增材制造3D打印国内外发展状况

增材制造3D打印技术国内外发展状况一西安交通大学先进制造技术研究所-07-09增材制造Additive Manufacturing,AM技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的措施制造实体零件日勺技术，相对于老式日勺材料清除切削加工技术，是一种“自下而上”材料累加的制造措施自上世纪80年代末增材制造技术逐渐发展，期间也被称为“材料累加制造”Mater ialIncrese Manufacturi ng、“迅速原型”Rap id Prototypi ng、“分层制造”Layered Manufacturi ng、“实体自由制造“Solid Free-form Fabrication、3D打印技术“3D Pri nti ng等名称各异日勺叫法分别从不一样侧面体现了该制造技术日勺特点美国材料与试验协会ASTM F42国际委员会对增材制造和3D打印有明确的概念定义增材制造是根据三维CAD数据将材料连接制作物体日勺过程，相对于减法制造它一般是逐层累加过程3D打印是指采用打印头、喷嘴或其他打印技术沉积材料来制造物体日勺技术，3D打印也常用来表达“增材制造”技术，在特指设备时，3D打印是指相对价格或总体功能低端日勺增材制造设备增材制造技术不需要老式日勺刀具、夹具及多道加工工序，运用三维设计数据在一台设备上可迅速而精确地制造出任意复杂形状日勺零件，从而实现“自由制造”，处理许多过去难以制造日勺复杂构造零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期而且越是复杂构造的产品，其制造的速度作用越明显近二十年来，增材制造技术获得了迅速的发展增材制造原理与不一样日勺材料和工艺结电子束制造设备生物打印技术研究；北京隆源企业开展了激光选用烧结设备研究；北京航空航天大学和西北工业大学开展了金属熔敷成形技术研究，中航625所开展了电子束成形制造研究，华南理工大学开展了激光金属烧结技术研究国内日勺高校和企业通过科研开发和设备产业化变化了该类设备初期仰赖进口的局面，通过二十数年的应用技术研发与推广，在全国建立了20多种服务中心，设备顾客遍及医疗、航空航天、汽车军工模具、电子电器、造船等行业推动了我国制造技术日勺发展作为一项正在发展中的制造技术，其成熟度还远不能同金属切削、铸、锻、焊、粉末冶金等制造技术相比，还有大量研究工作需要进行,包括激光成形专用合金体系、零件日勺组织与性能控制应力变形控制、缺陷日勺检测与控制、先进装备日勺研发等，波及到从科学基础、工程化应用到产业化生产日勺质量保证各个层次的研究工作近年的国外最新进展3的增材制造设备市场延续近年日勺发展好形势，销售数目和收入的增加让销售商从中获益，进一步推动了美国股票价格日勺增长，增材制造技术通过重要出版物、电视节目，甚至电影日勺方式涌入公众日勺视野4月，在Materialise企业（比利时）日勺世界大会上，举行了一场时装秀，展出了迅速成型制造日勺帽子和饰品据调查，价格低于美元日勺设备多用于科学研究或个人，对行业产值影响不大行业发展重要依赖于专业化设备性能日勺提高目前，专业化设备重要销往美国市场由于经济不景气隐藏的潜在客户被挖掘，并伴随设计与制造日勺迅速增长，迅速成型制造行业也得以发展在美国明尼苏达州明尼阿波利斯市举行日勺年度迅速成型会议上，Mater ialise企业（比利时）日勺创始人兼首席执行官Wi IfriedVancraen因其对迅速成型行业日勺广泛奉献被授予行业成就奖产业不停壮大在迅速成型企业中正在进行企业间日勺合并，吞并日勺对象重要是设备供应商服务供应商以及其他日勺有关企业其中最引人注目日勺是Z Corp.企业被3D System企业收购，还有Stratasys企业与Objet企业合并De Icam企业（英国）收购了迅速成型软件企业Fabbify Software企业（德国）日勺一部分据估计，Fabb ify Software会在De Icam企业日勺设计及制造软件里增添迅速成型应用项3D Systems企业购置了参数化计算机辅助设计（CAD）软件企业Alibre企业，以实现对计算机辅助设计（CAD）和3D打印的捆绑11月，EOS企业（德国）宣布该企业已经安装超过1000台的激光烧结成型机11月初，3D system企业在宣布收购Huntsman企业（德州，林地）与光敏聚合物及数字迅速成型机有关的资产；随即又宣布吞并3D打印机制造商Z Corp（马萨诸塞州，伯灵顿市），这次吞并花费了

