增材制造(3D打印)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r報(bào)告

PAGEPAGE10增材制造（3D打印）技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r--2013-07-09一、概述Manufacturing，AM）CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材（切削加工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（MaterialIncreseManufacturing、（RapidPrototypin分層制造（LayeredManufacturin、實(shí)體自由（SolidFree-formFabrication、D打印技術(shù)（3DPrinting）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)。3D打印有明確的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，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)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)“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”，201239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)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4000萬(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17.14億美元，2011年增長(zhǎng)率29.1%，其中，設(shè)備材料：8.34億美元，增長(zhǎng)28.0%，服務(wù)產(chǎn)值：8.79億美元，增長(zhǎng)30.7%，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23.7%降低到20.6%19.1%降低到17.9%；研究機(jī)構(gòu)為7.9%；醫(yī)學(xué)和牙科領(lǐng)域從13.6%增加到15.9%；工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域?yàn)?2.9%；航空航天領(lǐng)從9.9%增加到12.1%。在過(guò)去的幾年中，航空器制造和自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38.3%，中國(guó)占8.6%。預(yù)計(jì)2012年將增長(zhǎng)25%至21.4億美元，2019年將達(dá)到60億美元。（生物基質(zhì)材料和細(xì)胞制造復(fù)雜組織器官。二、增材制造分類自上世紀(jì)80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（LaminatedObjectManufacturing，DepositionModeling，F(xiàn)DM）。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。SL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。LOM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)作由這些輪最大缺點(diǎn)。SLS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。FDMFDM無(wú)需價(jià)格昂貴的激光器和光路系統(tǒng)，成是限制該技術(shù)發(fā)展的主要問(wèn)題。造以及桌面型3D打印設(shè)備。造（LaserEngineeringNetShaping,LENS）技術(shù)和基于粉末床的選擇性激光熔化（SelectiveLaserMelting,SLM）及電子束熔化技術(shù)（ElectronBeamMelting,可制造復(fù)雜精細(xì)金屬零件。LENSSLM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μm到幾百μm。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SLMEBM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。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℃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，微觀組織致當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，降低了零件的成形效率。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-dimensionalprinting,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。3DPSLA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層粘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)展歷史國(guó)外發(fā)展歷史第一階段，思想萌芽1892Blanther在其專利中，曾建議用分層制造法構(gòu)成地形圖。1902年，CarloBaese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1986年美國(guó)的Hull發(fā)明了年Deckard發(fā)明了粉末激光燒結(jié)技術(shù)，簡(jiǎn)稱SLS；1992年Crump發(fā)明了熔融沉積制第三階段，裝備推出1988年美國(guó)的3DSystems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，SolidGroundCuring）裝備和Helisys的LOM裝備都實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。1992年，美國(guó)DTM公司（現(xiàn)屬于3DSystems公司）SLS裝備研發(fā)成功。1994年，德國(guó)EOS公司推出了EOSINT型SLS裝備。1996年，3DSystems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Z402型3DP裝備。總體上，美國(guó)在裝備研制生產(chǎn)銷(xiāo)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。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)用快速原型技術(shù)（RapidPrototyping,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“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）/模傳統(tǒng)制造工藝面臨的難加工甚至是無(wú)法加工等制造難題。國(guó)內(nèi)的發(fā)展歷史學(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20多個(gè)服務(wù)中心，設(shè)備用戶遍布醫(yī)療、航空航天、汽車(chē)、軍工、模具、電子電器、造船等行業(yè)。推動(dòng)了屬切削、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，質(zhì)量保證各個(gè)層次的研究工作。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(xiāo)售數(shù)目和收入的增加讓銷(xiāo)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ZCorp.3DSystem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3DSystems（CAAlibre）宣布該公司已經(jīng)安裝超過(guò)1000臺(tái)的激光燒結(jié)成型機(jī)。11月初，3DsystemHuntsman公司（德州，林地）與光敏聚合物及數(shù)字快速靈頓市1.52億美元。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VeroClear3DSystems公司也發(fā)布了一種名為Accura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）宣布它們正在制作聚醚醚酮（PEEK）顱骨植入物。利用CTMRI數(shù)據(jù)制作的光固PEEK材料植85％。20116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)所熟電子（MICE）3D打印、太陽(yáng)能電池以及顯示設(shè)備領(lǐng)域。新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)2011年7Objet公司發(fā)布了一種新型打印機(jī)——Objet260Connex，該種打印機(jī)可以構(gòu)建更小體積的多材料模型。20117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Stratasys公司還發(fā)布了一的新型靜態(tài)損耗材料——ABS-ESD7。20119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（1,200美元材料——MED610PolyJet系統(tǒng)。剛性材料主要面向醫(yī)療及牙科市場(chǎng)。3DSystem公司發(fā)布了一種基于覆膜傳輸成像的打印機(jī)1月，MakerBot（布魯克林，紐約）推出了售價(jià)1759美元的新機(jī)器MakerBotReplicator，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。3DSystems公司推出了一種名Cube3D$1,3003D數(shù)字化設(shè)計(jì)庫(kù)中下載3D模型的功能。國(guó)防Stratasys100uPrint3D國(guó))發(fā)布了MAGICLF600有兩個(gè)53DSystemsSolidworks的插件——Print3D3DSystemsProParts(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，24ZPrinter3D照片浮雕。價(jià)格也從最初79美元的3D893D刻印圖樣。Stratasys公司和OptomecOptomec’sAerosolJet公司的技術(shù)）的熔化沉積打印的機(jī)翼結(jié)構(gòu)新標(biāo)準(zhǔn)不斷更新：20117月，同期，美國(guó)試驗(yàn)材料學(xué)會(huì)（ASTM）的快F42發(fā)布了一種專門(mén)的快速成型制造文件（AMF）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F42ISO261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，ASTMF42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)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)備成本、高性能材料發(fā)展。向功能零件制造發(fā)展時(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。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普及的保證。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)制造同步完性發(fā)展。17.1億美元，僅占全球制造業(yè)市場(chǎng)0.02%，但是其間接作用和未來(lái)前景難以估量。增材制造優(yōu)勢(shì)在于制造11設(shè)發(fā)展和創(chuàng)新教育上具有廣闊發(fā)展空間。速制造技術(shù)，加快了產(chǎn)品