北斗导航卫星、水下机器人、精密光学仪器、碳纤维及其复合材料核心技术、云数据加密技术、混合动力新能源电站、大型激光3D打印机等为代表的高技术产品和高新技术成果，是党的十八大以来军民融合体制创新的阶段性成果。军民融合发展体现了（　　）
①技术创新推动社会生产力的发展
②科技创新推动生产关系和社会制度的变革
③制度创新推动人类思维和文化的发展
④实践基础上的科技创新是社会发展和变革的先导。

Electroimpact公司开发了一种拥有6个自由度的连续纤维增强热塑性塑料3D打印系统，能实现航空复合材料部件的快速无模制造，以及现有制造方法不可能实现的新的设计自由度。

自2014年美国Markforged公司带着第一台商业化的连续纤维3D打印机 Mark One进入市场以来，全球的工程师们都梦想着有一个可以3D打印大型连续纤维增强部件的系统。

然而，要想完全以增材制造的方式生产强度是大多数金属数倍的复杂部件，却是一项令人困扰的挑战，这是因为塑料的密度以及不使用昂贵的铺层模具和热压罐。

目前，几家经验丰富的老牌公司和初创公司已进入这一领域，试图从更广泛的数十亿美元的增材制造市场中分得一杯羹。

近年来，Electroimpact公司一直在与航空领域的合作伙伴合作来开发这项技术，以满足OEM的应用需求。

该机舱门剖面图显示了打印的蜂窝结构与连续纤维的连接点的结合

航空工业中的许多人都认为，大型连续纤维复合材料部件的3D打印已经以自动纤维铺放（AFP）和自动带材铺放（ATL）的形式存在了，这两者都是通过后续再铺放材料层来生产复合材料部件的增材制造技术。

但是，这些技术都需要一副形状与成品部件一样的铺层模具，以便将材料铺放到其上。

实际上，人们真正想要的连续纤维3D打印机，并不需要使用铺层模具和真空袋，也不需要大量的辅助设备如热压罐或二次加工步骤，相反，它只是一个普通的制造平台，而且要尽可能多地消除系统中的各种约束条件，以便最终用户能够创建出各种各样的部件以及采用传统方法无法实现的形状。

其结果就是，实现以前不可想象的新的复合材料设计，包括更加一体化的结构，即减少紧固件的数量以及用于装配连接的粘合剂。

任何高质量的复合材料部件都拥有3个基本特征,而无论选用的纤维和基体材料是什么。

这3个基本特征是：纤维的体积含量（即纤维与基体材料的比率）、孔隙率和纤维的平直度。

Electroimpact公司并不是唯一一家追求连续纤维3D 打印系统的公司，为应对挑战，其他公司采取了几种完全不同的方法，其中的一些公司试图将传统的熔融长丝制造（简称FFF）3D打印机与用于将连续纤维引入到熔融的热塑性塑料流中的机械装置结合起来，以使纤维嵌入到打印部件中。

另有一些公司则选择采用紫外催化的热固性树脂，使他们的连续纤维增强材料与树脂恰好在加工点上相混合，然后在加工过程中采用紫外辐射来引发树脂的快速固化。

这些共挤过程试图将更多的步骤整合到一个单一的系统中。

首先，要达到航空级别所要求的均匀一致的纤维百分比（50%+），这实现起来比较困难，系统沉积材料的加工点必须随着它在空间穿越部件的编程加工路径而进行加、减速，因此，将液体或熔化的基体材料注入到纤维中的过程也必须与加工点同步进行加、减速。

