1. 引述
3D打印本質(zhì)上是一種層層堆疊，增材制造的思想。借用這類思想的工藝方法有很多，大到建筑生產(chǎn)，小到納米堆積。但主流的3D打印，主要集中在制造業(yè)，單體制造尺度上往在毫米到10米級(jí)制造尺度。以下我們談?wù)摰囊彩窃谶@個(gè)尺度的3D打印方法。為了不失整體性，我們先介紹特點(diǎn)，再業(yè)界應(yīng)用，最后介紹工藝方法，對(duì)于商業(yè)應(yīng)用，我個(gè)人的想法會(huì)提一提。
2. 3D打印的特點(diǎn)
2.1 3D打印的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)
從特點(diǎn)上講3D打印的層層堆疊方法，具有高度的柔性，高度的定制性，對(duì)零件外形的制造難度，制造成本的敏感度非常低。對(duì)于一些具有大量曲面，非常難加工的復(fù)雜零件，3D打印的優(yōu)勢(shì)及其明顯。例如下面這樣一類幾何體，對(duì)于傳統(tǒng)加工來講，往往需要5軸以上的昂貴加工中心完成。然而對(duì)于3D打印，這類零件與打印一個(gè)扳手并無明顯區(qū)別。同時(shí)針對(duì)這一優(yōu)勢(shì)，拓?fù)鋵W(xué)優(yōu)化是3D打印設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方向。這類零件，可以具有合理的強(qiáng)度和極輕的重量。
2.2 3D打印具有極強(qiáng)的零件整合性
在以往，對(duì)于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，如液壓缸，液壓閥，具有內(nèi)部溝道的沖壓模具，往往需要拆分成多個(gè)零件，通過復(fù)雜的連接件，配合面進(jìn)行精密組裝。然而由于3D打印的出現(xiàn)，完全可以將以往的幾個(gè)件，整合為一個(gè)件。液壓產(chǎn)品巨頭MOOG公司，前幾年就研發(fā)出了液壓缸液壓閥完全整合的一體液壓元件，波士頓動(dòng)力的結(jié)構(gòu)中也應(yīng)用大量的3D打印的一體化零件，這種整合趨勢(shì)和設(shè)計(jì)方法也必然是發(fā)展方向之一。
2.3 3D打印適合中小批量生產(chǎn)
3D打印往往是每次只生產(chǎn)單件或幾件。從經(jīng)濟(jì)性上講，3D打印隨數(shù)量增加，邊際成本降低很慢，甚至保持不變。這導(dǎo)致3D打印不是非常適合大批量生產(chǎn)，從現(xiàn)有應(yīng)用上看也一般集中在小批量定制生產(chǎn)，中批量以上的生產(chǎn)不多見。例如飛機(jī)零件，火箭零件生產(chǎn)等。
2.4 3D打印適合工業(yè)4.0
3D打印的機(jī)器自治性非常高，往往只需要傳入零件的CAD模型，就可以自主打印。無需傳統(tǒng)制造的，重復(fù)裝卡，定位等。從這一點(diǎn)上看，不僅節(jié)省時(shí)間成本，也非常適合所謂工業(yè)4.0的智能化，無人化生產(chǎn)。
2.5 3D打印的主要問題
從現(xiàn)有生產(chǎn)問題上看，大部分3D打印方法速度都很慢，最終產(chǎn)品的表面粗糙度較差，后續(xù)仍需要磨削，銑削等精加工。由于這一顯著問題，研究趨勢(shì)上主要分為兩派，一派以“混合制造”為主導(dǎo)發(fā)展方向，既將3D打印，整合進(jìn)傳統(tǒng)加工中心，這一方向已經(jīng)有DMG機(jī)床，如：DMG 3D打印銑床，如；另一派主張繼續(xù)改進(jìn)3D打印工藝性能。從整體上講，兩派并不矛盾，只是發(fā)展重點(diǎn)不同。
3.3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域
