3D打印技术以及产业的发展和前景的分析.pdf
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1、3D打印技术以及产业的发展和前景的分析一.三维打印的概念及简介1.1 三维打印概念1.2 3D 打印技术简介1.3 三维打印过程1.4 3D 打印机的优势二三维打印机的应用和发展2.1 我国和世界3D打印技术的发展现状2.2 3D打印未来应用方向2.3 3D打印产业的未来发展前景2.4 3D打印的未来市场三打印过程了解和技术方案附件:几种技术工艺的深入了解。一.三维打印的概念及简介1.1 三维打印概念:我们日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品,而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而 3D打印机内装有金属、陶瓷、
2、塑料、砂等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料,打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说,3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备,比如打印一个机器人、打印玩具车,打印各种模型,甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为3D立体打印技术。3D打印技术(3D printing),即快速成形技术的一种,它是一种数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于
3、制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用(比如髋关节或牙齿,或一些飞机零部件)已经有使用这种技术打印而成的零部件。3D打印技术是一种新兴的快速成型技术,近一段时间以来受到了社会的广泛关注。3D打印(3D Printing)技术作为快速成型领域的一种新兴技术,目前正成为一种迅猛发展的潮流。近一段时间,3D 打印技术吸引了国内外新闻媒体和社会公众的热切关注。其中英国经济学人 杂志 2011 年 2 月刊载封面文章,对 3D打印技术的发展作了介绍和展望,文章认为:3D 打印技术未来的发展将使大规模的个性化生产成为可能,这将会带来全球制造业经济的重大变革。很多新闻媒体乐观地认为:
4、3D 打印产业将成为下一个具有广阔前景的朝阳产业。“第三次工业革命”是以数字化制造及新材料、新能源应用为代表的科技领域的又一次重大飞跃,日趋成熟的3D增量制造技术是这场工业革命中数字化制造的重要标志。现在 3D打印正在全球范围内成为一个满足人类想象力的热词。1.2 3D打印技术简介:3D 打印技术是指通过连续的物理层叠加,逐层增加材料来生成三维实体的技术,与传统的去除材料加工技术不同,因此又称为添加制造(AM,Additive Manufacturing)。作为一种综合性应用技术,3D 打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识,具有很高的科技含量。
5、3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统,主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外,新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。目前,3D 打印技术主要被应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域,替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。3D 打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外,在生物工程与医学、建筑、服装等领域,3D 打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。如2010 年澳大利亚Invetech公司和美国Organovo 公司合作,尝试以活体细胞为“墨水”打印
6、人体的组织和器官,是医学领域具有重大意义的创新。1.3 三维打印过程:3D 打印技术,是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同,3D 打印将三维实体变为若干个二维平面,通过对材料选择性激光烧结技术被公认为3D增量制造技术的最佳途径。,大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件,使
7、生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。打印机打出的截面的厚度(即Z 方向)以及平面方向即X-Y 方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为100 微米,即 0.1 毫米,也有部分打印机如Objet Connex 系列还有三维 Systems ProJet 系列可以打印出16 微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50 到 100 个微
8、米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天,根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。1.4 3D打印机的优势:三维打印技术的魅力在于它不需要在工厂操作,桌面打印机可以打印出小物品。而且,人们可以将其放在办公室一角、商店甚至房子里;而自行车车架、汽车方向盘甚至飞机零件等大物品,则需要更大的打印机和更大的放置空间。3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本。与传统技术相比,三维打印技术还拥有如下
9、优势:通过摒弃生产线而降低了成本;大幅减少了材料浪费;而且,它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器;另外,在具有良好设计概念和设计过程的情况下,三维打印技术还可以简化生产制造过程,快速有效又廉价地生产出单个物品。三维打印技术还有其他重要的优点。大多数金属和塑料零件为了生产而设计,这就意味着它们会非常笨重,并且含有与制造有关但与其功能无关的剩余物。三维打印技术不是这样的。在三维打印技术中,原材料只为生产所需要的产品”,借用三维打印技术,他的团队生产出的零件更加精细轻盈。当材料没有了生产限制后,就能以最优化的方式来实现其功能,因此,与机器制造出的零件
