3D打印行业研究报告

3D打印行业研究报告（胡彬2013-8-11）一、何谓3D打印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。二、3D打印的发展历程1984年，CharlesHull开始研发3D打印技术，【1986年】，他自立门户，创办了世界上第一家3D打印技术公司，也是现在的3D市场领军者之一3DSystems公司（NYSE:DDD），同年发布了【第一款商用3D打印机】，2012年1月，他1们收购了另外两家3D打印公司Zcorp和VidarSystems；1988年，ScottCrump发明了FDM（热熔挤制成型）技术，并于1989年成立了现在的另一家3D打印上市公司斯川塔斯Stratasys（NASDAQ:SSYS），该公司在1992年卖出了第一台商用3D打印机。2012年4月，Stratasys还收购了以色列的Objet公司，从而成为【全球最大】3D打印机制造商。1989年，美国麻省理工学院的EmanuelM.Sachs和JohnS.Haggerty等在美国申请了三维印刷技术的专利，之后EmanuelM.Sachs和JohnS.Haggerty又多次对该技术进行完善，形成了今天的三维印刷快速成型工艺。1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。1995年，美国ZCorp公司（后被3Dsystems收购）从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。1996年，媒体第一次使用【3D打印】这个词来称呼当时的快速成型机，后来取代了之前的称谓，成就了现在流行的3D打印这个概念；2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机SpectrumZ510由ZCorp公司研制成功。2008年，开源3D打印项目【RepRap】发布“Darwin”，3D打印机制造进入新纪元；同年，Objet推出Connex500，让【多材料】3D打印成为可能。2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。2011年6月6日，发布了全球第一款3D打印的比基尼。7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次打印出人造肝脏组织。目前，美国拥有世界上３８．５％的３Ｄ打印设备，而中国所占的比例只有８．６％，有着很大的提升空间。3D打印技术在美国已经产业化，目前全球有两家3D打印机制造巨头，分别Stratasys和3DSystems，均在美国纳斯达克上市，2011年营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元。目前国外3D打印机制造商主要有：商用3D打印机主要制造商包括Stratasys，ObjetGeometries,ZCorporation，3DSystems等。家用3D打印机主要制造商有Reprap，MakerbotIndustries，Ultimaker，Botmill，Fab@Home等。2三、3D打印为什么近两年突然热起来2012年3月19日，美国总统奥巴马在卡内基梅隆大学宣布创立美国“制造创新国家网络”计划。由政府主导、联邦政府和工业部门共同斥资10亿美元逐步建立15个“制造创新中心”，组成创新网络。2012年4月21日，英国《经济学人》刊文《第三次工业革命》，认为3D打印技术将与其他数字化生产模式一起，推动第三次工业革命的实现。2012年8月16日，美国“国家增材制造创新中心”作为其首个“样板示范”创新中心剪彩成立。作为新技术研究、开发、示范、转移和推广的基础平台，号称要成为增材制造技术全球卓越中心并提升美国制造全球竞争力。至此，3D打印作为媒体和资本的新宠，风风火火地从幕后走向台前，发展如火如荼。从飞机、汽车、枪支、巧克力、比基尼到星球再造式的沙漠打印，让越来越多的人了解到3D打印技术，开始憧憬着未来革命性的技术将对这个世界带来的影响。四、3D打印国内外现状1、3D打印国外现状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。1）、国外知名3D打印企业及机构产品介绍德国EOS公司的金属粉末烧结机-EOSEOSINTM270金属激光烧结系统，该设备采用EOS公司研发的DMLS技术（DirectMetalLaser-Sintering）进行金属件制作。EOSINTM270激光烧结系统采用的是Yb-fibre激光发射器，具有高效能、长寿命等特点。精准的光学系统能够保证模型的表面光滑度和准确度。氮气发生装置以及空压系统则使设备的使用更3加安全。