詳析3D列印、快速成型與快速製造技術

　　傻傻分不清楚——3D列印、快速成型與快速製造技術解析當前，3D列印、3D列印機、三維列印、快速成型、快速製造、數位化製造這些名詞，如同一股旋風，仿佛一夜之間就在學術界、政界、傳媒界、金融界、製造界掀起了巨瀾。然而至今還沒有一篇文章能夠全面、完整地對這些名詞進行解析，讓人們真正認識和了解「什麼是3D列印」、「什麼是快速製造」。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/366822.htm

　　解析一：概念

　　快速成型（Rapid Prototyping，簡稱RP），誕生於20世紀80年代後期，是基於材料堆積法的一種新型技術，被認為是近20年來製造領域的一個重大成果。它集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層製造技術、數控技術、材料科學、雷射技術於一身，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接製造零件，從而為零件原型製作、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現手段。目前國內傳媒界習慣把快速成型技術叫做「3D列印」或者「三維列印」，顯得比較生動形象，但是實際上，「3D列印」或者「三維列印」只是快速成型的一個分支，只能代表部分快速成型工藝。

　　快速製造（Rapid Manufacturing，簡稱RM），有狹義和廣義之分，狹義上是基於雷射粉末燒結快速成型技術的全新製造理念，實際上屬於RP快速成型技術的其中一個分支，它是指從電子數據直接自動地進行快速的、柔性並具有較低成本的製造方式。快速製造它與一般的快速成型技術相比，在於可以直接生產最終產品，能夠適應從單件產品製造到批量的個性化產品製造;而廣義上，RM快速製造可以包括「快速模具」技術和CNC數控加工技術在內，因此可以與RP快速成型技術分庭抗禮，各擅勝場。

　　國際上喜歡用「Additive Manufacturing」（簡稱AM）來囊括RP和RM技術，國內翻譯為增量製造、增材製造或添加製造。2009年美國ASTM成立了F42委員會，將AM定義為： 「Process of joining mat-erials to make objects from 3d model data， usua-lly layer upon layer， as opposed to subtractive manufacturing methodologies.」 即：一種與傳統的材料去處加工方法截然相反的，通過增加材料、基於三維CAD模型數據，通常採用逐層製造方式，直接製造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的製造方法。

　　

　　解析二：幾種主流快速成型工藝的成型原理及優缺點

　　1. 雷射光固化（SLA——Stereolithography）

　　該技術以光敏樹脂為原料，將計算機控制下的紫外雷射按預定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態樹脂連點掃描，便被掃描區的樹脂薄層產生光聚合反應，從而形成零件的一個薄層截面。當層固化完畢，移動工作檯，在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂以便進行下一層掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此重複直到整個零件原型製造完畢。美國3DSYSTEMS 公司是最早推出這種工藝的公司。該項技術特點是精度和光潔度高，但是材料比較脆，運行成本太高，後處理複雜，對操作人員要求較高。適合驗證裝配設計過程中用。

　　

　　2. 三維列印成型（3DP——3Dimension Printer）

　　其最大特點是小型化和易操作，多用於商業、辦公、科研和個人工作室等環境。而根據列印方式的不同，3DP三維列印技術又可以分為熱爆式三維列印（代表：美國3D Systems公司的 Zprinter系列——原屬ZCorporation公司，已被3D Systems公司收購）、壓電式三維列印（代表：美國3D Systems公司的ProJet系列和前不久被Stratasys公司收購的以色列Objet公司的三維列印設備）、DLP投影式三維列印（代表：德國 Envisiontec公司的Ultra、Perfactory系列）等。

　　熱爆式三維列印工藝的原理是將粉末由儲存桶送出一定分量，再以滾筒將送出之粉末在加工平臺上鋪上一層很薄的原料，列印頭依照3D 電腦模型切片後獲得的二維層片信息噴出站著劑，粘住粉末。做完一層，加工平臺自動下降一點，儲存桶上升一點，刮刀由升高了的儲存桶把粉末推至工作平臺並把粉末推平，如此循環便可得到所要的形狀。該項技術的特點是速度快（是其他工藝的6倍），成本低（是其它工藝的1/6）。缺點是精度和表面光潔度較低。 Zprinter系列是全球唯一能夠列印全彩色零件的三維列印設備。

　　

　　

