1. 引述
3D打印本質上是一種層層堆疊，增材制造的思想。借用這類思想的工藝方法有很多，大到建筑生產，小到納米堆積。但主流的3D打印，主要集中在制造業(yè)，單體制造尺度上往在毫米到10米級制造尺度。以下我們談論的也是在這個尺度的3D打印方法。為了不失整體性，我們先介紹特點，再業(yè)界應用，最后介紹工藝方法，對于商業(yè)應用，我個人的想法會提一提。
2. 3D打印的特點
2.1 3D打印的獨特優(yōu)勢
從特點上講3D打印的層層堆疊方法，具有高度的柔性，高度的定制性，對零件外形的制造難度，制造成本的敏感度非常低。對于一些具有大量曲面，非常難加工的復雜零件，3D打印的優(yōu)勢及其明顯。例如下面這樣一類幾何體，對于傳統(tǒng)加工來講，往往需要5軸以上的昂貴加工中心完成。然而對于3D打印，這類零件與打印一個扳手并無明顯區(qū)別。同時針對這一優(yōu)勢，拓撲學優(yōu)化是3D打印設計的一個重要方向。這類零件，可以具有合理的強度和極輕的重量。
2.2 3D打印具有極強的零件整合性
在以往，對于具有復雜內部結構的產品，如液壓缸，液壓閥，具有內部溝道的沖壓模具，往往需要拆分成多個零件，通過復雜的連接件，配合面進行精密組裝。然而由于3D打印的出現，完全可以將以往的幾個件，整合為一個件。液壓產品巨頭MOOG公司，前幾年就研發(fā)出了液壓缸液壓閥完全整合的一體液壓元件，波士頓動力的結構中也應用大量的3D打印的一體化零件，這種整合趨勢和設計方法也必然是發(fā)展方向之一。
2.3 3D打印適合中小批量生產
3D打印往往是每次只生產單件或幾件。從經濟性上講，3D打印隨數量增加，邊際成本降低很慢，甚至保持不變。這導致3D打印不是非常適合大批量生產，從現有應用上看也一般集中在小批量定制生產，中批量以上的生產不多見。例如飛機零件，火箭零件生產等。
2.4 3D打印適合工業(yè)4.0
3D打印的機器自治性非常高，往往只需要傳入零件的CAD模型，就可以自主打印。無需傳統(tǒng)制造的，重復裝卡，定位等。從這一點上看，不僅節(jié)省時間成本，也非常適合所謂工業(yè)4.0的智能化，無人化生產。
2.5 3D打印的主要問題
從現有生產問題上看，大部分3D打印方法速度都很慢，最終產品的表面粗糙度較差，后續(xù)仍需要磨削，銑削等精加工。由于這一顯著問題，研究趨勢上主要分為兩派，一派以“混合制造”為主導發(fā)展方向，既將3D打印，整合進傳統(tǒng)加工中心，這一方向已經有DMG機床，如：DMG 3D打印銑床，如；另一派主張繼續(xù)改進3D打印工藝性能。從整體上講，兩派并不矛盾，只是發(fā)展重點不同。
3.3D打印的應用領域
從應用領域，主要包括，醫(yī)療工業(yè)（人體替代植入物），航空航天工業(yè)，模具制造業(yè)，零件修復，汽車和快速設計。我按領域給大家看看，現在已經發(fā)展到什么程度。
3.1 醫(yī)療工業(yè)
首先從醫(yī)療工業(yè)上講，人體替代物如：人造牙齒，人造膝蓋等往往具有以下幾個特點：1）極高的幾何復雜性，2）每個人都需要單獨定制，3）往往選用高加工成本的，低人體排斥性的鈦合金成本。這類需求對于傳統(tǒng)加工業(yè)，無論從加工難度，還是加工成本都是極大的挑戰(zhàn)。而以上恰好是3D完美解決的領域。同時有研究表明激光金屬燒結（SLS）由于生產過程中的不完全融合，導致內部存在細密的空穴，恰好與骨骼的結構相似，提高了人體適應性。另一方面，從強度上也具有與骨骼的相似強度，這避免了替代區(qū)域在受力時，由于骨骼和替代物強度不均導致的進一步損傷。以下幾個圖可以看到，現有3D打印的替代物，已經具有良好替代性。在這一領域，是一定有商業(yè)開發(fā)前景的，可惜都沒人投資！
4. 3D打印的工藝方法
3D打印學術上稱為增材制造（Additive Manufacturing），主要區(qū)別于傳統(tǒng)車鉗銑刨磨的減材制造（Subtractive Manufacturing）。從工藝方法上講，3D打印是個龐雜的家族，各類細分工藝技術不勝枚舉。但較為成熟的和具有具體應用場景的技術，主要有“樹脂線材堆積”（FDM），激光選擇性金屬燒結/融合(SLS/SLM)，金屬線材電弧/激光制造(WAAM/WLAM)，光固化樹脂（SLA），連續(xù)光固化技術（CLIP）等。
