增材制造 D打印 国内外发展状况

1、增材制造(3D打印)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、概述增材制造(Additive Manufacturing， AM)技术是通过CAD设计数据 采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除 (切削加工)技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。自上世纪 80年代末增材制造技术逐步发展，期间也被称为“材料累加制造”(Material Increse Manufacturing)、 “快速 原型” (Rapid Prototyping)、分层制造”(Layered Manufacturing)、 “实体自由 制造”(Solid Free

2、-form Fabrication)、“3D 打印技术”(3D Printing) 等。名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会对增材制造和3D打印有明 确的概念定义。增材制造是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程， 相对于减法制造它通常是逐层累加过程3D打印是指采用打印头、喷嘴或 其它打印技术沉积材料来制造物体的技术，3D打印也常用来表示“增材制 造”技术，在特指设备时，3D打印是指相对价格或总体功能低端的增材制 造设备。增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形

3、状的零件，从而实 现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大 减少了加工工序，缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品，其制造的 速度作用越显着。近二十年来，增材制造技术取得了快速的发展。增材制 造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多增材制造设备。目前已有的设 备种类达到20多种。这一技术一出现就取得了快速的发展，在各个领域 都取得了广泛的应用，如在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、 地理信息、艺术设计等。增材制造的特点是单件或小批量的快速制造，这 一技术特点决定了增材制造在产品创新中具有显着的作用。美国时代周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英 国经济学

4、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”，认为该技术改变未来生产与生活模式，实现社会化制造， 每个人都可以成为一个工厂，它将改变制造商品的方式，并改变世界的经 济格局，进而改变人类的生活方式。美国奥巴马总统在2012年3月9日 提出发展美国振兴制造业计划，向美国国会提出“制造创新国家网络” (NNMI)，计划投资10亿美元重振美国制造业计划。其目的在夺回制造业 霸主地位，要以一半的时间和费用完成产品开发，实现在美国设计在美国 制造，使更多美国人返回工作岗位，构建持续发展的美国经济。为此，奥 巴马政府启动首个项目“增材制造”，初期政府投资3000万美元，企业 配套40

5、00万元，由国防部牵头，制造企业、大学院校以及非赢利组织参 加，研发新的增材制造技术与产品，使美国成为全球优秀的增材制造的中 心，架起“基础研究与产品研发”之间纽带。美国政府已经将增材制造技 术作为国家制造业发展的首要战略任务给予支持。美国专门从事增材制造技术技术咨询服务的Wohlers协会在2012年度 报告中，对各行业的应用情况进行了分析。2011年全球直接产值亿美元， 2011年增长率，其中，设备材料：亿美元，增长%，服务产值：亿美元， 增长，其发展特点是服务与设备对半。在应用方面消费商品和电子领域 仍占主导地位，但是比例从降低到；机动车领域从降低到；研究 机构为；医学和牙科领域从增加到

6、；工业设备领域为；航空航天 领从%增加到。在过去的几年中，航空器制造和医学应用是增长最快的 应用领域。世界上各许多国家与地区都在开发或应用增材制造技术。增材 制造系统的数量一定程度上表现了国家的经济活力与创新能力。自1988 2011年，美国、日本、德国、中国成为主要的设备拥有国，其中，美国占 全球总设备量的，中国占。预计2012年将增长25%至亿美元，2019年将 达到60亿美元。增材制造发展有诱人的发展前景，也存在巨大的挑战。目前最大的难 题是材料的物理与化学性能制约了实现技术。例如，在成形材料上，目前 主要是有机高分子材料，金属材料直接成形是近十多年的研究热点，正在 逐渐向工业应用，难点

7、在于如何提高精度和效率。新的研究方向是用增材 制造技术直接把软组织材料（生物基质材料和细胞）堆积起来，形成类生 命体，经过体外培养和体内培养去制造复杂组织器官。二、增材制造分类自上世纪80年代美国出现第一台商用光固化成形机后，在至今近三十 年时间内得到了快速发展。较成熟的技术主要有以下四种方法：光固化成 形(Stereolithography， SL)、叠层实体制造 (Laminated Object Manufacturing， LOM)、选择性激光烧结(Selective Laser Melting， SLS)、熔丝沉积成形(Fused Deposition Modeling， FDM)。

