3D打印产业未来发展的几大重要趋势

       如今，3D打印机的运作速度变得越来越快，变得更易使用，同时还可处理多种材料、打印有源元件或系统，3D打印机在未来的应用不仅仅只局限于快速成型。

　　打印机新兴市场正在定义一种新类别：高性能、低价位

　　如今，3D打印机的运作速度变得越来越快，变得更易使用，同时还可处理多种材料、打印有源元件或系统，3D打印机在未来的应用不仅仅只局限于快速成型。

　　3D打印技术，也就是增材制造技术，自1980年代便以某种形式存在。然而，3D打印技术至今仍旧无法开展或无法以成本效益的方式开展大部分成品生产或大规模商业化生产。人们越来越期望，3D打印技术的这些缺点在不久的将来都会被克服。

　　一系列的技术发展趋势正证实着人们的期望。目前，新兴的中级3D打印机开始具备高端系统功能的同时，保证了桌上型尺寸和低价位。在不同产品范围内，3D打印机的速度不断提升。目前正在研制的高端系统可提供的打印速度比现有的顶尖机器的速度要快500倍。然而，因为关键的专利技术快要到期，这一现象可能会加快创新的脚步。

　　最近的一项PwC调查便调查了多于100个工业制造商。其中，三分之二的工业制造商已经在使用3D打印技术(见图1);大多数的制造商仍然只是在试用3D打印技术或将其用于快速成型。自3D打印技术开发以来，快速成型便是重心。市场调研公司“易观国际”专注于预测未来的发展;其预测，3D打印机和服务的全球市场在2018年会上升到162亿美元(2013年只有25亿美元)，实现45.7%的复合年增长率(CAGR)。

　　尽管3D打印技术具有以上发展趋势，3D打印行业也面临着挑战。快速成型的地位仍旧重要，但是其不再是可以将技术变为大规模使用的“游戏规则改变者”了。3D打印行业需要着重于打印功能更加完善的成品或元件，而且打印的数量要远远超出原型产出数量。比如，助听器和牙套制造商便采用了成品技术。此外，3D打印需要补充或取代传统生产的产品和元件，并创造出无法由其他方式生产的物品。

　　你的公司目前是如何应用3D打印技术的?

　　1. 易观国际在2014年3月31日的新闻稿中说道：“3D打印市场在2018年会增长到162亿美元。”

　　为改进设计和生产策略，很多产业都在使用市面上的3D打印解决方案(见表1)。通过打印机和打印方法、设计和打印软件以及打印材料这三方面的统筹发展，3D打印技术在未来会不断发展。此期《PwC技术预测》便针对以上三个方面展开了调查。本文评估了3D打印机和打印方法在性能、多材质管理以及生产成品能力方面的发展趋势。未来的文章会调查软件和材质本身。

　　3D打印行业的最新状况

　　在3D打印中，成千上万层材质会叠加到其他材质或“墨水”(最常见的为塑料聚合物或金属)的层面之上进行打印。很多打印技术通常都需依靠于材料(见花絮报道“3D打印技术”)。比如，熔丝制造(FFF)就利用了塑料、涉及到光敏聚合物的立体光刻、金属激光烧结等等。

　　术语“墨水”指的是在3D打印中从喷嘴中挤压出或喷出的材料。除了喷墨式打印方法，“墨水”术语还适用于其他方法。

　　3D打印技术

　　立体光刻(SLA)：此3D打印技术利用紫外线光束来硬化液体树脂，进行逐层连接。

　　熔丝制造(FFF)：融化热塑流会从喷嘴中挤压出，形成一层层材料;每一层都会与前一层相连接。常见的墨水包括ABS(丙烯脯二乙烯丁二烯树脂)和聚乳酸聚合物。

　　选区激光熔化(SLM)：SLM类似于SLS;不同点便是SLM融化粉质材料。粉末会在极高的温度下被融化。

　　电子束熔化(EBM)：EBM类似于SLS，但是EBM利用电子束作为能量源。

　　目标分层制造(LOM)：在此加工过程中，材料(比如金属、塑料或纸质)的分层会逐层连接，后被切割成不同形状。在一些情况下，切割后需进一步加工(比如，通过模具加工或钻孔)来定型产品。

　　如今，面临着快速成型的广泛使用，3D打印机只有在以下三个方面得到一定发展，才可抓住快速成型领域之外的机遇：

　　性能：提高关键的性能，比如速度、分辨率、自动化操作、方便使用、可靠性和重复性。

　　多材质功能和多样化：结合多种不同材质，包括在打印一个物品时混合使用多种材质的能力。

　　成品：打印功能完善、具有多种组件的有源系统的功能。组件可包括内嵌式感应器、电池、电子器件、微电机系统(MEMS)等等。

　　如今，3D打印机只要集中于两个极端：高成本—高性能、低成本—低性能(见表2)。高端打印机通常都是针对企业和3D打印服务部门的;而低端打印机通常都是公开源代码RepRap打印机的衍生品，针对消费者和业余爱好者。

