3D打印改变制造业游戏规则

被赋予开启第三次工业革命使命的3D打印技术将我们的关注点从传统的批量生产上移开，并带我们进入一个可定制化的一次性生产时代。

洗衣机上坏个塑料件？目前的做法是：维修人员从经销商那里下个单，然后他们再从工厂将零件发过来，这个工厂可能在国内，也可能在印度或菲律宾，在那里他们使用非常昂贵的模具从注塑机里注塑出来。在可想象的未来，事情会变得非常简单，你只要在家里用3D打印机就可以把这个零件打印出来，你所需要做的就是从制造商网站上下载一个CAD文件。如果家里没有3D打印机，你也可以带上文件到专门的3D打印店去打印。

3D打印机诞生于上个世纪80年代中期，这种技术也称为“增材制造”，因为其采用了“累积成型”的工艺，这与传统的“减成法”相反。要了解这两者之间的区别，可以想象雕刻工艺，雕刻师在一块石材上一点一点凿去多余的部分，直到整个物体形状显露出来，而凿下来的材料则弃之不用。这是一种“减成法”工艺。在生产制造中，这与切削、钻孔、研磨等工艺类似。但是在增材制造中，3D打印机并不会减掉任何材料，而是采用逐层累积的方式将物体构建出来。

相同原理，不同工艺

3D打印机有多种不同的工艺，但是其原理大都相同，都是采用逐层累积的方式将薄层堆叠起来，直到整个物体完成，就像是传统打印方式在纸上打出2D图形，只不过多了一个维度，即朝上的Z轴。每一个打印出来的叠层都是最终物体的水平横截面切片层。就好像是多层的蛋糕一样，每一层摆上去，直到整个蛋糕形成。只不过3D打印的精准和精确度更高。常见的3D打印工艺包括立体光固化成型、熔融沉积成型工艺和选择性激光烧结等。

立体光固化成型（SLA）- 最早的商业化3D打印机（当时还不叫3D打印机）采用的是SLA工艺。这种方法由3D Systems公司创始人Charles Hull在1986年发明。SLA打印机将红外激光光束按设计路线照射到液态光敏树脂原料的表面，由点到线，由线到面顺序让树脂凝固，完成最终3D模型的一个面。一层完成后再进行第二层扫描凝固，每一层都将牢固地粘结在前一层上，直至层层叠加而成三维原型。没有被凝固的树脂还可以使用。

熔融沉积成型工艺（FDM）- FDM工艺也是在上个世纪80年底末问世，发明人是美国人Scott Crump。在取得这项技术的专利后，Crump与其妻子在1988年成立了Stratasys公司。该方法将热塑性材料在熔化的情况下喷涂在工作台上冷却成型形成3D物体的叠层。每一层叠加起来，并与上一层熔融。热塑性材料在离开喷头上会马上冷却固化。这是一种成本相对较低的3D打印方法。大多数FDM打印机采用的是ABS塑料，或聚乳酸（PLA），一种生物可降解聚合物。

熔融沉积成型及其缩写FDM已经被Stratasys公司注册为商标。RepRap公司采用类似的工艺，只不过称其为“熔丝制造（FFF）”，避免商标的冲突。不过在FFF工艺中，材料是以丝束形式提供的。

选择性激光烧结（SLS）- 上个世纪80年代的确是3D打印技术集中涌现的时代。不仅仅是SLA和FDM技术在同时期被发明出来并取得专利，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard及其同事发明的选择性激光烧结成型（SLS）也被发明出来。SLS与SLA工艺原理接近，不过采用的材料并不是液态光敏树脂原料，而是一些粉末材料，比如聚苯乙烯、陶瓷、玻璃、尼龙，还有金属粉末，比如钢、钛、铝及银等。当激光照射到粉末上时会在该点上烧结，层层烧结固化的叠层形成所需的形状。没有烧结的粉末保持原样，同时起到支撑物体的作用。相对FDM/FFF和SLA工艺来说，SLS并不需要额外的支撑结构，这也算是一个优势。在打印完成后，并不需要移除任何材料，而且也不会有浪费产生。所有没有烧结的粉末都可以回收再利用。