8、叠层实体 制造设备逐渐消落。其他几种方法逐渐向低成本、高精度、多材料方面发 展。工艺的过程：树脂槽中盛满液态光固化树脂，紫外激光器按照各层截 面信息进行逐点扫描，被扫描的区域固化形成零件的一个薄层。当一层固 化后，工作台下移一个层厚，在固化好的树脂表面浇注一层新的液态树脂， 并利用刮板将树脂刮平，然后进行新一层的扫描和固化，如此重复，直至 原型构造完成。SL工艺的特点是精度高、表面质量好，能制造形状复杂、 特别精细的零件，不足是设备和材料昂贵，制造过程中需要设计支撑，加 工环境气味重等问题。的层面信息通过每一层的轮廓来表示，激光扫描器的动作由这些轮 廓信息控制，它采用的材料是具有厚度信息的片材

9、。这种加工方法只需加 工轮廓信息，所以可以达到很高的加工速度，但材料的范围很窄，每层厚度不可调整是最大缺点。工艺利用高能量激光束在粉末层表面按照截面扫描，粉末被烧结相互 连接，形成一定形状的截面。当一层截面烧结完后，工作台下降一层厚度， 铺上一层新的粉末，继续新一层的烧结。通过层层叠加，去除未烧结粉末， 即可得到最终三维实体。SLS的特点是成形材料广泛，理论上只要将材料 制成粉末即可成形。另外，SLS成形过程中，粉床充当自然支撑，可成形 悬臂、内空等其他工艺难成形结构。但是，SLS技术需要价格较为昂贵的 激光器和光路系统，成本较其他方法高，一定程度上限制了该技术的应用 范围。是将电能转换为热能

10、，使丝状塑料挤出喷头前达到熔融状态。由计算 机控制喷头移动，根据截面轮廓信息，使熔融塑料成形一定形状的二维截 面。通过层层叠加，形成塑料三维实体。FDM无需价格昂贵的激光器和光 路系统，成本较低，易于推广。但是，该方法成形材料限制较大，并且成 形精度相对较低，是限制该技术发展的主要问题。随着增材制造技术工艺和设备的成熟，新材料、新工艺的出现，该技 术由快速原型阶段进入快速制造和普及化新阶段，最显着地体现在金属零 件直接快速制造以及桌面型3D打印设备。目前，真正直接制造金属零件的增材制造技术有基于同轴送粉的激光 近形制造(Laser Engineering Net Shaping, LENS)技

11、术和基于粉末床 的选择性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)及电子束熔化技术 (Electron Beam Melting, EBM)技术。LENS技术能直接制造出大尺寸的 金属零件毛坯；SLM和EBM可制造复杂精细金属零件。LENS技术在惰性气体保护之下，通过激光束熔化喷嘴输送的粉末流， 使其逐层堆积，最终形成复杂形状的零件或模具。该方法得到的制件组织 致密，具有明显的快速熔凝特征，力学性能很高，并可实现非均质和梯度 材料制件的制造。目前，应用该工艺已制造出铝合金、钛合金、钨合金等 半精化的毛坯，性能达到甚至超过锻件，在航天、航空、造船、国防等领 域具有极大的

12、应用前景。但该工艺成形难以成形复杂和精细结构，主要用 于毛坯成形，且粉末材料利用率偏低。SLM技术利用高能束激光熔化预先铺在粉床上薄层粉末，逐层熔化堆 积成形。为了保证金属粉末材料的快速熔化，SLM材料较高功率密度的激 光器，光斑聚焦到几十Pm到几Wumo SLM制造的金属零件接近全致密， 强度达锻件水平，精度可达0.1mm/100mm。该工艺的主要缺陷有金属球化、 翘曲变形及裂纹等，还面临成形效率低、可重复性及可靠性有待优化等问 题。EBM与SLM系统的主要差别在于热源不同，成形原理基本相似。EBM技 术成形室必须为高真空，才能保证设备正常工作，这使得EBM整机复杂度 增大。电子束为热源，金

