增材制造 D打印 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

1、增材制造(3D打印)技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所2013-07-09一、概述增材制造(Additive Manufacturing， AM)技術(shù)是通過(guò)CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除 (切削加工)技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。自上世紀(jì) 80年代末增材制造技術(shù)逐步發(fā)展，期間也被稱為“材料累加制造”(Material Increse Manufacturing)、 “快速 原型” (Rapid Prototyping)、分層制造”(Layered Manufacturing)、 “實(shí)體自由 制造”(Solid Free

2、-form Fabrication)、“3D 打印技術(shù)”(3D Printing) 等。名稱各異的叫法分別從不同側(cè)面表達(dá)了該制造技術(shù)的特點(diǎn)。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)F42國(guó)際委員會(huì)對(duì)增材制造和3D打印有明 確的概念定義。增材制造是依據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)將材料連接制作物體的過(guò)程， 相對(duì)于減法制造它通常是逐層累加過(guò)程3D打印是指采用打印頭、噴嘴或 其它打印技術(shù)沉積材料來(lái)制造物體的技術(shù)，3D打印也常用來(lái)表示“增材制 造”技術(shù)，在特指設(shè)備時(shí)，3D打印是指相對(duì)價(jià)格或總體功能低端的增材制 造設(shè)備。增材制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在一臺(tái)設(shè)備上可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形

3、狀的零件，從而實(shí) 現(xiàn)“自由制造”，解決許多過(guò)去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，并大大 減少了加工工序，縮短了加工周期。而且越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其制造的 速度作用越顯著。近二十年來(lái)，增材制造技術(shù)取得了快速的發(fā)展。增材制 造原理與不同的材料和工藝結(jié)合形成了許多增材制造設(shè)備。目前已有的設(shè) 備種類達(dá)到20多種。這一技術(shù)一出現(xiàn)就取得了快速的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域 都取得了廣泛的應(yīng)用，如在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車、航天航空、醫(yī)療、軍工、 地理信息、藝術(shù)設(shè)計(jì)等。增材制造的特點(diǎn)是單件或小批量的快速制造，這 一技術(shù)特點(diǎn)決定了增材制造在產(chǎn)品創(chuàng)新中具有顯著的作用。美國(guó)時(shí)代周刊將增材制造列為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”，英 國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)

4、人雜志則認(rèn)為它將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第 三次工業(yè)革命”，認(rèn)為該技術(shù)改變未來(lái)生產(chǎn)與生活模式，實(shí)現(xiàn)社會(huì)化制造， 每個(gè)人都可以成為一個(gè)工廠，它將改變制造商品的方式，并改變世界的經(jīng) 濟(jì)格局，進(jìn)而改變?nèi)祟惖纳罘绞?。美?guó)奧巴馬總統(tǒng)在2012年3月9日 提出發(fā)展美國(guó)振興制造業(yè)計(jì)劃，向美國(guó)國(guó)會(huì)提出“制造創(chuàng)新國(guó)家網(wǎng)絡(luò)” (NNMI)，計(jì)劃投資10億美元重振美國(guó)制造業(yè)計(jì)劃。其目的在奪回制造業(yè) 霸主地位，要以一半的時(shí)間和費(fèi)用完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)在美國(guó)設(shè)計(jì)在美國(guó) 制造，使更多美國(guó)人返回工作崗位，構(gòu)建持續(xù)發(fā)展的美國(guó)經(jīng)濟(jì)。為此，奧 巴馬政府啟動(dòng)首個(gè)項(xiàng)目“增材制造”，初期政府投資3000萬(wàn)美元，企業(yè) 配套40

5、00萬(wàn)元，由國(guó)防部牽頭，制造企業(yè)、大學(xué)院校以及非贏利組織參 加，研發(fā)新的增材制造技術(shù)與產(chǎn)品，使美國(guó)成為全球優(yōu)秀的增材制造的中 心，架起“基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品研發(fā)”之間紐帶。美國(guó)政府已經(jīng)將增材制造技 術(shù)作為國(guó)家制造業(yè)發(fā)展的首要戰(zhàn)略任務(wù)給予支持。美國(guó)專門(mén)從事增材制造技術(shù)技術(shù)咨詢服務(wù)的Wohlers協(xié)會(huì)在2012年度 報(bào)告中，對(duì)各行業(yè)的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。2011年全球直接產(chǎn)值億美元， 2011年增長(zhǎng)率，其中，設(shè)備材料：億美元，增長(zhǎng)%，服務(wù)產(chǎn)值：億美元， 增長(zhǎng)，其發(fā)展特點(diǎn)是服務(wù)與設(shè)備對(duì)半。在應(yīng)用方面消費(fèi)商品和電子領(lǐng)域 仍占主導(dǎo)地位，但是比例從降低到；機(jī)動(dòng)車領(lǐng)域從降低到；研究 機(jī)構(gòu)為；醫(yī)學(xué)和牙科領(lǐng)域從增加到

