3D打印技术及应用趋势_李小丽.pdf

1、书书书 自动化仪表 第 35 卷第 1 期2014 年 1 月 上海市决策咨询办公室基金资助项目。 修改稿收到日期: 2013 11 08。 第一作者李小丽( 1972 ) ， 女， 2009 年毕业于上海交通大学微电子 与固体电子学专业， 获博士学位， 高级工程师; 主要从事产业技术战略规 划与发展的研究。 3D 打印技术及应用趋势 3D Printing Technology and Its Application Trend 李小丽1， 2马剑雄1， 2李萍2陈琪2周伟民1， 2 ( 上海产业技术研究院 1， 上海 201203; 上海市纳米科技与产业发展促进中心 2， 上海 20023

2、7) 摘要:3D 打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一， 越来越受到工业界和投资界的关注。在详细介绍 3D 打印技术具有数 字制造、 降维制造、 堆积制造、 直接制造和快速制造等优点的基础上， 具体给出了光固化成形、 材料喷射、 粘结剂喷射、 熔融沉积制造、 选择性激光烧结、 片层压和定向能量沉积这七类 3D 打印工艺。分别分析了 3D 打印技术的全球商业化状况和应用领域， 并进一步展 望了 3D 打印技术的应用趋势。最后指出， 3D 打印技术将深刻改变传统行业的产业模式， 实现从传统制造向智能制造迈进。 关键词:3D 打印技术智能制造数字制造个性化定制现代服务业 中图分类号:TP273

3、文献标志码:A Abstract:3D printing technology is one of the representative technologies of the third industrial revolution;it has been increasingly become popular in the industrial sectors and investor community On the basis of introducing the advantages of 3D printing technology，e g ，digital manufacturin

4、g，dimension reduction manufacturing，additive manufacturing，direct manufacturing and rapid manufacturing，seven types of 3D printing processes，i e ，stereo lithigraphy apparatus， polyjet， three dimensional printing and gluing， fused deposition modeling， selecting laser sintering， laminated object manuf

5、acturing and laser engeering net shape are given The global commercial conditions and application fields are analyzed respectively，and the application trends of 3D printing technology are prospected in further 3D technology will profoundly change the traditional industrial modes and implement the mo

6、vement from traditional manufacturing to intelligent manufacturing Keywords:3D printing technologyIntelligent manufacturingDigital manufacturingPersonalized customModern service industry 0引言 2012 年 4 月， 英国著名杂志 经济学人 发表专题 报告指出， 全球工业正在经历第三次工业革命， 与以往 不同， 本次革命将对制造业的发展产生巨大影响， 其中 一项具有代表性的技术就是 3D 打印( 3D pri

7、nting) 技 术。美国 时代 周刊也将 3D 打印列为“美国十大增 长最快的工业” 。自 2013 年以来， 国内媒体界、 学术 界、 金融界也掀起了关注 3D 打印技术的热潮， 各级政 府部门开始关注并制订 3D 打印技术的发展规划。本 文在查阅大量文献和实践调研的基础上， 分别从 3D 打印技术的概念、 工艺、 材料、 设备及其商业化状况等 方面进行介绍; 并在此基础上， 进一步展望了 3D 打印 技术的应用趋势和对人类未来生产生活方式的影响。 13D 打印技术的概念和分类 3D 打印技术， 学术上又称“添加制造” ( additive manufacturing) 技术， 也称增材制

8、造或增量制造。根据 美国材料与试验协会( ASTM) 2009 年成立的 3D 打印 技术委员会( F42 委员会) 公布的定义， 3D 打印是一种 与传统的材料加工方法截然相反， 基于三维 CAD 模型 数据， 通过增加材料逐层制造的方式。其采用直接制 造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制 造方法。3D 打印技术内容涵盖了产品生命周期前端 的 “快速原型” ( rapid prototyping) 和全生产周期的“快 速制造” ( rapid manufacturing) 相关的所有打印工艺、 技术、 设备类别和应用。3D 打印涉及的技术包括 CAD 建模、 测量、 接口软件、 数