13、属材料对其几乎没有反射，能量吸收率大幅提高。在真空环境下，材料熔化后的润湿性也大大增强，增加了熔池之间、层与 层之间的冶金结合强度。但是，EBM技术还存在如下问题：真空抽气过程 中粉末容易被气流带走，造成系统污染；在电子束作用下粉末容易溃散， 因此需预热到800笆以上，使粉末预先烧结固化。采取预热后制造效率高， 零件变形小，无需支撑，微观组织致密；但预热温度对系统整体结构要求 高，加工结束后零件需要在真空室中冷却相当长一段时间，降低了零件的 成形效率。由于系统成本较高、材料特殊以及操作复杂，在目前阶段增材制造技 术主要应用于科研以及工业应用。随着桌面型3D打印技术(Three-dimensio

14、nal printing, 3DP )的产生和应用，增材制造技术的 应用范围得到了极大扩展。3DP的工作方式类似于桌面打印机。核心部分为若干细小喷嘴组成的 打印系统。材料主要包括两大类：其一，类似于SLA工艺用的液态光敏树 脂材料；其二，类似于SLS用的粉末材料。如果采用液态树脂材料，则成 形原理类似于SLA，但实现方式有所不同。先由喷嘴喷出具有特定形状的 一薄层树脂截面，利用面紫外光照射使其固化；然后再由喷嘴喷出下一层 截面，进而固化并与上一层粘结在一起；如此反复，直至实体制件成形完 毕为止。当成形材料为粉末时，其成形过程类似于SLS工艺，但原理不尽 相同。先铺一层粉，由喷嘴按照截面形状喷一

15、层粘结剂，使成形制件截面 内的粉末粘结成一体；工作台下降一个层厚，铺上一层新粉，并由喷嘴按照该层制件截面形状喷出一层粘结剂，使该层截面内的粉末发生粘结，同 时与上一层制件实体粘结为一体；如此反复，直至制件成形完毕为止。该 种工艺无需激光器、扫描系统及其他复杂的传动系统，结构紧凑，体积小， 可用作桌面系统，特别适合于快速制作三维模型、复制复杂工艺品等应用 场合。但是，该技术成形零件大多需要进行后处理，以增加零件强度，工 序较为复杂，难以成形高性能功能零件，如金属零件等。三、增材制造技术发展历史1国外发展历史第一阶段，思想萌芽增材制造技术的核心制造思想最早起源于美国。早在1892年， Blanth

16、er在其专利中，曾建议用分层制造法构成地形图。1902年，Carlo Baese在一项专利中提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。1940年， Perera提出了切割硬纸板并逐层粘结成三维地形图的方法。直到20世纪80 年代末，3D打印制造技术开始了根本性发展，出现的专利更多，仅在 1986-1998年间注册的美国专利就达24多项。第二阶段，技术诞生其标志性成果就是五种常规增材制造技术的提出。1986年美国的Hull 发明了光固化技术，简称SLA； 1988年Feygin发明了分层实体制造技术， 简称LOM； 1989年Deckard发明了粉末激光烧结技术，简称SLS； 1992年Crump 发

17、明了熔融沉积制造技术，简称FDM； 1993年麻省理工大学的Sachs发明了 喷头打印技术，简称3DP。第三阶段，装备推出1988年美国的3D Systems公司根据Hull的专利，生产出了第一台增材 制造装备SLA250，开创了增材制造技术发展的新纪元。在此后的十年中， 增材制造技术蓬勃发展，涌现出了十余种新工艺和相应的增材制造装备。 1991年，美国Stratasys的FDM装备、Cubital的实体平面固化(SGC，Solid Ground Curing)装备和Helisys的L OM装备都实现了商业化。1992年，美 国DTM公司(现属于3D Systems公司)SLS装备研发成功。1

