材料、速度及后处理给增材制造生产带来的挑战

设计灵活、节省材料、适于小批量生产，这些因素仅仅是一些公司采用增材制造的部分原因。但是要在生产中充分使用该技术，仍然需要解决一些问题。

本期，我们从材料、生产速度以及后处理三个方面，分析3D打印在实际生产过程中面临的紧迫挑战。

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材料标准和性能不一致

从理论上讲，无论是机械、生物还是电子，3D打印都能够生产高度复杂和功能性的零件。但要做到这一点，就要有足够的材料选择。

材料的可用性是3D打印行业的一个重要挑战，与传统制造数十年的材料开发历史相比，3D打印材料的开发才刚刚开始。在行业发展的最初几年，工业3D打印发展的重点是原型制作，对材料性能的重视本身就很少。但随着将该技术开始转化为生产解决方案，材料开发过程大大加快。

高性能3D打印聚合物和复合材料在近几年发展相当迅速，一些大型化学公司和专业的3D打印制造商，已经开发出了与金属相当强度的碳纤维增强聚合物以及阻燃复合材料等新材料。金属材料的开发则需要更长的时间，但进展也是有目共睹的。

3D打印材料的种类确实是得到了飞速发展，但不得不面临的一个现实问题是材料性能的不一致与不稳定性，基本上每个厂家都会有一个材料标准。目前，业内缺乏一个可靠的、统一的材料数据库，可以给出经验证的打印参数和机械性能，而不是每家一组不同的数据。

实现一致且可重复的3D打印过程非常有挑战性，这是很多传统制造商不愿意使用这项技术的重要原因。开发3D打印材料数据库已经成为行业发展不得不面临的现实问题，目前ISO和ASTM等一些标准制定机构已经发布了关于镍、钛和不锈钢等金属粉末的规范。

其他机构则建立了增材制造材料和工艺信息数据库，如America Makes与Stratasys以及美国国家航空研究所合作，于今年早些时候发布了基于FDM的ULTEM9085 I型材料特性数据库，该数据库将有助于进一步将经认证的聚合物材料用于飞机内饰件。

总之，材料标准的确立，将是满足制造商对3D打印性能和可靠性期望的关键。

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生产速度慢

当前，即便是工业3D打印机，在速度和效率方面也普遍落后于传统机械设备，这对于汽车和消费品等需要大规模批量生产推动的行业非常不利。在这些行业中，产品需要在尽可能短的时间内制造和交付，才能保持生产效率。

福特公司增材制造技术负责人提到，汽车行业的生产规模与航空航天和医疗有很大不同，前者必须研究如何能够在几分钟甚至几秒钟内完成零件生产，采取任何必要的措施来提高生产速度对于汽车行业来说至关重要。

实际上，目前大多数瞄准生产应用的3D打印机制造商都在寻找提高3D打印速度的方法。有些公司开发了模块化系统来提高生产量，有的则致力于对现有技术进行不断革新。在此，我们举两个例子进行说明。

SLS技术领域通常采用增加激光器数量的方式来提高生产速度，但德国EOS推出的Laser ProFusion技术对整个光源模块进行了系统性开发。通过改造，新设备配备了多达100万个二极管激光器，可实现多点同时烧结，可大大加快打印时间。EOS高分子系统与材料业务高级副总裁表示，传统注塑成型技术持续面临的挑战是模具制造占据了相当一部分的成本，并且只有当生产规模达到几千个或更多时才具有经济可行性。但LaserProFusion技术无需开模即可制造简单和复杂的零件，且生产效率非常高，每台机器的年产量超过10万件，每个零部件的成本也非常可观。

在传统的金属SLM技术方面也有一些显著的发展。澳大利亚Aurora labs推出的多层并行打印（MCP) 技术可以实现一次铺粉、同一位置打印多层以及在同一时间、不同位置实现不同层厚同时打印的效果。

该技术的推出打破了传统SLM技术只有通过增加激光器数量来提高速度的改良极限，可以实现金属打印速度的极大飞跃。在2018年的Formnext展会上，该公司已经可以同时打印30层，而日前公布的数据显示，该公司的PMP1 3D打印机的打印速度可以达到350公斤/天，与去年报告的速度相比提高了2000%。

提高生产速度并非易事，这需要大量的技术创新。截至2019年，EOS和Aurora Labs的技术仍处于开发阶段，但至少让我们看到了技术发展的前景。

03

后处理效率低

采用3D打印制造的零件，几乎无一例外都需要某种类型的后处理，以提高机械性能、精度以及表面质量。使用3D打印制作原型时这不是一个很大的问题，但随着技术向终端制造工艺过渡，规模化和自动化的后处理已成为建立增材制造生产线的关键瓶颈之一。

对于金属3D打印技术来说，需要非常多的后处理步骤来确保质量，如粉末清除、去应力退火、线切割、支撑去除，CNC和其他精加工以及热等静压等等。这些步骤中有些仍然需要手工操作，而且对于关键任务还需要熟练的操作人员。

使用人工完成原型甚至几十个零件时可能还具有成本效益，但如果生产数百甚至上千个零件时，3D打印对后处理自动化的需求就变得极为迫切。

自动化的解决方案可以通过一致的后打印功能提高生产效率，不过目前也只有少数的集中特定的方案帮助实现自动化后处理，如DyeMansion公司的自动清洁系统、AMT公司的表面平滑解决方案以及PostProcess Technologies的支撑去除和表面处理系统。然而，不可否认，这些系统主要是为聚合物3D打印的零件而设计。

DyeMansion自动清洁系统

在金属3D打印方面，仍然采用传统制造的后处理技术。为了使这些技术进一步自动化，一些公司也开始实施机器人解决方案，可以帮助更换材料并进行零件处理。去年EOS和Digital Metal都推出了全自动生产的概念，其采用机器人进行大多数的操作过程，如安装打印基板、清粉取件以及后处理等等，目标是取代是所有手工工作，以促进连续和规模化的生产。

尽管这种发展令人鼓舞，但该领域的创新步伐还是比较缓慢。未来，先进的后处理解决方案的数量肯定会增加，从而适应不断增长的增材制造产业的发展。

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结语

本文从生产速度、材料以及后处理方面揭示了当前增材制造行业取得的成果和存在的问题，基本算是行业整体的现状。这些因素的存在限制了增材制造技术的发展速度，但从一系列新诞生的技术和标准来看，这些挑战正在慢慢得到克服，而挑战，就是机会。

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