增材制造技术发展趋势

1、Additive Manufacturing Technology and Its Effect on Manufacturing of China.05.29.，Beijing中国航空工业集团企业北京航空制造工程研究所BAMTRI,AVIC.巩水利Prof. Dr. GONG Shuili增材制造技术发展趋势第1页内 容 提 要12Development of International534IntroductionTechnical methods and meansDomestic technology developmentsDisparity and suggestions目 录增材

2、制造技术发展趋势第2页Additive Manufacturing (AM or 3D Printing)：是人类经过对物质可控动态累积以迫近目标形体一个生产过程；是与材料去除成形、受迫成形等对应科学技术体系；是以“堆积”为共同特征技术群。 一、Introduction增材制造技术发展趋势第3页Reshaping the global manufacturing competition structure上世纪美国时代周刊将3D打印列为“美国十大增加最快工业”英国经济学人杂志则认为它将“与其它数字化生产模式一起推进实现第三次工业革命”Change theproductionand lifemo

3、de in the future社会化制造那么每个人都能够成为一个工厂它将改变制造商品方式并改变世界经济格局进而改变人类生活方式 一、 The third industrial revolution ?!增材制造技术发展趋势第4页一、 Strategic significance of AM for China可成为我国制造业自主创新有效伎俩；符合绿色制造发展方向，有利于制造业可连续发展；可促进传统制造技术水平提升，促进制造与服务融合发展；有望培育新兴产业、优化产业结构、促进产业升级。An effective way for independent innovation of manufact

4、uring industry for ChinaCompliance with the green manufacturing development, and conducive to the sustainable development of manufacturing industry;Promote the upgrading of traditional manufacturing technology, and the fusion development between manufacturing and service;Expected tocultivate new ind

5、ustries,optimize theindustrial structure and promote industrial upgrading增材制造技术发展趋势第5页Aerospace高性能金属零件直接增材制造技术发展，为航空航天产品从产品设计、模型和原型制造、零件生产和产品测试都带了新思想和技术路径，有望大幅缩短航空航天产品研发和生产周期the development of direct manufacturing technology of performance parts, new ideas and technical approach are brought into pro

6、duct design, model and prototype manufacturing, parts manufacturing and product testing, which is expected to significantly shorten the research and development cycle of aerospace production. 增材制造大型复杂发动机机匣铸造熔模（直径1.2米原来需要机加工或模具压制多个局部结构，然后拼接成整体，精度难以控制，工序繁琐，周期长，增材制造方法精度高、整体成形、周期短。激光近成形叶片（Optomec企业），传统铸

7、锻，均需制造复杂模具，增材制造实现自由成形SLSCast增材制造技术发展趋势第6页一、Development history of AM technology快速原型/快速成形快速工具/模具/铸型快速成形直接制造增材制造技术发展趋势第7页Verificationand presentation of concept概念验证和展现工业设计产品设计Design verificationand test设计验证和测试重复设计和优化成型、装配和功效性测试Productionand manufacturingMolding and secondary operations 制模与二次操作 热成型 砂型铸

8、造 金属镀层 EDM电极Small batch production,mass production 批量生产失蜡铸造吹塑制模 塑料挤塑 环氧制模 一、Major use生产与制造直接制造零件增材制造技术发展趋势第8页 二、Technical methods and means：Major processTechnologyMaterial CharacteristicsApplications光固化成形（SLA）液态树脂精度高；表面质量好航空航天、生物医学等激光选区烧结（SLS）高分子、金属、陶瓷、砂等粉末材料成形材料广泛、应用范围广等制作复杂铸件用熔模或砂芯等激光选区熔化（SLM）金属或合

