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3D打印技术及应用趋势

发表时间:2014/5/29 李小丽 马剑雄 李萍 陈琪 周伟民 来源:万方数据
3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一,越来越受到工业界和投资界的关注。在详细介绍3D打印技术具有数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造和快速制造等优点的基础上,具体给出了光固化成形、材料喷射、粘结剂喷射、熔融沉积制造、选择性激光烧结、片层压和定向能量沉积这七类3D打印工艺。分别分析了3D打印技术的全球商业化状况和应用领域,并进一步展望了3D打印技术的应用趋势。最后指出,3D打印技术将深刻改变传统行业的产业模式,实现从传统制造向智能制造迈进。

  2012年4月,英国著名杂志《经济学人》发表专题报告指出,全球工业正在经历第三次工业革命,与以往不同,本次革命将对制造业的发展产生巨大影响,其中一项具有代表性的技术就是3D打印(3D printing)技术。美国《时代》周刊也将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”。自2013年以来,国内媒体界、学术界、金融界也掀起了关注3D打印技术的热潮,各级政府部门开始关注并制订3D打印技术的发展规划。本文在查阅大量文献和实践调研的基础上,分别从3D打印技术的概念、工艺、材料、设备及其商业化状况等方面进行介绍:并在此基础上,进一步展望了3D打印技术的应用趋势和对人类未来生产生活方式的影响。

  1、3D打印技术的概念和分类

  3D打印技术,学术上又称“添加制造”(additive manufacturing)技术,也称增材制造或增量制造。根据美国材料与试验协会(ASTM)2009年成立的3D打印技术委员会(F42委员会)公布的定义,3D打印是一种与传统的材料加工方法截然相反,基于三维CAD模型数据,通过增加材料逐层制造的方式。其采用直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。3D打印技术内容涵盖了产品生命周期前端的“快速原型”(rapid prototyping)和全生产周期的“快速制造”(rapid manufacturing)相关的所有打印工艺、技术、设备类别和应用。3D打印涉及的技术包括CAD建模、测量、接口软件、数控、精密机械、激光、材料等多种学科的集成。

  3D打印具有如下特点和优势。

  (1)数字制造:借助CAD等软件将产品结构数字化,驱动机器设备加工制造成器件:数字化文件还可借助网络进行传递,实现异地分散化制造的生产模式。

  (2)降维制造(分层制造):即把三维结构的物体先分解成二维层状结构,逐层累加形成三维物品。因此,原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构,而且制造过程更柔性化。

  (3)堆积制造:“从下而上”的堆积方式对于实现非匀致材料、功能梯度的器件更有优势。

  (4)直接制造:任何高性能难成型的部件均可通过“打印”方式一次性直接制造出来,不需要通过组装拼接等复杂过程来实现。

  (5)快速制造:3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造,因此,制造更快速、更高效。

  3D打印技术的发展起源可追溯至20世纪70年代末到80年代初期,美国3M公司的Alan Hebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美国UVP公司的Charles Hull(1982年)和日本的丸谷洋二(1983年)四人各自独立提出了这种概念。1986年,Charles Hull率先推出光固化方法(stereo lithography apparatus,SLA),这是3D打印技术发展的一个里程碑。同年,他创立了世界上第一家3D打印设备的3D Systems公司。该公司于1988年生产出了世界上第一台3D打印机SLA-250。1988年,美国人Scott Crump发明了另外一种3D打印技术——熔融沉积制造(fused deposition modeling,FDM),并成立了Stratasys公司。目前,这两家公司是仅有的两家在纳斯达克上市的3D打印设备制造企业。1989年。C.R.Dechard发明了选择性激光烧结法(selective laser sintering,SLS),其原理是利用高强度激光将材料粉末烧结直至成型。1993年,麻省理工大学教授Emanual Sachs发明了一种全新的3D打印技术。这种技术类似于喷墨打印机。通过向金属、陶瓷等粉末喷射粘接剂的方式将材料逐片成型,然后进行烧结制成最终产品。这种技术的优点在于制作速度快、价格低廉。随后,ZCorporation公司获得麻省理工大学的许可,利用该技术来生产3D打印机,“3D打印机”的称谓由此而来。此后,以色列人Hanan Gothait于1998年创办了Objet Geometries公司,并于2000年在北美推出了可用于办公室环境的商品化3D打印机。

