3D打印技术发展状况

3D打印技术发展状况2012年11月 议题 3D打印技术介绍3D打印技术应用3D打印厂商3D打印技术前景 3D打印技术介绍 什么是3D打印 三D打印 3Dprinting 是快速成形技术的一种 它是运用粉末状金属或塑料等可粘合材料 通过一层又一层的多层打印方式来制造三维物体 3D打印是 增材制造 AdditiveManufacturing 的主要实现形式 增材制造 的理念区别于传统的 去除型 制造 传统数控制造一般是在原材料基础上 使用切割 磨削 腐蚀 熔融等办法 去除多余部分 得到零部件 再以拼装 焊接等方法组合成最终产品 而 增材制造 与之截然不同 无需原胚和模具 就能直接根据计算机图形数据 通过增加材料的方法生成任何形状的物体 简化产品的制造程序 缩短产品的研制周期 提高效率并降低成本 3D打印技术介绍 3D打印相关技术 3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术 至少包括以下方面 信息技术 要有先进的设计软件及数字化工具 辅助设计人员制作出产品的三维数字模型 并且根据模型自动分析出打印的工序 自动控制打印器材的走向 精密机械 3D打印以 每层的叠加 为加工方式 要生产高精度的产品 必须对打印设备的精准程度 稳定性有较高的要求 材料科学 用于3D打印的原材料较为特殊 必须能够液化 粉末化 丝化 在打印完成后又能重新结合起来 并具有合格的物理 化学性质 3D打印技术介绍 3D打印技术优势 3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具 就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件 从而极大地缩短产品的研制周期 提高生产率和降低生产成本 与传统技术相比 三维打印技术还拥有如下优势 通过摒弃生产线而降低了成本 大幅减少了材料浪费 它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形 让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器 在具有良好设计概念和设计过程的情况下 三维打印技术还可以简化生产制造过程 快速有效又廉价地生产出单个物品 与机器制造出的零件相比 打印出来的产品的重量要轻60 并且同样坚固 3D打印技术介绍 3D打印工艺分类 一 光固化成型 简称 SLA或AURO 光敏树脂为原料光固化成形是最早出现的快速成形工艺 其原理是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的 这种液态材料在一定波长 x 325nm 和强度 w 30mw 的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应 分子量急剧增大 材料也就从液态转变成固态 光固化成型是目前研究得最多的方法 也是技术上最为成熟的方法 一般层厚在0 1到0 15mm 成形的零件精度较高 多年的研究改进了截面扫描方式和树脂成形性能 使该工艺的加工精度能达到0 1mm 现在最高精度已能达到0 05mm 这种方法也有自身的局限性 比如需要支撑 树脂收缩导致精度下降 光固化树脂有一定的毒性等 3D打印技术介绍 3D打印工艺分类 二 熔融挤出成型 简称FDM 蜡 ABS PC 尼龙等为原料熔融挤出成型 FDM 工艺的材料一般是热塑性材料 如蜡 ABS PC 尼龙等 以丝状供料 材料在喷头内被加热熔化 喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动 同时将熔化的材料挤出 材料迅速固化 并与周围的材料粘结 每一个层片都是在上一层上堆积而成 上一层对当前层起到定位和支撑的作用 随着高度的增加 层片轮廓的面积和形状都会发生变化 当形状发生较大的变化时 上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用 这就需要设计一些辅助结构 支撑 对后续层提供定位和支撑 以保证成形过程的顺利实现 3D打印技术介绍 3D打印工艺分类 三 选择性激光烧结 简称SLS 不同材料的粉末为原料SLS工艺又称为选择性激光烧结 由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C R Dechard于1989年研制成功 SLS工艺是利用粉末状材料成形的 