6、；工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域?yàn)?；航空航?領(lǐng)從%增加到。在過(guò)去的幾年中，航空器制造和醫(yī)學(xué)應(yīng)用是增長(zhǎng)最快的 應(yīng)用領(lǐng)域。世界上各許多國(guó)家與地區(qū)都在開(kāi)發(fā)或應(yīng)用增材制造技術(shù)。增材 制造系統(tǒng)的數(shù)量一定程度上表現(xiàn)了國(guó)家的經(jīng)濟(jì)活力與創(chuàng)新能力。自1988 2011年，美國(guó)、日本、德國(guó)、中國(guó)成為主要的設(shè)備擁有國(guó)，其中，美國(guó)占 全球總設(shè)備量的，中國(guó)占。預(yù)計(jì)2012年將增長(zhǎng)25%至億美元，2019年將 達(dá)到60億美元。增材制造發(fā)展有誘人的發(fā)展前景，也存在巨大的挑戰(zhàn)。目前最大的難 題是材料的物理與化學(xué)性能制約了實(shí)現(xiàn)技術(shù)。例如，在成形材料上，目前 主要是有機(jī)高分子材料，金屬材料直接成形是近十多年的研究熱點(diǎn)，正在 逐漸向工業(yè)應(yīng)用，難點(diǎn)

7、在于如何提高精度和效率。新的研究方向是用增材 制造技術(shù)直接把軟組織材料（生物基質(zhì)材料和細(xì)胞）堆積起來(lái)，形成類生 命體，經(jīng)過(guò)體外培養(yǎng)和體內(nèi)培養(yǎng)去制造復(fù)雜組織器官。二、增材制造分類自上世紀(jì)80年代美國(guó)出現(xiàn)第一臺(tái)商用光固化成形機(jī)后，在至今近三十 年時(shí)間內(nèi)得到了快速發(fā)展。較成熟的技術(shù)主要有以下四種方法：光固化成 形(Stereolithography， SL)、疊層實(shí)體制造 (Laminated Object Manufacturing， LOM)、選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Melting， SLS)、熔絲沉積成形(Fused Deposition Modeling， FDM)。

8、疊層實(shí)體 制造設(shè)備逐漸消落。其他幾種方法逐漸向低成本、高精度、多材料方面發(fā) 展。工藝的過(guò)程：樹(shù)脂槽中盛滿液態(tài)光固化樹(shù)脂，紫外激光器按照各層截 面信息進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描的區(qū)域固化形成零件的一個(gè)薄層。當(dāng)一層固 化后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚，在固化好的樹(shù)脂表面澆注一層新的液態(tài)樹(shù)脂， 并利用刮板將樹(shù)脂刮平，然后進(jìn)行新一層的掃描和固化，如此重復(fù)，直至 原型構(gòu)造完成。SL工藝的特點(diǎn)是精度高、表面質(zhì)量好，能制造形狀復(fù)雜、 特別精細(xì)的零件，不足是設(shè)備和材料昂貴，制造過(guò)程中需要設(shè)計(jì)支撐，加 工環(huán)境氣味重等問(wèn)題。的層面信息通過(guò)每一層的輪廓來(lái)表示，激光掃描器的動(dòng)作由這些輪 廓信息控制，它采用的材料是具有厚度信息的片材

9、。這種加工方法只需加 工輪廓信息，所以可以達(dá)到很高的加工速度，但材料的范圍很窄，每層厚度不可調(diào)整是最大缺點(diǎn)。工藝?yán)酶吣芰考す馐诜勰颖砻姘凑战孛鎾呙瑁勰┍粺Y(jié)相互 連接，形成一定形狀的截面。當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，工作臺(tái)下降一層厚度， 鋪上一層新的粉末，繼續(xù)新一層的燒結(jié)。通過(guò)層層疊加，去除未燒結(jié)粉末， 即可得到最終三維實(shí)體。SLS的特點(diǎn)是成形材料廣泛，理論上只要將材料 制成粉末即可成形。另外，SLS成形過(guò)程中，粉床充當(dāng)自然支撐，可成形 懸臂、內(nèi)空等其他工藝難成形結(jié)構(gòu)。但是，SLS技術(shù)需要價(jià)格較為昂貴的 激光器和光路系統(tǒng)，成本較其他方法高，一定程度上限制了該技術(shù)的應(yīng)用 范圍。是將電能轉(zhuǎn)換為熱能

