設計靈活、節省材料、適于小批量生產，這些因素僅僅是一些公司采用增材制造的部分原因。但是要在生產中充分使用該技術，仍然需要解決一些問題。

我們從材料、生產速度以及后處理三個方面，分析3D打印在實際生產過程中面臨的緊迫挑戰。

01材料標準和性能不一致

從理論上講，無論是機械、生物還是電子，3D打印都能夠生產高度復雜和功能性的零件。但要做到這一點，就要有足夠的材料選擇。

材料的可用性是3D打印行業的一個重要挑戰，與傳統制造數十年的材料開發歷史相比，3D打印材料的開發才剛剛開始。在行業發展的最初幾年，工業3D打印發展的重點是原型制作，對材料性能的重視本身就很少。但隨著將該技術開始轉化為生產解決方案，材料開發過程大大加快。

高性能3D打印聚合物和復合材料在近幾年發展相當迅速，一些大型化學公司和專業的3D打印制造商，已經開發出了與金屬相當強度的碳纖維增強聚合物以及阻燃復合材料等新材料。金屬材料的開發則需要更長的時間，但進展也是有目共睹的。

3D打印材料的種類確實是得到了飛速發展，但不得不面臨的一個現實問題是材料性能的不一致與不穩定性，基本上每個廠家都會有一個材料標準。目前，業內缺乏一個可靠的、統一的材料數據庫，可以給出經驗證的打印參數和機械性能，而不是每家一組不同的數據。

實現一致且可重復的3D打印過程非常有挑戰性，這是很多傳統制造商不愿意使用這項技術的重要原因。開發3D打印材料數據庫已經成為行業發展不得不面臨的現實問題，目前ISO和ASTM等一些標準制定機構已經發布了關于鎳、鈦和不銹鋼等金屬粉末的規范。

其他機構則建立了增材制造材料和工藝信息數據庫，如America Makes與Stratasys以及美國國家航空研究所合作，于今年早些時候發布了基于FDM的ULTEM9085 I型材料特性數據庫，該數據庫將有助于進一步將經認證的聚合物材料用于飛機內飾件。

總之，材料標準的確立，將是滿足制造商對3D打印性能和可靠性期望的關鍵。

02生產速度慢

當前，即便是工業3D打印機，在速度和效率方面也普遍落后于傳統機械設備，這對于汽車和消費品等需要大規模批量生產推動的行業非常不利。在這些行業中，產品需要在盡可能短的時間內制造和交付，才能保持生產效率。

福特公司增材制造技術負責人提到，汽車行業的生產規模與航空航天和醫療有很大不同，前者必須研究如何能夠在幾分鐘甚至幾秒鐘內完成零件生產，采取任何必要的措施來提高生產速度對于汽車行業來說至關重要。

實際上，目前大多數瞄準生產應用的3D打印機制造商都在尋找提高3D打印速度的方法。有些公司開發了模塊化系統來提高生產量，有的則致力于對現有技術進行不斷革新。在此，我們舉兩個例子進行說明。

SLS技術領域通常采用增加激光器數量的方式來提高生產速度，但德國EOS推出的Laser ProFusion技術對整個光源模塊進行了系統性開發。通過改造，新設備配備了多達100萬個二極管激光器，可實現多點同時燒結，可大大加快打印時間。EOS高分子系統與材料業務高級副總裁表示，傳統注塑成型技術持續面臨的挑戰是模具制造占據了相當一部分的成本，并且只有當生產規模達到幾千個或更多時才具有經濟可行性。但LaserProFusion技術無需開模即可制造簡單和復雜的零件，且生產效率非常高，每臺機器的年產量超過10萬件，每個零部件的成本也非常可觀。

在傳統的金屬SLM技術方面也有一些顯著的發展。澳大利亞Aurora labs推出的多層并行打印（MCP) 技術可以實現一次鋪粉、同一位置打印多層以及在同一時間、不同位置實現不同層厚同時打印的效果。

該技術的推出打破了傳統SLM技術只有通過增加激光器數量來提高速度的改良極限，可以實現金屬打印速度的極大飛躍。在2018年的Formnext展會上，該公司已經可以同時打印30層，而日前公布的數據顯示，該公司的PMP1 3D打印機的打印速度可以達到350公斤/天，與去年報告的速度相比提高了2000%。

提高生產速度并非易事，這需要大量的技術創新。截至2019年，EOS和Aurora Labs的技術仍處于開發階段，但至少讓我們看到了技術發展的前景。

03后處理效率低

采用3D打印制造的零件，幾乎無一例外都需要某種類型的后處理，以提高機械性能、精度以及表面質量。使用3D打印制作原型時這不是一個很大的問題，但隨著技術向終端制造工藝過渡，規模化和自動化的后處理已成為建立增材制造生產線的關鍵瓶頸之一。

對于金屬3D打印技術來說，需要非常多的后處理步驟來確保質量，如粉末清除、去應力退火、線切割、支撐去除，CNC和其他精加工以及熱等靜壓等等。這些步驟中有些仍然需要手工操作，而且對于關鍵任務還需要熟練的操作人員。

使用人工完成原型甚至幾十個零件時可能還具有成本效益，但如果生產數百甚至上千個零件時，3D打印對后處理自動化的需求就變得極為迫切。

自動化的解決方案可以通過一致的后打印功能提高生產效率，不過目前也只有少數的集中特定的方案幫助實現自動化后處理，如DyeMansion公司的自動清潔系統、AMT公司的表面平滑解決方案以及PostProcess Technologies的支撐去除和表面處理系統。然而，不可否認，這些系統主要是為聚合物3D打印的零件而設計。

在金屬3D打印方面，仍然采用傳統制造的后處理技術。為了使這些技術進一步自動化，一些公司也開始實施機器人解決方案，可以幫助更換材料并進行零件處理。去年EOS和Digital metal都推出了全自動生產的概念，其采用機器人進行大多數的操作過程，如安裝打印基板、清粉取件以及后處理等等，目標是取代是所有手工工作，以促進連續和規模化的生產。

盡管這種發展令人鼓舞，但該領域的創新步伐還是比較緩慢。未來，先進的后處理解決方案的數量肯定會增加，從而適應不斷增長的增材制造產業的發展。

04結語

本文從生產速度、材料以及后處理方面揭示了當前增材制造行業取得的成果和存在的問題，基本算是行業整體的現狀。這些因素的存在限制了增材制造技術的發展速度，但從一系列新誕生的技術和標準來看，這些挑戰正在慢慢得到克服，而挑戰，就是機會。