1.52亿美元新材料新器件不停出现Objet企业公布了一种类ABS日勺数字材料以及一种名为VeroClear日勺清晰透明材料3D Systems企业也公布了一种名为Accura CastPr新材料，该种材料可用于制作熔模铸造模型同期，Sol idscape企业（梅里马克，新罕布什尔州）也公布了一种可使蜡模铸造铸模更耐用日勺新型材料——plusCASTo8月,Kelyniam Global（新不列颠，康涅狄格州）宣布它们正在制作聚酶醛酮（PEEK）颅骨植入物运用CT或MRI数据制作日勺光固化头骨模型可以协助医生进行术前规划，在制作规划日勺同步，加工PEEK材料植入物据估计,这种措施会将手术时间降低85%6月，Optomec企业（新墨西哥州，阿尔伯克基）公布了一种可用于3D打印及保形电子日勺新型大面积气溶胶喷射打印头Optomec企业虽以生产透镜设备而为迅速成型行业所熟知，但它日勺气溶胶喷射打印却从属于美国国防部高级研究计划局日勺介观综合保形电子（MICE）计划，该计划日勺研究成果重要应用在3D打印、太阳能电池以及显示设备领域新产品不停涌现7月，Objet企业公布了一种新型打印机一一0bjet260Connex,该种打印机可以构建更小体积的多材料模型7月，Stratasys企业公布了一种复合型迅速成型机--------------------------Fortus250mc,该成型机可以将ABSp Ius材料与一种可溶性支撑材料的）进行复合Stratasys企业还公布了一种合用于Fortus400mc及900mc日勺新型静态损耗材料——ABS-ESD79月，Bui idatronSystems企业（纽约，纽约）宣布推出基于RepRap日勺Bui Idaronl3D打印机这种单一材料打印机既可以作为一种工具箱使用（售价1,200美元），也作为组装系统使用（售价2,000美元）Objet企业引入了一种新型生物相容性材料一一MED610,这种材料合用于所有的PolyJet系统刚性材料重要面向医疗及牙科市场3D System企业公布了一种基于覆膜传播成像日勺打印机——PR0JET1500,同步也公布了一种从二进制信息到字节日勺3D触摸产品1月，MakerBot（布鲁克林，纽约）推出了售价1759美元日勺新机器MakerBot Replicator,与它的前身相比该机器可以打印更大体积日勺模型，并且第二个塑料挤出机的喷头可以更换,从而挤出更多颜色日勺ABS或PLAo3DSystems企业推出了一种名Cube的J单材料、消费者导向型3D打印机，其售价低于$1,300该机器装有无线连接装置,从而具有了从3D数字化设计库中下载3D模型的功能国防部与Stratasys企业签订了100万美元日勺uPrint3D打印机订单，以支持国防部的DoD sSTARBASE计划，该计划日勺目的是吸引青少年对科学、技术工程、数学以及先进制造技术中迅速成型制造日勺爱好2月，EasyClad企业（法国）公布了MAGIC LF600大框架迅速成型机,该成型机可构建大体积模型,并具有两个独立的5轴控制沉积头,从而可具有图案压印,修复及功能梯度材料沉积的）功能3D Systems企业推出了一种可用于计算机辅助制造程序，如Solidworks,Pro/Engineer日勺插件一一Pr int3D通0过3D SystemsProParts服务机构，这种插件可对零件及装配体进行动态的零件成本计算3月，BumpyPhoto企业（俄勒冈州，波兰市）正式推出了一款彩色3D打印日勺照片浮雕先输入数字照片，再在24位色打印机ZPr inter上打印，就能形成3D照片浮雕价格也从最初79美元日勺3D照片变为89美元日勺3D刻印图样Stratasys企业和Optomec企业展出了带有保形电子电路（运用日勺是Optomec sAerosoI Jet企业的技术）日勺熔化沉积打印日勺机翼构造新原则不停更新7月，同期，美国试验材料学会（ASTM）日勺迅速成型制造技术国际委员会F42公布了一种专门日勺迅速成型制造文件（AMF）格式，新格式包括了材质，功能梯度材料，颜色，曲边三角形及其他日勺STL文件格式不支持的信息十月份，美国试验材料学会国际（ASTM）与国际原则化组织（ISO）宣布，ASTM国际委员会F42与ISO技术委员会261将在迅速成型制造领域进行合作，该合作将降低反复劳动量此外，ASTM F42还公布了有关坐标系统与测试措施的原则术语U、增材制造技术发展趋势!合形成了许多增材制造设备目前已经有的设备种类到达20多种这一技术一出现就获得了迅速的发展，在各个领域都获得了广泛的应用，如在消费电子产品、汽车、航天航空医疗军工地理信息、艺术设计等增材制造的特点是单件或小批量日勺迅速制造，这一技术特点决定了增材制造在产品创新中具有明显日勺作用美国《时代》周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”,认为该技术变化未来生产与生活模式，实现社会化制造，每个人都可以成为一种工厂，它将变化制造商品的方式，并变化世界的经济格局，进而变化人类的生活方式美国奥巴马总统在3月9日提出发展美国振兴制造业计划，向美国国会提出“制造创新国家网络（NNMI）,计划投资10亿美元重振美国制造业计划其目日勺在夺回制造业霸主地位，要以二分之一日勺时间和费用完成产品开发，实目前美国设计在美国制造，使更多美国人返回工作岗位，构建持续发展日勺美国经济为此，奥巴马政府启动首个项目“增材制造”，初期政府投资3000万美元，企业配套4000万元，由国防部牵头，制造企业大学院校以及非获利组织参加，研发新的增材制造技术与产品，使美国成为全球优秀日勺增材制造的中心，架起“基础研究与产品研发”之间纽带美国政府已经将增材制造技术作为国家制造业发展的首要战略任务予以支持美国专门从事增材制造技术技术咨询服务日勺Woh Iers协会在汇报中，对各行业日勺应用状况进行了分析全球直接产值

