被賦予開啟第三次工業(ye) 革命使命的3D打印技術將我們(men) 的關(guan) 注點從(cong) 傳(chuan) 統的批量生產(chan) 上移開，並帶我們(men) 進入一個(ge) 可定製化的一次性生產(chan) 時代。 

   洗衣機上壞個(ge) 塑料件？目前的做法是：維修人員從(cong) 經銷商那裏下個(ge) 單，然後他們(men) 再從(cong) 工廠將零件發過來，這個(ge) 工廠可能在國內(nei) ，也可能在印度或菲律賓，在那裏他們(men) 使用非常昂貴的模具從(cong) 注塑機裏注塑出來。在可想象的未來，事情會(hui) 變得非常簡單，你隻要在家裏用3D打印機就可以把這個(ge) 零件打印出來，你所需要做的就是從(cong) 製造商網站上下載一個(ge) CAD文件。如果家裏沒有3D打印機，你也可以帶上文件到專(zhuan) 門的3D打印店去打印。 

    3D打印機誕生於(yu) 上個(ge) 世紀80年代中期，這種技術也稱為(wei) “增材製造”，因為(wei) 其采用了“累積成型”的工藝，這與(yu) 傳(chuan) 統的“減成法”相反。要了解這兩(liang) 者之間的區別，可以想象雕刻工藝，雕刻師在一塊石材上一點一點鑿去多餘(yu) 的部分，直到整個(ge) 物體(ti) 形狀顯露出來，而鑿下來的材料則棄之不用。這是一種“減成法”工藝。在生產(chan) 製造中，這與(yu) 切削、鑽孔、研磨等工藝類似。但是在增材製造中，3D打印機並不會(hui) 減掉任何材料，而是采用逐層累積的方式將物體(ti) 構建出來。 

    相同原理，不同工藝 

    3D打印機有多種不同的工藝，但是其原理大都相同，都是采用逐層累積的方式將薄層堆疊起來，直到整個(ge) 物體(ti) 完成，就像是傳(chuan) 統打印方式在紙上打出2D圖形，隻不過多了一個(ge) 維度，即朝上的Z軸。每一個(ge) 打印出來的疊層都是最終物體(ti) 的水平橫截麵切片層。就好像是多層的蛋糕一樣，每一層擺上去，直到整個(ge) 蛋糕形成。隻不過3D打印的精準和精確度更高。常見的3D打印工藝包括立體(ti) 光固化成型、熔融沉積成型工藝和選擇性激光燒結等。 

    立體(ti) 光固化成型（SLA）- 最早的商業(ye) 化3D打印機（當時還不叫3D打印機）采用的是SLA工藝。這種方法由3D Systems公司創始人Charles Hull在1986年發明。SLA打印機將紅外激光光束按設計路線照射到液態光敏樹脂原料的表麵，由點到線，由線到麵順序讓樹脂凝固，完成最終3D模型的一個(ge) 麵。一層完成後再進行第二層掃描凝固，每一層都將牢固地粘結在前一層上，直至層層疊加而成三維原型。沒有被凝固的樹脂還可以使用。 

    熔融沉積成型工藝（FDM）- FDM工藝也是在上個(ge) 世紀80年底末問世，發明人是美國人Scott Crump。在取得這項技術的專(zhuan) 利後，Crump與(yu) 其妻子在1988年成立了Stratasys公司。該方法將熱塑性材料在熔化的情況下噴塗在工作台上冷卻成型形成3D物體(ti) 的疊層。每一層疊加起來，並與(yu) 上一層熔融。熱塑性材料在離開噴頭上會(hui) 馬上冷卻固化。這是一種成本相對較低的3D打印方法。大多數FDM打印機采用的是ABS塑料，或聚乳酸（PLA），一種生物可降解聚合物。

     熔融沉積成型及其縮寫(xie) FDM已經被Stratasys公司注冊(ce) 為(wei) 商標。RepRap公司采用類似的工藝，隻不過稱其為(wei) “熔絲(si) 製造（FFF）”，避免商標的衝(chong) 突。不過在FFF工藝中，材料是以絲(si) 束形式提供的。 

