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浅谈3D打印技术与粉末冶金 吕家申 上海市新材料协会秘书长 二O一四年四月二十八日 一 概念 打印是以数字模型文件为基础 运用粉末状 金属 塑料 陶瓷等可粘合材料 通过逐层堆叠 累积的方式来构造物体的一种快速成形制造技 术 并非印刷技术 与传统制造业通过切割打磨原料最终成形不同 打印是从无到有的制作过程 几乎不产生废 料 二 原理 搜集打印物体的3D数据后 将该数据转换成叠加 的二维图像 一层层打印并叠加 最后形成一个 固态物体 与传统打印最大的区别是 3D打印的原料可以是 有机 无机或金属材料 最关键的一点是可以应 用于不同的领域 如制造业 医疗领域 航空航 天领域等 空客设计师们甚至透露将在2050年前 直接打印飞机零件 三 意义 对工业升级发展具有重大意义对工业升级发展具有重大意义 1 3D打印技术是制造史上的巨大突破 2 可以优化新产品设计开发过程 3 产品在设计阶段可进行功能试验并接受设计评 估与校审 四 发展历史 3D打印源自100多年前研究的照相雕塑和地貌成 形技术 上世纪80年代已有雏形 其学名为 快速成型 在20世纪80年代中期 SLS被在美国得克萨斯州 大学奥斯 汀分校的卡尔博士开发出来并获得专利 但没有 被商业化 1986年 Clarles Hull开发第一台3D打印机 四 发展历史 1993年 麻省理工学院获3D印刷技术专利 1995年 美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并 开始开发3D打印机 2005年 市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功 2010年11月 世界上第一辆由3 D打印机打印而成的汽车 Urbee问世 2011年6月6日 发布了全球第一款3D打印的比基尼 四 发展历史 2011年7月 英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力 打印机 2011年8月 南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一 架3D打印飞机 2012年11月 苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印 机打印出人造肝脏组织 四 发展历史 2013年10月 全球首次拍卖一款名为 ONO之神 的3D 打 印艺术品 2013年11月 美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司 固 体 概念 设计制造出3D打印金属手枪 五 应用 该技术目前可用于珠宝 鞋类 工业设 计 建筑 工程和施工 AEC 汽车 航空航天 牙科和医疗产业 教育 地理 信息系统 土木工程 枪支等诸多领域 六 案例 六 案例 六 案例 六 案例 七 3D打印机 中国3D打印机 2012年 市场规模达10亿元 2016年 将扩大到100亿元 从而使中国超越美国成为全球最大的市场 八 3D打印技术种类 类型累积技术基本材料 挤压熔融沉积法 FDM 热塑性塑料 共晶系统金属 可食 用材料 线电子束自由成形制造 EBF 几乎所有合金 粒状金属激光烧结 DMLS 电子束熔化成形 EBM 选择性激光熔化成形 SLM 选择性热烧结 SHS 选择性激光烧结 SLS 几乎所有合金 钛合金 钛合金 钴铬合金 不锈钢 铝 热塑性粉末 热塑性塑料 金属粉末 陶瓷粉末 粉末层喷头号D打印 石膏3D打印 PP 石膏 层压分层实体制造 LOM 纸 金属膜 塑料薄膜 光聚合立体平板印刷 SLA 数字光处理 DLP 光固化树脂 光固化树脂 九 现状 中国中国3D打印技术及设备开发已取得较大进展打印技术及设备开发已取得较大进展 激光直接加工金属技术发展较快 已基本满足特 种零部件的机械性能要求 有望率先应用于航天 航空装备制造 生物细胞3D打印技术取得显著进展 已可以制造 立体的模拟生物组织 为我国生物 医学领域尖 端科学研究提供了关键的技术支撑 知识产权现状 3D打印机 美国 已拥有约750项发明专利 日本 次之 在中国流通的3D打印机大部分是美国和欧洲 的产品 但廉价的国产打印机也在不断涌现 这 为推动3D打印机应用迅速扩大的主要原因 湖北 南京 东莞等地采取优惠政策 大力吸 引3D打印机的相关企业 正在加紧研究欧美日的 最新技术 知识产权现状 中国企业增长的需求主要是利用3D打印机进行研 究开发和产品试制 3D打印的确更适合一些小规模制造 尤其是高端 的定制化产品 比如汽车零部件制造等 虽然主 要材料还是塑料 但未来金属材料肯定会被运用 到3D打印中来 十 发展瓶颈发展瓶颈 1 价格因素 价格因素 2 原材料 原材料 3 道德的挑战 道德的挑战 4 整个行业没有标准 难以形成产业链 整个行业没有标准 难以形成产业链 5 意料之外的工序 意料之外的工序 6 知识产权的忧虑 知识产权的忧虑 7 缺乏杀手锏产品及设计 缺乏杀手锏产品及设计 十一 中国发展3D打印技术的机会 3D打印机打印机 目前国内如湖北等地其制造技术具国 内领先 但也无法出口 因美国等专利圈地所致 3D打印材料打印材料 目前 国内用于3D打印的材料厂商 大多集中在湖南 西安等地 其他地区材料厂商积 极性不高或未有意识 还未形成气候 十二 粉末冶金在3D打印发展中的机会 1 粉末冶金与3D打印有许多类同之处 2 3D打印用原材料 金属材料 是粉末 冶金界