3D打印的前景與未來

1、機(jī)械制造及自動(dòng)化系列講座結(jié)課報(bào)告3D打印摘要：3D打印機(jī)，是近期討論比較多的一個(gè)技術(shù)，被給予者深厚的希 望，但是這項(xiàng)技術(shù)到底能為機(jī)械制造業(yè)甚至整個(gè)人類社會(huì)的發(fā)展帶來什么樣的改 變，我們還不得而知，本篇論文就從多方面分析3D打印的現(xiàn)狀，未來發(fā)展的趨勢和前景以及技術(shù)所存在的問題。一、3D打印的原理3D打印是增材劑制造技術(shù)的一種形式，在增材劑制造技術(shù)中三維對象是通 過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來的。3D打印機(jī)相對于其他的增材劑制造技術(shù)而言，具有 速度快，價(jià)格便宜，高易用性等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段3D打印大致分為五種不同原理的打印方法。1. SL ( SLA Stereo Lithography Apparatus :

2、光固化 /立體光刻工藝2. FDM ( Fused Deposition Modeling):熔融沉積成形工藝3. LOM ( Laminated Object Manufacturing):分層(疊層)實(shí)體制造工藝4. 3DP( 3D Printer)：三維印刷工藝5. SLS( Selective Laser Sintering：選擇性激光燒結(jié)工藝依據(jù)光固化/立體光刻工藝原理的3D打印，是靠x光、液體樹脂薄層產(chǎn)生 光聚合反應(yīng)后固化依據(jù)熔融沉積成形工藝的3D打印機(jī)，首先把三維實(shí)體模型導(dǎo)入到3D打印機(jī) 的電腦程序中，經(jīng)過打印機(jī)的控制程序自動(dòng)規(guī)劃出打印頭的運(yùn)動(dòng)路線。接著在電 腦的程序的指導(dǎo)下打印

3、頭自動(dòng)依據(jù)三維實(shí)體的運(yùn)動(dòng)路徑在加工平面上噴出每一 層的剖面，這時(shí)經(jīng)供絲裝置把絲狀的原材料送至打印噴頭，并把已經(jīng)熔化的原材料絲狀物噴出，凝聚在工作臺上。凝聚在工作臺上的熔融狀態(tài)材料通過冷卻裝置冷 卻之后匯聚成一層很薄的三維實(shí)體剖面薄片，從而得到所需要實(shí)體的加工剖面輪 廓。電腦程序自動(dòng)將噴涂程序不斷循環(huán)往復(fù)，工作臺平面的高度根據(jù)電腦程序的 指令自動(dòng)降低來達(dá)到層層疊加，直到形成所需要的三維實(shí)體模型電腦程序自動(dòng)停 止。依據(jù)分層（疊層）實(shí)體制造工藝的 3D打印機(jī)，原理是涂以熱熔膠的薄片 為原料，用CO2激光器或刀具切割后分層熱壓成形。依據(jù)三維印刷工藝的3D打印，首先把定量的原材料粉末狀物由原料存放 桶輸

4、送出，在加工平臺上把這些粉末狀物經(jīng)滾筒碾壓為薄層，之后在需要打印的區(qū)域通過噴頭噴出已經(jīng)調(diào)和好的粘合劑。原材料粉末狀物遇到調(diào)和好的粘合劑之后 會(huì)快速凝結(jié)固化。這樣在打印完一層之后，工作臺根據(jù)程序的設(shè)定會(huì)自動(dòng)下降設(shè) 定的距離，依據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)定的值不斷進(jìn)行打印循環(huán)，最終完成三維模型的三維成形 打印，然后活除打印機(jī)工作臺上的沒有固化的粉末。稱之為“打印機(jī)”是參照了 其技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^程與噴墨打印十分相似。依據(jù)選擇性激光燒結(jié)工藝原理的3D,原理是激光燒結(jié)金屆或非金屆粉末優(yōu) 點(diǎn)：材料適應(yīng)面廣，制件翹曲變形相對較小，能直接制造制件和裝配件。二、3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀英國經(jīng)濟(jì)學(xué)家雜志刊登的第三次工業(yè)革命（

