3D打印技术产业化现状及发展趋势分析

第３９卷第５期２０１８年５月自㊀动㊀化㊀仪㊀表ＰＲＯＣＥＳＳＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮＶｏｌ ３９Ｎｏ ５Ｍａｙ．２０１８收稿日期：２０１７⁃１０⁃０９基金项目：四川省科技厅重点研发类基金资助项目（２０１７ＧＺ０３８６）作者简介：唐洋（１９８８ ），男，博士，讲师，主要从事设备完整性管理㊁油气装备现代设计与仿真等方向的研究，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｔａｎｇｙａｎｇｇｒｅａｔ＠１２６．ｃｏｍ３Ｄ打印技术产业化现状及发展趋势分析唐㊀洋，陈海锋，刘志强，肖㊀倩（西南石油大学机电工程学院，四川成都６１０５００）摘㊀要：３Ｄ打印技术是工业发展与人工智能发展相结合的产物，其被誉为第三次工业革命的标志之一㊂该技术极大地推动了现代制造技术与控制技术的发展，在制造模式㊁商业模式㊁服务模式等多个方面给传统制造业形态带来了深远的影响㊂研究了３Ｄ打印技术发展现状㊁产业链等，并对互联网㊁智能化㊁工业化的发展现状进行分析㊂其结果表明，３Ｄ打印技术的产业化将辐射到各个行业，并推动传统产业的优化升级㊂分析了３Ｄ打印机的质量指标㊁３Ｄ打印材料及３Ｄ打印机在不同领域的应用现状，在３Ｄ打印技术产业化过程中，材料技术将成为制约其发展的重要因素㊂全面阐述了３Ｄ打印技术产业化现状及发展趋势，确定了精密化㊁智能化㊁便捷化㊁通用化及稳定化等指标将成为３Ｄ打印技术下一步发展及研究的重点，将为其产业的发展和关键技术的突破指明方向，并为相关配套产业及技术的发展提供参考㊂关键词：３Ｄ打印技术；产业链；质量指标；材料属性；智能化中图分类号：ＴＨ１６４；ＴＰ２７１㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ：１０．１６０８６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ１０００⁃０３８０．２０１７０８００４３㊀ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎＳｔａｔｕｓａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＴｒｅｎｄｏｆ３ＤＰｒｉｎｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＴＡＮＧＹａｎｇ，ＣＨＥＮＨａｉｆｅｎｇ，ＬＩＵＺｈｉｑｉａｎｇ，ＸＩＡＯＱｉａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０５００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｏｆｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｈａｓｂｅｅｎｈａｉｌｅｄａｓｏｎｅｏｆｔｈｅｈａｌｌｍａｒｋｓｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｇｒｅａｔｌｙｐｒｏｍｏｔｅｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｏｄｅｒｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｒｏｆｏｕｎｄｉｍｐａｃｔｈａｓｂｅｅｎｂｒｏｕｇｈｔｔｏｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｍｏｄｅ，ｂｕｓｉｎｅｓｓｍｏｄｅ，ｓｅｒｖｉｃｅｍｏｄｅ，ａｎｄｏｔｈｅｒａｓｐｅｃｔｓｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｈａｉｎｏｆ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＩｎｔｅｒｎｅｔ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｌｌｂｅｒａｄｉａｔｅｄｔｏｖａｒｉｏｕｓｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓａｎｄｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｕｐｇｒａｄｉｎｇｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ．Ｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｉｎｄｅｘｅｓａｎｄｐｒｉｎｔｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓｏｆｔｈｅ３Ｄｐｒｉｎｔｅｒｓａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｒｅａｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ；ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｌｌｂｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ．Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎａｒｅｅｘｐｏｕｎｄｅｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ，ａｎｄｉｔｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈａｔｉｎｄｅｘｅｓｏｆｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ，ｕｎｉｖｅｒｓａｌａｎｄｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｗｉｌｌｂｅｔｈｅｎｅｘｔｓｔｅｐｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｉｔｗｉｌｌｐｒｏｖｉｄｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｔｓｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈｓｉｎｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒｅｌａｔｅｄｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｉｎｄｕｓｔｒｙｃｈａｉｎ；Ｑｕａｌｉｔｙｉｎｄｅｘ；Ｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ０㊀引言３Ｄ打印技术是一种采用 增材制造 的三维制造技术㊂其思想源于１９８９年的美国麻省理工学院，并在２０世纪后期得到了发展［１⁃２］㊂其制造方式是将三维模型转换为数据，采用分层加工㊁叠加成型的方式构建三维实体㊂３Ｄ打印技术具有成型速度快㊁操作简单㊁通用性高等优点㊂３Ｄ打印技术降低了制造业从业人员的技术门槛，也在企业的生产运作管理方面降低了资金投入，有利于实现制造业结构调整㊂在我国，由于国家相关政策对制造业的支持，为３Ｄ打印技术的发展提供了良好第５期㊀３Ｄ打印技术产业化现状及发展趋势分析㊀唐㊀洋，等的条件；同时，３Ｄ打印的生产模式在工业制造中越来越受到重视㊂３Ｄ打印技术在商业中也有广泛的应用，拉动了整个３Ｄ打印产业链的发展， 互联网＋３Ｄ打印机 