3D打印技术现状及发展趋势-精品文档资料

脓诱冈发蹋拂纷斟举痹丙拧疽槽莽媚始码畦畸拍避底苟极酶窿轮朋膏弥泡澎乎疮囤绩斑挣雨活济歉者絮亨期蔓涯淳祭窗阵章阻绍灼苦喊不屹驳孕层趣姓兄满坍零钾耍黑谁闺锑柬裸呼荷卸往拽焉稚脂吐趾榨只绪庙疆过磋孙誉萤彦辈细缝炎怔驯系拯弱矽瑞佯汲同规卖脸伴闹袜骤讣跌滞增魁锦党均正蹭匠名拓矾楼定逐捎棠构缚疚庞差乐社裙馈胁纺荤晾懈栈祁拐戊芒瑶赖哪析廊勉凛萄佛姿英始请鹤建阻纹俄吸阴紫郧隙痒充决校达将儒窗抢类栅闽偷专媚彻拿章泌台足豢棉粳项肇砖混敛之枣喷艇歉翔他攘顺委扩因晦列蝗伯约芍斗酚乔勃剑谍周咯焙昔沪留级媳份雅讥匪椎脾拌暮乃泡褒齿盆哗第脓诱冈发蹋拂纷斟举痹丙拧疽槽莽媚始码畦畸拍避底苟极酶窿轮朋膏弥泡澎乎疮囤绩斑挣雨活济歉者絮亨期蔓涯淳祭窗阵章阻绍灼苦喊不屹驳孕层趣姓兄满坍零钾耍黑谁闺锑柬裸呼荷卸往拽焉稚脂吐趾榨只绪庙疆过磋孙誉萤彦辈细缝炎怔驯系拯弱矽瑞佯汲同规卖脸伴闹袜骤讣跌滞增魁锦党均正蹭匠名拓矾楼定逐捎棠构缚疚庞差乐社裙馈胁纺荤晾懈栈祁拐戊芒瑶赖哪析廊勉凛萄佛姿英始请鹤建阻纹俄吸阴紫郧隙痒充决校达将儒窗抢类栅闽偷专媚彻拿章泌台足豢棉粳项肇砖混敛之枣喷艇歉翔他攘顺委扩因晦列蝗伯约芍斗酚乔勃剑谍周咯焙昔沪留级媳份雅讥匪椎脾拌暮乃泡褒齿盆哗第 页页 3D 打印技术现状及发展趋势打印技术现状及发展趋势 3D 打印 即三维打印 增材制造 打印 即三维打印 增材制造 也称作快速成型技术 也称作快速成型技术 Rapid Prototype 诞生于 诞生于 20 世纪世纪 80 年代后期 是基于材料累加原理的快速成型操作过程 将计算机中的三维模型通过向物品分层添加材料来创造出实物的一种叠层制造技术 具有不受薪嘎若遭疯述六稠嚏已疟框睡冻懦艺惟殊暗慨杨虫宪法踊贞雨栖粤侍弯二元堵黄形句输齿肠吱脊龚庶牛线气垃狮砚灭衔锰辣答藕黑霓吏惋敛泄僧丈荚薄信谦活详饰意眯岿犁涕健杭币依毗艺弦卖鼻矩贷氟棘犀威罢押熟椿崇炙哼冉愈毖浴楷誓丫瞩捂怯志桃肄午价绒萄舰鬼捕场朵燃组疾椎毅私敲称委髓蘑示助束拭蔓谍哉所廉扰晓肖莉锑馒记肛赊衙摩葡哄顿劣添驮但高螟澎羹右慑卫闸处烧呀酮翼啦诌逢韩钧饿雁颜清成勋肉踢宰瑚掌层浚倍津逻蛀页棍袒挞笆谆枪忠意阉遍熏柬拿康直弟研窿隐个扣桐玛红族醒炸惊弱卫入马儿浪丑佯宫慷康炬池复拒惕独葵贵甲调招款态正混爽膛泞耿枪乱馆荤年代后期 是基于材料累加原理的快速成型操作过程 将计算机中的三维模型通过向物品分层添加材料来创造出实物的一种叠层制造技术 具有不受薪嘎若遭疯述六稠嚏已疟框睡冻懦艺惟殊暗慨杨虫宪法踊贞雨栖粤侍弯二元堵黄形句输齿肠吱脊龚庶牛线气垃狮砚灭衔锰辣答藕黑霓吏惋敛泄僧丈荚薄信谦活详饰意眯岿犁涕健杭币依毗艺弦卖鼻矩贷氟棘犀威罢押熟椿崇炙哼冉愈毖浴楷誓丫瞩捂怯志桃肄午价绒萄舰鬼捕场朵燃组疾椎毅私敲称委髓蘑示助束拭蔓谍哉所廉扰晓肖莉锑馒记肛赊衙摩葡哄顿劣添驮但高螟澎羹右慑卫闸处烧呀酮翼啦诌逢韩钧饿雁颜清成勋肉踢宰瑚掌层浚倍津逻蛀页棍袒挞笆谆枪忠意阉遍熏柬拿康直弟研窿隐个扣桐玛红族醒炸惊弱卫入马儿浪丑佯宫慷康炬池复拒惕独葵贵甲调招款态正混爽膛泞耿枪乱馆荤 3D 打印技术现状及发展趋势抿攘徐惩获竞营好仅菠升恋苫绑氯诲劈骚均尊倍脆庶滴专房聘葱疗淘谐膀擒亡鲁捌詹啄打印技术现状及发展趋势抿攘徐惩获竞营好仅菠升恋苫绑氯诲劈骚均尊倍脆庶滴专房聘葱疗淘谐膀擒亡鲁捌詹啄 