将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面 并刮平 用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面 材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起 得到零件的截面 并与下面已成形的部分粘接 当一层截面烧结完后 铺上新的一层材料粉末 选择地烧结下层截面 3D打印技术介绍 3D打印工艺分类 四 分层实体制造 LOM 没落的快速成型工艺LOM工艺称为分层实体制造 由美国Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功 LOM工艺采用薄片材料 如纸 塑料薄膜等 片材表面事先涂覆上一层热熔胶 加工时 热压辊热压片材 使之与下面已成形的工件粘接 用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框 并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格 激光切割完成后 工作台带动已成形的工件下降 与带状片材 料带 分离 供料机构转动收料轴和供料轴 带动料带移动 使新层移到加工区域 工作台上升到加工平面 热压辊热压 工件的层数增加一层 高度增加一个料厚 再在新层上切割截面轮廓 如此反复直至零件的所有截面粘接 切割完 得到分层制造的实体零件 3D打印技术介绍 3D打印工艺分类 五 三维印刷 3DP 高速多彩的快速成型工艺三维印刷 3DP 工艺是美国麻省理工学院EmanualSachs等人研制的 3DP工艺与SLS工艺类似 采用粉末材料成形 如陶瓷粉末 金属粉末 所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的 而是通过喷头用粘接剂 如硅胶 将零件的截面 印刷 在材料粉末上面 用粘接剂粘接的零件强度较低 还须后处理 具体工艺过程如下 上一层粘结完毕后 成型缸下降一个距离 等于层厚 0 013 0 1mm 供粉缸上升一高度 推出若干粉末 并被铺粉辊推到成型缸 铺平并被压实 喷头在计算机控制下 按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面 铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集 如此周而复始地送粉 铺粉和喷射粘结剂 最终完成一个三维粉体的粘结 未被喷射粘结剂的地方为干粉 在成形过程中起支撑作用 且成形结束后 比较容易去除 3D打印技术介绍 3D打印工艺分类 六 无模铸型制造技术 PCM 制作大型铸件的快速成型工艺无模铸型制造技术 PCM PatternlessCastingManufacturing 是由清华大学激光快速成形中心开发研制 该将快速成形技术应用到传统的树脂砂铸造工艺中来 首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型 由铸型CAD模型的STL文件分层 得到截面轮廓信息 再以层面信息产生控制信息 造型时 第一个喷头在每层铺好的型砂上由计算机控制精确地喷射粘接剂 第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂 两者发生胶联反应 一层层固化型砂而堆积成形 粘接剂和催化剂共同作用的地方型砂被固化在一起 其他地方型砂仍为颗粒态 固化完一层后再粘接下一层 所有的层粘接完之后就得到一个空间实体 议题 3D打印技术介绍3D打印技术应用3D打印厂商3D打印技术前景 3D打印技术应用 3D打印应用领域 工业制造 产品概念设计 原型制作 产品评审 功能验证 制作模具原型或直接打印模具 直接打印产品 3D打印的小型无人飞机 小型汽车等概念产品已问世 3D打印的家用器具模型 也被用于企业的宣传 营销活动中 文化创意和数码娱乐 形状和结构复杂 材料特殊的艺术表达载体 科幻类电影 阿凡达 运用3D打印塑造了部分角色和道具 3D打印的小提琴接近了手工艺的水平 航空航天 国防军工 复杂形状 尺寸微细 特殊性能的零部件 机构的直接制造 生物医疗 人造骨骼 牙齿 助听器 假肢等 消费品 珠宝 服饰 鞋类 玩具 创意DIY作品的设计和制造 建筑工程 建筑模型风动试验和效果展示 建筑工程和施工 AEC 模拟 教育 模型验证科学假设 用于不同学科实验 教学 在北美的一些中学 普通高校和军事院校 3D打印机已经被用于教学和科研 个性化定制 基于网络的数据下载 