2018-201年3D打印研究報(bào)告

2018-201年3D打印研究報(bào)告CONTENT

目錄12345概述篇技術(shù)篇人才篇應(yīng)用篇趨勢(shì)篇01概述篇013D打印相關(guān)概念3D打?。?D

printing），即增材制造技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種。以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積粘結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)02體產(chǎn)品。3D打印材料03043D打印所使用的材料均針對(duì)3D打印設(shè)備專門研發(fā)，其形態(tài)為粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等等，與普通材料有所區(qū)別。以粉末狀打印材料為例，根據(jù)打印環(huán)境的不同，其粒徑一般為1-100μｍ不等，且一般要求粉末有高球形度。3D打印機(jī)3D打印可以簡(jiǎn)單地理解為“多層的二維打印”，3D打印機(jī)一般使用特制的材料，基于笛卡爾機(jī)械坐標(biāo)系，按照三維圖紙，將其一層層噴涂或者熔結(jié)到三維空間中，從而制作出傳統(tǒng)制造工藝難以制作的高復(fù)雜度產(chǎn)品。3D打印優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：3D打印作為一種新型制造技術(shù)，突破了傳統(tǒng)制造業(yè)技術(shù)的幾個(gè)復(fù)雜性難題：形狀復(fù)雜性、材料復(fù)雜性、層次復(fù)雜性和功能復(fù)雜性。也能減少成本，加速由設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的過程。不足：現(xiàn)在受材料等因素的限制，3D打印產(chǎn)品的實(shí)用性仍存有疑問。同時(shí)也存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)與社會(huì)道德的問題。3D打印概述篇3D打?。?D

printing），即增材制造技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種。以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積粘結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。2009年1993年

1995年美國麻省理工學(xué)院MIT的Emanual

Sachs教授發(fā)明了三維打印技術(shù)。一項(xiàng)采用層合方法制作三維地圖模型的專利技術(shù)在美國登記。3D打印在學(xué)術(shù)上首次實(shí)現(xiàn)成功嘗試。3D打印速度提升了一個(gè)階段，且可以使用部分生物材料。

2015年3D打印技術(shù)進(jìn)一步推廣開來。3D打印相關(guān)概念1860年

1892年多照相機(jī)實(shí)體雕塑（Photosculpture）的專利被法國人FranoisWillème申請(qǐng)。3D打印概述篇3D打印所使用的材料均針對(duì)3D打印設(shè)備專門研發(fā)，其形態(tài)為粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等等，與普通材料有所區(qū)別。以粉末狀打印材料為例，根據(jù)打印環(huán)境的不同，其粒徑一般為1-100μｍ不等，且一般要求粉末有高球形度。16

5102

74938ABS塑料

金屬材料PLA塑料陶瓷材料

工程塑料復(fù)合型石膏粉末光敏樹脂藍(lán)蠟和紅蠟橡膠類材料其他材料3D打印材料3D打印概述篇3D打印機(jī)主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)組成的機(jī)電一體化復(fù)雜系統(tǒng)。概括來說，3D打印機(jī)的制造過程一般要經(jīng)歷三維建模、分層切割、打印噴涂和后期處理四個(gè)階段

。

CAD軟件基材3D虛擬模型分割噴頭三維模型后期處理二維圖形信息

成品3D打印機(jī)3D打印概述篇

打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)打印機(jī)可以按照其機(jī)械結(jié)構(gòu)分為Pursa-i3框架結(jié)構(gòu)、箱體結(jié)構(gòu)、Delta三角洲結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)。Delta三角洲打印機(jī)示意圖箱體結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)示意圖Prusa

i3框架結(jié)構(gòu)打印機(jī)示意圖3D打印概述篇MJF（2014）

打印機(jī)工藝

MJF技術(shù)流程示意圖多射流熔融技術(shù)(Multi-Jet

Fusion，簡(jiǎn)稱MJF)，特點(diǎn)是是利用兩個(gè)單獨(dú)的熱噴墨陣列來制造全彩3D物體的。MJF3D打印工藝使用多種粘合劑和固化劑，使用多噴頭革新了打印方式，可以實(shí)現(xiàn)豐富的紋理細(xì)節(jié)，融合了以往3D打印技術(shù)高速度、高強(qiáng)度、高精度的特點(diǎn)。3D打印概述篇打印機(jī)工藝CLIP（2015）

