頸，從而得出結(jié)論：3D打印很難顛覆和替代傳統(tǒng)制造技術(shù)，而只是作為它的補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);傳統(tǒng)制造業(yè);數(shù)字制造;瓶頸

3D打印是近幾年開始流行的一種快速成型技術(shù)，3D是“3 dimensional”的縮寫，表示三維空間，這種打印方式不是傳統(tǒng)的平面打印，而是以計(jì)算機(jī)軟件輔助建立數(shù)字模型，再使用金屬或塑料等可粘合材料通過逐層打印的方式來獲得一個(gè)立體的物件。由于它不需要制作模具，省去了大量的時(shí)間和環(huán)節(jié)，所以越來越受到各方的關(guān)注和歡迎。既然3D打印如此方便，未來是否可以直接利用3D打印來制造產(chǎn)品，能否大規(guī)模推廣進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化呢？全國(guó)政協(xié)常委工信部原部長(zhǎng)李毅中先生在世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)上表示：“3D打印技術(shù)為傳統(tǒng)制造業(yè)的創(chuàng)新注入新的動(dòng)力和活力，但受技術(shù)和裝備的局限，3D打印目前適用于少批量、小尺寸、高精度、造型復(fù)雜的零部件的加工制造，難以代替大規(guī)模、大批量的加工制造。”3D打印技術(shù)雖發(fā)展迅速，但還面臨著不少瓶頸和挑戰(zhàn)，不足以顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)。

1 高成本限制產(chǎn)業(yè)化

1.1 原材料昂貴 3D打印的材料種類雖然不少，但也算不上豐富多樣，常見的主要包括：工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等，也有具有特殊用途的如彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等，常常以粉末、絲狀、層片或液體等形態(tài)出現(xiàn)。對(duì)最常見的粉末狀材料，如果打印設(shè)備的類型不同，粒徑要求也不同，在1～100μm之間不等，除此之外，為了具有良好的流動(dòng)性，還要求使用高球形度的粉末。這樣苛刻的使用條件要求導(dǎo)致3D打印的材料身價(jià)飛漲，要想利用3D技術(shù)打印出一個(gè)10cm高的小人成本至少在百元以上。

1.2 打印設(shè)備昂貴 我國(guó)生產(chǎn)的3D打印機(jī)裝備功能已經(jīng)接近國(guó)際先進(jìn)水平，差距主要體現(xiàn)在裝備的可靠性和材料研發(fā)上。假如只需打印一些玩具等普通日用品，國(guó)產(chǎn)設(shè)備完全可以滿足要求，但在生產(chǎn)精度要求較高的制造業(yè)，尤其是航空航天、精密制造等領(lǐng)域，如果要使用3D打印技術(shù)，那么所使用的3D打印機(jī)的關(guān)鍵器件必須得從國(guó)外進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)打印機(jī)在穩(wěn)定性方面滿足不了要求。一臺(tái)德國(guó)Concept Laser高端工業(yè)級(jí)金屬3D打印機(jī)，它的售價(jià)至少在600萬人民幣以上。因此，無論是高價(jià)的材料還是高昂的設(shè)備，都限制了其產(chǎn)業(yè)化的步伐。

2 材料缺乏無法開展產(chǎn)業(yè)化

3D打印的關(guān)鍵是設(shè)備，比設(shè)備更關(guān)鍵的則是材。目前能用來打印的材料還很有限，在使用過程中，往往還會(huì)發(fā)現(xiàn)很多材料的強(qiáng)度和硬度無法達(dá)到預(yù)期要求，這都會(huì)導(dǎo)致本來種類就不多的材料不能按要求使用。因?yàn)椴牧蠁栴}，3D打印只能在個(gè)別少數(shù)人手里進(jìn)行，如果要放到工廠進(jìn)行大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，原材料勢(shì)必供應(yīng)不上，用不了一天就要停工。目前的家用3D打印機(jī)多數(shù)只能采用單一的塑料材質(zhì)，工業(yè)用3D打印機(jī)所使用的多為金屬粉末，但目前的激光熔煉技術(shù)還只能熔煉一些塑性較高、熱加工性能較好、內(nèi)部含聯(lián)結(jié)元素高的金屬材料，并不能適應(yīng)所有的金屬牌號(hào)，所以，不管是商用還是工業(yè)用，打印材料的稀缺是一個(gè)亟待解決的問題，我國(guó)的3D打印技術(shù)目前還處于“有鍋沒米”的局面。這在很大程度上牽絆了3D打印擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域的腳步。

3 低效率限制批量生產(chǎn)

眾所周知，3D打印技術(shù)中三維對(duì)象是通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來的，它可以通過復(fù)制的方式在電腦中建立出該物體模型，可以快速地打印出成品，避免了傳統(tǒng)制造業(yè)中模具設(shè)計(jì)、切割、拋光等等一系列工序，效率比起傳統(tǒng)制造工藝來自然要高出很多，還避免了材料浪費(fèi)。因此，在只針對(duì)單個(gè)或小批量元件制造及復(fù)雜零部件的生產(chǎn)中3D打印技術(shù)占有明顯優(yōu)勢(shì)。但在金屬材料方面，傳統(tǒng)工藝的速度優(yōu)勢(shì)卻是3D打印技術(shù)無法比擬的。效率低是3D打印技術(shù)所體現(xiàn)出來的最大弱點(diǎn)，尤其是遇到需大批量生產(chǎn)的物件時(shí)，3D打印完全不能與傳統(tǒng)制造業(yè)相抗衡。

4 精度之低限制直接成型

4.1 打印成型后需要精密機(jī)械加工 3D打印雖然可以一次成型，但目前的金屬3D打印構(gòu)件所生產(chǎn)出來的零件表面精度往往還不能滿足使用要求，還需要對(duì)表面進(jìn)行精密的機(jī)械加工，去除表面毛糙的、不光滑的或存在表面瑕疵的部分，才能作為最終零件投入使用。因此，盡管3D打印可以不需要模具一次性構(gòu)造出復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的管路與腔體，但它的成型點(diǎn)陣精度在mm級(jí)，如果是對(duì)精度要求較高的零件，勢(shì)必要在成型以后繼續(xù)采用傳統(tǒng)的精密機(jī)械進(jìn)行加工，包括傳統(tǒng)的熱處理及鍛造等。

4.2 打印成型后影響精密機(jī)械加工 3D打印可以獲得復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和內(nèi)部管路與腔體，但這些已形成的管路和腔體要再進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)械加工卻很有可能無法進(jìn)行，反而會(huì)對(duì)后續(xù)的精密加工增加難度，這一引以為豪的優(yōu)點(diǎn)在此時(shí)卻成了累贅。如有些模型，想要讓它發(fā)出迷人的光澤的話，在打印完后還需要對(duì)其表面進(jìn)行二次加工，但已經(jīng)一次成型的不規(guī)則形狀卻大大增加了二次加工的難度。因此，雖然3D打印可以一次性直接完成較高難度的復(fù)雜零件的成型，但其精度方面表現(xiàn)出來的缺陷導(dǎo)致它還不足以取代傳統(tǒng)的機(jī)械加工。

5 總結(jié)

3D打印開創(chuàng)了另一種零件制造的方法，但還存在很多難以克服的困難。只能說這種新型制造方式是對(duì)傳統(tǒng)制造方式的一種補(bǔ)充，通過新的制造方法克服了傳統(tǒng)制造業(yè)的一些難題，但還沒有發(fā)展到取代傳統(tǒng)制造業(yè)的程度。3D打印想要真正達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用并產(chǎn)生效益，還需要很長(zhǎng)的時(shí)間來發(fā)展和積累。

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