　　壓電式三維列印，類似於傳統的二維噴墨列印，可以列印超高精細度的樣件，適用於小型精細零件的快速成型。相對SLA，設備維護更加簡單;表面質量好，Z軸精度高。

　　DLP投影式三維列印工藝的成型原理是利用直接照燈成型技術（DLPR）把感光樹脂成型，CAD的數據由計算機軟體進行分層及建立支撐，再輸出黑白色的Bitmap檔。每一層的Bitmap檔會由DLPR投影機投射到工作檯上的感光樹脂，使其固化成型。DLP投影式三維列印的優點： 利用機器出廠時配備的軟體，可以自動生成支撐結構並列印出完美的三維部件。相比於快速成型領域其他的設備，獨有的voxelisation專利技術保證了成型產品的精度與表面光潔度。

　　

　　3. 熔融沉積造型（FDM——Fused Deposition Modeling）

　　FDM工藝，也叫擠出成型，關鍵是保持半流動成型材料剛好在熔點之上（通常控制在比熔點高1 0C左右）。 FDM噴頭受CAD分層數據控制使半流動狀態的熔絲材料（絲材直徑般在1.5mm 以上）從嘖頭中擠壓出來，凝固形成輪廓形狀的薄層，一層疊一層最後形成整個零件模型。美國3DSYSTEMS 公司的BFB系列和Rapman系列產品全部採用了FDM技術，其工藝特點是直接採用工程材料ABS 、PC等材料進行製作，適合設計的不同階段。缺點是表面光潔度較差。

　　

　　熔融擠壓3D印表機樣品

　　4. 造擇性雷射燒結（SLS——Se1ected Laser Sintering）

　　該法採用C02雷射器作能源，目前使用的造型材料多為各種粉未材料。在工作檯上均勻鋪上一層很薄的（100μ-200μ） 粉未，雷射束在計算機控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進行燒結，一層完成後再進行下一層燒結。全部燒結完後去掉多餘的粉未，再進行打磨、烘乾等處理便獲得零件。目前，工藝材料為尼龍粉及塑料粉，還有使用金屬粉進行燒結的。德國EOS公司的P系列塑料成型機和M系列金屬成型機產品，是全球最好的SLS技術設備。

　　SLS技術既可以歸入快速成型的範疇，也可以歸入快速製造的範疇，因為使用SLS技術可以直接快速製造最終產品。

　　

　　4.多層雷射熔覆（DED，Direct Metal Deposition）

　　相當於多層雷射熔覆，利用雷射或其它能源在材料從噴嘴輸出時同步熔化材料，凝固後形成實體層，逐層疊加，最終形成三維實體零件。DED的成型精度較低，但是成型空間不受限制，因而常用於製作大型金屬零件的毛坯。

　　

　　5.薄板層壓成型（LOM，Layered Object Manufacturing）

　　基本原理：利用雷射等工具逐層切割、堆積薄板材料，最終形成三維實體。利用紙板、塑料板和金屬板可分別製造出木紋狀零件、塑料零件和金屬零件。各層紙板或塑料板之間的結合常用粘接劑實現，而各層金屬板直接的結合常用焊接（如熱釺焊、熔化焊或超聲焊接）和螺栓連接來實現。最大缺點：做不了太複雜的零件，材料範圍很窄，每層厚度不可調整，精度有限。

　　

　　解析三：幾種主流的快速製造工藝的原理及優缺點

　　1. 造擇性雷射燒結（SLS——Se1ected Laser Sintering）

　　使用SLS設備，可以直接製造金屬模具和注塑模具的異形熱流道系統，其硬度可達較高洛氏硬度，性能達到鍛件級別， 也可以直接製造特殊、複雜功能零件。正是由於SLS技術的小批量特殊、複雜功能件的快速製造能力，且可以多個零件一次性成型製造，實現多品種、個性化的小批量快速製造，使該種技術在航空航天、軍工、汽車發動機測試和開發、醫療領域得到了廣泛的認可和應用。

　　

　　

　　2. 真空灌注成型快速模具（VCM——Se1ected Laser Sintering）

　　也叫「真空注型復模」，即利用原有的樣板， 在真空狀態下製作出矽膠模具，並在真空狀態下採用PU 材料進行澆注，從而克隆出與原樣板相同的複製件，是一種最常用的快速模具技術，通過這種技術，可以生產出滿足各種功能特性的類似工程塑料的產品，同時可以進行小批量生產。

