詳析3D打印、快速成型與快速制造技術

　　傻傻分不清楚——3D打印、快速成型與快速制造技術解析當前，3D打印、3D打印機、三維打印、快速成型、快速制造、數(shù)字化制造這些名詞，如同一股旋風，仿佛一夜之間就在學術界、政界、傳媒界、金融界、制造界掀起了巨瀾。然而至今還沒有一篇文章能夠全面、完整地對這些名詞進行解析，讓人們真正認識和了解“什么是3D打印”、“什么是快速制造”。

　　解析一：概念

　　快速成型（Rapid Prototyping，簡稱RP），誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種新型技術，被認為是近20年來制造領域的一個重大成果。它集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層制造技術、數(shù)控技術、材料科學、激光技術于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩鵀榱慵椭谱鳌⑿略O計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段。目前國內傳媒界習慣把快速成型技術叫做“3D打印”或者“三維打印”，顯得比較生動形象，但是實際上，“3D打印”或者“三維打印”只是快速成型的一個分支，只能代表部分快速成型工藝。

　　快速制造（Rapid Manufacturing，簡稱RM），有狹義和廣義之分，狹義上是基于激光粉末燒結快速成型技術的全新制造理念，實際上屬于RP快速成型技術的其中一個分支，它是指從電子數(shù)據(jù)直接自動地進行快速的、柔性并具有較低成本的制造方式。快速制造它與一般的快速成型技術相比，在于可以直接生產(chǎn)最終產(chǎn)品，能夠適應從單件產(chǎn)品制造到批量的個性化產(chǎn)品制造;而廣義上，RM快速制造可以包括“快速模具”技術和CNC數(shù)控加工技術在內，因此可以與RP快速成型技術分庭抗禮，各擅勝場。

　　國際上喜歡用“Additive Manufacturing”（簡稱AM）來囊括RP和RM技術，國內翻譯為增量制造、增材制造或添加制造。2009年美國ASTM成立了F42委員會，將AM定義為： “Process of joining mat-erials to make objects from 3d model data， usua-lly layer upon layer， as opposed to subtractive manufacturing methodologies.” 即：一種與傳統(tǒng)的材料去處加工方法截然相反的，通過增加材料、基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通常采用逐層制造方式，直接制造與相應數(shù)學模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。

　　解析二：幾種主流快速成型工藝的成型原理及優(yōu)缺點

　　1. 激光光固化（SLA——Stereolithography）

　　該技術以光敏樹脂為原料，將計算機控制下的紫外激光按預定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態(tài)樹脂連點掃描，便被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應，從而形成零件的一個薄層截面。當層固化完畢，移動工作臺，在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂以便進行下一層掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此重復直到整個零件原型制造完畢。美國3DSYSTEMS 公司是最早推出這種工藝的公司。該項技術特點是精度和光潔度高，但是材料比較脆，運行成本太高，后處理復雜，對操作人員要求較高。適合驗證裝配設計過程中用。

　　2. 三維打印成型（3DP——3Dimension Printer）

　　其最大特點是小型化和易操作，多用于商業(yè)、辦公、科研和個人工作室等環(huán)境。而根據(jù)打印方式的不同，3DP三維打印技術又可以分為熱爆式三維打?。ù恚好绹?D Systems公司的 Zprinter系列——原屬ZCorporation公司，已被3D Systems公司收購）、壓電式三維打?。ù恚好绹?D Systems公司的ProJet系列和前不久被Stratasys公司收購的以色列Objet公司的三維打印設備）、DLP投影式三維打?。ù恚旱聡?Envisiontec公司的Ultra、Perfactory系列）等。

　　熱爆式三維打印工藝的原理是將粉末由儲存桶送出一定分量，再以滾筒將送出之粉末在加工平臺上鋪上一層很薄的原料，打印頭依照3D 電腦模型切片后獲得的二維層片信息噴出站著劑，粘住粉末。做完一層，加工平臺自動下降一點，儲存桶上升一點，刮刀由升高了的儲存桶把粉末推至工作平臺并把粉末推平，如此循環(huán)便可得到所要的形狀。該項技術的特點是速度快（是其他工藝的6倍），成本低（是其它工藝的1/6）。缺點是精度和表面光潔度較低。 Zprinter系列是全球唯一能夠打印全彩色零件的三維打印設備。