     選擇性激光燒結（SLS）- 上個(ge) 世紀80年代的確是3D打印技術集中湧現的時代。不僅(jin) 僅(jin) 是SLA和FDM技術在同時期被發明出來並取得專(zhuan) 利，由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard及其同事發明的選擇性激光燒結成型（SLS）也被發明出來。SLS與(yu) SLA工藝原理接近，不過采用的材料並不是液態光敏樹脂原料，而是一些粉末材料，比如聚苯乙烯、陶瓷、玻璃、尼龍，還有金屬粉末，比如鋼、鈦、鋁及銀等。當激光照射到粉末上時會(hui) 在該點上燒結，層層燒結固化的疊層形成所需的形狀。沒有燒結的粉末保持原樣，同時起到支撐物體(ti) 的作用。相對FDM/FFF和SLA工藝來說，SLS並不需要額外的支撐結構，這也算是一個(ge) 優(you) 勢。在打印完成後，並不需要移除任何材料，而且也不會(hui) 有浪費產(chan) 生。所有沒有燒結的粉末都可以回收再利用。

    針式擠出 - 幾乎所有具有一定粘度的材料都可以用於(yu) 采用針式擠出頭工藝的3D打印機。這些材料包括黏土、水泥、矽及一些彩泥。一些食物比如巧克力、糖稀及奶酪都可以用這樣的係統來打印。針頭是否要加熱取決(jue) 於(yu) 材料本身，比如巧克力可能需要保持一定熱度，而矽則可以在室溫條件下進行。 

    其他工藝 - 除了以上這些主流技術外，還有一些其他3D打印工藝，比如有一種稱為(wei) 選擇性激光熔融（SLM）。該工藝與(yu) SLS類似，但是它會(hui) 使整個(ge) 粉末熔化，而不是在低溫下熔化粉末顆粒。這與(yu) 電子束熔煉（EBM）相似，隻不過其采用的是電子束，而不是紅外激光。還有一種完全不同的工藝稱為(wei) 分層實體(ti) 製造（LOM），它以片材如紙片、塑料薄膜或金屬薄片為(wei) 原料，按照設計數據將這些片材切割成形狀，再一層一層粘合在一起，最終形成三維物體(ti) 。 

   在以上所有這些不同的3D打印工藝中，SLS被認為(wei) 是在工業(ye) 生產(chan) 中最具發展前景的一項工藝。上海光韻達三維科技有限公司總經理張國良去年12月份在蘇州舉(ju) 行的“2013 汽車零部件綠色製造技術峰會(hui) ”上表示，相對其他三維打印技術，SLS更具優(you) 勢，因為(wei) 這種工藝不僅(jin) 製造成本低，打印速度快，它還可以製造真正的產(chan) 品而非模型，這也是3D打印未來的一個(ge) 發展趨勢。此外，更為(wei) 重要的是，激光燒結也是唯一一個(ge) 能夠打印金屬產(chan) 品的3D打印技術，這大大拓展了3D打印技術的應用領域。 

    傳(chuan) 統製造企業(ye) 涉入 

    目前3D打印技術依然是一個(ge) 利基市場，國內(nei) 有一些專(zhuan) 門的3D打印展，但是規模都不大，更多的3D製造商和原料供應商還是通過其他一些專(zhuan) 業(ye) 展會(hui) 來推廣其產(chan) 品，比如橡塑展、模具展、金屬加工展，以及其他一些應用行業(ye) 的展會(hui) 。3D打印的受重視程度從(cong) 展會(hui) 主辦方的宣傳(chuan) 和組織上可窺一斑，比如在去年在德國杜塞爾多夫舉(ju) 行的K展期間，主辦方推出了“3D製作及打印（3D fab+prin）”概念，並製作了特別的宣傳(chuan) 手冊(ce) ，引導參觀者到相關(guan) 的展台參觀。 