18、994年，德国EOS 公司推出7EOSINT型SLS装备。1996年，3D Systems使用喷墨打印技术， 制造出其第一台3DP装备Actua2100。同年，美国Zcorp公司也发布了2402 型3DP装备。总体上，美国在装备研制、生产销售方面占全球的主导地位， 其发展水平及趋势基本代表了世界增材制造技术的发展历程。欧洲和日本 也不甘落后，纷纷进行相关技术研究和装备研发。香港和台湾比内地起步 早，台湾大学研制了 LOM装备，台湾各单位及军方安装多台进口 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，重点进行技术研究与应用推广。国内自上世纪9

19、0年代 初开始增材制造技术研发。以西安交通大学、华中科技大学、清华大学为 代表的研究机构开始自主研制增材制造装备并在国内开展广泛应用。其 中，以西安交通大学的SLA装备、华中科技大学研制的LOM和SLS装备以及 清华大学的FDM装备最具代表性。第四阶段，大范围应用随着工艺、材料和装备的日益成熟，增材制造技术的应用范围由模型 和原型制造进入产品快速制造阶段。早期增材制造技术受限于材料种类少 及工艺水平低的限制，主要应用于模型和原型制造，如制造新型手机外壳 模型等，因而统称为快速原型技术（Rapid Prototyping, RP）。目前，“3D打印”这一更加亲民的概念被越来越多的人熟知。如今由于

20、诸多快速 原型和快速制造装备均以3D打印机示人，最早的3D打印已可被称为“经典 3D打印技术”。“新兴3D打印技术”可以直接制造为人所用的功能部件及 零件和传统工艺使用的工具，包括电子产品绝缘外壳，金属结构件，高强 度塑料零件，劳动工具，橡胶缓震制件，汽车及航空应用的高温陶瓷部件 及各类金属模具等。金属零件的直接制造是标志增材制造技术由“快速原 型”向“快速制造”的重要标志之一。2002年，德国成功研制了选择性激 光熔化增材制造装备（SLM），可成形接近全致密的精细金属零件和模具， 其性能可达到同质锻件水平。同时，电子束熔化（EBM）、激光工程净成 形（LENS）等一系列新技术与装备涌现出来。

21、这些技术面向航天航空、武 器装备、汽车/模具及生物医疗等高端制造领域，直接成形复杂和高性能 的金属零部件，解决一些传统制造工艺面临的难加工甚至是无法加工等制造难题。2国内的发展历史我国增材制造技术自上世纪九十年代初开始发展，在西安交通大学、 清华大学、华中科技大学、北京隆源公司等在典型的成形设备、软件、材 料等方面研究和产业化方面获得了重大进展，接近国外产品水平。随后国 内许多高校和研究机构也开展了相关研究，重点在金属成形方面开展研 究，如西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、上海交通 大学、大连理工大学、中北大学、中国工程物理研究院等单位都在做探索 性的研究和应用工作。其中西安交

22、通大学开展料光固化快速成形、金属熔 敷制造、生物组织制造、陶瓷光固化成形研究，建立了快速制造国家工程 研究中心；华中科技大学开展了叠层制造、激光选取烧结、金属烧结等技 术研究；清华大学开展了多功能快速成形设备、熔融沉积制造设备、电子 束制造设备、生物打印技术研究；北京隆源公司开展了激光选取烧结设备 研究；北京航空航天大学和西北工业大学开展了金属熔敷成形技术研究， 中航625所开展了电子束成形制造研究，华南理工大学开展了激光金属烧 结技术研究。国内的高校和企业通过科研开发和设备产业化改变了该类设 备早期仰赖进口的局面，通过二十多年的应用技术研发与推广，在全国建 立了20多个服务中心，设备用户遍布

23、医疗、航空航天、汽车、军工、模具、 电子电器、造船等行业。推动了我国制造技术的发展。作为一项正在发展中的制造技术，其成熟度还远不能同金属切削、铸、锻、焊、粉末冶金等 制造技术相比，还有大量研究工作需要进行，包括激光成形专用合金体系、 零件的组织与性能控制、应力变形控制、缺陷的检测与控制、先进装备的 研发等，涉及到从科学基础、工程化应用到产业化生产的质量保证各个层 次的研究工作。3近年的国外最新进展2012年的增材制造设备市场延续近年的发展好形势，销售数目和收入 的增加让销售商从中获益，进一步推动了美国股票价格的增长。2012年， 增材制造技术通过主要出版物、电视节目，甚至电影的方式涌入公众的视