　　壓電式三維打印，類似于傳統(tǒng)的二維噴墨打印，可以打印超高精細度的樣件，適用于小型精細零件的快速成型。相對SLA，設備維護更加簡單;表面質量好，Z軸精度高。

　　DLP投影式三維打印工藝的成型原理是利用直接照燈成型技術（DLPR）把感光樹脂成型，CAD的數(shù)據(jù)由計算機軟件進行分層及建立支撐，再輸出黑白色的Bitmap檔。每一層的Bitmap檔會由DLPR投影機投射到工作臺上的感光樹脂，使其固化成型。DLP投影式三維打印的優(yōu)點： 利用機器出廠時配備的軟件，可以自動生成支撐結構并打印出完美的三維部件。相比于快速成型領域其他的設備，獨有的voxelisation專利技術保證了成型產(chǎn)品的精度與表面光潔度。

　　3. 熔融沉積造型（FDM——Fused Deposition Modeling）

　　FDM工藝，也叫擠出成型，關鍵是保持半流動成型材料剛好在熔點之上（通?？刂圃诒热埸c高1 0C左右）。 FDM噴頭受CAD分層數(shù)據(jù)控制使半流動狀態(tài)的熔絲材料（絲材直徑般在1.5mm 以上）從嘖頭中擠壓出來，凝固形成輪廓形狀的薄層，一層疊一層最后形成整個零件模型。美國3DSYSTEMS 公司的BFB系列和Rapman系列產(chǎn)品全部采用了FDM技術，其工藝特點是直接采用工程材料ABS 、PC等材料進行制作，適合設計的不同階段。缺點是表面光潔度較差。

　　熔融擠壓3D打印機樣品

　　4. 造擇性激光燒結（SLS——Se1ected Laser Sintering）

　　該法采用C02激光器作能源，目前使用的造型材料多為各種粉未材料。在工作臺上均勻鋪上一層很薄的（100μ-200μ） 粉未，激光束在計算機控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進行燒結，一層完成后再進行下一層燒結。全部燒結完后去掉多余的粉未，再進行打磨、烘干等處理便獲得零件。目前，工藝材料為尼龍粉及塑料粉，還有使用金屬粉進行燒結的。德國EOS公司的P系列塑料成型機和M系列金屬成型機產(chǎn)品，是全球最好的SLS技術設備。

　　SLS技術既可以歸入快速成型的范疇，也可以歸入快速制造的范疇，因為使用SLS技術可以直接快速制造最終產(chǎn)品。

　　4.多層激光熔覆（DED，Direct Metal Deposition）

　　相當于多層激光熔覆，利用激光或其它能源在材料從噴嘴輸出時同步熔化材料，凝固后形成實體層，逐層疊加，最終形成三維實體零件。DED的成型精度較低，但是成型空間不受限制，因而常用于制作大型金屬零件的毛坯。

　　5.薄板層壓成型（LOM，Layered Object Manufacturing）

　　基本原理：利用激光等工具逐層切割、堆積薄板材料，最終形成三維實體。利用紙板、塑料板和金屬板可分別制造出木紋狀零件、塑料零件和金屬零件。各層紙板或塑料板之間的結合常用粘接劑實現(xiàn)，而各層金屬板直接的結合常用焊接（如熱釬焊、熔化焊或超聲焊接）和螺栓連接來實現(xiàn)。最大缺點：做不了太復雜的零件，材料范圍很窄，每層厚度不可調整，精度有限。

