3d打印技術研究現狀范文第1篇
3D打印技術(3D printing)，是快速成形技術的一種，它是一種數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印技術出現在20世紀90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型裝置。
一、3D打印技術簡介
3D打印技術是指通過連續的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術，與傳統的去除材料加工技術不同，因此又稱為添加制造(AM，Additive Manufacturing)。作為一種綜合性應用技術，3D打印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術知識，具有很高的科技含量。3D打印機是3D打印的核心裝備。它是集機械、控制及計算機技術等為一體的復雜機電一體化系統，主要由高精度機械系統、數控系統、噴射系統和成型環境等子系統組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設計與控制軟件等也是3D打印技術體系的重要組成部分。
目前，3D打印技術主要被應用于產品原型、模具制造以及藝術創作、珠寶制作等領域，替代這些領域傳統依賴的精細加工工藝。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，在生物工程與醫學、建筑、服裝等領域，3D打印技術的引入也為創新開拓了廣闊的空間。如2010年澳大利亞Invetech公司和美國Organovo公司合作，嘗試以活體細胞為“墨水”打印人體的組織和器官，是醫學領域具有重大意義的創新。
二、3D打印技術及產業國際國內發展現狀
(1) 國際情況
經過十多年的探索和發展，3D打印技術有了長足的進步，目前已經能夠在0.01mm的單層厚度上實現600dpi的精細分辨率。目前國際上較先進的產品可以實現每小時25mm厚度的垂直速率，并可實現24位色彩的彩色打印。
目前，在全球3D打印機行業，美國3D Systems和Stratasys兩家公司的產品占據了絕大多數市場份額。此外，在此領域具有較強技術實力和特色的企業/研發團隊還有美國的Fab@Home和Shapeways、英國的Reprap等。
3D Systems公司是全世界最大的快速成型設備開發公司。于2011年11月收購了3D打印技術的最早發明者和最初專利擁有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印領域的龍頭地位。Stratasys公司2010年與傳統打印行業巨頭惠普公司簽訂了OEM合作協議，生產HP品牌的3D打印機。繼2011年5月收購Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月與以色列著名3D打印系統提供商Objet宣布合并。當前，國際3D打印機制造業正處于迅速的兼并與整合過程中，行業巨頭正在加速崛起。
目前在歐美發達國家，3D打印技術已經初步形成了成功的商用模式。如在消費電子業、航空業和汽車制造業等領域，3D打印技術可以以較低的成本、較高的效率生產小批量的定制部件，完成復雜而精細的造型。另外，3D打印技術獲得應用的領域是個性化消費品產業。如紐約一家創意消費品公司Quirky通過在線征集用戶的設計方案，以3D打印技術制成實物產品并通過電子市場銷售，每年能夠推出60種創新產品，年收入達到100萬美元。
(2) 國內情況
自20世紀90年代以來，國內多所高校開展了3D打印技術的自主研發。清華大學在現代成型學理論、分層實體制造、FDM工藝等方面都有一定的科研優勢;華中科技大學在分層實體制造工藝方面有優勢，并已推出了HRP系列成型機和成型材料;西安交通大學自主研制了三維打印機噴頭，并開發了光固化成型系統及相應成型材料，成型精度達到0.2mm;中國科技大學自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領域得到應用。但總體而言，國內3D打印技術研發水平與國外相比還有較大差距。
近年來，國內如深圳維示泰克、南京紫金立德、北京殷華、江蘇敦超等企業已實現了3D打印機的整機生產和銷售，這些企業共同的特點是由海外歸國團隊建立，規模較小，產品技術與國外廠商同類產品相比尚處于低端。目前，國產3D打印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技術水平有待進一步提升。在服務領域，我國東部發達城市已普遍有企業應用進口3D打印設備開展了商業化的快速成型服務，其服務范圍涉及到模具制作、樣品制作、輔助設計、文物復原等多個領域。與內地相比，我國港臺地區3D打印技術引入起步較早，應用更為廣泛，但港臺主要著重于技術應用，而非自主研發。
(3)3D打印產業的未來發展前景
根據國際快速制造行業權威報告《Wohlers Report 2011》發布的調查結果，全球3D打印產業產值在1988～2010年間保持著26.2%的年均增長速度。報告預期，3D打印產業未來仍將持續較快地增長，到2016年，包含設備制造和服務在內的產業總產值將達到31億美元，2020年將達到52億美元。
但3D打印技術要進一步擴展其產業應用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰：一是成本方面，現有3D打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及應用帶來了困難。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度還不盡人意，打印效率還遠不適應大規模生產的需求，而且受打印機工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴重沖突。四是產業環境方面，3D打印技術的普及將使產品更容易被復制和擴散，制造業面對的盜版風險大增，現有知識產權保護機制難以適應產業未來發展的需求。
Gartner公司2011年發布的最新技術發展展望報告判斷：3D打印技術目前正在進入概念炒作的高峰階段，其技術還有待充分成熟，主流市場也有待進一步培育。Gartner公司研究人員認為，3D打印技術成熟到適應市場需求還將需要5～10年的時間。在這一較為漫長的發展過程中，產業可能會面臨增長期望落空、技術遭遇瓶頸以及投資撤離等風險。
總之，從中長期看來3D打印產業具有較為廣闊的發展前景，但目前產業距離成熟階段尚有較大距離，對于3D打印市場規模的短期發展不宜過分高估。因此，現階段產業界對3D打印領域的投入應以加強創新研發、技術引進和儲備為主，尤其要重視自主知識產權的建設和維護，爭取在未來的市場競爭中占據有利地位。如受到概念炒作影響，在技術尚未充分完善的現階段大規模投入產能擴張，則投資回報將面臨著較大的風險。
(4) 3D打印技術未來發展的主要趨勢
隨著智能制造的進一步發展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到制造領域，3D打印技術也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術的發展將體現出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。
3d打印技術研究現狀范文第2篇
關鍵詞：3D打印技術;應用;發展分析
1 3D打印技術簡介
3D打印技術是一種快速成型技術，它以數字模型文件作為基礎，運用可粘合材料，通過逐層打印的方式構造物體[1]。當前3D打印技術主要應用于藝術創作、珠寶制作等領域。然而隨著技術的發展，生物工程、醫學、建筑等領域也越來越多的使用3D打印技術，為科技創新添加了新的活力。
與傳統的工業制造業相比，3D打印技術有著無可替代的優勢，這使得在當前高科技產業日新月異的今天，3D打印技術能在信息化社會中占有一席之地。3D打印技術有著以下特點：(1)生產效率極高。3D打印技術通過材料的層層推擠與疊加，在電腦數據的操控下堆砌成需要生產的物品，這與傳統工業對原材料的剪裁制造完全不同。不僅省去了繁重的修整零部件工序，該大大增加了原材料的利用率，大幅降低生產成本，提高生產效率;(2)復雜零件可一次成型。傳統工業在生產的過程中，需要經過模具設計、生產、修整等階段，并在制作過程中對原材料進行鍛造、打磨等加工，最終制作成復雜的產品。其生產周期長，生產工序繁瑣，人力資源消耗大。而3D打印技術縮短了所有中間過程，它的模具通過電腦制作，產品根據電腦生成的設計圖紙直接一次性打印完成，能夠更加便捷、準確的制作出復雜產品，極大縮短了生產和設計周期。(3)可以滿足不同消費者需要。傳統工業注重批量化生產，3D打印技術則更能激發人的想象力，滿足產品設計者和消費者的個性化需求。3D打印技術生產的產品不再千篇一律，而是獨一無二。這將開創傳統工業從批量制造到批量定制的華麗轉變。
