3D 打印的瓶颈是什么?

前段时间看了《罗辑思维》的一集关于3D打印的节目,有些被唬的像颠覆了世界的感觉。但是,我有一个疑问,3D打印为什么不能量产,它的瓶颈是什么
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你产生世界被颠覆的感觉是因为你从一个错误的角度来看3D打印了。

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什么是3D打印(增材制造)?

首先,要确保能有一个正确的感觉,你需要正确地理解什么是3D打印。

学术界定义:根据ASTM(American Society for Testing and Materials)标准,3D打印的现学名为增材制造,AM(Additive Manufacturing),旧称快速成型,RP(Rapid Prototyping)。

在2009年,根据ASTM,AM增材制造被定义为“一个与减材制造相反,利用3D模型数据,通常以逐层堆叠累积的方式将材料连接起来构造物体的过程。”

英文原文:"AM is defined by ASTM as a process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies."

3D打印(3D Printing)一词最初是由MIT发明的一种快速成型技术的名字,旨在短时间内制造出CAD文件所绘的产品。随着时间推移以及技术革新,快速成型、增材制造等技术逐渐走入人们的生活中,而媒体在报道时又特别喜欢用3D打印这个词汇来夺人眼球,所以现在广义的3D打印的定义如下:

1. 按材料状态分,包括以液体、固体、和粉末三种材料为主的增材制造工艺。

2. 按材料属性分,包括以塑料,金属,生物材料等为主的增材制造工艺。

3. 而至于增材制造的工艺,简单地说就是不同于传统的数控车床对材料进行切割,还是将产品以一层一层积累的方式制造出来。

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3D打印与传统制造工艺的关系?
3D打印(增材制造),其创立初衷便是用来制作传统的冲压、铸造、车床等减材工艺难以制作的零部件。我眼中3D打印的定位(或者说,我对3D打印的感觉)是其可以帮助人们提高对个性化产品的生产能力,同时为工程师、设计师提供一条崭新的设计制造途径,以提升现有产品的能力或弥补其不足,而并不是取代传统工艺或与传统工艺相抗衡。(这样一想,你就会觉得3D打印的存在很理所当然并且也不会对传统工艺造成太大冲击)如果说传统工艺诸如车床CNC是那种打印店里的大型激光打印机,一次打印几千张同样的文件又快又省钱,3D打印就是你家中自备的桌面打印机,可以按照自己的意愿轻松修改每张文件的细节并且方便快捷地将产品在面前制作出来。

@朱进野

在他回答中所说的“冲压、铸造、车床、铣床、磨床,泛泛地说,比3D打印的更适合量产”非常正确。但是3D打印本来就不是用来制造可以轻松被冲压、铸造、车床、铣床、磨床所制造出来的零件的啊!

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3D打印目前已有的工业、军事、医药领域的应用?
3D打印目前已有的工业应用主要就是制造传统工艺较难制造的零部件,诸如

哪些结构只能用3D打印技术才能打印出来?

其中

@野合菌

回答中指出的castle with staircase便是代表之一。

3D打印还可用来制作模板、模具已丢失的零件。比如前几年美帝有一款老型号的潜艇尾部的部件坏了,但是恰逢设计图纸遗失,无法车床制造,但是军方又不想白白浪费这几艘潜艇,于是最终军方和3D打印公司合作(没记错的话是Stratasys),重新画出了CAD文件后直接3D打印了出来装了上去,随后这几艘潜艇又能投入实战了。如果没有3D打印,在蓝图丢失,又只要制作2-3个成品的情况下,你重新开模用减材工艺去做的成本远远超过了3D打印的成本。

另外一方面还有就是在汽车领域的试水了,从赛车的硬件框架到节能环保概念车的实物,3D打印已经着着实实地在汽车领域被运用开来了:

