3D列印已經不是新鮮事兒，但打出來的東西能用嗎？

出品| 網易新聞

作者| 陳俊宇，清華大學機械工程系博士研究生

　　在《了不起的中國製造》欄目前面的內容中，我們曾經介紹過3D列印房子的技術：

網易《了不起的中國製造》：用3D列印房子已經不是事兒，但你敢住嗎？zhuanlan.zhihu.com

3D列印，學術一點叫增材製造，是20世紀80年代中期發展起來的一種技術。

　　不知道大家有沒有這樣的疑問：為什麼80年代出現的技術現在才被廣泛應用？這不是因為別的，只是3D列印的一大批專利在最近紛紛到期，相繼就有一大批成熟又便宜的技術出現在工程應用中。2011年是3D列印的一個關鍵年，而近些年其又有了很多新發展。

（一）製造中的3D列印：解放設計的利器

　　傳統的製造模式分兩大類，一類是用刀具、機床去加工鐵塊、鐵棒等毛坯，把多餘的材料從原有的毛坯上切下來的減材製造；另一類是靠鑄造、鍛壓等方法直接把材料造成要求的形狀的等材製造。

　　在進行機械設計時，設計師需要考量的因素有很多：零件夠不夠大、材料夠不夠硬，能不能hold住外力別斷？為了加工起來沒那麼麻煩，那麼零件的樣子是不是簡單？怎麼能夠跟別的零件裝配到一起？等等。

　　在一些特殊的應用場景例如航空領域，一克質量一克黃金，輕量化是十分重要的設計原則；

　　歸根結底，實際上就是能用和省錢。

　　但是因為有這些限制條件，零件的形狀就不能隨意設計，這就造成在一個零件中，有的地方受很大力、有的地方根本不怎麼受力，這部分不受力的區域的材料實際上就是多餘的。

　　而3D列印技術的突破性就在於它從成形原理上是完全不同於以往的製造模式，而且在可以預見的未來也不會再有這類型的新的革新式發展。

　　3d列印的核心就是離散堆積原理，簡單來說就是：依據計算機上構成的工件三維設計模型，對其進行分層切片，得到各層截面的二維輪廓信息，增材製造機的成形頭按照這些輪廓信息在控制系統的控制下，選擇性地固化或切割一層層的成形材料，形成各個截面輪廓。並逐步順序疊加成三維工件。

　　3D列印的出現讓製造過程簡化為了一層一層的堆積，這樣一方面讓設計師不再考慮零件在製造過程中需要如何打孔、如何車削、如何在加工複雜結構時避免刀具跟零件的干涉等問題，結構再複雜也並不會對製造成本造成太大的影響；另一方面，可以解放設計師，既然零件的形狀基本上可以隨意設計，那麼原來那些沒用的部分也可以直接去掉了。

　　實現這一思想的方法叫「拓撲優化」。

圖：零件的拓撲優化過程

　　如上圖所示，原始的零件為了加工的方便實際上是比較規整的，但是其中大量的材料並沒有怎麼受力，通過計算和迭代優化，可以將零件的結構優化為新的樣子，新零件的各個部分的受力情況較之前更為均勻，沒有了應力集中分布於小範圍內的情況，這樣可以把不必要的材料去掉、更充分地利用材料的載荷能力，實現零件的輕量化。

　　圖：椅子的拓撲優化案例

　　拓撲優化的實質就是把零件中不受力的材料去掉，由於其優化結果的形狀十分複雜，其製造一定是依賴於3D列印的。

（二）生產中的3D列印：眾包一下

　　眾包是指組織（企事業單位、機構）乃至個人把過去由員工執行的工作任務，以自由自願的形式分包給非特定的社會大眾群體以解決或承擔的做法。眾包的參與主體一般包括發包方（企業/個人）、接包方（用戶）以及中介機構（眾包平台）。

　　圖：眾包模式

　　美國的一家創意產品電商就實現了基於大量社會3D印表機的製造網路，用戶可以在網路上提交自己的產品創意，也可以對網站上其他人的創意進行投票、提意見或改進等。利用眾包的方式，讓社區、大眾參與產品開發的整個過程，包括提交創意、評估、虛擬設計、預售、生產、銷售等多個流程。同時大批3D印表機形成製造網路，從創意提交、虛擬設計到實物製造，構成了完整的眾包網路。