從應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括，醫(yī)療工業(yè)（人體替代植入物），航空航天工業(yè)，模具制造業(yè)，零件修復(fù)，汽車和快速設(shè)計(jì)。我按領(lǐng)域給大家看看，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到什么程度。
3.1 醫(yī)療工業(yè)
首先從醫(yī)療工業(yè)上講，人體替代物如：人造牙齒，人造膝蓋等往往具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）極高的幾何復(fù)雜性，2）每個(gè)人都需要單獨(dú)定制，3）往往選用高加工成本的，低人體排斥性的鈦合金成本。這類需求對(duì)于傳統(tǒng)加工業(yè)，無論從加工難度，還是加工成本都是極大的挑戰(zhàn)。而以上恰好是3D完美解決的領(lǐng)域。同時(shí)有研究表明激光金屬燒結(jié)（SLS）由于生產(chǎn)過程中的不完全融合，導(dǎo)致內(nèi)部存在細(xì)密的空穴，恰好與骨骼的結(jié)構(gòu)相似，提高了人體適應(yīng)性。另一方面，從強(qiáng)度上也具有與骨骼的相似強(qiáng)度，這避免了替代區(qū)域在受力時(shí)，由于骨骼和替代物強(qiáng)度不均導(dǎo)致的進(jìn)一步損傷。以下幾個(gè)圖可以看到，現(xiàn)有3D打印的替代物，已經(jīng)具有良好替代性。在這一領(lǐng)域，是一定有商業(yè)開發(fā)前景的，可惜都沒人投資！
4. 3D打印的工藝方法
3D打印學(xué)術(shù)上稱為增材制造（Additive Manufacturing），主要區(qū)別于傳統(tǒng)車鉗銑刨磨的減材制造（Subtractive Manufacturing）。從工藝方法上講，3D打印是個(gè)龐雜的家族，各類細(xì)分工藝技術(shù)不勝枚舉。但較為成熟的和具有具體應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)，主要有“樹脂線材堆積”（FDM），激光選擇性金屬燒結(jié)/融合(SLS/SLM)，金屬線材電弧/激光制造(WAAM/WLAM)，光固化樹脂（SLA），連續(xù)光固化技術(shù)（CLIP）等。
3D從打印的材料分類上講，主要分非金屬和金屬。顯而易見的，金屬零件是貫穿整個(gè)制造業(yè)的基礎(chǔ)，所謂3D打印對(duì)制造業(yè)的革命，更多的是針對(duì)金屬3d打印。我們下邊簡(jiǎn)單講一下非金屬，然后主要介紹金屬。
1.非金屬3D打印
我們先講非金屬。非金屬3D打印從分類上講主要兩大類，一是光固化技術(shù)（SLA），二是融化堆積技術(shù)（FDM），另有一些其他技術(shù)，如板材分層等并不主流，這里不介紹。
SLA
對(duì)于光固化技術(shù)（SLA），出現(xiàn)很早。其基本原理就是利用液態(tài)樹脂在特定波長(zhǎng)的光照射下轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，現(xiàn)實(shí)中就是利用激光逐點(diǎn)照射來制造零件。最早的3D打印機(jī)就是基于SLA技術(shù)。SLA的問題主要還是打印速度太慢，打印強(qiáng)度一般，打印出來的零件效果如下圖所示，像下邊這幾個(gè)零件，單個(gè)打印我個(gè)人估計(jì)要打印4小時(shí)左右。一般這類零件多用于展示，驗(yàn)證等目的，實(shí)用性不強(qiáng)。
CLIP