續(xù)液界面生產(chǎn)工藝（Continuous

Liquid

Interface

Production，簡(jiǎn)稱CLIP）工作原理是通過操縱光和氧

氣，將液體媒介中的物體融合在一起，構(gòu)造出物體的

3D模型。

CLIP通過使用激光矯正和氧氣固化流程，把傳統(tǒng)機(jī)械

的打印方法改變成可調(diào)諧的光化學(xué)過程，把層層疊加

變成一次成型，是一種顛覆性技術(shù)。

CLIP技術(shù)流程示意圖3D打印概述篇

打印機(jī)工藝Nano

Particle

Jetting

(2016)

Nano

Particle

Jetting技術(shù)流程示意圖

納米金屬射流（Nano

Particle

Jetting）使用的原材料是液態(tài)金屬。作業(yè)開始時(shí)，打印機(jī)

會(huì)首先將大分子金屬顆粒粉碎成納米級(jí)技術(shù)顆粒。

納米金屬射流技術(shù)可以快速打印出金屬部件，該技術(shù)具有將金屬3D打印的速度和打印量都

提升了一個(gè)臺(tái)階，并且可以實(shí)現(xiàn)極高的精度和表面光潔度，真空環(huán)境操作簡(jiǎn)單安全，支撐

易拆除。但溫度耐受能力較傳統(tǒng)金屬3D打印較低。不足優(yōu)勢(shì)歐

雜

形狀復(fù)

盟

性材料復(fù)雜性3D打印層次復(fù)雜性

功能復(fù)雜性

減少成本3D打印概述篇

強(qiáng)度問題

精度問題材料的局限

知識(shí)產(chǎn)權(quán)

道德倫理3D打印優(yōu)缺點(diǎn)

02技術(shù)篇15263748

結(jié)構(gòu)分析自支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

切片算法材料表面效果

路徑規(guī)劃算法變形效果定制幾何優(yōu)化問題

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3D打印技術(shù)篇Ondrej

Stava應(yīng)力消除算法示意圖結(jié)構(gòu)分析應(yīng)力消除Ondrej

Stava提出了應(yīng)力消除的算法，依據(jù)原有模型創(chuàng)建新模型，使其與原模型外觀相同，同時(shí)提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。最不利荷載對(duì)于應(yīng)力消除的弊端，可以通過最不利荷載的算法來彌補(bǔ)，該方案通過模態(tài)分析（Modal

Analysis），計(jì)算輸入模型的各階模態(tài)，對(duì)模型的每一階模態(tài)，計(jì)算提取出相應(yīng)的薄弱區(qū)域3D打印技術(shù)篇材料表面效果

次表面散射效果定制（Subsurface

Scattering）

Hasan等人測(cè)量一組給定材料的次表面散射特性，采用雙

向表面散射反射分布函數(shù)（Bidirectional

Surface

Scattering

Reflectance

Distributional

Function,

BSSRDF）描述其特征曲線；Weyrich微平面算法示意圖

空間變化反射效果（Spatially

varying

reflectance）

Microfacet理論基本假設(shè)是，表面是由很多微平面

（microfacet）組成，這些微平面都很小，無法單獨(dú)看到；

并假設(shè)每個(gè)microfacet都是光學(xué)平滑的。每個(gè)microfacet把一個(gè)入射方向的光反射到單獨(dú)的一個(gè)出射方向，這取決于microfacet的法向ｍ。微平面高度場(chǎng)算法示意圖3D打印技術(shù)篇變形效果定制

