3d技術(shù)國內(nèi)外進展及未來趨勢

1、3D 打印技術(shù)國內(nèi)外最新進展及未來趨勢3D 打印技術(shù)國內(nèi)外最新進展及未來趨勢電子科技大學 ,成都 ,610054摘要：3D 打印技術(shù)是一種新興的快速成型技術(shù)，近一段時間以來受到了社會的廣泛關(guān)注。文章對 3D 打印技術(shù)在多個領(lǐng)域的最新進展做了具體介紹，以國內(nèi)外資料為依據(jù)對 3D 打印領(lǐng)域的最新進展和應(yīng)用做了詳細介紹和分析，并對現(xiàn)階段的 3D 打印產(chǎn)業(yè)投資和技術(shù)研發(fā)提出建議。: 3D 打印; 快速成型; 最新應(yīng)用; 未來趨勢Development sus and future trend of 3D prHuang Zhiyonging technologyUniversity of Electr

2、onic Science and Technology of China , Chengdu , 610054Abstract:3D prArticles on 3D pring is a new raprototytechnologies, recently has attracted wide attention.ing technologyroduced the latest progress madeany areas, according todomestic andernational research data for 3D pring areas of future indus

3、trial development prospectsand predictiveysis technology development trend and presentmendations on the 3D pringindustry investment and technology research and development.Key words: 3D Pring ; RaPrototy; Latest application; Future trends0 引言果進行綜述。1 基本原理3D 打印是最近幾年開始流行的一種快速成形技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式來

4、 構(gòu)造物體。被認為推動了第三次工“3D 打印”層層印刷的原理和噴墨打印機類似，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制采用分層加工，疊加成型的方式來“造型”，會將設(shè)計產(chǎn)品分為若干薄層，每次用原材料生成一個薄層，一層一層疊加起來，最終在計算機上的藍圖變?yōu)閷嵨铩Ｃ恳粚拥拇蛴∵^程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散，然后是噴灑一層均勻的粉末。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)業(yè)進程的 3D 打印技術(shù)，涉及、材料科學、精密機械等多個方面。投入民用工業(yè)是

5、近年來的事，多用于大型制造業(yè)。目前，3D 打印技術(shù)主要被應(yīng)用于產(chǎn)品原型、模具制造以及藝術(shù)創(chuàng)作、珠寶制作等領(lǐng)域，替代這些領(lǐng)域傳統(tǒng)依賴的精細加工工藝。3D 打印可以在很大程度上制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程與醫(yī)學、建筑、服裝等領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)的引入也為創(chuàng)新開拓了廣闊的空間。如 2010 年澳大利亞 Invetech 公司和美國anovo 公司合作，嘗試以細胞為“墨利用，加工過程僅需確定所需、樹脂、金屬水”打印的組織和，是醫(yī)學領(lǐng)域具有重等物料，材料耗費僅相當于傳統(tǒng)制造的十分之一，而誤差可輕易控制到 0.1mm 之內(nèi)。它無需生大意義的創(chuàng)新。本文結(jié)合近年來國內(nèi)外的主要成果 ,對 3D 打

6、印技術(shù)的最新進展和成第 1 頁 共 6 頁3D 打印技術(shù)國內(nèi)外最新進展及未來趨勢產(chǎn)線，亦可制造那些常規(guī)方法無法生產(chǎn)的奇形怪狀的零件。型（SLA）。而在層壓板制造（LOM）中，紙、聚合物、金屬等材料薄層被剪裁成定形狀并粘接在一起。這些 3D 打印技術(shù)自不同公司所研發(fā)倡導(dǎo)，主要區(qū)別在于打印速度、成本、可選擇材料和色彩能力等存在不同。表 1 總結(jié) 7 現(xiàn)有的三維打印實現(xiàn)技術(shù)，可歸納為擠出成型技術(shù)、粒狀2 3D 打印技術(shù)國內(nèi)外最新進展目前，根據(jù)打印所用材料及生成片層方式的不同，3D 打印的實現(xiàn)方法有很多種。一些方法使用熔化或轉(zhuǎn)化的材料產(chǎn)生層，如選擇性激光燒結(jié)（SLS）和熔融沉積成型（FDM）技術(shù)。有物

