增材制造技術發(fā)展趨勢

1、Additive Manufacturing Technology and Its Effect on Manufacturing of China.05.29.，Beijing中國航空工業(yè)集團企業(yè)北京航空制造工程研究所BAMTRI,AVIC.鞏水利Prof. Dr. GONG Shuili增材制造技術發(fā)展趨勢第1頁內 容 提 要12Development of International534IntroductionTechnical methods and meansDomestic technology developmentsDisparity and suggestions目 錄增材

2、制造技術發(fā)展趨勢第2頁Additive Manufacturing (AM or 3D Printing)：是人類經過對物質可控動態(tài)累積以迫近目標形體一個生產過程；是與材料去除成形、受迫成形等對應科學技術體系；是以“堆積”為共同特征技術群。 一、Introduction增材制造技術發(fā)展趨勢第3頁Reshaping the global manufacturing competition structure上世紀美國時代周刊將3D打印列為“美國十大增加最快工業(yè)”英國經濟學人雜志則認為它將“與其它數字化生產模式一起推進實現第三次工業(yè)革命”Change theproductionand lifemo

3、de in the future社會化制造那么每個人都能夠成為一個工廠它將改變制造商品方式并改變世界經濟格局進而改變人類生活方式 一、 The third industrial revolution ?!增材制造技術發(fā)展趨勢第4頁一、 Strategic significance of AM for China可成為我國制造業(yè)自主創(chuàng)新有效伎倆；符合綠色制造發(fā)展方向，有利于制造業(yè)可連續(xù)發(fā)展；可促進傳統(tǒng)制造技術水平提升，促進制造與服務融合發(fā)展；有望培育新興產業(yè)、優(yōu)化產業(yè)結構、促進產業(yè)升級。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增材制造技術發(fā)展趨勢第5頁Aerospace高性能金屬零件直接增材制造技術發(fā)展，為航空航天產品從產品設計、模型和原型制造、零件生產和產品測試都帶了新思想和技術路徑，有望大幅縮短航空航天產品研發(fā)和生產周期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. 增材制造大型復雜發(fā)動機機匣鑄造熔模（直徑1.2米原來需要機加工或模具壓制多個局部結構，然后拼接成整體，精度難以控制，工序繁瑣，周期長，增材制造方法精度高、整體成形、周期短。激光近成形葉片（Optomec企業(yè)），傳統(tǒng)鑄

7、鍛，均需制造復雜模具，增材制造實現自由成形SLSCast增材制造技術發(fā)展趨勢第6頁一、Development history of AM technology快速原型/快速成形快速工具/模具/鑄型快速成形直接制造增材制造技術發(fā)展趨勢第7頁Verificationand presentation of concept概念驗證和展現工業(yè)設計產品設計Design verificationand test設計驗證和測試重復設計和優(yōu)化成型、裝配和功效性測試Productionand manufacturingMolding and secondary operations 制模與二次操作 熱成型 砂型鑄

8、造 金屬鍍層 EDM電極Small batch production,mass production 批量生產失蠟鑄造吹塑制模 塑料擠塑 環(huán)氧制模 一、Major use生產與制造直接制造零件增材制造技術發(fā)展趨勢第8頁 二、Technical methods and means：Major processTechnologyMaterial CharacteristicsApplications光固化成形（SLA）液態(tài)樹脂精度高；表面質量好航空航天、生物醫(yī)學等激光選區(qū)燒結（SLS）高分子、金屬、陶瓷、砂等粉末材料成形材料廣泛、應用范圍廣等制作復雜鑄件用熔?；蛏靶镜燃す膺x區(qū)熔化（SLM）金屬或合

9、金粉末可直接制造高性能復雜金屬零件用于航空航天、珠寶首飾、模具等熔融沉積制造（FDM）低熔點絲狀材料零件強度高、系統(tǒng)成本低汽車、工藝品等激光近凈成形（LNSF）金屬粉末成型效率高、可直接成形金屬零件航空領域電子束選區(qū)熔化（EBSM）金屬粉末可成形難熔材料航空航天、醫(yī)療、石油化工等電子束熔絲沉積（EBFFF）金屬絲材成形速度快、精度不高航空航天高附加值產品制造分層實體制造（LOM）片材成形速率高、性能不高用于新產品外形驗證立體噴?。?DP）光敏樹脂、粘接劑噴粘接劑時強度不高、噴頭易堵塞制造業(yè)、醫(yī)學、建筑業(yè)等原型驗證增材制造技術發(fā)展趨勢第9頁Industry chain of AMUSERpost

