3D打印技术第三次工业革命的领跑者优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

目 第三次工业革命的领跑者 c o v e rs t o r yi 封面故事 徐冰吴剑锋浙江工业大学 2 0 1 2 年，x p r i z e 公司的c e od i a m a n d i s 博士在谈 到未来电子及工业创新时，重点提到了3 d 打印技术。在 2 0 13 年的意法半导体传感器设计大赛中，获得最高奖的 西电代表队的作品外形也是用3 d 打印技术制造出来 的。在中国北京d r c 基地的首家3 d 打印体验馆里，只 要有一台3 d 打印机和相应的扫描仪等设备，十几分钟 就可以出炉缩小版的人像。瞬间造成“克隆人”，已不再只 是停留在好莱坞科幻片中的场景了，而是成为可以看得 见，摸得着的现实世界了。在更早开始使用3 d 打印机的 欧美等发达国家，目前3 d 打印的功能近乎魔幻化 j 、到人体的心血管组织，大到高层建筑或飞机外壳，3 d 打印几乎无所不能。在3 d 打印技术不可思议的背后，是 其对整个传统制造业流程的颠覆，一场前所未有的技术 革命即将到来。 目前，3 d 打印技术依托多个学科领域的尖端技术， 在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了 一定应用，发展前景广泛。英国经济学人杂志在第三 次工业革命一文中，将其称为第三次工业革命的重要标 志之一。在3 d 打印技术得到广泛运用的情况下，传统制 造业也许不再运用企业这种将人力、资金、设备等生产要 素大规模集中化的生产方式，而转变为一种以3 d 打印 机为基础、更加灵活、所需要投入更少的生产方式社 万方数据 封面故事 图1利用三维打印机制作的彩色玩偶 会化制造( s o c i a lm a n u f a c t u r i n go 面对这一新的生产方 式变革，以美国的“重振制造业计划”为例，西方发达国家 陆续开展类似的研究以推动其“再工业化、再制造化战 略”，掀起新一轮的数字化制造浪潮，以3 d 打印为代表 的增材制造技术已成为国际制造业关注的热点。 l _ 3 d 打印技术的基本原理 所谓的3 d 打印，即与传统二维打印相比，其最后 的成品不是二维图样，而是一个真实的三维物体。3 d 打 印技术是传统的二维打印与分层制造工艺相结合的产 物，是快速成型制造技术的一个重要组成部分，其基本原 理与快速成型制造类同。其工作实质是一个“三维电子模 型二维数据三维物理模型”的转化。基本流程如 下： ( 1 ) 由c a d 软件( 如u n i g r a p h i c s ，p r o e n g i n e e r ， a u t o c a d 等) 生成实体的三维几何信息，然后根据工艺 要求，按照一定规则将该三维实体模型离散为一系列有 序的单元，通常在z 向将其按一定厚度离散成一系列的 二维层片。 ( 2 ) 在层片信息中添加实体的材料信息。 ( 3 ) 通过打印驱动程序，经过一个数字半色调的过程 将连续的材料组分信息，转化成可印刷的离散材料信息， 并产生打印指令。 ( 4 ) 最后打印机根据系统所给的几何路径和材料组 分信息，在打印平台上打印给定的层厚，即打印一个剖切 面，完成一层之后，再打印接下来的一层，这样层层堆积 杭州科技 叠加，得到三维实体。 打印结束后，进行除粉、烘干等后处理，同时可以将 蜡、环氧树脂或其他材料渗入原型材料中，以提高原型件 的强度和使用寿命。此外，还可以进行抛光、油漆、着色、 电镀等。通常而言，对简单零件而言，后处理阶段所需时 间在10 分钟内。 诺 图23 d 打印机工作的基本流程示意 i3 d 打印技术的特点 3 d 打印技术是目前快速成型行业中最有生命力的 技术，其主要特点如下： ( 1 ) 由三维c a d 模型直接驱动，在一定程度上实现 了设计制造一体化。 ( 2 ) 高度柔性。这种制造方式不受零件的形状和结构的 任何约束，使复杂模型的直接制造成为可能：除了可以表 现出外形曲线上的设计，对于结构以及运动部件的表现 也不在话下。