10、，使絲狀塑料擠出噴頭前達(dá)到熔融狀態(tài)。由計(jì)算 機(jī)控制噴頭移動(dòng)，根據(jù)截面輪廓信息，使熔融塑料成形一定形狀的二維截 面。通過(guò)層層疊加，形成塑料三維實(shí)體。FDM無(wú)需價(jià)格昂貴的激光器和光 路系統(tǒng)，成本較低，易于推廣。但是，該方法成形材料限制較大，并且成 形精度相對(duì)較低，是限制該技術(shù)發(fā)展的主要問(wèn)題。隨著增材制造技術(shù)工藝和設(shè)備的成熟，新材料、新工藝的出現(xiàn)，該技 術(shù)由快速原型階段進(jìn)入快速制造和普及化新階段，最顯著地體現(xiàn)在金屬零 件直接快速制造以及桌面型3D打印設(shè)備。目前，真正直接制造金屬零件的增材制造技術(shù)有基于同軸送粉的激光 近形制造(Laser Engineering Net Shaping, LENS)技

11、術(shù)和基于粉末床 的選擇性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)及電子束熔化技術(shù) (Electron Beam Melting, EBM)技術(shù)。LENS技術(shù)能直接制造出大尺寸的 金屬零件毛坯；SLM和EBM可制造復(fù)雜精細(xì)金屬零件。LENS技術(shù)在惰性氣體保護(hù)之下，通過(guò)激光束熔化噴嘴輸送的粉末流， 使其逐層堆積，最終形成復(fù)雜形狀的零件或模具。該方法得到的制件組織 致密，具有明顯的快速熔凝特征，力學(xué)性能很高，并可實(shí)現(xiàn)非均質(zhì)和梯度 材料制件的制造。目前，應(yīng)用該工藝已制造出鋁合金、鈦合金、鎢合金等 半精化的毛坯，性能達(dá)到甚至超過(guò)鍛件，在航天、航空、造船、國(guó)防等領(lǐng) 域具有極大的

12、應(yīng)用前景。但該工藝成形難以成形復(fù)雜和精細(xì)結(jié)構(gòu)，主要用 于毛坯成形，且粉末材料利用率偏低。SLM技術(shù)利用高能束激光熔化預(yù)先鋪在粉床上薄層粉末，逐層熔化堆 積成形。為了保證金屬粉末材料的快速熔化，SLM材料較高功率密度的激 光器，光斑聚焦到幾十Pm到幾Wumo SLM制造的金屬零件接近全致密， 強(qiáng)度達(dá)鍛件水平，精度可達(dá)0.1mm/100mm。該工藝的主要缺陷有金屬球化、 翹曲變形及裂紋等，還面臨成形效率低、可重復(fù)性及可靠性有待優(yōu)化等問(wèn) 題。EBM與SLM系統(tǒng)的主要差別在于熱源不同，成形原理基本相似。EBM技 術(shù)成形室必須為高真空，才能保證設(shè)備正常工作，這使得EBM整機(jī)復(fù)雜度 增大。電子束為熱源，金

13、屬材料對(duì)其幾乎沒(méi)有反射，能量吸收率大幅提高。在真空環(huán)境下，材料熔化后的潤(rùn)濕性也大大增強(qiáng)，增加了熔池之間、層與 層之間的冶金結(jié)合強(qiáng)度。但是，EBM技術(shù)還存在如下問(wèn)題：真空抽氣過(guò)程 中粉末容易被氣流帶走，造成系統(tǒng)污染；在電子束作用下粉末容易潰散， 因此需預(yù)熱到800笆以上，使粉末預(yù)先燒結(jié)固化。采取預(yù)熱后制造效率高， 零件變形小，無(wú)需支撐，微觀組織致密；但預(yù)熱溫度對(duì)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)要求 高，加工結(jié)束后零件需要在真空室中冷卻相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，降低了零件的 成形效率。由于系統(tǒng)成本較高、材料特殊以及操作復(fù)雜，在目前階段增材制造技 術(shù)主要應(yīng)用于科研以及工業(yè)應(yīng)用。隨著桌面型3D打印技術(shù)(Three-dimensio

