3D打印應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展問題和對策

1、3D打印應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展問題和對策 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc510121009 一、緒論 PAGEREF _Toc510121009 h 1 HYPERLINK l _Toc510121010 1.1 3D打印技術(shù)簡介 PAGEREF _Toc510121010 h 1 HYPERLINK l _Toc510121011 1.2 國內(nèi)外的支持情況 PAGEREF _Toc510121011 h 1 HYPERLINK l _Toc510121012 1.2.1 美國 PAGEREF _Toc510121012 h 1 HYPERLINK l _Toc510

2、121013 1.2.2 歐盟 PAGEREF _Toc510121013 h 1 HYPERLINK l _Toc510121014 1.2.3 中國 PAGEREF _Toc510121014 h 1 HYPERLINK l _Toc510121015 二、3D打印相關(guān)概述 PAGEREF _Toc510121015 h 2 HYPERLINK l _Toc510121016 2.1 所需要的設(shè)備 PAGEREF _Toc510121016 h 2 HYPERLINK l _Toc510121017 2.2 打印材料 PAGEREF _Toc510121017 h 2 HYPERLINK

3、l _Toc510121018 2.2.1 高分子材料 PAGEREF _Toc510121018 h 2 HYPERLINK l _Toc510121019 2.2.2 金屬材料 PAGEREF _Toc510121019 h 3 HYPERLINK l _Toc510121020 2.2.3 無機(jī)非金屬材料 PAGEREF _Toc510121020 h 3 HYPERLINK l _Toc510121021 2.3 應(yīng)用的領(lǐng)域 PAGEREF _Toc510121021 h 4 HYPERLINK l _Toc510121022 2.3.1 日常生活用品 PAGEREF _Toc5101

4、21022 h 4 HYPERLINK l _Toc510121023 2.3.2 汽車行業(yè) PAGEREF _Toc510121023 h 4 HYPERLINK l _Toc510121024 2.3.3 生物醫(yī)療 PAGEREF _Toc510121024 h 4 HYPERLINK l _Toc510121025 2.3.4 航空航天 PAGEREF _Toc510121025 h 5 HYPERLINK l _Toc510121026 2.3.5 其他領(lǐng)域 PAGEREF _Toc510121026 h 5 HYPERLINK l _Toc510121027 三、當(dāng)前存在的問題 PA

5、GEREF _Toc510121027 h 5 HYPERLINK l _Toc510121028 3.1 成本較高 PAGEREF _Toc510121028 h 5 HYPERLINK l _Toc510121029 3.2 國內(nèi)技術(shù)發(fā)展不成熟 PAGEREF _Toc510121029 h 5 HYPERLINK l _Toc510121030 3.3 技術(shù)單一，效率低下 PAGEREF _Toc510121030 h 6 HYPERLINK l _Toc510121031 四、發(fā)展建議 PAGEREF _Toc510121031 h 6 HYPERLINK l _Toc51012103

6、2 五、結(jié)論 PAGEREF _Toc510121032 h 7一、緒論1.1 3D打印技術(shù)簡介3D打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除( 如車、銑、磨等) 技術(shù)，增材制造是一種“自下而上”材料累加的制造工藝。3D 打印的工作原理類似于噴墨打印機(jī)，但是其所用的“墨”為塑料、樹脂、金屬等材料。具體成型過程為: 先通過計算機(jī)建模軟件建模，或者是對現(xiàn)有的物體進(jìn)行掃描，再將建成的三維模型分區(qū)成逐層的截面，即切片，進(jìn)而指導(dǎo)打印機(jī)利用打印材料進(jìn)行逐層打印，層層疊加成三維立體零件。3D 打印技術(shù)不需要模具、刀具等工具，免除了傳統(tǒng)工藝需要多道加工程序的煩瑣過程。1.2 國內(nèi)外的支持情況1.2.1