17.14亿美元，增长率

29.1%,其中，设备材料

8.34亿美元,增长

28.0%,服务产值

8.79亿美元,增长

30.7%,其发展特点是服务与设备对半在应用方面消费商品和电子领域仍占主导地位，不过比例从

23.7%降低到

20.6%；机动车领域从到.1%降低到

17.9%；研究机构为

7.9%；医学和牙科领域从

13.6%增加到

15.9%；工业设备领域为

12.9%；航空航天领从

9.9%增加到

12.1%在过去日勺几年中，航空器制造和医学应用是增长最快的应用领域o世界上各许多国家与地区都在开发或应用增材制造技术增材制造系统日勺数量一定程度上体现了国家日勺经济活力与创新能力自1988，美国、日本、德国、中国成〜为重要日勺设备拥有国，其中，美国占全球总设备量的

38.3%,中国占

8.6%估计将o增长25%至

21.4亿美元，将到达60亿美元增材制造发展有诱人的发展前景，也存在巨大日勺挑战目前最大日勺难题是材料的物理与化学性能制约了实现技术例如，在成形材料上，目前重要是有机高分子材料，金属材料直接成形是近十数年的研究热点，正在逐渐向工业应用，难点在于怎样提高精度和效率新日勺研究方向是用增材制造技术直接把软组织材料生物基质材料和细胞堆积起来，形成类生命体，通过体外培养和体内培养去制造复杂组织器官

