如今，3D打印機(jī)的運(yùn)作速度變得越來(lái)越快，變得更易使用，同時(shí)還可處理多種材料、打印有源元件或系統(tǒng)，3D打印機(jī)在未來(lái)的應(yīng)用不僅僅只局限于快速成型。
打印機(jī)新興市場(chǎng)正在定義一種新類別：高性能、低價(jià)位
如今，3D打印機(jī)的運(yùn)作速度變得越來(lái)越快，變得更易使用，同時(shí)還可處理多種材料、打印有源元件或系統(tǒng)，3D打印機(jī)在未來(lái)的應(yīng)用不僅僅只局限于快速成型。
3D打印技術(shù)，也就是增材制造技術(shù)，自1980年代便以某種形式存在。然而，3D打印技術(shù)至今仍舊無(wú)法開展或無(wú)法以成本效益的方式開展大部分成品生產(chǎn)或大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。人們?cè)絹?lái)越期望，3D打印技術(shù)的這些缺點(diǎn)在不久的將來(lái)都會(huì)被克服。
一系列的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)正證實(shí)著人們的期望。目前，新興的中級(jí)3D打印機(jī)開始具備高端系統(tǒng)功能的同時(shí)，保證了桌上型尺寸和低價(jià)位。在不同產(chǎn)品范圍內(nèi)，3D打印機(jī)的速度不斷提升。目前正在研制的高端系統(tǒng)可提供的打印速度比現(xiàn)有的頂尖機(jī)器的速度要快500倍。然而，因?yàn)殛P(guān)鍵的專利技術(shù)快要到期，這一現(xiàn)象可能會(huì)加快創(chuàng)新的腳步。
最近的一項(xiàng)PwC調(diào)查便調(diào)查了多于100個(gè)工業(yè)制造商。其中，三分之二的工業(yè)制造商已經(jīng)在使用3D打印技術(shù)(見圖1);大多數(shù)的制造商仍然只是在試用3D打印技術(shù)或?qū)⑵溆糜诳焖俪尚汀Ｗ?D打印技術(shù)開發(fā)以來(lái)，快速成型便是重心。市場(chǎng)調(diào)研公司“易觀國(guó)際”專注于預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展;其預(yù)測(cè)，3D打印機(jī)和服務(wù)的全球市場(chǎng)在2018年會(huì)上升到162億美元(2013年只有25億美元)，實(shí)現(xiàn)45.7%的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)。
盡管3D打印技術(shù)具有以上發(fā)展趨勢(shì)，3D打印行業(yè)也面臨著挑戰(zhàn)?？焖俪尚偷牡匚蝗耘f重要，但是其不再是可以將技術(shù)變?yōu)榇笠?guī)模使用的“游戲規(guī)則改變者”了。3D打印行業(yè)需要著重于打印功能更加完善的成品或元件，而且打印的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原型產(chǎn)出數(shù)量。比如，助聽器和牙套制造商便采用了成品技術(shù)。此外，3D打印需要補(bǔ)充或取代傳統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品和元件，并創(chuàng)造出無(wú)法由其他方式生產(chǎn)的物品。
你的公司目前是如何應(yīng)用3D打印技術(shù)的?
1. 易觀國(guó)際在2014年3月31日的新聞稿中說道：“3D打印市場(chǎng)在2018年會(huì)增長(zhǎng)到162億美元?！?/FONT>
為改進(jìn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)策略，很多產(chǎn)業(yè)都在使用市面上的3D打印解決方案(見表1)。通過打印機(jī)和打印方法、設(shè)計(jì)和打印軟件以及打印材料這三方面的統(tǒng)籌發(fā)展，3D打印技術(shù)在未來(lái)會(huì)不斷發(fā)展。此期《PwC技術(shù)預(yù)測(cè)》便針對(duì)以上三個(gè)方面展開了調(diào)查。本文評(píng)估了3D打印機(jī)和打印方法在性能、多材質(zhì)管理以及生產(chǎn)成品能力方面的發(fā)展趨勢(shì)。未來(lái)的文章會(huì)調(diào)查軟件和材質(zhì)本身。
3D打印行業(yè)的最新狀況