　　一般一套VCM矽膠模具可以複製20套產品，尤其適合中小型、精細件的複製，比如儀器儀表、汽車零配件製造行業。這種加工工藝可以滿足在產品試製過程中的應用，時間短，成本低，速度快。

　　通常工藝流程是：3DP/SLA快速成型（手板、原型製作）-----VCM真空注型機（快速模具製作）------小批量複製、生產

　　

　　

　　3. 低壓反應注射成型 （Reaction Injection Moulding，RIM）

　　又名「低壓灌注」，是應用於快速模製品生產的一項新工藝，它將雙組份聚氨酯材料經混合後，在常溫、低壓環境下注入快速模具內，通過材料的聚合、交聯、固化等化學和物理過程形成製品。由於所用原料是液體，用較小壓力即能快速充滿模腔，所以降低了合模力和模具造價，特別適用於生產大尺寸、大面積的製件，比如汽車保險槓、儀表臺、尾翼等。　一套RIM模具可以複製200件產品，已在汽車研發試製、儀器儀表、雕塑創意、建築設計等領域得到運用。

　　一般工藝流程是：SLS/CNC快速成型（手板、原型製作）------RIM快速模具製作------注射成型（小批量複製、生產）

　　

　　

　　

　　4. 數控工具機（Computer Numerical Control，CNC）

　　CNC是一種由程序控制的自動化工具機。該控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規定的程序，通過計算機將其解碼，從而使工具機執行規定好了的動作，通過刀具切削將毛坯料加工成半成品成品零件。自從1952年美國麻省理工學院研製出世界上第一臺數控工具機以來，數控工具機在製造工業，特別是在汽車、航空航天、以及軍事工業中被廣泛地應用，數控技術無論在硬體和軟體方面，都有飛速發展。（來自百度百科）

　　CNC相比於傳統工具機，它具備數位化、高效、批量化的特點，除了結構形狀複雜的工件，基本都能應付，因此雖說不是嚴格意義上的快速成型技術，但是業界通常還是把它歸入快速製造的範疇。

　　解析四：為什麼國內外政府都要大力推進快速成型與快速製造技術的發展

　　歐巴馬在2011年底和2012年4月，兩次在公開演講會上大力提倡快速成型和快速製造技術，把人工智慧、3D 列印、機器人視為重振美國製造業的三個重要支柱，認為可以憑藉這幾項技術，使製造業「重歸美國」。隨後美國的3D 列印產業得到政府扶持。美國國防部、能源部和商務部等5 家政府部門將共同出資4500 萬美元，由俄亥俄州、賓夕法尼亞州和西維吉尼亞州的企業、學校和非營利性組織組成的聯合團體將出資4，000 萬美元，在俄亥俄州建立了一所由政府部門和私營部門共同出資的製造業創新研究所——美國國家增材製造創新學會（National Additive Manufacturing Innovation Institute），研發3D 列印技術。

　　2012年6月11日，溫家寶總理在中國科學院第十六次院士大會和中國工程院第十一次院士大會上的講話也表明的中國政府的密切關注：美歐學者近期預言稱，一種建立在網際網路和新材料、新能源相結合基礎上的第三次工業革命即將來臨，它以「製造業數位化」為核心，將使全球技術要素和市場要素配置方式發生革命性變化。一些專家認為，美德等國已取得先導性技術突破，有可能佔據此次革命的制高點，重新劃分全球分工。可以肯定的是，新科技革命將依賴現代化進程和國際競爭的強大需求拉動，也必將與新興產業發展更加密切融合、互相促進。