10、-treatment and servicesManufacturingEquipmentMaterial Additive manufacturing has a long industry chain, and improves thetechnology and economy.母合金、中間合金、金屬冶煉、粉末、金屬絲材、材料檢測、材料儲運激光器、電子槍、成形軟件、機電控制、傳感器、機床、裝備集成、真空器件、氣體循環(huán)器件、冷卻系統(tǒng)產品研制、工藝開發(fā)等、委托加工機械加工、熱處理、表面處理、無損檢測、性能測試、生物陶瓷、凈化增材制造技術發(fā)展趨勢第10頁4.4 國際發(fā)展現實狀況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，美國白宮宣告振興美國制造新舉措，將投資10億美金幫助美國制造體系改革，勉勵優(yōu)先發(fā)展增材制造為代表數字化制造技術；在全國范圍籌建多個研究與

12、企業(yè)聯(lián)盟英國政府自開始連續(xù)增大對增材制造技術研發(fā)經費，當前已在多個大學建立了增材制造研究中心德國建立了直接制造研究中心，主要研究和推進增材制造技術在航空航天領域中結構輕量化方面應用西班牙也開啟了增材制造專題，研究增材制造共性技術、材料、技術交流及商業(yè)模式等內容日本一直重視增材制造技術，研制和應用水平走在了亞洲前列三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第11頁Clear development ideas大型運輸機艙體壁板結構航空發(fā)動機機匣Basic research Standard setting Industry app

13、lications Industrial Development三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第12頁Clear development projectsResearch plan of electron beam rapid prototyping made by American NASA三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第13頁Direct manufacturing of performance parts. Performance i

14、s close to the traditional process; Applied in some complicated conditions.英國南安普頓大學設計并利用增材制造技術制造了世界上第一架“3D打印”無人駕駛飛機，最高時速達100多公里世界上第一輛“3D打印”賽車“阿里翁”，已在德國霍根海姆賽道完成測試，時速達141公里4.4 國際發(fā)展現實狀況三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第14頁Europehave carried out extensive esearch 意大利AVIO企業(yè)電子束選區(qū)熔化生產線

15、擁有13臺設備；英國羅羅企業(yè)正在建立擁有30臺設備電子束選區(qū)熔化生產線。大推力渦扇發(fā)動機鈦鋁合金 三四級渦輪葉片 “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、羅羅、EADS等企業(yè)飛機及發(fā)動機上已經有大量應用。增材制造技術發(fā)展趨勢第15頁Solving the manufacturing problems for diff

16、icult-machining materials 。比如，德國EOS企業(yè)開發(fā)選區(qū)激光燒結（SLS）增材制造裝備可成形傳統(tǒng)工藝（注塑、擠塑）難加工耐高溫塑料利用基于粉材激光燒結工藝可成形復雜高精度零部件，力學性能較尼龍等塑料高出1倍（拉伸強度達95MPa，楊氏模量達4400MPa）尤其是含有優(yōu)異耐高溫性能，可連續(xù)服役于180攝氏度動態(tài)力學場所、240攝氏度靜態(tài)力學場所以及260攝氏度電氣場所等三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第16頁Repairing and re-manufacturing high temperat

17、ure parts。以激光、等離子束和電弧等能束增材制造再制造技術為代表，已應用于機械、能源、船舶等領域關鍵、高附加值零部件快速修復美國AeroMet企業(yè)應用于F15等戰(zhàn)斗機機翼梁修復英國Rolls-Royce企業(yè)用于航空發(fā)動機葉片修復激光成形修復發(fā)動機零件相比傳統(tǒng)電鍍、熱噴涂等技術，增材制造技術使用，實現了高性能、高效率和低成本修復和再制造三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第17頁Rapid customizing personalized structure in biomedical area 。與生物醫(yī)療技術相結