2 3D打印技術的發展現狀
盡管3D打印技術將對傳統制造業產生翻天覆地的影響，但我們還是應當注意，目前3D打印技術的發展仍受到許多因素的制約。具體問題有：(1)3D打印技術對打印材料的要求較高。3D打印技術特殊的產品制造手段，成為了其發展的雙刃劍[2]。一方面高效的生產方式促進了效率的提高，另一方面則對生產材料有著很高的要求。3D打印所使用的材料不僅要能夠被“打印”，而且“打印”出的產品必須滿足技術要求。因此在現階段，3D打印技術可供選擇的材料較少，這成為了制約3D打印技術發展的主要原因。以目前的材料科學發展情況，可成為3D打印技術的材料主要為工程塑料、部分金屬材料等，然而這些材料都是專門為3D打印技術所研發，與傳統工業的生產材料還有著較大差距。(2)3D打印技術受支撐技術限制。3D打印缺乏支撐性技術，是制約自身進一步發展的另一個重要原因。舉例來說，包括打印產品速度過慢，打印出的產品精度不高等。這都從側面反映出當前3D打印技術的發展仍處于較低的水平。(3)3D打印技術缺乏嚴格的技術規范。由于3D打印技術才剛剛起步，行業內部缺乏明確的、可執行的、有效地條款，造成了目前3D打印技術在打印材料的選擇上缺乏統一規范，這也阻礙了3D打印技術的進一步發展。(4)3D打印技術在短時間內仍難以取代傳統制造業。雖然相較于傳統制造業，3D打印技術有著無可比擬的優勢，然而在大規模批量制造及成本控制方面，目前3D打印技術由于各方面的限制，難以匹敵傳統制造業;(5)國內3D打印材料不足。我國目前3D打印技術還遠未形成完善的產業鏈，因此僅有少數企業能提供高質量的3D打印材料，難以滿足當前國內3D打印技術發展的需要。大量的原料需要依靠進口，導致我國3D打印技術在推廣和應用領域受到諸多限制。
3 促進我國3D打印技術發展的對策
與歐美等發達國家相比，我國的3D打印技術仍有著一定的差距，而要在全球的科技發展浪潮中縮短與國外的差距，這絕非易事。除了政府要在政策面鼓勵3D打印技術的發展之外，還要做到各行業的通力協作。
3.1 加強政府對3D打印技術發展的支持力度
政府是高新技術發展的統籌與規劃者。3D打印技術有著廣闊的市場前景，因此政府應當從政策完善、資金支持、人才培養、法律保護等多個方面[3]。主要包括：強化宏觀調控，制定3D打印行業規范;加大財政撥款，為3D打印企業提供稅收等財政優惠;鼓勵高校設立3D打印技術專業，培養3D打印技術方面的人才;完善相關法律法規，保護3D打印技術的只是產權;強化社會監督，重視對3D打印技術可能引發的社會問題，嚴格控制3D打印材料的購買渠道。通過以上政策面的手段，加大對3D打印技術發展的投入，促進我國3D打印技術發展邁上新臺階。
3.2 增強創新能力
創新是企業乃至國家不斷向前發展的動力源泉。只有強大的創新能力，才能保證企業、社會在日益激烈的競爭漩渦中生存下來。首先，要促進3D打印技術的理論創新。及時掌握全球3D打印技術的發展動向，加強3D打印技術同電子、醫學、物理等學科的交流，為拓展3D打印的材料制造帶來新的活力。其次，建立3D打印技術信息交流平臺，以高校、科研所、企業研究成果作為基礎，加強高新科研機構之間的交流，實現完美的科學研究機制。
3.3 完善3D打印技術產業鏈
促進我國3D打印產業技術聯盟的形成，定期開展3D打印技術產業相關研討會，鼓勵高校、科研單位、相關企業的參與，早日實現3D打印產業鏈上下流資源的整合。各方針對3D打印技術材料研究，加大資金、人力的投入，鼓勵企業將非金屬材料應用于3D打印技術之中。同時，各高校與研究機構充分發揮自身技術資源優勢，通過與企業資金資源全面整合，形成3D打印產業的產品設計，軟件開發，材料創新、產品宣傳等完整的產業鏈。
3.4 普及3D打印產品的應用
通過開展3D打印產品博覽會作品等方式，將3D打印技術推廣到中小學校，對少年兒童開展3D打印的教育宣傳，普及3D打印技術的知識，激發他們對3D打印技術的興趣。選取生物醫療、工業設計等領域，有目的、有計劃地將3D打印技術進行推廣應用，積極促進3D打印技術理論與應用的同步發展[4]。
3.5 加強國際間3D打印技術的交流
根據我國對3D打印市場的實際需要，通過高校、研究所等平臺，積極開展通歐美發達國家的3D打印技術的國際交流，形成高校與高校之間、研究機構與研究機構之間的合作關系，互相吸取發展經驗，深化合作，共同促進3D打印技術的進一步發展。
4 結束語
隨著各個學科研究的不斷深入，3D打印技術的發展勢必將進入新的層面。作為最具創新力的技術之一，3D打印技術正在以自身獨特的優勢，受到全世界的關注。3D打印技術當前還處于較低水平，其內在的經濟、社會等方面的價值亟待人們進一步挖掘。文章對我國3D打印技術的未來發展趨勢提出了一些建議，希望能對未來3D打印技術的推廣和應用做出貢獻。
參考文獻
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3d打印技術研究現狀范文第3篇
陶瓷3d打印技術具有成型速度快、可打印復雜部件、個性化產品成本低等優點, 將來可用于制備光纖連接器用的陶瓷插針、電子陶瓷器件、多孔陶瓷過濾件、陶瓷牙齒等尺寸小、形狀復雜、精度高的產品。陶瓷3d打印技術在日用及建筑衛生陶瓷領域也有巨大的潛力, 如藝術品陶瓷的個性化制備、浮雕狀腰線磚的快速打印、潔具模具的制造、特殊形狀陶瓷磚的樣板訂制等等。人工做一套衛生陶瓷的模具可能要花費一個月的時間, 利用3d打印技術只需要一到兩天。
與此同時, 陶瓷3d打印技術的商業化還面臨著一系列的問題:制造速度、產品的材料性能、機器和材料成本、成型精度及質量等等。如何有效地堆積出尺寸精確、結構復雜的陶瓷物件, 燒結時復雜燒結體中殘余應力如何消除, 如何保證燒結出致密的陶瓷制品, 以及如何制備更穩定的陶瓷墨水等一系列的技術難題都需要進一步解決。
3d打印技術研究現狀范文第4篇
1 當前3D打印技術的局限性
目前3D打印產業仍然處于初級發展階段,不僅僅是在技術上存在著如速度較慢、打印材料何對象受限、打印成本較高等問題,而且從廣泛應用大規模推廣的角度上,也存在有如下問題:
1.1 系統造價太高
盡管由于開源技術的廣泛采用,目前桌面3D打印機的價格已降到數千元左右,但真正能用于生產環境的商用級或工業級3D打印機的造價仍然高達數十萬元乃至數百萬元。并且,由于3D打印技術的高速發展,設備的更新換代十分頻繁,在沒有足夠規模的需求的支持下,設備的使用成本將十分高昂。
1.2 軟件使用復雜
受制于打印材料與打印對象的限制,因此并不存在通用的3D打印機,3D產業界尚處于百花齊放的開放階段,這在客觀上造成了目前3D打印機種類型號繁多,打印控制軟件接口各異的狀況,因此使得使用者對3D打印的選型、操縱和控制都需要經過事先較為復雜的培訓。特別是由于3D打印涉及多個技術領域,需要多個學科的知識,從而更加增加了軟件使用的復雜度。
1.3 系統工藝復雜
3D打印技術不僅僅是硬件和軟件的簡單使用,而是由人、工藝方法、軟件、硬件組成的綜合系統的應用。一件好的3D成品的生成,不僅需要高質量的硬件設備、功能強大的控制軟件,還需要具有豐富經驗的打印工程師,從而能最優程度的發揮硬件、軟件、3D設計模型和材料的最大效能。
2 3D打印服務中心的建設現狀分析及服務模式
針對此種現狀,3D產業界的對策是建立3D打印服務中心,通過將3D打印的相關硬軟件集合起來,以開放共享的方式對外提供服務,達到3D打印資源的共享和復用,從而推動3D打印技術的普及和應用。目前,國內外已建立有多個多種層次的3D打印服務中心:
2.1 Shapeways
該公司于2007年創立于荷蘭,后將總部移至美國紐約市,至今已獲數千萬美元的風險投資。2012年10月,該公司位于紐約皇后區的“未來工廠”投入運營。“未來工廠”里的機器,就是50臺工業3D打印機,通過Facebook和Twitter等社會媒體,接受客戶的各種產品的三維設計方案,并在數天內完成產品的打印生產,然后寄送給客戶。
2.2 Quirky
該公司的特色是眾包:公司通過Facebook和Twitter等社會媒體接收公眾提交的產品設計思路,并由公司的注冊用戶進行評論和投票表決,如此每周挑選出一個產品進行3D打印生產。公司還進一步將眾包設計改進的過程同時轉化為通過社會媒體來推薦相應產品的過程,創造性地拓展了銷售市場。
2.3 杭州先臨三維科技