14、nal printing, 3DP )的產(chǎn)生和應(yīng)用，增材制造技術(shù)的 應(yīng)用范圍得到了極大擴(kuò)展。3DP的工作方式類似于桌面打印機(jī)。核心部分為若干細(xì)小噴嘴組成的 打印系統(tǒng)。材料主要包括兩大類：其一，類似于SLA工藝用的液態(tài)光敏樹(shù) 脂材料；其二，類似于SLS用的粉末材料。如果采用液態(tài)樹(shù)脂材料，則成 形原理類似于SLA，但實(shí)現(xiàn)方式有所不同。先由噴嘴噴出具有特定形狀的 一薄層樹(shù)脂截面，利用面紫外光照射使其固化；然后再由噴嘴噴出下一層 截面，進(jìn)而固化并與上一層粘結(jié)在一起；如此反復(fù)，直至實(shí)體制件成形完 畢為止。當(dāng)成形材料為粉末時(shí)，其成形過(guò)程類似于SLS工藝，但原理不盡 相同。先鋪一層粉，由噴嘴按照截面形狀噴一

15、層粘結(jié)劑，使成形制件截面 內(nèi)的粉末粘結(jié)成一體；工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，鋪上一層新粉，并由噴嘴按照該層制件截面形狀噴出一層粘結(jié)劑，使該層截面內(nèi)的粉末發(fā)生粘結(jié)，同 時(shí)與上一層制件實(shí)體粘結(jié)為一體；如此反復(fù)，直至制件成形完畢為止。該 種工藝無(wú)需激光器、掃描系統(tǒng)及其他復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小， 可用作桌面系統(tǒng)，特別適合于快速制作三維模型、復(fù)制復(fù)雜工藝品等應(yīng)用 場(chǎng)合。但是，該技術(shù)成形零件大多需要進(jìn)行后處理，以增加零件強(qiáng)度，工 序較為復(fù)雜，難以成形高性能功能零件，如金屬零件等。三、增材制造技術(shù)發(fā)展歷史1國(guó)外發(fā)展歷史第一階段，思想萌芽增材制造技術(shù)的核心制造思想最早起源于美國(guó)。早在1892年， Blanth

16、er在其專利中，曾建議用分層制造法構(gòu)成地形圖。1902年，Carlo Baese在一項(xiàng)專利中提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。1940年， Perera提出了切割硬紙板并逐層粘結(jié)成三維地形圖的方法。直到20世紀(jì)80 年代末，3D打印制造技術(shù)開(kāi)始了根本性發(fā)展，出現(xiàn)的專利更多，僅在 1986-1998年間注冊(cè)的美國(guó)專利就達(dá)24多項(xiàng)。第二階段，技術(shù)誕生其標(biāo)志性成果就是五種常規(guī)增材制造技術(shù)的提出。1986年美國(guó)的Hull 發(fā)明了光固化技術(shù)，簡(jiǎn)稱SLA； 1988年Feygin發(fā)明了分層實(shí)體制造技術(shù)， 簡(jiǎn)稱LOM； 1989年Deckard發(fā)明了粉末激光燒結(jié)技術(shù)，簡(jiǎn)稱SLS； 1992年Crump 發(fā)

17、明了熔融沉積制造技術(shù)，簡(jiǎn)稱FDM； 1993年麻省理工大學(xué)的Sachs發(fā)明了 噴頭打印技術(shù)，簡(jiǎn)稱3DP。第三階段，裝備推出1988年美國(guó)的3D Systems公司根據(jù)Hull的專利，生產(chǎn)出了第一臺(tái)增材 制造裝備SLA250，開(kāi)創(chuàng)了增材制造技術(shù)發(fā)展的新紀(jì)元。在此后的十年中， 增材制造技術(shù)蓬勃發(fā)展，涌現(xiàn)出了十余種新工藝和相應(yīng)的增材制造裝備。 1991年，美國(guó)Stratasys的FDM裝備、Cubital的實(shí)體平面固化(SGC，Solid Ground Curing)裝備和Helisys的L OM裝備都實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。1992年，美 國(guó)DTM公司(現(xiàn)屬于3D Systems公司)SLS裝備研發(fā)成功。1

