试析国内熔融沉积快速成型技术的发展滞因及未来发展趋势
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摘 要：本文首先介绍了熔融沉积快速成型技术的原理、特点、发展史及目前國内整个3D打印行业的发展现状，接着论述了熔融沉积快速成型技术兴盛的原因，并分析了影响此技术发展停滞不前的四个重要原因，最后预测了FDM技术及整个3D打印行业未来的发展趋势。
关键词：FDM;熔融沉积快速成型;3D打印技术;发展趋势
0 引言
近年来，3D打印产业的发展日新月异，新机器、新技术、新材料、新应用不断推陈出新。基于熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling，简称FDM）原理的三维打印快速成型技术是目前世界上最具生命力的快速成型技术之一。其应用领域涉及到政府、学术机构、建筑、航天、医疗、工商业等各个角落。这当然与这种技术的诸多特点及应用潜能和广阔前景密不可分。在此背景下，加大力度开展对熔融沉积快速成型技术的研究，使之更好地服务于人类、造福于社会，具有相当重要的战略意义和现实意义。
FDM产业包括桌面级和工业级的熔融沉积快速成型技术，都曾经于2014年前经历过高速发展。但从2014年以后，国内制造和销售FDM打印机的厂商与2014年以前相比，数量上有大幅下滑，其在整个3D打印产业领域内所占的市场份额也呈现明显萎缩之势。抛开市场优胜劣汰的机制及行业洗牌、再度整合这些原因不谈，就从熔融沉积快速成型技术本身而言，在发展到一个瓶颈阶段，出现发展停滞不前的现象，必然有技术本身或者是大环境等层面所出现的各种问题。而在研究FDM技术发展停滞不前及未来可能走向等问题之前，我们需要对此项技术的技术原理、特点及发展历史做一个细致的了解，这有助于我们掌握细节，从而找出问题真正出现的原因。
1 FDM成型技术的原理和特点
在1995年之前，3D打印这个名称并不存在，在研究领域内被专家们所接受的名称是“快速成型”。 快速成型技术是将计算机辅助设计 （ CAD） ，计算机辅助制造 （ CAM ） ，计算机数字控制 （ CNC） ，精密伺服驱动、激光和材料科学等先进技术集于一体的新技术。它是一种以数字模型文件为基础，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的技术。简单讲，FDM又称为熔丝沉积，是一种不依靠激光作为成型能源、而将各种丝材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加热熔化进而堆积成型的一种成型方法[1]。
FDM机械系统主要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热工作室、工作台五部分，材料上使用成型材料和支撑材料两部分。具体来讲，FDM技术是将低熔点丝状材料通过加热器的挤压头融化成液体，然后再从喷头挤出，挤压头沿零件截面轮廓运动，挤出的丝状材料沉积固化，形成实件薄层，覆盖于已建造的零件之上。一层成型后，工作台下降一层高度，喷头继续扫描喷丝，如此反复逐层堆积，直至模型或零件完全成型[2]。FDM完美地运用了降维原理，把相对复杂的三维模型塑造转化为简单明了的多层二维平面，经无数层二维层面的循环堆积，进而又还原并制造出三维的模型或零件[3]。
FDM成型技术比其它3D打印技术有很多优点。（1） 使用和维护上相对比其它3D打印机简单。（2）材料的可得性。一般的高分子材料如ABS、PLA、PC、PPSF以及尼龙丝、蜡丝均可使用，彩色材料也比其它打印机多。（3）环境友好。制件过程中无化学变化，不产生粉尘，不污染空气和环境。（4）成本低廉，利于家庭、个人的普及及应用。（5）材料强度、韧性优良，可以装配进行功能测试。由于在成型过程中无化学变化，也不容易导致制件的翘曲变形[3]。
正是由于FDM技术的这些优点，使其降低了产品的研发、生产成本，摒弃了传统生产方式中的开模环节，缩短了生产周期，也缩短了最终产品与客户的见面时间，提高了生产效率，从而加速了它向社会各方面渗透的力度和广度，在技术上取得显著进步的同时，也为社会带来了巨大的经济效益。
2 熔融沉积快速成型技术的发展史及目前国内的行业发展现状
3D打印技术的核心制造思想最早起源于19世纪末的美国，到20世纪80年代后期3D打印技术发展才渐趋成熟并被广泛应用。我们沿以时间轴，来看看整个3D打印行业的发展情况。
