3D列印技術的最新進展

還記得在2014年芝加哥國際製造技術展覽會（IMTS）上，由3D列印零部件組裝的汽車，從眾多展品中脫穎而出，吸引了很多人的目光，這一切都得益於3D列印技術所取得的成果，所使用的機器和運動控制技術、以及材料科學所取得的進步。汽車車身材料為碳纖維增強聚合物，車輪和輪轂則由金屬材料直接列印而成。整個過程花費44小時，包括40個部件。當列印完成後，首台3D列印汽車的試駕活動，吸引了眾多媒體的關注和報道。

從此以後，隨著技術的不斷發展進步，3D列印持續成為製造業的討論熱點，獲得了工業設計人員、生產製造商和工程教育人員的關注。

3D列印汽車的微工廠

在2014年的IMTS展覽期間，辛辛那提公司的大面積增材製造（BAAM）系統，主要用於生產3D列印汽車。最近，他們出售了其中兩套系統給總部位於美國菲尼克斯的Local Motors汽車設計公司，用於「微工廠」的生產。BAAM系統的工作範圍最大可達 2.4 × 6× 2 米，大規模增材設備使用底盤、驅動器和激光切削系統的控制作為基礎。BAAM由線性馬達驅動，擠壓融化的熱塑材料，層層列印部件，相較於現有的增材設備，其速度可提高200到500倍，尺寸則提高10倍。

在佔地不到4000平方米的廠區內，Local Motor的「微工廠」可以生產在高速路行駛的3D列印車、在公路上行駛的高檔越野車以及社區電動車，每年的生產能力高達250輛。客戶可以親臨微工廠，設計並採購汽車，然後現場就可以「列印」出來。Local Motor公司計劃在下一個十年，在全世界建設100個這樣的「微工廠」。

航空和醫療產業的3D列印

據IDTechEx的一份報告中指出，金屬行業的3D列印市場增速最快，其銷售額增速高達50%，材料銷售增速超過30%。在高價值、低產量行業尤其是航空航天、生物醫學控制工程網版權所有，由於需要考慮如何快速製造不同的高精度零部件以及各種物料，目前更是充分利用3D列印技術的重點領域。因此，無論是醫療行業還是航空航天工業，都在投資諸如鈷、鎳和鋁等合金，以便提供可生產和列印的多樣性材料。

最近，GE航空集團和法國斯奈克瑪公司向空中客車公司交付了首批裝有3D列印燃油噴嘴的LEAP發動機。據悉，GE公司在阿拉巴馬州投資了5000萬美元建設新工廠，其主要任務就是使用3D列印技術生產新一代LEAP噴氣發動機的燃料噴嘴，以及製造發動機的渦輪葉片。該發動機所使用的燃料噴嘴，由高溫合金列印而成，而葉片則由釹碳複合材料編織而成。發動機還採用了部分輕、耐熱陶瓷基複合材料（CMC）。通過這種途徑製造的發動機，可以減少碳排放量，提高燃油效率。

「增材製造正在趨向為發電機渦輪葉片這類的更大尺寸金屬件提供製造可能性，這一趨勢可以在IMTS 展會現場一覽無遺。」美國機械製造協會（AMT）副總裁Peter Eelman 先生說道。在2016年美國芝加哥國際製造展（IMTS）的AMT新興技術中心設置了增材製造展示專區，共有19家企業帶來包括金屬、塑料等多種材料零部件的增材製造解決方案。

在新澤西自由科學中心，舉辦了一個名叫SARA的機器人展，這些機器人是由位於新澤西霍博肯的史蒂文斯理工學院的學生開發製造的。圖片來源：史蒂文斯理工學院

在醫療行業中，3D列印被用於靜態應用，如骨科植入物。它們也被用來列印牙齒、骨骼、複雜的結構，甚至用於教學的人類心臟模型。該模型旨在提供CT掃描無法提供的信息，幫助醫生準備複雜的外科手術。在教學環境中，它們也大顯身手，可以為醫生提供具體的工作和實驗，而不僅僅是抽象的概念。

面向教育的3D印表機器人

想象一下，遇到一個機器人，可以播放「西蒙說」、可以響應指令、甚至可以自拍的情景吧。在美國新澤西州的自由科學中心，通過一款名為SARA的機器人，任何人都可以做上述事情www.cechina.cn，甚至更多。SARA是由3D列印而成的機器人，具有完整的人形上半身，可以進行互動的。新澤西州霍博肯的史蒂文斯理工學院的學生開發了該機器人，它可以移動、旋轉、舉手臂，拾取物品和擺動手指。

LSC公司總裁兼首席執行官Paul Hoffman說，「我們的很多客人，都是國中生和高中生，年齡與史蒂文斯學院的學生相差不大。這尤其令我們興奮，激發著我們年輕的客戶，在社區內與史蒂文斯團隊分享他們令人震驚的作品。」

