“3D 打印”冲入新市场

　　记者 张书琛

　　智能手表用3D打印机造，可行吗？

　　在苹果放出风声将引入3D 打印技术来生产Apple Watch 钢制底盘前，3D 打印用于大规模工业制造在大部分业内人士看来仍是一个遥远的愿景。

　　不过从今年苹果新品发布会上看，苹果的确尝试将3D 打印引入消费品市场，以期达到减少耗材、保护环境的作用，但相关技术成果可能要到2024 年才有所展露。苹果躬身入局的尝试如果成功被市场所接受，意味着工业产品制造方式将发生重大变革，甚至可能再现当年苹果对于数控机床（CNC）技术的升级和普及的盛况。

　　说了这么多，3D 打印到底是什么？又是如何在各个行业中应用的？要理解它，就要先从名字讲起。我们都知道“打印”是怎么回事：通过打印机将文字、图像等肉眼可见的数据输出到纸张一类的记录物品上，这样的打印方式得到的就是二维平面内容。而“3D 打印”就是打印三维立体的内容。

　　3D 打印学名是“增材制造”，相对应的就是传统的“减材制造”。减材制造指的是磨玉器、做木工等制造工艺，从坯料上切除多余材料而制成想要的产品；增材制造则是“凭空造物”，完全靠某种材料的逐层堆积而形成实体物品。再举个例子，现实生活中我们雕刻冰雕就可以看作是减材制造，堆雪人则类似于增材制造。那3D 打印应用于工业制造效果如何？如果想用机床做一个精密零部件，且原材料硬度较高的前提下，哪怕是用CNC 来加工切削，都会有一定难度；而3D 打印则能以较低成本实现复杂造型，可以说是一个较为理想的Plan B。

　　只要以STL（Stereolithography）文件格式输入数字模型文件，3D 打印机就能够运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。STL 文件格式的出现非常重要，它能够将数字模型切分成许多薄片，以便3D 打印机能够逐层构建物体，这也可以视为打开3D 打印技术的钥匙。

　　但在2018年前，囿于材料选择、生产效率等原因，3D 打印一直难以在更大规模的消费电子市场充分发挥自己的潜力。

　　中看到中用，需要多久？

　　早在2010 年左右，3D 打印就曾热过一阵，这种可以生产常规手段不易生产的复杂结构，并通过互联网突破工业生产时空限制的特殊制造方式，迅速激发了市场想象空间。但是这种热情很快就降温了，因为大家发现3D 打印本身的技术瓶颈使得其很难应用于大规模工业制造。

　　北京航空材料研究院研究员张学军分析，早期3D 打印可以说是“中看不中用”，首先是可用的材料有限，可以用来打印的材料只有塑料和少数金属材料，难以满足工业级别要求。

　　其次是生产效率低，最早的3D 打印过程要比传统制造方法慢太多，一个硬币大小的模型可能就要花费半天时间，这简直是大批量工业生产应用的噩梦。还有一个限制是质量不稳定，工业产品的质量控制十分严格，但3D 打印技术彼时并不稳定，产出模型表面粗糙都是常态。种种原因影响下，3D 打印只能局限于小批量生产中。

　　但技术的发展总是非线性的，往往一个不经意的突破，长期的积累就会跨越临界点。新材料的开发、打印技术的改进以及更快的打印速度，都让3D 打印在批量生产中积累了优势，可以说在短短几年间3D打印就补上了诸多短板。

　　同一枝藤结出无数种瓜

　　上世纪80 年代3D 打印刚在美国出现的时候，利用的材料是一种可以在紫外光照射下固化的树脂，通过计算机控制紫外光束的移动让一层层的树脂形成特定的图形，叠加在一起就形成了立体的形状。

　　后来，经过长时间的研究，科学家们逐渐开发出各类工艺路线，可谓一个藤上无数个瓜，将所能使用的材料拓展到了更加广泛的领域。根据所用材料的状态和成型方法不同，3D 打印技术可以分为熔融沉积成型 （FDM）、选择性激光烧结（SLS）、立体光固化成型 （SLA） 等等，其中，常用的FDM 和SLS 技术所能使用的材料比较广泛，从金属到聚苯乙烯都可以用，包括很多耐高温、高强度和耐腐蚀的材料，可以满足工业制造的零部件强度。

　　此外，CAD 设计、模拟和优化等数字化工艺流程的引入，也使得3D 打印制造过程能够更加精确和可控。经过近十年的发展，曾经效率低、良率低而导致成本高的3D 打印，实现了效率呈数倍甚至几十倍的增长，叠加设备和原材料成本大幅下降的助推，3D 打印终于来到了大规模消费品制造的起跑线上。

　　据长期跟踪苹果动态的分析师表示，苹果选择的制造技术是一种被称为黏合剂喷射（binder jet）成型的3D 打印技术，这种技术被业界称为“专门为了大规模工业制造而生”。黏合剂喷射工艺的工作原理是，将以薄层涂抹的粉末材料有选择地与 “黏合剂 “黏合在一起，结合成软性聚合物，然后用涂布机将头发丝般细的软性聚合物挤压出想要打印的形状；再移动到烧结炉中定型，打印好的部件会被清除掉任何未黏合的材料，最后的流程就是对材料铣削出精确的设计和切口。

　　通过黏合剂喷射工艺做出来的零部件有一个非常重要的优点，那就是可以直接使用，无须像SLA 制作过程中去除多余支撑物，在结构完整性方面和其他制造方式制造的金属部件一样稳定。

　　另外，黏合剂喷射技术不需要处于密封空间中，而且喷头相对便宜，从而在不大幅增加成本的基础上可以制造具有非常大尺寸的粉床，也可以通过使用多个喷头而进一步提高制造效率。

　　苹果的押宝固然值得关注，但3D 打印技术的每个路线现在都不算完美，最终会给消费电子行业带来什么变化，还需要衡量不同制造工艺中产品与成本的关系。

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