3D從打印的材料分類上講，主要分非金屬和金屬。顯而易見的，金屬零件是貫穿整個制造業(yè)的基礎，所謂3D打印對制造業(yè)的革命，更多的是針對金屬3d打印。我們下邊簡單講一下非金屬，然后主要介紹金屬。
1.非金屬3D打印
我們先講非金屬。非金屬3D打印從分類上講主要兩大類，一是光固化技術（SLA），二是融化堆積技術（FDM），另有一些其他技術，如板材分層等并不主流，這里不介紹。
SLA
對于光固化技術（SLA），出現很早。其基本原理就是利用液態(tài)樹脂在特定波長的光照射下轉變?yōu)楣腆w，現實中就是利用激光逐點照射來制造零件。最早的3D打印機就是基于SLA技術。SLA的問題主要還是打印速度太慢，打印強度一般，打印出來的零件效果如下圖所示，像下邊這幾個零件，單個打印我個人估計要打印4小時左右。一般這類零件多用于展示，驗證等目的，實用性不強。
CLIP
去年Science上發(fā)表的連續(xù)光固化技術（CLIP），本質上也是SLA技術，只是將單點固化，轉變?yōu)槊嫱队肮袒５獵DLP技術的出現，可以算作是革命性的變革，不僅大大提高了打印速度（據稱25~100倍），和大大提高了精度，算是真正意義上的純3D打印。這項技術應當算是非金屬3D打印的最前沿了。去年的這技術的發(fā)明團隊已經做出來商業(yè)化的機器了。聽說中科院的一個所和國內的幾家廠商也已經突破了這項技術，可喜可賀。
FDM
這是一個我都懶得講的技術，我翻譯叫融化堆積技術（FDM）。原理就是通過將線材塑料，在高溫下（200~300度）融化成膏狀，然后像擠牙膏一樣“涂抹”在基底上，逐層打印。淘寶上一搜一大把的都是這種打印機，成本及其低廉，國貨盛行，特別要提的就是，10幾年前，對這類打印機做出貢獻的RepRap公司，今年年初關門歇業(yè)了，基本就是被國貨擠黃了。類似的，什么巧克力3D打印，煎餅3D打印，原理幾乎都跟這個一樣。
2. 金屬3D打印
金屬3D打印從技術上講，主要包括粉床融合技術（Powder-bed fusion)，直接融合技術(Direct Energy Deposition)。其他的還有Binder jetting等幾種，并不主流不提了。主要講粉床和直接融合。
Powder-bed Fusion 粉床融合技術
粉床融合技術，可以說是過去20幾年，增材制造的核心研究技術。從過程上講是將粉末逐層鋪在平板上，然后通過激光將粉末燒結在一起。這項技術的精度非常高，已經大量應用在航空，汽車，等各項領域。我國王華明教授的團隊具有世界領先的技術水平，從歐洲這邊來看，他們制造的大尺寸飛機支撐件也是非常先進的。前幾年他們獲得了國家科學技術一等獎。絕對是實至名歸。從學術上講，Jean-Pierre Kruth教授對這項技術的大量基礎問題做出了巨大貢獻。去年還拿了3D打印類似終身成就獎一類的東西。
WAAM
我想3D打印我國還有機會的，恐怕就是這項技術，金屬線材電弧3D打印。去年年底Norsk Titanium這家公司完成了歐洲這邊TRL8認證，這是個技術成熟度認證，9級是成熟的商業(yè)化工業(yè)技術，8級就代表技術是幾乎沒問題了，只需要投入驗證。這項技術主要用于打印毛坯，尤其是貴金屬，如鈦合金毛坯。優(yōu)勢在于，飛機制造中大量零件的材料利用率極低，會原材料與最終產品的利用率比值在10~20:1，這在航空業(yè)叫Buy-to-fly ratio。通過這項技術，可以大大提高材料利用率，降低成本。
這項技術的就是通過電弧將金屬線材融化，層層涂抹在打印材料。下圖就是Cranfield大學打印的金屬葉片。
特別要說明的是，英國空客研發(fā)，Renishaw都在最近加緊對這一技術的研發(fā)
國內哈工大張廣軍教授的團隊，做的非常非常好。同時國際上澳洲woollonggong大學的Donghong Ding博士，和英國Cranfield大學都做出了巨大成績。
