3D打印，未來路在何方？
3D打印，未來路在何方？
【摘要】20世紀80年代后期，一種基于材料增長理論的快速成形技術橫空出世，開啟了增材制造時代（那時稱為快速成形）。到21世紀初，增材制造技術已成為制造業中一顆冉冉升起的新星，被譽為第三次工業革命的標志。我國增材制造的研究起步于20世紀90年代，發端于高校，主要包括清華大學、華中科技大學、西安交通大學等。
本文是中國機床工具工業協會特種加工機床分會對昆山博力邁三維打印科技有限公司董事長、先進三維噴印裝備研究所所長王運贛教授的專訪。
3D打印相關概念及發展現狀
他山之石，可以攻玉。1989年，中國組織了一個代表團到美國參加自然基金會會議，王運贛教授第一次看到采用光固化技術的快速成形機，感到非常震撼，與減材制造不同，快速成形制造的毛坯小于零件，勢必引起制造方法上的革命。多批次中國學者對美國的訪問、蹣跚起步的光固化技術與分層實體制造技術的摸索等，為我國3D打印的誕生和發展奠定了基礎。
2014年，通過昆山市的人才引進、資金與場地支持、市場化運營協助，在昆山工業技術研究院的大力支持下，王教授創建了昆山博力邁三維打印科技有限公司，依托工研院先進三維噴印裝備研究所的研究力量，主持開發和生產了多種國內首創的3D打印機，特別在氧化鋯陶瓷義齒制作等方面的應用取得了可喜進展。
“在這個新技術領域，我們已經與國外站在同樣的高度，不必妄自菲薄。”目前，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、上海交通大學等國內高校都在招收3D打印的研究生，在本科生的課程里也加入了相關教育。我們與國外的差距主要體現在打印材料上，引用王教授的話，“設備是手段、材料是基礎、工藝是靈魂”，未來國內3D打印的發展之路，應該在打印材料的研發上下大功夫。
過度夸大引起的捧殺效應。在過去幾年里，3D打印成為了熱詞，這其中媒體的作用不可忽視。用“捧殺”一詞形容當時的3D打印狀況較為恰當，那時，3D打印被廣為熟知的是桌面式熔絲制造（FDM）技術，被媒體夸張宣傳成了一門無所不能的技術，人人爭相入局購買，然而由于這種機型的局限性，粗制濫造、效率低、壽命短漸漸成為了FDM技術的代名詞，背負了無用的罵名。當時，“技術方面該說的沒說到，而不該說的又說得太多”，王教授表示，今后契合于3D打印技術特點的研究方向才是發展正途。
“快速成形”、“3D打印”與“增材制造”。沉淀多年的“增材制造”技術經美國前總統奧巴馬解讀變臉為“3D打印”，漂洋過海撲面而來，加上最初出現的“快速成形”，使得不少人莫名其妙，這三個名稱究竟是什么關系？可以說快速成形=3D打印=增材制造嗎？正如減材制造技術，在其發展的不同時期，有不同的代表子技術（車、銑、刨、鉆、磨、電加工等），雖然它們都基于減材制造技術原理，但不能簡單地在這些子技術之間劃等號。增材制造在其發展的不同時期，也有不同的子技術，20世紀末剛出現時的子技術稱為“快速成形”（RP，快速原型制造），因為那時局限于制造外形相似的原型樣件。發展到現在，增材制造的子技術稱為“3D打印”，強調的是制造真實可用的功能器件。因此，快速成形和3D打印是增材制造發展不同時期的子技術，其原理都屬于增材制造，兩者之間不能簡單劃等號。
3D打印采用增材制造的方式，是“減材制造”和“等材制造（模具成形）”的重要補充，同時也將有效地推動制造業的轉型升級。在問及3D打印的發展趨勢時，王教授表示：塑料和金屬的打印高峰已過，進入了一個平穩期，而陶瓷的打印正處于上升期，這也是3D打印最值得期待的發展領域。
打印速度不是優勢，要注重發展精細復雜工件的打印。3D打印的核心是將3D制造轉化為2D制造，通過一層層2D樣片堆疊而成最終工件，3D打印的優勢在于無需花大量的時間和費用去設計、制造模具，就能直接制造形狀復雜的個性化定制工件，然而打印一層層2D樣片相當費時，速度并不是優勢，打印一個工件動輒要數小時甚至數天，這對于大規模工業化應用無疑是巨大阻礙，如何有效提升效率，使3D打印機成為一種生產機械，是整個行業面對的難題。王教授認為，近年來出現的多噴頭并行協同運行3D打印機，是實現上述高效目標的一個很好的探索。另一方面，要充分發揮3D打印的獨特優勢，注重發展打印精細復雜工件。
高性能陶瓷3D打印機，打造個人定制復雜件
目前，陶瓷3D打印發展已步入快車道，在許多方面展露出優異的性能。陶瓷3D打印是材料科學與增材制造技術相結合的典范，采用陶瓷粉末與光敏樹脂混合為漿體的打印材料，通過激光逐層固化成形為陶瓷生坯，再經脫脂燒結等工序，得到最終的高性能陶瓷工件。這種方法制作的陶瓷產品的理化性能已能媲美常規的注射成型或干壓成型。