7、料威型、光聚型等幾種主要類型，每種類型又包括一種或多種技術(shù)路徑。些則采用其他液體材料加工方法，如光表 1成三維打印主要實現(xiàn)技術(shù)2.1 擠出成型技術(shù)：FDM熔融沉積成型（FDM）是由 Stratasys 公司于 20 世紀 80 年代中后期發(fā)明的一種快速成型開發(fā)技術(shù)。熔融沉積成型設(shè)備采用成卷的絲或金屬絲作為材料供應(yīng)給擠壓噴嘴，噴嘴加熱融化材料，并在計算機輔助制造軟件的控制以及步進電機或伺服電機的驅(qū)動下，沿水平和用工業(yè)級熱作為成型材料的積層制造方法，打印出的物件可耐受高熱、腐蝕性化學物質(zhì)、抗菌和機械應(yīng)力，被用于制造概念模型、功能原型，甚至直接制造零部件和生產(chǎn)工具。FDM技術(shù)被Stratasys 公

8、司的Dimen、uPr和Fortus 全線產(chǎn)品以及惠普大幅面打印機作為核心技術(shù)所采用。2012 年 3 月發(fā)布的超大型快速垂直方向移動。熱塑性材質(zhì)的小珠子被從成型系統(tǒng) Fortus 900mc，代表了FDM 技術(shù)噴嘴中擠出，形成層并迅速硬化，打印完畢后，拿掉固定在零件或模型外部的支撐材料即可。目前，F(xiàn)DM 技術(shù)可打印的材料包括丙烯腈-的最高成型精度、成型尺寸和產(chǎn)能，成型尺寸高達 914.4609.6914.4mm，打印誤差為每 mm+0.089mm 或+0.0015mm,層厚最小僅為 0.178mm，被用于打印真正的產(chǎn)品級零部件。2.2 粒狀物料成型技術(shù)：SLS、DMLS、EBM、PP（1）激

9、光燒結(jié)烯-苯乙烯共聚物（通常稱為 ABS 工程聚碳酸酯、聚乳酸、聚苯砜等。）、與其他的三維打印技術(shù)相比，F(xiàn)DM 是唯一使第 2 頁 共 6 頁類型技術(shù)基本材料擠出成型熔融沉積(FDM)熱塑性（如 PLA、ABS）、共融金屬、可食用材料粒狀物料成型直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)幾乎任何金屬合金熔煉 (EBM)鈦合金選擇性熱燒結(jié) (SHS)熱塑性粉末選擇性激光燒結(jié) (SLS)熱塑性、金屬粉末、陶瓷粉末基于粉末床、噴頭和石膏的三維打印(PP)石膏光聚型光成型 (SLA)光敏聚合物數(shù)字光處理 (DLP)液體樹脂層壓型層壓板制造 (LOM)紙、金屬箔、薄膜3D 打印技術(shù)國內(nèi)外最新進展及未來趨勢法是有選擇性

10、在顆粒層中融化打印材料。在這種方法中，未融化的材料被作為生成物件的支撐或薄壁，從而減少對其他支撐材料的需求。通常采用激光來燒結(jié)材料并形成固體，例如：選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)，主要采用金屬和聚合物作為打印材料，具體包括尼龍、添實現(xiàn)。該技術(shù)由于具有成型過程自動化程度高、制作原型表面質(zhì)量好、尺寸精度高以及能夠?qū)崿F(xiàn)比較精細的成型尺寸等特點，而成為廣泛應(yīng)用的快速成型工藝方法。但 SLA 系統(tǒng)是對液態(tài)光敏聚合物進行操作的精密設(shè)備，對工作環(huán)境要求苛刻。而且成型件多為樹脂類，強度、剛度、耐熱性有限，不利于長時間保存。Objet 公司的 PolyJet 系統(tǒng)是一種噴頭打印機技術(shù)，目前已實現(xiàn)以 1630m 的

11、超薄層噴射光敏聚合物材料，并層層構(gòu)建到托盤上，直至部件制作完成。每一層光敏聚合物在噴出時即采用紫外線光 ，打印出的物件即為完全加玻璃的尼龍、剛性玻璃、聚醚醚酮、聚苯乙烯、尼龍及鋁粉的混合材料、尼龍及碳纖維的混合材料、人造橡膠等，3D Systems 公司的 sPro 系列 3D 打印機即采用 SLS 技術(shù)實現(xiàn)；直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）技術(shù)，已實現(xiàn)可打印幾乎任何金屬合金，有代表性的是德國司的直接金屬激光燒結(jié)設(shè)備。EOS公凝固的模型，無需后。被設(shè)計用來支撐復(fù)雜（2）熔煉熔煉（EBM）技術(shù)是一種金屬部件的幾何形狀的凝膠體支撐材料，通過手剝和水洗即可除去。（2）數(shù)字光處理在數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)