位居杭州下沙工業區的杭州先臨三維科技股份有限公司是國內綜合實力最強的3D打印公司,可以向客戶提供快速三維掃描、快速制造、快速模具、三維測繪等服務。作為德國EOS公司在中國大陸地區唯一的授權經銷商,以及國內3D打印技術種類最齊全的設備及服務提供商,先臨三維致力于為中國的制造業、醫療、教育、文創等領域的客戶提供全面、完整、創新的三維數字技術解決方案。
2.4 南京3D打印創新中心
2013年3月,中國3D打印技術產業聯盟和棲霞區及南京經濟技術開發區簽訂戰略合作協議,將首個中國3D打印機技術創新中心落戶南京。這個中心包括3D打印應用中心、示范中心以及科普、教育、培訓、加工等中心,并將引進國內外優秀人才,在南京探索出一個3D打印技術發展模式,幫助傳統產業轉型升級。
當前3D打印服務中心的服務模式基本有如下兩種模式:
2.4.1 基于標準3D模型文件的遠程模式
這一模式要求設計者通過互聯網上傳標準的3D模型文件,由3D打印社區提供在線協作的設計方案修正,由3D打印中心提供打印和產品推廣等。這一模式服務的主要對象是產品設計人員或最終使用者,僅需要遠程協作即能完成,且適用的打印物通常造型個性化要求較高,而材料性能等要求較低。此外,對打印物的保密性要求也較低。
2.4.2 基于項目定制的3D打印設備使用模式
這一模式由產品設計者提出需求,由3D打印中心和產品設計人員共同組成項目小組,確定打印工藝和制訂打印方案,利用3D打印中心的強大軟硬件設備,最終完成產品的打印。這一模式通常要求線下的交流和協作,能充分地利用3D打印系統的各種功能,適用于打印要求復雜,設計內容保密性較強的場合。
3 總結
建立3D打印服務中心,通過將3D打印的相關硬軟件集合起來,以開放共享的方式對外提供服務,達到3D打印資源的共享和復用,從而推動3D打印技術的普及和應用。因此,基于3D打印技術的生產制造必將極大地刺激社會需求,同時有效地提升整個社會的參與度,其直接結果就是就業率的大幅度提高。
參考文獻
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3d打印技術研究現狀范文第5篇
3D打印是一種逐點、逐線、逐面增加材料而形成三維復雜結構零件的制造方法。一方面, 它可以適用于幾乎任何類型材料的制造;另一方面, 它又將通過創造適合于其獨特工藝特性的大量新材料而推動材料技術的發展。
發展材料3D打印技術產業的背景需求及戰略意義突出體現在以下幾個方面:
1.1我國經濟社會轉型發展的需求
我國正處在經濟社會轉型發展的一個根本轉折點上。黨的十八大要求把國家經濟和社會發展轉變到創新驅動的軌道上來, 從根本上改變改革開放以來依靠投資、廉價的自然和人力資源拉動的“技術跟蹤”型發展方式。創新驅動的發展主要依靠先進的科學技術和創新人才支撐, 3D打印不僅本身是引領制造業發展方向的先進科學技術, 還是一種開啟創新設計、培養創造性思維方式和能力的極佳手段。
3D打印開創了一種全新的增材成形原理。在其發展初期, 由于材料技術不過關, 而只能用于快速原型制造, 使得這一新技術一度以“快速原型”技術而聞名世界。隨著材料技術的發展, 3D打印進入了直接制造高性能構件的新階段, 從而開啟了制造業革命性發展的序幕。
提高我國制造業總體水平對3D打印制造技術提出了許多重大需求。隨著在零件直接制造方面取得進展, 3D打印制造技術突破了產品結構形態的約束, 能夠加工出傳統制造工藝方法無法加工或難以加工的非常規結構特征的零部件, 從而豐富和拓展制造工藝手段。3D打印制造工藝流程短, 能與鑄造、金屬冷噴涂、機加等現有制造工藝集成, 形成復合制造工藝, 從而降低制造成本和縮短制造周期。與傳統的減材制造 (切削加工) 不同, 3D打印是一個新發展的技術, 我國在3D打印制造技術方面與世界先進技術水平差距不大, 甚至在某些方面還處于世界領先地位。通過有效的國家支持和引導, 強化并保持3D打印方面的優勢, 彌補傳統制造方面的不足, 對實現我國制造業的跨越式發展和彎道超車, 提高我國制造業的整體水平具有重要的現實意義。
產業結構轉型升級對3D打印制造技術提出了重大需求。3D打印制造技術將實現從大規模生產方式向“按需定制”、“因人定制”的個性化定制方式發展, 實現社會化“泛在制造”。與互聯網相融合, 依托3D打印制造技術, 將催生創新創意設計、個性化定制、專業化服務、數據服務等一批現代制造服務業。一方面能夠推動制造產業向價值鏈高端拓展, 促進制造業與服務業融合發展, 另一方面能夠大大提高我國現代服務業在整體服務業中的比重, 提高服務業在經濟結構中的比重。這些對促進我國經濟整體向服務化方向發展, 優化三大產業之間的結構都具有重要的促進作用。
建設創新型國家、實現強國戰略對3D打印制造技術也提出了迫切需求。3D打印制造技術能夠讓設計師在很大程度上從制造工藝及裝備的約束中解放出來, 更多關注產品的創意創新、功能性能, 減少創新設計過程受到的工藝約束與限制, 從而拓展創新設計空間, 實現更豐富的產品設計創新。3D打印制造技術也能夠極大地提升產品性能, 制造出傳統工藝方法難以實現甚至無法實現的空心結構、多孔結構、網格結構、異質材料結構和功能梯度結構, 實現產品結構輕量化、高性能化和功能集成化。借助互聯網, 普通大眾可以將新穎的構思、想法在數字空間進行表達, 并通過3D打印在物理空間得以實現, 這必將極大激發普通大眾的創新激情, 開啟經濟和社會運行模式的革命性變化, 為我國建設創新型國家提供不竭的源動力。
1.2材料3D打印對于工業化和信息化深度融合具有十分重要的意義
工業和信息化部于2013年8月發布了“信息化和工業化深度融合專項行動計劃”, 指出:“推動信息化和工業化深度融合是加快轉變發展方式, 促進四化同步發展的重大舉措, 是走中國特色新型工業化道路的必然選擇。?對于破解當前發展瓶頸, 實現工業轉型升級, 具有十分重要的意義?！标P于“智能制造生產模式培育行動”的目標, 明確提出了“加快工業機器人、增材制造 (3D打印) 等先進制造技術在生產過程中應用?！?/p>
誕生于上個世紀八十年代末期的3D打印技術是制造技術原理的一次革命性突破, 它形成了最能代表信息化時代特征的材料制造技術, 即以信息技術為支撐, 以柔性化的產品制造方式最大限度地滿足無限豐富的個性化需求。
1892年一個立體地形模型制造的美國專利首創了疊層制造原理, 在其后的一百年間, 類似的疊層制造專利有數百個之多, 實踐中的技術探索也層出不窮。但以1988年第一臺可以工業應用的立體光刻機器的誕生為標志, 以快速滿足柔性化需求為主要應用目標的現代3D打印技術才真正形成?？梢哉f, 如果沒有CAD實體模型設計和對其進行分層剖分的軟件技術, 沒有能夠控制激光束按任意設定軌跡運動的振鏡技術、數控機床或機器手, 3D打印技術的柔性化特征就只能停留在一種理想化的原理層面。因此, 3D打印技術應該被稱之為信息化增材制造技術或數字化增材制造技術。從這個意義上看, 3D打印技術本身就是兩化深度融合的先進制造技術。更進一步, 3D打印技術為機械結構的拓撲優化設計提供了技術實現途徑。拓撲優化設計是高度信息化的設計技術, 但過去因為沒有可行的技術實現途徑而難以在機械結構設計和制造中發揮作用。3D打印技術與拓撲優化設計相結合, 為制造業帶來了高度信息化的美好前景。
1.3在高新技術發展前沿與發達國家并駕齊驅的難得機遇
我國在傳統的材料制造技術領域與發達國家差距很大, 短期內很難顯著縮小差距。但在3D打印的科學研究和技術發展方面, 中國和發達國家差距很小, 有個別方面甚至領先。
在國家研發投入的持續支持和重大工程需求的拉動下, 我國已形成體系結構基本完整的3D打印技術研發體系, 在個別領域達到國際領先水平, 具備跨越式快速發展的良好基礎。比如:在3D打印的材料科學基礎方面有一些比較系統深入的研究, 開發了一系列3D打印非金屬材料, 金屬3D打印達到了非常優異的力學性能;研制了一批先進光固化、激光選區燒結、激光選區熔化、激光沉積成形、熔融沉積、電子束制造等工藝裝備;在航空發動機零件制造、飛機功能件和承力件制造、航天復雜結構件制造、汽車家電行業新產品研發、個性化醫療等方面得到了初步應用;涌現出幾十家3D打印設備制造與服務企業;近年來在多地相繼出現的一批3D打印技術服務中心, 利用3D打印技術輔助當地企業的新產品快速開發, 為家電、數碼、汽車等行業新產品快速開發與創新設計提供了支撐。
在此基礎上, 通過進一步加強研究和產業化應用, 我國完全有可能在這一將對未來社會產生重大影響的高新技術發展前沿與發達國家并駕齊驅。
1.4材料已經成為影響3D打印未來發展方向的關鍵因素