  2、材料和设备

  3D打印设备制造商主要集中在美国、德国、以色列、日本和瑞典等,并以美国为主导。其中,美国的Stratasys和3D Systems两家公司整合了全球主流工艺90%的产品线。2011年,3D Systems公司收购了Z Corporation公司。2012年。Stratasys公司并购了以色列Objet公司,完成了资源整合。

  3D打印按材料可分为块体材料、液态材料和粉末材料等。按照美国材料与试验协会(ASTM)3D打印技术委员会(F42委员会)的标准,目前七类3D打印工艺与所用材料如表1所示。

表1 3D打印技术的类型和属性
3D打印技术的类型和属性

  目前。已实现商品化的3D打印机共涵盖了七类工艺,其中以SLA、SLS、FDM和3D打印等为主。

  光固化打印(SLA)是采用紫外光在液态光敏树脂表面进行扫描,每次生成一定厚度的薄层,从底部逐层生成物体。其优点是原材料的利用率将近100%,尺寸精度高(±0.1 mm),表面质量优良,可以制作结构十分复杂的模型;缺点是价格昂贵,可用材料种类有限,制成品在光照下会逐渐解体。

  选择性激光烧结打印(SLS)是采用高功率的激光,把粉末加热烧结在一起形成零件。SLS工艺的优点是可打印金属材料和多种热塑性塑料,如尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯类、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等,打印时无需支撑,打印的零件机械性能好、强度高;缺点是材料粉末比较松散,烧结后成型精度不高,且高功率的激光器价格昂贵。

  熔融沉积打印(FDM)是采用热融喷头,使塑性纤维材料经熔化后从喷头内挤压而出,并沉积在指定位置后固化成型。这种工艺类似于挤牙膏的方式,其优点是价格低廉、体积小、生成操作难度相对较小:缺点是成型件的表面有较明显的条纹,产品层间的结合强度低、打印速度慢。

  3D打印是采用类似喷墨打印机喷头的工作方式,这种工艺与选择性激光烧结十分类似,只是将激光烧结过程改为喷头粘结,光栅扫描器改为粘结剂喷射头。其优点是打印速度快、价格低;缺点是打印出来的产品机械强度不高。

  3、目前存在的主要问题

  3D打印技术已经取得了显著的进展。但仍存在以下几方面问题。

  (1)3D打印的耗材。耗材是目前制约3D打印技术广泛应用的关键因素。目前已研发的材料主要有塑料、树脂和金属等,然而3D打印技术要实现更多领域的应用,就需要开发出更多的可打印材料,根据材料特点深人研究加工、结构与材料之间的关系,开发质量测试程序和方法,建立材料性能数据的规范性标准等。此外,在一些关键产业领域,寻找合适的材料也是一大挑战,例如空客概念飞机的仿真结构,要求机身必须透明且有很高的硬度。为符合这些要求就需要研发新型的复合材料。Xerox PARC研究中心的研究人员正在致力于可打印电子产品的新工艺研究,但是目前的可用原料还不多。

  在打印材料方面,以色列Objet公司处于领先地位。最近,该公司宣布为Connex系列多材料3D打印机新开发了39种新的“数字材料”,可供客户选择的基本材料已多达107种。这些材料的质地、韧性、刚度、强度都各不相同。该公司目前可提供90种“数字材料”。这些材料都是由公司提供的基本材料复合而成,这样可使设计师、工程师和制造商能够非常精确地模拟其最终产品的材料性能。用户使用Connex多材料3D打印机,可以在一个模型中同时使用多达14种不同硬度和透明度的材料。

  此外,目前对金属材料进行3D打印的需求尤为迫切,如工具钢、不锈钢、钛合金、镍基合金、银和金等,但目前这些打印技术尚未完全突破。

  (2)3D打印机本身。据报道,世界上目前只有一种3D打印机能够同时打印出多种材料的产品。由于3D打印工艺发展还不完善,快速成型零件的精度和表面质量大多不能满足工程直接使用要求,只能做原型使用。