9、金粉末可直接制造高性能复杂金属零件用于航空航天、珠宝首饰、模具等熔融沉积制造（FDM）低熔点丝状材料零件强度高、系统成本低汽车、工艺品等激光近净成形（LNSF）金属粉末成型效率高、可直接成形金属零件航空领域电子束选区熔化（EBSM）金属粉末可成形难熔材料航空航天、医疗、石油化工等电子束熔丝沉积（EBFFF）金属丝材成形速度快、精度不高航空航天高附加值产品制造分层实体制造（LOM）片材成形速率高、性能不高用于新产品外形验证立体喷印（3DP）光敏树脂、粘接剂喷粘接剂时强度不高、喷头易堵塞制造业、医学、建筑业等原型验证增材制造技术发展趋势第9页Industry chain of AMUSERpost

10、-treatment and servicesManufacturingEquipmentMaterial Additive manufacturing has a long industry chain, and improves thetechnology and economy.母合金、中间合金、金属冶炼、粉末、金属丝材、材料检测、材料储运激光器、电子枪、成形软件、机电控制、传感器、机床、装备集成、真空器件、气体循环器件、冷却系统产品研制、工艺开发等、委托加工机械加工、热处理、表面处理、无损检测、性能测试、生物陶瓷、净化增材制造技术发展趋势第10页4.4 国际发展现实状况European

11、 and American countries have increased their support, and made the national strategies and plans for additive manufacturing development; It has draw more attention of government, research institutions, enterprises and the media.年3月，美国白宫宣告振兴美国制造新举措，将投资10亿美金帮助美国制造体系改革，勉励优先发展增材制造为代表数字化制造技术；在全国范围筹建多个研究与

12、企业联盟英国政府自开始连续增大对增材制造技术研发经费，当前已在多个大学建立了增材制造研究中心德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推进增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面应用西班牙也开启了增材制造专题，研究增材制造共性技术、材料、技术交流及商业模式等内容日本一直重视增材制造技术，研制和应用水平走在了亚洲前列三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第11页Clear development ideas大型运输机舱体壁板结构航空发动机机匣Basic research Standard setting Industry app

13、lications Industrial Development三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第12页Clear development projectsResearch plan of electron beam rapid prototyping made by American NASA三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第13页Direct manufacturing of performance parts. Performance i

14、s close to the traditional process; Applied in some complicated conditions.英国南安普顿大学设计并利用增材制造技术制造了世界上第一架“3D打印”无人驾驶飞机，最高时速达100多公里世界上第一辆“3D打印”赛车“阿里翁”，已在德国霍根海姆赛道完成测试，时速达141公里4.4 国际发展现实状况三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第14页Europehave carried out extensive esearch 意大利AVIO企业电子束选区熔化生产线

15、拥有13台设备；英国罗罗企业正在建立拥有30台设备电子束选区熔化生产线。大推力涡扇发动机钛铝合金 三四级涡轮叶片 “Rapid manufacturing center of large aerospace parts”， has been established in Additive manufacturing of small and precise structure keeps ahead of the world.空客、罗罗、EADS等企业飞机及发动机上已经有大量应用。增材制造技术发展趋势第15页Solving the manufacturing problems for diff

16、icult-machining materials 。比如，德国EOS企业开发选区激光烧结（SLS）增材制造装备可成形传统工艺（注塑、挤塑）难加工耐高温塑料利用基于粉材激光烧结工艺可成形复杂高精度零部件，力学性能较尼龙等塑料高出1倍（拉伸强度达95MPa，杨氏模量达4400MPa）尤其是含有优异耐高温性能，可连续服役于180摄氏度动态力学场所、240摄氏度静态力学场所以及260摄氏度电气场所等三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第16页Repairing and re-manufacturing high temperat

17、ure parts。以激光、等离子束和电弧等能束增材制造再制造技术为代表，已应用于机械、能源、船舶等领域关键、高附加值零部件快速修复美国AeroMet企业应用于F15等战斗机机翼梁修复英国Rolls-Royce企业用于航空发动机叶片修复激光成形修复发动机零件相比传统电镀、热喷涂等技术，增材制造技术使用，实现了高性能、高效率和低成本修复和再制造三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第17页Rapid customizing personalized structure in biomedical area 。与生物医疗技术相结