1860年，法国人申请了多照相机实体雕塑的专利。
1979年，日本人中川威雄发明叠层模型造型法。
1980年，日本人小玉秀男又提出了光造型法。此后几十年，美国人把这些方法转为实际应用。
1988年，科特克鲁姆普发明了熔融沉积成型技术（FDM），次年科成立了Stratasys公司。
1992年，美国人赫利塞发明层片叠加制造技术，同年，Stratasys公司推出第一台基于FDM技术的3D工业级打印机。
2001年，Solido开发出第一代桌面级3D打印机。
2009年，Bre Pettis带领团队创立了著名的桌面级3D打印机公司——MakerBot[4]。
MakerBot出售打印机的零配件，使购买者可自行组装3D打印机，从此国外个人3D打印机产品市场开始蓬勃兴起。其发展历史从起源到正式被广泛应用跨度相当巨大。因此，人们习惯上把3D打印技术称之为上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的
市场。
国内的3D打印技术研究起步早，从90年代起，处于领先地位科研机构主要为一些高校以及相应的企业化单位，如清华大学、华中科技大学、西安交通大学与北京航空航天大学。以高校为依托的研究机构主要以研制工业级打印机为主，而另有一些企业在进行工业级打印机研制的同时，把重点目光投向了更具市场推力的桌面级打印机的开发与销售上，并尝试将技术研究、3D打印机研发销售与3D打印服务整合在一起，以建立更完善的产业模式，形成更完整的产业链。
从2011年开始，中国的3D打印行业进入高速发展时期。近年来中国3D打印规模几乎每年翻番，借着全球3D打印飞速发展和政府对这个行业的高度重视的东风，中国的3D打印行业也走上了发展的快车道。而且3D打印产值几乎每年都会增加一倍，其增长幅度远远领先于世界其他国家。到2016年，中国3D打印机市场规模达到了100亿元，是2012年的10倍[4]。 3 熔融沉积快速成型技术兴盛的原因及目前发展停滞不前的原因
FDM技术在我国已经历一段时期的高速发展。骄人的成绩，与以下几个因素密不可分：首先是行业大环境的东风。国外国内3D打印产业都在飞速发展，有时候用一日千里来形容并不为过。其次是政府的扶持与鼓励。目前国内有关3D打印产业的大、小研讨会每年都会有很多，在政府部门内部下设的机构中也有专门研发3D打印技术的专业团队。第三是投入少、风险小、技术门槛相对低。这是FDM技术在家庭及个人应用领域普及和兴盛的主因。第四是商人的趋利性。不管任何行业，只要前景好、投入产出比高，有利可图，那么在这个行业内迅速出现蝴蝶效应，导致行业红火兴盛的现象必然随之发生。然而事物的发展总是具有两面性，物极必反这个原则同样适用于这个行业。由于进入门槛低，要承担的风险也很小，短时间内进入此行业谋求发展的公司和团体数不胜数。在经历最初的新奇和喜悦后，从2014年开始，3D打印行业这块大蛋糕不是变大了，而是变小了。以长三角为例，无数的3D打印公司开始坚持不下去，进而走上倒闭之路。还在继续运营的公司在发展上也陷入一种停滞的两难境地，进入苦苦支撑的状态。是什么导致了3D行业进入了目前原地停步的状态呢？笔者研究认为，下列几个问题是导致此行业发展停滞不前的主要原因：
3.1 产业链发展的不平衡
3D打印产业虽然已经历30多年的发展，行业已初具规模，但总体来说，属于增材制造的3D打印产业化仍处于起步阶段，与先进国家相比仍存在较大差距，尚未形成完整的产业体系，离实现大规模产业化、工程化应还有一定距离。3D打印的产业链包括材料供应、软件开发、设备制造、公共服务平台等几个环节，这几个环节环环相扣，为最终用户创造独特价值，缺一不可。但目前，用于3D打印的软件是国外产品，国内在此方面的研究和开发还属空白。用作3D打印的材料并不是很多，选择范围窄。对于3D打印设备本身的制造方面重视度不够，机器外观设计感低，技术层面无进展。产业链发展的不平衡最终会影响及拖累整个3D打印行业的发展。
3.2 材料的局限性