任何经验丰富的复合材料生产商都知道，当整个过程处于平稳状态而未受到较大的瞬变影响时，就会获得最均匀的材料。

将这种方法用于处理高纤维含量的复合材料时，要想对纤维进行均匀浸渍就显得比较困难，这往往会导致干的纤维斑块以及纤维在基体材料中的不良分布。

因此，浸渍步骤最好在运行稳定的专用生产设备上离线完成，这种设备专为生产纤维分布和纤维百分比均匀的高质量预浸渍材料而开发。

其次是孔隙率问题，孔隙是不能承受载荷的。

在热压罐中真空固化层压结构，同时施加几个大气压的压力，就可以使热压罐成型的复合材料主结构拥有不到1%的孔隙率，从而满足航空级别的黄金标准要求。

虽然施加的力巨大，但却能消除层压结构中几乎所有的孔隙。

对于正在寻求更多航空应用的非热压罐材料系统而言，通常所能实现的孔隙率低于3%。

这类材料无需昂贵的热压罐，但仍然需要真空来固化层压结构以消除孔隙，同时还需要一个固化炉。

总之，如果不能以某种方式来固化层压结构，这样的系统就永远不可能实现高质量部件所必需的低孔隙率。

最后，沉积连续纤维的物理过程要求在一定的张力下进行沉积。

如果这个过程需要在基体材料软化时的任何一点来推动纤维，就会导致纤维成束。不直的纤维直到被拉直后才能承受载荷。

因此，对于复合材料部件而言，束状纤维就意味着载荷只能由强度低得多的基体材料来承担。

这是一个整合了FFF 3D打印机与热塑性AFP机器的系统，该系统由一台精确操作的机器人、一个旋转构建平台和一个温控构建室组成。

末端执行器携带多个材料系统来打印可溶性的支撑材料（工装）、连续的纤维带材和短切纤维材料。

每一次打印，都是从机器人将支撑材料沉积到构建平台上开始的。

随后，机器人自动切换，以打印连续纤维增强材料和短切纤维增强材料，从而生产出部件。

这种连续纤维采用原位固结的方式沉积，其中，带材被激光焊接到基板上并在此过程中被压实。

如此获得的连续纤维增强复合材料部件，可以达到非热压罐工艺所能实现的孔隙率水平。

将短切纤维材料系统纳入进来，则是对连续纤维增强材料系统的补充。

通常，纤维体积含量高的连续纤维，会引入全方位FFF工艺所没有接触过的几何约束度，与单纯采用连续纤维带材所能产生的特征相比，其产生的特征要复杂得多。

在这些情况下，设计师们可以利用短切纤维材料来获得想要的特征。

一旦打印完毕，支撑材料即溶解，只留下成品部件。

由于材料系统完全是热塑性的，因此后续无需使用热压罐或加热炉来固化部件。

不同于传统的FFF 3D打印，SCRAM工艺采用真正的六轴加工路径来生产部件。

大多数的增材制造系统如FFF、SLA和 SLS都是所谓的2.5D，即将平面的2D层一层一层地铺叠起来形成一个3D形状。

相比之下，SCRAM则是真正的3D工艺，末端执行器在真正的六维自由度空间中沉积材料，这对于沉积连续纤维尤为重要，它可以确保纤维的取向与载荷路径相适应，以及从构建平台上获得准各向同性的叠层。