18、合，应用于牙齿、骨骼等“人体零部件”修复或植入手术中。在过去10余年，增材制造在生物医疗领域应用比重约为占全部应用15%。增材制造人体修复体增材制造金属牙齿已应用于人体，并有专用装备增材制造金属颅骨修复体，已获临床应用增材制造人体关节金属修复体，已经有专业服务企业4.4 国际发展现实状况三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第18页“three-dimensional printing”of micro and nano structures in the field of electronics manufacturing

19、.与电子制造技术相融合，可应用于有机发光二极管、薄膜太阳能电池、无芯片RFID标签、柔性显示器等微纳尺度功效性器件“三维打印”与压膜制版、光刻蚀和镀膜等工艺相比，增材制造用于电子领域不但降低污染排放，还可提升珍贵材料利用率！增材制造微纳电子器件电子电路多层柔性PCB无芯片RFID标签有机薄膜光伏器件有机发光显示OLED4.4 国际发展现实状况三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第19页Productization and serialization on production and sale of equipments.

20、 欧美及日本在该领域处于世界领先水平，已形成了众多专业化和规模化装备生产企业。近年来，开始出现著名企业强强联合与吞并态势，深入加大了地域不平衡和技术垄断程度美国3D Systems企业生产和销售三种工艺类型、数十种型号增材制造装备仅SLS工艺装备就有9种型号企业于2月吞并了办公型三维打印装备著名企业美国ZCorp企业美国Stratasys企业专营低成本熔融沉积（FDM）工艺装备是全球累计销售装备数量最多企业，占总应用量约40%4月，企业吞并了桌面型三维打印装备著名企业以色列Objet企业德国EOS企业专门生产和销售SLS、SLM装备共有六种型号成形材料包含高分子、砂、金属及其复合材料4.4 国

21、际发展现实状况三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第20页Equipments are developing to specialization. 如德国EOS企业提供专门用于工业应用级金属牙齿激光增材制造装备铸造成本低，但工艺繁琐，周期长，难以个性化制造；机加工精度高，但材料浪费严重SLM工艺简单、个性化制造、材料利用率高、零件性能好4.4 国际发展现实状况三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第21页Equipments expand from re

22、search and industry high-end types to mass consumption type.欧美发达国家开始重视低成本（几万甚至几千人民币）增材制造装备研制与产业化，促使增材制造技术从试验室和工厂走向办公室甚至是家庭美国ZCorp企业（并入3D Systems企业）生产办公型三维打印装备类似于打印机，可用于多类型塑料彩色零件增材制造 美国MakerBot企业生产简易型装备设备，可低成本制造塑料零件 三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第22页Form relatively integrated

23、industry chain including equipments, materials, software, services.世界著名增材制造装备生产企业超出30余家，主要分布在美国、德国、英国及日本等少数发达国家已经有专业增材制造材料生产企业，如瑞典Sandvik企业提供微细金属粉末专业增材制造软件企业，如比利时Materialise企业提供增材制造工艺与控制软件三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第23页Industry and markets have achieved certain scale, and

24、annual output value is growing at double-digit rates.1989年-年，增材制造装备销售量平均年增加率高达31.6%，自后以更加快速度递增年，增材制造产品及服务产值较前一年增加了29.4%三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第24页Mix of multidiscipline such as numerical control, new materials, new energy etc.Application areas include aerospace, automo

25、bile, mould, biomedical, electronic, construction, consumer products, education, official business etc.Application area distribution多轴联动、高速扫描控制、高精密传动等数控技术微细金属粉末、光敏树脂、水溶喷印树脂等新材料及其制备技术高能束激光、电子束、等离子等新能源技术4.4 国际发展现实状况三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第25页Technology: 从快速原型、工艺辅助等间接制造发展

26、为零部件直接制造，新材料、新器件、新产品不停出现；Equipment: 向产品化、系列化和专业化方向发展；从科研和工业等高端型向办公和个人消费等大众化型拓展；Industry: 形成了集装备、材料、软件、服务于一体产业链，初具产业规模和市场销售；Standards: 已公布较成熟、成系列相关技术标准，并已开始了国际标准制订；Application: 多学科交叉融合发展，应用领域不停扩大。三：Development and trends of International AM增材制造技术发展趋势第26页四 . Our development situation电子束熔丝沉积成形：北京625所19