9、控、 精密机械、 激光、 材料等多 种学科的集成。 3D 打印具有如下特点和优势。 数字制造: 借助 CAD 等软件将产品结构数字 化， 驱动机器设备加工制造成器件; 数字化文件还可借 助网络进行传递， 实现异地分散化制造的生产模式。 降维制造( 分层制造) : 即把三维结构的物体先 分解成二维层状结构， 逐层累加形成三维物品。因此， 原理上 3D 打印技术可以制造出任何复杂的结构， 而 且制造过程更柔性化。 堆积制造 : “从下而上” 的堆积方式对于实现非 匀致材料、 功能梯度的器件更有优势。 1 3D 打印技术及应用趋势李小丽， 等 DOI:10.16086/ki.issn1000-038

10、0.2014.01.016 POCESS AUTOMATION INSTUMENTATION Vol. 35 No. 1 January 2014 直接制造: 任何高性能难成型的部件均可通过 “打印” 方式一次性直接制造出来， 不需要通过组装拼 接等复杂过程来实现。 快速制造: 3D 打印制造工艺流程短、 全自动、 可实现现场制造， 因此， 制造更快速、 更高效。 3D 打印技术的发展起源可追溯至 20 世纪 70 年代 末到80 年代初期， 美国 3M 公司的 Alan Hebert( 1978 年) 、 日本的小玉秀男( 1980 年) 、 美国 UVP 公司的 Charles Hull(

11、 1982 年) 和日本的丸谷洋二( 1983 年) 四人 各自独立提出了这种概念。1986 年， Charles Hull 率先 推出光固化方法 1 ( stereo lithography apparatus， SLA) ， 这是3D 打印技术发展的一个里程碑。同年， 他创立了 世界上第一家3D 打印设备的3D Systems 公司。该公司 于1988 年生产出了世界上第一台 3D 打印机 SLA- 250。 1988 年， 美国人 Scott Crump 发明了另外一种3D 打印技 术 熔融沉积制造( fused deposition modeling， FDM) ， 并成立了 Stra

12、tasys 公司。目前， 这两家公司是仅有的两 家在纳斯达克上市的 3D 打印设备制造企业。1989 年， C Dechard 发明了选择性激光烧结法( selective laser sintering， SLS) ， 其原理是利用高强度激光将材料粉末烧 结直至成型。1993 年， 麻省理工大学教授 Emanual Sachs 发明了一种全新的 3D 打印技术。这种技术类似 于喷墨打印机， 通过向金属、 陶瓷等粉末喷射粘接剂的 方式将材料逐片成型， 然后进行烧结制成最终产品。这 种技术的优点在于制作速度快、 价格低廉。随后， Z Corporation 公司获得麻省理工大学的许可， 利用该技

13、术 来生产 3D 打印机 ， “3D 打印机” 的称谓由此而来。此 后， 以色列人 Hanan Gothait 于 1998 年创办了 Objet Geometries 公司， 并于2000 年在北美推出了可用于办公 室环境的商品化3D 打印机。 2材料和设备 3D 打印设备制造商主要集中在美国、 德国、 以 色列、 日本和瑞典等， 并以美国为主导。其中， 美国 的 Stratasys 和 3D Systems 两家公司整合了全球主流 工艺 90% 的产品线。2011 年， 3D Systems 公司收购 了Z Corporation公司。2012 年， Stratasys 公司并购了 以色列

14、 Objet 公司， 完成了资源整合。 3D 打印按材料可分为块体材料、 液态材料和粉末 材料等。按照美国材料与试验协会( ASTM) 3D 打印 技术委员会( F42 委员会) 的标准， 目前七类 3D 打印 工艺与所用材料如表 1 所示。 表 1 3D 打印技术的类型和属性 Tab 1Types and properties of 3D printing technology 工艺代表性公司材料市场 光固化成形3D Systems( 美国) Envisiontec( 德国) 光敏聚合材料成型制造 材料喷射Objet( 以色列) 3D Systems( 美国) Solidscape( 美国)

15、 聚合材料、 蜡成型制造 铸造模型 粘结剂喷射3D Systems( 美国) ExOne( 美国) Voxeljet( 德国) 聚合材料、 金属、 铸造砂 成型制造 压铸模具 直接零部件制造 熔融沉积制造Stratasys( 美国)聚合材料成型制造 选择性激光烧结EOS( 德国) 3D Systems( 美国) Arcam( 瑞典) 聚合材料、 金属成型制造 直接零部件制造 片层压Fabrisonic( 美国) Mcor( 爱尔兰) 纸、 金属成型制造 直接零部件制造 定向能量沉积Optomec( 美国) POM( 美国) 金属修复 直接零部件制造 目前， 已实现商品化的 3D 打印机共涵盖了