如果 3D 打印被大范围采用,对汽车行业的制造和物流有哪些影响? - 吕朕的回答

航空航天方面,从来没有哪家机构正式发表过可以3D打印整架飞机(小型无人机除外)。美国的F22,FA18大黄蜂,中国的歼15、国产大飞机也都是只有部分一体化零件采取了增材制造的技术进行建造。

NASA几个月前发布了3D打印外太空望远镜的消息。此举可将原本需要几千个零部件组装而成的太空望远镜缩减到一百块之内,大大减少了制造过程中所需要的时间并且减少了出错的概率。价格方面,我现在实验室里做的航空部件(局限于个别设计),同样一个部件用3D打印做的话材料成本和时间成本都比传统工艺低。同时,比如DST Control公司利用3D打印技术制作器无人机摄像头的硬件,节省了66%的成本以及减少了七周的生产时间。当然摄像头周围的硬件对硬度、耐久度要求也不高。

军事运用除了制造飞机零部件之外还有就是为军队提供战场快速制造急需品的能力。因为相对而言,3D打印所需的设备远远小于冲压、铸造、车床、铣床、磨床的设备,具有可携带性。军舰、集团军阵营中带上一台打印机用来确保后勤还是有可能的。更何况美帝海军也已经将3D打印机带上了军舰,NASA也已经将3D打印机带入空间站了,不过其性能仍在测试中。关于NASA的太空打印机可参见我的另一个回答:

从理论上分析,3D 打印机在太空工作时会遇到哪些问题? - 吕朕的回答

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3D打印不能量产的原因?

1. 工作时间恒定,做同一个零件花一天,做一百个就是一百天,数量上去了速度不会变化。

2. 3D打印机器一般情况下无法承担长期高负荷工作。算入维修、维护的时间的话量产制造周期更长。

3. 在高精端领域诸如航空航天领域所用的金属打印机中,甲方没有量产的需要。

4. 在低精度领域诸如烂大街的FDM桌面机,其低质量无法让甲方满意所以甲方也无意量产。(

廉价的家用3d打印机与高端的专业型号相比有哪些差距? - 吕朕的回答

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3D打印的瓶颈?

1. 材料:增材制造工艺的材料都是特制的,有什么材料就能做什么样的成品。比如目前金属制品都以钛合金最为成熟,要做其他合金就需要科研机构进行进一步开发,比如目前较为热门的铜合金。生物材料也就几家,比如RegenHu的Bio Ink,而且还很不成熟。当然在医用方面,3D打印的材料不仅仅局限于生物材料。在医院利用X光或超声波扫描,然后第一时间利用3D打印机制造出患者内部的血管、器官模型,给手术医生在术前练刀的案例已经多次发生在了诸多医院。因此,3D打印更多地成为了快速制造高精度模型的一种途径,并且该功能无法被传统工艺取代。举一个实例吧,在2001年,一对连体婴儿出生于Guatemala,根据X光扫描结果,两个婴儿的大脑是独立的但是婴儿的颅骨以及供血系统却是一体的。因此手术中没有脑组织会受到影响但是所有的大脑中的血管和脑部结构需要依靠手术来将连体婴儿分开。根据以往经验,该手术的成功率极低因为一旦主刀医生出现一丝操作失误就可能导致婴儿失血过多或其他等原因死亡。因此到时医院立即做了CT扫描后,利用3D打印机将两个女孩的颅内结构打印出来,其精度到达了每一个主血管都被打印了出来。随后主刀医生利用大量的打印模型进行练手,最后手术进行了22个小时;根据后来总结,倘若医生在手术前没有借助3D打印的模型进行练手以及规划手术,手术可能会长达97个小时,由此可见3D打印在医学中尤其是手术术前准备的重要性以及无可替代性。