10、相比,打印出来的产品的重量要轻60%,并且同样坚固。二三维打印机的应用和发展2.1 我国和世界3D打印技术的发展现状我国的发展实例在 2013 年两会上,全国政协委员、中航工业副总工程师、中国航母舰载机歼-15 总设计师孙聪透露,歼-15 项目率先采用了数字化协同设计理念:三维数字化设计改变了设计流程,提高了试制效率;五级成熟度管理模式,冲破设计和制造的组织壁垒,而这与 3D打印技术关系紧密。他透露,钛合金和M100钢的 3D打印技术已应用于新机试制过程,主要是主承力部分。在传统的战斗机制造流程当中,飞机的3D模型设计好后,需要进行长期的投入来制造水压成型设备,而使用3D打印这种增材制造技术后
11、,零件的成型速度、应用速度得以大幅度提高。如果不是采用3D打印的增材制造技术,歼-15 战斗机至今能否首飞都很难讲。“钛合金 3D打印技术已用于新机研制”,这一条消息立刻成为媒体瞩目的焦点。京华时报引述孙聪的话说,钛合金和M100钢的 3D打印技术已广泛用于新机设计试制过程。报道称,于2012 年 10 月至 11 月首飞成功的机型,广泛使用了3D打印技术制造钛合金主承力部分,包括整个前起落架。“2002 年,3D打印技术刚萌芽时,我们就进行相关技术研发,通过与北航的合作,目前已具备一定产业能力。”同时担任“鹘鹰”飞机(歼-31)总设计师的孙聪透露另一个好消息,希望“鹘鹰”飞机未来和歼-20
12、进行高低任务搭配,保持持续打击能力,同时也希望“鹘鹰”的改进版能成为中国下一代舰载机。相信在3D打印技术的支持下,这一天也会很快到来。用 3D打印技术制造战机,中国并不是第一家。1984 年,美国开发出从数字数据打印出3D物体的技术,并在2 年后开发出第一台商业3D 打印机。之所以叫“打印机”,是因为它借鉴了打印机的喷墨技术,只不过,普通的打印机是在纸上喷一层墨粉,形成二维(2D)文字或图形,而3D打印则能“打”出三维的立体实物来。以一个手电筒为例,3D打印机能通过电脑将手电筒进行立体扫描,创建三维设计图,之后对这个立体原型进行“切片”,分成一层一层的,之后,打印机就将原材料按照设计图一层一层
13、地“喷”上去,直到最终造出一个手电筒来,只不过3D打印机喷出的不是墨粉,而是融化的树脂、金属或者陶瓷等材料。美国空军一下子就被这种新技术吸引,他们认为,如果将这种技术用在武器制造上,产生的威力将是惊人的。在航空工业上广泛被使用的一种金属是钛,它的密度只有钢铁的一半,强度却远胜于绝大多数合金,如果通过激光将钛熔化并一层层喷出飞机来,无疑将大大提高美国战机的制造速度。为此,1985 年,在五角大楼主导下,美国秘密开始了钛合金激光成形技术研究,1992 年这项技术才公之于众。不过,由于在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决,美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。2005 年,美
14、国从事钛合金激光成型制造业务的商业公司 Aeromet 由于始终无法生产出性能满足主承力要求的大尺寸复杂钛合金构件,没能实现有价值的市场应用而倒闭。美国的其他国家实验室也无法攻克这一难题,只能进行小尺寸钛合金部件的打印或进行钛合金零件表面修复。我国于 1999 年开始金属零件的激光快速成形技术研究,在国家“863”、“973”计划、国家自然科学基金重点项目等的大力支持下,集中开展了镍基高温合金及多种钛合金的成形研究,形成了多套具有工业化示范水平的激光快速成形系统和装备;掌握了金属零件激光快速成形的关键工艺及组织性能控制方法,所成形的 TC4、TA15、TA12 等钛合金及Inconel 718
15、合金的力学性能均达到或超过锻件的水平,为该技术在上述材料零件的直接制造方面奠定了基础;近年来,我国在飞机钛合金大型整体结构件的激光快速成形方面取得了重要突破,有效解决了激光快速成形钛合金大型整体结构件的变形开裂及内部质量控制两大技术难题,通过对钛合金零件凝固组织的有效控制,所成形的飞机钛合金结构件的综合力学性能达到或超过钛合金模锻件,已通过装机评审并得到应用。中国的钛合金激光成形技术起步较晚,直到1995 年美国解密其研发计划3 年后才开始投入研究。早期基本属于跟随美国的学习阶段,不过却后来居上,其中,中航激光技术团队取得的成就最为显著。“观察者网”文章表示,早在 2000 年前后,中航激光技
16、术团队就已开始投入“3D 激光焊接快速成型技术”研发,解决了多项世界技术难题、生产出结构复杂、尺寸达到4 米量级、性能满足主承力结构要求的产品。目前,中国已具备了使用激光成形超过12 平方米的复杂钛合金构件的技术和能力,成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国家。在解决了材料变形和缺陷控制的难题后,中国生产的钛合金结构部件迅速成为中国航空力量的一项独特优势,目前,中国先进战机上的钛合金构件所占比例已超过20%。我国 3D打印市场的发展情况。在电影十二生肖中,成龙扮演的江洋大盗,把兽首的三维数据偷传输给同伙,通过3D打印技术轻松制造出一个赝品来。在现实中,已经有人用3D打
17、印机打印出可以射出子弹的“AK47”突击步枪,一家美国公司研发的3D生物打印机,可成功地用细胞打印出人体内脏。聪明的中国人,自然也看到了这一技术的巨大潜力。国家政策尚未出台,中国媒体已经将 3D打印技术的诸多神奇与无所不能描绘得淋漓尽致。然而,在政策与舆论都对3D打印技术趋之若鹜的情况下,一种浮躁的“大跃进”式危险情绪也在升温。其实,中国人从不缺少对先进技术和观念的敏锐和重视,却缺乏一种步步稳进的实干精神。回首中国近年来的科技产业发展进程,无论是被称为光源革命的LED技术,还是被誉为最有发展前景的绿色能源“光伏”技术,无不是在一片政策与舆论的叫好声中雄赳赳上马,暗淡淡推进,投入巨资之下,收获寥
18、寥。2.2 3D打印未来应用方向 3D打印按需定制、以相对低廉的成本制造产品一度被认为是科幻想象,而至21 世纪初已经变成现实。在2013 年,这种趋势将逐渐加速。以下就是2013 年以及今后3D打印领域值得关注的十大趋势:首先 3D打印技术可以加工传统方法难以制造的零件。过去传统的制造方法就是一个毛坯,把不需要的地方切除掉,是多维加工的,或者采用磨具,把金属和塑料融化灌进去得到这样的零件,这样对复杂的零部件来说加工起来非常困难。立体打印技术对于复杂零部件而言具有极大的优势,立体打印技术可以打印非常复杂的东西。其次实现了首件的净型成形,这样后期辅助加工量大大减小,避免了委外加工的数据泄密和时间