16、七类 工艺， 其中以 SLA、 SLS、 FDM 和 3D 打印等为主。 光固化打印( SLA) 是采用紫外光在液态光敏树脂 表面进行扫描， 每次生成一定厚度的薄层， 从底部逐层 生成物体。其优点是原材料的利用率将近 100%， 尺 寸精度高( 0 1 mm) ， 表面质量优良， 可以制作结构 十分复杂的模型; 缺点是价格昂贵， 可用材料种类有 限， 制成品在光照下会逐渐解体。 选择性激光烧结打印( SLS) 是采用高功率的激 光， 把粉末加热烧结在一起形成零件。SLS 工艺的优 点是可打印金属材料和多种热塑性塑料， 如尼龙、 聚碳 酸酯、 聚丙烯酸酯类、 聚苯乙烯、 聚氯乙烯、 高密度聚乙

17、2 3D 打印技术及应用趋势李小丽， 等 自动化仪表 第 35 卷第 1 期2014 年 1 月 烯等， 打印时无需支撑， 打印的零件机械性能好、 强度 高; 缺点是材料粉末比较松散， 烧结后成型精度不高， 且高功率的激光器价格昂贵。 熔融沉积打印( FDM) 是采用热融喷头， 使塑性纤 维材料经熔化后从喷头内挤压而出， 并沉积在指定位 置后固化成型。这种工艺类似于挤牙膏的方式， 其优 点是价格低廉、 体积小、 生成操作难度相对较小; 缺点 是成型件的表面有较明显的条纹， 产品层间的结合强 度低、 打印速度慢。 3D 打印是采用类似喷墨打印机喷头的工作方 式 2 ， 这种工艺与选择性激光烧结十

18、分类似， 只是将激 光烧结过程改为喷头粘结， 光栅扫描器改为粘结剂喷 射头。其优点是打印速度快、 价格低; 缺点是打印出来 的产品机械强度不高。 3目前存在的主要问题 3D 打印技术已经取得了显著的进展， 但仍存在以 下几方面问题。 3D 打印的耗材。耗材是目前制约 3D 打印技 术广泛应用的关键因素。目前已研发的材料主要有塑 料、 树脂和金属等， 然而 3D 打印技术要实现更多领域 的应用， 就需要开发出更多的可打印材料， 根据材料特 点深入研究加工、 结构与材料之间的关系， 开发质量测 试程序和方法， 建立材料性能数据的规范性标准等。 此外， 在一些关键产业领域， 寻找合适的材料也是一大

19、挑战， 例如空客概念飞机的仿真结构， 要求机身必须透 明且有很高的硬度。为符合这些要求就需要研发新型 的复合材料。Xerox PAC 研究中心的研究人员正在 致力于可打印电子产品的新工艺研究， 但是目前的可 用原料还不多。 在打印材料方面， 以色列 Objet 公司处于领先地 位。最近， 该公司宣布为 Connex 系列多材料 3D 打印 机新开发了 39 种新的“数字材料” ， 可供客户选择的 基本材料已多达 107 种。这些材料的质地、 韧性、 刚 度、 强度都各不相同。该公司目前可提供 90 种“数字 材料” ， 这些材料都是由公司提供的基本材料复合而 成， 这样可使设计师、 工程师和制

20、造商能够非常精确地 模拟其最终产品的材料性能。用户使用 Connex 多材 料 3D 打印机， 可以在一个模型中同时使用多达 14 种 不同硬度和透明度的材料。 此外， 目前对金属材料进行 3D 打印的需求尤为 迫切， 如工具钢、 不锈钢、 钛合金、 镍基合金、 银和金等， 但目前这些打印技术尚未完全突破。 3D 打印机本身。据报道， 世界上目前只有一 种 3D 打印机能够同时打印出多种材料的产品。由于 3D 打印工艺发展还不完善， 快速成型零件的精度和表 面质量大多不能满足工程直接使用要求， 只能做原型 使用。 3D 打印产品由于采用叠加制造工艺， 层与层之间 连接得再紧密， 目前也很难与传