18、994年，德國(guó)EOS 公司推出7EOSINT型SLS裝備。1996年，3D Systems使用噴墨打印技術(shù)， 制造出其第一臺(tái)3DP裝備Actua2100。同年，美國(guó)Zcorp公司也發(fā)布了2402 型3DP裝備。總體上，美國(guó)在裝備研制、生產(chǎn)銷售方面占全球的主導(dǎo)地位， 其發(fā)展水平及趨勢(shì)基本代表了世界增材制造技術(shù)的發(fā)展歷程。歐洲和日本 也不甘落后，紛紛進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究和裝備研發(fā)。香港和臺(tái)灣比內(nèi)地起步 早，臺(tái)灣大學(xué)研制了 LOM裝備，臺(tái)灣各單位及軍方安裝多臺(tái)進(jìn)口 SLA裝備， 香港生產(chǎn)力促進(jìn)局和香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、香港城市大學(xué)等機(jī)構(gòu) 擁有增材制造裝備，重點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)研究與應(yīng)用推廣。國(guó)內(nèi)自上世紀(jì)9

19、0年代 初開(kāi)始增材制造技術(shù)研發(fā)。以西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)為 代表的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始自主研制增材制造裝備并在國(guó)內(nèi)開(kāi)展廣泛應(yīng)用。其 中，以西安交通大學(xué)的SLA裝備、華中科技大學(xué)研制的LOM和SLS裝備以及 清華大學(xué)的FDM裝備最具代表性。第四階段，大范圍應(yīng)用隨著工藝、材料和裝備的日益成熟，增材制造技術(shù)的應(yīng)用范圍由模型 和原型制造進(jìn)入產(chǎn)品快速制造階段。早期增材制造技術(shù)受限于材料種類少 及工藝水平低的限制，主要應(yīng)用于模型和原型制造，如制造新型手機(jī)外殼 模型等，因而統(tǒng)稱為快速原型技術(shù)（Rapid Prototyping, RP）。目前，“3D打印”這一更加親民的概念被越來(lái)越多的人熟知。如今由于

20、諸多快速 原型和快速制造裝備均以3D打印機(jī)示人，最早的3D打印已可被稱為“經(jīng)典 3D打印技術(shù)”?！靶屡d3D打印技術(shù)”可以直接制造為人所用的功能部件及 零件和傳統(tǒng)工藝使用的工具，包括電子產(chǎn)品絕緣外殼，金屬結(jié)構(gòu)件，高強(qiáng) 度塑料零件，勞動(dòng)工具，橡膠緩震制件，汽車及航空應(yīng)用的高溫陶瓷部件 及各類金屬模具等。金屬零件的直接制造是標(biāo)志增材制造技術(shù)由“快速原 型”向“快速制造”的重要標(biāo)志之一。2002年，德國(guó)成功研制了選擇性激 光熔化增材制造裝備（SLM），可成形接近全致密的精細(xì)金屬零件和模具， 其性能可達(dá)到同質(zhì)鍛件水平。同時(shí)，電子束熔化（EBM）、激光工程凈成 形（LENS）等一系列新技術(shù)與裝備涌現(xiàn)出來(lái)。

21、這些技術(shù)面向航天航空、武 器裝備、汽車/模具及生物醫(yī)療等高端制造領(lǐng)域，直接成形復(fù)雜和高性能 的金屬零部件，解決一些傳統(tǒng)制造工藝面臨的難加工甚至是無(wú)法加工等制造難題。2國(guó)內(nèi)的發(fā)展歷史我國(guó)增材制造技術(shù)自上世紀(jì)九十年代初開(kāi)始發(fā)展，在西安交通大學(xué)、 清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京隆源公司等在典型的成形設(shè)備、軟件、材 料等方面研究和產(chǎn)業(yè)化方面獲得了重大進(jìn)展，接近國(guó)外產(chǎn)品水平。隨后國(guó) 內(nèi)許多高校和研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了相關(guān)研究，重點(diǎn)在金屬成形方面開(kāi)展研 究，如西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、上海交通 大學(xué)、大連理工大學(xué)、中北大學(xué)、中國(guó)工程物理研究院等單位都在做探索 性的研究和應(yīng)用工作。其中西安交