5、作者：保羅 濱基里）一文認(rèn)為，以 3D打印技術(shù)為代表的數(shù)字化制造技術(shù)將引發(fā)第三次工業(yè)革命，將使產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝、制造裝備及生產(chǎn)線、材料制備、相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、制造企業(yè)形態(tài)乃至整個(gè)傳統(tǒng)制造體系產(chǎn)生全面、 深刻的變革。1996年美國的3D Systems公司推出了快速成型機(jī) Actua21002.美國、德國和日 本在該領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，并已形成了多家專業(yè)化和規(guī)?；兄坪蜕a(chǎn)3D打印裝備的知名企業(yè)，如德國的 EOS美國的3D Systems以及日本的CMET等公 司。美國國防部、能源部和商務(wù)部等。家政府部門將共同出資4500萬美元，首筆資金為3000萬美元。波音公司應(yīng)用3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相

6、 結(jié)合，制造出鋁合金、鈦合金、不銹鋼等不同材料的貨艙門托架等零部件；GE公司應(yīng)用3D打印技術(shù)制造航空航天與船舶葉輪等關(guān)鍵零件。美國軍方應(yīng)用 3D 打印技術(shù)輔助制造導(dǎo)彈用彈出式點(diǎn)火器模型等。國內(nèi)也是非常重視3D打印的發(fā)展，工信部擬制定3D打印技術(shù)技術(shù)路線圖 和中長期發(fā)展戰(zhàn)略。國內(nèi)在設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性以及材料適應(yīng)范圍方面與國外存在 明顯差距。零件性能的重復(fù)性，零件表面質(zhì)量不及國外先進(jìn)水平；能成形鈦、鋁 等高活性金屆以及陶瓷等難溶材料的 SLM裝備還不成熟。目前國內(nèi)3D打印已經(jīng) 開始產(chǎn)業(yè)化。2012年10月成立了中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，推動(dòng)這一技術(shù)的 產(chǎn)業(yè)化。目前進(jìn)行3D打印技術(shù)研究的高校主要有活華

7、大學(xué)、西安交大、北航、 華中科技大學(xué)以及西北工業(yè)大學(xué)等。制造技術(shù)如果進(jìn)行分類，大致可以分成三類，等材制造、減材制造、增材制造。等材制造是采用鑄造、焊接及鍛壓等技術(shù)對材料進(jìn)行加工，制造過程中，基本上不改變材料的量，或者改變很少；減材制造是利用切削機(jī)床對毛坯進(jìn)行加工，由大變小，而形成最終所需要形狀的零件；而3D打印在學(xué)術(shù)上被稱為增材制造技 術(shù)，早在上個(gè)世紀(jì)就被提出，并進(jìn)行相關(guān)的研發(fā)，但在最近幾年呈現(xiàn)井噴式的增 長，成為制造業(yè)萬人矚目的新星，很大程度上是因?yàn)镃AD/CAM的發(fā)展成熟，數(shù)字化、自動(dòng)化制造在制造業(yè)的普及，這些都促成了 3D打印技術(shù)的發(fā)展成熟。以3D打印技術(shù)為典型代表的新型制造技術(shù)成為引領(lǐng)

8、未來制造業(yè)變革的重要技術(shù)之一，該技術(shù)有可能從根本上改變生產(chǎn)組織方式。3D打印技術(shù)是通過電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到 3D打印機(jī)上，后 者采用分層加工、迭加成形，即將連續(xù)的薄型層面堆疊起來，直到一個(gè)固態(tài)物體成 型。其工作原理與普通打印機(jī)基本相同，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材 料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物?，F(xiàn)階段，在機(jī)械加工領(lǐng)域，3D打印應(yīng)用尚未成熟，依據(jù)熔融固化技術(shù)實(shí)現(xiàn) 的3D打印，加工出的工件的強(qiáng)度、剛度、精度等的要求都很難達(dá)到，能真正投 入生產(chǎn)的有3D打印砂型鑄造，打印砂型相對于砂箱翻模精度要高得多，可以完 成復(fù)雜程度比較高的砂模制