2. 工艺精湛度:目前全球所有增材制造的研发公司的目标都很明确:更快!更准!更大!更可靠!(在大公司眼中,价格不是首要考虑因素,因为他们有专利,并且客户大都是只要质量够,会不惜成本的国企、军工单位)同时,工艺速度不够快,精度不够高都是制约3D打印在很多领域方面的应用。金属打印的发展时间还很短,目前几大金属3D打印商比如3D systems, SLM Solutions, EOS等等近期也在金属打印方面有了很多突破。比如Voxeljet V4000也已经可以制造4 x 2 x 1米的部件(诸如split core and finished impeller)。28年前,人们还不能利用增材制造(3D打印技术)来制造金属部件,如今,我们已经可以制造出若干立方米体积的金属部件,再给20-30年的世界,体积和精度还将会不断改进。

3. 成本高:目前3D打印的工业应用依旧处于科研阶段,需要巨大的人力物力投入。实际上财力还好,关键还是缺人。

4. 国内舆论氛围不良好:部分媒体报道捕风捉影,典型的一例便是今年年初的上海3D打印建筑,过分夸张以及完全不符合事实的报道令公众对3D打印产生了不正确甚至负面的感觉,噱头感就是这样被刷出来的。更多细节:

如何评价上海建筑商用 3D 打印技术 24 小时打印 10 栋房屋? - 吕朕的回答

3D打印从2013年被热炒的重大原因之一就是其在生物医药和航空航天等新领域的应用。和已经被玩烂以及大众人眼中的塑料打印没什么关系。论成熟度,在短短30年间,3D打印从只能在车厂里进行试验到走入大众生活,已经产生了蜕变。而实际上金属打印、塑料打印、生物打印在本质上并没有太多联系。2013年,Morgan Stanley的blue paper中指出,"3D printing is opening up an age of personalized medical solutions." 随后该报告详细地介绍了Morgan Stanley在整形外科,牙齿医学,矫正龋齿,听力问题,辐射治疗等多个领域应用3D打印的细节。更多介绍可见

Morgan Stanley

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虽然3D打印有诸多瓶颈,但是政府和大企业方面的强力支持也提供了动力:

2012年,美帝奥巴马宣布白宫投资三千万美元打造National Additive Manufacturing Innovation Institute,开发3D打印相关技术以及3D打印的工业应用。文章:

3ders.org - President Obama called 3D Printing: “the potential to revolutionize” in State of the Union Address (video)

2013年,华科大教授史玉升在报道中指出:“总书记嘱咐我们,这个技术很重要,要抓紧产业化。”国内投资上亿人民币的3D打印工业园区也在酝酿。

习近平:3D打印技术很重要 要抓紧产业化

2013年5月,新加坡总理李显龙在讲话中专门强调3D打印,同时新加坡经济与发展局投资三千万新币(约1.5亿人民币)打造东南亚3D打印研究中心-南洋增材制造中心(也正是我现在实习的单位)。

Speech by Prime Minister Lee Hsien Loong at May Day Rally 2013 (English)

同时,各大跨国企业,科研巨头也都没有停止在3D打印方面的研究。

NASA在3D打印方面的科研包括打印太空房间、太空望远镜、太空3D打印机、卫星……数不胜数。

耐克、阿迪达斯、福特、奔驰、lockheed等等各个领域的行业巨头也都有投资开发3D打印技术。比如耐克研发的将3D打印的鞋底部件融入的跑鞋,有效帮助运动员提升成绩。

Nike Used 3D Printing To Create Ultra-Fast Football Cleats For The Super Bowl

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3D打印这个行业的行情?


三十年内,3D打印从无都有,在全球成立了较为成熟的学术圈和产业圈。行业形势也形成了有3D systems, Stratasys主导,以及若干欧洲公司群雄竞争的局势。在未来三十年,根据目前趋势,圈子只可能越来越大,科研力量会越来越多。

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对3D打印,有哪些不太乐观的观点?


