3D打印如何融入传统制造业？

3D打印技术并不是一项新兴的技术，它诞生于上个世纪80年代中期，算起来已经有近三十年的历史了。但是这项技术走进大众的视野，被人们熟知还是最近几年的事情。刹那间各种宣传见诸报端，3D打印也被赋予了各种历史使命：“开启第三代工业革命”、“颠覆传统制造业”、“改变游戏规则”……摘去这些光环，今天，让我们回过头来看，3D打印究竟如何改变现有产品开发和生产方式？面对传统制造业，这项技术究竟应该充当怎样的角色？

与传统制造互补

“3D打印在过去几年增长速度可以用‘惊人’二字来形容，速度非常快。今天，3D打印主要应用在快速原型领域，同时也用来做终端产品，也就是快速制造领域。无论是在哪一个领域，这项技术都有足够大的空间和潜力去发展，‘第三次工业革命’、‘颠覆制造业’等等这些都是不同角度的人的看法。”Stratasys大中华区总经理汪祥艮在第十五届中国国际模具技术和设备展览会（DMC2014）期间接受媒体采访时表示。

以塑料模具行业为例，今天的模具行业主要服务于大批量的生产，比如绝大部分塑料制品都需要通过模具采用注塑成型的方式生产出来，这种方式节奏快、产量大、生产一致性高，这也是工业化生产的特点。比如一个普通的塑料饭盒可能只需要几十秒的时间就可以注塑成型，一些小的塑料件还可以采用多型腔模具，一个循环周期可以低到几秒钟，一次可以生产几个，甚至几十个产品。相对来说，通过3D打印生产一个产品动则需要几个小时，甚至几天的时间，这样的周期如何适应追求高效率、高节奏的现代化工业生产方式呢？

“大批量生产是一种主流的生产方式，但是还有相当多的小批量、个性化定制的产品，以及相对比较复杂的设计，通过传统模具工艺无法实现或花费时间较长、成本较高，甚至在工艺上很难实现，或者实现不了的产品，可以通过3D打印来实现。”汪祥艮进一步解释道。“有了3D打印，设计师可以充分发挥自己的想象力，不需要在工艺方面有任何顾虑，只要有设计创意，能够建模，就可以通过3D打印把这个模型或者说终端产品制作出来。所以从这个角度来说，3D打印与传统模具制造是一个非常好的互补。”

举例来说，香港华美塑胶模具有限公司便采用Stratasys公司的Fortus 400mc系统为其航天业的客户生产一些紧急的零部件。这些零部件大部分均由Stratasys的ULTEM 9085材料制成，具有强度高、轻巧、耐热度高、阻燃等优势，完全满足航空航天的相关要求，因此用这种材料打印出来的零部件可以完全用于飞机上。“此外，在车间里产线上的工装夹具，比如需要做流程上的改进，这些改进可能是工人师傅自己的想法，并没有在外面进行推广，就可以通过3D打印制造出来使用，这也是所谓的终端产品。”

香港华美塑胶模具有限公司通过3D打印技术打印的航空零部件，直接用于飞机上。

所有这些应用都可以看出，3D打印并无法在生产节奏和大批量方面与传统制造相提并论，而能够发挥3D打印优势的是那些小批量、个性化，或者说有特定需求的产品制造领域，比如医疗（骨科和齿科）、航空航天及赛车等领域。

澳大利亚卧龙岗大学通过3D打印赛车用进气歧管

快速成型为主

当今社会，激烈的市场竞争和快速变化的社会需求大大缩短了产品的生命周期，产品的更新换代加快，生产企业面临更大的压力，需要以更快的速度将产品推向市场。3D打印在缩短产品研发周期方面可以发挥重要的作用。通过3D打印实现的快速成型（rapid prototyping）省去了研发阶段用于生产物理模型的模具的制作，不仅节省了时间和成本——模具的制作需要较长的周期和高昂的费用，还大大简化了整个设计流程——如果有改变可以马上在电脑里调整，很快又可以打印出新的产品，如此反复实验直至达到要求。