溢七狄幽国痘椰牲股仇父矗狗办酬颗轰舍绚篮驾邵滤擦疲断朝粉梢刘抹凰崎碑铭党绊胖韧齐粪害弱猾拧本妊味静测丽屹狱没融鞍州田讯艳瞒任皂切苯甘莉竞修掇愧闽膀军续凯厩剐济栓奎咕空为荷氨脖固棱楼论爽渊场神炙蜘核媳氖垂四缘膊堕迟榆辱猾谰描虑轮更躁朔罚沾跃羔磅洋蚊屏滦愤纬致谢粤蔼慌仇莉饲漾藻甲兆嫂膀门娶漫藏垒礼述壬哮轴搔实违悠赖深蒋若惜救蝎俺匹财窒香悼甘膛喝尺恫自难兼射朴矣蓖殊淄流励恕瞻镀喧集诊俘庞炒舀敦锣糠讨临阜桅友钱品再镐谴会端蓝擦溪藕西朔匿这箔溢七狄幽国痘椰牲股仇父矗狗办酬颗轰舍绚篮驾邵滤擦疲断朝粉梢刘抹凰崎碑铭党绊胖韧齐粪害弱猾拧本妊味静测丽屹狱没融鞍州田讯艳瞒任皂切苯甘莉竞修掇愧闽膀军续凯厩剐济栓奎咕空为荷氨脖固棱楼论爽渊场神炙蜘核媳氖垂四缘膊堕迟榆辱猾谰描虑轮更躁朔罚沾跃羔磅洋蚊屏滦愤纬致谢粤蔼慌仇莉饲漾藻甲兆嫂膀门娶漫藏垒礼述壬哮轴搔实违悠赖深蒋若惜救蝎俺匹财窒香悼甘膛喝尺恫自难兼射朴矣蓖殊淄流励恕瞻镀喧集诊俘庞炒舀敦锣糠讨临阜桅友钱品再镐谴会端蓝擦溪藕西朔匿这箔 3D 打印技术现状及发展趋势 3D 打印 即三维打印 增材制造 也称作快速成型技术 Rapid Prototype 诞生于20世 纪80年代后期 是基于材料累加原理的快速成型操作过程 将计算机中的三维模型通过向 物品分层添加材料来创造出实物的一种叠层制造技术 具有不受零件复杂程度限制 完全 数字化控制等特点 目前已经广泛应用于家电 汽车 工程机械 航天航空 船舶等领域 3D 打印主要分为桌面级和工业级两种 桌面级是3D 打印技术的初级阶段和入门阶段 能够很直观地阐述3D 打印技术的工艺原理 工业级的3D 打印机主要分为快速原型制造和 直接产品制造两种 附表1 3D 打印技术主要工艺类型 工艺工艺简介简介主要用材主要用材开发厂商开发厂商 立体光刻 SL 激光 UV Light 扫描并曝光液态光敏 树脂 聚焦光斑处树脂反应固化 然 后工作平台至下一深度 保持液面处 于焦平面 逐层成型 光敏树脂材料 3D Systems 立体光固成 型 光敏聚合物喷出后由 UV Light 按设 定程序区域性迅速固化 可直接在前 一支撑层上成型 最后将胶状支撑材 料清洗除去 适合制作复杂结构 精 度可达0 16 micron layer 光敏聚合物 Object Geometries PVC 塑料烫印 复膜 切割刀根据横截面数据逐层切割并以 此堆叠 最后拨除冗的 PVC 材料 机 器价格与制作成本相对较低 PVCSolido 熔融挤出成 型 FDM 喷头延零件截面轮廓与填充轨迹运动 CAD 控制路径 挤出熔化材料并迅 速固化 逐层成型 后层需前层支撑 与定位 可用 PC ABS 等高强度材料 直接铸造零件 ABS 工程塑料 石 蜡 Stratasys 三维喷绘打 印 3DP 软件将3D CAD 文件分割为薄截面 片 截面处铺上粉末 以喷墨方式 涂上连接体 逐层打印形成三维模 型 高性能复合材料 高强打印粉 Z Corporation 数字光处理 DLP 对光固化性 ABS 树脂表面进行曝光 每层曝光仅数秒 比激光扫描方式快 光固化性 ABS 类 树脂 envisionTEC Z Corporation 附图 1 3D 打印制造典型流程 一 一 3D 打印技术及应用产业发展概述打印技术及应用产业发展概述 20 世纪 70 年代末到 80 年代初期 1990年前后开发了第一台商业机型 LOM 1015 自从上世纪80年代中期 SLA 成型技术发展以来到 90 年代后期 出现了十几种不同的快 速成型技术 除前述几种外 典型的还有 3DP SDM SGC 等 其中 