21、统锻件相媲美。 3D 打印的价格。目前， 3D 打印不具备规模经 济的优势， 价格方面的优势尚不明显。目前， 1 kg 打印 材料少则几百元， 多则要 4 万元左右， 因此 3D 打印技 术在一段时间里还无法全面取代传统制造技术。但是 在单件小批量、 个性化订制和网络社区化生产方面， 对 于大多数产品来说， 不管打印 1 件还是 100 件， 价格都 相差无几， 因而 3D 打印具有无可比拟的优势。 知识产权的保护。3D 打印技术的意义不仅在 于改变资本和工作的分配模式， 而且也在于它能改变 知识产权的规则。该技术的出现使制造业的成功不再 取决于生产规模， 而取决于创意。然而， 单靠创意也是

22、很危险的， 模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上 快速推出新产品， 极有可能就像当初的音乐领域一样 面临盗版的威胁。 3D 打印机的操作技能。3D 打印技术需要依 靠数字模型来进行生产， 但是对普通用户来说学会使 用计算机辅助设计工具( CAD) 还是有一定难度。但 随着社会发展， 未来会有越来越多的学生学习并掌握 这方面的技能， 而且企业也会提供一些简单的产品数 据库， 用户不必学会 3D 设计技能就能制作模型， 就像 傻瓜相机的发展一样。 政策方面。3D 技术的研发需要大量的政府投 入或产业界的资金支撑。如在医疗领域， 可能会因缺 少食品和药品监管部门的许可， 造成许多临床医疗产 品应用的

23、滞缓等。 4应用领域与趋势 4 1全球商业化状况 根据美国技术咨询服务协会 Wohlers Associates 发 布的 2012 年度报告， 全球 3D 打印行业在 2011 年销售 额为 1714 亿美元， 当前该技术的市场渗透度为 8%， 因此， 报告保守估计 3D 打印市场机会为 214 亿美元。 乐观者则认为当前市场渗透度仅为 1%， 从而 3D 打印 市场机会为 1 700 亿美元。目前， 3D 打印技术市场的 年增长率为 29 4%。据预测， 该行业的市场规模到 2015 年将达 37 亿美元， 到 2019 年将增长到 65 亿 美元。 3D 打印技术市场规模如图 1 所示。

24、 3 3D 打印技术及应用趋势李小丽， 等 POCESS AUTOMATION INSTUMENTATION Vol. 35 No. 1 January 2014 图 1 3D 打印技术市场规模示意图 Fig 1Marketing scale of 3D printing technology 从行业分布看， 目前消费电子领域仍然占主导地 位， 约 20 3%; 其他主要应用在汽车、 医疗/牙科、 工 业/商业机器和航空航天领域。3D 打印技术行业分布 如图 2 所示。3D 打印技术主要应用功能的分布比例 如图 3 所示。 图 2 3D 打印技术行业分布图 Fig 2Industrial di

25、stribution of 3D printing technology 图 3 3D 打印技术应用分布图 Fig 3Application distribution of 3D printing technology 当前， 欧洲、 美洲和亚洲是 3D 打印设备的主要需 求市场。从 2011 年设备市场份额分布来看， 北美地区 占 40 2%， 位居第一， 欧洲地区和亚洲地区紧随其后。 3D 打印设备数量区域分布如图 4 所示。美国是 3D 打 印设备安装的第一大国， 日本处于第二。 图 4 3D 打印设备数量区域分布图 Fig 4Quantitative regional distribu

26、tion of 3D printing devices 全球 3D 打印技术的产品和服务的收入如图 5 所 示。图 5 中， 柱状图上段为服务收入， 下段为产品( 即 设备和材料等) 收入。从图 5 不难看出， 3D 打印设备 及材料和服务的经济规模是相当的。2010 年， 销售额 为 1325 亿美元; 到 2011 年， 销售额为 17 14 亿美元， 增长率达到 24 1%。在产品收入中， 3D 打印设备和 材料占主要部分， 2011 年为 8 34 亿美元。 图 5全球 3D 打印技术的产品和服务收入示意图 Fig 5Schematic diagram of product and s

27、ervice revenues of 3D printing technology 由于 3D 打印产品种类丰富， 带动了打印材料的 快速发展。2001 年到 2011 年， 全球打印材料的销售 情况如图 6 所示， 除了 2009 年由于全球经济危机的影 响稍有下降外， 基本上每年都保持 10% 20% 的增长 速度。 图 6全球 3D 打印材料销售额示意图 Fig 6Schematic diagram of the global sales of 3D printing materials 4 2应用领域 3D 打印机的应用对象可以是任何行业， 只要这些 行业需要模型和原型 4 6 。目前