12、中，大桶的物體聚合物被在數(shù)字光處理投影機的安全燈環(huán)積層制造技術(shù)，可打印材料如鈦合金等熔煉技術(shù)通過高真空環(huán)境下的將融化的金屬粉末層層疊加。與直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)低于的生產(chǎn)環(huán)境有所不子束熔煉技境下，的液體聚合物快速變硬。然后，設(shè)備術(shù)生產(chǎn)出的物件密度高、無空隙且非常堅固。采的構(gòu)建盤以較小的增量向下移動，液體聚合物用熔煉技術(shù)的代表設(shè)備為瑞典ARCAM公再次在光線下。這個過程被不斷重復(fù)，直到司的 EBM 系統(tǒng)。（3）噴頭式粉末打印模型建成。最后排除桶中的液體聚合物，留下實體模型。采用 DLP 技術(shù)的代表設(shè)備是德國另法是噴頭式粉末 3D 打印技術(shù)。使EnviTec 公司的 Ultra 3D 打印機數(shù)字光處

13、用這種技術(shù)的 3D 打印機每次噴一層石膏或者樹脂粉末，并通過橫截面粘合。重復(fù)該過程，直到打印完每一層。此技術(shù)允許打印全色彩原型和理快速成型系統(tǒng)。3 3D 打印技術(shù)的最新應(yīng)用彈性部件，將蠟狀物、熱固性樹脂和加入粉3.1 3D 打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用歐美已將 3D 打印技術(shù)視為末一起打印還可以增加強度。采用噴頭式粉末成型打印技術(shù)的代表設(shè)備為 3D Systems 公司的ZPrer 系列 3D 打印機。航空航天領(lǐng)域水平的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。3D 打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在 3 類：外形驗證、直接產(chǎn)品制造和精密熔模鑄造的原型制造等。（1）國外應(yīng)用情況日前，歐洲空間局（ESA）的“以實現(xiàn)高技術(shù)金

14、屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)與零浪費為目標的增材制造項目”（AMAZE）提出，將首次實現(xiàn) 3D 打印金屬件的大規(guī)模生產(chǎn)。這些 3D 打印的金屬零部第 3 頁 共 6 頁2.3 光聚（1）光光聚 體部件的光型技術(shù)：SLA、DLP成型型的主要實現(xiàn)途徑是用于生產(chǎn)固成型 (SLA)技術(shù)。SLA 技術(shù)最早由3D Systems 公司成功商業(yè)化，其 Projet系列和 iPro 系列 3D 打印設(shè)備均采用 SLA 技術(shù)3D 打印技術(shù)國內(nèi)外最新進展及未來趨勢（1）醫(yī)學模型快速建造。件可用于噴氣式飛機、航天器以及核聚變等項目。波音公司已經(jīng)利用三維打印技術(shù)制造了大約 300 種不同的飛機零部件，包括將冷空氣導(dǎo)入電子設(shè)備的形

15、狀復(fù)雜導(dǎo)管。目前波音公司和醫(yī)學、模型、用品等材料可通過 3D 打印獲得。利用 3D 打印技術(shù)，可將計算機影像數(shù)據(jù)信息形成實體結(jié)構(gòu)，用于醫(yī)學教學和手術(shù)模擬。傳統(tǒng)醫(yī)學教學模型制作方法時間長，且搬運過程容易損壞，使用 3D 打印技術(shù)，可有效減少制作時間，根據(jù)需要隨時制作，并降低搬運損壞的風險。目前，3D 打印醫(yī)學模型已獲得較好的技術(shù)支持，具備一定的打印速度，能使用多種材質(zhì)進行打印，應(yīng)用程度高，有著很好的應(yīng)用前景。霍尼韋爾正在利用 3D 打印技術(shù)打印出機翼等更大型的產(chǎn)品?？湛驮?A380 客艙里使用 3D 打印的行李架，在“臺風” 戰(zhàn)斗機中也使用了 3D 打印的空調(diào)系統(tǒng)?？湛凸咀罱岢?“透明飛機概

16、念”計劃，制定了一張“路線圖”，從打印飛機的小部件開始，一步一步發(fā)展，最終在 2050 年左右用 3D 打印機打印出整架飛機。“概念飛機”本身有許多令人眼花繚亂的復(fù)雜系統(tǒng)，比如仿生的彎曲機身，能讓乘客看到周圍藍天白云的透明機（2）組織組織代替品制作。代替物的材料要求很高，實現(xiàn)難度大。但目前已有一些成功案例，比如骨骼，制作義肢等。比如，某塊骨骼缺失或損壞需要置換，首先可掃描對稱的骨骼，形成計算機圖形并做對稱變換，再打印制作出相應(yīng)骨骼。與傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)不需要先制作模具，可直接打印，建造速度較快。這項技術(shù)可殼等，采用傳統(tǒng)制造許是一條捷徑。（2）國內(nèi)應(yīng)用情況中國航天科技難以實現(xiàn)，3D 打印或應(yīng)用