　　解析三：幾種主流的快速制造工藝的原理及優(yōu)缺點

　　1. 造擇性激光燒結（SLS——Se1ected Laser Sintering）

　　使用SLS設備，可以直接制造金屬模具和注塑模具的異形熱流道系統(tǒng)，其硬度可達較高洛氏硬度，性能達到鍛件級別， 也可以直接制造特殊、復雜功能零件。正是由于SLS技術的小批量特殊、復雜功能件的快速制造能力，且可以多個零件一次性成型制造，實現(xiàn)多品種、個性化的小批量快速制造，使該種技術在航空航天、軍工、汽車發(fā)動機測試和開發(fā)、醫(yī)療領域得到了廣泛的認可和應用。

　　2. 真空灌注成型快速模具（VCM——Se1ected Laser Sintering）

　　也叫“真空注型復模”，即利用原有的樣板， 在真空狀態(tài)下制作出硅膠模具，并在真空狀態(tài)下采用PU 材料進行澆注，從而克隆出與原樣板相同的復制件，是一種最常用的快速模具技術，通過這種技術，可以生產(chǎn)出滿足各種功能特性的類似工程塑料的產(chǎn)品，同時可以進行小批量生產(chǎn)。

　　一般一套VCM硅膠模具可以復制20套產(chǎn)品，尤其適合中小型、精細件的復制，比如儀器儀表、汽車零配件制造行業(yè)。這種加工工藝可以滿足在產(chǎn)品試制過程中的應用，時間短，成本低，速度快。

　　通常工藝流程是：3DP/SLA快速成型（手板、原型制作）-----VCM真空注型機（快速模具制作）------小批量復制、生產(chǎn)

　　3. 低壓反應注射成型 （Reaction Injection Moulding，RIM）

　　又名“低壓灌注”，是應用于快速模制品生產(chǎn)的一項新工藝，它將雙組份聚氨酯材料經(jīng)混合后，在常溫、低壓環(huán)境下注入快速模具內，通過材料的聚合、交聯(lián)、固化等化學和物理過程形成制品。由于所用原料是液體，用較小壓力即能快速充滿模腔，所以降低了合模力和模具造價，特別適用于生產(chǎn)大尺寸、大面積的制件，比如汽車保險杠、儀表臺、尾翼等?！∫惶識IM模具可以復制200件產(chǎn)品，已在汽車研發(fā)試制、儀器儀表、雕塑創(chuàng)意、建筑設計等領域得到運用。

　　一般工藝流程是：SLS/CNC快速成型（手板、原型制作）------RIM快速模具制作------注射成型（小批量復制、生產(chǎn)）

　　4. 數(shù)控機床（Computer Numerical Control，CNC）

　　CNC是一種由程序控制的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，通過計算機將其譯碼，從而使機床執(zhí)行規(guī)定好了的動作，通過刀具切削將毛坯料加工成半成品成品零件。自從1952年美國麻省理工學院研制出世界上第一臺數(shù)控機床以來，數(shù)控機床在制造工業(yè)，特別是在汽車、航空航天、以及軍事工業(yè)中被廣泛地應用，數(shù)控技術無論在硬件和軟件方面，都有飛速發(fā)展。（來自百度百科）

　　CNC相比于傳統(tǒng)機床，它具備數(shù)字化、高效、批量化的特點，除了結構形狀復雜的工件，基本都能應付，因此雖說不是嚴格意義上的快速成型技術，但是業(yè)界通常還是把它歸入快速制造的范疇。

　　解析四：為什么國內外政府都要大力推進快速成型與快速制造技術的發(fā)展

　　奧巴馬在2011年底和2012年4月，兩次在公開演講會上大力提倡快速成型和快速制造技術，把人工智能、3D 打印、機器人視為重振美國制造業(yè)的三個重要支柱，認為可以憑借這幾項技術，使制造業(yè)“重歸美國”。隨后美國的3D 打印產(chǎn)業(yè)得到政府扶持。美國國防部、能源部和商務部等5 家政府部門將共同出資4500 萬美元，由俄亥俄州、賓夕法尼亞州和西弗吉尼亞州的企業(yè)、學校和非營利性組織組成的聯(lián)合團體將出資4，000 萬美元，在俄亥俄州建立了一所由政府部門和私營部門共同出資的制造業(yè)創(chuàng)新研究所——美國國家增材制造創(chuàng)新學會（National Additive Manufacturing Innovation Institute），研發(fā)3D 打印技術。