27、901995电子束选区熔化成形：清华大学北京625所西北有色院中科院金属所快速原型：清华大学西安交大华中科大中北大学北京625所北京隆源企业金属激光成形：西工大北京有色院北京625所华中科大华南理工北京殷华企业大型结构激光成形：北航西工大北京625所激光成形大型航空钛合金结构装机应用：北京航空航天大学电子束熔丝沉积成形钛合金结构及激光选区熔化成形精密结构装机应用 北京625所Some related research institutes and bases are built增材制造技术发展趋势第27页Development of additive manufacturing equipme

28、nts relying on universities and research institutes under financial support of national projects.代表性单位有：西安交通大学、华中科技大学、北京航空航天大学、中航工业北京航空制造工程研究所、西北工业大学、清华大学、华南理工大学、西北有色金属研究院，等等。四. Our development situation625所EBRM设备625所SLM设备增材制造技术发展趋势第28页State-of-the-art is transiting from rapid prototyping to compone

29、nts direct manufacturing. Areas on high performance placitics and metal components are developing rapidly. Some exceed international level. However, generally speaking, there is still big room for improvement.制作飞机风洞模型，辅助新型飞机结构创新设计与快速开发用于汽车、家电和数码等快速更新换代行业中新产品结构快速验证，如海尔等主要企业均建立增材制造技术中心辅助汽车发动机缸体缸盖等复杂铸件

30、蜡型和砂型快速制造，二汽、玉柴等相关企业均设置了专门增材制造部门四. Our development situation增材制造技术发展趋势第29页There is big improvement room for additive manufacturing equipments. Industrial chain needs to be established involving materials, hardware, software and services.Equipment usage distribution of international additive manufact

31、uringEquipment production distribution of international additive manufacturing截止底，我国增材制造装备使用量占全球份额8.6%，装备产量仅占世界总量3.6%。说明我国使用不到10%装备还 有超出二分之一依赖于进口！我国增材制造装备应用量和生产量都有较大提升空间4.5 我国发展情况四. Our development situation增材制造技术发展趋势第30页四. Our general situation4.5 我国总体情况Research condition: 形成了一批各具特色研发机构，并研发成功了一批增材制

32、造装备；Technological level: 总体上还处于从模型制作向零部件直接制造过渡阶段，部分指标达世界领先水平；Application and industry: 在经典关键领域进行了局部应用，但缺乏产业链，产业规模提升空间大！；Standards: 已开始了相关标准制订工作，但起步较晚，标准包括内容较分散，未形成成套系列化标准。增材制造技术发展趋势第31页4.6 我国面临主要差距Weakness of theoretical research: 在基础理论与成形机理研究方面，我国在一些局部点上开展研究，但国外研究更基础、更系统和更深入Lack of key generic tech

33、nology research: 国外基于成熟理论基础上工艺控制，成形精度、制件性能以及工艺稳定性高Weakness of materials research: 增材制造用材料与传统工艺所用材料有较大差异，我国与国外相比不论是种类还是质量上都有差距Low equipment level: 大部分增材制造工艺装备国内都有研制，但在成形精度和智能化程度以及材料适应范围方面与国外先进水平相比存在差距Core components rely on import: 激光器、精密光学器件等装备关键元器件依靠进口五. Our gap, solution and suggest增材制造技术发展趋势第32页AdvantagesOpportunitiesThreatsDisadvantages行业需求背景与支持推进明确产品需求和强劲研发动力强大扎实领先技术实力自主知识产权软件平台前期研发经验与教训现环境下低盈利甚至负盈利市场份额抵达市场时间国内市场需求大而紧迫 国际主要竞争产品能力有限，产品能力低端航空产业需求旺盛现有商品无法满足需求国际国内同行快速研发竞争高端产品性能 Analysis on advantages, disadvantages, opportunities and threats增材制造技术发展趋势第33页Aerospace飞机大