美國材料與試驗協會 (ASTM) F42國際委員會在2012年公布的標準中對3D打印有明確的概念定義:3D打印是指采用打印頭、噴嘴或其它打印技術沉積材料來制造物體的技術 (3D打印技術也常用“增材制造”技術來表示) 。近二十年來, 3D打印技術取得了快速的發展, 到目前為止, 已經形成了20多種不同的3D打印裝備。隨著3D打印裝備趨于成熟和商業化, 3D打印材料已經成為影響3D打印未來發展方向的關鍵因素。目前, 3D打印用材料根據化學組分大體上可以分為有機高分子材料、金屬材料、無機非金屬材料和復合材料。根據行業知名報告wohlers report的數據, 2013年全球3D打印產業產值達到了30.7億美元, 與2012年相比增幅34.9%, 3D打印用材料2013年的產值達到了5.288億美元 (如圖1所示) , 與2013年相比增幅26.8%, 其中光敏類高分子材料約為2.29億美元, 激光燒結用高分子材料約為1.35億美元, 金屬材料3260萬美元。材料在整個3D打印產業中的產值份額目前僅占約17.2%, 但據IDTech Ex2014年11月的市場預測報告, 3D打印材料產值將在2023年超越3D打印設備的產值, 而在2025年將達到83億美元。
3D打印作為快速發展的戰略性新興產業, 歐美等發達國家紛紛制定針對發展3D打印技術及材料的國家戰略。美國奧巴馬政府2012年3月投資10億美元組建美國國家制造業創新網絡 (NNMI) , 3D打印是其中一個主要方向, 而材料則是3D打印研究方向的重點研究內容。
美國材料與試驗協會 (ASTM) 針對3D打印技術組建了F42國際委員會進行標準化的制定工作, 在其制定的標準框架中, 將材料作為獨立分支開展相關工作 (如圖2所示) , 同時與國際標準化組織ISO開展標準的聯合制定工作, 部分標準已經上升為國際標準。
從總體上看, 我國3D打印裝備的技術水平與國外先進水平差距較小, 但在3D打印成形材料方面差距較大, 表現在3D打印材料的種類少、質量有差距, 產值規模小, 等等。因此, 加強3D打印材料研究, 完善3D打印產業鏈, 擴大產業規模, 是中國3D打印事業發展的一個十分重要的戰略方向。
2材料3D打印技術產業的國際發展現狀及趨勢
2012年8月, 作為落實美國制造業創新網絡計劃的第一步, 美國政府高調宣布成立國家增材制造創新中心 (National Additive Manufacturing Innovation Institute, NAMII) , 并于一年后將該中心更名為“美國制造” (America Makes) , 體現美國政府強化“美國發明, 美國制造”的戰略構想。奧巴馬總統強調這個創新中心的成立是強化美國制造業的重要步驟。這一事件, 說明美國政府明確把3D打印技術作為引領制造業發展新方向的最先進的新技術之首。英國國家技術戰略委員會在“未來的高附加值制造技術展望”的報告中則把3D打印技術作為提升國家競爭力應對未來挑戰亟需發展的22項先進技術之一。法國快速原型制造協會 (Association Fran?aise de Prototypage Rapide, AFPR) 則致力于3D打印技術標準的研究和3D打印技術的應用。而德國于2008年就成立了以3D打印為主要技術對象的直接制造研究中心 (Direct Manufacturing Research Center, DMRC) , 西門子 (Siemens) 、空客 (Air Bus) 、波音 (Boeing) 公司等知名單位為該中心提供資助。澳大利亞和新西蘭等澳洲國家對增材制造也給予相當關注。2012年, 澳大利亞政府倡導成立“增材制造協同研究中心 (Advanced Manufacturing Cooperative Research Centre, AMCRC) ”, 促進以終端客戶驅動的協作研究。日本在前期就開始重視3D打印技術, 積極領導企業發展。從1988年到2011年, 日本的所有增材制造設備廠商共銷售了1825套設備。新加坡政府也投資4億美元建設3D打印研究設施?？梢钥吹? 世界科技強國和新興國家都將3D打印技術作為未來產業發展新的增長點加以培育和支持, 力爭搶占未來科技產業的制高點, 通過科技創新推動社會發展。
歐美等發達國家在積極發展3D打印裝備的同時, 將3D打印材料作為3D打印技術的必要組成部分而予以重點發展, 已經形成了涵蓋裝備、材料和工藝的完整產業鏈, 一批重點3D打印企業已經由單一的設備制造商過渡為綜合解決方案提供商, 為客戶提供從設計到終端零件制造的一體化解決方案, 并在陶瓷、金屬、復合材料以及生物材料方面進行研發和產業化工作。
2.1非金屬3D打印材料技術與產業
Stratasys和3D Systems作為兩家占據全球3D打印市值70%的上市公司, 涉及的3D打印非金屬材料產品多達上百種。其中, Stratasys公司研發了彩色打印技術及材料, 通過14種基本材料相互調配形成超過100種不同色彩的材料 (圖3) 。該公司新近研發的尼龍材料具有優異的抗折和耐沖擊性能, 能夠有效解決航空航天、汽車、家用電子領域經受強烈震動, 重復壓力以及頻繁使用的功能零部件 (圖4) 。
3D system公司除了擁有通用型的3D打印材料, 針對細分市場又針對性地研發了專用材料, 如牙模領域的耐高溫性樹脂材料 (圖5) 。
荷蘭皇家帝斯曼公司旗下的DSM公司擁有超過十種以上的3D打印光敏材料, 是一家專門生產3D打印材料的企業, 其研發的光敏樹脂材料在全球范圍的眾多領域得到了廣泛應用。
德國EOS公司研發了高性能材料的3D打印技術裝備及工藝, 以聚醚醚酮材料 (PEEK) 為代表, 使用這種材料制作的3D打印零件 (圖7) , 其抗拉強度達到95MPa, 楊氏模量達到4400MPa。作為動態機械元件, 其工作溫度高達180℃, 作為靜態機械元件, 其工作溫度高達240℃, 而作為電器元器件, 其工作溫度更是高達260℃。
英國布里斯托的西英格蘭大學的研究人員開發出了一種改進型的3D打印陶瓷技術 (圖8) , 可以在1200℃下對其進行燒制, 陶瓷對象可迅速完成上釉和裝飾。研究人員聲稱他們的材料會使3D打印陶瓷對象所需的時間、勞動力和能源減少超過30%。
采用碳纖維等高強纖維復合材料等3D打印新材料可使汽車車身減重40%, 德國寶馬電動汽車i3和其他車廠的碳纖維車身多是采用樹脂轉移模塑成形技術 (RTM) 。
生物材料是3D打印材料的一個新的發展方向。英國牛津大學的黑根·貝利教授利用3D打印機分層次噴出大量被脂類薄膜包裹的液滴, 這些液滴形成網狀結構, 構成特殊的新材料 (圖10) 。這樣打印出來的材料其質地與大腦和脂肪組織相似, 可做出類似肌肉樣活動的折疊動作, 且具備像神經元那樣工作的通信網絡結構, 可用于修復或增強衰竭的器官。
具有的形狀記憶功能的材料通過3D打印技術制造的零件, 能夠響應外部環境的變化, 直接呈現材料形態的變形自組裝 (圖11) 。
美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室和麻省理工學院利用面投影微立體光刻技術 (3D打印技術的一種方式) , 開發了一種超輕型新材料, 該種材料承重量可達到自身重量的16萬倍, 在重量和密度相當情況下, 剛度是氣凝膠材料的1萬倍。預計該種材料將對航空航天、汽車工業等所需采用輕型、高剛度、高強度材料的行業產生重大影響意義。
美國Coriolis復合材料公司和賽峰集團Aircelle公司利用3D打印技術, 采用自動鋪放工藝, 共同研制了碳纖維增強材料和自動鋪放工藝制造的推力反向器組件 (圖13) 。這種技術的主要優點是解決了大曲率制造難點和纖維鋪放角度偏差問題, 從而優化了復合材料結構的設計。全機身主要由復合材料制作的波音787飛機, 完成了大型民用飛機由傳統的鋁合金向碳纖維增強塑料復合材料 (CFRP) 的轉變。
2.2金屬3D打印材料技術與產業
與非金屬3D打印在材料技術還不成熟的初期發展階段將其應用目標聚焦于快速原型制造不同, 金屬3D打印的目標在一開始就聚焦于直接制造, 因而實現相當于傳統金屬材料成形技術能夠獲得的材料性能就是金屬3D打印一以貫之的目標。
目前, 金屬3D打印技術主要包含以激光立體成形 (Laser Solid Forming-LSF) 技術為代表的同步送粉 (送絲) 高能束 (激光、電子束、電弧等) 熔覆成形技術, 和以選區激光 (電子束) 熔化技術 (Selective Laser Melting-SLM) 為代表的粉末床成形技術兩個技術方向 (圖14) 。