22、通大學(xué)開(kāi)展料光固化快速成形、金屬熔 敷制造、生物組織制造、陶瓷光固化成形研究，建立了快速制造國(guó)家工程 研究中心；華中科技大學(xué)開(kāi)展了疊層制造、激光選取燒結(jié)、金屬燒結(jié)等技 術(shù)研究；清華大學(xué)開(kāi)展了多功能快速成形設(shè)備、熔融沉積制造設(shè)備、電子 束制造設(shè)備、生物打印技術(shù)研究；北京隆源公司開(kāi)展了激光選取燒結(jié)設(shè)備 研究；北京航空航天大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了金屬熔敷成形技術(shù)研究， 中航625所開(kāi)展了電子束成形制造研究，華南理工大學(xué)開(kāi)展了激光金屬燒 結(jié)技術(shù)研究。國(guó)內(nèi)的高校和企業(yè)通過(guò)科研開(kāi)發(fā)和設(shè)備產(chǎn)業(yè)化改變了該類設(shè) 備早期仰賴進(jìn)口的局面，通過(guò)二十多年的應(yīng)用技術(shù)研發(fā)與推廣，在全國(guó)建 立了20多個(gè)服務(wù)中心，設(shè)備用戶遍布

23、醫(yī)療、航空航天、汽車、軍工、模具、 電子電器、造船等行業(yè)。推動(dòng)了我國(guó)制造技術(shù)的發(fā)展。作為一項(xiàng)正在發(fā)展中的制造技術(shù)，其成熟度還遠(yuǎn)不能同金屬切削、鑄、鍛、焊、粉末冶金等 制造技術(shù)相比，還有大量研究工作需要進(jìn)行，包括激光成形專用合金體系、 零件的組織與性能控制、應(yīng)力變形控制、缺陷的檢測(cè)與控制、先進(jìn)裝備的 研發(fā)等，涉及到從科學(xué)基礎(chǔ)、工程化應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的質(zhì)量保證各個(gè)層 次的研究工作。3近年的國(guó)外最新進(jìn)展2012年的增材制造設(shè)備市場(chǎng)延續(xù)近年的發(fā)展好形勢(shì)，銷售數(shù)目和收入 的增加讓銷售商從中獲益，進(jìn)一步推動(dòng)了美國(guó)股票價(jià)格的增長(zhǎng)。2012年， 增材制造技術(shù)通過(guò)主要出版物、電視節(jié)目，甚至電影的方式涌入公眾的視

24、 野。2012年4月，在Materialise公司（比利時(shí)）的世界大會(huì)上，舉辦了 一場(chǎng)時(shí)裝秀，展出了快速成型制造的帽子和飾品。據(jù)調(diào)查，價(jià)格低于2000美元的設(shè)備多用于科學(xué)研究或個(gè)人，對(duì)行業(yè) 產(chǎn)值影響不大。行業(yè)發(fā)展主要依賴于專業(yè)化設(shè)備性能的提高。目前，專業(yè) 化設(shè)備主要銷往美國(guó)市場(chǎng)。由于經(jīng)濟(jì)不景氣隱藏的潛在客戶被挖掘，并隨 著設(shè)計(jì)與制造的快速增長(zhǎng)，快速成型制造行業(yè)也得以發(fā)展。在美國(guó)明尼蘇 達(dá)州明尼阿波利斯市舉行的年度快速成型會(huì)議上，Materialise公司（比 利時(shí)）的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Wilfried Vancraen因其對(duì)快速成型行業(yè)的 廣泛貢獻(xiàn)被授予行業(yè)成就獎(jiǎng)。產(chǎn)業(yè)不斷壯大：在快速成型企業(yè)

25、中正在進(jìn)行公司間的合并，兼并的對(duì)象主要是設(shè)備供應(yīng)商、服務(wù)供應(yīng)商以及其他的相關(guān)公司。其中最引人注目 的是Z Corp.公司被3D System公司收購(gòu)，還有Stratasys公司與Objet 公司合并。Delcam公司（英國(guó)）收購(gòu)了快速成型軟件公司FabbifySoftware公司（德國(guó)）的一部分。據(jù)預(yù)計(jì)，F(xiàn)abbify Software會(huì)在Delcam 公司的設(shè)計(jì)及制造軟件里增添快速成型應(yīng)用項(xiàng)。3D Systems公司購(gòu)買了參 數(shù)化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件公司Alibre公司，以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)輔助 設(shè)計(jì)（CAD）和3D打印的捆綁。2011年11月，EOS公司（德國(guó)）宣布該 公司已經(jīng)安裝超過(guò)1