如果用来打印机械装配图，齿轮、轴承、拉杆 等都可以正常活动，而腔体、沟槽等形态特征位置；隹确， 甚至可以用于测试装配公差的设计合理性，打印出的实 体还可以通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。同时 粉末材料不限于砂型材料，还有弹性伸缩材料、高性能复 合材料、熔模铸造材料、金属材料等其它材料可供选择。 ( 3 ) 缩短新产品的研制周期，降低研发成本。三维打 印技术可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转换成 真实的产品模型，从而可以对正处于设计阶段的产品做 出快速评价、修改及功能试验，这样既有效地缩短了产品 r 一 万方数据 的研发周期，又降 l k 氐7 经济损耗。 但由于该技术还处于初级阶段，还存在很多不足之 处，例如对用来打印的材料有一定的要求，到目前为止， 它使用尼龙粉末、塑料、陶土或金属等材料进行打印，所 以它所能打印出的三维实体大多还只是实物的模型，不 能直接对其进行应用。 i3 d 打印技术的发展筒史 3 d 打印机普遍采用快速成型技术，到目前为止，已 有十几种不同的快速成型技术方法问世。其中比较典型 的有分层实体制造( 也称叠层法l o m l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) 、选择性激光烧结( s l s - - s e l e c t i v e l a s e rs i n t e r i n g ) 、立体平板因素印刷( 也称为光固法 s l a - - s t e r e o l i t h o g r a p h y ) 、熔融沉积制造( f d m - - f u s e d d e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 、掩模固化法( s g c - - s o l i dg r o u n d c u r i n g ) 和三维印刷法( 3 d p - - t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t - i n go 生产l o m 系统的主要制造商有美国的h e l y s i s 公 司、新加坡的k i n e r g y 公司、日本的k i r a 公司以及国 内的清华大学、华中科技大学等：生产s l s 系统的主要 制造商有美国的d t m 公司、德国的e o s 公司以及国内 的北京隆源公司、华中科技大学等；生产f d m 系统的主 要生产商有美国s t r a t a s y s 公司及国内的清华大学等；生 产s l a 系统的主要制造商有美国的3 d s y s t e m s 公司、 德国的e o s 公司以及国内的西安交通大学等。另外，一些 l ，幺： 叠受 图33 d 打印技术在产品装配、器官模拟、艺术创造方面 的应用 c o v e rs t o r yi 封面故事一 其他的方法如三维喷涂粘接3 d p g 、数码累积造型d b l 、 立体光刻s g c 、直接壳法d s p c 、喷墨打印、全息干涉制 造、弹道微粒制造、光束干涉固化等都有一定研究规模。 另外，有些3 d 打印机采用数字半色调技术。数字半 色调技术是基于人眼的视觉特性和图像的成色特性，利 用数学、计算机等工具，在二值设备或有限灰度级别设备 上实现图像再现的一门技术。它将连续色调图像经过处 理后输出，即将具有连续色调的原始图像转化为离散的 二值f 0 或1 ) 阵列，并通过打印机在介质上输出此二值阵 列来实现图像阶调的再现。对于三维打印机而言，它在打 印过程中也需要这一转化过程，只是在操作过程中将颜 色信息转变成了材料信息而已。 在欧美等发达国家，3 d 打印技术的应用已较为广 泛，大到飞行器、赛车，小到服装、手机外壳、甚至是人体 组织器官，各领域或多或少都借着3 d 打印的东风，焕发 出新的生命。目前3 d 打印技术已成为国外研究空间飞 行器的关键技术。美国总统奥巴马在最近的国情咨文演 讲中多次强调3 d 打印技术的重要性，称其将加速美国 经济的增长。