在金屬3D打印制造過程中, 高能量密度的載能束在很短的時間內和很小的區域內與金屬材料發生交互作用, 材料表面局部區域的快速加熱和熔池周圍冷態的基材的強換熱作用, 導致激光熔池及其熱影響區通常具有極高的冷卻速率, 呈現典型的近快速凝固和固態相變特征。在這種條件下, 材料的凝固和固態相變將會顯著偏離平衡, 使得材料的固溶極限擴大, 晶內微觀亞結構顯著細化, 并可能出現新的亞穩相甚至非晶, 從而改善材料的物理, 化學和力學性能。同時, 基于同步材料送進的金屬3D打印技術還賦予了這項技術實現成分柔性化設計的技術可能性, 即通過實時控制送進材料 (可以是構成合金的各元素粉或中間合金粉) 的組成和組分, 實現同一構件上均勻材料或多材料的任意復合和梯度結構制造, 為實現高性能復雜結構金屬零件的材料設計-制備成形-組織性能一體化控制創造了重要的條件。
由于目前金屬3D打印技術的首要應用領域是航空航天工業, 因此, 對于現有材料的3D打印適應性研究主要針對的是航空航天材料, 如高性能鈦合金、高溫合金、超過強度鋼以及鋁合金。隨著3D打印技術向生物醫療、動力、能源等領域的推廣, 鈷合金、銅合金、復合材料、梯度材料、非晶合金的3 D打印也逐漸受到了研究者和3 D打印企業的重視?？傮w來說, 目前研究最為成熟的適用于3D打印的材料主要是Ti-6Al-4V合金、Inconel718和Inconel625合金, 并已制定了相關標準。如美國汽車工程師協會 (SAE) 在2002年即已針對Ti-6Al-4V合金激光3D打印制品的需求, 發布了AMS4999退火態Ti-6Al-4V合金激光沉積制造產品的航空航天材料規范, 并于2011年9月進行了對該規范進行了修訂, 并將規范的使用范圍擴展到了退火態Ti-6Al-4V合金直接沉積制造產品, 包括電子束3D打印技術和選區激光熔化技術生產的Ti-6Al-4V合金制品, 版本號升級為AMS4999A。從2011年開始, ASTM國際標準組織 (ASTM International, ASTM) 也先后發布了十項增材制造技術標準, 其中針對材料的主要有ASTM F2924-14 (采用粉末床選區熔化增材制造Ti-6Al-4V合金零件的標準規范) , ASTM F3001-14 (采用粉末床選區熔化增材制造Ti-6Al-4V ELI合金零件的標準規范) , ASTM F3056-14 (采用粉末床選區熔化增材制造UNS N06625鎳基合金零件的標準規范) , ASTM F3055-14 (采用粉末床選區熔化增材制造UNS N07718鎳基合金零件的標準規范) 等。盡管這些標準還非常粗糙, 如標準中的很多指標要求都是由供貨商和采購商 (supplier and purchaser) 協商, 但是, 這對于材料3D打印技術的發展和應用來說邁出了突破性的一步。除此之外, 一些設備制造產商, 主要是選區激光熔化設備的制造商, 如德國EOS公司, SLM Solution公司, Concept Laser公司等也發布了一些典型材料選區激光熔化制品的數據庫, 主要涉及Al Si7Mg、Al Si10Mg、Al Si12、6061等鋁合金, 316L, 17-4PH, 15-5PH, H13等結構鋼和工具鋼, Hastelloy X, Inconel939等高溫合金, Co Cr基醫用合金等。
表1給出了采用不同金屬3D打印方法所成形的Ti-6Al-4V (TC4) 合金的室溫力學性能?？梢钥吹? 采用這些方法所成形的試件的室溫靜載力學性能都與鍛件性能相當。其中EBF3, EBM和WAAM分別指電子束自由成形制造技術 (Electron Beam Freeform Fabrication, EBF3) , 電子束熔化成形技術 (Electron Beam Melting, EBM) 以及電弧增材制造 (Wire+Arc Additive Manufacture, WAAM) 技術。
美國軍方對金屬增材制造技術的發展給予了大力的關注和支持, 在其直接支持下, 美國率先將這一先進技術實用化。自1995年開始, 軍方先后實施了一系列專門研究計劃, 資助包括Sandia國家實驗室、約翰·霍普金斯大學、賓州大學、MTS公司等在內的數家研究機構開展金屬零件的激光立體成形研究。其中Aero Met公司和Optomec公司是專門從事該技術商用化研究的兩家美國公司。
美國Sandia國家實驗室發展了名為LENS的激光立體成形技術, 并針對鎳基高溫合金、不銹鋼、工具鋼、鈦合金、鎢等多種金屬材料進行了大量的激光立體成形零件制造研究, 所制造的金屬零件不僅形狀復雜, 而且其力學性能比采用鍛造技術制造的零件有全面、顯著的提高。1997年Sandia國家實驗室牽頭成立了一個LENS聯盟, 以促進這一先進技術的工業應用。Optomec Design公司是這個聯盟的主要成員之一, 通過和Sandia實驗室長達四年的合作, 該公司獲得了LENS技術的商用化許可。圖15是該公司研制的750型LENSTM裝備和應用該裝備成形的鈦合金葉片零件。LENSTM裝備具有熔池和沉積高度監測和閉環控制系統, 通過對成形過程中的熱效應和幾何效應進行補償, 以此提高零件的成形精度。其成形零件的表面粗糙度達到4.68mm~11.7mm, 但沉積速率較低, 一般僅為0.4~4.0 in3/h (5.125~51.25 cm3/h) 。
成立于1997年的Aero Met公司在短短幾年就使鈦合金 (Ti-6Al-4V) 激光立體成形技術達到了實用階段。該公司發展的LasformTM技術是基于賓州大學、約翰·霍普金斯大學和MTS公司共同進行的“鈦合金的柔性制造”研究。同時該公司受到軍方及包括波音、洛克西德·馬丁、格魯曼公司在內的美國三大軍機供應商的資助。其努力的方向是實現高性能大體積鈦合金零件的制造, 尤其是大型整體帶筋加強結構鈦合金零件的快速成形。為了實現這一目標, 該公司采用三臺功率達14k W、18k W和30k W的CO2激光器為光源, 以提高金屬粉末的激光沉積速率, 惰性氣氛加工室的最大尺寸達到12ft'12ft'4ft。Aero Met公司激光立體成形Ti-6Al-4V的沉積速率達到2~15 pounds/h (0.9~6.8 Kg/h) 。
Aero Met公司生產的三個Ti-6Al-4V激光立體成形零件已經于2000年獲準在實際飛機上使用。這三個零件分別是F-22上的一個接頭件、F/Al8-E/F的機翼翼根吊環以及F/A-l8E/F上的一個用于降落的連接桿。其中, F/A-l8E/F的翼根吊環屬于飛機結構關鍵零件, 其長度大約900mm, 寬300mm, 高150mm, 是在美國海軍研究部 (the Office of Naval Research) 的資助下由Aero Met公司為波音飛機公司制造的。據報道, F-22上的兩個全尺寸接頭滿足疲勞壽命譜的兩倍要求, F/A-l8E/F的翼根吊環滿足疲勞壽命4倍要求, 隨后靜力加載到225%也不破壞, 而降落用的連接桿滿足飛行試驗要求, 壽命超出要求30%。2002年10月該公司獲得美國國防部后勤局 (U.S.Defense Logistics Agency) 0.194億美元的資助, 其目的是加速該公司由單純的技術研究開發到成為軍用及民用飛機上通過認證的、性能可靠的激光立體成形鈦合金結構件供應商的轉變。通過兩年的研究, 該公司于2004年通過了這項認證。正當波音公司準備大規模應用LasformTM技術的時候, 美國的航空鍛造技術獲得了重要進展, 可以比LasformTM技術更為高效和經濟地生產飛機大型鈦合金結構件。LasformTM技術的應用暫時擱置, Aero Met公司也于2005年關閉, 相關技術轉讓給另一家公司進行進一步的研究。
Sciaky公司則主要在洛克希德-馬丁公司和美國宇航局的支持下, 發展更為經濟和高效的電子束送絲增材制造技術 (Electron Beam Freeform Fabrication, EBF3) 。從1999年開始, Sciaky公司對鈦合金EBF3成形技術進行了系統深入的研究, 包括絲材化學成分控制、基礎工藝參數、成形的閉環控制、材料質量控制、設計裕度、應力變形控制和質量檢測方法等。到2014年, Sciaky公司完成了以F-35飛機的副翼翼梁為典型件的EBF3技術示范性研究 (圖16) 。相對現有制造技術, 成本降低一半, 交貨期提前80%。該技術將以項目驅動的方式完成認證, 最終批量應用的挑戰主要在質量檢測方面。預期F-35飛機將有900個零件采用增材制造技術進行制造。Sciaky公司還應用EBF3技術為美國宇航局制造了直徑7英尺、沉積金屬重量1600磅的火箭前艙蓋 (圖17) 。