去年Science上發(fā)表的連續(xù)光固化技術(shù)（CLIP），本質(zhì)上也是SLA技術(shù)，只是將單點(diǎn)固化，轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫱队肮袒５獵DLP技術(shù)的出現(xiàn)，可以算作是革命性的變革，不僅大大提高了打印速度（據(jù)稱25~100倍），和大大提高了精度，算是真正意義上的純3D打印。這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)當(dāng)算是非金屬3D打印的最前沿了。去年的這技術(shù)的發(fā)明團(tuán)隊(duì)已經(jīng)做出來商業(yè)化的機(jī)器了。聽說中科院的一個(gè)所和國(guó)內(nèi)的幾家廠商也已經(jīng)突破了這項(xiàng)技術(shù)，可喜可賀。
FDM
這是一個(gè)我都懶得講的技術(shù)，我翻譯叫融化堆積技術(shù)（FDM）。原理就是通過將線材塑料，在高溫下（200~300度）融化成膏狀，然后像擠牙膏一樣“涂抹”在基底上，逐層打印。淘寶上一搜一大把的都是這種打印機(jī)，成本及其低廉，國(guó)貨盛行，特別要提的就是，10幾年前，對(duì)這類打印機(jī)做出貢獻(xiàn)的RepRap公司，今年年初關(guān)門歇業(yè)了，基本就是被國(guó)貨擠黃了。類似的，什么巧克力3D打印，煎餅3D打印，原理幾乎都跟這個(gè)一樣。
2. 金屬3D打印
金屬3D打印從技術(shù)上講，主要包括粉床融合技術(shù)（Powder-bed fusion)，直接融合技術(shù)(Direct Energy Deposition)。其他的還有Binder jetting等幾種，并不主流不提了。主要講粉床和直接融合。
Powder-bed Fusion 粉床融合技術(shù)
粉床融合技術(shù)，可以說是過去20幾年，增材制造的核心研究技術(shù)。從過程上講是將粉末逐層鋪在平板上，然后通過激光將粉末燒結(jié)在一起。這項(xiàng)技術(shù)的精度非常高，已經(jīng)大量應(yīng)用在航空，汽車，等各項(xiàng)領(lǐng)域。我國(guó)王華明教授的團(tuán)隊(duì)具有世界領(lǐng)先的技術(shù)水平，從歐洲這邊來看，他們制造的大尺寸飛機(jī)支撐件也是非常先進(jìn)的。前幾年他們獲得了國(guó)家科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。絕對(duì)是實(shí)至名歸。從學(xué)術(shù)上講，Jean-Pierre Kruth教授對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的大量基礎(chǔ)問題做出了巨大貢獻(xiàn)。去年還拿了3D打印類似終身成就獎(jiǎng)一類的東西。
WAAM
我想3D打印我國(guó)還有機(jī)會(huì)的，恐怕就是這項(xiàng)技術(shù)，金屬線材電弧3D打印。去年年底Norsk Titanium這家公司完成了歐洲這邊TRL8認(rèn)證，這是個(gè)技術(shù)成熟度認(rèn)證，9級(jí)是成熟的商業(yè)化工業(yè)技術(shù)，8級(jí)就代表技術(shù)是幾乎沒問題了，只需要投入驗(yàn)證。這項(xiàng)技術(shù)主要用于打印毛坯，尤其是貴金屬，如鈦合金毛坯。優(yōu)勢(shì)在于，飛機(jī)制造中大量零件的材料利用率極低，會(huì)原材料與最終產(chǎn)品的利用率比值在10~20:1，這在航空業(yè)叫Buy-to-fly ratio。通過這項(xiàng)技術(shù)，可以大大提高材料利用率，降低成本。
這項(xiàng)技術(shù)的就是通過電弧將金屬線材融化，層層涂抹在打印材料。下圖就是Cranfield大學(xué)打印的金屬葉片。
特別要說明的是，英國(guó)空客研發(fā)，Renishaw都在最近加緊對(duì)這一技術(shù)的研發(fā)
國(guó)內(nèi)哈工大張廣軍教授的團(tuán)隊(duì)，做的非常非常好。同時(shí)國(guó)際上澳洲woollonggong大學(xué)的Donghong Ding博士，和英國(guó)Cranfield大學(xué)都做出了巨大成績(jī)。
