設(shè)計(jì)靈活、節(jié)省材料、適于小批量生產(chǎn)，這些因素僅僅是一些公司采用增材制造的部分原因。但是要在生產(chǎn)中充分使用該技術(shù)，仍然需要解決一些問題。

我們從材料、生產(chǎn)速度以及后處理三個(gè)方面，分析3D打印在實(shí)際生產(chǎn)過程中面臨的緊迫挑戰(zhàn)。

01材料標(biāo)準(zhǔn)和性能不一致

從理論上講，無論是機(jī)械、生物還是電子，3D打印都能夠生產(chǎn)高度復(fù)雜和功能性的零件。但要做到這一點(diǎn)，就要有足夠的材料選擇。

材料的可用性是3D打印行業(yè)的一個(gè)重要挑戰(zhàn)，與傳統(tǒng)制造數(shù)十年的材料開發(fā)歷史相比，3D打印材料的開發(fā)才剛剛開始。在行業(yè)發(fā)展的最初幾年，工業(yè)3D打印發(fā)展的重點(diǎn)是原型制作，對(duì)材料性能的重視本身就很少。但隨著將該技術(shù)開始轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)解決方案，材料開發(fā)過程大大加快。

高性能3D打印聚合物和復(fù)合材料在近幾年發(fā)展相當(dāng)迅速，一些大型化學(xué)公司和專業(yè)的3D打印制造商，已經(jīng)開發(fā)出了與金屬相當(dāng)強(qiáng)度的碳纖維增強(qiáng)聚合物以及阻燃復(fù)合材料等新材料。金屬材料的開發(fā)則需要更長的時(shí)間，但進(jìn)展也是有目共睹的。

3D打印材料的種類確實(shí)是得到了飛速發(fā)展，但不得不面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題是材料性能的不一致與不穩(wěn)定性，基本上每個(gè)廠家都會(huì)有一個(gè)材料標(biāo)準(zhǔn)。目前，業(yè)內(nèi)缺乏一個(gè)可靠的、統(tǒng)一的材料數(shù)據(jù)庫，可以給出經(jīng)驗(yàn)證的打印參數(shù)和機(jī)械性能，而不是每家一組不同的數(shù)據(jù)。

實(shí)現(xiàn)一致且可重復(fù)的3D打印過程非常有挑戰(zhàn)性，這是很多傳統(tǒng)制造商不愿意使用這項(xiàng)技術(shù)的重要原因。開發(fā)3D打印材料數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展不得不面臨的現(xiàn)實(shí)問題，目前ISO和ASTM等一些標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)布了關(guān)于鎳、鈦和不銹鋼等金屬粉末的規(guī)范。

其他機(jī)構(gòu)則建立了增材制造材料和工藝信息數(shù)據(jù)庫，如America Makes與Stratasys以及美國國家航空研究所合作，于今年早些時(shí)候發(fā)布了基于FDM的ULTEM9085 I型材料特性數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫將有助于進(jìn)一步將經(jīng)認(rèn)證的聚合物材料用于飛機(jī)內(nèi)飾件。

總之，材料標(biāo)準(zhǔn)的確立，將是滿足制造商對(duì)3D打印性能和可靠性期望的關(guān)鍵。

02生產(chǎn)速度慢

當(dāng)前，即便是工業(yè)3D打印機(jī)，在速度和效率方面也普遍落后于傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備，這對(duì)于汽車和消費(fèi)品等需要大規(guī)模批量生產(chǎn)推動(dòng)的行業(yè)非常不利。在這些行業(yè)中，產(chǎn)品需要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)制造和交付，才能保持生產(chǎn)效率。

福特公司增材制造技術(shù)負(fù)責(zé)人提到，汽車行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模與航空航天和醫(yī)療有很大不同，前者必須研究如何能夠在幾分鐘甚至幾秒鐘內(nèi)完成零件生產(chǎn)，采取任何必要的措施來提高生產(chǎn)速度對(duì)于汽車行業(yè)來說至關(guān)重要。

實(shí)際上，目前大多數(shù)瞄準(zhǔn)生產(chǎn)應(yīng)用的3D打印機(jī)制造商都在尋找提高3D打印速度的方法。有些公司開發(fā)了模塊化系統(tǒng)來提高生產(chǎn)量，有的則致力于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行不斷革新。在此，我們舉兩個(gè)例子進(jìn)行說明。