美國宇航局下屬的多個機構也廣泛地應用SLM技術制造空間飛行應用金屬零件。2013年, 格林研究中心 (GRC) 和Aerojet Rocketdyne公司合作研制了龍飛船的火箭噴射器, 整個系統只有三個增材制造的零件。2014年, 馬歇爾空間飛行中心 (MSFC) 則對兩個復雜的3D打印火箭噴射器、熱氣和低溫流體閥進行了測試。格林研究中心 (GRC) , 蘭立研究中心 (La RC) , 和馬歇爾空間飛行中心 (MSFC) 聯合研制了增材制造的鎳-硅-青銅合金燃燒室和銅燃燒室+銅/鎳梯度結構護套與多歧管, 并進行了高溫火焰測試 (圖18) 。
馬歇爾空間飛行中心 (MSFC) 對SLM技術的空間應用進行了深入研究, 圖19是其SLM成形制造的火箭推進器零件。其研究結論是:SLM技術實現了高價值復雜結構推進器零件的快速制造;SLM技術增大了設計自由度, 可制造更復雜的幾何結構;設計者可探索輕量化結構、多功能集成和適應特定用途和環境的定制化;SLM技術可減少零件數量、焊縫和機械加工量, 從而節約資金和時間。表2給出了圖19中所列零件采用SLM增材制造技術與傳統制造技術的技術經濟性比較。
美國GE公司以很大的力度推進3D打印技術在航空發動機制造上的應用, 他們認為航空發動機的所有部件中都有適合于3D打印的零件 (圖20) 。其正在研制中的最先進的LEAP發動機的燃油噴嘴已進入批量3D打印生產, 單這一個零件的生產數量就將超過10萬件, GE為此建了一個工廠專門進行燃油噴嘴的3D打印生產 (圖21) 。GE在3D打印發展上的重大事件是在2013年收購了Morris公司和AVIO公司。Morris公司擁有超過20臺最先進的德國EOS公司的SLM設備, 其SLM工藝技術世界領先。AVIO公司具有很強的電子束粉末床增材制造能力, 這種技術特別適合于制造室溫脆性的金屬零件。圖22是AVIO公司用電子束粉末床增材制造的Ti Al合金航空發動機葉片。
發達國家的政府和企業界普遍認識到, 3D打印不是傳統技術的一個替代或補充, 它最重要的作用是推動產品結構革命性創新設計。圖23是空客公司依托3D打印對A380和A320飛機艙門鉸鏈進行創新設計的范例。傳統設計零件局部最大應力已接近材料的極限強度, 采用拓撲優化設計方法進行均勻應力設計之后, 最大應力減小了一半, 相應的3D打印零件只有傳統技術制造的零件重量的40%。
在采用3D打印技術進行新材料研發方面, 目前的工作主要來自高校。英國利物浦工程學院激光組的Takeda和Steen等人分別使用混合元素法研究了激光熔覆Fe-Cr-Ni和激光表面處理FeCo-Al系合金, 并建立了Fe-Co-Al系合金硬度及磨損抗力隨成分變化的關系圖。美國俄亥俄州立大學的Fraser等人采用混合元素法激光3D打印技術, 針對目前在醫用植入體領域具有重要應用前景的新型b型Ti-Nb-Zr-Ta系鈦合金的成分-組織-性能的關系展開研究。通過考察激光立體成形Ti-20Nb-x Ta (0<x<10) 和Ti-x Nb-10Zr-5Ta (20<x<35) 兩類成分梯度鈦合金在不同熱處理制度下的組織, 顯微硬度H和彈性模量E值, 分析了不同元素含量以及熱處理制度對醫用鈦合金的組織和力學性能的影響, 建立了成分、微觀組織以及力學性能對應關系的數據庫。在該數據庫的基礎上, 一方面可以通過訓練和測試模糊控制模型實現對相關不同成分鈦合金力學性能的預測, 反過來通過該預測也可以反饋優化合金成分及組織。圖2為部分實驗及模型預測結果的對比, 二者吻合較好。這種分析建模的方法對于研究新型合金非常有效。
將材料與設備捆綁銷售是國外3D打印設備廠商的一個重要銷售策略。德國EOS公司是全世界制造和銷售SLM設備最多的廠商, 總計向全世界的客戶銷售了600多臺SLM設備, 遠遠超過了其他所有廠商SLM設備銷售量的總和。只有在從EOS公司購買合金粉末的情況下, EOS公司才保證其設備可以生產出合格的金屬零件。
3材料3D打印技術產業的國內發展現狀及趨勢
3 D打印技術自1988年誕生后, 我國自上世紀90年代初開始迅速投入了這一科學技術前沿的研究。在3D打印技術研發的過程中, 以大學和研究所為主的一批科研單位也開展了3D打印材料的研究工作, 研發出了一批專用3D打印材料。近年來, 隨著3D打印技術的迅速升溫, 一些企業也參與了對3D打印材料的研發工作。
3.1 非金屬3D打印材料技術與產業
我國最早開展非金屬3D打印研究的是華中科技大學、清華大學和西安交通大學, 最早的專業3D打印企業是北京隆源公司。
陜西恒通智能機器有限公司依托西安交通大學, 形成了9種型號的光敏樹脂3D打印材料 (圖25) , 并配合其研發的SPS系列光固化3D打印裝備進行產業化工作, 在各地建設了地區服務中心、地區示范點、地區推廣基地, 目前已在寧波、慈溪、河南、蘇州、青島、河北、廣東等地成功建立了示范中心, 向行業企業進行工程化技術服務。
(a) 合金硬度的預測值與實驗值對比; (b) 彈性模量的的預測值與實驗值對比; (c) 模型預測的硬度與?相體積分數的關系; (d) 彈模型預測的性模量與?相體積分數的關系; (e) 模型預測的硬度與Nb含量的關系; (f) 彈性模量與Nb含量的關系
珠海正邦科技有限公司利用其在UV膠方面的研發優勢, 成功進行3D打印光敏樹脂材料的研發工作, 也是國內為數不多的專門從事3D打印材料生產廠商之一。國內的一些企業及高校也進行小批量的生產及研究, 包括武漢紡織大學、華中科技大學、珠海西通電子、桑D科技等。
北京的太爾時代、閃鑄科技、珠海西通電子等桌面式3D打印廠商配合其設備的銷售, 進行了塑料絲材與設備適配性研究工作。圖26為使用塑料絲材打印出來的零件。
在高分子粉末材料方面, 湖南華曙高科有限責任公司、華中科技大學及北京隆源自動成形有限公司進行了尼龍粉末、覆膜砂 (如圖27所示) 材料的產業化開發, 并已在汽車缸體, 缸蓋等復雜零件的鑄造方面進行了成功應用。同時, 進行了玻璃微珠/尼龍粉末復合材料、碳纖維/尼龍粉末材料的尼龍復合材料研發工作, 形成了一批材料型號, 但是, 目前產業發展的方式還是以配合設備銷售為主。
西安交通大學進行了3D陶瓷材料的研究工作, 如陶瓷瓷漿的擠出成型、陶瓷漿料的光固化成型及陶瓷粉末粘結成型, 并使用3D打印技術成功進行了陶瓷零件的制備, 如圖28所示。
3D打印材料按形態可分為片、絲、漿、粉四類, 華中科技大學材料科學與工程學院史玉升團隊在這四個方面均做了一定的研究工作, 有些材料已產業化。
片材主要用于分層實體制造技術 (Laminated Object Manufacturing, LOM) 。該技術是以薄片材料作為原料, 激光或者刀片在計算機的控制下將薄片材料一次切成零件的各層形狀并疊加起來成為實體件, 層與層之間的粘接靠加熱和加壓來實現。片材的材料可以是:紙、陶瓷、塑料、金屬和復合材料。圖29是史玉升團隊研發的紙片材及其3D打印裝備與制件。
絲材主要有塑料、金屬、陶瓷等。其中塑料絲主要用于熔融沉積制造 (FDM-Fused Deposition Modeling Technology) 3D打印技術, 它利用噴頭將ABS、PC等熱塑性塑料絲材加熱至熔融態, 并在控制系統的控制下, 按一定掃描路徑逐層自粘結成形, 然后逐層成形得到所需零件。熔融沉積制造3D打印技術一般采用低熔點的絲狀材料, 如蠟絲或ABS塑料絲, 他們不用高能量的激光作為熱源, 只需在噴頭內以電加熱的方式即可將絲材加熱到熔融狀態。然后在計算機的控制下, 噴頭底部的噴嘴將熔融的材料以一定的壓力擠出。史玉升團隊在塑料和金屬絲材方面已有商品化產品。
漿材主要用于光固化成形 (Stereo-Lithography Apparatus, SLA) 3D打印技術。史玉升團隊研發了系列光固化材料及其3D打印裝備并商品化, 其應用實例見圖30。
在粉材方面, 史玉升團隊主要研發用于激光選區燒結3D打印的粉末, 其高分子、陶瓷、砂及其復合粉末已商品化, 模具鋼等金屬粉末正在和武鋼聯合研發并產業化。
3.2 金屬3D打印材料技術與產業
西北工業大學于1995年在國內首先提出激光立體成形的技術構思, 致力于把增材成形原理與送粉式激光熔覆相結合, 形成一種可以獲得具有鍛件力學性能的復雜結構金屬零件的快速自由成形技術。1997年, “金屬粉材激光立體成形的熔凝組織與性能研究”獲得航空科學基金重點項目資助, 是中國金屬增材制造第一個正式立項的科研項目。2001年, “多材料任意復合梯度結構材料及其近終成形”項目獲得國家863計劃資助, 其成果于2005年應用于我國研制的首臺推重比10航空發動機軸承后機匣制造 (圖31) , 為該發動機按時裝機試車做出了關鍵貢獻。該零件下部為In961合金鑄件, 上部為GH4169鎳基高溫合金激光立體成形件, 是以鑄件為基材, 異種材質增材制造的首個應用案例。
西北工業大學也是首先實現激光立體成形裝備商業化銷售的單位, 圖32是2006年銷售給航天306所的LSF-III型激光成形裝備及其工作照片。