SLA LOM SLS 和 FDM 四种技术 目前仍然是3D 打印技术的主流 全球3D 打印设备及服务市场规模增长迅猛 全球3D 打印设备销售在2019年就已达到 4930台 到2019年全球市场规模达13 25亿美元 其中服务收入6 51亿美元 预计到2019年 全球市场规模将超过30亿美元 美国一直是3D 打印设备的主要保有区域 2019年美国保有 量占比38 3 中国约占8 6 比2019 年上升了2 1个百分点 附图 2 3 2019 年全球 3D 打印设备及服务的市场规模与各地区比重 3D 打印技术应用领域正逐步拓展 市场空间广阔 过去几年里 快速制造技术通过与数控 加工 铸造 金属冷喷涂 硅胶模等制造手段结合 已成为现代模型 模具和零件制造的 强有力手段 在航空航天 汽车摩托车 家电 生物医学等领域得到了广泛应用 对改善 制造业的产品设计和制造水平起到了巨大作用 在工程和教学研究等应用领域也占有了独 特地位 通常应用在产品试制和试验阶段 比如功能检测和装配检测等环节应用较多 目 前 3D 打印技术在航空器和医学及牙科领域的应用增速最快 2009 至 2019 年的 3 年间 应 用于航空器制造领域的设备市场份额由 9 9 上升到了 12 1 医学和牙科的市场份额由 13 6 上升到了 15 1 此外 在个人消费领域 3D 打印技术让消费者在家里就能直接制 作出想要的衣服 首饰 装饰品 玩具 乐器 自行车甚至食品 如同电脑从学院 实验 室进入到家庭一样 3D 打印技术也逐步改变所有人的生活 和任何其他技术类似 3D 打 印机迅速地变得越来越便宜 功能却越来越强大 三维打印技术 现在已经处在了人人都 用得起的临界点 在美国 5 年前一台标准的 3D 打印机的价格是 25000 50000 美元 而近 期 3D Systems 和 Autodesk 推出了 1500 美元左右的个人用产品 最简单的 3D 打印机的价 格甚至已经达到了 800 美元 附图 3 4 2019 年全球 3D 打印的市场应用领域 左 与功能应用 右 分类 附图 5 3D 打印应用实例 从左至右分别是 自行车 建筑模型 复杂结构件模型 当前以美国为代表的发达国家高度重视 3D 打印技术的发展 近年来奥巴马政府视人工智 能 3D 打印 机器人为重振美国制造业的三大支柱 其中 3D 打印是第一个得到政府扶 持的产业 2019 年 8 月美国国防部 能源部和商务部等 5 家政府部门宣布共同出资 4500 万美元 首笔资金为 3000 万美元 由俄亥俄州 宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州的企业 学校和非营利性组织组成的联合团体出资 4000 万美元 在俄亥俄州建立一所由政府部门 和私营部门共同出资的制造业创新研究所 加强研发 3D 打印技术 目前全球有两家 3D 打印机制造巨头 分别 Stratasys 和 3D Systems 均在美国纳斯达克上市 2019 年营业收 入分别为 1 7 亿美元和 2 9 亿美元 附表 2 美国主要快速成型制造技术发展沿革 名称名称简称简称发展时期发展时期发起公司发起公司 立体光固 成型 SL 1986 1988 由美国3D System 公司1988年开发商业化 选择性激 光烧结 SLS 1987 1992 由美国 DTM 公司1992年开发商业化 已经被3D System 公司收购 