解决3D打印技术瓶颈—材料问题的几点思考

-1-解决3D打印技术瓶颈——材料问题的几点思考【内容提要】自2013年初以来，美股股市上风光一时的3D打印概念股纷纷进行大幅度回调，随后类似情况在国内股市出现。3D打印产业在经历了各国热捧之后，为何回归平淡？其发展瓶颈位于何处？面临问题如何应对？赛迪顾问装备产业研究中心对上述问题进行了深入研究，认为材料问题是制约3D打印技术发展的瓶颈，并提出了逐步解决这一瓶颈的若干对策建议：加强顶层设计与发展指导；加强定向高技术人才培养；创立需求、应用、研发互动信息平台；鼓励企业上延下拓集群发展。【关键词】打印材料技术研发企业并购3D打印技术在上世纪80年代一经推出，即受到学界、媒-2-体和民众的热捧，近年来情况更甚。但随着2013年初3D打印相关各股的接连下挫，导致媒体关于3D打印技术的报道趋于客观，民众对于3D打印的热情逐渐递减。直接原因在于3D打印还未形成广泛的工业应用，没形成实际的完整产业链条。3D打印不能大面积应用的最重要原因在于各类适用材料不能满足设计要求，材料成为3D打印产业发展的技术瓶颈。一、目前3D打印技术的核心在于打印材料（一）各类3D打印材料直接影响打印产品性能和后续工艺所谓3D打印材料，是增材制造（即3D打印）技术用于逐层堆积制作零部件的基础原材料和技术核心，科研人员针对不同类型和性质的原材料开发出原理大相径庭的各类3D打印技术。目前市场上主流的3D打印工艺类型有选择性激光烧结SLS、光固化成型SLA、丝材熔融挤出成型FDM、液体喷印成型3DP、分层实体制造LOM以及上述类型相应的细分衍生技术等，其应用材料则包含金属粉末、高分子聚合物、光敏树脂、聚乳酸、无机材料粉末、生物高分子材料等，涵盖范围十分广泛。由于3D打印技术采用在水平面内逐行成型、在三维结构内-3-逐层堆积的技术原理，致使打印材料的性能直接决定成品的强度、刚度等力学性能，粗糙度等表面质量，以及防潮性、热稳定性、生物相容性等其他特殊性能。材料性能又能进一步影响热处理、表面理化处理、精加工、抛光镀膜等后续工艺，直接影响生产成本和成型效率。随着其他相关零部件技术的发展提高，3D打印材料的地位不断提升，其性能已成为当前影响3D打印技术发展和产品应用的核心问题。（二）打印材料是促进3D打印整机零件技术创新的原动力目前在常用3D打印材料种类基本稳定的前提下，企业期望提升产品质量、提升产品竞争力、扩大市场份额，就需要对打印设备总体设计进行优化，对成型工艺进行创新，对加热/制冷喷头、三维运动机构、步进/伺服电机、激光束/电子束发生器、送料装置等一系列打印设备组件进行技术升级，以提高3D打印设备的市场竞争力，提高3D打印产品的力学性能、表面质量，减少预处理/后处理工序，节约成本提高生产效能。例如选择性激光烧结（SLS）技术针对不同种材料提升激光束质量、设定相应聚焦点尺寸和激光强度，熔融挤出成型（FDM）技术研究喷-4-头加热温度对ABS塑料熔丝尺寸和成型性能的影响，设备中三维运动机构提高精度的改进，步进/伺服电机的响应速度和精度的提升，均是在打印材料的需求影响下进行的技术提升和创新，打印材料需求可在相当大程度上影响3D打印技术的发展趋势。（三）打印材料在3D打印产业内占有重要市场份额3D打印产业包含打印设备、打印材料和打印服务三大类。据赛迪顾问统计，2013年全球3D打印产业中，打印设备产值和打印材料产值比重相当，分别为38.6%和37.2%，均超过总产值40.1亿美元的1/3，打印服务产值占比略小，为24.2%。