的商业模式是新兴商业服务模式，是对传统商业服务模式的极大变革㊂１㊀３Ｄ打印设备的发展３Ｄ打印机是基于３Ｄ打印技术的打印设备㊂德国公布的一款纳米级３Ｄ打印机ＰｈｏｔｏｎｉｃＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌＧＴ具有较高的分辨率，能打印出具有纳米级微观结构的实体㊂维也纳技术大学发明了一款小型的３Ｄ打印机，只有牛奶盒大小㊂相比其他的机型，该款３Ｄ打印机的成本大为降低㊂电机工程师ＲｉｃｈａｒｄＨｃｒｎｅ研发了一款名为ＲｉｃｈＲａｐ的３Ｄ打印机㊂该款机器采用多种打印材料相结合的技术，能够实现彩色打印㊂世界上大型的３Ｄ打印机来自华中科技大学［３］㊂该打印机可降低部件设计的复杂㊀㊀㊀㊀度，缩短铸件工期㊂对于增材制造技术和３Ｄ打印技术相结合的开发和应用，发达国家领先于发展中国家㊂从１９８８年商业化的增材制造设备销售开始，近３０年来，各行业的技术领导者都先后引进增材制造技术㊂从３Ｄ打印设备应用的数量上来看，美国占有３８％的份额，而日本㊁德国㊁俄罗斯和中国等紧跟其后㊂在全球范围内，美国和日本对３Ｄ打印技术的发展与应用走在前列㊂因工业起步晚，中国的３Ｄ打印技术发展缓慢；但由于行业的应用需求，其蓬勃发展的趋势日益凸显㊂２㊀３Ｄ打印产业链分析３Ｄ打印行业产业链覆盖了上游基础配件㊁３Ｄ打印设备㊁３Ｄ打印材料㊁支持配套㊁下游应用等环节，推动了传统产业的优化与升级［４］㊂３Ｄ打印行业产业链如图１所示㊂图１㊀３Ｄ打印行业产业链示意图Ｆｉｇ．１㊀Ｉｎｄｕｓｔｒｙｃｈａｉｎｏｆ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇ㊀㊀由图１分析可知，上游基础配件涉及控制电路板㊁电机㊁打印喷头等机电行业；３Ｄ打印设备商引领材料商的发展；配套企业成为该产业链的关键节点，将软件㊁销售㊁信息服务等行业联系起来；３Ｄ打印技术应用于不同的领域，包括航天航空㊁军工制造㊁建筑设计㊁食品加工等㊂３Ｄ打印产业主要由设备㊁材料与服务组成㊂设备主要是指３Ｄ打印机㊁控制系统；材料是指各类型３Ｄ打印材料；服务是指利用３Ｄ打印机提供的商业服务，包括零件加工及售后服务㊂２０１２年，全球３Ｄ打印机产业占比如图２所示㊂由图２分析可知，２０１２年３Ｄ打印产业主要以服务行业为主，占整个产业的一半以上，贸易额达到１２．０亿美元㊂由于３Ｄ打印材料是３Ｄ打印技术的壁垒，各研究机构都致力于材料科学的技术突破，故该行业也占有很高的比重，贸易额达到４．２亿美元㊂㊃３１㊃自㊀动㊀化㊀仪㊀表第３９卷图２㊀３Ｄ打印产业占比图Ｆｉｇ．２㊀３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙａｃｃｏｕｎｔｄｉａｇｒａｍ３㊀３Ｄ打印机产业市场分析２０１０ ２０１６年，全球３Ｄ打印设备总出货及增长率情况如图３所示㊂图３㊀３Ｄ打印设备总出货及增长率情况图Ｆｉｇ．３㊀Ｔｏｔａｌｓｈｉｐｍｅｎｔａｎｄｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｏｆ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ由图３可知，２０１５年全球３Ｄ打印设备的总出货量为２３．０２万台，达到了近几年的小高峰；而２０１６年上半年全球３Ｄ打印机的总出货量已达到１４．０８万台㊂总出货量几乎每年都在持续增长，增长率在２０１１年就达到１５４．３４％的高峰，虽然在２０１４年后增幅有所下降，但是根据总的发展趋势来看，不足以说明３Ｄ打印机的发展趋于萎缩㊂３．１㊀工业级３Ｄ打印机专业级３Ｄ打印机又称为工业级３Ｄ打印机㊂工业级３Ｄ打印机主要应用于工业产品设计［５］㊂与传统的铸造技术相比，工业级３Ｄ打印机具有操作简单㊁自动化程度高㊁效率高等特点，适用于概念设计阶段的快速成型㊁玩具模型生产㊁医疗器械与人体器官制造㊁汽车与军事等行业㊂２０１０ ２０１６年，全球工业级３Ｄ打印设备总出货及增长率情况如图４所示㊂从图４分析可知，２０１４年后，工业级３Ｄ打印机的发展已出现开始下滑的趋势㊂出货量从２０１４年的１ ２９万台下降到２０１５年的１．１６万台，同比增长－１０ ０７％，到２０１６年仍然呈现持续下滑趋势㊂图４㊀工业级３Ｄ打印设备总出货及增长率情况图Ｆｉｇ．