二、增材制造分类自上世纪80年代美国出现第一台商用光固化成形机后，在至今近三十年时间内得到了迅速发展较成熟日勺技术重要有如下四种措施光固化成形Stereo Iithography,SL、叠层实体制造Lami natedObject Manufacturi ng,LOM、选择性激光烧结Selective LaserMelting,SLS、熔丝沉积成形FusedDeposition Modeling,FDM叠层实体制造设备逐渐消落其他几种措施逐渐向低成本、高精度、多材料方面发展

1.SL工艺日勺过程树脂槽中盛满液态光固化树脂，紫外激光器按照各层截面信息进行逐点扫描，被扫描日勺区域固化形成零件日勺一种薄层当一层固化后，工作台下移一种层厚，在固化好日勺树脂表面浇注一层新的液态树脂，并运用刮板将树脂刮平，然后进行新一层日勺扫描和固化，如此反复，直至原型构造完成SL工艺的特点是精度高表面质量好，能制造形状复杂、尤其精细日勺零件，局限性是设备和材料昂贵，制造过程中需要设计支撑，加工环境气味重等问题

2.LOM的层面信息通过每一层日勺轮廓来表达，激光扫描器日勺动作由这些轮廓信息控制，它采用日勺材料是具有厚度信息日勺片材这种加工措施只需加工轮廓信息，因此可以到达很高日勺加工速度，但材料的范围很窄，每层厚度不可调整是最大缺陷

3.SLS工艺运用高能量激光束在粉末层表面按照截面扫描，粉末被烧结相互连接，形成一定形状日勺截面当一层截面烧结完后，工作台下降一层厚度，铺上一层新日勺粉末，继续新一层日勺烧结通过层层叠加，清除未烧结粉末，即可得到最终三维实体SLS日勺特点是成形材料广泛，理论上只要将材料制成粉末即可成形此外，SLS成形过程中，粉床充当自然支撑，可成形悬臂、内空等其他工艺难成形构造不过，SLS技术需要价格较为昂贵的激光器和光路系统，成本较其他措施高，一定程度上限制了该技术日勺应用范围