　　美國《時代》周刊已將3D列印產業列為「美國十大增長最快的工業」，英國《經濟學人》雜誌則認為它將與其他數位化生產模式一起推動實現新的工業革命。

　　中國政府和美國政府如此重視3D列印，究其原因，不外乎以下幾點：

　　1. 消費模式的變化導致了工業製造模式的變化

　　原先人類的消費模式是受工業製造方式的影響的，市面上出售什麼，人類就消費什麼，別無他想;第一次和第二次工業製造革命，使人類從最早的全手工、自給自足的生產消費模式跳躍式到了產品急劇豐富、全球化流通的階段，到如今已經是供大於求，人們的消費反過來可以影響製造了;而現如今的人開始厭棄大批量、無個性製造出來的東西，更青睞個性化的產品，這種產品往往具備個性化、定製化、多樣化的特點，傳統的、費時長久的開模製造方式是無法適應這種新的消費潮流了，於是，快速成型和快速製造技術應運而生。相比生產大規模標準化產品的模具製造，3D列印可以在一定約束下隨意生產製作個性化產品，可稱之為「大規模定製製造模式」，是以網際網路為支撐的智能化大規模定製的方式，或者是「分散生產，就地銷售」方式，標誌著個性化消費時代的到來。

　　從前，消費者都是在店裡挑選、購買已經生產好的商品，現在則可以根據各自的需求，在「3D列印店」定製，邊生產邊體驗，及時獲得自己喜歡的產品。

　　2. 快速成型和快速製造相比傳統模具製造優勢明顯

　　快速成型技術是不受產品結構和形狀的限制的，任何複雜的造型和結構，只要有CAD數據，都可以輕鬆完成，這樣就給個性化、定製化提供了可能性;而且使用快速成型技術和快速製造技術，是不需要開模具的，實現了無模化製造，可使新產品研製的成本下降為傳統方式的1/3-1/5 ，周期縮短為1/5-1/10 。再加上快速成型和快速製造設備大部分可以實現無人值守、24小時不間斷加工，也就為廠商節約了人工成本，提高了生產效率。

　　快速成型和快速製造技術可以貫穿使用在產品設計、開發、試製、小批量生產等環節，而且無論是工業製造領域、教育領域、醫療領域、文物保護領域還是其他領域，大至一架飛機，小到一枚戒指，只要需要進行實物打樣或者試製，都可以使用快速成型和快速製造技術，適用面非常廣泛。

　　快速成型和快速製造的後期輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數據洩密和時間跨度，尤其適合一些高保密性的行業，如軍工、核電領域。

　　3D列印技術「列印」的產品是自然無縫連接的，一體成型，結構之間的穩固性和連接強度要遠遠高於傳統方法。

　　3. 未來製造業必須走低碳環保之路

　　「第三次工業革命」概念的真正興起和全球化傳播，與全球可持續發展面臨的壓力息息相關。具體來說：一是至20世紀80年代，石油和其他化石能源的日漸枯竭，及隨之而來的全球氣候變化給人類的持續生存帶來了危機。二是化石燃料驅動的原有工業經濟模式，不再能支撐全球的可持續發展，需要尋求一種使人類進入「後碳」時代的新模式。快速成型和快速製造技術適逢其會，以綠色、節能、低碳、環保的全新姿態迅速得到了全球政府和機構的認可和信賴。

　　快速成型和快速製造採用的是加法式製造技術，區別與傳統的減法式、銑削式製造方式，基本上是生產多少重量的東西，所耗費的也就是同等重量的材料，因此所耗費的材料明顯減少;個性化定製以後也不產生產品庫存，可以在減少碳排放和原材料消耗的前提下，保持更高的生產效率。3D列印的原材料使用僅為傳統生產方式的1/10，這在如今資源珍貴的時代無疑具備巨大優勢。

　　4. 全球製造業未來的競爭在於高附加值的設計環節

　　在全球經濟今天正邁向第三次工業革命以及經濟疲軟的背景下，歐美國家開始制定「再工業化」戰略——去掉低附加值的加工製造環節，對製造業產業鏈進行重構，重點加強對高附加值環節的再造，通過技術創新、設計創新，改變傳統製造業的製造模式，降低單位勞動成本，提高其在國際上的競爭力，同時提供大量就業機會。快速成型和快速製造的日趨成熟為這一戰略提供了實實在在的條件。

　　原先的製造業是生產、加工環節制約著研發設計環節，新產品的研製從一開始就需要考慮到最終能否被生產出來;而快速成型和快速製造技術對於產品設計沒有限制，只要能設計得出來，完成CAD建模，任何結構和形狀都可以被生產出來，如此一來，工業設計方面的創意和能量將被無限釋放，誰具備突出的工業設計能力，誰就將成為未來全球製造業的領頭羊，創造高額利潤。