SLS技術(shù)領(lǐng)域通常采用增加激光器數(shù)量的方式來提高生產(chǎn)速度，但德國EOS推出的Laser ProFusion技術(shù)對(duì)整個(gè)光源模塊進(jìn)行了系統(tǒng)性開發(fā)。通過改造，新設(shè)備配備了多達(dá)100萬個(gè)二極管激光器，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)燒結(jié)，可大大加快打印時(shí)間。EOS高分子系統(tǒng)與材料業(yè)務(wù)高級(jí)副總裁表示，傳統(tǒng)注塑成型技術(shù)持續(xù)面臨的挑戰(zhàn)是模具制造占據(jù)了相當(dāng)一部分的成本，并且只有當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到幾千個(gè)或更多時(shí)才具有經(jīng)濟(jì)可行性。但LaserProFusion技術(shù)無需開模即可制造簡單和復(fù)雜的零件，且生產(chǎn)效率非常高，每臺(tái)機(jī)器的年產(chǎn)量超過10萬件，每個(gè)零部件的成本也非常可觀。

在傳統(tǒng)的金屬SLM技術(shù)方面也有一些顯著的發(fā)展。澳大利亞Aurora labs推出的多層并行打?。∕CP) 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一次鋪粉、同一位置打印多層以及在同一時(shí)間、不同位置實(shí)現(xiàn)不同層厚同時(shí)打印的效果。

該技術(shù)的推出打破了傳統(tǒng)SLM技術(shù)只有通過增加激光器數(shù)量來提高速度的改良極限，可以實(shí)現(xiàn)金屬打印速度的極大飛躍。在2018年的Formnext展會(huì)上，該公司已經(jīng)可以同時(shí)打印30層，而日前公布的數(shù)據(jù)顯示，該公司的PMP1 3D打印機(jī)的打印速度可以達(dá)到350公斤/天，與去年報(bào)告的速度相比提高了2000%。

提高生產(chǎn)速度并非易事，這需要大量的技術(shù)創(chuàng)新。截至2019年，EOS和Aurora Labs的技術(shù)仍處于開發(fā)階段，但至少讓我們看到了技術(shù)發(fā)展的前景。

03后處理效率低

采用3D打印制造的零件，幾乎無一例外都需要某種類型的后處理，以提高機(jī)械性能、精度以及表面質(zhì)量。使用3D打印制作原型時(shí)這不是一個(gè)很大的問題，但隨著技術(shù)向終端制造工藝過渡，規(guī)模化和自動(dòng)化的后處理已成為建立增材制造生產(chǎn)線的關(guān)鍵瓶頸之一。

對(duì)于金屬3D打印技術(shù)來說，需要非常多的后處理步驟來確保質(zhì)量，如粉末清除、去應(yīng)力退火、線切割、支撐去除，CNC和其他精加工以及熱等靜壓等等。這些步驟中有些仍然需要手工操作，而且對(duì)于關(guān)鍵任務(wù)還需要熟練的操作人員。

使用人工完成原型甚至幾十個(gè)零件時(shí)可能還具有成本效益，但如果生產(chǎn)數(shù)百甚至上千個(gè)零件時(shí)，3D打印對(duì)后處理自動(dòng)化的需求就變得極為迫切。

自動(dòng)化的解決方案可以通過一致的后打印功能提高生產(chǎn)效率，不過目前也只有少數(shù)的集中特定的方案幫助實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后處理，如DyeMansion公司的自動(dòng)清潔系統(tǒng)、AMT公司的表面平滑解決方案以及PostProcess Technologies的支撐去除和表面處理系統(tǒng)。然而，不可否認(rèn)，這些系統(tǒng)主要是為聚合物3D打印的零件而設(shè)計(jì)。

在金屬3D打印方面，仍然采用傳統(tǒng)制造的后處理技術(shù)。為了使這些技術(shù)進(jìn)一步自動(dòng)化，一些公司也開始實(shí)施機(jī)器人解決方案，可以幫助更換材料并進(jìn)行零件處理。去年EOS和Digital metal都推出了全自動(dòng)生產(chǎn)的概念，其采用機(jī)器人進(jìn)行大多數(shù)的操作過程，如安裝打印基板、清粉取件以及后處理等等，目標(biāo)是取代是所有手工工作，以促進(jìn)連續(xù)和規(guī)?；纳a(chǎn)。

盡管這種發(fā)展令人鼓舞，但該領(lǐng)域的創(chuàng)新步伐還是比較緩慢。未來，先進(jìn)的后處理解決方案的數(shù)量肯定會(huì)增加，從而適應(yīng)不斷增長的增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

04結(jié)語

本文從生產(chǎn)速度、材料以及后處理方面揭示了當(dāng)前增材制造行業(yè)取得的成果和存在的問題，基本算是行業(yè)整體的現(xiàn)狀。這些因素的存在限制了增材制造技術(shù)的發(fā)展速度，但從一系列新誕生的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)來看，這些挑戰(zhàn)正在慢慢得到克服，而挑戰(zhàn)，就是機(jī)會(huì)。