针式挤出 - 几乎所有具有一定粘度的材料都可以用于采用针式挤出头工艺的3D打印机。这些材料包括黏土、水泥、硅及一些彩泥。一些食物比如巧克力、糖稀及奶酪都可以用这样的系统来打印。针头是否要加热取决于材料本身，比如巧克力可能需要保持一定热度，而硅则可以在室温条件下进行。

其他工艺 - 除了以上这些主流技术外，还有一些其他3D打印工艺，比如有一种称为选择性激光熔融（SLM）。该工艺与SLS类似，但是它会使整个粉末熔化，而不是在低温下熔化粉末颗粒。这与电子束熔炼（EBM）相似，只不过其采用的是电子束，而不是红外激光。还有一种完全不同的工艺称为分层实体制造（LOM），它以片材如纸片、塑料薄膜或金属薄片为原料，按照设计数据将这些片材切割成形状，再一层一层粘合在一起，最终形成三维物体。

在以上所有这些不同的3D打印工艺中，SLS被认为是在工业生产中最具发展前景的一项工艺。上海光韵达三维科技有限公司总经理张国良去年12月份在苏州举行的“2013 汽车零部件绿色制造技术峰会”上表示，相对其他三维打印技术，SLS更具优势，因为这种工艺不仅制造成本低，打印速度快，它还可以制造真正的产品而非模型，这也是3D打印未来的一个发展趋势。此外，更为重要的是，激光烧结也是唯一一个能够打印金属产品的3D打印技术，这大大拓展了3D打印技术的应用领域。

传统制造企业涉入

目前3D打印技术依然是一个利基市场，国内有一些专门的3D打印展，但是规模都不大，更多的3D制造商和原料供应商还是通过其他一些专业展会来推广其产品，比如橡塑展、模具展、金属加工展，以及其他一些应用行业的展会。3D打印的受重视程度从展会主办方的宣传和组织上可窥一斑，比如在去年在德国杜塞尔多夫举行的K展期间，主办方推出了“3D制作及打印（3D fab+prin）”概念，并制作了特别的宣传手册，引导参观者到相关的展台参观。

在此次K展上，除了传统3D打印机制造商如Stratasys和EOS参展，全球领先的注塑机厂商—德国阿博格公司发布的3D打印机尤其引起了业界的高度关注，这也是全球范围内塑料加工企业首次涉足3D打印技术领域。这款名为Freeformer的机器基于增材制造技术的最新工艺—阿博格塑料无模成形技术（AKF-Arburg Plasstic Freeforming）。

据了解，不同于传统的增材制造工艺，阿博格塑料无模成形技术（AKF）如同注塑成型一样熔化标准颗粒。Freeformer在生产部件时无需支撑结构，以最小液滴为单位逐步生产。最为重要的是，这款设备可以采用廉价的标准树脂颗粒取代大多数3D打印设备制造商提供的价格更高的专用材料。目前，阿博格已经采用过的材料有ABS、PA、PC以及热塑性弹性（TPE/TPU），当然用户可以采用其他更多类型的材料。

传统塑料设备制造商进入3D打印领域似乎更加顺理成章，因为类似阿博格这样的领先注塑机制造商，他们要远远比大部分3D打印机制造商更了解塑料加工工艺及材料性能。阿博格技术及工程总经理Herbert Kraibühler在K展期间接受采访时透露了这台设备的开发背景：“我们在过去十年里看到用户对低产量高品质的一次性部件生产需求越来越强烈。这些新的需求是我们开发这台设备的催化剂，也让我们开始考虑如何利用我们已有的注塑技术来开发一款这样的快速成型设备。”

此外，打印材料也面临相同的局势。目前，用于3D打印的材料主要还以塑料为主。据市场咨询公司IDTechEx统计的数据显示，2013年光敏树脂占打印材料的绝大部分份额，为56%，其次为固态热塑性塑料（40%），粉末状热塑性塑料为2%。
IDTechEx公司在其发布的最新一份报告《3D打印材料2014-2025年：现状、机遇及市场预测》中指出，目前3D打印材料市场处于一种不成熟阶段，材料基本由3D打印机制造商控制。他们通过对自己的材料进行秘钥编码和在材料盒上嵌入RFID标记而对打印材料进行捆绑，让用户无法选择其他材料。报告指出，3D打印制造商的这种做法使得材料的价格居高不下，有些材料的价格甚至是类似材料市场价格的几百倍。这种做法不仅将第三方原材料供应商拒之门外，也阻碍了整个3D打印市场的发展，毕竟传统塑料原料供应商在材料的研发、生产及供应方面无疑更具优势。