美国政府将人工智能、3 d 打印、机器人作为 重振美国制造业的三大支柱，其中3 d 打印是第一个得 到政府扶持的产业。据悉，美国国家航空航天局正在研究 一项被称为“未来3d 打印宇宙飞船”的技术，希望通过 3 d 打印，制造出“廉价的机器人宇宙飞船”，奥巴马政府 已经在俄亥俄州重点投入建一个专门整合国家资源的研 究所，以加大3 d 打印技术的研究和应用力度。事实上， 在美国，价格低、操作简便的小型家用3 d 打印机已到了 “每4 公里范围内有一台”的普及程度，其购买量不断攀 升。近1 0 年，三维打印机开始快速发展，比较有代表性的 生产商包括德国e o s 公司、美国的3 ds y s t e m 公司、z c o r p 公司等。 我国的3 d 打印技术自1 9 9 0 年代初就有多所高校 开始进行具有自主知识产权的快速成型技术研发，清华 大学、西安交通大学、华中科技大学等高校和科研机构相 继研发出多种系列的3d 打印机部分技术已达到世界 领先水平，取得了令人瞩目的科研进展。如华中科技大学 史玉升教授的研究团队开发的1 2 米+ 1 2 米的“立体打 印机”( 基于粉末床的激光烧结快速制造装备) ，是目前世 h a n g z h o us c l t e c h3 万方数据 封面故事ic o v e rs t o r y 界上最大成型空间的得到工业应用的3 d 打印机，远远超过国外同类装 备水平。 但是由于资金投入、研发水平等因素的限制，国内的快速成型设备 在运行的稳定性等方面与国外设备有一些差距：材料问题一直是快速成 型技术的核心问题，与国外提供的材料品种及其性能相比，还有着一定 的差距。 l产业化前景：潜力难以估 放眼全球，我们发现，3 d 打印技术研发成为了又一次世界性科技角 逐。3 d 打印被很多人认为是“第三次工业革命”的一大核, b g n 技术领导 者。国际增材制造行业发展报告显示，3 d 打印技术2 0 11 年全球直接 产值为1 7 1 4 亿美元，年增长2 9 1 。目前全球两家3 d 打印机制造巨 头s t r a t a s y s 和3 d s y s t e m s 均在美国纳斯达克上市，2 0 11 年营业收入 分别为1 7 亿美元和2 9 亿美元，2 0 1 2 年股价分别翻了2 倍和3 倍。 据评估，目前全球3 d 打印市场一年的市场总量不过2 0 亿美元，而 国内只有不到2 亿元人民币。 3d 打印机在中国国内近两年增长很快，企业级装机量约为4 0 0 台，年增速均在7 0 左右。预计到2 0 15 年全球市场规模将超过3 0 亿美 元。而随着技术的不断发展，未来国内3 d 打印市场也将是十分广阔的。 但3 d 打印技术并非没有软肋。与传统工业铣床低至5 万美元的成 本相比，工业规模的3 d 打印机高达几十万甚至逾百万美元。此外，打印 批量小物件依然要消耗数小时甚至一天多，因此尚不适用于大规模生 产。目前3 d 打印技术在我国主要应用于产品研发，且制造成本高、制造 效率低、制造精度无法令人满意。就目前的形势来看，3 d 打印技术尚不 具备取代传统制造业的条件，在大批量制造等方面，高效低成本的传统 减材制造法更胜一筹。不过，随着生产速度和质量的不断提升以及打印 装置和材料价格的下降，越来越多的工业部件将被打印出来，而不是被 冲压或烧铸出来。 第三次工业革命将会由大规模制造转向个性化生产，社群协同制造 的关系会改变制造流程，打破跨国代工产业链。1 9 1 2 年前后出现的科学 技术电气化、电话、汽车时代的萌芽、不锈钢和无线电放大器的发明 都推动了经济的增长，然而即便这样，当时的人也无法预测到这些科技 发明所产生的革命性力量。 3 d 打印技术未来能否继续扮演新一轮产业革命的主角，我们将拭 目以待。不过我们坚定地认为，随着科学技术水平的不断发展，3 d 技术 的应用必将是无穷尽的。一 i n 杭州科技 科学大讲堂特邀专家 解读3 1 ) 打印技术 9 月1 4 日，由杭州市科协主 办，市科技工作者服务中, c , g n 市机 械工程学会、市计算机学会共同承 办的科学大讲堂第7 3 讲3 d 打 印技术特邀报告会举行。“智能绿色 制造”3 d 打印科普展也同期展出， 各种3 d 打印的样品、3 d 打印机、 3 d 打印现场演示