个人认为最不乐观的便是大众凭借看到的几千块、几万块的FDM或SLA 3D打印机制造出来的相对粗糙的成品而对整个3D打印行业形成的观点。然后根据这些片面的观点来评论3D打印的好坏是不合理并且不乐观的,久而久之,不良好的舆论就形成了。因为大众看到的3D打印和大学、研究中心所做的3D打印根本不是同一个东西。

大众眼中的3D打印机的样子:

长这样: (Fused Deposition Modelling 3D Printer)


或这样:(Fused Deposition Modelling 3D Printer)

或这样: (Stereolithography (SLA) 3D Printer)

----------------------------------------土壕的分割线----------------------------------------------------------------

但是,我们用的打印机长这样: (PolyJet Connex 500 3D Printer), 百万级的工业3D打印机

或这样: (Selective Laser Melting, SLM 500 3D Printer), 千万级的工业3D打印机

或这样: (Electron Beam Melting 3D Printer), 千万级的工业3D打印机


大众能接触的,无疑就是各类FDM机型,稍微高端一些的可以再接触SLA。可是,这两个技术都已经专利过期,在学术界早就进入边缘没落了。

在相关公司工作的,或许会使用到CJP(z printer)、SLS等机器。

但是,目前我们中心的研究重点分别是SLM,EBM,PolyJet和MJP以及bio printing.

Lab里的PolyJet Connex 500 论精度(16 um)、论速度(非常快)、论材料选择性(120多种可用材料,并且可以多材料同时打印)、论兼容性(可执行4D打印)都完爆SLS,SLA,FDM。

或许你会问,那为什么市场上看不到PolyJet? 一台PolyJet Connex 500售价约八十万新币(约四百万RMB左右),耗材平均每两千克两千新币(约一万RMB),相当于每克材料就要五块钱。这机器购买费用和损耗费用即便是初具规模甚至中型规模的公司也无法承受。

lab里的另一大头是SLM,selective laser melting,可以打钛粉、铜粉、铝粉、不锈钢粉等等,工业应用数不胜数。你或许又问,那为什么平时看不到SLM的产品? Lab 里的一台SLM 500机器从德国SLM Solutions买过来的,售价超过百万新币(五百万RMB)。

所以,学术界方面真的是下了很大的成本、精力、人力以及时间在研究新的3D打印技术,3D打印材料,3D打印机器。

3D打印当前确实有很多限制、瓶颈,但我们正在不断尝试并且改进同时探索工业、生活中的应用。

希望大家对3D打印先不要定论,毕竟还在成长。最不乐观的观点应该就是那类一票否决或者盲目追随3D打印的看法了。


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声明:

本来回答这个问题抱着的态度是想让更多人对3D打印有直观、正确的了解,所以回答时的思路出发点和立论都是站在3D打印的角度和立场上。

如果你想进一步了解目前全球24种仍被广泛认同并被使用的增材制造工艺的话,可以购买我导师编纂的书籍《3D Printing and Additive Manufacturing Principles and Applications》。该书第四版由World Scientific发布。购买网页

3D Printing and Additive Manufacturing (World Scientific)

。硬皮书售价163新币(800人民币左右),软皮书68新币(350人民币左右)。

很多人表示希望了解更多增材制造的工艺细节。非常抱歉,因为利益相关,这方面的信息我最终决定还是不写了。因为我在过去一年的实习时间里便是帮助导师编纂了他书中的四个章节,分别是第三章:液体材料增材制造系统(Liquid-Based AM System);第四章:固体材料增材制造系统(Solid-Based AM System);第五章:粉末材料增材制造系统(Powder-Based AM System);第九章:增材制造的标杆和未来(Benchmarking and the Future of Additive Manufacturing)

我回答的内容尽量都是运用网上可以搜到的现有资源。

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最后,我今年高三,这个月正在考新加坡高考(Alevel),明年九月上大学。所以希望各位学长学姐可以积极提出建议,我也可以完善自己的答案。也非常欢迎同行人士给予评论,大家可以更多交流。个人觉得自己在3D打印方面至少不算外行,但离内行专业人士肯定还有差距。接触这个行业一年多,FDM机器的产品打印了至少3麻袋。高档FDM工业机,3D Systems的CJP(s60系列),Stratasys的王牌机Connex系列(彩色打印和4D打印)也都使用操作过。也有过被SLM机器制作过程中闪瞎眼的经历,相比较而言arcam的机器就好一些了。