26、000臺(tái)的激光燒結(jié)成型機(jī)。11月初，3D system公司 在宣布收購(gòu)Huntsman公司（德州，林地）與光敏聚合物及數(shù)字快速成型 機(jī)相關(guān)的資產(chǎn)；隨后乂宣布兼并3D打印機(jī)制造商Z Corp（馬薩諸塞州， 伯靈頓市），這次兼并花費(fèi)了億美元。新材料新器件不斷出現(xiàn)：Objet公司發(fā)布了一種類ABS的數(shù)字材料以 及一種名為VeroClear的清晰透明材料3D Systems公司也發(fā)布了一種名 為Accura CastPro新材料，該種材料可用于制作熔模鑄造模型。同期， Solidscape公司（梅里馬克，新罕布什爾州）也發(fā)布了一種可使蠟?zāi)ｈT造 鑄模更耐用的新型材料plusCASTo 2011年8月，K

27、elyniam Global （新不列顛，康涅狄格州）宣布它們正在制作聚醚醚酮（PEEK）顱骨植入物。 利用CT或MRI數(shù)據(jù)制作的光固化頭骨模型可以協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃， 在制作規(guī)劃的同時(shí)，加工PEEK材料植入物。據(jù)估計(jì)，這種方法會(huì)將手術(shù) 時(shí)間降低85%。2011年6月，Optomec公司（新墨西哥州，阿爾伯克基） 發(fā)布了一種可用于3D打印及保形電子的新型大面積氣溶膠噴射打印頭。 Optomec公司雖以生產(chǎn)透鏡設(shè)備而為快速成型行業(yè)所熟知，但它的氣溶膠 噴射打印卻隸屬于美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局的介觀綜合保形電子（MICE）計(jì)劃，該計(jì)劃的研究成果主要應(yīng)用在3D打印、太陽(yáng)能電池以及 顯示設(shè)備領(lǐng)域。新

28、產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)：2011年7月，Objet公司發(fā)布了一種新型打印機(jī) Objet260 Connex，該種打印機(jī)可以構(gòu)建更小體積的多材料模型。2011 年7月，Stratasys公司發(fā)布了一種復(fù)合型快速成型機(jī)Fortus250mc，該成型機(jī)可以將 ABSplus材料與一種可溶性支撐材料的進(jìn)行復(fù)合。 Stratasys公司還發(fā)布了一種適用于Fortus400mc及900mc的新型靜態(tài)損 耗材料ABS-ESD7。2011 年9 月，Bulidatron Systems 公司（紐約，紐約）宣布推出基于RepRap的Buildaron1 3D打印機(jī)。這種單一材料打 印機(jī)既可以作為一種工具箱使用（售價(jià)1,2

29、00美元），也作為組裝系統(tǒng)使 用（售價(jià)2,000美元）。Objet公司引入了一種新型生物相容性材料 MED610，這種材料適用于所有的PolyJet系統(tǒng)。剛性材料主要面向醫(yī) 療及牙科市場(chǎng)。3D System公司發(fā)布了一種基于覆膜傳輸成像的打印機(jī) PROJET1500，同時(shí)也發(fā)布了一種從二進(jìn)制信息到字節(jié)的3D觸摸產(chǎn)品。 2012年1月，MakerBot （布魯克林，紐約）推出了售價(jià)1759美元的新機(jī) 器MakerBot Replicator，與它的前身相比。該機(jī)器可以打印更大體積的 模型，并且第二個(gè)塑料擠出機(jī)的噴頭可以更換，從而擠出更多顏色的ABS或PLA。3D Systems公司推出了一種名C

30、ube的單材料、消費(fèi)者導(dǎo)向型3D 打印機(jī)，其售價(jià)低于$1,300。該機(jī)器裝有無(wú)線連接裝置，從而具有了從3D 數(shù)字化設(shè)計(jì)庫(kù)中下載3D模型的功能。國(guó)防部與Stratasys公司簽訂了 100 萬(wàn)美元的uPrint3D打印機(jī)訂單，以支持國(guó)防部的DoDs STARBASE計(jì)劃， 該計(jì)劃的目的是吸引青少年對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)以及先進(jìn)制造技術(shù) 中快速成型制造的興趣。2012年2月，EasyClad公司（法國(guó)）發(fā)布了 MAGIC LF600大框架快速成型機(jī)，該成型機(jī)可構(gòu)建大體積模型，并具有兩個(gè)獨(dú)立 的5軸控制沉積頭，從而可具有圖案壓印、修復(fù)及功能梯度材料沉積的功 能。3D Systems公司推出了 一種