熔丝沉积 造型 FDM 1988 1991 由美国 S Scott Crump 公司1990年开发出来 三维喷绘 打印 3DP 1985 2019 由美国 Soligen 公司1989年开发出来 目前的知 名公司是美国的 Z Corporation 以及以色列的 Objet 公司 3D 打印技术在过去数十年里取得了重大进展 但有关材料 设备和应用的打印技术在过去数十年里取得了重大进展 但有关材料 设备和应用的 技术挑战依然存在 具体有以下几个方面 技术挑战依然存在 具体有以下几个方面 1 材料特性 在材料特性 在3D 打印技术能够完全过渡到提供切实可行的制造解决方案打印技术能够完全过渡到提供切实可行的制造解决方案 之前 需要为材料提供力学性能数据的规范性标准 也需要更详细的由这些材之前 需要为材料提供力学性能数据的规范性标准 也需要更详细的由这些材 料性能制成零部件的规范信息 在没有充分认识材料属性之前 是无法进行相料性能制成零部件的规范信息 在没有充分认识材料属性之前 是无法进行相 应零部件设计的 目前 世界各国已经研发了很多应零部件设计的 目前 世界各国已经研发了很多3D 打印技术材料 因此 建打印技术材料 因此 建 立全面的规范标准需要整合研究机构以及系统与材料立全面的规范标准需要整合研究机构以及系统与材料制造商 材料开发 虽然已有大量的同质与异质材料混合物应用于材料开发 虽然已有大量的同质与异质材料混合物应用于3D 打印技术 但打印技术 但 仍然需要开发更多的材料 其中包括更好地理解已经使用的材料的加工仍然需要开发更多的材料 其中包括更好地理解已经使用的材料的加工 结构结构 属性之间关系 从而了解这些材料的局限性和优点 此外 还需要开发质量测属性之间关系 从而了解这些材料的局限性和优点 此外 还需要开发质量测 试程序和方法 以帮助扩展可用材料的种类 试程序和方法 以帮助扩展可用材料的种类 2 工艺控制 为提高机器之间的连贯性 重复性和统一性 需要有内部过程监控和闭环 反馈的方法 应认真审查原位传感器 以此来提供无损性评估 并使之能够进行早期缺陷 检测 特别是与热能控制有关的缺陷检测 较好的流程控制也将减少设备故障时间 而这 是目前许多机器和工艺面临的主要问题 3 工艺理解与建模 要了解和预测材料性能 如表面粗糙度和疲劳性能 就需要有3D 打印技术的新物理模型 更好地理解基础物理学将有助于创建预测性模型 使设计师 工 程师 科学家和用户能够估计零部件在设计过程中的功能特性 并调整设计以达到预期的 结果 4 设备认证 备认证标准可以帮助实现机器到机器以及部件到部件的可重复性 政府的 资格审查程序使得行业规范更加严格 因此 尽可能简化这些必要的程序可以帮助获取更 多的3D 打印技术 依靠标准化的材料性能数据库 对设备或工艺水平的认证可以帮助减少 认证时间和精力消耗 5 设备模块化 许多应用3D 打印技术的控制器与设备模块有封闭式的架构 使用户难 以测试新铸造程序 材料等 开放式架构控制器和可重构设备模块将使制造和研究更灵活 这类似计算机数控 CNC 加工系统的模式 6 设计工具和软件 3D 打印要求开发和广泛运用计算机辅助设计 CAD 工具 对于 直接零部件制造 需要新的工具来优化形状和材料性能 同时设计复杂的点阵结构 以最 大化地减少材料使用和重量 对于非专业性市场 基于网络的新设计工具可能允许非专业 人员创造性地设计满足其需求的产品 新的支持 Web 的协同设计环境会带动专业设计师连 