17、于牙種植、骨骼移植等。身體軟組織制公司六院 7103 廠自行研作亦取得進展，顯示某大學已利用該制的某型號軟管順利通過 2 萬次疲勞試驗考核，各項指標均達到設(shè)計要求。這意味著長期困擾一線職工的軟管工藝攻關(guān)項目獲得成功。這是該廠繼去年年底突破大直徑高溫合金筒體縫焊技術(shù)之后，再次突破小直徑大壁厚異件縫焊工技術(shù)制作出人造耳，與此同時，微型肝臟也已被成功制造。德國利用 3D 打印機等相關(guān)技術(shù)，制作出柔韌的人造，并能使與融合，并同時解決了免遭排斥的問題。該技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用的深入將有藝，進一步了發(fā)制造工藝能力。助于解決當前和今后人造難。（3）臉部修飾與美容。短缺所的困航空航天大學同我國主要飛機設(shè)計研通過

18、“產(chǎn)學研”緊密合作，瞄準大型究所等飛機年等國家需求，歷經(jīng) 17利用 3D 打印技術(shù)制作臉部損傷組織，如耳、鼻、皮膚等，可以得到與患者精確匹配的相應(yīng)組 織，為患者重新塑造頭部完整形象，達到美觀效 果。首先掃描臉部建立起 3D 計算機數(shù)據(jù)，醫(yī)生 可以制作出患者所缺少的部位，重現(xiàn)原來面貌。比起傳統(tǒng)技術(shù)，該方法更精確，材質(zhì)選擇更加多 樣化。隨著 3D 打印技術(shù)所支持材質(zhì)的增多，打 印質(zhì)量的精細化，以及美容市場的壯大，臉部修 飾與美容應(yīng)用將有更加廣闊的天地，應(yīng)用水平第 4 頁 共 6 頁在國際上首次全面突破了鈦合金、強度鋼等難加工大型復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形工藝、成套裝備和應(yīng)用，并已在飛機大型構(gòu)件生產(chǎn)中

19、研發(fā)出五代、10 余型裝備系統(tǒng)，已經(jīng)受近十年的工程實際應(yīng)用考驗，使我國成為迄今唯一掌握大型整體鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)并成功實現(xiàn)裝機工程應(yīng)用的國家。3.2 3D 打印技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用3D 打印技術(shù)國內(nèi)外最新進展及未來趨勢亦將得到進一步提高。3.3 3D 打印技術(shù)在金屬零件制造領(lǐng)域的應(yīng)用金屬零件 3D 打印技術(shù)作為整個 3D 打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著科技發(fā)展及推廣應(yīng)用的需求，利用快速成型直接制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發(fā)展方向。目前可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有：選區(qū)激光熔化（SelectiveLaserMelting，

20、打印機操作可由電腦 CAD 制圖控，建造完畢后建筑體的質(zhì)地類似于大理石，比混凝土 的強度更高，并且不需要內(nèi)置鐵管進行加固。目 前，這種打印機已成功地建造出內(nèi)曲線、分割體、導(dǎo)管和中空柱等建筑結(jié)構(gòu)。由此不難看出，普通 的水泥混凝土可能已經(jīng)不能適應(yīng) 3D 打印建筑技 術(shù)的需要，混凝土組成材料和攪拌方式均需改 變，以適應(yīng) 3D 打印建筑技術(shù)的需要。3D 打印建筑技術(shù)與傳統(tǒng)建筑相比，其優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在速度快可比傳統(tǒng)建筑技術(shù)快 10 倍以上；不需要使用模板，可以大幅節(jié)約成本，并且具有低碳、綠色、環(huán)保的特點；不需要數(shù)量龐SLM ）、選區(qū)熔化（ Electron BeamSelective Melting， E

21、BSM ）、激光近凈成形（Laser Engineered Net Sha，LENS）等。國外對金屬零件 3D 打印技術(shù)的理論與工相對較早，且在近幾年已有多家公司推大的建筑工大提高了生產(chǎn)效率；可以非常藝容易地打印出其他方式很難建造的高成本曲線建筑；可以打印出強度更高、質(zhì)量更輕的混凝土出商品化的設(shè)備。而國內(nèi)的礎(chǔ)的工藝，華南理工大學的主要集中在基重點是 SLM 技建筑物；還可能改變建筑業(yè)的發(fā)展方向采用裝配式建筑。3.5 3D 打印技術(shù)在文化藝術(shù)品領(lǐng)域的應(yīng)用地術(shù)，大學和華以 EBM 技術(shù)為主，南京航空航天技大學主要選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，近期也涉及到 SLM 工藝。西北工業(yè)大學深入了 LENS 工藝。3.