    在此次K展上，除了傳(chuan) 統3D打印機製造商如Stratasys和EOS參展，全球領先的注塑機廠商—德國阿博格公司發布的3D打印機尤其引起了業(ye) 界的高度關(guan) 注，這也是全球範圍內(nei) 塑料加工企業(ye) 首次涉足3D打印技術領域。這款名為(wei) Freeformer的機器基於(yu) 增材製造技術的最新工藝—阿博格塑料無模成形技術（AKF-Arburg Plasstic Freeforming）。 

    據了解，不同於(yu) 傳(chuan) 統的增材製造工藝，阿博格塑料無模成形技術（AKF）如同注塑成型一樣熔化標準顆粒。Freeformer在生產(chan) 部件時無需支撐結構，以最小液滴為(wei) 單位逐步生產(chan) 。最為(wei) 重要的是，這款設備可以采用廉價(jia) 的標準樹脂顆粒取代大多數3D打印設備製造商提供的價(jia) 格更高的專(zhuan) 用材料。目前，阿博格已經采用過的材料有ABS、PA、PC以及熱塑性彈性（TPE/TPU），當然用戶可以采用其他更多類型的材料。 #p#分頁標題#e#

    傳(chuan) 統塑料設備製造商進入3D打印領域似乎更加順理成章，因為(wei) 類似阿博格這樣的領先注塑機製造商，他們(men) 要遠遠比大部分3D打印機製造商更了解塑料加工工藝及材料性能。阿博格技術及工程總經理Herbert Kraibühler在K展期間接受采訪時透露了這台設備的開發背景：“我們(men) 在過去十年裏看到用戶對低產(chan) 量高品質的一次性部件生產(chan) 需求越來越強烈。這些新的需求是我們(men) 開發這台設備的催化劑，也讓我們(men) 開始考慮如何利用我們(men) 已有的注塑技術來開發一款這樣的快速成型設備。” 

     此外，打印材料也麵臨(lin) 相同的局勢。目前，用於(yu) 3D打印的材料主要還以塑料為(wei) 主。據市場谘詢公司IDTechEx統計的數據顯示，2013年光敏樹脂占打印材料的絕大部分份額，為(wei) 56%，其次為(wei) 固態熱塑性塑料（40%），粉末狀熱塑性塑料為(wei) 2%。 

       IDTechEx公司在其發布的最新一份報告《3D打印材料2014-2025年：現狀、機遇及市場預測》中指出，目前3D打印材料市場處於(yu) 一種不成熟階段，材料基本由3D打印機製造商控製。他們(men) 通過對自己的材料進行秘鑰編碼和在材料盒上嵌入RFID標記而對打印材料進行捆綁，讓用戶無法選擇其他材料。報告指出，3D打印製造商的這種做法使得材料的價(jia) 格居高不下，有些材料的價(jia) 格甚至是類似材料市場價(jia) 格的幾百倍。這種做法不僅(jin) 將第三方原材料供應商拒之門外，也阻礙了整個(ge) 3D打印市場的發展，畢竟傳(chuan) 統塑料原料供應商在材料的研發、生產(chan) 及供應方麵無疑更具優(you) 勢。 

    但是這樣的局勢並沒有阻礙原材料供應商對打印材料的開發，因為(wei) 降低成本是3D打印市場發展的必經之路，打印材料的大門也會(hui) 為(wei) 第三方材料供應商打開，其次類似阿博格Freeformer產(chan) 品的出現也給第三方材料供應商提供了發展契機。隨著市場的發展，傳(chuan) 統塑料製造商也將逐漸進入到這個(ge) 市場。 

    比如在此次K展上，全球聚酰胺解決(jue) 方案領先供應商索爾維集團便推出了Technyl®工程塑料旗下的最新成員SinterlineTM Technyl®粉末。作為(wei) 包含增強產(chan) 品的PA6粉末係列，這款產(chan) 品大大提升了快速製造能力。“采用Sinterline通過激光燒結打印出來的零部件表現出了出色的熱穩定性和強度，與(yu) 采用尼龍6通過傳(chuan) 統注塑工藝生產(chan) 出來的產(chan) 品基本相當，”索爾維工程塑料業(ye) 務部業(ye) 務開發經理Ralph Rissé表示。 