但是这样的局势并没有阻碍原材料供应商对打印材料的开发，因为降低成本是3D打印市场发展的必经之路，打印材料的大门也会为第三方材料供应商打开，其次类似阿博格Freeformer产品的出现也给第三方材料供应商提供了发展契机。随着市场的发展，传统塑料制造商也将逐渐进入到这个市场。

比如在此次K展上，全球聚酰胺解决方案领先供应商索尔维集团便推出了Technyl工程塑料旗下的最新成员SinterlineTM Technyl粉末。作为包含增强产品的PA6粉末系列，这款产品大大提升了快速制造能力。“采用Sinterline通过激光烧结打印出来的零部件表现出了出色的热稳定性和强度，与采用尼龙6通过传统注塑工艺生产出来的产品基本相当，”索尔维工程塑料业务部业务开发经理Ralph Rissé表示。

市场“钱景”看好

虽然3D打印无论从设备还是从原料方面来看，在类似K展这样的橡塑展上，依然是毫不起眼的新兴技术，在整个塑料行业中，它依然是一个利基市场，但是“钱景”一片看好。

咨询公司Gartner的一份报告显示，2014年，3D打印机的出货量则会增长75%，达到98065台，终端用户在设备上的花费将增长62%达到6.69亿美元。

Freedonia Group公司也对未来3D打印市场做出了预测。该公司在其最新的调查报告《世界3D打印（增材制造）》中指出，全球3D打印机及相关材料和软件市场需求量每年将保持21%的增长率，到2017年将达到50亿美元。3D打印机将在许多领域越来越多地用于制造成品件。

报告还指出，打印材料的需求量将呈现稳健的增长，大量应用的3D打印机将进一步提高材料的消耗量。塑料将依然是3D打印的最主要材料，但是金属有望呈现更快的增长速度。此外，相关软件及3D扫描仪等周边产品也会着整体市场趋势呈现增长。

从区域方面看，美国一直是全球最大的3D打印市场，到2017年会占到全球销售总量的42%。其他发达地区比如美国和西欧，3D打印市场价值主要是依靠可以直接生产部件的金属3D打印机，这些3D打印系统比其他以塑料为生产材料的系统要昂贵许多。中国的市场也被看好，主要的应用集中在设计开发、样品测试和原型制造方面，尤其是在一些比较大的行业，比如消费类产品。

IDTechEx在其《3D打印材料2014-2025年：现状、机遇及市场预测》报告中对打印材料做了更远的预测。该报告称，到2025年，全球3D打印材料市场销售额将达到6.15亿美元。此外，光敏树脂市场到2025年将成为最大的单一细分市场。不过，未来最大的年复合增长率将来自于金属和塑料粉末，光敏聚合物的份额也会逐步下滑。

改变“游戏规则”

3D打印并非新鲜事物，该技术已经出现几十年了。生产企业早就在设计阶段通过这种技术来制造样品，经过验证后再开始传统的制造。不过，一直以来，这种设备都非常昂贵，而且打印速度非常慢。

而现在，3D打印机的价格也降到了几万甚至几千元（笔者曾经在一个3D打印展上看到一家国内企业标出两千多元一台的低端3D打印机），帮助企业节省了很多花在样品制作方面的时间。近几年，笔者也在越来越多的企业研发中心或实验室中看到3D打印设备。

有些公司采用3D打印机进行短期或定制化制造，打印出来的物体并不是作为样品使用，而是最终的产品。随着3D打印速度的不断提升及价格的下降，在这方面的用途有望逐渐增加，而且更多可能会出现在个人定制化的产品方面。

随时随地打印出零件或整个产品，这听上去有点像天方夜谭，但是今天已经成为现实。这是一种革命式的技术，对能源使用、资源优化、定制化、产品成型制造等工业领域的各个环节都将带来深远的影响—3D打印技术必将改变整个制造业的“游戏规则”。