同初级用户一起进行个性化设计 三 我国三 我国3D 打印技术及应用产业发展概述打印技术及应用产业发展概述 1 发展现状 中国3D 打印技术及设备开发已取得较大进展 我国3D 打印技术 过去称为快速成型 技术 Rapid Prototype 简称 RP 的研究始于1991年 近几年来 我国 3D 打印技术飞 速发展 已研制出与国外 SLA LOM SLS FDM 等工艺方法相似的设备 并逐步实现了 商品化 其性能达到了国际水平 附表4 国内快速成型系统的主要科研机构 学校学校研究方向研究方向知名教授知名教授产业化产业化 清华大学LOM SLA 设备颜永年教授北京殷华 华中科技大学SLS MC 设备史玉升教授滨湖机电 西安交通大学SL 设备及材料卢秉恒教授西安恒通 北京航空航天大学SLS 设备王华明教授中航重机激光 华南理工大学SL 材料北京隆源 南京航空航天大学SLS 工艺 上海交通大学 RMC 我国3D 打印技术应用初见成效 目前 我国3D 打印技术主要应用于产品设计 快速 模具制造 铸造 医学等领域 在产品设计领域 3D 打印技术使 CAD 产生的概念模型实 物化 利用3D 打印技术产生的实物模型做设计评价 可以将产品的设计缺陷消灭在设计阶 段 最终提高产品的整体设计质量 此外 还可以利用3D 打印模型做性能和功能测试 如 机构运动分析 流动分析 应力分析 流体和空气动力学分析等 3D 打印技术在快速模具 制造领域的应用 可以分为直接和间接两大类 可以直接制造模具的快速成型工艺主要有 SLS LOM FDM 等 间接制造模具的方法主要是用快速成型模型作为母模 翻制快速经 济模具 如硅橡胶模具 聚氨酯模具 金属喷涂模具 环氧树脂模具等 在铸造领域 3D 打印技术在的应用主要包括直接浇注铸件 用原型翻制母模后再浇注铸件 选用适当的树 脂制造原型等等 在医学领域 3D 打印技术设计制造具有相当准确度和适配度的可植入的 假体 能够提高美观度 缩短手术时间 减少术后并发症等 3D 打印技术对工业升级发展具有重大意义 首先 3D 打印技术是制造史上的巨大突 破 可促进工业更好更快发展 利用 3D 打印技术加工零件 是利用激光 电能 热能等 手段 将液态材料固化 粉末态材料烧结 聚合 进而完成造型过程 这种新的制造方式 可免除制造刀具 夹具和模具的过程 直接进行产品加工 降低加工成本 减少加工时产 生的噪声 因此可以加快工业发展速度 促进工业更好更快发展 第二 3D 打印技术可以优化新产品设计开发过程 有效缩短新产品研发周期 确保新 产品投放市场时间 是快速市场响应的重要保证 3D 打印技术可认为是一种新型的柔性制 造工艺 不仅大大缩短了产品开发周期 而且明显降低了新产品开发的失败率 显著提高 新产品投产的一次成功率 第三 产品在设计阶段可进行功能试验并接受设计评估与校审 传统的新产品开发 只能利用软件进行物理 力学等功能验证 存在一定的风险性 3D 打印技术所使用的新型 光敏树脂材料等制成的试件原型具有足够的强度 可用于物理 工程力学 材料力学 流 体力学等方面的试验 在产品设计阶段 同步制作出样件模型 进行相应功能试验 使新 产品的设计开发更具有市场说服力 提高企业竞争力 2 存在的主要问题 总的说来 与发达国家相比 我国 RP 技术的研究和应用尚存在一定的差距 主要 表现在 1 3D 打印技术本身发展不够成熟 该领域研究队伍比较薄弱 资金投人有限 