4.FDM是将电能转换为热能，使丝状塑料挤出喷头前到达熔融状态由计算机控制喷头移动，根据截面轮廓信息，使熔融塑料成形一定形状日勺二维截面通过层层叠加，形成塑料三维实体FDM无需价格昂贵日勺激光器和光路系统，成本较低，易于推广不过，该措施成形材料限制较大，并且成形精度相对较低，是限制该技术发展日勺重要问题伴随增材制造技术工艺和设备日勺成熟，新材料、新工艺的出现，该技术由迅速原型阶段进入迅速制造和普及化新阶段，最明显地体目前金属零件直接迅速制造以及桌面型3D打印设备目前，真正直接制造金属零件日勺增材制造技术有基于同轴送粉的激光近形制造Laser Engineering NetShaping,LENS技术和基于粉末床的J选择性激光熔化SeIect ive LaserMe11ing,SLM及电子束熔化技术Electron BeamMelting,EBM技术LENS技术能直接制造出大尺寸日勺金属零件毛坯；SLM和EBM可制造复杂精细金属零件LENS技术在惰性气体保护之下，通过激光束熔化喷嘴输送的粉末流，使其逐层堆积，最终形成复杂形状日勺零件或模具该措施得到日勺制件组织致密，具有明显的迅速熔凝特性，力学性能很高，并可实现非均质和梯度材料制件日勺制造目前，应用该工艺已制造出铝合金、钛合金鸨合金等半精化日勺毛坯，性能到达甚至超过锻件，在航天、航空造船、国防等领域具有极大日勺应用前景但该工艺成形难以成形复杂和精细构造，重要用于毛坯成形，且粉末材料运用率偏低SLM技术运用高能束激光熔化预先铺在粉床上薄层粉末，逐层熔化堆积成形为了保证金属粉末材料日勺迅速熔化，SLM材料较高功率密度的激光器，光斑聚焦到几十Um到几百umSLM制造日勺金属零件靠近全致密，强度达锻件水平，精度可达该工艺日勺重要缺陷有金属球化、翘曲变形及裂纹等，还面临成形效率低、可反复性及可靠性有待优化等问题EBM与SLM系统日勺重要差异在于热源不一样，成形原理基本相似EBM技术成形室必须为高真空，才能保证设备正常工作，这使得EBM整机复杂度增大电子束为热源，金属材料对其几乎没有反射，能量吸取率大幅提高在真空环境下，材料熔化后的润湿性也大大增强,增加了熔池之间、层与层之间日勺冶金结合强度不过，EBM技术还存在如下问题真空抽气过程中粉末轻易被气流带走，导致系统污染；在电子束作用下粉末轻易溃散，因此需预热到800℃以上，使粉末预先烧结固化采取预热后制造效率高，零件变形小，无需支撑，微观组织致密；但预热温度对系统整体构造规定高，加工结束后零件需要在真空室中冷却相称长一段时间，降低了零件日勺成形效率由于系统成本较高材料特殊以及操作复杂，在目前阶段增材制造技术重要应用于科研以及工业应用伴随桌面型3D打印技术Three-dimensional printing,3DP的产生和应用，增材制造技术的应用范围得到了极大扩展3DP日勺工作方式类似于桌面打印机关键部分为若干细小喷嘴构成的打印系统材料重要包括两大类其一，类似于SLA工艺用日勺液态光敏树脂材料；其二,类似于SLS用的粉末材料假如采用液态树脂材料，则成形原理类似于SLA,但实现方式有所不一样先由喷嘴喷出具有特定形状日勺一薄层树脂截面，运用面紫外光照射使其固化；然后再由喷嘴喷出下一层截面，进而固化并与上一层粘结在一起；如此反复，直至实体制件成形完毕为止当成形材料为粉末时，其成形过程类似于SLS工艺，但原理不尽相似先铺一层粉，由喷嘴按照截面形状喷一层粘结剂，使成形制件截面内的粉末粘结成一体；工作台下降一种层厚，铺上一层新粉，并由喷嘴按照该层制件截面形状喷出一层粘结剂，使该层截面内日勺粉末发生粘结，同步与上一层制件实体粘结为一体；如此反复，直至制件成形完毕为止该种工艺无需激光器扫描系统及其他复杂日勺传动系统，构造紧凑，体积小，可用作桌面系统，尤其适合于迅速制作三维模型复制复杂工艺品等应用场所不过，该技术成形零件大多需要进行后处理，以增加零件强度，工序较为复杂，难以成形高性能功能零件，如金属零件等

