增材制造国内外发展状况

增材制造(3D印花)技术国内外发展状况-西安交通大学先进制造技术研究所2013-07-09一、概要增材制造(Additive Manufacturing，AM )技术是通过从CAD设计数据逐步堆积材料的方法来制造实体部件的技术，与以往的材料去除(切削加工)技术相比，是堆积“自下而上”材料的制造方法。 从20世纪80年代末开始发展材料制造技术，期间包括“材料积累制造”(Material Increse Manufacturing )、“快速原型”(Rapid Prototyping )、“层制造”(Layered Manufacturing )、 也称为“实体自由形式制造”(Solid Free-form Fabrication )、“3D打印技术”(3D Printing )等。 名称不同的称呼分别从不同的方面表现其制造技术的特点。美国材料试验协会(ASTM)F42国际委员会对增材制造和3D印刷有明确的概念定义。 增材制造是基于三维CAD数据连接材料制造物体的过程，对于减法制造通常是阶段性积累的过程。 所谓3D打印，是使用打印头、喷嘴、其他打印技术堆积材料来制造物体的技术，3D打印也常用于表示“增材制造”技术，特别是在设备的情况下，与3D打印相比，是指相对价格和整体功能较低的增材制造设备。增材制造技术不需要传统的工具、夹具及多道加工工序，可利用三维设计数据在一台设备上快速准确地制造任意复杂形状的零件，实现了“自由制造”，解决了以往制造困难的复杂结构零件成形，大幅度减少了加工工序，缩短了加工周期。 结构越复杂的产品，其制造的速度作用越显着。 近20年来，增材生产技术发展迅速。 增材制造原理结合不同的材料和技术形成了许多增材制造设备。 目前，现有设备种类已达20多种。 这项技术一上场就发展迅速，在所有领域都得到了广泛应用。 例如家电产品、汽车、航空航天、医疗、军工、地理信息、艺术设计等。 增材制造的特点是单体或少量快速制造，该技术特点决定了增材制造对产品创新具有显着作用。美国时代周刊认为增资制造是“美国十大增长最快的工业”，英国经济学人杂志认为“与其他数字生产模式一起推进第三次工业革命”，该技术改变了未来的生产和生活模式，实现了社会制造，谁都可以成为工厂。 改变商品的制造方法，改变世界的经济结构，改变人类的生活方式。 美国总统奥巴马于2012年3月9日提出美国制造业振兴计划，向美国议会提出“创新国家网络”(NNMI )，计划以10亿美元重建美国制造业。 其目的是恢复制造业霸权，用一半的时间和费用完成产品开发，在美国设计的美国制造，使更多的美国人回归岗位，构建持续发展的美国经济。 为此，奥巴马政府成立了首个项目“增材制造”，初期政府投资3000万美元，企业设置4000万元，由国防部主导，制造企业、大学和非营利组织，开发新的增材制造技术和产品，以美国为全球优秀增材制造中心，建立了“基础研究和产品开发”的纽带。 美国政府已经支持增材制造技术作为国家制造业发展的首要战略任务。美国专业从事增材制造技术咨询服务的Wohlers协会在2012年度的报告中，分析了各行业的应用情况。 2011年世界直接产值亿美元，2011年增长率%，其中设备材料亿美元，增长率%，服务产值亿美元，增长率%，其发展特点是服务和设备减半。 在应用方面，消费品和电子领域仍占主导地位，但比例从%下降到%的汽车领域从%下降到%的研究机构占%； 医学和牙科领域从%增加到%的工业设备领域为%； 航空宇宙的领域部分从%增加到了%。 近年来，飞机制造和医学应用是增长最快的应用领域。 世界上很多国家和地区都在开发和应用增材制造技术。 增材制造系统的数量在一定程度上体现了国家的经济活力和创新能力。 1988年至2011年，美国、日本、德国、中国成为主要设备持有国，其中，美国占全球设备量的%，中国占%。 预计到2012年将从25%变成亿美元，到2019年将变成60亿美元。增材制造发展具有吸引力的发展前景，也存在巨大挑战。 目前最大的课题是材料的物理和化学性能制约了实现技术。 例如在成型材料中，目前主要是有机高分子材料，金属材料的直接成型是近十几年的研究热点，在工业上的应用越来越广泛，在提高精度和效率方面存在难点。 新的研究方向是采用增材制备技术直接沉积软组织材料(生物基质材料和细胞)，形成类生命体，经体外培养和体内培养制备复杂的组织器官。