9、造，成型的砂模硬度也比砂箱做出的高。但是依據(jù)激 光近型制造技術(shù)的金屆3D打印還很難用于商業(yè)化，因?yàn)檫@種加工方法成形精度 低，難以成形復(fù)雜零件，熱輸入量大，需從工藝上減小內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。新興的電子束熔化技術(shù)（EBM）倒是更有希望投入生產(chǎn)中，他的工藝和選 擇性激光熔化成形原理基本相似、主要差別在于熱源不同，成形室必須為高真空。特點(diǎn)：電子束為熱源，金屆材料對其幾乎沒有反射，能量吸收率大幅提高。真空環(huán)境下，材料熔化后層與層之間的冶金結(jié)合度強(qiáng)。 但真空抽氣過程中粉末容 易被氣流帶走，需較高溫度的預(yù)熱。理論上講3D打印是萬金油，無論多么復(fù)雜的零件，只要能夠用CAD軟件建模，然后STL格式轉(zhuǎn)換，模型精確化，切

10、片路徑規(guī)劃，然后進(jìn)行3D成形，打印機(jī)都可以按照你的要求打印出來。過去開發(fā)一個(gè)產(chǎn)品尤其是具有復(fù)雜形狀的零 部件，需要大量相關(guān)工具、卡具及模具等生產(chǎn)準(zhǔn)備，并配合專用的加工設(shè)備才能實(shí) 現(xiàn)，而且開發(fā)產(chǎn)品要得到市場的認(rèn)可還需要很長的一個(gè)周期，所以3D打印技術(shù)使得人們徹底擺脫了對工具、樸具等輔助加工設(shè)備的依靠，一道工序即可完成新 零件部件的制造，大大加快了產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程。三、3D打印的未來發(fā)展觀望3D打印與傳統(tǒng)制造有很大的不同 ，比如材料的制造過程就和原來不一樣了。但在有些方 面還是比較相像的，像金屬材料的直接打印成型，實(shí)際上是接近焊接的過程。打印是個(gè)逐漸累 加的焊接過程。但是在有些方面還是有很大的突破，

11、例如，以前我們制造中使用的能源為電電動(dòng)機(jī)和熱，現(xiàn)在就變成了激光，零件制造的毛坯也變化了。傳統(tǒng)機(jī)械制造的原材料都是鋼錠、 鋼板、鋼棒等，現(xiàn)在基本上是粉體材料，所以提供原材料的形式也會(huì)發(fā)生變化另外就是整個(gè)的 工藝過程不一樣之后，還需要很多深人的研究。不同的能源對不同的材料采取不同的工藝方 法,所以這需要做很多研究工作。我們國家打印雖然起步不算晚，現(xiàn)在也已經(jīng)可以進(jìn)行金屬材料成型的打印，但還存在一個(gè)關(guān)鍵問題，就是沒有形成產(chǎn)業(yè)鏈?，F(xiàn)階段的研究開發(fā)模式基本都 是由研究裝備的團(tuán)隊(duì)對整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的各環(huán)節(jié)展開研究，沒有專門針對打印材料、關(guān)鍵器件、軟件進(jìn)行研究的團(tuán)隊(duì)，也沒有專門研究滿足打印所需要的激光器。如果沒有對

