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3D打印三大技术类型及未来发展趋势分析




关键词:3D打印

《时代》周刊将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”。据WohlersAssociates预测,2015年将达到37亿美元,并预计到2020年达到52亿美元。随着技术成果的推广和应用,3D打印技术产业的发展呈现出快速增长势头。

从行业分布来看,用于消费电子领域的打印技术仍然占主导地位,大约占20.3%的市场份额,其他主要领域依次是汽车(19.5%)、医疗和医科(15.1%)、工业及商用机器(10.8%);从区域分布来看,北美地区(40.2%)、欧洲(29.1%)、亚洲(26.3%)三大区域占主导地位,其中亚洲地区主要集中于日本(38.7%)及中国(32.9%)。

三大技术类型支撑产业发展

根据所用材料及生成片层方式的区别,产业不断拓展出新的3D打印技术路径和实现方法。可大致归纳为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型三大技术类型,每种类型又包括一种或多种技术路径。

一是挤出成型。主要以熔融沉积成型(FDM)技术实现,与其他的3D打印技术相比,FDM是唯一使用工业级热塑料作为成型材料的积层制造方法,打印出的物件可耐受高热、耐受腐蚀性化学物质、抗菌和抗强烈的机械应力,被用于制造概念模型、功能原型,甚至直接制造零部件和生产工具。FDM技术被Stratasys公司、惠普公司作为核心技术所采用。2012年由Stratasys公司发布的超大型快速成型系统Fortus900mc,代表了当今FDM技术的最高成型精度、成型尺寸和产能,可被用于打印真正的产品级零部件。

二是粒状物料成型。主要分为两类,一类是有选择的在颗粒层中融化打印材料,而未融化的材料则被生成物件的支撑或薄壁以减少对其他支撑材料的需求。主要包括:3DSystem公司的sPro系列3D打印机采用的选择性激光烧结(SLS)技术,德国EOS公司采用的可打印几乎所有合金材质的直接金属激光烧结(DMLS)技术,瑞典ARCAM公司采用的通过高真空环境下电子束将融化的金属粉末层层叠加的电子束熔炼(EBM)积层制造技术。

另一类是3DSystem公司的ZPrinter系列3D打印机所采用的喷头式粉末成型打印技术。该系列打印机在喷每一层石膏或树脂粉末的同时,都会通过横截面进行粘合,并重复该过程,直到打印完每一层。该技术允许打印全色彩原型和弹性部件,将蜡状物、热固性树脂和塑料加入粉末一起打印还可以增加强度。

三是光聚合成型。其实现途径较多,其一是由美国3DSystem公司开发的用于生产固体部件的光固化成型(SLA)技术。该技术具有成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度高等特点,但对液态光敏聚合物进行操作的SLA精密设备同时也要求苛刻的工作环境,且成型件多为树脂类,强度、刚度、耐热性有限,不利于长时间保存。

其二是Objet公司的PolyJet喷头打印机技术,喷射16-30μm超薄光敏聚合物材料层到构建托盘上直至部件制作完成。该技术通常被用来设计支撑复杂几何形状的凝胶体材料,通过手剥和水洗即可去除。

其三是德国EnvisionTec公司的Ultra3D打印数字光处理(DLP)快速成型系统。该系统能够构建组合型的3D部件,并使用高分辨率的数字光处理器投影仪来固化液态光聚合物,从而快速精准的完成模型的制造。

产业发展仍面临着重要的技术制约

3D打印产业在蓬勃发展的过程中也面临诸多问题,影响和制约其快速大规模产业化的因素主要是以下三点:

一是材料的限制对3D打印技术应用范围形成掣肘。目前3D打印耗材有限,多为石膏、塑料、可粘结的粉末颗粒、树脂等,制造精度、复杂性、强度等难以达到较高要求,一般只能应用于模型、玩具等产品领域。对于金属材料来说,如果液化打印则难以成型;采用粉末冶金方式,除高温还需高压,这些技术恐怕短期很难成熟。

二是价格成本的制约导致设备需求量难有爆发性增长。当前3D打印机价格高企,昂贵的设备只能提供有限的价值。即使3D打印机成本能够降下来,但单个商品的制造成本依然得不到解决。使用3D打印机制造商品,其成本要远高于大型企业规模化生产后均摊到每一件商品的成本。而后者批量生产也比3D打印产品的制造速度要快得多。

三是3D打印技术产品性能缺陷暂时无法弥补。3D打印不适合直接制造高精度零件,后期仍需经过人工处理。由于3D打印是材质一层一层堆积成形,每一层都有厚度,这决定了它的精度难以企及传统制造方法。提高制造精度需不断降低每一层的厚度,难度提高的同时,制造时间也大幅延长。即便层和层之间粘结再紧密,其产品性能也无法和传统模具整体浇铸的零件相媲美。