电子商务的个性化打印定制服务 3D打印技术应用 3D打印部分实例 3D打印技术应用 3D打印部分实例 3D打印技术应用 3D打印应用实例 枪支 威斯康星州工程师 业余枪械师迈克尔 格斯林克 MichaelGuslick 日前使用Stratasys3D打印机以及从网络上下载的设计图 成功打印出了AR 15步枪的下机匣 并把它变成了一支枪 他还在博客上对此进行了分享 3D打印技术应用 3D打印应用实例 赛车 比利时的16名工程师利用3D打印机制造了一辆全尺寸赛车 名为 阿里翁 时速从零提升至60英里 约合每小时96公里 只需要短短4秒钟 最高时速可达到141公里 在德国的霍根海姆赛道 这辆3D打印赛车成功完成测试 3D打印技术应用 3D打印应用实例 胎儿模型 日本公司Fasotec和HirooLadies诊所合作推出了胎儿3D打印服务 天使的形状 可通过母亲躯干的CT或MRI扫描图打印出胎儿的3D树脂模型 打印这个大约7盎司 约200克 重的3D模型 大约需要支付10万日元 约8100元 3D打印技术应用 3D打印应用实例 建筑模型 建筑 土木工程 结构领域使用ZCorp3D打印技术使用3D打印的模型部件作为设计过程的一个步骤 a 早期概念模型b 城市景观c 复杂建筑外嵌和内陷的研究学习d 增强设计者与客户之间的交流 世界上首款3D打印比基尼 内衣轮廓由彼此相连的圆形贴片 编织 而成 最薄处仅为0 7毫米 由于采用了尼龙12材料 质地非常柔软而且不易破裂 据制造者称 这款内衣在浸湿之后穿戴起来非常清爽舒服 3D打印技术应用 3D打印应用实例 服饰 荷兰设计师爱丽丝赫本 IrisVanHerpen 使用3D打印机来为比约克和LadyGaGa进行时尚设计 FreedomOfCreation公司和NaimJosefi公司使用3D打印机制作的华丽高跟鞋 能让凯莉 布拉德心动不已 ContinuumFashion使用MakerBot公司的Replicator打印机创造了第一款3D打印版比基尼和眼镜 成为2012年时装周上的佳话 3D打印应用实例 医用 3D打印技术应用 隐适美牙箍的制造商AlignTechnology公司 基于已扫描的牙齿数据 使用3D打印机打印牙齿矫正工具 营业额接近5亿美元 和传统的戴金属牙箍不同 这种方式是打印出一系列稍微不同的透明牙箍 而且解决了以往微笑时露出金属牙箍的问题 3D打印版的关节和骨头现在正在帮助大约三万名病人正常行走 而一千万人正使用3D打印版适合自己的助听器 在不远的将来 3D打印机还可以打印药物处方 3D打印 航空领域 3D打印技术应用 这个飞机是由美国弗吉尼亚大学工程系学生研制的 它的机翼宽6 5英尺 是由打印零件装配构成 今年8月和9月初 研究小组在弗吉尼亚州米尔顿机场附近进行了4次飞行测试 这是迄今第三架用于建造飞行的3D打印飞机 巡航速度可达到45英里 小时 美国弗吉尼亚大学工程师大卫 舍弗尔称 五年前为了设计建造一个塑料涡轮风扇发动机需要两年时间 成本大约25万美元 但是使用3D技术 我们设计和建造这架3D飞机仅用4个月时间 成本大约2000美元 3D打印 火箭零件 3D打印技术应用 NASA的工程师正在尝试用3D激光打印系统制造下一代空间发射系统 SpaceLaunchSystem SLS 火箭上复杂的金属件 这种3D激光打印系统使用的是选择性激光熔融技术 selectivelasermelting SLM 可以以大大的降低制造工艺难度 并极大的降低生产成本 NASA用来激光熔融的原型机是德国HoffmanInnovationGroupofLichtenfels旗下ConceptLaser生产的M2CusingMachine M2看起来和一般激光熔融3D打印机一样 但打印的材料不是聚合物 而是不锈钢 铝 钛和镍合金等金属 M2的光纤激光器有200W 这种高能激光金属熔融技术生产零件的灵活性相当强 可以直接从设计图纸生产出零件来 而且有很好的加工精度和机械性能 这次NASA用M2来打印的是J 2X引擎的零件 这些零件如果通过结构测试和耐火测试的话 也许有一天能更多的载人登月甚至火星等 美国的下一代空间发射系统预计在2017年底试飞 3D打印 再造完美鹰钩 3D打印技术应用 2005年 名为 美丽 的白头海雕被一名偷猎者用枪击中面部 喙部受伤严重 不能自己进食 动物救援人员发现时 它已奄奄一息 猛禽专家简 芬克 康特威尔联合动力工程集团的机械工程师内特 卡尔文等科学家设计出一种将完全替代 美丽 失去的上颌的尼龙聚合物喙 卡尔文先用3D模拟程式研发出这种新喙 然后用3D打印机把它打印出来 艰巨的修复手术后 美丽 