22、4 3D 打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用3D 打印技術(shù)在建筑景觀設(shè)計領(lǐng)域的作用，不只表現(xiàn)在設(shè)計階段，在修改設(shè)計、面對客戶、市場運營等階段，3D 打印技術(shù)也早已滲透至深。在設(shè)計階段，設(shè)計師可以通過 3D 打印技術(shù)快速3D 打印建筑技術(shù)的基本原理是利用3D 打印技術(shù)建造房屋，和其他 3D 打印不同的是，它需要一個巨型的三維擠出機械，并且它擠出的是混凝土，通過與計算機相連接，將設(shè)計藍圖變成實物。雖然在概念上設(shè)計起來很簡單，但實際上實施起來相當復(fù)雜，要解決的技術(shù)問題非常多。Enrico Dini 發(fā)明了世界首臺大型建筑 3D打印機，這臺機器用建筑材料打印出高 4 米的建筑物。這臺打印機的底部有數(shù)百個噴嘴，可

23、噴射出鎂質(zhì)黏合物，在黏合物上噴撒沙子可逐漸鑄成石質(zhì)固體，通過一層層地黏合物和沙子結(jié)合，最終形成石質(zhì)建筑物。工作狀態(tài)下三維打印機沿著水平軸梁和 4 個垂直柱往返移動，打印機噴頭每打印一層時僅形成 5mm10mm 的厚度。打印出模型，以便在和功能上進行設(shè)計、推敲。甚至在物理結(jié)構(gòu)方面，模型的作用也是相當重要的。設(shè)計師可以利用 CAD 生成標準的圖紙，然后通過 3dsMax 軟件制作出完整的建筑物、道路、公共建筑、植物花卉等一些三維模型，再通過 3D 打印技術(shù)打印出模型。這些模型可以讓設(shè)計師對整個環(huán)境的空間、物理結(jié)構(gòu)，甚至是氣候做出微觀的判斷和修正，更有利于設(shè)計師創(chuàng)作出理性、完善的建筑景觀作品。4 3

24、D 打印技術(shù)的發(fā)展趨勢積層制造技術(shù)路線圖對未來 1015 年內(nèi) 3D 打印技術(shù)在設(shè)計、材料、過程控制、生物醫(yī)療、能源和可持續(xù)發(fā)展方面的發(fā)展機會進行第 5 頁 共 6 頁3D 打印技術(shù)國內(nèi)外最新進展及未來趨勢了一些闡述，可據(jù)此判斷出未來 1015 年內(nèi) 3D打印技術(shù)在這幾個方面的發(fā)展趨勢。4.1 設(shè)計工具展現(xiàn)易用性造（BAM）技術(shù)也在之中，這個市場需要 23 年的準備時間。采用 3D 細胞結(jié)集作為 3D 細胞培養(yǎng)物、疾病和藥物的體外模型的技術(shù)設(shè)計和分析能力是產(chǎn)品開發(fā)的，3D 打也得到了廣泛的，BAM 制造 3D 細胞模型的印需要廣泛開發(fā)和運用計算機輔助設(shè)計工具。設(shè)計方面的趨勢包括創(chuàng)建概念設(shè)計方法

25、，幫助市場將在 5 年內(nèi)啟動，以滿足日益增長的 3D 細胞培養(yǎng)和 3D 生物。隨著現(xiàn)物學和 BAM設(shè)計采用 3D 打印技術(shù)探索設(shè)計空間；生成技術(shù)的進步，功能性組織可以在未來 10 年內(nèi)采新的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)，克服現(xiàn)有復(fù)雜幾何形狀實體建模和多種材料的局限性；提供多尺度建模和逆向設(shè)計方法，以協(xié)助掌握復(fù)雜的過程-結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系；創(chuàng)建模型和設(shè)計之間的形狀-性能-工藝的可變性方法等。4.2 材料標準將受到重視雖然已有大量的同質(zhì)與異質(zhì)材料混合物應(yīng)用 BAM 技術(shù)制造，15 年內(nèi)可能會出現(xiàn)4.5 可持續(xù)發(fā)展理念將形成打印。在未來 1015 年，將本著可持續(xù)發(fā)展的原則開展 3D 打印可持續(xù)材料的基礎(chǔ)印的產(chǎn)品和工藝的可持續(xù)性進行，對 3