基於法國設計師Gael Langevin和他的InMoov開源項目工作，SARA機器人是由計算機輔助設計（CAD）設計而成的。大約由100個部件組成，包括關節、「骨頭」和其它用聚氯乙烯（PVC）塑料列印而成的機器人機械部件。

史蒂文斯原型對象製作（PROOF）實驗室主任Kishore Pochiraju教授，與自由科學中心協調，舉辦了該項展覽，吸引了大批年輕人參觀該中心。

「我們非常高興，能夠把史蒂文斯學生的聰明才智，與我們自己的技術結合起來實現的一個有趣的應用，展現給不同的觀眾。」Pochiraju說，「我們希望它能吸引一些年輕人來參觀科學中心www.cechina.cn，並讓他們對科學和工程教育職業感興趣。」

3D列印的製造業前景

隨著3D列印越來越具經濟性，製造業對3D列印的潛在商業收益也越來越感興趣。2016年5月18日，西門子公司宣布與惠普公司結成了一項重要的合作關係。這兩家公司將共同致力於推動將3D列印從原型應用到可用於完整生產的可行性研究。

此前一天，惠普正式推出了備受市場期待的3D列印解決方案，分別是HP Jet Fusion 3D 3200和HP Jet Fusion 3D 4200。據悉，這兩款產品都在體素（voxel）的基礎上實現了精度、細節和熱力學方面的控制，3D列印速度提升了十倍，而每個列印對象的成本降至最低，材料的可重用性也大幅提升。其中4200被設置為具備更高的製造能力水平，可以滿足從原型到短期製造等各方面的需求，甚至可以滿足同日交付的業務需要。

在2014年度的IMTS 展覽上，辛辛那提公司的大面積增材製造（BAAM）系統，被用於生產3D列印汽車。圖片來源：辛辛那提公司

西門子的3D列印軟體可以在惠普新的Jet Fusion 3D印表機上實現多種材料和多種顏色的3D列印。另外，西門子公司開發的軟體可以最大限度的提高惠普3D印表機的成型精度，其軟體能夠進行列印控制，並將對於列印對象顏色和材料的控制延伸到體素水平。這些優勢以及惠普3D印表機更快的速度和更低的列印成本，將使3D列印成為最終產品製造和研發的一個非常好的選擇。

「3D列印正在為製造業帶來一場工業革命，企業可以利用3D列印來實現創造性和創新型產品的開發。」西門子PLM軟體的總裁兼首席執行官Chuck Grindstaff說道。

工業增材製造技術要想超越現有細分製造方式的狀態，變成一種大面積普及的主流製造應用，就必須具備降低其成本和複雜性，並保持其較高產品穩定性的特質。以金屬3D列印為例，列印出來的部件不僅需要廣泛的后處理，而且在此之後還需要進行測試，以確保沒有缺陷或者錯誤控制工程網版權所有，避免在使用的時候出現問題。

為了更高效的解決上述問題，金屬增材製造公司Sciaky最近開發了一種被稱之為層間實時成像與感測系統（IRISS）的金屬3D列印技術。IRISS可以對零件外形、機械性能、微觀組織以及大型3D列印部件的金屬化學性能提供一致的過程監控。該技術可以實時監測金屬沉積過程，及時調整過程參數，以彌補在整個列印過程中的波動，從而減少製造后的檢測時間，並能通過實時列印調整來改進最終產品的質量。通過IRISS技術將使電子束增材製造（EBAM）用戶在列印大尺寸金屬部件過程中，實現對幾何形狀、機械性能、微結構構建和金屬化學等方面穩定、可靠地控制。

「增材製造已然成為未來製造業發展的重要趨勢之一，雖然它並不完全成熟，但是技術發展之快，如果你忽略了3D列印，那麼你可能就犯了一個大錯誤。」全球商業諮詢服務公司的創始人David Burns說。

例如，Burns引用了3D列印對航空部件的重新設計，其中3D列印將每個部件的重量從7磅減小到2磅，並且提供更好的機械性能。每個部件節省5磅的重量，對航空公司來說，可能意味著每年節省上百萬美元的燃油成本。

在另一個示例中，3D列印能夠在用於注塑成型部件的工具中集成共形冷卻通道。新設計減少了循環時間控制工程網版權所有，減少了與變形相關的廢品率，並且能講生產率提高20％至70％。 此外，3D列印使設計團隊能夠將18個零件組合成1個單一組件，減輕了25％的重量，更重要的是，減少了維護問題。

「將3D列印的設計理念集成到工業應用中，需要完全不同的方法。你需要擴展你的思維，以充分利用3D列印的力量。」 Burns說， 「成本節約和生產效率的提高將來自於你還沒有想象到的方式。」

「將3D列印的設計理念集成到工業應用中，需要完全不同的方法。你需要擴展你的思維，已充分利用3D列印的力量。」

關鍵概念

■ 製造業將成為未來3D列印技術應用的重要領域之一。

■ 實時監控和反饋系統，將幫助用戶提高大型金屬3D列印的產品質量。

思考一下

增材製造是否正在「擾亂」傳統的製造業市場或為你創造更多機會？