４㊀Ｔｏｔａｌｓｈｉｐｍｅｎｔａｎｄｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｇｒａｄｅ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ自２０１０年开始，工业级３Ｄ打印设备逐渐发展㊂其中，金属３Ｄ打印机占有工业级３Ｄ打印设备的大部分份额㊂尽管金属３Ｄ打印设备价格昂贵，但是近年销售量始终不断增长，说明了金属３Ｄ打印机在工业中的应用逐步受到重视㊂２０１５年，全球工业级３Ｄ打印设备出货量ＴＯＰ５企业如表１所示㊂由于金属３Ｄ打印市场扩大化日益凸显，根据２０１５年全球工业级３Ｄ打印设备销售量排名，全球前五位的３Ｄ打印厂商中有３家的主要经营业务在金属３Ｄ打印领域㊂表１㊀工业级３Ｄ打印设备出货量ＴＯＰ５企业Ｔａｂ．１㊀Ｔｏｔａｌｓｈｉｐｍｅｎｔｓｏｆｔｏｐ５ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｇｒａｄｅ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ序号企业总量／万台市场份额／％１Ｓｔｒａｔａｓｙｓ０．５７４９．００２３ＤＳｙｓｔｅｍｓ０．２６２１．９８３ｅｎｖｉｓｉｏｎＴＥＣ０．１２１０．１４４ＥＯＳ０．０５３．９４５Ｍｃｏｒ０．０３２．８３３．２㊀消费级３Ｄ打印机消费级３Ｄ打印机主要以桌面级３Ｄ打印机为主㊂其成型技术主要是熔融沉积制造（ｆｕｓｅｄｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅｄｅｌｉｎｇ，ＦＤＭ）技术，以高分子材料加工成的丝状材料作为该类型打印机的主要耗材㊂２０１０ ２０１５年，全球消费级３Ｄ打印设备出货量及增长率情况如图５所示㊂由图５可知，从２０１０年到２０１５年，全球范围内桌面级３Ｄ打印设备发展持续增长，这与专业级３Ｄ打印机成为发展焦点有关㊂虽然桌面级３Ｄ打印机普遍被认为是低端打印设备，但是随着ＦＤＭ熔融打印技术的发展的日趋成熟，市场竞争愈加激烈，２０１５年消费级３Ｄ打印机出货量达到２１．８７万台㊂㊃４１㊃第５期㊀３Ｄ打印技术产业化现状及发展趋势分析㊀唐㊀洋，等图５㊀桌面级３Ｄ打印设备总出货量及增长率情况图Ｆｉｇ．５㊀Ｔｏｔａｌｓｈｉｐｍｅｎｔａｎｄｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｏｆｄｅｓｋｔｏｐ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ根据２０１５年销售量数据统计，当年全球桌面级３Ｄ打印设备出货量ＴＯＰ５企业如表２所示㊂由表２可知，ＸＹＺｐｒｉｎｔｉｎｇ在消费级３Ｄ打印机行业保持全球领先地位，其市场份额达到２２．９２％㊂根据全球主营消费级３Ｄ打印设备的公司发展状况来看，Ｓｔｒａｔａｓｙｓ和３ＤＳｙｓｔｅｍｓ两大公司市场份额大幅缩减，被Ｕｌｔｉｍａｋｅｒ和Ｍ３Ｄ取而代之㊂表２㊀消费级３Ｄ打印设备出货量ＴＯＰ５企业Ｔａｂ．２㊀Ｓｈｉｐｍｅｎｔｓｏｆｔｏｐ５ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓｏｆｄｅｓｋｔｏｐ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ序号企业出货量／万台市场份额／％１ＸＹＺｐｒｉｎｔｉｎｇ５．０１２２．９２２Ｍ３Ｄ２．４６１１．２３３Ｕｌｔｉｍａｋｅｒ２．０４９．３５４Ｓｔｒａｔａｓｙｓ２．０１９．１８５ＦｌａｓｈＦｏｒｇｅ１．８７８．５４４㊀３Ｄ打印机的应用及质量指标分析４．１㊀３Ｄ打印机应用随着计算机控制技术和３Ｄ打印技术的发展，基于３Ｄ打印的计算机辅助制造已广泛运用于各行各业［６］㊂３Ｄ打印技术与网络技术的结合，创造了一个 互联网＋３Ｄ打印机 的新商业模式㊂各行业３Ｄ打印机对比分析如表３所示㊂表３㊀各行业３Ｄ打印机对比分析Ｔａｂ．３㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆ３Ｄｐｒｉｎｔｅｒｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ行业类型特点应用对象或范围应用效益代表机型航空航天工业级３Ｄ打印机体积大，材料多元化，低成本㊁高效率航空工业的重要零部件与传统制造相比，该技术将使零件制造成本缩减３０％㊁制造周期缩短４０％Ｏｂｊｅｔ１０００Ｐｌｕｓ医疗陶瓷３Ｄ打印机高强度㊁高硬度㊁耐腐蚀㊁耐磨损打印各种骨骼使用超强陶瓷材料不仅可打印复杂的形状，还能耐受超过１７００ħ的高温ＣＥＲＡＭＡＫＥＲ质量检测３Ｄ扫描仪控制简单㊁低功耗㊁高效率㊁准确性高工业无损检测流程可保证最佳的测量精度和速度，实现生产效率和产品质量的双重提高ＭｅｔｒａＳＣＡＮ３ＤＴＭＲ⁃Ｓｅｒｉｅｓ生物生物３Ｄ打印机精准性和多面性㊁无菌操作㊁紫外线交联固化生物组织工程领域采用生物打印后，新药物疗效验证的临床试验速度加快，减少了动物试验的次数ＣｅｌｌｉｎｋＩｎｋｒｅｄｉｂｌｅ汽车工业金属３Ｄ打印机运行成本低，无需热处理㊁渗蜡㊁精度高汽车制造等重工业可以降低生产成本，方便快捷地制造，提升工作效率，缩短零件的开发周期ＳＬＭ金属３Ｄ打印机教育桌面级３Ｄ打印机操作方便㊁体积小㊁精度低应用于学校或家庭对学生㊁孩子的认知教育可以激发孩子们的创造潜能，拓宽他们的创造视野，使学习更加得快乐和真实［２５］ＰｒｏＪｅｔＭＪＰ２５００模具制造真空浇注机屏幕和面板简洁㊁操作便利模具生产可以经济㊁快速地制作产品㊁缩短产品研发周期㊁降低开发费用与风险Ｖ４５０Ｎ真空注型系统㊀㊀分析表３可知，目前的３Ｄ打印设备呈现发展不平衡的特点㊂３Ｄ打印设备在工业和制造业运用更为广泛［７］，而且逐步向技术运用成熟化方向靠拢；而在生物㊁医疗［８］㊁教育等行业，其尚处于起步阶段，在这些行业运用的成绩不够显著㊂此外，３Ｄ打印机的通用性强，即使是同类型的３Ｄ打印机，也并不局限于在某一个特定行业的运用㊂４．２㊀３Ｄ打印机的质量指标分析４．２．１㊀打印速度打印速度是３Ｄ打印机基本的指标㊂由于各生产商的标准不同，各机构对打印速度的定义也存在差异㊂①打印单个部件在Ｚ轴方向构建一段距离所用的时间㊂这种定义方式适用于部件垂直建立速度快㊁Ｘ轴和Ｙ轴尺寸方向速度受损影响小㊁效率受打印部件数约束小的３Ｄ打印机㊂②打印完成一个特定部件或者单个实体所需的时间㊂这种定义适用于打印单个具体部件的３Ｄ打印机㊂目前，打印速度广泛的定义是打印喷头单位时间内的出料长度㊂通常认为，在不影响质量的前提下，打印速度始终是越快越好㊂现阶段的３Ｄ打印机的打印速度可以分为三个层次㊂第一层次打印速度是１５０ｍｍ／ｓ，第二层次打印速度是８０ １００ｍｍ／ｓ，而第㊃５１㊃自㊀动㊀化㊀仪㊀表第３９卷三层次则是４０ ５０ｍｍ／ｓ㊂３Ｄ打印机的高速运转可能导致印刷质量不高㊂目前，市场上有部分３Ｄ打印机的速度已经达到１５０ｍｍ／ｓ以上㊂因为耗材必须跟随挤出机的运作而进行调整，所以在这种高速情况下，打印质量明显下降，技术未完全成熟，还未被充分认可㊂４．２．２㊀分辨率分辨率的表示方法有很多种，一般可以表示为每英寸点数（ｄｏｔｓｐｅｒｉｎｃｈ，ＤＰＩ）㊁Ｚ轴单层厚㊁喷嘴直径等㊂这些指标与同类型的３Ｄ打印机可以比较，但是对于不同类型的３Ｄ打印机就不适用㊂在实际应用中，通常都以喷嘴出料的直径来表示分辨率㊂在机器的概念设计阶段，总是将该指标设计得尽可能小，从而使打印出的部件质量更好㊂Ｄｒｅｍｅｌ生产一种ＤｉｇｉＬａｂ数字制作产品３Ｄ４５打印机㊂该机器采用一个加热打印床设计，可以兼容多种类型的线型耗材，其构建分辨率达到１００μｍ㊂Ｗａｖｅ３Ｄ展示了一款商用光固化成型（ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙａｐｐｅａｒａｎｃｅ，ＳＬＡ）３Ｄ打印机Ｗａｖｅ３ＤＰｒｏ，其分辨率则达到了５０μｍ㊂４．２．３㊀打印精度打印精度是打印部件与概念模型比较的准确程度，可以用打印部件与概念模型的相差尺寸表示㊂３Ｄ打印独特的制造特点决定了其在处理过程中容易受到部件尺寸㊁几何形状㊁材料的特性㊁光㊁热等因素的影响㊂所以在打印过程中必须进行补偿，以确保最终部件的准确度㊂意大利Ｔｅｃｎｉｃａ公司公布了一款叫ＣＡＳＡ的３Ｄ打印机㊂该打印机配备了２５Ｗ的激光喷头，内置温度调节系统，能保证打印过程温度可控，精度可达７０μｍ㊂４．２．４㊀材料属性几乎每种３Ｄ打印技术都受限于具体的材料属性及类型［９］㊂与单种打印材料３Ｄ打印机相比，多种打印材料相结合的３Ｄ打印机可提高打印灵活性与多样性，扩展应用领域㊂基于ＦＤＭ熔融技术的３Ｄ打印技术常使用的材料类型及属性［１０］如表４所示㊂表４㊀３Ｄ打印材料及其属性Ｔａｂ．