二、增材制造分类自1980年代美国首台商用光固化成型机出现以来，至今30年间发展迅速。 成熟的技术主要包括光固化成形(Stereolithography，SL )、层压实体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM )、选择性激光烧结(Selective Laser Melting，SLS )、熔丝沉积成形(fused deposing ) 叠层物理制造设备逐渐消失。 其他几种方法逐渐发展为低成本、高精度、多材料。工艺过程：在树脂槽中充满液态光固化树脂，紫外线激光按各层断面信息逐点扫描，扫描区域硬化成零件薄层。 一层固化后，工作台下降到一层厚度，向固化后的树脂表面注入新的液态树脂，用刀片使树脂平整，进行新层的扫描和固化，重复进行直到原型结构完成。 SL工艺的特点是精度高、表面质量好、形状复杂，能制造出特别精细的部件，设备和材料昂贵，制造过程中需要设计支持，加工环境气味沉重等问题。级别信息由各层的轮廓表示，激光扫描器的动作由这些轮廓信息控制，其材料是具有厚度信息的薄片。 该加工方法只能加工轮廓信息，因此可以达到较高的加工速度，但最大的缺点是材料范围狭窄，不能逐层调整厚度。工艺利用高能激光束沿断面扫描粉末层表面，粉末烧结形成一定形状的断面。 一层断面烧结后，工作台降低一层厚度，铺上新粉末，继续烧结新层。 层叠可以去除未烧结粉末，得到最终的三维实体。 SLS的特点是成形材料广泛，理论上是把材料做成粉末就可以成形。 另外，在SLS成形中，粉床起到自然支撑的作用，可以形成悬臂、内空等其他工艺难以成形的结构。 然而，SLS技术需要相对昂贵的激光和光学系统，成本高于其他方法，在某种程度上限制了该技术的应用范围。把电能转换成热能，在把线状塑料从喷嘴挤出之前使其处于熔融状态。 计算机控制喷嘴的移动，根据断面轮廓信息将熔融塑料成形为一定形状的二维断面。 层叠形成塑料三维实体。 FDM不需要昂贵的激光和光路系统，并且经济实惠，易于推广。 但该方法对成型材料的制约较大，成型精度相对较低，是限制该技术发展的主要问题。随着材料制造技术和设备的成熟，出现了新材料、新技术，该技术从快速原型阶段进入快速制造和推广的新阶段，最显着的地体是目前金属零件的直接快速制造和台式3D打印设备。目前，直接制造金属部件的增材制造技术包括利用同轴送粉的激光近形制造(Laser Engineering Net Shaping，LENS )技术和利用粉末床的选择性激光熔融(Selective Laser Melting，SLM )和电子束熔融技术(electron beam ) LENS技术能够直接制造大尺寸金属零件坯料的SLM和EBM能够制造复杂而微细的金属零件。LENS技术受惰性气体保护，用激光束熔化喷嘴送来的粉末流，逐层堆积，最终形成复杂形状的部件和模具。 该方法得到的产品组织致密，具有明显的快速凝固特点，力学性能高，能够实现非均质和梯度材料产品的制备。 目前应用该技术生产铝合金、钛合金、钨合金等半精制坯料，性能超过锻件，在航天、航空、造船、防卫等领域有着很大的应用前景。 但该工艺成形复杂，难以形成微细结构，主要用于坯料成形，粉末材料利用率低。SLM技术是用高能束激光熔融铺在粉床上的薄层粉末，逐层熔融堆积成形。 为了保证金属粉末材料的快速熔融，SLM材料的相对高功率密度激光器的光斑聚焦在几十m到几百m的范围内。 SLM生产的金属零件完全致密，强度达到锻件水平，精度达到0.1mm/100mm。 该技术的主要缺陷包括金属球化、翘曲变形、裂纹等，成形效率低，重现性和可靠性优化等问题。EBM与SLM系统的主要区别在于热源不同，成型原理基本相似。 EBM技术成型室必须是高真空以保证设备正常工作，增加了整个EBM的复杂性。 电子束是热源，金属材料几乎不反射，能量吸收率大幅度提高。 真空环境下，材料熔融后的润湿性也大幅增强，熔池间、层与层之间的冶金结合强度增加。 但是，在EBM技术中，由于在抽真空的过程中粉末容易被气流带走，还存在引起系统污染的问题的电子束，粉末容易崩溃，因此预热到800以上，使粉末烧结固化。 预热后，制造效率高，零件变形小，无需支撑，显微组织致密，但预热温度对整个系统的结构要求高，加工结束后，零件需要在真空室冷却相当长的时间，零件成形效率下降。