(金属)3D激光打印机初步调查报告

(金属)3D激光打印机初步调查报告（上）目录一.前言二.3D打印机的几种技术简介三.国外现状3.1代表性的企业/高校和3D打印机产品3.2国外打印案例（用3D打印机打印出来的东西）四.国内现状4.1代表性的企业/高校和3D打印机产品五.相关技术/难点六.应用领域/发展趋势6.1革命(?)6.2应用领域6.3打印机价格6.4打印服务6.5全球销售额预测七.目前的推广/应用的局限处/瓶颈7.1成本（耗材的价格）7.2打印材料（耗材）的多样性/可用性7.3打印的精度7.4打印的速度7.5成品力学性能7.6用户对3D绘图软件/CAD软件的掌握7.7知识产权的保护八.公开的资源/资料8.1金属3D激光打印视频8.2开源3D打印机九.个人初步感觉/建议十.附一些名词解释10.1粉末冶金10.2掺镱光纤激光器10.3振镜技术作者：健朗王威达，2012年11月作者附言：本文是作者个人对3D打印技术（较侧重激光金属3D打印这块）的初步调研报告，是根据网络相关材料整理而成，给有兴趣关注、了解或从事3D打印技术、3D打印机和3D打印应用服务的个人（发烧友）和普通公司提供入门时的参考。本文数据和案例均引用自互联网，故个别数据和观点之间会有冲突的地方，都摆出来，供读者自行判断。1.一.前言3D打印机，英文“3DPrinters”，3D打印这个名称是近年来该产品针对民用市场而出现的一个新词，是通俗叫法，其实在专业领域它有其它学术名称“快速成形技术”(及“快速原型制造技术”、“增量制造技术”、“增材制造技术”)。快速成形技术(又称快速原型制造技术RapidPrototypingManufacturing，简称RPM)，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状，根据零件或物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。RPM技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是分层制造，逐层叠加，这种工艺可以形象地叫做增长法或加法。形象地讲，快速成形系统就像是一台立体打印机，因此得名“3D打印机”。3D打印机的原理：3D打印机可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。每个截面数据相当于医学上的一张CT像片；整个制造过程可以比喻为一个积分的过程。当然，整个过程是在电脑的控制下，由3D打印机系统自动完成的。2.二.3D打印机的几种技术简介3D打印机的技术：现在市面上已经有十几种不同的3D打印机的技术，其中比较成熟的有SLS、SLA、LOM和FDM等方法。其中SLS3D打印机技术简介如下：1989年，C.R.Dechard发明SLS（SelectiveLaserSintering），利用高强度激光将材料粉末烤结，直至成型。这种技术的特点在于选材范围广泛，比如尼龙、腊、ABS、金属和陶瓷粉末等都可以作为原材料。SLS(SelectiveLaserSintering)选择性激光烧结（以下简称SLS）技术最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carlckard（C.R.Dechard）于1989年在其硕士论文中提出的。后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备SinterSation。几十年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备（）。国内也有多家单位进行SLS的相关研究工作，如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等，也取得了许多重大成果，如南京航空航天大学研制的RAP-I型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS—300激光快速成型的设备。选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。SLS技术3D打印机的工作原理：整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。SLS技术的特点：与其它3D打印机技术相比，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前，可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统，所以SLS的应用越来越广泛。小结SLS技术：3D打印机技术中，金属粉末SLS技术是近年来人们研究的一个热点。实现使用高熔点金属直接烧结成型零件，对用传统切削加工方法难以制造出高强度零件，对快速成型技术更广泛的应用具有特别重要的意义。展望未来，SLS形技术在金属材料领域中研究方向应该是单元体系金属零件烧结成型，多元合金材料零件的烧结成型，先进金属材料如金属纳米材料，非晶态金属合金等的激光烧结成型等，尤其适合于硬质合金材料微型元件的成型。