开发这种复杂技术面临四大挑战，涉及材料系统、打印硬件、控制系统和部件编程。

许多公司都试图开发这项技术。虽然一些公司在应对上述四大挑战中的2～3个方面取得了令人印象深刻的进展，但似乎没有哪家公司能够同时征服所有这四大难题。

首先，材料系统本身是最基本的挑战。

虽然可供选择的聚合物很多，但是，一旦增加了极端要求，比如，高温下使用、耐化学性以及烟雾和毒性要求等，可供选择的材料就很少了。而且，它们的加工也极具挑战性。

其次，由于承受大部分载荷的是纤维，因此，人们希望纤维的体积含量要尽可能高，并能确保材料的可靠沉积以及实现良好的粘结。

基于所有这些原因，经过多次试验后，Electroimpact决定采用基于PAEK的热塑性塑料以及50%～60%的纤维含量。

采用内部支撑结构从单壁过渡到双臂的管道

打印硬件的复杂程度和细微差别同样令人惊讶。

在这项技术中，FFF部分因其简单而为工程师们和业余爱好者们所熟悉，即使是用于铺放平面叠层的AFP也得到了改进和简化，现在在普通的实验室环境中就可以使用。

但是，一旦涉及按6个自由度进行打印以及纳入连续纤维，准确性就变得极为重要，对此，所生产部件的复杂程度就直接取决于系统的灵活性和准确性。

在末端执行器上，每一个部件都会增加体积，并对生成形状带来一些可能的限制。

为控制好如此复杂的机械系统，只需要使用一个工业CNC，复杂的运动、框架计算、工具定义和精度等都需要它。

最后，CAM软件和系统本身也一样复杂。

商用3D打印机的用户们习惯于使用导入部件实体模型的切片软件，以为打印机自动生成加工路径。

当按2.5D工作时，可以相对简单地通过算法生成加工路径，这是因为针对一个给定的层只有两个自由度。

但是，当按6个自由度沉积材料时，路径的生成就比较困难。

真正的3D打印连续碳纤维。SCRAM系统整合了一台FFF 3D打印机和一台热塑性AFP机器

Electroimpact公司采取的方法不是依靠自己来解决所有这四大挑战性难题，而是专注于自身的核心优势，即硬件和控制系统。

与最适合创建材料系统和CAM软件的业内同行合作，该公司开发的一体化系统在应对上诉四大挑战方面取得了重大进展，展现出了前所未有的能力。

虽然在提升SCRAM技术的成熟度方面还有很多工作要做，但其发展速度的确很快，对它的热情和兴趣正推动着它的不断进步。

目前，采用SCRAM技术已经生产出了以前根本就无法制造的部件形状。

下一步开发的重点是，增强它的工业化生产能力，全面提升性能指标。

不可否认，真正六维自由度的连续纤维增强的3D打印已经到来。

* 本刊编译、归纳整理，转载请注明出处。

3D打印绝对算是近几年来最热的话题之一，甚至于有人将其称为“第三次工业革命”。确实，3D打印技术已经在诸多领域引领变革，而在行业中，能够上路行驶的3D打印也已经面世。这是不是意味着，3D打印将改变业的格局呢？

在讨论3D打印之前，我们先来了解一下3D打印机的工作原理。3D打印，即快速成型技术的一种，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。与普通打印机相比，3D打印机的“墨水”为原材料，通过若干层材料的堆叠达到立体效果。有许多人将这一过程比喻为搭积木，的确有几分相似。

3D打印通过多层打印达到想要的3D效果

3D打印的过程与普通打印机非常相似。首先，你要有一个模型文件，只不过相较普通打印机需要的文档或图片，3D打印机读取的文件为3D模型文件。目前已经有许多3D模型文件的分享网站（例：）。最后需要给打印机一个打印的过程，普通打印机向纸张上打印图片或文字同样需要过程。而3D打印由于打印过程比较复杂，所以需要花费不少时间，当然这也取决于你打印模型的大小。

就像普通打印机需要耗材（激光打印机需要硒鼓，喷墨打印机为墨盒）一样，3D打印机同样需要。随着3D打印技术的发展，目前用于3D打印的耗材种类很多，以满足不同需求。当然，不同材质的价格相差较大，打印出来的效果也有区别。而3D打印机要做的是一个融化耗材，创造全新形状的过程。

3D打印的原理看起来简单，但它能够实现的效果确非常神奇。让我们有了可以简单的生产任何形状物体的憧憬。那么它在领域的发展如何呢？是不是以后我们就可以像攒电脑一样DIY自己的车子了呢？别急，我们先来看看3D的发展史。

说发展史有些夸张了，因为世界上第一款3D打印的诞生离我们并不久远。在2013年上半年，一台名为Urbee 2的小车诞生了。其实它的前身Urbee早在2010年就推出了，只不过当时由于各种问题只停留在了概念阶段。Urbee 2则是一款真正意义上量产的车型。

Urbee 2是一款搭载的三轮车，由后置的独轮驱动。在城市中行驶时，Urbee 2由电力驱动，内置7.6kWh电量，两个前轮由一对36伏特的电动马达驱动，可提供6kW的巡航动力，最高动力12kW。电力驱动行驶里程可达64公里。当电力不足时，则切换到内燃机来驱动发电机给电池供电。

Urbee 2包含了超过50个3D打印组件，但这相较传统制造工艺显得十分精简。车辆除了底盘、动力系统和电子设备等，超过50%的部分都是由ABS塑料打印而来。据悉，生产Urbee 2需要花费2500小时，换算一下就是没日没夜也需要超过100天才能打印这样一辆车。

Urbee 2和框架由钢管组成

对于方面未采用3D打印进行制造，设计团队表示是出于安全方面的考虑。此外，为了达到更高的安全标准，框架部分也同样采用了钢管焊接。Urbee 2由于和尺寸较小，加上三轮的布局，在某些国家只能按照摩托车标准注册。

Strati是Local Motors公司推出的一款3D打印汽车，号称Strati是全球第一辆。因为在Local Motors看来，Urbee 2的部件并未由3D打印机完成，而Strati不仅3D打印的应用率更高，而且已经接受媒体试驾，所以它同样可以称为“第一辆3D打印”。

Strati已经接受媒体试驾

Strati诞生于2014年，它的确相较Urbee 2有了明显的进步。首先，它的部分也采用了3D打印技术制造，其次它的打印时间仅为44个小时。如果加上组装时间，最新的数据表明只需要三天就能造出Strati。从超过100天到3天，效率的飞速提升预示着3D打印的未来发展不可预估。

在外型上，相较Urbee 2略显怪异的造型，Strati也更符合人们的审美。宽加上低矮的高度甚至让它有了些运动车的气质。

Strati的最高时速可达56公里，动力部分采用电池驱动，续航193到243公里。虽然生产Strati的Local Motors公司有些“瞧不起”Urbee 2 3D打印的应用率，事实上Strati除了多出在底盘部分的应用外，动力总成、悬挂、以及转向部件来自雷诺的Twizy。此外，座椅、车灯、轮圈和轮胎也采用传统方式制造。由于需要考虑到安全性，Strati的原材料为加入了碳纤维的热塑材料。