12、這個(gè)產(chǎn)業(yè)的全 方位支持，它的發(fā)展就會(huì)受到局限。產(chǎn)業(yè)鏈的所有環(huán)節(jié)都需要研發(fā)單位去考慮，什么都需要自己去做，往往有些地方受到制約。未來幾年3D打印市場的增長的邏輯主要有三個(gè)：一是通過技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)競爭改善性價(jià)比。3D打印成型工藝、打印耗材和設(shè)計(jì)程序、外設(shè)這三大要素的螺旋式創(chuàng)新是3D打印不斷提升性價(jià)比，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域的原動(dòng)力。性能方面，雖然當(dāng)前 3D打印概念風(fēng)起云涌，但真正在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中，無論在工業(yè)領(lǐng)域還是民用消費(fèi)領(lǐng)域， 以上三大要素的配合遠(yuǎn)未到達(dá)理想狀態(tài)，需要改進(jìn)的地方還非常多。要素聯(lián)合改進(jìn)的過程可能會(huì)比較慢， 但極有可能會(huì)被幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)上的突破所刺激，形成類似Iphone 一樣的殺手級應(yīng)用， 從而

13、加快滲透。事實(shí)上，在當(dāng)前越來越多的企業(yè)進(jìn)入 3D打印 產(chǎn)業(yè)來看，競爭強(qiáng)度增強(qiáng)將會(huì)使這一過程逐步提速。價(jià)格方面，由于3D打印設(shè)備和耗材在終端制品的成本中占比相當(dāng)大，未來設(shè)備、耗材成本的降低將逐步提升 3D打印的經(jīng)濟(jì)性。事實(shí)上，隨著技術(shù)進(jìn)步和3D打印設(shè)備生產(chǎn)商的競爭，打印機(jī)均價(jià)已從 2001年接近12萬美元降至8萬美元，降幅約1/3,而2010年以來 的價(jià)格上升則是由于金屬材料的應(yīng)用興起使得對設(shè)備的性能要求提升所致。二是亞太地區(qū)，尤其是中國市場將被激活和快速增長。正像前文所述，亞太地區(qū)是3D打印的洼地，尤其是中國的3D打印市場很可能被激活并快速增長。目前國內(nèi) 3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀是技術(shù)領(lǐng)先， 產(chǎn)業(yè)化

14、不足，高端金屬耗材緊缺。但看好其發(fā)展前景，一是國內(nèi)的技術(shù)基礎(chǔ)扎實(shí)，隨著關(guān)鍵技術(shù)瓶頸和成本高昂的難題逐漸解決，下游應(yīng)用的性價(jià)比將逐漸改善； 二是ZF的大力支持前所未有， 三是企業(yè)間合作逐漸加深，四是3D打印概念的熱潮客觀上為下游應(yīng)用推廣和資本支持提供強(qiáng)勁推動(dòng)。三是商業(yè)模式的進(jìn)化。隨著互聯(lián)網(wǎng)云制造、物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)越來越成熟，3D打印分布式制造的商業(yè)模式可能會(huì)變成現(xiàn)實(shí)，大家可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行3D打印方面的創(chuàng)業(yè)、融資以及設(shè)計(jì)程序的交易，物流也會(huì)把成品送到用戶手中。商業(yè)模式的進(jìn)一步創(chuàng)新將會(huì)使3D打印滲透率進(jìn)一步提升。3D打印技術(shù)對于生產(chǎn)者來說，可大幅降低生產(chǎn)成本，提高原材料和能源的使用效率， 減少對環(huán)境的影

15、響，它還使消費(fèi)者能根據(jù)自己的需求量身定制產(chǎn)品3D打印機(jī)既不需要用紙，也不需要用墨，而是通過電子制圖、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、激光掃 描、材料熔化等一系列技術(shù)， 使特定金屬粉或者記憶材料熔化，并按照電子模型圖的指示一層層重新疊加起來，最終把電子模型圖變成實(shí)物。其優(yōu)點(diǎn)是大大節(jié)省工業(yè)樣品制作時(shí)間，且可以“打印”造型復(fù)雜的產(chǎn)品。因此我認(rèn)為，這種技術(shù)代表制造業(yè)發(fā)展新趨勢。3D打印機(jī)的應(yīng)用對象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。我認(rèn)為，3D打印機(jī)需求量較大的行業(yè)包括政府、航天和國防、醫(yī)療設(shè)備、高科技、教育業(yè)以及制造業(yè)。四、3D打印技術(shù)的意義所在3D打印有可能再一次使第一，擴(kuò)大我國的技術(shù)儲(chǔ)備，占據(jù)3D打印技術(shù)