　　中國製造業，如果還是停留在國外設計、國內製造或者來料加工的階段，那麼未來只能在低附加值的加工製造環節上苦苦掙扎，因此，中國政府和製造業的有識之士都已經開始積極呼籲和大力傳播快速成型和快速製造技術，國內的工業設計教育和產業也得到了越來越多的關注和重視。

　　解析五：目前制約快速成型與快速製造技術在中國普及的一些困難

　　在中國，除了中國政府在大力倡導快速成型和快速製造技術，也已經有一些視野廣闊的業界人員在從事快速成型和快速製造設備的銷售、推廣工作，他們絕大部分是歐美快速成型和快速製造設備在中國的代理商，比如杭州的先臨三維，是德國、美國多家全球領先的快速成型和快速製造設備的授權經銷商，而且他們自己建有快速製造服務中心，可以為有需要的人提供各種3D列印和小批量製造服務，可以說是中國目前最專業、最大的3D列印技術集成服務商。

　　然而，快速成型與快速製造技術要在中國普及，尚需時日。總結起來原因有：

　　1. 核心技術主要在歐美國家

　　快速成型和快速製造的核心技術都在德國、美國等發達國家手裡，國內從事該領域研究開發的企業還很少，主力多是一些高校和科研機構，很多最新研究成果離產業化還有距離。

　　2. 專業級設備價格高昂

　　正是由於大多數快速成型與快速製造是進口設備，導致價格居高不下，動輒十幾萬、上百萬，一般消費者難以承受。目前主要是高端製造、醫療、高校方面的購買者居多。

　　3. 了解和認識還不夠

　　國人對於快速成型與快速製造技術的認識和了解基本處於起步階段，大致有個概念而已，儘管可能有需求，但是由於不知道應該購買哪種類別、哪種型號的設備，而不得不謹慎觀望。

　　其實這一點不應該成為快速成型與快速製造普及的阻礙，因為像杭州先臨三維這樣專業的設備提供商，他們都能夠根據客戶的需求為其量身定製一個合適的設備和材料方案，並提供全套售後裝機、培訓和維護服務。

　　4. 材料種類不夠豐富

　　快速成型機與快速製造設備所使用的材料，相比過去已經豐富了很多，從光敏樹脂、ABS、類ABS、蠟型、玻璃纖維等塑料類材料，到不鏽鋼、鋁合金、鐵鎳合金、鈷鉻鉬合金等金屬類材料，從單色到全彩，從透明到半透明到不透明，形形色色。儘管如此，和我們傳統製造所使用的材料相比，還是有差距的。快速成型與快速製造材料的研製，未來潛力無限。

　　5. 成型件大部分不能作為最終產品

　　使用快速製造方式可以生產最終產品，比如使用德國EOS 的M系列金屬粉末燒結成型設備，是可以快速生產最終的金屬產品的，但是快速成型出來的東西往往只能作為原型件或者手板，還不是最終產品。

　　因此，當前我們利用快速成型技術，通常都是和傳統模具製造技術相結合的，這也是值得大力推廣的一種現代製造方式：首先在產品研發和產品試製階段，使用快速成型技術製作產品模型，進行設計溝通、驗證或者裝配測試;經過多次的設計修改，然後快速成型出來一個最終的產品原型，用來輔助批量生產模具的開發製造。

　　這種快速成型和傳統模具技術相結合的方式，具有多方面優勢：

　　1）加快產品設計、研發進度;

　　2）改善內部和外部溝通，提前掌握最終產品的外觀和結構，使設計更加合理;

　　3）大幅度提高模具開發製造的成功率;

　　4）最終產品的品質更好，能增加客戶滿意度;

　　5）節約成本，減少開支，同時提高利潤。

　　相比2D列印每年幾百億乃至上千億美元的市場來說，3D列印目前每年的市場空間只有幾億到十幾億美元，還是一個孕育中的市場。不過2011年2月的經濟學家（The Economist）雜誌說道「3D列印技術可以廉價的成型從單品到成千上萬個產品，進而破壞規模經濟，正如那些3D列印公司所做到的那樣……正如 1450年的印刷術、1750年的蒸汽機和1950年的電晶體，當時沒有人能正確的預見他們在未來廣闊的應用前景，沒有人能預測3D列印技術的長期影響。 3D列印技術已經到來了，它可能在未來破壞每一個它所觸及的領域。」