2011年7月, 依托西北工業大學增材制造技術成立了西安鉑力特激光成形技術有限公司, 該公司完成的首個重要科研任務, 是為中國商飛激光增材制造大型鈦合金機翼梁 (圖33) 。經過中國商飛進行的材料性能測試、結構性能測試、零件取樣性能測試和大部件破壞性測試所有環節的力學性能測試, 完全滿足設計要求, 包括疲勞性能在內的綜合性能優于鍛件, 強度一致性優于2%, 遠遠高于商飛5%的指標要求。鉑力特公司于2012年開始發展SLM技術與設備, 迅速在航空航天工業中獲得廣泛應用, 圖34是鉑力特公司SLM成形件和在2014年珠海航展上推出的首款SLM裝備。圖35是鉑力特公司的SLM成形件。到2014年底, 成立僅3年半的鉑力特公司已經銷售收入過億元。
北京航空航天大學是另一所在金屬增材制造上具有重大國際影響的中國大學, 重點研究飛機大型鈦合金、超高強度鋼結構件的送粉式激光3D打印技術, 為我國軍用飛機大型鈦合金結構件的激光增材制造做了大量研發工作, 并已經在多個型號中獲得應用 (圖36) , 其“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”獲得2012年度國家技術發明一等獎。
北京航空工藝研究所參與了西北工業大學1997年的金屬增材制造航空科學基金重點項目, 也是國內最早一批開展金屬增材制造研究的單位。其優勢技術是大功率電子束絲材增材制造技術, 即美國Sciaky公司的EBF3技術。該所近年也開展了激光SLM成形技術研究。
我國最早開展激光SLM技術研究的單位有華南理工大學和華中科技大學, 兩所大學都自行研發了SLM裝備。華南理工大學楊永強團隊專注于SLM技術的醫學植入體應用, 華中科技大學曾曉雁團隊則首先開拓了SLM技術的航天應用。
西北有色金屬研究院是我國電子束粉末床增材成形技術研究的主要單位, 擁有兩臺先進的Arcam公司電子束粉末床增材成形設備。該院也開展了3D打印金屬粉末制備研究。
表3分別給出了LSF制造典型鈦合金、鎳基高溫合金及鋼的室溫拉伸力學性能。其中Ti-6Al-4V (TC4) 鈦合金、Inconel718鎳基高溫合金以及316L不銹鋼, 作為目前應用最為廣泛的金屬合金, 研究相比其他合金更為成熟, 無論是拉伸強度、屈服強度還是延伸率, 普遍滿足鍛件標準。尤其是對于a鈦合金 (如TA15) 和a+b鈦合金 (如Ti-6Al-4V) , 由于b?a相變的體積變化效應小, 相變應力值低, 且因體心立方b相自擴散系數高, b?a相變迅速, 使得在恰當的工藝條件下, 可利用往復熔覆沉積對已熔覆沉積層進行充分的退火和回火熱處理, 實現成形和熱處理一體化, 使得這些鈦合金在沉積態的情況下也可以滿足鍛件指標。而對于鎳基高溫合金和一些高強鋼來說, 由于合金化程度較高, 凝固過程中容易在枝晶間產生有害的低熔元素、化合物相或共晶偏析, 同時在激光往復熔覆沉積的快速加熱和冷卻導致的應力作用下, 若工藝控制不當, 極易產生熱裂等冶金缺陷, 導致力學性能的降低。如對于Rene88DT粉末冶金高溫合金, 盡管其LSF構件的室溫力學性能已經十分接近粉末冶金 (加熱等靜壓) 的技術標準, 但仍然存在一定差距, 而對于300M超高強度鋼, 盡管拉伸強度和屈服強度已基本滿足鍛件標準, 但延伸率相比鍛件還有一定差距。
表4給出了SLM成形的Ti-6Al-4V鈦合金和Inconel718鎳基高溫合金的室溫拉伸力學性能。與LSF構件相似, SLM成形的Ti-6Al-4V鈦合金和Inconel718鎳基高溫合金的拉伸強度、屈服強度和延伸率同樣滿足鍛件標準。另外, 由于SLM成形過程中熔池的冷卻速率要高于LSF過程, 同時沉積態的晶粒尺寸要小于LSF構件的晶粒尺寸, 這使得沉積態SLM成形件的拉伸強度、屈服強度要高于沉積態LSF構件, 但是, 經過熱處理后, SLM成形件和LSF構件的力學性能基本相當。需要指出的是, 由于SLM成形件難以完全消除孔洞, 使得SLM成形件的延伸率要比LSF構件稍低, 這也將導致SLM成形件的疲勞性能要明顯低于LSF構件及鍛件。而通常材料的靜載拉伸強度對微小缺陷不敏感, 因此, SLM成形件中的微小孔洞并未對SLM成形件的靜載拉伸強度產生明顯影響。
在新型合金研發方面, 西北工業大學圍繞最廣泛應用的Ti-6Al-4V及其所屬合金系Ti-Al-V系合金, 結合激光立體成形Ti-x Al-y V合金硬度測試、神經網絡模型預測以及典型成分合金室溫拉伸性能測試, 獲得Ti-x Al-y V合金成分-硬度-強度的關系, 實現激光立體成形Ti-x Al-y V (x≤10, y≤25) 合金的強度預測, 并開發了一種綜合力學性能與Ti-6Al-4V合金鍛件相當的新型激光3D打印專用鈦合金TX。表5給出了LSF制備成形TX合金試件的力學性能?？梢钥吹? TX合金的力學性能在沉積態下與Ti-6Al-4V (TC4) 合金的鍛件性能具有良好的匹配。目前, 西北工業大學還正在利用激光3D打印技術進一步開發綜合力學性能與TC4和TA15合金鍛件相當的新型激光3D打印專用鈦合金, 以及與Inconel718 (GH4169) 合金鍛件、Rene88DT粉末冶金件力學性能相當的新型激光3D打印專用鎳基高溫合金。
4發展我國材料3D打印技術產業的主要任務及存在的主要問題
上世紀90年代初, 我國以大學和研究所為主的一批科研單位開展了3D打印技術及材料的研發工作, 主要以光敏樹脂材料、高分子粉體材料、金屬材料為主。與發達國家相比還有一定差距, 主要體現在以下兩個方面:
1) 材料的基礎研究薄弱, 材料的性能、種類無法滿足需求
非金屬3D打印材料有別于傳統工業所用材料, 其對于材料的形態、性能都有嚴格的要求。隨著3D打印技術應用領域的不斷擴大, 對于3D打印材料的性能和普適性提出了更高的要求。目前, 對于3D打印用非金屬材料主要為光敏樹脂材料、高分子粉體材料、陶瓷材料、塑料絲材等幾類產品, 對于這些材料的制備技術、基礎理論及成形微觀機理研究還沒有廣泛開展, 制備材料的性能無法滿足實際應用需求, 不得不從國外采購, 而這進一步限制了3D打印材料產業化的發展。
金屬3D打印材料方面, 全世界目前都是采用現有的合金牌號體系。雖然原則上所有具有可焊性的金屬材料都適合3D打印, 但進行過系統深入的工藝研究的材料種類卻十分有限, 導致可以進行3D打印工業應用的合金非常少, 這是限制金屬3D打印廣泛工業應用的瓶頸之一。要真正發揮金屬增材制造的優勢, 非常有必要開發金屬增材制造專用合金, 這方面還只有極少的探索性研究。
2) 材料的成本較高, 產業化處于起步階段
與傳統材料產業相比, 3D打印材料產業規模較小, 且具有一定特殊性, 難以實現規?；a。同時, 受到材料研發周期長、材料配方技術難度大等問題影響, 造成3D打印原材料成本居高不下。以光敏樹脂材料為例, 目前打印零件的價格仍然以克為單位, 尼龍等粉末高分子材料的價格也從每公斤幾百元到幾千元不等。因此, 國內專業從事3D打印材料的企業為數不多, 大多數由設備制造商直接提供。送粉式增材制造所需的金屬粗粉國內已可提供, 但成分的批次穩定性還需要提高。SLM技術所需的金屬細粉目前還依賴進口。
發展我國材料3D打印技術產業的主要任務有:
1) 加強3D打印材料的基礎研究, 包括3D打印材料的成分設計和形態設計, 3D打印材料的工藝特性, 材料與載能束的作用規律, 3D打印件的材料組織形成規律與控制方法等。
2) 開發系列化的3D打印專用材料, 包括各種非金屬材料和金屬合金牌號系列, 并形成產業化生產能力。
3) 建立完善的3D打印零件的材料缺陷檢測方法與質量控制標準。
5推動我國材料3D打印技術產業發展的對策和建議
世界3D打印技術發展的最先進國家當推美國和德國:美國領先3D打印的原始創新和產業發展, 占據國際3D打印產業市場的三分之二;德國領先3D打印的技術發展, 在主要的3D打印技術與裝備水平上全球領先。推動我國材料3D打印技術產業發展應該認真地研究和借鑒美國和德國的成功經驗。