16、的制高點(diǎn)?？s短差距，擁有更多話語 權(quán)。猶如當(dāng)年數(shù)控機(jī)床使機(jī)械加工技術(shù)產(chǎn)生了飛躍性的提升一樣,制造技術(shù)產(chǎn)生飛躍，因此要在技術(shù)、專利方面掌握主動(dòng)。第二，作為一個(gè)世界大國的國家需求。制造業(yè)正處于由勞動(dòng)密集型向知識密集型的產(chǎn) 業(yè)轉(zhuǎn)型和結(jié)構(gòu)調(diào)整關(guān)鍵時(shí)期，三維打印技術(shù)引發(fā)的“第三次工業(yè)革命”，是由“中國制造”轉(zhuǎn)型為“中國智造”難得的機(jī)遇，將對我國制造業(yè)的發(fā)展乃至國家的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。第三，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，尤其是在航空、航天、軍工等重點(diǎn)行業(yè)，其核心部件一般均為 金屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，3D打印技術(shù)有很大的發(fā)揮空間。第四，是零件優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要。由于受到機(jī)械加工能力的限制，零件在設(shè)計(jì)時(shí)就要考 慮能否加工，有時(shí)不得不

17、忍痛改變原來的創(chuàng)新設(shè)想。3D打印可以使設(shè)計(jì)人員發(fā)揮更大的想象空間。第五，工業(yè)化和信息化的融合的要求。3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更靈活的生產(chǎn)方式，不用過多考慮生產(chǎn)企業(yè)的加工手段，只要傳遞產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息即可進(jìn)行加工、有利于網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)同步（并行）制造。增材制造技術(shù)尤其適合高性能難加工大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的低成本短周期快速制造，也為高性能難加工金屬大型復(fù)雜整體構(gòu)件的制造提供了技術(shù)新途徑。可以預(yù)見，隨著研究的不斷深入、技術(shù)水平的不斷提高和技術(shù)潛力的不斷發(fā)揮，增材制造技術(shù)在國防科技工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大，在國防裝備研制和生產(chǎn)中的作用將越來越突出。為此，加強(qiáng)增材制造工藝及材料技術(shù)研究，尤其是增材制造過程材

18、料冶金和熱物理關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究、裝備研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定和人才培養(yǎng)，對促進(jìn)增材制造技術(shù)在國防科技工業(yè)的應(yīng)用意義重大。六、總結(jié)3D打印技術(shù)的優(yōu)勢是十分明顯的，直接成形。無需準(zhǔn)備模具、刀具和工裝夾具，快 速打印新設(shè)計(jì)的樣件、金屬鑄件零件、模具和模型等。提高了制造復(fù)雜零部件的能力，無需高檔數(shù)控加工機(jī)床。 可以節(jié)省材料。只打印需要的部分， 無需去除多余材料。有利于新產(chǎn)品 的開發(fā)。大大縮短新產(chǎn)品研制周期，降低研發(fā)成本。為了滿足零部件強(qiáng)度、剛度、精度等要求，我們需要不斷的提高零部件在機(jī)械制造加工 中的打印質(zhì)量，進(jìn)而逐步改進(jìn)與完善我國的3D打印技術(shù)。國家通過加大對研究機(jī)構(gòu)的扶持力度，完善3D打印聯(lián)盟的組建，加強(qiáng)3D打印技術(shù)的教育培訓(xùn)工作，從而提升我國的3D打印技術(shù) 水平。當(dāng)然，我們還要汲取發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)增材制造技術(shù)，使我國的3D打印技術(shù)與軌跡接軌。增材制造已成為先進(jìn)制