打印材料业务可较大程度影响3D打印企业的生存发展，例如全球3D打印龙头3DSystem公司由于其打印耗材需求量大增,导致其在2012年底收购了多家材料生产企业，材料业务的增长最终使其在2013年全年实现45%的营收增速，在全球3D打印泡沫开始破裂时逆势增长。由于目前应用于3D打印的材料种类较少，大量材料的应用潜能还未开发出来，随着技术提升开发更多类型材料投入应用，打印材料在全行业总产值所占比重将进一步提升，打印材料可能成为整个3D打印产业产值最高的一环。-5-二、当前3D打印材料在应用领域面临的突出问题（一）性能或效率不符合要求，无法满足工业生产需要3D打印材料成型出的产品普遍具有强度刚度低、表面质量差且具有台阶型纹路、生产效率低等共同缺点，在采用不同工艺技术路线时还暴露出其他特定成型劣势。3D打印技术必须和其他技术进行复合才能有可发展的市场空间。相比于传统的铸造、车铣、锻压、焊接等金属机加工生产方式和模具浇灌等非金属材料生产方式，3D打印技术成型时耗时更长效率低下。仅在生产复杂结构零部件或设计原型时，3D打印技术凸显出一定加工优势，但其产品的性能在多数情况下还不能满足使用要求。金属是3D打印最为广阔的潜在市场。但金属材料打印仅支持十多种金属进行加工，如特定几种铝硅合金、钛合金、镍合金和不锈钢，且需要预先制成专用的金属粉末；打印出的金属制品致密度低，最高达到铸造件致密度的98%，远低于锻造件的力学性能；打印制品表面质量差，精度2-10μm，需要打磨抛光等后处理；3D打印具有复杂曲面的零部件时，支撑材料难以去除。目前金属打印产品极少能作为零部件直接组装应用。无-6-机材料打印主要用于生产陶瓷结构，适用材料范围极窄，如陶瓷粉、粘土和粘合剂等；且打印完成后需进行后处理和高温烧结；与其他3D打印制品类似，打印出的结构精度差、力学性能差；最大劣势存在于生产效率，远低于其他生产方式。近年来生物组织打印被媒体热炒，众多高校和科研机构参与其中。但仅支持明胶、胶原与合成高分子混合物等几种材料；打印出的结构生物相容性较差，孔隙率小且孔洞分布不均匀，细胞附着生长繁殖率低。目前全球范围内的生物打印仅对组织器官进行结构模仿，未出现拥有特定理化功能的生物打印成功案例。（二）少数技术成熟的打印材料应用市场狭小在众多3D打印技术中，熔融挤出成型（FDM）和光固化成型（SLA）研究较为深入，技术较为成熟。FDM技术采用ABS塑料、聚乳酸、尼龙等热熔性材料进行零部件成型，能实现姣好的成型精度和表面质量，精度在0.08mm以内；SLA技术采用光敏树脂进行成型工作，成型精度和表面质量比FDM更加优异，精度在0.05mm以内。但上述两项技术所用材料仅能应用于工艺品、展示模型、设计原型制作等领域，应用范围较为狭-7-窄，其在零件装配可行性方面的市场份额也被功能更为强大的绘图软件所取代。（三）新材料概念炒作多于实用技术应用各3D打印企业出于宣传公关、公布利好等目的，定期会将几种新材料推向市场，尤其是行业内龙头企业，其产品名录包含几十乃至上百种品类繁多的材料种类。但经仔细研究发现，绝大多数材料是已经量产材料的类似物，仅在同种类别内进行相应研发，并无实质上的创新材料推出。企业定期向市场宣称有新材料应用时，炒作新材料概念赢取股价上涨的公关意义大于推出有效创新提升技术水平的研发意义。欲了解更多信息,请联系赛迪顾问