关于3D打印技术中的几个问题与思考（连载2）

刘斌

（华南理工大学，广东广州，510640）

（接上期）

2 3 D 打印技术的优点及缺点是什么？

2.1 3D打印技术的优点

（1）节省材料。不用剔除边角料，提高了材料的利用率，通过摒弃生产线而降低了成本；

（2）能做到较高的精度和很高的复杂程度，可以制造出采用传统方法制造不出来的、非常复杂的制件；

（3）不需要传统的刀具、夹具、机床或任何模具，就能直接把计算机的任何形状的三维CAD图形生成实物产品；

（4）它可以自动、快速、直接和比较精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短了产品研发周期；

（5）3D打印无需集中的、固定的制造车间，具有分布式生产的特点；

（6）3D打印能在数小时内成形，它让设计人员和开发人员实现了从平面图到实体的飞跃；

（7）它能打印出组装好的产品，因此，它大大降低了组装成本，甚至可以挑战大规模生产方式。

2.2 3D打印技术的缺点

（1）存在成本高、工时长的软肋

3D打印仍是比较昂贵的技术。由于用于增材制造的材料研发难度大、而使用量不大等原因，导致3D打印制造成本较高，而制造效率不高。

目前，3D打印技术在我国主要应用于新产品研发，且制造成本高，制造效率低，制造精度尚不能令人满意。3D打印目前并不能取代传统制造业。在未来制造业发展中，“减材制造法仍是主流”。

（2）在规模化生产方面尚不具备优势

3D打印技术既然具有分布式生产的优点，那么相反，在规模化生产方面就不具备优势。目前，3D打印技术尚不具备取代传统制造业的条件，在大批量、规模化制造等方面，高效、低成本的传统减材制造法更胜一筹。

现在看来，想用3D打印作为生产方式来取代大规模生产不太可能。且不说3D打印技术目前尚且不具备直接生产像汽车这样复杂的混合材料产品，即使该技术在未来取得长足进步，完全打印一辆车只怕要耗时好几个月，在成本上远远高于大规模生产汽车时均摊到每辆汽车上的成本。

所以，对于生产有大量刚性需求的产品来说，具有规模经济优势的大规模生产仍比重点放在“个性化、定制化”的3D打印生产方式更加经济。

（3）打印材料受到限制

3D打印技术的局限和瓶颈主要体现在材料上。目前，打印材料主要是塑料、树脂、石膏、陶瓷、砂和金属等，能用于3D打印的材料非常有限。

尽管已经开发了许多应用于3D打印的同质和异质材料，但是开发新材料的需求仍然存在，一些新的材料正在研发中。这种需求包含两个层面，一是不仅需要对已经得到应用的材料—工艺—结构—特性关系进行深入研究，以明确其优点和限制；二是需要开发新的测试工艺和方法，以扩展可用材料的范围。

（4）精度和质量问题

由于3D打印技术固有的成型原理及发展还不完善，其打印成型零件的精度（包括尺寸精度、形状精度和表面粗糙度）、物理性能（如强度、刚度、耐疲劳性等）及化学性能等大多不能满足工程实际的使用要求，不能作为功能性零件，只能做原型件使用，从而其应用将大打折扣。

而且，由于3D打印采用“分层制造，层层叠加”的增材制造工艺，层与层之间的结合再紧密，也无法和传统模具整体浇铸而成的零件相媲美，而零件材料的微观组织和结构决定了零件的使用性能。

3 为什么3 D 打印技术只有到上世纪80年代末才开始出现商品化的设备？

3D打印技术的核心思想最早起源于美国。早在1892年，J.E.Blanther在其专利中曾建议用分层制造法构成三维地形图。1902年，Carlo Baese的专利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。1904年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些硬纸板粘结成三维地形图的方法（如图12所示）。20世纪50年代之后，出现了上百个有关3D打印的专利。

现代3D打印技术的出现，起源于二十世纪八十年代中后期。此后，3D打印技术有了根本性的发展，出现了更多的专利。如：1986年Hull发明了立体光固化成型（SLA，Stereo Lithography Appearance），1988年Feygin发明了分层物体制造，1989年Deckard发明了粉末材料选择性激光烧结技术（ S L S ,Selective Laser Sintering），1992年Crump发明了熔融沉积成型技术（FDM，Fused DepositionModeling），1993年Sachs在麻省理工大学发明了3D打印技术等。

随着各类3D打印专利技术的不断发明，其相应的生产设备也被相继研发而出。如：1988年，美国的3D Systems公司根据Hull的专利，生产出了世界上第一台现代3D打印设备——SLA-250（立体光固化成型机），开创了3D打印技术发展的新纪元。在此后的多年中，3D打印技术蓬勃发展，涌现出了十余种新工艺及相应的3D打印设备。