　　2012年6月11日，溫家寶總理在中國科學院第十六次院士大會和中國工程院第十一次院士大會上的講話也表明的中國政府的密切關注：美歐學者近期預言稱，一種建立在互聯(lián)網(wǎng)和新材料、新能源相結合基礎上的第三次工業(yè)革命即將來臨，它以“制造業(yè)數(shù)字化”為核心，將使全球技術要素和市場要素配置方式發(fā)生革命性變化。一些專家認為，美德等國已取得先導性技術突破，有可能占據(jù)此次革命的制高點，重新劃分全球分工?？梢钥隙ǖ氖?，新科技革命將依賴現(xiàn)代化進程和國際競爭的強大需求拉動，也必將與新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展更加密切融合、互相促進。

　　美國《時代》周刊已將3D打印產(chǎn)業(yè)列為“美國十大增長最快的工業(yè)”，英國《經(jīng)濟學人》雜志則認為它將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動實現(xiàn)新的工業(yè)革命。

　　中國政府和美國政府如此重視3D打印，究其原因，不外乎以下幾點：

　　1. 消費模式的變化導致了工業(yè)制造模式的變化

　　原先人類的消費模式是受工業(yè)制造方式的影響的，市面上出售什么，人類就消費什么，別無他想;第一次和第二次工業(yè)制造革命，使人類從最早的全手工、自給自足的生產(chǎn)消費模式跳躍式到了產(chǎn)品急劇豐富、全球化流通的階段，到如今已經(jīng)是供大于求，人們的消費反過來可以影響制造了;而現(xiàn)如今的人開始厭棄大批量、無個性制造出來的東西，更青睞個性化的產(chǎn)品，這種產(chǎn)品往往具備個性化、定制化、多樣化的特點，傳統(tǒng)的、費時長久的開模制造方式是無法適應這種新的消費潮流了，于是，快速成型和快速制造技術應運而生。相比生產(chǎn)大規(guī)模標準化產(chǎn)品的模具制造，3D打印可以在一定約束下隨意生產(chǎn)制作個性化產(chǎn)品，可稱之為“大規(guī)模定制制造模式”，是以互聯(lián)網(wǎng)為支撐的智能化大規(guī)模定制的方式，或者是“分散生產(chǎn)，就地銷售”方式，標志著個性化消費時代的到來。

　　從前，消費者都是在店里挑選、購買已經(jīng)生產(chǎn)好的商品，現(xiàn)在則可以根據(jù)各自的需求，在“3D打印店”定制，邊生產(chǎn)邊體驗，及時獲得自己喜歡的產(chǎn)品。

　　2. 快速成型和快速制造相比傳統(tǒng)模具制造優(yōu)勢明顯

　　快速成型技術是不受產(chǎn)品結構和形狀的限制的，任何復雜的造型和結構，只要有CAD數(shù)據(jù)，都可以輕松完成，這樣就給個性化、定制化提供了可能性;而且使用快速成型技術和快速制造技術，是不需要開模具的，實現(xiàn)了無?；圃?，可使新產(chǎn)品研制的成本下降為傳統(tǒng)方式的1/3-1/5 ，周期縮短為1/5-1/10 。再加上快速成型和快速制造設備大部分可以實現(xiàn)無人值守、24小時不間斷加工，也就為廠商節(jié)約了人工成本，提高了生產(chǎn)效率。

　　快速成型和快速制造技術可以貫穿使用在產(chǎn)品設計、開發(fā)、試制、小批量生產(chǎn)等環(huán)節(jié)，而且無論是工業(yè)制造領域、教育領域、醫(yī)療領域、文物保護領域還是其他領域，大至一架飛機，小到一枚戒指，只要需要進行實物打樣或者試制，都可以使用快速成型和快速制造技術，適用面非常廣泛。

