简述3D打印在制造业中的发展趋势

——翻译自Machine Design， 作者：Jeff Kerns

摘要：本文从3D打印的各个技术要素出发，介绍了这项颠覆技术对我们工业生产上有哪些革命性的改变，并对3D打印的技术类型做了一些普及。

2018年， 3D打印成为了人们探讨的关键词。一些公司表示，该技术正处于大规模应用的转折点，而其他公司则继续采取渐进措施，以求颠覆传统。本文将介绍一些可以期待的进展。

3D打印市场

市场很难预测，因为许多预测都有不同的时间框架，有的侧重于3D打印的特定部分，或者将该技术拆分为多个行业。这些差异会使趋势变得难以预料。

根据SmarTech Publishing的3D打印市场展望和总结报告，2018年3D打印行业增长了24%，总市场规模为93亿美元。此外，在2018年，聚合物3D打印业务也预计将增长到55亿美元。

据《福布斯》报道，《2018年沃勒斯报告》显示，今年金属增材制造(AM)显著增长。随着AM行业规模超过73亿美元，投资者将对这21%的强劲增长感到欣慰。

MarketsandMarkets.com表示，到2024年，3D打印市场的总规模预计将从2018年的99亿美元增至348亿美元，其复合年增长率将达到23.25%。据Frost & Sullivan预计，到2024年，航空航天领域和材料市场的3D打印规模将增至5.311亿美元。

但这并不能涵盖一切。仍然有许多领域，公司没充分利用在3D打印上。Optomec总裁兼首席执行官David Ramahi说:“在维修应用中，添加剂制造的应用常常被忽视，但是当你考虑到腐蚀和磨损每年给美国经济造成3000亿美元的损失，以及全球商业航空工业每年在维修上花费将近1000亿美元时，就会对这个市场的规模有了更好地了解。”

3D打印最大的亮点就是打破了传统工作流程。目前，航空航天和汽车工业正在推动3D打印增长，而医疗行业也在寻找使用3D打印的新方法。未来，推动3D打印市场发展的不仅是新技术和新材料，还有标准化和数字化的生产线。

标准和检验

航空、汽车和医疗是高度管制的行业。3D打印要想真正在这些领域里取得成功，除了其他方面，工程师们还需要一种方法来验证质量的可靠性。为了确保零件符合标准和法规，从原料、设备和零件的工艺参数到交货这一全套流程可能需要一个完整的技术规范。

福特和Carbon公司已经联手使用3D打印技术来生产成品。这对Ford来说将有助于生产线数字化转型。

获得可重复化效果可能很困难。整个行业将会有不同的金属粉末供应商，用不同的机器制造零件，所有这些都会产生不同的结果。事实上，即使你有相同的金属粉末和机器，仍然可以看到不同的结果。例如，选择性激光烧结(SLM)表明，即使在同一批次粉末和同一台机器上，Al-12Si的屈服强度也可以调节为235 ~ 290 MPa，极限强度为220 ~ 460 MPa，拉伸韧性为2.8% ~ 9.5%。

要推进3D打印，检查和验证一切还是比较困难的。为了可伸缩性，必须使用内联或自动化流程。这将为3D打印行业带来更多的检测设备。3D扫描仪、逆向工程软件、CT扫描和全数字线程将在不降低速度的同时，为标准化这一过程带来巨大价值。

事实证明，CT扫描是检查塑料零件的一种有效方法，它有可能被应用到生产线上。配合CT技术和视觉检测软件，实现自动化。但这可能对金属带来一定影响。

使用3D打印可以让公司生产定制化并提高灵活性

西格玛实验室正在致力于这方面的工作，他们提供了不仅仅是完成一个零件认证的数字线程的视觉过程。PrintRite3D在线检测过程质量监控能够确定是否有参数偏离标准从而停止生产。

在检测到错误时停止进程非常重要。速度是3D打印的限制之一，金属粉末并不便宜。如果一个零件在印刷初期就失败了，你可能要到生产后期才会知道；试想一下假如一个零件在第二层有故障，但在完成之前有数百或数千层。对生产过程进行监控并在适当情况下停止生产，不仅可以节省材料，还可以节省机器的时间。