设计方面使用Solidworks,纯自学。今年参加了2014新加坡国际3D打印比赛,在学生组中拿了特等奖。所以对于CAD建模至少算是略有经验吧,前前后后话的模型也是不计其数,有工业设计,也画过建筑设计,更多还是纯属自己画着玩的。

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我也完善一下答案吧。

首先是定义3D打印。

D打印(3Dprinting)也称为“增材制造(AdditiveManufacturing)”,它是新兴的一种快速成型技术。与传统的减材制造工艺不同,3D打印是以数据设计文件为基础,将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的技术。

现代意义上的3D打印技术于20世纪80年代中期诞生于美国。CharlesHull(3DSystems公司的创始人)和ScottCrump(Stratasys公司的创始人)是3D打印技术的先驱人物。以3DSystems和DTM公司为代表的一批美国中小科技公司在20世纪80年代末-90年代初相继研发出立体光固成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)和熔丝沉积造型(FDM)等主流技术路线,经过20多年的沉淀和不断完善已经日臻成熟。

3D打印与传统制造业的最大区别在于产品成型的过程上。在传统的制造业,整个制造流程一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等过程成型。3D打印则免去了复杂的过程,无需模具,一次成型。因此,3D打印可以克服一些传统制造上无法达成的设计,制作出更复杂的结构。






======下面开始回答问题=====

规模化生产的条件尚不具备而已。而且3D打印机本质是单体机,是现有产业链的一种方式,而不是一个制造能力总成体系(比如星际里面的主机)。

事实上在二三十年前,3D打印技术就已经能用树脂或胶等材料制作产品。近几年,由于3D打印可处理的材料范围扩大到了金属材料(激光烧结技术),而且成功地将几十年前就有的工艺技术重新组合利用,例如结合信息技术,使用激光和电子束进行表面工程和增材制造。而目前而言的发展,是由于激光和电子枪等关键元器件品质不断提高。

而现在3D打印被炒热很多是因为民用领域的流行,比如Stratasys在到处销售的,让人吐槽连连的FDM机。

而在工业制成上,3D打印机的主要应用在两个,

一,某些结构复杂化的零件或者制成品,主要是对于精度要求和工艺细节要求很高的制成品,包括小型零件和大型构件。也就是说,大部分3D打印技术可以突破结构几何约束。并且因此,在某些结构的大型构件的加工上,不仅工艺难度相对于传统下降,而且成本还降低。

比如所谓的Laser Additive Manufacturing,传统上,在F-22的机身隔框就是由钛合金锻件加工而成 而LAM由于采用叠加技术,它节约了90%十分昂贵的原材料,加之不需要制造专用的模具,原本相当于材料成本1~2倍的加工费用现在只需要原来的10%。加工1吨重量的钛合金复杂结构件,粗略估计,传统工艺的成本大约是2500万元,而LAM的成本仅比传统工艺要降低很多。

包括我朝也有这样的例子,王华明团队的在“大飞机计划中”,大型客机C919机头工程样机的钛合金主风挡整体窗框,就是用3D打印技术生产的,只花了55天,零件本钱不敷20万美元。

二,就是某些行业的应急制品或者快速制成品。

最简单的是军用上,给予机械维修团队,就地加工一些制成品来保证紧急状况下的机械平台维护,在大部分情况下,陆战坦克,装甲车在受到损害后,超过一定比例,就因为成本原因,直接废弃掉了。3D打印可以解决这些问题,当然给予行军途中,在后勤紧张的时候,快速制成一些用品更不用说了。。

举些例子,比如医用领域最著名的就是通过3D打印,打印高精度的模型,来辅助治疗。比如, Stratasys Solidoodle2 可以用来打印病人的体内器官或者组织模型,辅助制定精确的手术方案。

