评述 | 浅谈3D打印的发展趋势与挑战

来源：国际金属加工在线

3D打印或增材制造是将3D模型数据一层接一层地用材料打印成物体的过程。这与传统的减法制造技术正好相反--传统的减法制造技术，是选择性地去除材料。因为种种优势，3D打印这项技术已经逐渐成为行业中的游戏规则改变者。

大多数增材制造系统使用由3D计算机辅助设计（CAD）软件创建的数字蓝图。增材制造可以产生复杂的形状和结构，而这些形状和结构很难用传统的加工方法来制造。

有八种主要的增材制造技术，每种技术使用不同的材料，从塑料到金属合金。材料挤出是最便宜和最流行的技术，主要使用塑料作为构造材料。相比之下，直接金属沉积和粉末床熔合是更昂贵的技术，主要用于打印高精度、高强度金属部件。

3D打印现在还未被用作批量生产的替代技术，但它现在被广泛用于许多领域的原型设计，可以显著降低开发成本。3D打印在航空航天领域也表现出强大的优势，它极大地改变了一次性制造精密部件所带来的经济效应。3D打印目前正在新的环境中进行探索，尤其是在建筑和医疗领域。

3D打印市场有多大？
2017年，3D打印行业价值70亿美元，高于2013年的30亿美元。到2025年，3D打印市场的全球支出将超过200亿美元。

如今，消费电子和汽车行业是3D打印的最大应用领域。3D打印机最常见的用途是直接制造零部件。2017年，销售的所有3D打印机中约有30％用于直接打印零部件，而十年前这一比例仅为4％，这使得直接零件生产成为3D打印增长最快的应用。视觉辅助设备和演示模型是下一个最常见的应用程序，占3D打印系统总支出的20％。3D打印机的五分之一来自消费电子行业，汽车行业占比不到20％，其次是医疗、航空和工业应用。

3D打印正在占据主导地位，但主要影响是在三到五年之后。工业3D打印市场稳步增长，尽管与个人级或桌面级系统市场的增长速度不同。因此，该行业不会对传统制造业构成直接威胁，它带来的变化更可能是渐进式而非革命性的。然而，早期采用3D打印技术的证据确实表明，对于某些行业，3D打印的"破坏力"的确是巨大的。

3D打印的四大趋势
1、新材料将陆续出现
研发投资3D打印材料的脚步永远不会停住，在金属3D打印中，新合金和化合物降低了成本并提高了金属打印的效率。硬质合金、碳化合物，由用粘合剂金属粘合在一起的细小碳化物颗粒组成。在德国开发的硬质合金物体可以使用粘合剂喷射打印，并生产既坚固又耐用的物体。其他材料研究正在进行中，包括水泥化合物、生物打印、生物结构，甚至在食品制造中，从面食到糕点……我们将能看到材料家庭的日益壮大。

2、工业3D打印继续扩张
工业3D打印的应用正在大跨步深入。随着惠普进入工业打印领域，将在外形尺寸，规定尺寸和形状的硬件方面以及产量方面扩大工业3D打印平台。惠普宣称的目标是从根本上提高定制部件的打印速度，从而创造出3D打印成为消费电子、大规模制造物体和大批量工程制造过程标准部分的真正可能性。

3、3D打印成为医疗保健的主流
3D打印已经用于医疗保健，但仍然被视为一种新奇事物。然而，在接下来的一两年内，3D打印植入物将完成临床试验的第一阶段，成为医疗保健产品组合的标准部分。在生物打印中，替代器官的打印虽然已经存在十多年，并且许多临床试验已经开始，但生物打印产品将开始用于测试和评估新的药物化合物和医疗技术。


4、巨型3D打印机超越了概念验证
到目前为止，我们已经看到了少量引人注目的"大型打印机"，用于工程和建筑等大型应用。在这个阶段，大多数这些机器都是概念验证（POC）产品。然而，在接下来的两年中，将会有一系列大规模生产的大型或超大型平台3D打印机面世。

3D打印的三大挑战
1、材料
让零件脱离打印机是一回事，3D打印能够生产非常独特和复杂的几何形状。但是，我们都得承认，很多3D打印出来的部件表现并不如传统制造部件那么好。很大的原因就是材料特性这个老大难问题在作祟。目前，大多数3D打印所用的材料相对单一，而纯聚合物只能在某些应用中发挥作用，应用严重受限，这就是业界对复合材料以及复合打印技术孜孜以求的原因--"复合材料"也将是未来的一大研究方向。

2、设计
如果你环顾你所处的房间，大多数事情都是以非常简单的方式制作的。我们已经被"训练"得在简单的设计中去思考--比如说，我们习惯于从一大块材料开始，然后一步一步将其加工成想要的零件--而这种思维不是运用3D打印的最佳方式。向生产部门的员工传授的新的设计工具运用知识将需要进行大量的设计思维重塑和重新培训。生成设计和拓扑优化工具使3D打印的工作流程更容易，但仍有很多进展。

3、精度和可靠性
3D打印技术让物流变得省事，比如说你在北京要用到某一部件，我只要从广州发送数据模型过去，你在北京直接打印出来即可，不需要我在广州打印出来再寄到北京去，省事省力还节约成本。但问题是，在广州的3D打印机与在北京的3D打印机打印出来的部件可能略有不同。这是一个非常具有挑战性的问题，对于工业机器，您可以购买更好的组件并采用闭环系统，使制造过程更加可靠和可重复。

这对于3D打印制造商而言，这是一个非常大的问题，因为您需要确保你提供给客户的每一个部件都能可靠地运行，而这，对于精席的要求是非常苛刻的！值得注意的是，在使传统制造业更有效率的同时，3D打印行业还有很大的发展空间。

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