未来产业技术发展趋势日益明显

当前产业技术领域正朝着以下方向发展:

一是规范性标准成为3D打印材料选取的基本保障。目前已有大量材料或混合物应用于3D打印技术,但如何更好地理解每种材料的加工—结构—属性之间的关系,并发挥好它们的特性仍需大量的研究工作。此外,开发质量测试的程序和方法以帮助扩展可用材料的种类也十分重要。在3D打印技术完全过渡到可提供切实可行的制造解决方案之前,需要整合研究机构和材料制造商等多方力量来为材料提供力学性能数据的规范性标准。

二是科学化的把控机制成为实现工艺流程的关键环节。为提高机器之间的连贯性、重复性和统一性,需要有内部过程监控和闭环反馈的方法。应认真审查原位传感器,以此来提供无损性评估,并使之能够进行早期缺陷检测,特别是与热能控制有关的缺陷检测,较好的流程控制也将减少设备的故障时间。此外,要了解和预测材料性能(如表面粗糙度和疲劳性能),就需要创建预测性模型,对零部件在设计过程中的功能特性进行预估,并调整设计以达到预期结果。

三是开放性与易操作是设计工具的重要评价标准。3D打印需要广泛运用计算机辅助设计工具。对于直接零部件制造,需要新工具来优化形状和材料性能,同时设计复杂的点阵结构,以最大化地减少材料使用和重量。

对于专业市场,源代码开放式架构控制器和可重构设备模块将使制造和研究更灵活;而对于非专业性市场,基于网络的新设计工具可能允许非专业人员创造性地设计满足个人需求的产品。新的设计环境会带动专业设计师连同初级用户共同开展产品设计。

未来几年3D打印市场的增长的逻辑

一是通过技术进步和产业竞争改善性价比。正像在前期有色中期策略报告《深加工的时代》中所述,3D打印成型工艺、打印耗材和设计程序、外设这三大要素的螺旋式创新是3D打印不断提升性价比,扩大应用领域的原动力。

性能方面,虽然当前3D打印概念风起云涌,但真正在现实的应用中,无论在工业领域还是民用消费领域,以上三大要素的配合远未到达理想状态,需要改进的地方还非常多。三要素联合改进的过程可能会比较慢,但极有可能会被几个关键环节上的突破所刺激,形成类似Iphone一样的杀手级应用,从而加快渗透。事实上,在当前越来越多的企业进入3D打印产业来看,竞争强度增强将会使这一过程逐步提速。

价格方面,由于3D打印设备和耗材在终端制品的成本中占比相当大,未来设备、耗材成本的降低将逐步提升3D打印的经济性。事实上,随着技术进步和3D打印设备生产商的竞争,打印机均价已从2001年接近12万美元降至8万美元,降幅约1/3,而2010年以来的价格上升则是由于金属材料的应用兴起使得对设备的性能要求提升所致。

二是亚太地区,尤其是中国市场将被激活和快速增长。正像前文所述,亚太地区是3D打印的洼地,尤其是中国的3D打印市场很可能被激活并快速增长。目前国内3D打印产业的现状是技术领先,产业化不足,高端金属耗材紧缺。但看好其发展前景,一是国内的技术基础扎实,随着关键技术瓶颈和成本高昂的难题逐渐解决,下游应用的性价比将逐渐改善;二是政府的大力支持前所未有,三是企业间合作逐渐加深,四是3D打印概念的热潮客观上为下游应用推广和资本支持提供强劲推动。

三是商业模式的进化。随着互联网云制造、物联网的生态越来越成熟,3D打印分布式制造的商业模式可能会变成现实,大家可以通过网络进行3D打印方面的创业、融资以及设计程序的交易,物流也会把成品送到用户手中。商业模式的进一步创新将会使3D打印渗透率进一步提升。

具体到国内3D打印的产业链环节,当然看好各个环节的初期发展,但更加看好高端打印耗材的中长期发展。在打印设备环节,国内企业诸如太尔时代、湖南华曙等,虽然在技术上有一定优势,目前销量也取得了令人兴奋的成绩,但面临两个问题,一是欧美企业在技术和规模上有先发优势,国内企业在性能和成本上将面临较强的竞争,二是随着国内各地方政府掀起上项目、建产业园的热潮,3D打印设备很可能变成红海,虽然相关企业在政府扶持下会迎来从无到有的快速扩张,具有一定的投资价值,但未来这一环节的盈利性可能会整体下降。

未来更具机遇的可能是为3D打印设备提供关键零部件的、具有技术壁垒的企业,比如在激光发生器、三维建模、激光熔覆等关键技术上有优势的大族激光。

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