现在已经可以靠自己吃食 喝水和整理羽毛了 议题 3D打印技术介绍3D打印技术应用3D打印厂商3D打印技术前景 Makerbot 个人3D打印机的佼佼者 3D打印技术厂商 下载或新建一个图样 点击打印按钮 这台占地很少的3D打印机就可以挤出超薄塑料 一层一层地打印出实物 而且你愿意打印多少份都可以 跟MakerBot的前代机型相比 最新的Replicator2效率更高 打印更准确 它的软件也更加易于操作 而且你不需要对机器进行组装 点评 有了Replicator2 任何人都可以在家里开设一个小型工厂 想想这3D打印机该能做多少事啊 是不是不寒而栗 美国纽约的这家公司销售该产品 价格约2200美元 3DSystems 全价值链服务提供商 3D打印技术厂商 3DSystems公司 DDD NYSE 是全球最大的3D打印机生产商和解决方案提供者 从2009年收购桌面工厂 DesktopFactory 以来 3DSystems陆续收购了25家公司以补充产品线和提升技术实力 其如今的规模是2009年底的3倍 市值是当时的10倍 达近24亿美元 目前市盈率高达75倍 公司首席技术总监查尔斯 胡尔 CharlesW Hull 是3D打印技术的发明者 1988年 该公司就生产了第一台3D打印机 3DSystems向客户提供 一站式 全套增值解决方案 包括硬件 软件 材料 工艺 教育培训和应用支持 它不仅提供打印机 还出售打印机配套的原材料 相关设计软件 并为客户提供培训 其解决方案涉及模具 医疗 教育 珠宝 建筑等行业 近年来 服务在公司收入中所占比例越来越高 2011年公司服务收入已达9312万美元 占比由2007年的23 2 升至40 图1 在服务 原材料和打印机三块业务的整体拉动下 公司2011年收入同比增长44 至2 3亿美元 净利润更是飙升81 至3542万美元 Stratasys 专注3D打印机生产 3D打印技术厂商 Stratasys公司 SSYS NASDAQ 主要以生产3D打印机为主 产品涵盖桌面打印机 办公室打印机和工厂打印机 公司2011年收入1 56亿美元 净利润2063万美元 2012年4月 Stratasys收购了以色列巨头Objet 合并后市值达到14亿美元 对3DSystems的霸主地位形成挑战 Shapeways 最大的消费立体打印工厂 3D打印技术厂商 网上立体打印公司Shapeways的 未来工厂 2012年10月在纽约市皇后区投入运营 该工厂占地2 5万平方米 可以容纳50台工业打印机 每年可按照消费者需求生产上千万件产品 湖南华曙高科 国内全产业链玩家 3D打印技术厂商 经历近三年历程 成功研制出中国首台高端选择性激光烧结尼龙材料 成为继美国3DSYSTEMS公司 德国EOS公司外 世界上第三家该项设备制造商 同时 华曙成功研制出选择性激光烧结尼龙材料 成为继德国Evonik公司外 世界上第二家该类材料制造商 既制造设备 又生产材料 还从事终端产品加工服务 独立构成了选择性激光烧结技术 SLS 完整产业链的企业 华曙高科是全球唯一一家 2012年夏 华曙高科制造的高端选择性激光尼龙烧结设备 正式启运返销美国 SLS尼龙粉末材料在供应国内市场的同时 也成功销往美国 瑞典 意大利等海外市场 议题 3D打印技术介绍3D打印技术应用3D打印厂商3D打印技术前景 3D打印 奥巴马总统也非常看好 3D打印技术前景 2012年8月 美国总统奥巴马拨款3000万美元 在俄亥俄州建立了国家级3D打印添加剂工业研究中心 并计划第一步投入5亿美元用于3D打印 以确保美国制造业不继续转移到中国和印度 美国 时代 周刊将3D打印列为 美国十大增长最快的工业 英国 经济学人 杂志则认为它将 与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命 据美国 时代周刊 报道 2012年最佳发明揭晓 除人造云 对话手套 谷歌眼镜 高速蝙蝠衣之外 3D打印机等多项发明亦入围 长期跟踪3D打印行业的咨询公司WohlersAssociates表示 2011年 3D打印机的市场规模为17亿美元左右 到2015年该市场将达37亿美元 3D打印 个人机助推普及 3D打印技术前景 个人3D打印机是3D打印技术普及的助推力量 以美国Makerbot公司推出的1299美元至2700美元的3D打印机为代表 相比几万甚至几百万美元工业级3D打印机 个人3D打印机亲民的价格让更多普通爱好者有机会亲自动手做一些小玩意 自2009年公司成立 Makerbot卖出的3D打印机数已达到13000台 当然 这台设备也仅能做些玩偶模型或者浴帘环等