設計靈活、節省材料、適於(yu) 小批量生產(chan) ，這些因素僅(jin) 僅(jin) 是一些公司采用增材製造的部分原因。但是要在生產(chan) 中充分使用該技術，仍然需要解決(jue) 一些問題。

我們(men) 從(cong) 材料、生產(chan) 速度以及後處理三個(ge) 方麵，分析3D打印在實際生產(chan) 過程中麵臨(lin) 的緊迫挑戰。

01材料標準和性能不一致

從(cong) 理論上講，無論是機械、生物還是電子，3D打印都能夠生產(chan) 高度複雜和功能性的零件。但要做到這一點，就要有足夠的材料選擇。

材料的可用性是3D打印行業(ye) 的一個(ge) 重要挑戰，與(yu) 傳(chuan) 統製造數十年的材料開發曆史相比，3D打印材料的開發才剛剛開始。在行業(ye) 發展的最初幾年，工業(ye) 3D打印發展的重點是原型製作，對材料性能的重視本身就很少。但隨著將該技術開始轉化為(wei) 生產(chan) 解決(jue) 方案，材料開發過程大大加快。

高性能3D打印聚合物和複合材料在近幾年發展相當迅速，一些大型化學公司和專(zhuan) 業(ye) 的3D打印製造商，已經開發出了與(yu) 金屬相當強度的碳纖維增強聚合物以及阻燃複合材料等新材料。金屬材料的開發則需要更長的時間，但進展也是有目共睹的。

3D打印材料的種類確實是得到了飛速發展，但不得不麵臨(lin) 的一個(ge) 現實問題是材料性能的不一致與(yu) 不穩定性，基本上每個(ge) 廠家都會(hui) 有一個(ge) 材料標準。目前，業(ye) 內(nei) 缺乏一個(ge) 可靠的、統一的材料數據庫，可以給出經驗證的打印參數和機械性能，而不是每家一組不同的數據。

實現一致且可重複的3D打印過程非常有挑戰性，這是很多傳(chuan) 統製造商不願意使用這項技術的重要原因。開發3D打印材料數據庫已經成為(wei) 行業(ye) 發展不得不麵臨(lin) 的現實問題，目前ISO和ASTM等一些標準製定機構已經發布了關(guan) 於(yu) 鎳、鈦和不鏽鋼等金屬粉末的規範。

其他機構則建立了增材製造材料和工藝信息數據庫，如America Makes與(yu) Stratasys以及美國國家航空研究所合作，於(yu) 今年早些時候發布了基於(yu) FDM的ULTEM9085 I型材料特性數據庫，該數據庫將有助於(yu) 進一步將經認證的聚合物材料用於(yu) 飛機內(nei) 飾件。

總之，材料標準的確立，將是滿足製造商對3D打印性能和可靠性期望的關(guan) 鍵。

02生產(chan) 速度慢

當前，即便是工業(ye) 3D打印機，在速度和效率方麵也普遍落後於(yu) 傳(chuan) 統機械設備，這對於(yu) 汽車和消費品等需要大規模批量生產(chan) 推動的行業(ye) 非常不利。在這些行業(ye) 中，產(chan) 品需要在盡可能短的時間內(nei) 製造和交付，才能保持生產(chan) 效率。

福特公司增材製造技術負責人提到，汽車行業(ye) 的生產(chan) 規模與(yu) 航空航天和醫療有很大不同，前者必須研究如何能夠在幾分鍾甚至幾秒鍾內(nei) 完成零件生產(chan) ，采取任何必要的措施來提高生產(chan) 速度對於(yu) 汽車行業(ye) 來說至關(guan) 重要。

實際上，目前大多數瞄準生產(chan) 應用的3D打印機製造商都在尋找提高3D打印速度的方法。有些公司開發了模塊化係統來提高生產(chan) 量，有的則致力於(yu) 對現有技術進行不斷革新。在此，我們(men) 舉(ju) 兩(liang) 個(ge) 例子進行說明。