31、可用于計(jì)算機(jī)輔助制造程序，如 Solidworks，Pro / Engineer 的插件Print3D。通過(guò) 3D SystemsProParts服務(wù)機(jī)構(gòu)，這種插件可對(duì)零件及裝配體進(jìn)行動(dòng)態(tài)的零件成本計(jì) 算。2012年3月，BumpyPhoto公司（俄勒岡州，波蘭市）正式推出了一款 彩色3D打印的照片浮雕。先輸入數(shù)字照片，再在24位色打印機(jī)ZPrinter 上打印，就能形成3D照片浮雕。價(jià)格也從最初79美元的3D照片變?yōu)?9 美元的3D刻印圖樣。Stratasys公司和Optomec公司展出了帶有保形電 子電路（利用的是Optomecs Aerosol Jet公司的技術(shù)）的熔化沉積打 印的機(jī)翼結(jié)

32、構(gòu)新標(biāo)準(zhǔn)不斷更新：2011年7月，同期，美國(guó)試驗(yàn)材料學(xué)會(huì)（ASTM） 的快速成型制造技術(shù)國(guó)際委員會(huì)F42發(fā)布了一種專門(mén)的快速成型制造文件（AMF ）格式，新格式包含了材質(zhì)，功能梯度材料，顏色，曲邊三角形及 其他的STL文件格式不支持的信息。十月份，美國(guó)試驗(yàn)材料學(xué)會(huì)國(guó)際（ASTM） 與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）宣布，ASTM國(guó)際委員會(huì)F42與ISO技術(shù)委員會(huì) 261將在快速成型制造領(lǐng)域進(jìn)行合作，該合作將降低重復(fù)勞動(dòng)量。此外， ASTM F42還發(fā)布了關(guān)于坐標(biāo)系統(tǒng)與測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)。四、增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)（1）向日常消費(fèi)品制造方向發(fā)展。三維打印是國(guó)外近年來(lái)的發(fā)展熱點(diǎn)。該設(shè)備稱為三維打印機(jī)，將其作

33、為計(jì)算機(jī)一個(gè)外部輸出設(shè)備而應(yīng)用。它可 以直接將計(jì)算機(jī)中的三維圖形輸出為三維的彩色物體。在科學(xué)教育、工業(yè) 造型、產(chǎn)品創(chuàng)意、工藝美術(shù)等有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價(jià)值。其 發(fā)展方向是提高精度、降低成本、高性能材料發(fā)展。（2）向功能零件制造發(fā)展。采用激光或電子束直接熔化金屬粉，逐層堆 積金屬，形成金屬直接成形技術(shù)。該技術(shù)可以直接制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬功能 零件，制件力學(xué)性能可以達(dá)到鍛件性能指標(biāo)。進(jìn)一步的發(fā)展方向是進(jìn)一步 提高精度和性能，同時(shí)向陶瓷零件的增材制造技術(shù)和復(fù)合材料的增材制造 技術(shù)發(fā)展。（3）向智能化裝備發(fā)展：目前增材制造設(shè)備在軟件功能和后處理方面還 有許多問(wèn)題需要優(yōu)化。例如，成形過(guò)程中需要加支撐，軟件智能化和自動(dòng) 化需要進(jìn)一步提高；制造過(guò)程，工藝參數(shù)與材料的匹配性需要智能化；加 工完成后的粉料或支撐的需要去除等問(wèn)題。這些問(wèn)題直接影響設(shè)備的使用 和推廣，設(shè)備智能化是走向普及的保證。（4）向組織與結(jié)構(gòu)一體化制造發(fā)展。實(shí)現(xiàn)從微觀組織到宏觀結(jié)構(gòu)的可控 制造。例如在制造復(fù)合材料時(shí)，將復(fù)合材料組織設(shè)計(jì)制造與外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 制造同步完成，在微觀到宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)同步制造，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的“設(shè)計(jì) 一材料一制造”一體化。支撐生物組織制造、復(fù)合材料等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的 制造，給制造技術(shù)帶來(lái)革命性發(fā)展。增材制造技術(shù)代表制造技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，產(chǎn)品從大規(guī)模制造向定制化 制造發(fā)展，滿足社會(huì)多樣化需求，目