材料

加快材料这一进程，同时降低成本正成为首要任务，在2019年，这一进程还将继续加速。虽然塑料打印可以提供多种经济实惠的选择，但金属3D打印需要更多的时间来寻求降低进入壁垒的方法。像HP Metal Jet和Desktop Metal这样的打印机看起来可能会改变我们对金属打印的看法，但不乏有局限性。粘结剂喷射成型零件的强度不如其它工艺生产的零件，但目前有许多低、非承重零件有待优化，因此粘结剂喷射工艺受到了业界的重视。随着工程师们对3D打印技术越来越得心应手，我们可能会继续用这个过程来创造更多的解决方案。

较长的纤维意味着较强的材料，纤维有助于将负荷分散到其他区域。连续纤维定向在预期负荷的方向，可帮助增加最终零件的强度。

并不是所有的破坏都发生在金属上。一家markforge公司声称自己是镇上第一个也是唯一一个碳纤维打印机制造商，但去年Stratasys公司也推出了一款碳纤维聚焦打印机。由于复杂、轻便、坚固的部件能够更快、更强韧地打印出来，密集的手工劳动过程可能将一去不复返。

Stratasys推出了Fortus380mc碳纤维打印机。随着航空航天和自动化技术在3D打印市场中占据主导地位，重量和强度非常重要，能够降低碳纤维部件的成本将是颠覆传统碳纤维行业的重要一步。

Arevo是一家碳纤维3D打印机公司，专注于优化碳纤维打印工艺软件。从软件角度来看，纤维以最佳的方向铺设，有利于增加零件的强度。他的新型打印机将连续的碳纤维润湿到纤丝中，纤丝需要在两层之间切割，但是在必要的时候软件也会将纤维切割减少。Avero认为，随机纤维可以提高强度，但是控制纤维的方向可以在重量为三分之一的情况下使零件的强度达到钛的五倍。

新材料为oem提供了更强或更灵活的聚合物，公司正在进行试验阶段。2018年，我发现很多公司都购买了一些塑料打印机。虽然这可以提供价值，这说明一些大公司已经在3D打印过程中投入巨资。

技术

材料正在推动3D打印的发展，但我认为，一些新技术将不仅仅是为这一过程提供一个渐进的飞跃。虽然连续液体界面生产(CLIP)^[1]是多年前开发的，但在汽车工业中已经取得了成功。这种技术将推动3D打印的发展，而且液态聚合物还原固化工艺可能会为其军火库添加更多的创新。

许多年前，我的第一张3D照片是用一种看起来像水晶的透明聚合物仅在几分钟之内制成的。是一个小亭子，除了一个110伏的插座，不可能有其他的东西。一束激光可以穿过聚合物，但当与第二层相交时，相交处的能量会产生一个小气泡。经过多次重复，聚合物中则会出现三维图像。

多激光体积立体光刻(MLVS)和计算轴向光刻(CAL)方法代表了一个真实的三维构建过程。MLVS可以简单地用3D图像描述，但它不是形成气泡的硬聚合物，而是固化的液体聚合物。CAL也是一种液体还原聚合物过程，但可能更多地被认为是一种数字光投影(DLP)的进化。

SLA工艺原理图

数字光处理DLP将整个截面立即投射到聚合物中。通常光源的强度不足以使用更高强度的聚合物，但通过一次投射整个截面而不是用激光跟踪，它可以运行得更快。CAL过程从不同的角度使用像DLP一样的二维图像。这意味着在几秒钟内，光/能量源重叠的地方，大部分乃至整个部分都有可能被固化。通过从多个角度叠加曝光，材料暴露在足够的能量下，固化成所需的几何形状。CAL技术还允许零件过度模压。更快的生产速度，以及在零件中超模插入件、螺纹等的能力，这一过程将在2019年受到更多关注的原因，其核心概念的灵感来自计算机断层摄影。

多激光体积立体光刻(MLVS)和计算轴向光刻(CAL)都可以提高速度，并消除步进和支撑结构的问题，这些结构会增加后处理时间和材料的浪费。

[1] 2015年出版的《科学》杂志报道，美国北卡罗来纳大学DeSimone教授带领的团队开发出了一种改进的3D打印技术，称为“连续液体界面制造技术”（CLIP），这种技术可将传统3D打印速度提高数十倍甚至100倍，将为3D打印应用带来巨大进展。