那么，为什么3D打印技术只有到上世纪80年代末才开始出现商品化的设备呢？本文作者认为，主要原因有两点：

（1）与三维CAD软件有关。由于3D打印技术采用分层制造的原理，因此，被制造零件的各层截面数据的来源是非常重要的。只有三维CAD软件的成熟，才能轻松、方便、快捷、随意地获取被制造零件的任意截面的数据。因此，只有到了上世纪80年代末，成熟的三维CAD软件为3D打印技术提供了数据保障。

（2）与相关材料有关。由于3D打印技术采用“分层制造，层层叠加”的制造原理，因此，3D打印材料的性能需满足“制造每一层时的材料结合效果、层与层之间的材料结合效果”较好的要求，并与其打印成型工艺相适应。

4 为什么说材料是3D打印技术的核心？

3D打印技术是一种跨学科的交叉技术，打印材料是该技术的核心。一种材料的出现，直接决定了其三维打印的成型工艺、设备结构、成型件的性能等。从1988年的立体光固化成型（SLA）技术的出现到当今的三维打印成型，都是由于某一种新材料的出现而引起的，如：液态光敏树脂决定了SLA工艺与设备，薄层材料决定了LOM工艺与设备，丝状材料决定了FDM工艺与设备等。由于材料在物理形态、化学性能等方面存在差别，才形成了今天3D打印材料的多品种和3D打印的不同成型方法。

3D打印技术在这几十年的发展中，新材料是3D打印技术的重要推动力。全世界从事3D打印技术的公司和大学等都在积极地研发用途更为广泛、打印成型更为简便的新材料。

4.1 3D打印材料分类

（1）按材料的化学性能分类

目前，3D打印涉及的成型材料主要有四大类：

1）高分子材料，如液态光敏树脂材料、塑料（ABS、尼龙、PLA等）丝料或粉料或片材等；

2）无机材料，如石蜡、石膏粉末、陶瓷粉末、砂等；

3）金属材料，如合金金属粉末、金属薄板料等；

4）生物医学材料、复合材料等。

（2）按材料的物理状态及形状分类

目前，3D打印涉及的成型材料主要有四大类：

1）液态材料：如光敏树脂等；

2）固态粉末材料：非金属粉，如蜡粉，塑料粉，覆膜陶瓷粉等；金属粉，如不锈钢粉，钛金属粉等；

3）固态薄片材料：如纸、塑料、金属等；

4）固态丝状材料，如蜡丝、ABS丝料、PLA丝料等。

图13所示为几种常用的3D打印材料。

4.2 3D打印材料的基本性能

（1）3D打印对材料性能的一般要求

1）有利于快速、精确地打印成型原型零件；

2）打印成型的制件应当接近最终性能要求；

3）应尽量满足对强度、刚度、耐潮湿性、热稳定性能等要求；

4）应该有利于后续处理工艺。

（2）不同应用目标对材料性能的要求

3D打印成型件的四个应用目标是：概念型零件、测试型零件、模具型零件和功能型零件。应用目标不同，对成型材料的要求也不同。

1）概念型零件。对材料成型精度和物理化学特性要求不高，主要要求成型速度快。

2）测试型零件。对于成型后的强度、刚度、耐温性、抗蚀性能等有一定要求，以满足测试要求。如果用于装配测试，则要求成型件有一定的精度要求。

3）模具型零件。要求材料适应具体模具制造要求，如强度、硬度等。

4）功能型零件。要求材料具有一定的力学和化学性能，使打印成型件具有一定的服役特性，从而满足正常的工程使用要求。

5 为什么说3D打印不能用于批量化生产？

3D打印技术对传统制造技术的替代作用不强。虽然在部分产品的小批量生产和模具生产上颇有优势，但在大批量生产（如图14所示）上，3D打印的速度和成本都比不过传统制造方式。

另外，3D打印材料品种的单一和昂贵的成本，使其局限于对价格敏感度不高的产品，市场应用领域有限。

当然，不可否认3D打印技术的魅力：不需要复杂的工艺，不需要庞大的机床，不需要众多的人力，能直接从计算机的三维图形数据生成实物零件，使生产制造得以向更广的人群延伸。因此，可以乐观地预测，“只要有合适的材料，3D打印机将来不是要取代某一个制造业，而是要取代所有的制造业。”

但是，相比于传统制造工艺，3D打印效率还是很低，成本依然很高。并且，打印效率与打印质量也呈现负相关关系。如果需要非常高的打印精度，打印速度就会变慢，效率则会很低。基于这样的打印特征，3D打印只能用于单件、个性化产品的生产，不能用于大批量（如图14所示）产品的生产。如果是工业企业的大规模化生产，一定是选择性价比最高的模具化生产。

