對于3D打印行業(yè)發(fā)展的一點思考

3D打印技術也叫增材制造技術，是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術。3D打印通常是采用數(shù)字技術材料打印機來實現(xiàn)。過去其常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有企業(yè)開始使用這種技術打印而成的零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、工程和施工、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領域都有所應用。

3D打印技術是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。

3D打印的材料主要分成九大類：

第一類：光敏樹脂材料，主要包括丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂及聚酯樹脂等的光固化樹脂材料。這類材料能夠在紫外光的照射下發(fā)生聚合反應而固化，一般呈現(xiàn)液體狀態(tài)。可用來制造航天航空用葉片、齒輪等結(jié)構(gòu)零件。

第二類：工程塑料材料，主要包括ABS材料、聚碳酸酯材料和聚酰胺材料。ABS材料兼具“堅韌、質(zhì)硬、剛性”等特點，因此在機械、電氣、紡織、汽車、飛機、輪船等制造工業(yè)及化工中獲得了廣泛的應用。聚碳酸酯材料具有良好的抗沖擊、抗熱畸變性能，耐火性好、硬度高，因此適用于生產(chǎn)轎車和輕型卡車的各種零部件，主要集中在照明系統(tǒng)、儀表板、加熱板、除霜器及保險杠等方面。聚酰胺材料又稱尼龍材料，具有強韌、耐磨、自潤滑、適用的溫度范圍廣等特點，主要代替銅和其他有色金屬來制造機械、化工、電器零件，如柴油發(fā)動機燃油泵齒輪、水泵、高壓密封圈、輸油管等。

第三類：金屬材料，主要包括鈦合金材料、不銹鋼材料、鋁合金材料、其他貴金屬材料等。鈦合金材料強度高、耐熱性高。相比其他金屬，鈦合金還具有抗蝕性好、低溫性能好、化學活性大等優(yōu)點，因此被廣泛應用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件，火箭、導彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件等領域。不銹鋼材料具有易焊接性、耐腐蝕性、強拋光性及耐熱性等優(yōu)點，被廣泛應用于建筑領域、食品加工、餐飲、釀造、化工和醫(yī)療器械領域。鋁合金材料具有密度小、熔點低、可塑性強等特點。鋁合金是目前應用最多的合金，被廣泛應用于航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業(yè)中。其他貴金屬材料如黃金材料，具有導電性好、導熱性好、穩(wěn)定性高等特點，主要應用于電子、化學工業(yè)、航空航天等對材料有特殊性要求的領域。

第四類：陶瓷材料，主要包括粘土、高嶺土等天然硅酸鹽材料和高純度人工合成材料如氧化物陶瓷材料、氮化物陶瓷材料、碳化物陶瓷材料等。由于陶瓷材料大多熔點很高甚至無熔點，難以利用外部能量進行直接成形，大多需要在成形后進行再處理（烘干、燒結(jié)等）才能獲得最終的制品，這便限制了陶瓷材料在3D打印行業(yè)的推廣。然而陶瓷材料具有硬度高、耐高溫、物理化學性質(zhì)穩(wěn)定等聚合物和金屬材料不具備的優(yōu)點，因此在航天航空、電子、汽車、能源、生物醫(yī)療等行業(yè)有廣泛的應用前景。

第五類：生物材料，主要包括生物醫(yī)用金屬材料、生物醫(yī)用高分子材料、生物醫(yī)用陶瓷材料和生物衍生材料。其中生物衍生材料是由經(jīng)過特殊處理的天然生物組織形成的生物醫(yī)用材料，也稱為生物再生材料。生物材料在3D打印中的應用可以分為兩個領域，第一類是根據(jù)生物材料可降解、熔點低、具有生物特性、環(huán)保等特點而將之應用于食品加工、食品包裝等領域；第二類根據(jù)生物材料的可再生性、組織相容性和誘導性、力學順應性及降解順應性而被廣泛應用于醫(yī)學領域，生物材料在醫(yī)學領域的應用可以分為假體的制造，細胞三維間接組裝制造和細胞三維的直接制造三個層次。