在3D打印中，成千上萬(wàn)層材質(zhì)會(huì)疊加到其他材質(zhì)或“墨水”(最常見的為塑料聚合物或金屬)的層面之上進(jìn)行打印。很多打印技術(shù)通常都需依靠于材料(見花絮報(bào)道“3D打印技術(shù)”)。比如，熔絲制造(FFF)就利用了塑料、涉及到光敏聚合物的立體光刻、金屬激光燒結(jié)等等。
術(shù)語(yǔ)“墨水”指的是在3D打印中從噴嘴中擠壓出或噴出的材料。除了噴墨式打印方法，“墨水”術(shù)語(yǔ)還適用于其他方法。
3D打印技術(shù)
立體光刻(SLA)：此3D打印技術(shù)利用紫外線光束來(lái)硬化液體樹脂，進(jìn)行逐層連接。
熔絲制造(FFF)：融化熱塑流會(huì)從噴嘴中擠壓出，形成一層層材料;每一層都會(huì)與前一層相連接。常見的墨水包括ABS(丙烯脯二乙烯丁二烯樹脂)和聚乳酸聚合物。
選區(qū)激光熔化(SLM)：SLM類似于SLS;不同點(diǎn)便是SLM融化粉質(zhì)材料。粉末會(huì)在極高的溫度下被融化。
電子束熔化(EBM)：EBM類似于SLS，但是EBM利用電子束作為能量源。
目標(biāo)分層制造(LOM)：在此加工過程中，材料(比如金屬、塑料或紙質(zhì))的分層會(huì)逐層連接，后被切割成不同形狀。在一些情況下，切割后需進(jìn)一步加工(比如，通過模具加工或鉆孔)來(lái)定型產(chǎn)品。
如今，面臨著快速成型的廣泛使用，3D打印機(jī)只有在以下三個(gè)方面得到一定發(fā)展，才可抓住快速成型領(lǐng)域之外的機(jī)遇：
性能：提高關(guān)鍵的性能，比如速度、分辨率、自動(dòng)化操作、方便使用、可靠性和重復(fù)性。
多材質(zhì)功能和多樣化：結(jié)合多種不同材質(zhì)，包括在打印一個(gè)物品時(shí)混合使用多種材質(zhì)的能力。
成品：打印功能完善、具有多種組件的有源系統(tǒng)的功能。組件可包括內(nèi)嵌式感應(yīng)器、電池、電子器件、微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)等等。
如今，3D打印機(jī)只要集中于兩個(gè)極端：高成本—高性能、低成本—低性能(見表2)。高端打印機(jī)通常都是針對(duì)企業(yè)和3D打印服務(wù)部門的;而低端打印機(jī)通常都是公開源代碼RepRap打印機(jī)的衍生品，針對(duì)消費(fèi)者和業(yè)余愛好者。
在過去的一年里，中級(jí)打印機(jī)得以面世。很多新進(jìn)入者和著名供應(yīng)商的中級(jí)打印機(jī)都具有較多的高端性能，而價(jià)格又較低。比如，F(xiàn)SL3D和Formlabs的打印機(jī)就具有加高的分辨率而較小的機(jī)型，使用立體光刻技術(shù)，只需幾千美金。MarkForged的臺(tái)式打印機(jī)可利用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行打印，其價(jià)值不到5000美金。CubeJet的3D打印系統(tǒng)的定價(jià)也低于5000美金，可打印多彩物品，在保證低價(jià)的同時(shí)還提供了專業(yè)的性能。
3. RepRap是最老的臺(tái)式3D打印機(jī)之一，可應(yīng)用于任何機(jī)器。RepRap 3D打印機(jī)可精確仿制任何機(jī)器。
4. 布萊恩黑特：“CubeJet可提供專業(yè)的3D打印技術(shù)，具有符合消費(fèi)者要求的規(guī)格，而其定價(jià)低于5000美金?！?/FONT>
很多特點(diǎn)都決定著打印機(jī)的性能，但是打印機(jī)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)便是速度和易用性
顧能公司預(yù)測(cè)，在2016年年底，價(jià)值(功能和性能)符合企業(yè)和其他機(jī)構(gòu)要求的3D打印機(jī)會(huì)得以開發(fā)，而其定價(jià)低于1000美元。我們也可以期待，打印機(jī)在未來(lái)幾年會(huì)得到加速發(fā)展，盡管不同打印技術(shù)和不同供應(yīng)商的發(fā)展程度和性質(zhì)會(huì)有很大不同。
3D打印性能的發(fā)展趨勢(shì)
雖然很多特點(diǎn)都決定著打印機(jī)的性能，但是打印機(jī)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)便是速度和易用性。
人們期望打印機(jī)的打印速度可以更快