传统制造业需要巨大的冲压车间

虽然Strati许多部分仍采用传统方式制造，但3D打印还是拥有非常大的优势。相较传统制造业用零件拼接的方式生产，3D打印则先打造一个框架，然后将需要的部件填补进去。3D打印更少部件的应用不仅可以大幅降低，还可以省去冲压这一环节。这对于小规模生产来说，省去了制造模具的成本，效率更高，而且不需要硕大的厂房，直接降低了生产的门槛。

3D打印现阶段还比较粗糙

目前生产Strati的公司正在计划着该车的上市计划，而公布的预售价则为1.1万英镑（约合人民币11万元）起售。如果把它当成首批3D打印汽车产品，这个售价并不高。但如果与传统汽车相比，它的售价则并不占优势。此外，由于3D打印的精度问题，用户还需要忍受粗糙的做工。粗糙不平的打印面如果想要获得平滑效果，又将进一步提高成本，加大打印时间。

3D打印在什么方面开始影响业

虽然3D打印已经逐渐兴起，但仍旧存在着许多亟待解决的问题。首先，相较传统制造业而言，生产周期和产能还是较低，很难大规模量产。此外，由于需要考虑到安全性等因素，原材料品质与成本因素很难平衡，导致单车生产成本过高也制约着现阶段3D的商业化。

许多厂商在研发阶段开始利用3D打印技术

不过就现阶段而言，3D打印在领域也已经有了很好的应用。除了整车3D打印技术外，已经有两个领域开始了应用阶段：

设计领域，由于3D打印的快速成型特性，厂商可以应用于外形设计的研发。相较传统的手工制作油泥模型，3D打印能更精确的将3D设计图转换成实物，而且时间更短，提高设计层面的生产效率。目前许多厂商已经在设计方面开始利用3D打印技术，比如不久前我们曾经参观的。

零部件领域，3D打印技术还能快速的生产造型复杂的产品，而汽车零部件正是。在传统汽车制造领域，汽车零部件的开发往往需要长时间的研发、测试。从研发到测试阶段还需要制作零件模具，不仅时间长，而且成本高。当存在问题时，修正零件也需要同样漫长的周期。而3D打印技术则能快速制作造型复杂的零部件，当测试出现问题时，修改3D文件重新打印即可再次测试。可以说，3D打印技术让未来零部件的开发成本更低，效率更高。

3D打印整车很难在近期改变我们的生活，但3D打印在以上两个领域将在短时间内让消费者从中受益。研发阶段成本的降低、效率的提高将为消费者带来更高品质的产品，同时价格也将更实惠。

零件方面，3D打印已经有了明确的发展道路，在此就不过多讨论。我们主要来谈谈3D打印整车的发展。

定制化。相信很长一段时间，未来3D打印就像我们之前提到了“攒电脑”这个概念，“机箱”也就是整体外观造型，能提供不同样式以供消费者彰显个性；至于“主板”、“内存”这些内部部件，则提供不同样式的3D打印产品供选装；动力总成等核心部件，则可采购传统制造商的产品。虽然短时间内3D打印很难在成本方面有大的突破，但相信“定制化”的产品概念还是能吸引不少消费者的买单，另辟蹊径的生产模式或许让3D打印汽车的商业化并不遥远。

当然，真正实现定制化生产并将其商业化，3D打印汽车还有不少路要走。首先要设计好不同部件的兼容性，消费者选择选装件时也能快速完成拼装；另外，之前我们提到的安全性，不光是碰撞安全，还要兼顾个性化外观可能对行人的伤害等等；最后要考虑的就是法律因素了，繁杂的样式对于合法上路提出了严峻的挑战。

3D打印的终极形态：造车就像拼装模型一样

未来终级解决方案则是100% 3D打印。当能100%实现3D打印时，才是3D打印的终极阶段。当然，像、电子设备这些部件等短时间内采用3D打印技术的可能性不大，抛开成本因素，材料能耐受的工作温度及强度也需要检验。不过随着科技的发展，核心部件的打印未必就不能实现，未来3D打印或许真的能成为私人造车机器。到那时，完成一辆属于自己的车，或许就像组装一个汽车模型一样简单。

总结：说了这么多，我们可以看出，3D打印技术的发展的确为生产的发展带来了积极的影响。但说3D打印将带来业的变革还为时尚早。受到成本、材料、等方面的制约，3D打印技术从目前到很长一段时间内，应用的范围都将朝着我们所说的小规模定制化发展。至于3D打印在汽车领域的大规模商业化，或许需要很长时间才能到来。