24、 野。2012年4月，在Materialise公司（比利时）的世界大会上，举办了 一场时装秀，展出了快速成型制造的帽子和饰品。据调查，价格低于2000美元的设备多用于科学研究或个人，对行业 产值影响不大。行业发展主要依赖于专业化设备性能的提高。目前，专业 化设备主要销往美国市场。由于经济不景气隐藏的潜在客户被挖掘，并随 着设计与制造的快速增长，快速成型制造行业也得以发展。在美国明尼苏 达州明尼阿波利斯市举行的年度快速成型会议上，Materialise公司（比 利时）的创始人兼首席执行官Wilfried Vancraen因其对快速成型行业的 广泛贡献被授予行业成就奖。产业不断壮大：在快速成型企业

25、中正在进行公司间的合并，兼并的对象主要是设备供应商、服务供应商以及其他的相关公司。其中最引人注目 的是Z Corp.公司被3D System公司收购，还有Stratasys公司与Objet 公司合并。Delcam公司（英国）收购了快速成型软件公司FabbifySoftware公司（德国）的一部分。据预计，Fabbify Software会在Delcam 公司的设计及制造软件里增添快速成型应用项。3D Systems公司购买了参 数化计算机辅助设计（CAD）软件公司Alibre公司，以实现对计算机辅助 设计（CAD）和3D打印的捆绑。2011年11月，EOS公司（德国）宣布该 公司已经安装超过1

26、000台的激光烧结成型机。11月初，3D system公司 在宣布收购Huntsman公司（德州，林地）与光敏聚合物及数字快速成型 机相关的资产；随后乂宣布兼并3D打印机制造商Z Corp（马萨诸塞州， 伯灵顿市），这次兼并花费了亿美元。新材料新器件不断出现：Objet公司发布了一种类ABS的数字材料以 及一种名为VeroClear的清晰透明材料3D Systems公司也发布了一种名 为Accura CastPro新材料，该种材料可用于制作熔模铸造模型。同期， Solidscape公司（梅里马克，新罕布什尔州）也发布了一种可使蜡模铸造 铸模更耐用的新型材料plusCASTo 2011年8月，K

27、elyniam Global （新不列颠，康涅狄格州）宣布它们正在制作聚醚醚酮（PEEK）颅骨植入物。 利用CT或MRI数据制作的光固化头骨模型可以协助医生进行术前规划， 在制作规划的同时，加工PEEK材料植入物。据估计，这种方法会将手术 时间降低85%。2011年6月，Optomec公司（新墨西哥州，阿尔伯克基） 发布了一种可用于3D打印及保形电子的新型大面积气溶胶喷射打印头。 Optomec公司虽以生产透镜设备而为快速成型行业所熟知，但它的气溶胶 喷射打印却隶属于美国国防部高级研究计划局的介观综合保形电子（MICE）计划，该计划的研究成果主要应用在3D打印、太阳能电池以及 显示设备领域。新

28、产品不断涌现：2011年7月，Objet公司发布了一种新型打印机 Objet260 Connex，该种打印机可以构建更小体积的多材料模型。2011 年7月，Stratasys公司发布了一种复合型快速成型机Fortus250mc，该成型机可以将 ABSplus材料与一种可溶性支撑材料的进行复合。 Stratasys公司还发布了一种适用于Fortus400mc及900mc的新型静态损 耗材料ABS-ESD7。2011 年9 月，Bulidatron Systems 公司（纽约，纽约）宣布推出基于RepRap的Buildaron1 3D打印机。这种单一材料打 印机既可以作为一种工具箱使用（售价1,2