28、， 3D 打印技术已在工 业设计、 文化艺术、 机械制造( 汽车、 摩托车) 、 航空航 天、 军事、 建筑、 影视、 家电、 轻工、 医学、 考古、 雕刻、 首 饰等领域都得到了应用。随着技术自身的发展， 其应 用领域将不断拓展。这些应用主要体现在以下十个 方面。 设计方案评审。借助于 3D 打印的实体模型， 不同专业领域( 设计、 制造、 市场、 客户) 的人员可以对 产品实现方案、 外观、 人机功效等进行实物评价。 制造工艺与装配检验。3D 打印可以较精确地 制造出产品零件中的任意结构细节， 借助 3D 打印的 实体模型结合设计文件， 就可有效指导零件和模具的 工艺设计， 或进行产品装配

29、检验， 避免结构和工艺设计 4 3D 打印技术及应用趋势李小丽， 等 自动化仪表 第 35 卷第 1 期2014 年 1 月 错误。 功能样件制造与性能测试。3D 打印的实体原 型本身具有一定的结构性能， 同时利用 3D 打印技术 可直接制造金属零件， 或制造出熔( 蜡) 模; 再通过熔 模铸造金属零件， 甚至可以打印制造出特殊要求的功 能零件和样件等。 快速模具小批量制造。以 3D 打印制造的原型 作为模板， 制作硅胶、 树脂、 低熔点合金等快速模具， 可 便捷地实现几十件到数百件数量零件的小批量制造。 建筑总体与装修展示评价。利用 3D 打印技术 可实现模型真彩及纹理打印的特点， 可快速制

30、造出建 筑的设计模型， 进行建筑总体布局、 结构方案的展示和 评价。 科学计算数据实体可视化。计算机辅助工程、 地理地形信息等科学计算数据可通过 3D 彩色打印， 实现几何结构与分析数据的实体可视化。 医学与医疗工程。通过医学 CT 数据的三维重 建技术， 利用 3D 打印技术制造器官、 骨骼等实体模 型， 可指导手术方案设计， 也可打印制作组织工程和定 向药物输送骨架等。 首饰及日用品快速开发与个性化定制。利用 3D 打印制作蜡模， 通过精密铸造实现首饰和工艺品的 快速开发和个性化定制。 动漫造型评价。借助于动漫造型评价可实现 动漫等模型的快速制造， 指导和评价动漫造型设计。 电子器件的设计

31、与制作。利用 3D 打印可在玻 璃、 柔性透明树脂等基板上， 设计制作电子器件和光学 器件， 如 FID、 太阳能光伏器件、 OLED 等。 4 3对人类生产生活方式的影响 3D 打印技术的应用将从以下三个方面深刻改变 传统制造业形态。 一是使制造工艺发生深刻变革。3D 打印改变了 通过对原材料进行切削、 组装进行生产的加工模式， 节 省了材料和加工时间。例如， 在航空航天工业领域中 应用的金属部件通常是由高成本的固体钛加工而成 的， 90%的材料被切除掉， 这些切削材料对于飞行器的 制作是毫无利用价值的。空客的母公司欧洲宇航防务 集团( EADS) 研究人员指出， 这些用钛粉末打印出的 部件

32、与一个传统用固体钛加工出来的部件一样经久耐 用， 但节省了 90%的原材料。 二是带动制造技术的重大飞跃。3D 打印技术是 一门综合应用 CAD/CAM 技术、 激光技术、 光化学、 控 制、 网络以及材料科学等诸多方面技术和知识的高新 技术。3D 打印技术的不断成熟将推动新材料技术和 智能制造技术实现大的飞跃， 从而带动相关产业的 发展。 三是使制造模式发生革命性变化。3D 打印将可 能改变第二次工业革命产生的、 以装配生产线为代表 的大规模生产方式， 使产品生产向个性化、 定制化转 变。3D 打印机的推广应用将缩短产品推向市场的时 间， 消费者只要简单下载设计图， 在数小时内通过 3D 打印机就可将产品 “打印” 出来， 从而不需要大规模生 产线， 不需要大量的生产工人， 不需要库存大量的零部 件， 即所谓的 “社会化制造 ” 。“社会化制造” 的另一优 势是通过制造资源网和互联网， 快速建立高效的供应 链、 市