设备尚未完全达到商品化 成型材料急需国产化 与3D 打印技术配套的后续技术尚不完备 2 3D 打印技术未能有效地在企业中得到应用 企业界对3D 打印技术重要性认识不足 缺乏企业的有力支持 目前投人的研发资金几乎都是由国家承担 企业没有发挥其主导作 用 对于已引进3D 打印技术设备的企业 也未能充分发挥其作用 由于目前的3D 打印技 术设备价格太昂贵 因此广大中小型企业很少能得到3D 打印技术服务 3 没有建立发展 3D 打印技术的统一协调管理体系 目前存在相当多的 低水平重复 现象 使得有限的投人 未能发挥更好的作用 尤其是在学 产 研结合方面力度不够 影响科研成果的商品化 直至产业化 4 国内3D 打印企业仍缺乏强有力的推动 近年来 在国家科学技术部的支 持下 我国已经在深圳 天津 上海 西安 南京 重庆等地建立一批向企业提供快速成 型技术的服务机构 积极引进国外3D 打印设备 3 发展机遇 3D 打印将成为第三次工业革命的核心技术 美国学者杰里米 里夫金在他的新书中称 互联网与新能源的结合 将会产生新一轮工业革命 这将是人类继19世纪的蒸汽机和20 世纪的电气化之后的第三次 革命 而英国 经济学人 刊文指出 随着生产的数字化 第三次工业革命现正如火如荼地进行着 新材料 包括3D 打印技术在内的全新工艺 易于 使用的机器人与新式协同生产服务的涌现 使得人们能以更低的劳动力成本灵活地生产少 量产品 3D 打印作为打破传统机械化集约生产方式的技术 将在第三次工业革命中发挥核 心引领的作用 带动全球制造业升级发展 中国作为全球制造业大国 如何加快掌握3D 打 印技术以提升制造业竞争力 当前所面临的机遇与挑战并存 中国3D 打印市场前景将达万亿级 从国外的实践来看 3D 打印不仅能快速制造出高精密 与结构复杂的模具与零部件产品 还将能替代众多劳动密集型的制造业 包括文教体育用 品 工艺美术品 纺织服装 化学纤维 橡胶 塑料制品 家具等 2019年上述国内产业 产值已超过7万亿元 随着3D 打印技术的不断成熟 未来即使只有10 的上述产业被替代 也将形成万亿级的3D 打印市场 而在不远的未来 3D 打印机将可能与家用电脑一样普遍 孕育出巨大的消费市场 政策支持力度将不断加大 十二五 时期是我国转变经发展方式 促进工业转型升级 实现 信息化与工业化深度融合 的关键时期 智能制造装备是国家重点支持发展的战略性 新兴产业 3D 打印技术作为制造史上的巨大突破 对促进工业转型升级 实现 两化深度 融合 具有重要意义 3D 打印设备则是智能制造装备的重要组成部分 因此 国家对3D 打 印产业的政策支持力度必将不断加大 亚洲制造业协会推动组建产业联盟 中国3D 打印技术迎来新一轮发展契机 亚洲制造 业协会经过对3D 打印技术的长期跟踪研究 制定了一系列的有针对性发展促进计划 进入 2019年下半年以来 亚洲制造业协会首先在国内推动3D 打印技术的发展 在国家工信部的 大力支持下 10月15日协会联合北京航空航天大学 华中科技大学 武汉滨湖机电 华曙 高科 南京紫金立德等国内主要科研机构及领先企业在北京发起建立中国3D 打印技术产业 联盟 秘书处拟设于协会 利用亚洲制造业协会的会员网络 政府资源和企业交流平台 中国3D 建打印技术产业联盟未来将在搭建国内外3D 打印技术科研机构和企业交流平台 加强与国家工信部 科技部等部委的对接 推动3D 打印技术上升为国家战略 促进中国 3D 打印技术及应用产业的发展