  3D打印产品由于采用叠加制造工艺,层与层之间连接得再紧密,目前也很难与传统锻件相媲美。

  (3)3D打印的价格。目前。3D打印不具备规模经济的优势,价格方面的优势尚不明显。目前,1 kg打印材料少则几百元,多则要4万元左右,因此3D打印技术在一段时间里还无法全面取代传统制造技术。但是在单件小批量、个性化订制和网络社区化生产方面,对于大多数产品来说。不管打印1件还是100件,价格都相差无几,因而3D打印具有无可比拟的优势。

  (4)知识产权的保护。3D打印技术的意义不仅在于改变资本和工作的分配模式,而且也在于它能改变知识产权的规则。该技术的出现使制造业的成功不再取决于生产规模,而取决于创意。然而,单靠创意也是很危险的,模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上快速推出新产品。极有可能就像当初的音乐领域一样面临盗版的威胁。

  (5)3D打印机的操作技能。3D打印技术需要依靠数字模型来进行生产,但是对普通用户来说学会使用计算机辅助设计工具(CAD)还是有一定难度。但随着社会发展,未来会有越来越多的学生学习并掌握这方面的技能,而且企业也会提供一些简单的产品数据库,用户不必学会3D设计技能就能制作模型,就像傻瓜相机的发展一样。

  (6)政策方面。3D技术的研发需要大量的政府投入或产业界的资金支撑。如在医疗领域,可能会因缺少食品和药品监管部门的许可,造成许多临床医疗产品应用的滞缓等。

  4、应用领域与趋势

  4.1全球商业化状况

  根据美国技术咨询服务协会Wohlers Associates发布的2012年度报告,全球3D打印行业在2011年销售额为17,14亿美元,当前该技术的市场渗透度为8%,因此,报告保守估计3D打印市场机会为214亿美元。乐观者则认为当前市场渗透度仅为1%,从而3D打印市场机会为1 700亿美元。目前,3D打印技术市场的年增长率为29,4%。据预测,该行业的市场规模到2015年将达37亿美元,到2019年将增长到65亿美元。

  3D打印技术市场规模如图1所示。

3D打印技术市场规模示意图
图1 3D打印技术市场规模示意图

  从行业分布看,目前消费电子领域仍然占主导地位,约20,3%;其他主要应用在汽车、医疗/牙科、工业/商业机器和航空航天领域。3D打印技术行业分布如图2所示。3D打印技术主要应用功能的分布比例如图3所示。

3D打印技术行业分布图
图2 3D打印技术行业分布图

3D打印技术应用分布图
图3 3D打印技术应用分布图

  当前,欧洲、美洲和亚洲是3D打印设备的主要需求市场。从2011年设备市场份额分布来看,北美地区占40,2%,位居第一,欧洲地区和亚洲地区紧随其后。3D打印设备数量区域分布如图4所示。美国是3D打印设备安装的第大国,日本处于第二。

3D打印设备数量区域分布图
图4 3D打印设备数量区域分布图

  全球3D打印技术的产品和服务的收入如图5所示。图5中,柱状图上段为服务收入,下段为产品(即设备和材料等)收入。从图5不难看出,3D打印设备及材料和服务的经济规模是相当的。2010年,销售额为13,25亿美元;到2011年,销售额为17,14亿美元,增长率达到24,1%。在产品收入中,3D打印设备和材料占主要部分,2011年为8,34亿美元。

全球3D打印技术的产品和服务收入示意图
图5 全球3D打印技术的产品和服务收入示意图

  由于3D打印产品种类丰富,带动了打印材料的快速发展。2001年到2011年,全球打印材料的销售情况如图6所示,除了2009年由于全球经济危机的影响稍有下降外,基本上每年都保持10%~20%的增长速度。

全球3D打印材料销售额示意图
图6 全球3D打印材料销售额示意图

  4.2应用领域

  3D打印机的应用对象可以是任何行业,只要这些行业需要模型和原型。目前,3D打印技术已在工业设计、文化艺术、机械制造(汽车、摩托车)、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、雕刻、首饰等领域都得到了应用。随着技术自身的发展。其应用领域将不断拓展。这些应用主要体现在以下十个方面。