４㊀３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｔｈｅｉｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ材料属性特性ＰＬＡ工程塑料更加环保，被称为 绿色塑料 ；打印时不会产生难闻的气味，所以相对安全；冷却收缩没有ＡＢＳ那么强烈ＡＢＳ工程塑料价格便宜㊁经久耐用㊁稍有弹性㊁质量轻㊁容易挤出；打印过程中有毒物质的释放量远远高于ＰＬＡ；熔点温度更高ＴＰＥ柔性材料通常用于家用电器㊁医疗用品㊁鞋底㊁智能手机盖等生产ＴＰＵ柔性材料可以制造伸展性特别好的物体，但打印时难度较高；供材时，很难控制柔性材料的进退Ｗｏｏｄ木质感材料通过混合定量的木质纤维，可以打印出触感很像木头的模型，但会降低材料的柔韧性和拉伸强度ＭｅｔａｌＡＢＳ金属质感材料手感不像塑料，更像金属；从视觉上能感到更像是青铜㊁黄铜㊁铝或不锈钢ＭｅｔａｌＰＬＡ金属质感材料ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ碳纤维材料研磨制成，打印时也会加大对喷嘴的磨损；混合了细碎碳纤维的３Ｄ打印线材，在刚性㊁结构以及层间附着力方面都得到了提升Ｇｌｏｗ⁃ｉｎ⁃ｔｈｅ⁃Ｄａｒｋ夜光材料暴露于光源下约１５ｍｉｎ，再拿到黑暗处，打印物体就会发出荧光５㊀３Ｄ打印技术的未来发展５．１㊀３Ｄ打印技术发展趋势在大数据和信息化的背景下，单一化㊁纯机械化的３Ｄ打印机已不能顺应时代发展的需要㊂随着３Ｄ打印机运用的推广，对其技术发展也有更高的要求，主要表现在对３Ｄ打印机的操作便利性和打印完成的实体质量有更严格的要求㊂因此，控制技术与大数据㊁信息化㊁智能化的结合，将成为３Ｄ打印技术发展的新趋势㊂①精密化㊂随着制作工艺的提高，提升３Ｄ打印的精度是３Ｄ打印技术发展的必然趋势㊂多喷头交替打印㊁多材料结合打印㊁大型零部件打印等是３Ｄ打印技术的应用方向，对打印出来的部件表面质量和内部的物理性能都将有更高的要求㊂这得益于３Ｄ打印技术的高精密化指标，也是３Ｄ打印技术直接面向成品制造和零部件生产的保证㊂②智能化和便捷化㊂３Ｄ打印设备所具备的较高自动化程度，源于产品㊃６１㊃第５期㊀３Ｄ打印技术产业化现状及发展趋势分析㊀唐㊀洋，等的软件设计㊁后期处理以及软件控制的优化㊂加工过程中不同材料的转换使用㊁部件内部的气泡去除㊁成型后的支撑材料修饰等，都需要程序化智能设备的配套支撑㊂基于３Ｄ打印技术生产的小型无人机㊁小型汽车等概念产品已用于商业宣传㊁营销活动中［１１］㊂智能化和便捷化的一系列问题都直接影响３Ｄ打印的设备推广与应用㊂③通用化㊂通用化是指３Ｄ打印机运用越来越普及并且能 一机多用 ㊂３Ｄ打印机作为计算机的外部输出设备，使用便利㊂用户通过相关软件设计的概念模型打印为三维实体㊂通过更换不同的打印材料，能打印出适用于不同场景的部件，节省了设备更换和维护的费用㊂３Ｄ打印服务成为行业发展的新潮流，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值㊂④稳定化㊂稳定化包括控制稳定和运行稳定㊂随着工业的发展，工业级３Ｄ打印机必然会起到举足轻重的作用㊂在工业中，扰动因素复杂，必然会对工业３Ｄ打印机的稳定性有更高的要求㊂提高控制稳定性是对３Ｄ打印机控制器算法的优化，包括经典算法和人工智能算法在３Ｄ打印机的应用［１２］㊂提高运行稳定性是指控制技术指标的优化，包括控制参数中超调量㊁滞后时间常数㊁稳态误差等指标优化㊂５．２㊀３Ｄ打印技术应用趋势３Ｄ打印技术的发展包括设备制造㊁材料研发与加工㊁软件设计㊁服务商等方面㊂若应用没有跟上，则会限制技术的发展㊂３Ｄ打印技术的应用将从多方面对传统制造业产生深远的影响㊂①使制造模式发生深刻变革㊂传统的制造技术多采用减材加工的方式㊂这种方式最大的缺陷是原材料浪费严重㊂３Ｄ打印技术改变了这种加工模式，能有效节省材料㊁缩短加工时间㊁提高工业生产效率㊂②带动产业技术的快速提升㊂３Ｄ打印技术是一门综合应用嵌入式系统㊁计算机辅助设计㊁激光㊁控制㊁网络㊁材料科学等诸多科学的高新技术㊂３Ｄ打印技术使该项高新技术由理论向实践转化㊂③使商业模式发生革命性变化㊂３Ｄ打印可以使产品生产走向个性化㊁定制化，这将缩短