18、合，應用于牙齒、骨骼等“人體零部件”修復或植入手術中。在過去10余年，增材制造在生物醫(yī)療領域應用比重約為占全部應用15%。增材制造人體修復體增材制造金屬牙齒已應用于人體，并有專用裝備增材制造金屬顱骨修復體，已獲臨床應用增材制造人體關節(jié)金屬修復體，已經有專業(yè)服務企業(yè)4.4 國際發(fā)展現實狀況三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第18頁“three-dimensional printing”of micro and nano structures in the field of electronics manufacturing

19、.與電子制造技術相融合，可應用于有機發(fā)光二極管、薄膜太陽能電池、無芯片RFID標簽、柔性顯示器等微納尺度功效性器件“三維打印”與壓膜制版、光刻蝕和鍍膜等工藝相比，增材制造用于電子領域不但降低污染排放，還可提升珍貴材料利用率！增材制造微納電子器件電子電路多層柔性PCB無芯片RFID標簽有機薄膜光伏器件有機發(fā)光顯示OLED4.4 國際發(fā)展現實狀況三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第19頁Productization and serialization on production and sale of equipments.

20、 歐美及日本在該領域處于世界領先水平，已形成了眾多專業(yè)化和規(guī)?；b備生產企業(yè)。近年來，開始出現著名企業(yè)強強聯(lián)合與吞并態(tài)勢，深入加大了地域不平衡和技術壟斷程度美國3D Systems企業(yè)生產和銷售三種工藝類型、數十種型號增材制造裝備僅SLS工藝裝備就有9種型號企業(yè)于2月吞并了辦公型三維打印裝備著名企業(yè)美國ZCorp企業(yè)美國Stratasys企業(yè)專營低成本熔融沉積（FDM）工藝裝備是全球累計銷售裝備數量最多企業(yè)，占總應用量約40%4月，企業(yè)吞并了桌面型三維打印裝備著名企業(yè)以色列Objet企業(yè)德國EOS企業(yè)專門生產和銷售SLS、SLM裝備共有六種型號成形材料包含高分子、砂、金屬及其復合材料4.4 國

21、際發(fā)展現實狀況三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第20頁Equipments are developing to specialization. 如德國EOS企業(yè)提供專門用于工業(yè)應用級金屬牙齒激光增材制造裝備鑄造成本低，但工藝繁瑣，周期長，難以個性化制造；機加工精度高，但材料浪費嚴重SLM工藝簡單、個性化制造、材料利用率高、零件性能好4.4 國際發(fā)展現實狀況三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第21頁Equipments expand from re

22、search and industry high-end types to mass consumption type.歐美發(fā)達國家開始重視低成本（幾萬甚至幾千人民幣）增材制造裝備研制與產業(yè)化，促使增材制造技術從試驗室和工廠走向辦公室甚至是家庭美國ZCorp企業(yè)（并入3D Systems企業(yè)）生產辦公型三維打印裝備類似于打印機，可用于多類型塑料彩色零件增材制造 美國MakerBot企業(yè)生產簡易型裝備設備，可低成本制造塑料零件 三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第22頁Form relatively integrated

23、industry chain including equipments, materials, software, services.世界著名增材制造裝備生產企業(yè)超出30余家，主要分布在美國、德國、英國及日本等少數發(fā)達國家已經有專業(yè)增材制造材料生產企業(yè)，如瑞典Sandvik企業(yè)提供微細金屬粉末專業(yè)增材制造軟件企業(yè)，如比利時Materialise企業(yè)提供增材制造工藝與控制軟件三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第23頁Industry and markets have achieved certain scale, and

24、annual output value is growing at double-digit rates.1989年-年，增材制造裝備銷售量平均年增加率高達31.6%，自后以更加快速度遞增年，增材制造產品及服務產值較前一年增加了29.4%三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第24頁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多軸聯(lián)動、高速掃描控制、高精密傳動等數控技術微細金屬粉末、光敏樹脂、水溶噴印樹脂等新材料及其制備技術高能束激光、電子束、等離子等新能源技術4.4 國際發(fā)展現實狀況三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第25頁Technology: 從快速原型、工藝輔助等間接制造發(fā)展