王教授認為，義齒是陶瓷3D打印的皇冠明珠，對生物性能、理化性能、形貌和尺寸精度等諸多方面有非常高的要求，且每個人每一顆牙齒的各項參數都不盡相同，屬于真正的個性化定制，采用傳統的義齒制作技術已經很難滿足現代人的要求，而塑料和金屬的3D打印在技術和性能方面也顯露出了弊端。
博力邁公司研制的高性能陶瓷3D打印機具有完全自主知識產權，采用激光掃描固化高陶瓷含量漿料，能打印氧化鋯、氧化鋁等各類生物陶瓷工件。作為科技部重點專項“口腔修復體3D打印臨床應用示范”的首選陶瓷3D打印機，其特點主要包括：采用先進激光-振鏡掃描成形原理；漿料性能穩定，打印陶瓷件的密度和強度高；采用循環式加料與余料回收，材料利用率高；刮刀傾角可變，鋪設漿料薄層均勻、平坦；采用特殊防卡結構設計，運行更可靠；多項打印參數可調，工藝性和材料適應性更好。
是盲崇仿效，還是走中國創新之路？
往往，國外公司推出一種新機型，國內立即有諸多企業盲崇仿效，通過減少造價的方式迎合一部分市場。從設計理念看，即使國際知名公司推出的某些產品，也不一定完美無瑕，也還有許多值得商榷之處。我國的3D打印技術雖然起步比美國晚幾年，但國家十分重視，發展也較快，有些設計理念甚至比較超前。下面以博力邁公司的工業級熔絲制造（FFF）3D打印機（圖4）為例，提出幾個有關設計理念的問題，期與業界交流探討。
博力邁公司研制的工業級熔絲制造3D打印機
是封閉式，還是敞開式？采用封閉式的設計，一大主因就是出于美觀。對于大型FFF式3D打印機床，一項非常重要的考量是操作方便性。如果機身非全封閉，那么可在打印機的固定工作臺上，再設置左右各一個活動工作臺，兩個活動工作臺輪流工作更能提高效率。
是全室加熱，還是工件保溫？在許多大型FFF式3D打印機中，采用風機向成形室鼓送熱風，使打印件能持續保溫，但副作用是成形室內的零件長時間處于較高溫度下工作，容易造成故障、失效。其實，為使打印件保溫，并非必須對成形室進行全室加熱，可以借鑒家庭浴室浴霸取暖的設計，機床四周固定四個定向紅外射燈，紅外燈隨打印進程同步提升，持續加溫打印樣件，簡單實用、效果明顯。
3D打印機創意加熱
是籠框式布局，還是梁柱式布局？目前市售的大型FFF式3D打印機多采用簡易的落地籠框式布局，剛度嚴重不足。博力邁公司吸取傳統大型壓力機的成熟經驗，采用由上橫梁、下橫梁、活動橫梁和4根導向柱構成的“3梁4柱”式布局，導向柱粗壯結實，在打印機下部還設置敦實的機座，剛度顯著提高。
是工作臺運動，還是噴頭運動？受小型桌面機的影響，普通FFF式3D打印機在打印過程中，每打印一層，大型工件必須跟隨工作臺，快速精確地下降一個層厚。這顯然不妥！應該是質量較輕的噴頭抬高一個層厚，減少因沉重工件與工作臺下降引起的損耗。
雙噴頭3D打印
前不久，國際頂級期刊《Nature》報道了哈佛大學多材料3D打印新技術，通過不同材料在噴嘴處進行輪換打印而實現多材料的3D打印，引起了巨大反響，但打印速度的問題仍然不得解決。而博力邁公司研制的FFF式3D打印機，首次實現了雙噴頭并行協同材料的擠出成形，兩個擠出不同材料的噴頭并行協同運行，打印軌跡自動生成、協同運行防誤撞，打印效率成倍增長。據王教授透露，打印速度可達單噴頭的1.5至1.7倍。
結語
面對目前全球蔓延的新冠肺炎疫情，國內市場需求總體仍顯疲弱，企業面臨需求不足、訂單下降的困難，而國外疫情的持續蔓延，又將加重外部情況的復雜性，行業企業關停、虧損的消息動搖人心。而比這更可怕的是低價競爭，無底線的低價競爭降低了產品質量，最終擾亂了市場，累死自己、餓死同行、坑死企業的例子屢見不鮮。正如當下的中美關系，合則兩利、斗則俱傷。王教授表示，只有加強彼此之間的合作，把競爭者變成合作伙伴，同時加強行業約束力，才能實現共贏。
以先進三維噴印裝備研究所作為智力支撐，博力邁公司步入創新發展“快車道”。從長遠看，發展增材制造技術是推進制造業轉型升級的重要任務，特別是新材料的不斷涌現，將加速3D打印技術的應用和發展。
作者簡介：
王運贛，華中科技大學教授、博士生導師，英國伯明翰大學榮譽研究員，享受國務院特殊津貼專家，曾任華中科技大學校長助理，現任昆山博力邁三維打印科技有限公司董事長、先進三維噴印裝備研究所所長。20世紀90年代初以來，研發了多種國內首創的3D打印機，已出版有關3D打印技術專著14本。
（供稿：特種加工機床分會 責編：張芳麗）