　　3D印表機具有廣泛的製造適應性，可以加工任意形狀的產品，這就為眾包模式提供了一種統一的製造手段，可以說3D列印的意義不只是一種新的製造手段，還激發了一種新的生產模式。

（三）3D列印出來的東西能用嗎？

　　3D列印的零件能不能用，關鍵要解決精度和強度兩大關鍵問題。

　　我們目前市場上看到的很多入門級的3D印表機是這個樣子的：

　　這實際上只是熔融沉積（FDM）型的3D列印設備，其必備的就是三坐標的伺服系統來實現空間內的平動，這個伺服系統的控制精度越高，列印出來的零件精度越好；擠出頭用於將ABS、PLA等塑料擠出成形，這個擠出頭有多大也在一定程度上限制了零件的精度。

　　這樣的開放式結構很容易造成材料在堆積成型的時候受熱不均，發生塑料的翹曲等問題，這樣零件的精度就無法保證了——溫度的控制是在熔融沉積3D列印中保證零件精度的重要因素，專業一點的3D印表機都有用於防風和保溫的外罩。

　　而如果只能使用塑料作為材料，那這種技術的應用前景也是十分局限的，塑料的強度是無法滿足工業中對經常要發生相對運動的結構件的強度的要求的，要解決強度問題，歸根結底是材料問題。

　　經過二十多年的發展，科學家根據不同成形材料已經開發出數十種成形方法，目前比較成熟、應用比較普遍的增材製造技術有以下幾種：

　　①光敏材料選擇性光固化(SLA)增材製造；②粉末材料選擇性激光燒結(SLS)增材製造；③絲狀材料融化沉積成形(FDM)增材製造；④薄型材料分層切割(LOM)增材製造。

　　圖：光敏材料選擇性光固化（SLA）技術

　　圖：粉末材料選擇性激光燒結技術（SLS）

　　圖：最常見的熔融材料沉積成形（FDM）

　　其中激光燒結技術廣泛應用於金屬材料的3D列印上，造出來的金屬零件相較於常見的塑料3D列印零件有更好的強度，國內一些研究機構將激光成型技術用在C919大飛機結構件的快速成型上，使中國成為迄今世界上唯一掌握大型整體鈦合金關鍵構件激光成型技術並成功實現裝機工程應用的國家。

　　圖：國產3D列印的C919鈦合金翼梁

（四）科幻感十足的3D列印新方法

　　在2015年的科學雜誌上報道了一種快速3D列印技術CLIP（持續性液態界面生產技術），它是利用光固化樹脂，氧氣作為抑製劑，三維立體物體在液體中成型，試驗中這個迷你艾菲爾鐵塔只用了6分鐘就完成了列印，而一般這個尺寸的FDM（絲狀材料融化沉積成形）列印至少需要幾個小時。

　　圖：CLIP技術6分鐘內列印完畢迷你埃菲爾

　　持續性液態界面生產技術，使得傳統的3D印表機械技術變成了光化學過程，沒有了層使得列印的零件在各個方向的力學特性一致，列印時間也相應的大幅度縮短，列印精度得到了跨越式的提升，科幻感十足。

　　圖： CLIP技術的列印過程快速高效

（五）中國的3D列印：技術有突出，工業化不足

　　相較於世界領先3D列印水平，中國在產業化進程上雖存在一定的差距，但在部分核心技術和市場應用仍具有先進一面。

　　技術上，中國增材製造技術的自主創新能力處於世界領先地位，在利用選擇性激光燒結( SLS)技術製造大型零部件領域，中國走在3D列印技術發展最為成熟的美國之前。

　　材料上，國內有些金屬材料（鋁、鐵等）與國外的差距相對較小，最有希望實現進口替代；在設備方面，目前的一些企業正在研發列印金屬材料的3D列印設備，以增強設備的市場競爭力。

　　在應用上，中國的3D列印市場快速增長，增速遠超全球。

　　圖：國產激光3D列印的鈦合金戰機結構件

結語

　　隨著材料種類的增加以及材料性能的不斷改進，3D列印在全球的應用領域必將不斷擴大，用途也將越來越廣泛，包括使設計原型樣品化、用於產品的性能測試、快速模具製造、提供創新產品開發的手段、用作投標手段等、進行藝術創作等，中國也不例外。

作為世界上認知度最高的標籤，中國製造（Made in China）正尋求戰略升級。「了不起的中國製造」專欄，力邀行業權威、資深玩家，呈現他們眼中的中國創新之路。

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編輯| 史文慧

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