26、為零部件直接制造，新材料、新器件、新產品不停出現；Equipment: 向產品化、系列化和專業(yè)化方向發(fā)展；從科研和工業(yè)等高端型向辦公和個人消費等大眾化型拓展；Industry: 形成了集裝備、材料、軟件、服務于一體產業(yè)鏈，初具產業(yè)規(guī)模和市場銷售；Standards: 已公布較成熟、成系列相關技術標準，并已開始了國際標準制訂；Application: 多學科交叉融合發(fā)展，應用領域不停擴大。三：Development and trends of International AM增材制造技術發(fā)展趨勢第26頁四 . Our development situation電子束熔絲沉積成形：北京625所19

27、901995電子束選區(qū)熔化成形：清華大學北京625所西北有色院中科院金屬所快速原型：清華大學西安交大華中科大中北大學北京625所北京隆源企業(yè)金屬激光成形：西工大北京有色院北京625所華中科大華南理工北京殷華企業(yè)大型結構激光成形：北航西工大北京625所激光成形大型航空鈦合金結構裝機應用：北京航空航天大學電子束熔絲沉積成形鈦合金結構及激光選區(qū)熔化成形精密結構裝機應用 北京625所Some related research institutes and bases are built增材制造技術發(fā)展趨勢第27頁Development of additive manufacturing equipme

28、nts relying on universities and research institutes under financial support of national projects.代表性單位有：西安交通大學、華中科技大學、北京航空航天大學、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、西北工業(yè)大學、清華大學、華南理工大學、西北有色金屬研究院，等等。四. Our development situation625所EBRM設備625所SLM設備增材制造技術發(fā)展趨勢第28頁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.制作飛機風洞模型，輔助新型飛機結構創(chuàng)新設計與快速開發(fā)用于汽車、家電和數碼等快速更新?lián)Q代行業(yè)中新產品結構快速驗證，如海爾等主要企業(yè)均建立增材制造技術中心輔助汽車發(fā)動機缸體缸蓋等復雜鑄件

30、蠟型和砂型快速制造，二汽、玉柴等相關企業(yè)均設置了專門增材制造部門四. Our development situation增材制造技術發(fā)展趨勢第29頁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，我國增材制造裝備使用量占全球份額8.6%，裝備產量僅占世界總量3.6%。說明我國使用不到10%裝備還 有超出二分之一依賴于進口！我國增材制造裝備應用量和生產量都有較大提升空間4.5 我國發(fā)展情況四. Our development situation增材制造技術發(fā)展趨勢第30頁四. Our general situation4.5 我國總體情況Research condition: 形成了一批各具特色研發(fā)機構，并研發(fā)成功了一批增材制

32、造裝備；Technological level: 總體上還處于從模型制作向零部件直接制造過渡階段，部分指標達世界領先水平；Application and industry: 在經典關鍵領域進行了局部應用，但缺乏產業(yè)鏈，產業(yè)規(guī)模提升空間大！；Standards: 已開始了相關標準制訂工作，但起步較晚，標準包括內容較分散，未形成成套系列化標準。增材制造技術發(fā)展趨勢第31頁4.6 我國面臨主要差距Weakness of theoretical research: 在基礎理論與成形機理研究方面，我國在一些局部點上開展研究，但國外研究更基礎、更系統(tǒng)和更深入Lack of key generic tech

33、nology research: 國外基于成熟理論基礎上工藝控制，成形精度、制件性能以及工藝穩(wěn)定性高Weakness of materials research: 增材制造用材料與傳統(tǒng)工藝所用材料有較大差異，我國與國外相比不論是種類還是質量上都有差距Low equipment level: 大部分增材制造工藝裝備國內都有研制，但在成形精度和智能化程度以及材料適應范圍方面與國外先進水平相比存在差距Core components rely on import: 激光器、精密光學器件等裝備關鍵元器件依靠進口五. Our gap, solution and suggest增材制造技術發(fā)展趨勢第32頁AdvantagesOpportunitiesThreatsDisadvantages行業(yè)需求背景與支持推進明確產品需求和強勁研發(fā)動力強大扎實領先技術實力自主知識產權軟件平臺前期研發(fā)經驗與教訓現環(huán)境下低盈利甚至負盈利市場份額抵達市場時間國內市場需求大而緊迫 國際主要競爭產品能力有限，產品能力低端航空產業(yè)需求旺盛現有商品無法滿足需求國際國內同行快速研發(fā)競爭高端產品性能 Analysis on advantages, disadvantages, opportunities and threats增材制造技術發(fā)展趨勢第33頁Aerospace飛機大