此外，根据零件的具体功能及经济要求来烧结形成具有功能梯度和结构梯度的零件。相信随着人们对激光烧结金属粉末成型机理的掌握，对各种金属材料最佳烧结参数的获得，以及专用的快速成型材料的出现，SLS技术的研究和引用将进入一个新的境界。其他几种3D打印机技术简介如下：SLA是StereolithographyAppearance的缩写，即立体光固化成型法。用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料(液态光敏树脂原料)表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。1992年，Helisys发明LOM（LaminatedObjectManufacturing），利用薄片材料、激光、热熔胶来制作物体。然而该3D打印技术的原材料一直仅限于纸等膜，性能较低下。LOM分层实体制造法（LOM——LaminatedObjectManufacturing），LOM又称层叠法成形，它以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。1988年，ScottCrump发明了一种3D打印技术FDM（FusedDepositionModeling），并成立公司Stratasys。这个技术的特点是它能利用腊、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体，具备性能优良的特点。FDM3D打印机技术简介如下：熔积成型（FDM——FusedDepositionModeling）法，该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。FDM技术的特点：该技术污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。成形材料：固体丝状工程塑料；制件性能：相当于工程塑料或蜡模；主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。（PS：目前国内外常见的个人级3D打印机多用此技术。）1993年，麻省理工大学教授EmanualSachs发明Three-DimensionalPrinting技术（3DP，非泛指的3D打印技术），利用金属、陶瓷等粉末，通过粘接剂黏在一起成型。这种技术的优点在于制作速度快，价格低廉，但成品的强度较低。1995年，ZCorporation获得麻省理工大学的许可，利用该技术来生产3D打印机。基于微喷射粘结技术的三维打印（3DP），也可用于金属粉末快速成形，3DP技术用喷头代替激光器，它与当前应用较广泛的SLS技术相比，设备投资小、运行成本低、寿命长、维护简单、环境适应性好。基于微喷射粘结的3DP工艺的成形原理为：将制件的CAD三维模型根据工艺要求进行离散分层得到一系列的层片，按照这些层片的轮廓信息，铺粉装置逐层铺粉，且喷头喷射粘结剂微滴选择性地固化一层一层的粉末，形成各截面轮廓，并逐步有序地叠加成三维实体。但3DP工艺通过粉末的粘连而堆积成形，成形的制件具有疏松多孔的结构，这种结构会使制件的强度偏低，成形的制件需采用后处理强化工艺使组织致密化以提高其强度，且后处理工艺（如高温烧结、热等静压）会使制件体积严重收缩。因此，采用合适的后处理强化工艺使三维打印成形的零件或模具致密化而不发生明显的体积收缩是现阶段研究的重点和难点。目前，金属粉末三维打印成形的研究主要集中在成形工艺参数控制与优化、制件后处理强化工艺改进等方面，其目的是解决制件的精度和强度偏低问题。金属粉末3DP成形的制件通常采用的致密化处理工艺主要是高温烧结和热等静压，基于浸渗处理工艺的研究也有报道，制件经致密化处理后，其致密度可达98%，甚至可完全致密化。但经致密化处理后的制件线收缩率很大，使制件的最终尺寸产生较大偏差，难以得到近净产品，这是阻碍金属零件3DP快速制造工业化应用的关键所在。()除了上面几种最为熟悉的技术外，还有其他一些技术也已经实用化，如UV、三维打印技术、光屏蔽工艺、直接壳法、直接烧结技术、全息干涉制造等这里就不做详细介绍。3.三.国外现状3.1代表性的企业/高校和3D打印机产品除了上面已提到的国外的企业/高校及产品，下面再列举一些比较知名的：1996年，3DSystems、Stratasys、ZCorporation公司分别推出Actua2100、Genisys、Z402产品，第一次使用了“3D打印机”的称谓。2005年，ZCroporation发布SpectrumZ510，这是世界上第一台高精度彩色3D打印机。同一年，英国巴恩大学的AdrianBowyer发起开源3D打印机项目RepRap，其目标是制造出“自我复制机”，通过3D打印机本身，能够制造出另一台3D打印机。2008年，第一版RepRap发布，代号“Darwin”，能够打印自身50%的元件，体积仅一个箱子大小。德国EOS公司的金属粉末烧结机-EOS金属激光粉末烧结系统设备（）。产品名称：EOSINTM270金