第六類：橡膠材料，橡膠類材料具備多種彈性材料特征，如肖氏A級硬度、斷裂伸長率、抗撕裂強度和拉伸強度，使其非常適合應用在要求防滑或柔軟表面的領域，如消費類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設備和汽車內(nèi)飾等。

第七類：砂石材料，主要為石英砂。在3D打印中，根據(jù)它的傳統(tǒng)功能和特性，砂石材料主要應用在建筑當中，制造一些建筑材料或構(gòu)造。低成本、高效率以及環(huán)保是砂石材料在3D打印建筑領域的優(yōu)點。

第八類：石墨烯材料，是一種以sp²雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料。石墨烯材料具有優(yōu)異的光學、電學、力學特性，可用于替代各種傳統(tǒng)材料，被認為是一種未來革命性的材料。隨著石墨烯制備水平的發(fā)展和石墨烯應用技術水平的發(fā)展，石墨烯材料能夠應用在更多的下游產(chǎn)品和領域中。根據(jù)中國科學院預計，到2024年前后，石墨烯器件有望替代互補金屬氧化物半導體器件，在納米電子器件，光電化學電池、超輕型飛機材料等研究領域得到應用。

第九類：纖維素材料，是一種由葡萄糖組成的大分子多糖，不溶于水及一般有機溶劑。纖維素是植物細胞壁的主要成分，是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，占植物界碳含量的50%以上。研究人員一直致力于開發(fā)使用纖維素進行3D打印的方法，目前已有了一些突破。纖維素材料還存在一些不足，比如其成本高、擴展性差以及和塑料結(jié)合會產(chǎn)生污染物等。

3D打印技術主要分為桌面級和工業(yè)級兩種。桌面級3D打印機是3D打印技術的初級階段，能夠很直觀地闡述3D打印技術的工藝原理。由于桌面級3D打印機價格相對便宜、攜帶方便、易于操作等，因而其應用主要集中于家庭、辦公等場所。工業(yè)級3D打印機主要分為快速原型制造機和直接產(chǎn)品制造機兩種。工業(yè)級3D打印機在批量生產(chǎn)模具、金屬零部件等方面，能更好的滿足高精度、短時間的制作要求。工業(yè)級3D打印機借助計算機控制激光或電子束，可以打印出傳統(tǒng)機械加工無法完成的復雜精密結(jié)構(gòu)，并且免去了不必要的制造工序，實現(xiàn)對材料的充分利用。

3D打印技術的出現(xiàn)降低了產(chǎn)品制造的復雜程度，擴大了生產(chǎn)制造的范圍，縮短生產(chǎn)制造的時間，提高了生產(chǎn)效率，提高原材料的利用率，提高產(chǎn)品規(guī)格的精確度。同時，3D打印技術滿足了客戶個性化定制的需求，可以開發(fā)出更加豐富多樣的產(chǎn)品。

我國3D打印行業(yè)當前也存在著一些不足。由于技術水平和裝備等級的局限性，我國的3D打印企業(yè)目前僅能進行少批量、小尺寸的零部件加工制造，難以代替大規(guī)模、大批量的加工制造。另一方面，一直困擾我國的3D打印材料短缺的問題還沒有解決，主要的材料來源仍然依賴從美國進口，使我國數(shù)量本就不多的3D打印企業(yè)又要面臨高昂的成本壓力，限制了我國3D打印行業(yè)的規(guī)模和應用范圍。

3D打印行業(yè)是十分具有前景的行業(yè)。隨著世界人口的不斷增加，對住房的需求量會持續(xù)增加，這勢必將導致未來房屋建造高度的提升。房屋建造高度的提升將大大提高對建造技術、人工和材料標準的要求；同時，建造的風險也會呈指數(shù)式增加。成熟的3D打印房屋技術可以規(guī)避人工建造高樓的風險，降低建造高樓的難度，提高建造高樓的效率。另一方面，隨著人類對宇宙的不斷探索以及科技的不斷進步，使未來在其他星球建立基地或移民的計劃成為可能。成熟的3D打印技術可被應用在未來的“星際殖民”活動中，來滿足宇航員在星際中的制造需求，還能降低星際間相關活動的籌備難度。

3D打印技術的應用當然不會只局限于現(xiàn)在被大家所熟知的這些。未來此行業(yè)所隱藏的價值，還有待于開發(fā)。