　　快速成型和快速制造的后期輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數(shù)據(jù)泄密和時間跨度，尤其適合一些高保密性的行業(yè)，如軍工、核電領域。

　　3D打印技術“打印”的產(chǎn)品是自然無縫連接的，一體成型，結構之間的穩(wěn)固性和連接強度要遠遠高于傳統(tǒng)方法。

　　3. 未來制造業(yè)必須走低碳環(huán)保之路

　　“第三次工業(yè)革命”概念的真正興起和全球化傳播，與全球可持續(xù)發(fā)展面臨的壓力息息相關。具體來說：一是至20世紀80年代，石油和其他化石能源的日漸枯竭，及隨之而來的全球氣候變化給人類的持續(xù)生存帶來了危機。二是化石燃料驅動的原有工業(yè)經(jīng)濟模式，不再能支撐全球的可持續(xù)發(fā)展，需要尋求一種使人類進入“后碳”時代的新模式。快速成型和快速制造技術適逢其會，以綠色、節(jié)能、低碳、環(huán)保的全新姿態(tài)迅速得到了全球政府和機構的認可和信賴。

　　快速成型和快速制造采用的是加法式制造技術，區(qū)別與傳統(tǒng)的減法式、銑削式制造方式，基本上是生產(chǎn)多少重量的東西，所耗費的也就是同等重量的材料，因此所耗費的材料明顯減少;個性化定制以后也不產(chǎn)生產(chǎn)品庫存，可以在減少碳排放和原材料消耗的前提下，保持更高的生產(chǎn)效率。3D打印的原材料使用僅為傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的1/10，這在如今資源珍貴的時代無疑具備巨大優(yōu)勢。

　　4. 全球制造業(yè)未來的競爭在于高附加值的設計環(huán)節(jié)

　　在全球經(jīng)濟今天正邁向第三次工業(yè)革命以及經(jīng)濟疲軟的背景下，歐美國家開始制定“再工業(yè)化”戰(zhàn)略——去掉低附加值的加工制造環(huán)節(jié)，對制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈進行重構，重點加強對高附加值環(huán)節(jié)的再造，通過技術創(chuàng)新、設計創(chuàng)新，改變傳統(tǒng)制造業(yè)的制造模式，降低單位勞動成本，提高其在國際上的競爭力，同時提供大量就業(yè)機會?？焖俪尚秃涂焖僦圃斓娜遮叧墒鞛檫@一戰(zhàn)略提供了實實在在的條件。

　　原先的制造業(yè)是生產(chǎn)、加工環(huán)節(jié)制約著研發(fā)設計環(huán)節(jié)，新產(chǎn)品的研制從一開始就需要考慮到最終能否被生產(chǎn)出來;而快速成型和快速制造技術對于產(chǎn)品設計沒有限制，只要能設計得出來，完成CAD建模，任何結構和形狀都可以被生產(chǎn)出來，如此一來，工業(yè)設計方面的創(chuàng)意和能量將被無限釋放，誰具備突出的工業(yè)設計能力，誰就將成為未來全球制造業(yè)的領頭羊，創(chuàng)造高額利潤。

　　中國制造業(yè)，如果還是停留在國外設計、國內制造或者來料加工的階段，那么未來只能在低附加值的加工制造環(huán)節(jié)上苦苦掙扎，因此，中國政府和制造業(yè)的有識之士都已經(jīng)開始積極呼吁和大力傳播快速成型和快速制造技術，國內的工業(yè)設計教育和產(chǎn)業(yè)也得到了越來越多的關注和重視。

　　解析五：目前制約快速成型與快速制造技術在中國普及的一些困難

　　在中國，除了中國政府在大力倡導快速成型和快速制造技術，也已經(jīng)有一些視野廣闊的業(yè)界人員在從事快速成型和快速制造設備的銷售、推廣工作，他們絕大部分是歐美快速成型和快速制造設備在中國的代理商，比如杭州的先臨三維，是德國、美國多家全球領先的快速成型和快速制造設備的授權經(jīng)銷商，而且他們自己建有快速制造服務中心，可以為有需要的人提供各種3D打印和小批量制造服務，可以說是中國目前最專業(yè)、最大的3D打印技術集成服務商。