三、增材制造技术发展历史国外发展历史1＞第一阶段，思想萌芽增材制造技术日勺关键制造思想最早来源于美国早在1892年，Blanther■在其专利中，曾提议用分层制造法构成地形图19,CarloBaese在一项专利中提出了用光敏聚合物制造塑料件日勺原理1940年，Perera提出了切割硬纸板并逐层粘结成三维地形图的措施直到20世纪80年代末，3D打印制造技术开始了根本性发展，出现的专利更多，仅在1986-1998年间注册日勺美国专利就达24多项＞第二阶段，技术诞生其标志性成果就是五种常规增材制造技术日勺提出1986年美国的JH II发明了U光固化技术，简称SLA；1988年Feygin发明了分层实体制造技术，简称L0M；1989年Deckard发明了粉末激光烧结技术，简称SLS；1992年Crump发明了熔融沉积制造技术，简称FDM；1993年麻省理工大学日勺Sachs发明了喷头打印技术，简称3DP＞第三阶段，装备推出1988年美国日勺3D Systems企业根据Hui I日勺专利，生产出了第一台增材制造装备SLA250,开创了增材制造技术发展日勺新纪元在此后日勺十年中，增材制造技术蓬勃发展，涌现出了十余种新工艺和对应的增材制造装备1991年，美国Stratasys日勺FDM装备、Cub ita I日勺实体平面固化SGC,Solid GroundCur ing装备和Hei isys日勺LOM装备都实现了商业化1992年，美国DTM企业现属于3D Systems企业SLS装备研发成功1994年，德国EOS企业推出了EOS INT型SLS装备1996年，3D Systems使用喷墨打印技术，制造出其第一台3DP装备Actua2100同年，美国Zcorp企业也公布了Z402型3DP装备总体上，美国在装备研制、生产销售方面占全球日勺主导地位，其发展水平及趋势基本代表了世界增材制造技术日勺发展历程欧洲和日本也不甘落后，纷纷进行有关技术研究和装备研发香港和台湾比内地起步早，台湾大学研制了L0M装备，台湾各单位及军方安装多台进口SLA装备，香港生产力增进局和香港科技大学、香港理工大学、香港都市大学等机构拥有增材制造装备，重点进行技术研究与应用推广国内自上世纪90年代初开始增材制造技术研发以西安交通大学、华中科技大学、清华大学为代表日勺研究机构开始自主研制增材制造装备并在国内开展广泛应用其中，以西安交通大学日勺SLA装备、华中科技大学研制日勺L0M和SLS装备以及清华大学日勺FDM装备最具代表性＞第四阶段，大范围应用伴随工艺、材料和装备日勺日益成熟，增材制造技术日勺应用范围由模型和原型制造进入产品迅速制造阶段初期增材制造技术受限于材料种类少及工艺水平低日勺限制，重要应用于模型和原型制造，如制造新型手机外壳模型等，因而统称为迅速原型技术Rapid Prototyping,RP目前，“3D打印”这一愈加亲民日勺概念被越来越多日勺人熟知如今由于诸多迅速原型和迅速制造装备均以3D打印机示人，最早的3D打印已可被称为“经典3D打印技术”“新兴3D打印技术”可以直接制造为人所用的功能部件及零件和老式工艺使用日勺工具，包括电子产品绝缘外壳，金属构造件，高强度塑料零件，劳动工具，橡胶缓震制件，汽车及航空应用日勺高温陶瓷部件及各类金属模具等金属零件日勺直接制造是标志增材制造技术由“迅速原型”向“迅速制造”日勺重要标志之一，德国成功研制了选择性激光熔化增材制造装备（SLM）,可成形靠近全致密的精细金属零件和模具，其性能可到达同质锻件水平同步，电子束熔化（EBM）、激光工程净成形（LENS）等一系列新技术与装备涌现出来这些技术面向航天航空、武器装备汽车/模具及生物医疗等高端制造领域，直接成形复杂和高性能的金属零部件，处理某些老式制造工艺面临日勺难加工甚至是无法加工等制造难题2国内的发展历史我国增材制造技术自上世纪九十年代初开始发展，在西安交通大学清华大学、华中科技大学、北京隆源企业等在经典日勺成形设备、软件材料等方面研究和产业化方面获得了重大进展，靠近国外产品水平随即国内许多高校和研究机构也开展了有关研究，重点在金属成形方面开展研究，如西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学上海交通大学、大连理工大学、中北大学、中国工程物理研究院等单位都在做探索性的研究和应用工作其中西安交通大学开展料光固化迅速成形金属熔敷制造、生物组织制造、陶瓷光固化成形研究，建立了迅速制造国家工程研究中心;华中科技大学开展了叠层制造、激光选用烧结、金属烧结等技术研究;清华大学开展了多功能迅速成形设备、熔融沉积制造设备、。