2018-201年3D打印研究報告

2018-201年3D打印研究報告CONTENT

目錄12345概述篇技術篇人才篇應用篇趨勢篇01概述篇013D打印相關概念3D打?。?D

printing），即增材制造技術，是快速成型技術的一種。以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積粘結，最終疊加成型，制造出實02體產品。3D打印材料03043D打印所使用的材料均針對3D打印設備專門研發(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3D打印可以簡單地理解為“多層的二維打印”，3D打印機一般使用特制的材料，基于笛卡爾機械坐標系，按照三維圖紙，將其一層層噴涂或者熔結到三維空間中，從而制作出傳統(tǒng)制造工藝難以制作的高復雜度產品。3D打印優(yōu)缺點優(yōu)勢：3D打印作為一種新型制造技術，突破了傳統(tǒng)制造業(yè)技術的幾個復雜性難題：形狀復雜性、材料復雜性、層次復雜性和功能復雜性。也能減少成本，加速由設計到實現的過程。不足：現在受材料等因素的限制，3D打印產品的實用性仍存有疑問。同時也存在知識產權與社會道德的問題。3D打印概述篇3D打?。?D

printing），即增材制造技術，是快速成型技術的一種。以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積粘結，最終疊加成型，制造出實體產品。2009年1993年

1995年美國麻省理工學院MIT的Emanual

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

2015年3D打印技術進一步推廣開來。3D打印相關概念1860年

1892年多照相機實體雕塑（Photosculpture）的專利被法國人FranoisWillème申請。3D打印概述篇3D打印所使用的材料均針對3D打印設備專門研發(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

工程塑料復合型石膏粉末光敏樹脂藍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打印機主要由高精度機械系統(tǒng)、數控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、計算機技術組成的機電一體化復雜系統(tǒng)。概括來說，3D打印機的制造過程一般要經歷三維建模、分層切割、打印噴涂和后期處理四個階段

。

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3D打印概述篇

打印機機械結構打印機可以按照其機械結構分為Pursa-i3框架結構、箱體結構、Delta三角洲結構與其他結構。Delta三角洲打印機示意圖箱體結構3D打印機示意圖Prusa

i3框架結構打印機示意圖3D打印概述篇MJF（2014）

打印機工藝

MJF技術流程示意圖多射流熔融技術(Multi-Jet

Fusion，簡稱MJF)，特點是是利用兩個單獨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，可以實現豐富的紋理細節(jié)，融合了以往3D打印技術高速度、高強度、高精度的特點。3D打印概述篇打印機工藝CLIP（2015）

續(xù)液界面生產工藝（Continuous

Liquid

Interface

Production，簡稱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)機械

的打印方法改變成可調諧的光化學過程，把層層疊加

變成一次成型，是一種顛覆性技術。

CLIP技術流程示意圖3D打印概述篇

打印機工藝Nano

Particle

Jetting

(2016)

Nano

Particle

Jetting技術流程示意圖

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，打印機

會首先將大分子金屬顆粒粉碎成納米級技術顆粒。

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

提升了一個臺階，并且可以實現極高的精度和表面光潔度，真空環(huán)境操作簡單安全，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)勢歐

雜

形狀復

盟

性材料復雜性3D打印層次復雜性

功能復雜性

減少成本3D打印概述篇

強度問題

精度問題材料的局限

知識產權

道德倫理3D打印優(yōu)缺點

02技術篇15263748

結構分析自支撐結構設計

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

機構設計3D打印技術篇Ondrej

Stava應力消除算法示意圖結構分析應力消除Ondrej

Stava提出了應力消除的算法，依據原有模型創(chuàng)建新模型，使其與原模型外觀相同，同時提高其結構強度。最不利荷載對于應力消除的弊端，可以通過最不利荷載的算法來彌補，該方案通過模態(tài)分析（Modal

Analysis），計算輸入模型的各階模態(tài)，對模型的每一階模態(tài)，計算提取出相應的薄弱區(qū)域3D打印技術篇材料表面效果

次表面散射效果定制（Subsurface

Scattering）

Hasan等人測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（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，無法單獨看到；

并假設每個microfacet都是光學平滑的。每個microfacet把一個入射方向的光反射到單獨的一個出射方向，這取決于microfacet的法向ｍ。微平面高度場算法示意圖3D打印技術篇變形效果定制

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，根據基礎材料的力學性能曲線，

打印出制定力學性能的多元材料混合體。

當前，多材料3D打印機在打印對象時需要指定對象內部的

每一個要素，如果還需要一定的功能或其他要求時，確定

體素的工作極其復雜，很難求解。因此，這一工作就需要

采用一定的簡化來表示。為了實現這一目標，Chen等人采

用簡化樹（Reducer

tree）方式。材料賦值參數化流程圖3D打印技術篇Song基于連鎖積木的拆分算法流程圖機構設計積塊式機構積塊式機構指由一些塊狀、片狀或板狀構件按一定要求組裝在一起，構件間互相咬合鎖定，最終形成一個穩(wěn)定的結構。動態(tài)玩具機構給定一個運動的輸入，可以是一組動畫曲線，也可以是一段動畫視頻，系統(tǒng)會從預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，使整個機構的運動輸出與所給運動輸入保持一致。關節(jié)機構首先，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節(jié)拼接起來。兩人在分割方法與關節(jié)處理稍有不同。免組裝機構免組裝機構是指在零件設計階段將組成機構的各個零件組裝好，然后一次性直接制造出，免去后續(xù)組裝工序的機構。03人才篇學者分布及遷徙代表性研究學者

1學者分布圖

2學者統(tǒng)計圖

3h-index比例圖

4男女比例圖

5人才遷徙圖

1國外學者

2國內學者3D打印人才篇AMiner基于3D打印領域三個最頂級國際期刊發(fā)表的學術論文，ACM

T

GRAPHIC，IEEE-ASME

T

MECH與J

INTEL

MATSYST

STR，進行統(tǒng)計。一篇論文如果有多個作者，則每個作者均統(tǒng)計一次，按照近五年（2014-2018）發(fā)文量，取發(fā)文量前315的學者（發(fā)文數≥3），兼顧發(fā)文被引用量，進行分析

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

全球頂尖學者遷徙圖由上圖可以看出，各國3D打印領域人才的流失和引進是相對比較均衡的。其中美國是3D打印領域人才流動大國，人才輸入和輸出都大幅領先，且從數據來看，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)計信息中，全球3D打印學者h-index指數多在21-40這一區(qū)間，約為28.88%；其次為11-20區(qū)間，約為24.76%；最頂尖學者（h-index≥60）占比為11.42%，有相當大的比重?？梢钥闯?，在全球頂尖學者中仍有h-index較低的學者（h-index為0-10），3D打印領域的研究質量相距較大、研究方向不寬泛。全球頂尖學者h-index圖3D打印人才篇在上圖的統(tǒng)計信息中，3D打印領域全球頂尖學者男性占絕對優(yōu)勢，約為92.94%，男性學者掌握者這個領域的話語權。全球TOP100學者男女比例圖3D打印人才篇在上圖的統(tǒng)計信息中，3D打印領域全球頂尖學者使用語言以英語和漢語為主，其中英語使用者占43.11%與美國學者比重相差不大（46.34%）；漢語使用者占31.14%，遠大于中國的學者比重（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。全球頂尖學者使用語言比例圖3D打印人才篇在上圖的統(tǒng)計信息中，3D打印領域現居地為美國的全球頂尖學者占了近半數，