而无需与生物组织相容的外部肢体,医用3D打印可以进行深度定制。 体外医疗器械包括医疗模型、医疗器械——如假肢、助听器、齿科手术模板等。根据美国组织AmputeeCoalition的统计,目前美国正有约200万人使用3D打印假肢。

而更高端一点,比如还完全不成熟的细胞打印, Organovo公司宣称用3D打印机完整打印一个有正常生命机能的肝脏,为肝脏移植患者提供帮助。公司先通过独特的细胞3D打印技术,在细胞培养基座中打印出肝脏所需的细胞组织,然后再在培养皿中进行培养,并生成正常形状和机能的肝脏,然后便可以移植到人体中,进行身体解毒和排毒等正常代谢功能。不过,该肝脏的生命周期只有40天左右。

而航天上的应用,主要集中在NASA的项目上,NASA主要在冷却、包装和屏蔽电子的物体上使用3D打印技术。例如,航天器的电池盒是使用热塑性聚醚(PKK )3D打印的。

Goddard中心与EOS北美公司合作,直接金属激光烧结(DMLS)技术开发了因瓦合金(Invar)结构。

Langley研究中心的电子束手绘(Electron Beam Freeform),或EBF3。它使用电子束枪,通过双金属丝进料和计算机控制远程制造金属结构,制造零部件或工具只需几小时。

Glenn与Aerojet 制造火箭AJ26的喷油器(对,就是前几天爆炸那个)

等等。。。

========而无法规模化的原因在于:============

1,生产模式的效率问题。

单体的一体化成型的效率,肯定是比不上“行业内分级零件加工+组装”的效率的,因为后者是在调动整个制造业体系的产能,半成品加工和分级加工可以把工序效率做到几乎最高,相当于整个业界就形成了一个流水线。而单体的一体化成型,工作流程是完全固定的,无法形成此类产业效应,且目前的3D打印机体无法承受长时间,高强度的负荷。且单体机做生产,维护费用和难度是远远高出传统工艺把产业链平摊开的做法。

2,材料问题。。

首先是材料应用导致的工艺问题。

因为需要预先制成专用的金属粉末;打印出的金属制品致密度低,最高能达到铸造件致密度的98%,某些情况下低于锻造件的力学性能,当然在某些构件,比如大型钛合金构件上(比如比较热的航空行业),是完全能够满足力学性能的,但总体状况,值得商榷;某些打印制品表面质量差,精度2-10μm,需要打磨抛光机加工等后处理;3D打印具有复杂曲面的零部件时,支撑材料难以去除。

其次,材料的适用范围的问题。

目前,工业领域能用的就适用的金属材料只有10余种,铝硅合金、钛合金、镍合金和不锈钢比较成熟。新一点的东西的话,有3DXNano ESD碳纳米管灯丝,3DXNano是基于CNT(碳纳米管)的技术,可用于打印一些关键零件如在汽车,电子/电气,工业,以及需要静电放电(ESD)保护和清洁高水平市场。该材料是由100%的纯ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)树脂和多壁碳纳米管的制造。应用性如何,还不知。。


而生物材料领域,比如,RegenHu开发的INK仅支持明胶、胶原与合成高分子混合物等几种材料;成品状况的话,打印出的结构生物相容性较差,孔隙率小且孔洞分布不均匀,细胞附着生长繁殖率低。也就是,只能用作模仿,还不能实现特定功能性。

家用领域也没好哪儿去,主流的有石膏、光敏树脂、ABS塑料等,Object公司号称可以14种基本材料的基础上混搭出107种材料 ,拭目以待吧。

3,成本问题。。

当然这个成本主要是刚才提到的如果长期,高负荷运转的单体机的维护成本,导致规模化生产的成本过高。

还有就是材料——零件类型的深度定制化的模式,实际上不是一个成本低,而且市场广阔的生产模式。。


不过,个人觉得首要问题,是目前3D打印行业,要精准定位下旗下产品的市场类型和受众,行业内将市场推广开来,可能是需要马上解决的事情。