SLS技術領域通常采用增加激光器數量的方式來提高生產(chan) 速度，但德國EOS推出的Laser ProFusion技術對整個(ge) 光源模塊進行了係統性開發。通過改造，新設備配備了多達100萬(wan) 個(ge) 二極管激光器，可實現多點同時燒結，可大大加快打印時間。EOS高分子係統與(yu) 材料業(ye) 務高級副總裁表示，傳(chuan) 統注塑成型技術持續麵臨(lin) 的挑戰是模具製造占據了相當一部分的成本，並且隻有當生產(chan) 規模達到幾千個(ge) 或更多時才具有經濟可行性。但LaserProFusion技術無需開模即可製造簡單和複雜的零件，且生產(chan) 效率非常高，每台機器的年產(chan) 量超過10萬(wan) 件，每個(ge) 零部件的成本也非常可觀。

在傳(chuan) 統的金屬SLM技術方麵也有一些顯著的發展。澳大利亞(ya) Aurora labs推出的多層並行打印（MCP) 技術可以實現一次鋪粉、同一位置打印多層以及在同一時間、不同位置實現不同層厚同時打印的效果。

該技術的推出打破了傳(chuan) 統SLM技術隻有通過增加激光器數量來提高速度的改良極限，可以實現金屬打印速度的極大飛躍。在2018年的Formnext展會(hui) 上，該公司已經可以同時打印30層，而日前公布的數據顯示，該公司的PMP1 3D打印機的打印速度可以達到350公斤/天，與(yu) 去年報告的速度相比提高了2000%。

提高生產(chan) 速度並非易事，這需要大量的技術創新。截至2019年，EOS和Aurora Labs的技術仍處於(yu) 開發階段，但至少讓我們(men) 看到了技術發展的前景。

03後處理效率低

采用3D打印製造的零件，幾乎無一例外都需要某種類型的後處理，以提高機械性能、精度以及表麵質量。使用3D打印製作原型時這不是一個(ge) 很大的問題，但隨著技術向終端製造工藝過渡，規模化和自動化的後處理已成為(wei) 建立增材製造生產(chan) 線的關(guan) 鍵瓶頸之一。

對於(yu) 金屬3D打印技術來說，需要非常多的後處理步驟來確保質量，如粉末清除、去應力退火、線切割、支撐去除，CNC和其他精加工以及熱等靜壓等等。這些步驟中有些仍然需要手工操作，而且對於(yu) 關(guan) 鍵任務還需要熟練的操作人員。

使用人工完成原型甚至幾十個(ge) 零件時可能還具有成本效益，但如果生產(chan) 數百甚至上千個(ge) 零件時，3D打印對後處理自動化的需求就變得極為(wei) 迫切。

自動化的解決(jue) 方案可以通過一致的後打印功能提高生產(chan) 效率，不過目前也隻有少數的集中特定的方案幫助實現自動化後處理，如DyeMansion公司的自動清潔係統、AMT公司的表麵平滑解決(jue) 方案以及PostProcess Technologies的支撐去除和表麵處理係統。然而，不可否認，這些係統主要是為(wei) 聚合物3D打印的零件而設計。

在金屬3D打印方麵，仍然采用傳(chuan) 統製造的後處理技術。為(wei) 了使這些技術進一步自動化，一些公司也開始實施機器人解決(jue) 方案，可以幫助更換材料並進行零件處理。去年EOS和Digital metal都推出了全自動生產(chan) 的概念，其采用機器人進行大多數的操作過程，如安裝打印基板、清粉取件以及後處理等等，目標是取代是所有手工工作，以促進連續和規模化的生產(chan) 。

盡管這種發展令人鼓舞，但該領域的創新步伐還是比較緩慢。未來，先進的後處理解決(jue) 方案的數量肯定會(hui) 增加，從(cong) 而適應不斷增長的增材製造產(chan) 業(ye) 的發展。

04結語

本文從(cong) 生產(chan) 速度、材料以及後處理方麵揭示了當前增材製造行業(ye) 取得的成果和存在的問題，基本算是行業(ye) 整體(ti) 的現狀。這些因素的存在限製了增材製造技術的發展速度，但從(cong) 一係列新誕生的技術和標準來看，這些挑戰正在慢慢得到克服，而挑戰，就是機會(hui) 。