对于3D打印，争议比较多的是，它是否会引起生产模式的变化？譬如，一件复杂产品的设计变成了计算机的三维数据模型，工艺由打印机完成，普通大众不用学习传统的复杂制造工艺，只需要操作计算机就可以生产出实物产品，这样，大工厂的流水线生产模式可能又回归到原始的家庭作坊。对此，有专家指出，3D打印可以生产的产品实际上还是受限制的，达不到大规模生产的地步，后者仍需要通过传统的集中生产来进行。但是，对一些使用比较少的部件或零件，3D打印应该是一个比较好的方式。因此，3D打印所起到的作用，更多的是个性化生产（如图15所示），而不是大规模制造。千万不要有3D打印的出现，就有否定传统制造工艺的想法。对于大规模制造而言，铸造、锻造、模具成型都不可替代。成本上竞争不过，质量上、稳定性上更不用说。所以在现阶段，3D打印是在某些特定情况下使用，不能用于批量化生产。

6 为什么说3D打印不能替代传统的制造工艺

通常，制造业特别是金属制造业采用的是减法工艺，即通过车、铣、刨、磨、钻等金属切削工艺对被加工件进行减材制造（如图16所示），而3D打印则采用的是加法工艺，即通过不断地进行材料的有序堆积，最终加工出成品，因此，3D打印也被称为增材制造。而3D打印与传统加工工艺的差别也就体现在这“增减”上。

3D打印的特有优势也体现在这加法工艺上。譬如说，几乎可以百分之百地利用原材料，制造出传统工艺无法实现的特殊结构的产品，因而节省开模费用，在小批量生产上具有成本优势，在新产品研发过程中可以快速制造原型件或样品，可以实现分布式制造等。的确，3D打印技术的这些优异特点无疑是传统制造工艺难以实现的。如果一台3D打印机具备这些特点，无疑将会对传统的制造工艺带来强劲的冲击，甚至颠覆性的变化。

但是，迄今为止，人们常常规避3D打印在规模制造中的经济性这一关键指标。譬如说，制作飞机舷窗样件，3D打印的成本是传统开模成本的十分之一，同时省去很长的开模时间。但是，飞机高昂的研发成本是靠批量摊薄的，这个数字应该远远不止十架，传统加工方式的优势就显现出来。再譬如，饮誉二战的远洋货轮“自由轮”，战时共制造了2751艘，随着工艺和管理水平的提升，“自由轮”的建造时间从最初的244天，缩短到平均42天，最快记录是4天15小时30分钟，这是大规模工业化制造的经典之作。

同时，我们还应该注意的是，3D打印设备与工艺的紧耦合现象，即3D打印设备很难做成通用设备。这在塑料熔融沉积成型工艺中比较突出，要根据不同的打印原料更换相应的打印头，甚至是打印机。这种非通用的特点，削弱了3D打印的分布式制造色彩，毕竟，并不是所有3D打印的支持者都有经济实力来购置多台3D打印设备的。如果3D打印不能在足够多的制造领域替代传统的制造工艺，那么，就要慎言3D打印技术将颠覆整个传统制造业了。

事实上，既然3D打印无法完全替代传统制造工艺，那么，从产业高度看，传统制造技术和3D打印技术就应该是互补技术，只不过在不同的制造领域或者不同的产品制造上，两者在产品制造过程中工艺占比不同罢了。

7 为什么说3D打印技术不能替代传统的制造产业？

在传统制造业领域，开模是一件非常令人头疼的事情，耗时长、难度大、成本高。而3D打印技术的优势恰恰体现在产品设计（模型设计）方面。凡是能够设计出来的任何复杂的个性化产品，都能够通过3D打印技术把模型样件打印出来，甚至直接生产制造出产品。

3D打印技术虽然能够打印出我们所需要的多种产品，但是从成本核算、材料约束、生产效率、工艺水平、产品性能等多方面因素综合比较来看，3D打印并不能够替代传统的生产方式。

3D打印的核心意义体现在两个方面：

一是传统生产方式不能生产制造的个性化、复杂、高难度产品，通过3D打印技术都能够直接制造；二是虽然传统方式能够生产制造，但是投入成本太高，周期太长，通过3D打印技术可以实现快捷、方便、缩短周期、降低成本的目的。

3D打印能够解决传统技术所不能解决的技术难题，对传统制造业的转型升级和结构性调整将起到积极的作用（如图17所示）。

但是，传统制造业所擅长的批量化、规模化、精益化生产，恰恰是3D打印技术的短腿。同时，3D打印技术在原材料、精密度、工艺稳定性等诸多方面还面临着瓶颈。因此，3D打印技术将替代传统制造业并不现实，一是成本并不划算，达不到规模化的要求；二是3D打印也不可能使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具。3D打印技术作为传统生产方式的一次重大变革，是传统生产方式有益的补充。

宣扬“3D打印技术将完全取代传统制造业”这种观点是一种严重的误导，既不科学，也不符合实际，是不可能做到的。关键原因在于，我们生产生活中所需要的任何商品都具有功能性，而任何功能性的商品都是由不同的材料制造而成的。我们生产生活中需要很多种类的商品，但是，我们每一个家庭不可能都成为工厂，去采购许多种材料。如果我们需要的任何东西都靠自己打印制造，首先是成本将大大超过商场中购买的同类商品；其次，传统制造业经过数千年的发展，在生产工艺等方面都比3D打印技术更为成熟。

（未完待续）