技术参数：最大成型尺寸250mm×250mm×215mm；建造速度2-30mm3/秒；层厚20-100微米；激光发射器类型Yb-fibre激光发射器200W；光学系统F-theta-lens；扫描速度最高速度为7m/秒；支撑结构无；电源220V，32A或380V，16A；最大功率5500W；氮发生装置标准；压缩空气支持7bar，20m3/小时；产品尺寸2000mm×1050mm×1940mm；建议安装空间3500mm×3600mm×2500mm；重量1130kg；数据处理PCWindows操作系统；软件EOSRPTools.MagicsRP（Materialise）；CAD接口STL或其他可转换的格式；网络以太网；产品认证CE，NFPA；可使用材料不锈钢材料钴铬钼合金MP1钴铬钼合金SP1马氏体钢钛合金纯钛超级合金IN718铝合金。美国3DSYSTEMS公司这款sPro250SLM商用型金属3D打印机为目前比较先进的制造系统，能够提供长达为320毫米（12.6英寸）的高工艺金属零件，具有出色的表面光洁度、精细的功能性细节与严格的公差。可以选择广泛范围的金属合金使用，包括铝和钛。sPro250SLM商用型金属3D打印机的应用领域包括产品质量原型的功能测试，具有有机或高度复杂的几何形状。快速小批量制造金属部件的其他应用范例包括：定制医疗植入物、轻量级航空航天和赛车部件、高效散热片、带有随形冷却管道的注塑模具镶件，以及牙帽、牙冠和牙桥。SLM工艺使用高功率激光逐层熔化直接来自CAD数据的金属细粉末，以创建功能性金属部件。每一层操作完后重新喷粉机系统将堆积厚度范围从20到100微米的一个新粉末层。SLM系统采用市售的气体雾化金属粉末产生完全致密的金属零件，包括不锈钢、钛、钴铬合金及工具钢的材料。这些系统在设计伊始均考虑到工具库或工人的需求，带有一个简单的触摸屏用户界面，便于管理粉末处理系统，结构坚固。只需选择满足客户特定应用需求的一种围护结构与材料。3D打印技术在美国已经产业化，目前有两家3D打印机制造巨头，分别是Stratasys（开发制订行业标准技术之一FDM）和3DSystems(3D打印技术的创始者)，均在美国纳斯达克上市，2011年营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元。2011年3D打印市场规模17.1亿美元。不过，这一数字仅占全球制造市场的0.02%。以色列objet公司4Objet是快速成型和快速制造的光固化技术先锋，开发者，生产商及高精度，高分辨率三维打印方案的全球市场推广者。Objet系统都是基于经过市场证明的自身专利技术的光敏树脂喷射技术，使得极为复杂的三维部件都可以以高品质，高精度和高速度打印出来。Polyjet的打印头类似于行式打印机，沿着X轴前后滑动，在成型室里铺上一层超薄的光敏树脂。每铺完一层后，喷头架边上的紫外光球立即发射紫外光，快速固化和硬化每层光敏树脂。这一步骤减少了使用其他技术所需的后处理过程。每打印完一层，机器内部的成型底盘就会极为精确地下沉，而喷头继续一层一层地工作，直到原型件完成。精密的工具软件保证了所有的喷头能协调运作，能同步地往底盘上喷射等量的材料。这就产生了特别平坦和光滑的表面。成型时使用了两种不同的光敏树脂材料：一种是用来成型实体部件的成型材料，另一种类胶体的用来支撑部件的支撑材料。支撑结构的骨架先提前预排好程序用来配合复杂的成型件（如空腔，悬垂，底切，薄壁的截面）。成型完成后，只用一个水喷头就可以轻易地移除支撑材料，留下光滑的表面。南非科工研究理事会国家激光中心该中心研究人员在激光添加制造技术（AdditiveManufacturing），一种最新的快速成型制造技术上取得突破。该项技术的概念试验论证显示，其生产速度是现有的可商业化的选择性激光烧结技术的8.3倍。目前，利用该技术可以生产不超过500毫米的小尺寸部件，而当日揭牌的Aeroswift项目将致力于制造2mx0.5m的大尺寸部件。这将有助于南非航空制造公司Aerosud在三年内跻身世界航空结构件制造的先进行列。南非科工研究理事会与Aerosud公司共同承担了南非科技部资助的Aeroswift项目，旨在开发制造速度快批量大的激光添加快速成型技术，为全球航天业制造金属钛部件。Aeroswift项目的关键是5千瓦IPG单光纤激光二极管发生器，它是激光添加制造技术的核心。国家激光中心希望在2012年底、2013年初完成该项技术设备的安装与测试工作，之后将其拆分，运至Centurion的航天谷，在那里重新组装并投入生产。南非Aerosud公司总经理在谈到其发展目标时表示，2013年该技术将在试验厂投入使用，然后再用一至两年时间进行实际开发并获得生产资质，2015年实现与全球航空公司合作，为其提供小批量、高附加值、复杂的钛金属部件。2）、国外3D打印案例52010年3月，一位名为恩里科•迪尼（EnricoDini）的发明家设计出了一种神奇的3D打印机，它甚至可以“打印”出一幢完整的建筑。据恩里科•迪尼介绍，这种打印机的原料主要是沙子。当打印机开始工作时，它的上千个喷嘴中会同时喷出沙子和一种镁基胶。这种特制的胶水会将沙子粘成像岩石一样坚固的固体，并形成特定的形状，然后只需要按照