3D打印只是解决了快速成型问题，而材料本身的特性则没有突破性的解决。首先，从材料工艺上，3D打印机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。其次，从材料适用范围看，工业领域中能供3D打印机打印的材料较少，较为成熟的金属材料只有铝硅合金、钛合金、镍合金和不锈钢，虽然目前有大量的新材料成功研制，但其性能如何还未确定。而在医学领域中，能使用的材料仅有数种，且最终成品还未能与生物相结合，只能用于模仿，如要实现特定功能，还需经过长时间的实验与认证[5]。第三，从材料的成本来说，由于其属于新兴产业，对于特定的产品需要特殊的材料，但其原材料市场并不大，从而造成原材料的价格高昂等情况，从而提升成本价格。再者，用于FDM打印机的打印材料易受潮，需密封储存，成型过程中和成型后也存在一定的收缩率等。这些材料上的局限性都会导致3D打印整个行业在发展的道路上缓步而行或停滞不前。
3.3 生产效率低下
3D打印在生产模式上与传统生产模式有较大的区别。传统生产模式通常是“多级分工+组装”，其调动了整个制造业体系的产能，从而使工序效率到达最高点。而3D打印机在长时间的作业过程中，其维护成本和维护难度远大于传统生产链的平摊成本，控制系统智能化水平极低，在打印过程中很多情况下需要人工干预的介入，如果不干预，将造成无法继续打印或将缺陷留在工件里，这种操作上的局限性大大影响了3D打印的广泛普及。截至目前，3D打印整个行业仍没有进入智能化使用的时代。
3.4 FDM自身技术上的缺陷
FDM型3D打印机虽然经过了几十年的发展并且得到广泛的应用，但它仍存在很多不足之处，比如成型精度低、打印速度慢、原材料价格昂贵、维护不便、需要设计和制作支撑、对动态物体清晰度的捕捉和实现等，这些都是制约3D打印快速发展的路障[6]。
4 熔融沉积快速成型技术未来的发展趋势
2013年，麦肯锡公司将3D打印列为12项颠覆性技术之一，并预测到2025年，3D打印对全球经济的价值贡献将为2--6千亿美元。诱人的前景及目前制约FDM快速发展的滞因决定了熔融沉积快速成型技术未来发展的的主要趋势，即它们会朝着精密化、智能化、通用化以及便捷化四个方向发展[6]。精密化主要体现在3D打印的精度和质量，使产品能直接面向最终客户，而不是停留在样品制作阶段。智能化和便捷化则主要体现在FDM打印机的软件编程和操作上，降低人工成本，实现真正的远程操作。通用化是要求FDM打印机及整个3D行业各种型号打印机统一标准并建构标准的制定机构，使其资源在共享时能有统一的格式和标准可做参考。另外，FDM技术在工商业、航天、教育及医疗各自的领域里，其发展趋势也将各有不同。工商业、建筑、航天、医疗领域主要集中在研究和拓展FDM所应用的材料上，使行业自身的材料可得性更广泛以外，让特殊行业也能享受3D行业发展所带来的利好。教育领域里，则是加大大、中、小学3D打印机的普及力度，使3D打印技术真正实用于民，不再作为尖端科技而存在。
5 结语
FDM技术发展至今，整个行业进入了一个瓶颈期。这既与国际、国内大环境相关，也与技术、产业链本身的局限有关。我们只有进一步平衡3D打印产业的整个产业链，使之协调、并头发展，大力开发种打印技术的耗材与应用，降低材料成本，并使3D打印同互联网深度融合，促使整个行业进入智能时代，才能迎来此技术大飞跃的另一个春天。
参考文献：
[1] 杨继全，郑梅等.3D打印技术导论[M].南京：南京师范大学出版社，2016.
[2] 杨向东，张鹏飞，陈文军，李翠坤，陳泽茫.桌面型3D打印机工艺研究[J].机电工程技术，2016（04）.
[3] 吴怀宇.3D打印：三维智能数字化创造.北京：电子工业出版社，2015.1.
[4] http：//baike.baidu.com
[5] 唐通鸣，张政，邓佳文等.基于FDM的3D打印技术研究现状与发展趋势[J].化工新型材料，2015，43（6）.
[6] 刘洋子健，夏春蕾等.熔融沉积成型3D打印技术应用进展及展望[J].工程塑料应用，2017，45（3）.
[7]王聪聪，詹仪.3D打印技术的应用与发展前景[J].出版与印刷，2014（04）.
[8] 刘金畅.3D打印技术以及应用趋势 [J].电脑知识与技术，2014（34）.
[9] 陈庆，曾军堂，陈韦坤.3D打印塑料材料技术现状和发展趋势[J].新材料产业，2015（06）.
[10] 李新，孙良双，杨亮，彭家丽，李洪波，叶正涛.FDM3D打印高分子材料改性及应用进展[J].胶体与聚合物，2017（03）.
[11]陈之佳.FDM快速成型中若干关键技术研究[D].华中科技大学，2004.
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