19、跨度,尤其适合一些高保密性的行业,如军工、核电领域。再次由于制造准备和数据转换的时间大幅减少,使得单件试制、小批量出产的周期和成本降低,特别适合新产品的开发和单件小批量零件的出产。这些速度快、高易用性等优势使得3D打印成为一种潮流,并且在很多领域得到了应用。如今 3D打印机已经在建筑设计、医疗辅助、工业模型、复杂结构、零配件、动漫模型等领域都已经有了一定程度的应用。尤其在飞机、核电和火电等使用重型机械、高端精密机械的行业,3D 打印技术“打印”的产品是自然无缝连接的,结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。国内情况自20 世纪 90 年代以来,国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清
20、华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势;华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势,并已推出了HRP系列成型机和成型材料;西安交通大学自主研制了三维打印机喷头,并开发了光固化成型系统及相应成型材料,成型精度达到0.2mm;中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置,有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言,国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。近年来,国内如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现了3D 打印机的整机生产和销售,这些企业共同的特点是由海外归国团队建立,规模较小,产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前,国产
21、3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求,技术水平有待进一步提升。在服务领域,我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务,其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比,我国港台地区 3D打印技术引入起步较早,应用更为广泛,但港台主要着重于技术应用,而非自主研发。经过十多年的探索和发展,3D打印技术有了长足的进步,目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi 的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm 厚度的垂直速率,并可实现24 位色彩的彩色打印。目前,在全球3D打印机
22、行业,美国3D Systems 和 Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外,在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的FabHome 和 Shapeways、英国的Reprap 等。2.3 3D打印产业的未来发展前景根据国际快速制造行业权威报告Wohlers Report 2011发布的调查结果,全球3D打印产业产值在19882010 年间保持着26.2%的年均增长速度。报告预期,3D打印产业未来仍将持续较快地增长,到 2016 年,包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31 亿美元,2020 年将达到52 亿美元。3D打印技术未来发展的主要趋势随着智能制
23、造的进一步发展成熟,新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域,3D打印技术也将被推向更高的层面。未来,3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。提升 3D打印的速度、效率和精度,开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法,提高成品的表面质量、力学和物理性能,以实现直接面向产品的制造;开发更为多样的3D打印材料,如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等,特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点;3D 打印机的体积小型化、桌面化,成本更低廉,操作更简便,更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家
24、庭日常应用的需求;软件集成化,实现 CAD/CAPP/RP 的一体化,使设计软件和生产控制软件能够无缝对接,实现设计者直接联网控制的远程在线制造;拓展3D打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。有些业内人认为,三维打印技术对制造业的影响将可与喷墨打印机对文件打印的影响相媲美。15 世纪出现的活字印刷术让手写体变成了印刷体。印刷机同那些可以进行大规模生产的机器一样,高效地打印出同一物品的副本,但是,其在打印个性化文件时的效率并不高。后来,喷墨打印机使打印变得更便捷、更廉价、更有个性。如今,尽管传统打印机仍然打印着大量的书籍和报纸等,但更多的打印任务是由喷墨打印机来承担的,
25、它能按需打印出书籍、标签、照片等。三维打印技术带来的变化或将改变制造业的经济面貌。许多人认为,这项技术将让商业完全去中心化,逆转伴随着工业化到来的城市化进程,人们将不再需要工厂,届时,每个村庄都将拥有一个由打印机组成的制造厂,制造所需的物品。但是,也有人认为,城市的经济和社会利益远远超出吸引工人到装配线上工作的能力。有人坚持认为,三维打印技术减少了对工厂工人的需求,削减低成本、低工资国家的优势,因而会增加发达国家的生产能力。不过,也有人对此表示怀疑,他们称,亚洲制造商也有能力采用该技术,而且,即使三维打印技术确实会让生产重回发达国家,它也无法提供更多的工作机会,因为与标准的制造过程相比,它并非
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