由于系统成本高、材料特殊、操作复杂，现阶段增加了材料制造技术应用于科研和工业应用。 随着台式3D打印技术(Three-dimensional printing，3DP )的诞生和应用，增材生产技术的应用范围扩大了。3DP的工作方式与台式打印机相同。 核心部分是由几个小喷嘴组成的打印系统。 材料主要有两种。 一类似于SLA工艺用的液态感光性树脂材料，其二类似于SLS用的粉末材料。 采用液态树脂材料，成形原理与SLA相似，但实现方法不同。 首先，从喷嘴喷出具有特定形状薄层的树脂截面，照射面紫外光使其固化，然后从喷嘴喷出下一层的截面，固化后与前一层粘接，这样反复进行，直到实体部件的成形完成为止。 成型材料为粉末时，其成型过程类似于SLS工艺，但原理不同。 首先铺上粉末，从喷嘴按照截面形状喷射粘接剂，使成形品的截面内的粉末粘接一体化的工作台降低层厚，铺上新的粉末，按照该层的截面形状从喷嘴喷出粘接剂，在粘接该层的截面内的粉末的同时，与上层的制品一体粘接，这样制品的成形完成该技术不需要激光、扫描系统或其他复杂的传动系统，结构紧凑、小巧，可作为台式机系统使用，特别适合三维模型的快速制作、复杂工艺品的复制等应用。 但是，该技术的成形部件大多为了提高部件的强度需要进行后处理，工序复杂，难以形成金属部件等高性能的功能部件。三、增材制造技术的发展历史1国外发展的历史在第一阶段，思想萌芽增材制造技术的核心制造思想最早起源于美国。 1892年，Blanther在其专利中提出了用分层制造法构成地形图。 1902年，Carlos BAE se在专利中提出了由感光性聚合物制造塑料零件的原理。 1940年，Perera提出了切割瓦楞纸，逐层粘接三维地形图的方法。 到20世纪80年代末，3D印刷制造技术开始发展，出现的专利更多，仅1986年至1998年注册的美国专利就达到了24项以上。第二阶段，技术诞生其象征性成果是5种常规增材制造技术的提出。 1986年美国Hull发明了光固化技术，简称SLA 1988年Feygin发明了分层物理制造技术，简称lom 1989年Deckard发明了粉末激光烧结技术，SLS 1992年Crump发明了熔融沉积制造技术，简称FDM 1993年马萨第三阶段，装备上市1988年美国3D Systems公司根据Hull的专利，生产了最先进的增材制造设备SLA250，开创了增材制造技术发展的新纪元。 随后的10年间，增资制造技术蓬勃发展，出现了十多种新技术和相应的增资制造设备。 1991年，美国Stratasys的FDM装置、Cubital的实体平面硬化(SGC、Solid Ground Curing )装置、Helisys的LOM装置被商业化了。 1992年，美国DTM公司(现属3D Systems公司)成功开发了SLS设备。 1994年德国的EOS公司发表了EOSINT型SLS装备。 1996年，3D Systems利用喷墨印刷技术制造了第一台3DP设备Actua2100。 同年，美国的Zcorp公司也发表了Z402型3DP装备。 总的来说，美国在装备研发、生产销售方面占据了世界主导地位，其发展水平和趋势基本代表了世界增材制造技术的发展过程。 欧洲和日本也不能迟到。 相关技术研究和装备开发相继进行。 香港和台湾比内陆早开始，台湾大学开发LOM装备，台湾各部门和军队设置多台进口SLA装备，香港生产力促进局和香港科技大学、香港理工大学、香港城市大学等机构拥有增材制造装备，着重推进技术研究和应用。 国内从1990年代初就开始了材料制造技术的研究开发。 西安交通大学、华中科技大学、清华大学为代表的研究机构独自开发了增材制造设备，在国内开始广泛应用。 其中，西安交通大学的SLA装备、华中科技大学开发的LOM和SLS装备、清华大学的FDM装备最具代表性。第四阶段，广泛应用随着技术、材料和装备的成熟，增材制造技术的应用范围从模型和原型制造进入了产品的快速制造阶段。 快速增材制造技术限于材料种类少和过程水平低，主要应用于模型和样机的制造，常被称为快速成型技术(RP )，例如制造新型移动电话机壳体模型。 现在，与其说是“3D打印”，不如说亲切的概念被越来越多的人所熟知。 现在，由于很多快速原型和快速原型都在3D打印机上出现，所以最初的3D打印被称为“经典3D打印技术”。 “新兴