　　在过去的一年里，中级打印机得以面世。很多新进入者和著名供应商的中级打印机都具有较多的高端性能，而价格又较低。比如，FSL3D和Formlabs的打印机就具有加高的分辨率而较小的机型，使用立体光刻技术，只需几千美金。MarkForged的台式打印机可利用碳纤维复合材料进行打印，其价值不到5000美金。CubeJet的3D打印系统的定价也低于5000美金，可打印多彩物品，在保证低价的同时还提供了专业的性能。

　　3. RepRap是最老的台式3D打印机之一，可应用于任何机器。RepRap 3D打印机可精确仿制任何机器。

　　4. 布莱恩黑特：“CubeJet可提供专业的3D打印技术，具有符合消费者要求的规格，而其定价低于5000美金。”

　　很多特点都决定着打印机的性能，但是打印机的关键挑战便是速度和易用性

　　顾能公司预测，在2016年年底，价值(功能和性能)符合企业和其他机构要求的3D打印机会得以开发，而其定价低于1000美元。我们也可以期待，打印机在未来几年会得到加速发展，尽管不同打印技术和不同供应商的发展程度和性质会有很大不同。

　　3D打印性能的发展趋势

　　虽然很多特点都决定着打印机的性能，但是打印机的关键挑战便是速度和易用性。

　　人们期望打印机的打印速度可以更快

　　即使是简单商品，3D打印的时间还是很长，一般需要几个小时，有时甚至是几天。渐进式改善以及可能改变强度的打印方法可加快打印机的打印速度。“由很多方法可以加快打印速度，我们可以使用高质量原件，也可优化激光器的设计和运动，”FSL3D的首席工程师安德鲁?博格利说。FSL3D是台式立体光刻打印机的供应商。比如，Form1+是Formlabs的立体光刻打印机，其中的激光器比前一代打印机Form1中的激光器强大四倍，打印的速度比Form1快50%。

　　如今大多数的打印机都使用单个打印头来放置材料。可保证同时打印的打印头的引入可更快地喷出材料，从而加快打印速度，同时又可结合多种不同材料或不同颜色的同种材料。在一个打印头打印一件物品的时间内，多个打印头的设计还可复制多件该物品。苏子和打印头的增多，打印速度也会成正比的增大。

　　针对业余爱好者，Robox提供一个双喷头打印机。Robox说，双喷头打印机的打印速度要比单喷头打印机快3倍。

　　5. Pete Basiliere：“3D打印技术如何影响商业并创造新机遇?”

　　6. Signe Brewater：“Formlabs发行Form1+——更快、更可靠的SLA 3D打印机”

　　“这些(业务3D)打印机的个人维修费比人们所适应的家电维修费贵得多。”密歇根理工大学教授约书亚 皮亚斯说。

　　在打印大型物品时，速度对打印机来说尤其是个挑战。大型物品需要更多材料从打印机喷头中挤压出，而打印机喷头的材料处理速度通常都是一定的。国立橡树岭实验室和机床生产商辛辛那提股份有限公司便展开合作力求解决这个问题。目前，这两个机构正在开发一个大型叠层制造系统。该设计结合了较大的喷头(可更快地喷出聚合物)、高速激光切割器(可在英尺范围内工作，而不再局限于英寸范围内工作)和高速电机(当打印头进入范围内加快打印头移动速度)。最终，两个机构开发出的系统能够以比现有叠层机器快200—500倍的速度打印大10倍的聚合物原件。

　　为控制打印头的运动，3D打印机使用了不同方法或架构。笛卡尔打印机的配置在如今非常流行，其打印头在平面上可在两个向度上移动。Deltabor打印机(也叫作三角型机器人打印机)的机械手臂是平行四边形，就像一个机器人(见图3)。“三角型打印机基本上要优于笛卡尔打印机，因为三角型打印机可带来显著利益，其中之一便是速度，”密歇根理工大学(MTU)副教授约书亚皮亚斯预测道。约书亚 皮亚斯也是公开源代码3D打印机的活跃开发人员。三角型的配置可带来更快的速度，因为其打印头更轻，在两点之间移动时会采用更短的路径。

　　打印机会愈发自动化、更易使用

　　现有的3D打印机可自动执行不同的任务。然而，一些针对业务爱好者的打印机要求打印头定期清洗，要求底座保持水平，要求人工修补，要求人工监督以将误差最小化。“这些打印机的个人维修费比人们所适应的家电维修费贵得多，”约书亚说。减小或消除人类元素是有可能的，而且这也是未来几年创新的关键。