    市場“錢景”看好 

    雖然3D打印無論從(cong) 設備還是從(cong) 原料方麵來看，在類似K展這樣的橡塑展上，依然是毫不起眼的新興(xing) 技術，在整個(ge) 塑料行業(ye) 中，它依然是一個(ge) 利基市場，但是“錢景”一片看好。

    谘詢公司Gartner的一份報告顯示，2014年，3D打印機的出貨量則會(hui) 增長75%，達到98065台，終端用戶在設備上的花費將增長62%達到6.69億(yi) 美元。 

    Freedonia Group公司也對未來3D打印市場做出了預測。該公司在其最新的調查報告《世界3D打印（增材製造）》中指出，全球3D打印機及相關(guan) 材料和軟件市場需求量每年將保持21%的增長率，到2017年將達到50億(yi) 美元。3D打印機將在許多領域越來越多地用於(yu) 製造成品件。 

    報告還指出，打印材料的需求量將呈現穩健的增長，大量應用的3D打印機將進一步提高材料的消耗量。塑料將依然是3D打印的最主要材料，但是金屬有望呈現更快的增長速度。此外，相關(guan) 軟件及3D掃描儀(yi) 等周邊產(chan) 品也會(hui) 著整體(ti) 市場趨勢呈現增長。 

    從(cong) 區域方麵看，美國一直是全球最大的3D打印市場，到2017年會(hui) 占到全球銷售總量的42%。其他發達地區比如美國和西歐，3D打印市場價(jia) 值主要是依靠可以直接生產(chan) 部件的金屬3D打印機，這些3D打印係統比其他以塑料為(wei) 生產(chan) 材料的係統要昂貴許多。中國的市場也被看好，主要的應用集中在設計開發、樣品測試和原型製造方麵，尤其是在一些比較大的行業(ye) ，比如消費類產(chan) 品。

    IDTechEx在其《3D打印材料2014-2025年：現狀、機遇及市場預測》報告中對打印材料做了更遠的預測。該報告稱，到2025年，全球3D打印材料市場銷售額將達到6.15億(yi) 美元。此外，光敏樹脂市場到2025年將成為(wei) 最大的單一細分市場。不過，未來最大的年複合增長率將來自於(yu) 金屬和塑料粉末，光敏聚合物的份額也會(hui) 逐步下滑。 

    改變“遊戲規則” 

    3D打印並非新鮮事物，該技術已經出現幾十年了。生產(chan) 企業(ye) 早就在設計階段通過這種技術來製造樣品，經過驗證後再開始傳(chuan) 統的製造。不過，一直以來，這種設備都非常昂貴，而且打印速度非常慢。 

    而現在，3D打印機的價(jia) 格也降到了幾萬(wan) 甚至幾千元（筆者曾經在一個(ge) 3D打印展上看到一家國內(nei) 企業(ye) 標出兩(liang) 千多元一台的低端3D打印機），幫助企業(ye) 節省了很多花在樣品製作方麵的時間。近幾年，筆者也在越來越多的企業(ye) 研發中心或實驗室中看到3D打印設備。 

   有些公司采用3D打印機進行短期或定製化製造，打印出來的物體(ti) 並不是作為(wei) 樣品使用，而是最終的產(chan) 品。隨著3D打印速度的不斷提升及價(jia) 格的下降，在這方麵的用途有望逐漸增加，而且更多可能會(hui) 出現在個(ge) 人定製化的產(chan) 品方麵。

    隨時隨地打印出零件或整個(ge) 產(chan) 品，這聽上去有點像天方夜譚，但是今天已經成為(wei) 現實。這是一種革命式的技術，對能源使用、資源優(you) 化、定製化、產(chan) 品成型製造等工業(ye) 領域的各個(ge) 環節都將帶來深遠的影響—3D打印技術必將改變整個(ge) 製造業(ye) 的“遊戲規則”。 

                                                                                作者：李治國