  (1)设计方案评审。借助于3D打印的实体模型。不同专业领域(设计、制造、市场、客户)的人员可以对产品实现方案、外观、人机功效等进行实物评价。

  (2)制造工艺与装配检验。3D打印可以较精确地制造出产品零件中的任意结构细节,借助3D打印的实体模型结合设计文件,就可有效指导零件和模具的工艺设计,或进行产品装配检验,避免结构和工艺设计错误。

  (3)功能样件制造与性能测试。3D打印的实体原型本身具有一定的结构性能,同时利用3D打印技术可直接制造金属零件,或制造出熔(蜡)模;再通过熔模铸造金属零件,甚至可以打印制造出特殊要求的功能零件和样件等。

  (4)快速模具小批量制造。以3D打印制造的原型作为模板,制作硅胶、树脂、低熔点合金等快速模具,可便捷地实现几十件到数百件数量零件的小批量制造。

  (5)建筑总体与装修展示评价。利用3D打印技术可实现模型真彩及纹理打印的特点,可快速制造出建筑的设计模型,进行建筑总体布局、结构方案的展示和评价。

  (6)科学计算数据实体可视化。计算机辅助工程、地理地形信息等科学计算数据可通过3D彩色打印,实现几何结构与分析数据的实体可视化。

  (7)医学与医疗工程。通过医学CT数据的三维重建技术,利用3D打印技术制造器官、骨骼等实体模型,可指导手术方案设计。也可打印制作组织工程和定向药物输送骨架等。

  (8)首饰及日用品快速开发与个性化定制。利用3D打印制作蜡模,通过精密铸造实现首饰和工艺品的快速开发和个性化定制。

  (9)动漫造型评价。借助于动漫造型评价可实现动漫等模型的快速制造,指导和评价动漫造型设计。

  (10)电子器件的设计与制作。利用3D打印可在玻璃、柔性透明树脂等基板上,设计制作电子器件和光学器件,如RFID、太阳能光伏器件、OLED等。

  4.3对人类生产生活方式的影响

  3D打印技术的应用将从以下三个方面深刻改变传统制造业形态。

  一是使制造工艺发生深刻变革。3D打印改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式,节省了材料和加工时间。例如。在航空航天工业领域中应用的金属部件通常是由高成本的固体钛加工而成的,90%的材料被切除掉,这些切削材料对于飞行器的制作是毫无利用价值的。空客的母公司欧洲宇航防务集团(EADS)研究人员指出,这些用钛粉末打印出的部件与一个传统用固体钛加工出来的部件一样经久耐用。但节省了90%的原材料。

  二是带动制造技术的重大飞跃。3D打印技术是一门综合应用CAD/CAM技术、激光技术、光化学、控制、网络以及材料科学等诸多方面技术和知识的高新技术。3D打印技术的不断成熟将推动新材料技术和智能制造技术实现大的飞跃,从而带动相关产业的发展。

  三是使制造模式发生革命性变化。3D打印将可能改变第二次工业革命产生的、以装配生产线为代表的大规模生产方式,使产品生产向个性化、定制化转变。3D打印机的推广应用将缩短产品推向市场的时间,消费者只要简单下载设计图,在数小时内通过3D打印机就可将产品“打印”出来,从而不需要大规模生产线,不需要大量的生产工人,不需要库存大量的零部件,即所谓的“社会化制造”。“社会化制造”的另一优势是通过制造资源网和互联网,快速建立高效的供应链、市场销售和用户服务网,这是实现敏捷制造、精益制造和可持续发展的一种生产模式。

  5、结束语

  随着3D打印技术和商业应用的发展,“大批量的个性化定制”将成为重要的生产模式。3D打印与现代服务业的紧密结合,将衍生出新的细分产业和新的商业模式,创造出新的经济增长点。3D打印技术发展带来的产品技术、制造技术与管理技术的进步使企业具备快速响应市场需求的能力,特别是形成适应全球市场上丰富多样的客户群,实现远程定制、异地设计、就地生产和销售的协调化新型生产模式,使生产模式、商业模式等多个方面发生根本性的变化。

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