产品推向市场的生命周期㊂其优势是通过互联网，快速建立高效的供应链㊁市场销售和用户服务网㊂该商业模式能实现敏捷制造㊁精益制造㊂④推动人工智能的发展㊂２１世纪人工智能已经开始融入大众生活㊂物联网㊁机器人㊁智能家居等智能化产品与３Ｄ打印机的结合，已成为３Ｄ打印改变传统制造业的新趋势㊂这将提高技术的共享性，从而促进３Ｄ打印与人工智能新技术的诞生㊂６㊀结束语３Ｄ打印技术是制造技术发展的一个里程碑，是人们在工业制造方面取得巨大进展的标志㊂随着３Ｄ打印技术的不断更新，该技术越来越多地进入人们的视野，使产品制造的高成本障碍得以缓解㊂３Ｄ打印技术在商业与服务业的应用，将促使生产模式㊁商业模式㊁竞争模式等发生巨大的变革，促进 个性化定制 商业模式的产生，并衍生出新的细分产业，引导新的经济发展，从而更好地提高人们的生活品质，为人们提供更优质的服务㊂参考文献：［１］史玉升，张李超，白宇，等．３Ｄ打印技术的发展及其软件实现［Ｊ］．中国科学，２０１５，４５（２）：１９７⁃２０３．［２］郭日阳．３Ｄ打印技术及产业前景［Ｊ］．自动化仪表，２０１５，３６（３）：５⁃８．［３］向友来，杜艾，谢志勇，等．３Ｄ打印技术应用于加工微靶零件［Ｊ／ＯＬ］．强激光与粒子束，２０１６，２８（１２）：７７⁃８３．［４］ＬＥＥＪＹ，ＡＮＪ，ＣＨＵＡＣＫ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｆｏｒｎｏｖｅｌｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｏｄａｙ，２０１７，７（７）：１２０⁃１３３．［５］崔俊星．浅析工业制造中的３Ｄ打印机［Ｊ］．中国新技术新产品，２０１６（３）：２５．［６］赵秋云，楚恩惠．３Ｄ打印机在各领域的发展前景［Ｊ］．软件导刊（教育技术），２０１５（５）：８１⁃８２．［７］李小丽，马剑雄，李萍，等．３Ｄ打印技术及应用趋势［Ｊ］．自动化仪表，２０１４，３５（１）：１⁃５．［８］ＳＯＯＮＤＳＣ，ＣＨＡＥＭＰ，ＰＩＬＧＲＩＭＣＨＣ．３Ｄｈａｐｔｉｃｍｏｄｅｌｌｉｎｇｆｏｒｐｒｅｏｐｅｒａｔｉｖｅｐｌａｎｎｉｎｇｏｆｈｅｐａｔｉｃｒｅｓｅｃｔｉｏｎ：Ａｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＡｎｎａｌｓｏｆＭｅｄｉｃｉｎｅａｎｄＳｕｒｇｅｒｙ，２０１６（１０）：１⁃７．［９］ＺＯＵＲ，ＸＩＡＹ，ＬＩＵＳＹ．Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃａｎｄａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｅｌａｓｔｉｃｉｔｙａｎｄｙｉｅｌｄｉｎｇｏｆ３Ｄｐｒｉｎｔｅｄｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔＢ：Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６（９９）：５０６⁃５１３．［１０］ＤＵＤＥＫＰ．ＦＤＭ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＡｒｃｈｉｖｅｓｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｙａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１３，５８（４）：１４１５⁃１４１８．［１１］ＢＲＡＮＳＫ．３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇ，ａｍａｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＩＦＡＣＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，２０１３，４６（７）：４６８⁃４７２．［１２］郭飞，梁园，杨朝航，等．轴动式激光固化３Ｄ打印技术的研究与实践［Ｊ］．自动化仪表，２０１７，３８（８）：１４⁃１６＋２２．㊃７１㊃。