3D打印技术及应用趋势

《自动化仪表》第35卷第1期摇2014年1月上海市决策咨询办公室基金资助项目。修改稿收到日期:2013-11-08。第一作者李小丽(1972-),女,2009年毕业于上海交通大学微电子与固体电子学专业,获博士学位,高级工程师;主要从事产业技术战略规划与发展的研究。3D打印技术及应用趋势3DPrintingTechnologyandItsApplicationTrend李小丽1,2摇马剑雄1,2摇李摇萍2摇陈摇琪2摇周伟民1,2(上海产业技术研究院1,上海摇201203;上海市纳米科技与产业发展促进中心2,上海摇200237)摘摇要: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。关键词:3D打印技术摇智能制造摇数字制造摇个性化定制摇现代服务业中图分类号:TP273摇摇摇摇文献标志码:AAbstract:3Dprintingtechnologyisoneoftherepresentativetechnologiesofthethirdindustrialrevolution;ithasbeenincreasinglybecomepopularintheindustrialsectorsandinvestorcommunity.Onthebasisofintroducingtheadvantagesof3Dprintingtechnology,e.g.,digitalmanufacturing,dimensionreductionmanufacturing,additivemanufacturing,directmanufacturingandrapidmanufacturing,seventypesof3Dprintingprocesses,i.e.,stereolithigraphyapparatus,polyjet,threedimensionalprintingandgluing,fuseddepositionmodeling,selectinglasersintering,laminatedobjectmanufacturingandlaserengeeringnetshapearegiven.Theglobalcommercialconditionsandapplicationfieldsareanalyzedrespectively,andtheapplicationtrendsof3Dprintingtechnologyareprospectedinfurther.3Dtechnologywillprofoundlychangethetraditionalindustrialmodesandimplementthemovementfromtraditionalmanufacturingtointelligentmanufacturing.Keywords:3Dprintingtechnology摇Intelligentmanufacturing摇Digitalmanufacturing摇Personalizedcustom摇Modernserviceindustry0摇引言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(3Dprinting)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冶。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摇3D打印技术的概念和分类3D打印技术,学术上又称“添加制造冶(additivemanufacturing)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“快速原型冶(rapidprototyping)和全生产周期的“快速制造冶(rapidmanufacturing)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。淤数字制造: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。于降维制造(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。盂堆积制造:“从下而上冶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。13D打印技术及应用趋势摇李小丽,等PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIONVol郾35No郾1January2014榆直接制造:任何高性能难成型的部件均可通过“打印冶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。虞快速制造: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AlanHebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美国UVP公司的CharlesHull(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,CharlesHull率先推出光固化方法[1](stereolithographyapparatus,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3DSystems公司。该公司于1988年生产出了世界上第一台3D打印机SLA鄄250。1988年,美国人ScottCrump发明了另外一种3D打印技术———熔融沉积制造(fuseddepositionmodeling,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(selectivelasersintering,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EmanualSachs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打印机冶的称谓由此而来。此后,以色列人HananGothait于1998年创办了ObjetGeometries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摇材料和设备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3DSystems两家公司整合了全球主流工艺90%的产品线。2011年,3DSystems公司收购了ZCorporation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摇3D打印技术的类型和属性Tab.1摇Typesandpropertiesof3Dprintingtechnology工艺摇摇摇代表性公司摇摇摇摇材料摇摇摇摇市场光固化成形摇摇摇摇3DSystems(美国)摇摇Envisiontec(德国)摇摇光敏聚合材料摇摇成型制造材料喷射摇摇摇摇摇Objet(以色列)摇摇3DSystems(美国)摇摇Solidscape(美国)摇摇聚合材料、蜡摇摇成型制造摇摇铸造模型粘结剂喷射摇摇摇摇3DSystems(美国)摇摇ExOne(美国)摇摇Voxeljet(德国)摇摇聚合材料、摇摇金属、铸造砂摇摇成型制造摇摇压铸模具摇摇直接零部件制造熔融沉积制造摇摇摇Stratasys(美国)摇摇聚合材料摇摇成型制造选择性激光烧结摇摇EOS(德国)摇摇3DSystems(美国)摇摇Arcam(瑞典)摇摇聚合材料、金属摇摇成型制造摇摇直接零部件制造片层压摇摇摇摇摇摇Fabrisonic(美国)摇摇Mcor(爱尔兰)摇摇纸、金属摇摇成型制造摇摇直接零部件制造定向能量沉积摇摇摇Optomec(美国)摇摇POM(美国)摇摇金属摇摇修复摇摇直接零部件制造摇摇目前,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(依0.1mm),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23D打印技术及应用趋势摇李小丽,等《自动化仪表》第35卷第1期摇2014年1月烯等,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[2],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摇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。淤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,根据材料特点深入研究加工、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。XeroxPARC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“数字材料冶,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