　　然而，快速成型與快速制造技術要在中國普及，尚需時日?？偨Y起來原因有：

　　1. 核心技術主要在歐美國家

　　快速成型和快速制造的核心技術都在德國、美國等發(fā)達國家手里，國內從事該領域研究開發(fā)的企業(yè)還很少，主力多是一些高校和科研機構，很多最新研究成果離產(chǎn)業(yè)化還有距離。

　　2. 專業(yè)級設備價格高昂

　　正是由于大多數(shù)快速成型與快速制造是進口設備，導致價格居高不下，動輒十幾萬、上百萬，一般消費者難以承受。目前主要是高端制造、醫(yī)療、高校方面的購買者居多。

　　3. 了解和認識還不夠

　　國人對于快速成型與快速制造技術的認識和了解基本處于起步階段，大致有個概念而已，盡管可能有需求，但是由于不知道應該購買哪種類別、哪種型號的設備，而不得不謹慎觀望。

　　其實這一點不應該成為快速成型與快速制造普及的阻礙，因為像杭州先臨三維這樣專業(yè)的設備提供商，他們都能夠根據(jù)客戶的需求為其量身定制一個合適的設備和材料方案，并提供全套售后裝機、培訓和維護服務。

　　4. 材料種類不夠豐富

　　快速成型機與快速制造設備所使用的材料，相比過去已經(jīng)豐富了很多，從光敏樹脂、ABS、類ABS、蠟型、玻璃纖維等塑料類材料，到不銹鋼、鋁合金、鐵鎳合金、鈷鉻鉬合金等金屬類材料，從單色到全彩，從透明到半透明到不透明，形形色色。盡管如此，和我們傳統(tǒng)制造所使用的材料相比，還是有差距的?？焖俪尚团c快速制造材料的研制，未來潛力無限。

　　5. 成型件大部分不能作為最終產(chǎn)品

　　使用快速制造方式可以生產(chǎn)最終產(chǎn)品，比如使用德國EOS 的M系列金屬粉末燒結成型設備，是可以快速生產(chǎn)最終的金屬產(chǎn)品的，但是快速成型出來的東西往往只能作為原型件或者手板，還不是最終產(chǎn)品。

　　因此，當前我們利用快速成型技術，通常都是和傳統(tǒng)模具制造技術相結合的，這也是值得大力推廣的一種現(xiàn)代制造方式：首先在產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)品試制階段，使用快速成型技術制作產(chǎn)品模型，進行設計溝通、驗證或者裝配測試;經(jīng)過多次的設計修改，然后快速成型出來一個最終的產(chǎn)品原型，用來輔助批量生產(chǎn)模具的開發(fā)制造。

　　這種快速成型和傳統(tǒng)模具技術相結合的方式，具有多方面優(yōu)勢：

　　1）加快產(chǎn)品設計、研發(fā)進度;

　　2）改善內部和外部溝通，提前掌握最終產(chǎn)品的外觀和結構，使設計更加合理;

　　3）大幅度提高模具開發(fā)制造的成功率;

　　4）最終產(chǎn)品的品質更好，能增加客戶滿意度;

　　5）節(jié)約成本，減少開支，同時提高利潤。

　　相比2D打印每年幾百億乃至上千億美元的市場來說，3D打印目前每年的市場空間只有幾億到十幾億美元，還是一個孕育中的市場。不過2011年2月的經(jīng)濟學家（The Economist）雜志說道“3D打印技術可以廉價的成型從單品到成千上萬個產(chǎn)品，進而破壞規(guī)模經(jīng)濟，正如那些3D打印公司所做到的那樣……正如 1450年的印刷術、1750年的蒸汽機和1950年的晶體管，當時沒有人能正確的預見他們在未來廣闊的應用前景，沒有人能預測3D打印技術的長期影響。 3D打印技術已經(jīng)到來了，它可能在未來破壞每一個它所觸及的領域。”