29、00美元），也作为组装系统使 用（售价2,000美元）。Objet公司引入了一种新型生物相容性材料 MED610，这种材料适用于所有的PolyJet系统。刚性材料主要面向医 疗及牙科市场。3D System公司发布了一种基于覆膜传输成像的打印机 PROJET1500，同时也发布了一种从二进制信息到字节的3D触摸产品。 2012年1月，MakerBot （布鲁克林，纽约）推出了售价1759美元的新机 器MakerBot Replicator，与它的前身相比。该机器可以打印更大体积的 模型，并且第二个塑料挤出机的喷头可以更换，从而挤出更多颜色的ABS或PLA。3D Systems公司推出了一种名C

30、ube的单材料、消费者导向型3D 打印机，其售价低于$1,300。该机器装有无线连接装置，从而具有了从3D 数字化设计库中下载3D模型的功能。国防部与Stratasys公司签订了 100 万美元的uPrint3D打印机订单，以支持国防部的DoDs STARBASE计划， 该计划的目的是吸引青少年对科学、技术、工程、数学以及先进制造技术 中快速成型制造的兴趣。2012年2月，EasyClad公司（法国）发布了 MAGIC LF600大框架快速成型机，该成型机可构建大体积模型，并具有两个独立 的5轴控制沉积头，从而可具有图案压印、修复及功能梯度材料沉积的功 能。3D Systems公司推出了 一种

31、可用于计算机辅助制造程序，如 Solidworks，Pro / Engineer 的插件Print3D。通过 3D SystemsProParts服务机构，这种插件可对零件及装配体进行动态的零件成本计 算。2012年3月，BumpyPhoto公司（俄勒冈州，波兰市）正式推出了一款 彩色3D打印的照片浮雕。先输入数字照片，再在24位色打印机ZPrinter 上打印，就能形成3D照片浮雕。价格也从最初79美元的3D照片变为89 美元的3D刻印图样。Stratasys公司和Optomec公司展出了带有保形电 子电路（利用的是Optomecs Aerosol Jet公司的技术）的熔化沉积打 印的机翼结

32、构新标准不断更新：2011年7月，同期，美国试验材料学会（ASTM） 的快速成型制造技术国际委员会F42发布了一种专门的快速成型制造文件（AMF ）格式，新格式包含了材质，功能梯度材料，颜色，曲边三角形及 其他的STL文件格式不支持的信息。十月份，美国试验材料学会国际（ASTM） 与国际标准化组织（ISO）宣布，ASTM国际委员会F42与ISO技术委员会 261将在快速成型制造领域进行合作，该合作将降低重复劳动量。此外， ASTM F42还发布了关于坐标系统与测试方法的标准术语。四、增材制造技术发展趋势（1）向日常消费品制造方向发展。三维打印是国外近年来的发展热点。该设备称为三维打印机，将其作

33、为计算机一个外部输出设备而应用。它可 以直接将计算机中的三维图形输出为三维的彩色物体。在科学教育、工业 造型、产品创意、工艺美术等有着广泛的应用前景和巨大的商业价值。其 发展方向是提高精度、降低成本、高性能材料发展。（2）向功能零件制造发展。采用激光或电子束直接熔化金属粉，逐层堆 积金属，形成金属直接成形技术。该技术可以直接制造复杂结构金属功能 零件，制件力学性能可以达到锻件性能指标。进一步的发展方向是进一步 提高精度和性能，同时向陶瓷零件的增材制造技术和复合材料的增材制造 技术发展。（3）向智能化装备发展：目前增材制造设备在软件功能和后处理方面还 有许多问题需要优化。例如，成形过程中需要加支撑，软件智能化和自动 化需要进一步提高；制造过程，工艺参数与材料的匹配性需要智能化；加 工完成后的粉料或支撑的需要去除等问题。这些问题直接影响设备的使用 和推广，设备智能化是走向普及的保证。（4）向组织与结构一体化制造发展。实现从微观组织到宏观结构的可控 制造。例如在制造复合材料时，将复合材料组织设计制造与外形结构设计 制造同步完成，在微观到宏观尺度上实现同步制造，实现结构体的“设计 一材料一制造”一体化。支撑生物组织制造、复合材料等复杂结构零件的 制造，给制造技术带来革命性发展。增材制造技术代表制造技术发展的趋势，产品从大规模制造向定制化 制造发展，满足社会多样化需求，目