美國在3D打印原始創新和產業化發展上的優勢, 主要得益于科技界和產業界強烈的創新意識和強大的商業運作能力。GE在全球首先建設專業化工廠, 大批量3D打印生產航空發動機零件, 并以此顯著提升了其正在研制的最先進航空發動機的性能。美國宇航局已經制訂了直到2040年的空間3D打印技術發展的詳細計劃。全球3家主要的3D打印上市公司都在美國, 其中前兩位 (3D System和Stratasys公司) 都是經過了約50次商業并購后形成目前的約50億美元市值規模的全球最大3D打印龍頭公司。但美國人仍然認識到他們的產業技術創新體系不如德國, 他們缺少像德國弗勞恩霍夫研究院那樣一個科技、產業和教育密切協同的創新體系。美國人的創新意識和創新能力非常突出, 但有很多的發明創造在其他國家實現了產業化。美國于2012年8月建立了“國家增材制造創新中心”, 并于2013年8 月更名為“America Makes” (美國制造) , 體現其主要宗旨是實現“美國發明、美國制造”。美國“國家增材制造創新中心”是一個針對產業應用的3D打印共性技術發展與轉化的國家平臺。美國3D打印領域的科技、教育、產業和社會團體的主要力量都匯集到了“國家增材制造創新中心”中, 形成了一股強大的合力, 為3D打印技術發展和產業化應用, 包括人力培訓和教育搭建了一個高水平的國家平臺?？梢灶A計, 吸收了德國技術創新體系后的美國, 其強大的基礎研究和創新能力將更加有效地支撐3D打印產業發展。
德國弗勞恩霍夫研究院是一個面向應用技術研究的國家研究院, 其經費來源由國家、工業部門和其他方面各三分之一構成。一個弗勞恩霍夫研究所的國家撥款的多少, 直接由其從工業界得到研究經費的數量決定。德國領先于全球的金屬3D打印工藝與裝備技術, 主要就是由位于亞琛的弗勞恩霍夫激光研究所研發的。但德國弗勞恩霍夫研究院不能直接將其研發的技術進行商業化應用, 而是必須通過德國公司來商業化應用。其從產業轉化所得收入再用于新技術研發。弗勞恩霍夫研究院的骨干研究人員, 大多也同時是大學教授, 他們的很多研究生就從事研究所的課題研究。這就使弗勞恩霍夫研究所不但可以從大學的基礎研究中吸收營養, 同時也為企業培養了熟悉市場需求、具有技術開發能力的人才。這種科技教育與產業有效協同的技術創新體系, 與嚴謹扎實的德國精神相結合, 是德國技術領先的根本原因。然而, 德國在基礎研究和商業運作方面比美國有明顯差距, 這是德國在原始創新和產業化發展方面落后于美國的主要原因。
中國發展3D打印技術的起步時間比歐美僅晚3~5年, 如果僅就個別研究單位之間進行比較, 中國幾個持續二十年3D打印研究的團隊并不比國際上任何單位的水平更差, 更適當的評價是各有千秋。但從國家整體比較, 我們的原始創新不多, 技術鏈不夠完整, 產業發展 (包括3D打印技術本身及工業應用兩方面的產業) 與美國和德國相比就差距顯著了。產生這種差距的主要原因, 是我們還沒有形成像美國和德國那樣有效的技術創新體系。目前很多地方政府都很熱衷于支持3D打印, 工業界和社會各個方面也都對3D打印充滿熱情。然而, 我們各方面的熱情大多處于跟風的膚淺層面和想在熱點領域快出亮點的慣性思維。在這種情況下很多地方盲目快上3D打印, 可能又會重蹈光伏和風能發展的覆轍。因此, 盡快形成一個像美國和德國那樣有效的國家技術創新體系, 是我國3D打印技術與產業健康發展并盡快趕超美國和德國的關鍵。
中國的3D打印國家技術創新體系, 應是一個3D打印的產業、科研與教育三個方面協同發展的系統工程, 它包括以下六個層次:
1) 工業部門提出明確的應用需求并成為技術研發投入的主體。這要求工業界對3D打印的技術特性有準確清晰的認識, 最要緊的是認識到3D打印不是傳統制造技術的替代或補充, 而是開啟產品創新設計和功能提升的全新途徑。國外的許多大企業都已形成自己詳細的3D打印技術與應用發展規劃, 如GE、波音、洛克希德-馬丁、空客、美國宇航局等, 而國內企業大多還處在個案應用探索階段。
2) 大規模的3D打印技術產業及所屬的企業技術研究機構。競爭性的應用技術應該主要由企業自身發展, 3D打印的高新技術特性要求3D打印企業把技術研發放在十分重要的位置。美國3D System公司在18年的時間里累計投入了1.8億美元的自有資金進行3D打印的材料和技術開發, 平均每年1千萬美元的研究經費。沒有這樣的投入就不可能有領先的技術。
3) 面向產業共性技術研究、標準制定和人才培養的“國家增材制造協同創新中心”。美國和德國這樣的機構都是由政府、企業和社會組織共同資助的, 研究成果由所有參與單位共享。這個機構也應負責國家3D打印技術和產業發展的頂層設計。
4) 支撐產業應用技術的基礎研究和高層次人才培養的研究型大學科教系統, 以及以職業教育為主的普通高校和?？茖W校的工程師、技術人員培養體系。3D打印是一個必將在全社會普及和長遠應用的基礎技術, 在大學和高等?？茖W校建設相關的新學科和實驗室是迫在眉睫的任務。
5) 面向中小學和普通高校的基礎教育和創新意識培養體系。3D打印是創新意識和能力培養的絕佳技術手段, 在青少年的基礎教育中普及3D打印是為建設創新型國家培養大批創新型人才的重要途徑。
6) 發展3D打印產業所需的創新生態環境建設, 包括創新要素的集成、創新的法制環境和文化環境建設。這是政府責無旁貸的任務。
3d打印技術研究現狀范文第6篇
1 金屬零件3D打印技術的發展
1.1 激光工程化凈成形技術
激光工程化凈成形技術簡稱“LENS技術”, 是一種成形較快的技術手段, 可以直接制造形狀結構復雜的零件。它的主要構成系統包括三大部分, 即送粉器、送粉頭和保護氣路。要想提高金屬粉末的流動速度, 送粉器的高度必須要超過2 m, 并將粉末分割器分成4 份。此外, 還要通過軟管將金屬粉末流入粉末分割器, 以免出現氧化現象。
1.2 激光選區熔化技術
激光選區熔化技術簡稱“SLM技術”, 是金屬3D打印技術中最重要的一部分, 于1986 年被美國德克薩斯大學奧斯汀分校申請了專利權。它的技術原理是運用計算機中的軟件進行設計, 然后切片分層, 得到截面數據。其發展經歷了從低熔點非金屬粉末燒結到高熔點粉末直接熔化成形的過程。但在實際使用中, 要注意激光束在實施掃描之前, 必須做好粉末平推工作, 經過層層加工后, 方可進入下一道工序, 以防金屬在高溫下發生反應。
1.3 電子束選區熔化技術
電子束選區熔化技術簡稱“EBSM技術”, 是金屬零件3D打印技術中與激光凈成形制造技術最為類似的手段, 其加工熱源是高能電子束, 通過操縱磁偏轉線圈進行掃描。該技術最大的優點是在真空環境下作業, 能夠避免在液相燒結或熔化過程中產生的金屬粉末出現氧化現象?；谠摷夹g的這一優勢, 我國清華大學開發出了電子束快速制造系統。
2 金屬零件3D打印技術的應用研究
通過上述內容, 我們已經對金屬零件3D打印技術有了一個全面的了解, 但要想將這些技術的優勢和功能發揮到最大, 就必須做好實踐應用, 將它們與實際相結合。
2.1 LENS技術的應用研究
目前, 快速原型技術已經逐步趨于成熟, 發達國家也將激光工程化凈成形技術作為研究的重點, 并取得了一些實質性成果。在實際應用中, 可以利用該技術制作出功能復合型材料, 可以修復高附加值的鈦合金葉片, 也可以運用到直升機、客機、導彈的制作中。另外, 還能將該技術運用于生物植入領域, 采用與人體具有相容性的Ni、Ti材質制備植入體, 有效提升了空隙率, 延長了植入體的使用時長。
2.2 SLM技術的應用研究
廣泛應用激光選區熔化技術的代表國家有德國、美國等。他們都開發出了不同的制造機型, 甚至可以根據實際情況專門打造零件, 滿足個性化的需要。利用EOSING M270 設備成形的金屬零件尺寸較小, 將其應用到牙橋、牙冠的批量生產中既不會影響人們對其的使用, 也不會產生不適感, 且它的致密度接近100%, 精細度較好。與此同時, 利用SLM技術生產出的鈦合金零件還能夠運用到醫學植入體中, 促進了醫學工作的發展。
2.3 EBSM技術的應用研究
瑞典Arcam公司制造生產的S12 設備是電子束選區熔化技術在實際應用中的最好實例。該公司在2003 年就開始研究該項技術, 并與多種領域結合探究。目前, EBSM技術在生物醫學中得到了大量應用, 相關單位正積極研究它在航空航天領域中的應用, 美國在空間飛行器方面的研究重點是飛行器和火箭發動機的結構制造以及月球或空間站環境下的金屬直接成形制造。
2.4 華南理工大學的實際研究情況
華南理工大學對相關設備的研究情況如表1 所示。
3 結束語
與國外發達國家相比, 我國的金屬零件3D打印技術還比較落后, 主要體現為起步較晚, 技術水平不高。面對科學技術的不斷創新和制造業對技術研發的新要求, 加大對金屬零件3D打印技術的研究力度顯得尤為重要。對此。我國相關技術單位必須做好研究工作, 組織各學科、各行業開展技術研發工作, 并將激光工程化凈成形技術、激光選區熔化技術和電子束選區熔化技術切實應用到實際中, 促進我國制造業的快速發展。
摘要：目前, 將快速成型技術與制造業中的金屬構件相結合是制造業新的發展方向。結合我國金屬零件3D打印技術的應用實際, 闡述了它的發展演變過程, 并對其應用作了研究, 以最大限度地發揮其功效。
關鍵詞：金屬零件,3D打印技術,加工熱源,技術創新
參考文獻
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