即使是簡(jiǎn)單商品，3D打印的時(shí)間還是很長(zhǎng)，一般需要幾個(gè)小時(shí)，有時(shí)甚至是幾天。漸進(jìn)式改善以及可能改變強(qiáng)度的打印方法可加快打印機(jī)的打印速度。“由很多方法可以加快打印速度，我們可以使用高質(zhì)量原件，也可優(yōu)化激光器的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)，”FSL3D的首席工程師安德魯?博格利說。FSL3D是臺(tái)式立體光刻打印機(jī)的供應(yīng)商。比如，F(xiàn)orm1+是Formlabs的立體光刻打印機(jī)，其中的激光器比前一代打印機(jī)Form1中的激光器強(qiáng)大四倍，打印的速度比Form1快50%。
如今大多數(shù)的打印機(jī)都使用單個(gè)打印頭來(lái)放置材料?？杀ＷC同時(shí)打印的打印頭的引入可更快地噴出材料，從而加快打印速度，同時(shí)又可結(jié)合多種不同材料或不同顏色的同種材料。在一個(gè)打印頭打印一件物品的時(shí)間內(nèi)，多個(gè)打印頭的設(shè)計(jì)還可復(fù)制多件該物品。蘇子和打印頭的增多，打印速度也會(huì)成正比的增大。
針對(duì)業(yè)余愛好者，Robox提供一個(gè)雙噴頭打印機(jī)。Robox說，雙噴頭打印機(jī)的打印速度要比單噴頭打印機(jī)快3倍。
5. Pete Basiliere：“3D打印技術(shù)如何影響商業(yè)并創(chuàng)造新機(jī)遇?”
6. Signe Brewater：“Formlabs發(fā)行Form1+——更快、更可靠的SLA 3D打印機(jī)”
“這些(業(yè)務(wù)3D)打印機(jī)的個(gè)人維修費(fèi)比人們所適應(yīng)的家電維修費(fèi)貴得多?！泵苄砉ご髮W(xué)教授約書亞 皮亞斯說。
在打印大型物品時(shí)，速度對(duì)打印機(jī)來(lái)說尤其是個(gè)挑戰(zhàn)。大型物品需要更多材料從打印機(jī)噴頭中擠壓出，而打印機(jī)噴頭的材料處理速度通常都是一定的。國(guó)立橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室和機(jī)床生產(chǎn)商辛辛那提股份有限公司便展開合作力求解決這個(gè)問題。目前，這兩個(gè)機(jī)構(gòu)正在開發(fā)一個(gè)大型疊層制造系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)結(jié)合了較大的噴頭(可更快地噴出聚合物)、高速激光切割器(可在英尺范圍內(nèi)工作，而不再局限于英寸范圍內(nèi)工作)和高速電機(jī)(當(dāng)打印頭進(jìn)入范圍內(nèi)加快打印頭移動(dòng)速度)。最終，兩個(gè)機(jī)構(gòu)開發(fā)出的系統(tǒng)能夠以比現(xiàn)有疊層機(jī)器快200—500倍的速度打印大10倍的聚合物原件。
為控制打印頭的運(yùn)動(dòng)，3D打印機(jī)使用了不同方法或架構(gòu)。笛卡爾打印機(jī)的配置在如今非常流行，其打印頭在平面上可在兩個(gè)向度上移動(dòng)。Deltabor打印機(jī)(也叫作三角型機(jī)器人打印機(jī))的機(jī)械手臂是平行四邊形，就像一個(gè)機(jī)器人(見圖3)?！叭切痛蛴C(jī)基本上要優(yōu)于笛卡爾打印機(jī)，因?yàn)槿切痛蛴C(jī)可帶來(lái)顯著利益，其中之一便是速度，”密歇根理工大學(xué)(MTU)副教授約書亞皮亞斯預(yù)測(cè)道。約書亞 皮亞斯也是公開源代碼3D打印機(jī)的活躍開發(fā)人員。三角型的配置可帶來(lái)更快的速度，因?yàn)槠浯蛴☆^更輕，在兩點(diǎn)之間移動(dòng)時(shí)會(huì)采用更短的路徑。
打印機(jī)會(huì)愈發(fā)自動(dòng)化、更易使用
現(xiàn)有的3D打印機(jī)可自動(dòng)執(zhí)行不同的任務(wù)。然而，一些針對(duì)業(yè)務(wù)愛好者的打印機(jī)要求打印頭定期清洗，要求底座保持水平，要求人工修補(bǔ)，要求人工監(jiān)督以將誤差最小化。“這些打印機(jī)的個(gè)人維修費(fèi)比人們所適應(yīng)的家電維修費(fèi)貴得多，”約書亞說。減小或消除人類元素是有可能的，而且這也是未來(lái)幾年創(chuàng)新的關(guān)鍵。
（轉(zhuǎn)載）