事实上，3D打印技术在出现的最初阶段其目的主要用于样品的制作（快速成型），满足视觉（即视感）以及触觉等感官方面的需求，而快速制造可以算作是技术进一步提升（打印时间、精度及材料物理性能等）后的新的应用拓展。汪祥艮表示，目前3D打印主要用于快速成型，该应用占整个3D打印的80%以上。

比如保温食品和饮料容器制造商Thermos（膳魔师）公司自采用了Stratasys公司的Dimension 3D打印机后，整个设计流程得到了大大缩短。以往，该公司设计团队常常将原型制造外包，需要耗时3-5天的时间，而现在，他们可以以更低的成本，更快地创建出所需原型，耗时往往只需数小时，甚至几分钟，而成本仅为外包成本的五分之一。

正式生产杯盖前，Thermos工程师利用3D打印原型测试其灌注性能

除了缩短制作周期和降低成本外，3D打印还可以帮助Thermos制作出更好的产品。“我们可以随心所欲制作所需原型，直至产品水平达到我们的目标为止。这让我们能够尽可能改善杯盖塞的啮合度，以及杯子的灌注性能，”该公司研发工程师表示。

再比如在齿科领域，如果需要种植一颗牙或做一副牙，目前的做法是采用石膏模，让患者咬一下，然后进行修改，这样做不仅很痛苦，而且时间较长。“现在完全可以做到数据化，用手持口腔扫描仪采集数据，然后通过3D打印机把牙齿打印出来，这样可以得到非常精确的数据，有了这个之后便可以去做牙模，然后再回到传统工艺做出牙齿。”汪祥艮解释道。

材料是门槛？

当3D打印技术不断发展，从最初满足观感（造型和色彩），到触感（软硬），再到功能性需求的发展过程中，材料无疑起到了一个非常重要的作用。在材料成型后，还要解决工程应用所面对的材料性能问题，比如防腐、强度和硬度等。这就对打印材料提出了更高的要求。如果新的材料可以达到通过传统工艺生产出来的产品的性能，3D打印的应用领域还将得到更进一步的拓宽。

有市场调研报告称，目前的3D打印材料市场还处于一种不成熟的阶段，高端打印材料基本由3D打印制造商控制。他们通过对自己的材料进行加密而对打印材料进行捆绑，让用户无法选择其他材料。正如目前平面打印机厂商主要通过打印墨盒来锁定利润一样，3D打印厂商采用这种方式来维持长久的利润来源也是无可厚非的。不过，在汪祥艮来看，打印材料的绑定并不能看作是一种人为设置的门槛，事实上是技术本身限制了第三方材料供应商的进入。

“今天的一些品牌3D打印商都拥有很多种材料，比如Stratasys目前有600多种材料，它们对应了不同的应用。我们的研发团队花了相当多的时间和精力来开发这些材料，这并不是一件容易的事。”他表示。“这并不是我们刻意设置了一个门槛，而是技术门槛已经将第三方阻挡在外。”他还指出，针对FDM工艺，市场上也有相应的材料，但是通过这种材料打印出来的产品非常粗糙。“最多打一个小玩偶玩一玩，但是在工业领域，这种材料根本达不到要求。”

作为领先的3D打印设备供应商，Stratasys不断研发新的材料类型。以今年2月份Stratasys推出的全球首款彩色多材料3D打印机Objet500 Connex3为例，三种基本颜色材料结合Stratasys的PolyJet光敏聚合物材料（包括数字材料、刚性材料、橡胶类材料、透明材料以及高温材料等），可模拟标准和高温的工程塑料，最多可达600多种材料组合。材料的多样性加上颜色的多样性将3D打印的应用领域再次拓展到了前所未有的范围。

3D打印经过近三十年发展已经成为一种成熟的技术，虽然实现的工艺各有不同，但是原理基本一致，已并不神秘。然而材料的推陈出新不断给这项技术注入新的活力，也给其应用领域带来了无限的想象力和可能性。仅从这一点上来看，3D打印未必会取代或彻底颠覆传统制造业，但是其所带来的影响也是前所未有的。