不同材料的聯(lián)合打印可以使我們能制造等復(fù)雜的物體，突

破單一材料的局限。Bickel等人研究了材料混合打印的問

題，即如何在微尺度上，根據(jù)基礎(chǔ)材料的力學(xué)性能曲線，

打印出制定力學(xué)性能的多元材料混合體。

當(dāng)前，多材料3D打印機(jī)在打印對(duì)象時(shí)需要指定對(duì)象內(nèi)部的

每一個(gè)要素，如果還需要一定的功能或其他要求時(shí)，確定

體素的工作極其復(fù)雜，很難求解。因此，這一工作就需要

采用一定的簡(jiǎn)化來表示。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Chen等人采

用簡(jiǎn)化樹（Reducer

tree）方式。材料賦值參數(shù)化流程圖3D打印技術(shù)篇Song基于連鎖積木的拆分算法流程圖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)積塊式機(jī)構(gòu)積塊式機(jī)構(gòu)指由一些塊狀、片狀或板狀構(gòu)件按一定要求組裝在一起，構(gòu)件間互相咬合鎖定，最終形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。動(dòng)態(tài)玩具機(jī)構(gòu)給定一個(gè)運(yùn)動(dòng)的輸入，可以是一組動(dòng)畫曲線，也可以是一段動(dòng)畫視頻，系統(tǒng)會(huì)從預(yù)定義的部件庫中選取合適的部件將其組合，然后再優(yōu)化這些部件的參數(shù)，使整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸出與所給運(yùn)動(dòng)輸入保持一致。關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)首先，將所給模型按一些要求分割為不同組成部分；然后將分割后的模型用合適的關(guān)節(jié)拼接起來。兩人在分割方法與關(guān)節(jié)處理稍有不同。免組裝機(jī)構(gòu)免組裝機(jī)構(gòu)是指在零件設(shè)計(jì)階段將組成機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件組裝好，然后一次性直接制造出，免去后續(xù)組裝工序的機(jī)構(gòu)。03人才篇學(xué)者分布及遷徙代表性研究學(xué)者

1學(xué)者分布圖

2學(xué)者統(tǒng)計(jì)圖

3h-index比例圖

4男女比例圖

5人才遷徙圖

1國外學(xué)者

2國內(nèi)學(xué)者3D打印人才篇AMiner基于3D打印領(lǐng)域三個(gè)最頂級(jí)國際期刊發(fā)表的學(xué)術(shù)論文，ACM

T

GRAPHIC，IEEE-ASME

T

MECH與J

INTEL

MATSYST

STR，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。一篇論文如果有多個(gè)作者，則每個(gè)作者均統(tǒng)計(jì)一次，按照近五年（2014-2018）發(fā)文量，取發(fā)文量前315的學(xué)者（發(fā)文數(shù)≥3），兼顧發(fā)文被引用量，進(jìn)行分析

。這里的學(xué)者分布以其所屬機(jī)構(gòu)與機(jī)構(gòu)所屬地區(qū)為依據(jù)，不考慮個(gè)人的國籍、使用語言與現(xiàn)居地。按大洲來分，北美以162人的學(xué)者數(shù)位居第一，歐洲83人，亞洲69人，南美1人，其他三個(gè)大洲均無學(xué)者分布。全球頂尖學(xué)者分布圖3D打印人才篇

全球頂尖學(xué)者遷徙圖由上圖可以看出，各國3D打印領(lǐng)域人才的流失和引進(jìn)是相對(duì)比較均衡的。其中美國是3D打印領(lǐng)域人才流動(dòng)大國，人才輸入和輸出都大幅領(lǐng)先，且從數(shù)據(jù)來看，人才流出略大于流入。中國、德國、加拿大和瑞士等國人才流動(dòng)量落后于美國，中國人才流入量大于流出量。3D打印人才篇在上圖的統(tǒng)計(jì)信息中，全球3D打印學(xué)者h(yuǎn)-index指數(shù)多在21-40這一區(qū)間，約為28.88%；其次為11-20區(qū)間，約為24.76%；最頂尖學(xué)者（h-index≥60）占比為11.42%，有相當(dāng)大的比重?？梢钥闯?，在全球頂尖學(xué)者中仍有h-index較低的學(xué)者（h-index為0-10），3D打印領(lǐng)域的研究質(zhì)量相距較大、研究方向不寬泛。全球頂尖學(xué)者h(yuǎn)-index圖3D打印人才篇在上圖的統(tǒng)計(jì)信息中，3D打印領(lǐng)域全球頂尖學(xué)者男性占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，約為92.94%，男性學(xué)者掌握者這個(gè)領(lǐng)域的話語權(quán)。全球TOP100學(xué)者男女比例圖3D打印人才篇在上圖的統(tǒng)計(jì)信息中，3D打印領(lǐng)域全球頂尖學(xué)者使用語言以英語和漢語為主，其中英語使用者占43.11%與美國學(xué)者比重相差不大（46.34%）；漢語使用者占31.14%，遠(yuǎn)大于中國的學(xué)者比重（13.65%）。此外，德語、希臘語與印度語也占有一定比重，均為5%左右。全球頂尖學(xué)者使用語言比例圖3D打印人才篇在上圖的統(tǒng)計(jì)信息中，3D打印領(lǐng)域現(xiàn)居地為美國的全球頂尖學(xué)者占了近半數(shù)，