7、美國美國是世界上 3D打印技術(shù)最先進(jìn)的國家。2012年 8月,美國總統(tǒng)奧巴馬撥款3 000萬美元，在俄亥俄州建立了國家級 3D打印添加劑工業(yè)研究中心，并計劃累計投入 5億美元資金用于3D打印技術(shù)，以確保美國制造業(yè)不再繼續(xù)轉(zhuǎn)移到中國和印度。2013年 2月 18日，奧巴馬再次在國情咨文演講中強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)的重要性，并指出 ：“制造業(yè)在經(jīng)歷了 10多年就業(yè)人數(shù)不斷減少之后，過去 3年就業(yè)人數(shù)增加了 50萬?，F(xiàn)在我們所能做的就是慶祝這一發(fā)展趨勢。2012年，我們在俄亥俄州的揚(yáng)斯敦成立了首個制造創(chuàng)新中心。一間曾經(jīng)關(guān)閉的倉庫現(xiàn)在成了一流的實驗室，許多新人在這里研發(fā)3D打印技術(shù)，3D打印有可能顛覆我們

8、幾乎所有產(chǎn)品的生產(chǎn)方式。”奧巴馬還宣布再成立 3個這樣的制造中心，美國本土企業(yè)將與美國國防部和能源部合作，目標(biāo)是把在全球化上落后的地區(qū)轉(zhuǎn)變成全球高科技中心。1.2.2 歐盟歐盟地區(qū)研究人員和企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者也將 3D打印制造技術(shù)視作一種重要的新興技術(shù)。與美國相比，歐盟區(qū)域內(nèi)單個國家的實力不強(qiáng)，但歐洲的大學(xué)、企業(yè)和政府實體之間建立了眾多技術(shù)聯(lián)盟。許多大型合作計劃得到了數(shù)百萬美元的資助，包括“大型航空航天部件快速生產(chǎn)計劃”（RAPOLAC），面向大規(guī)?？蛻舳ㄖ坪退幤飞a(chǎn)的“自定制”（Custom Fit）計劃等。1.2.3 中國中國已經(jīng)從戰(zhàn)略高度著手 3D打印技術(shù)的布局，在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“86

9、3”計劃）、國家科技支撐計劃制造領(lǐng)域 2014年度備選項目征集指南（以下簡稱指南）中高端裝備及關(guān)鍵技術(shù)項目明確將 3D打印關(guān)鍵技術(shù)、裝備研制列為重大支持方向，要求聚焦航空航天、模具領(lǐng)域的需求，突破 3D打印制造技術(shù)中的核心關(guān)鍵技術(shù)，研制重點裝備產(chǎn)品，并在相關(guān)領(lǐng)域開展驗證，初步具備開展全面推廣應(yīng)用的技術(shù)、裝備和產(chǎn)業(yè)化的條件。指南明確了面向航空航天大型零件激光熔化成型裝備研制及應(yīng)用、面向復(fù)雜零部件模具制造的大型激光燒結(jié)成型裝備研制及應(yīng)用、面向材料結(jié)構(gòu)一體化復(fù)雜零部件高化定制關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范等 4個支持方向。二、3D打印相關(guān)概述2.1 所需要的設(shè)備3D 打印機(jī)是 3D 打印的核心設(shè)備，主要由高

10、精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成，是集機(jī)械、控制和計算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)的核心靈感來源于笛卡爾機(jī)械坐標(biāo)系，可以沿 X、Y、Z 軸 3 個方向運(yùn)動。目前也出現(xiàn)了少量打印機(jī)是基于極坐標(biāo)系。計算機(jī)軟件是設(shè)計人員用于設(shè)計三維數(shù)字模型，并根據(jù)需要進(jìn)行分層處理和加支撐，轉(zhuǎn)化為可以用于打印的文件。控制軟件是根據(jù)設(shè)計出的三維數(shù)字打印文件，自動控制機(jī)械系統(tǒng)層層打印，最后堆積成產(chǎn)品。3D 打印設(shè)備的制造商主要集中在美國、德國、英國、瑞典、日本等國家，其中美國的 Stratasys 和 3D Systems 兩家公司的產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額。目前國內(nèi)從事 3D 打

11、印設(shè)備的公司多為代理國外的 3D打印機(jī)，自主研發(fā)的 3D 打印機(jī)公司并不多。主要從事工業(yè)級 3D 打印機(jī)設(shè)備制造的有湖南華曙高科技有限責(zé)任公司、陜西恒通智能機(jī)器有限公司、西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司等。2.2 打印材料理論上說，所有的材料都可以用于 3D 打印，但是目前可供打印使用的材料較少，主要有 3 大類:高分子材料、金屬材料和無機(jī)非金屬材料。2.2.1 高分子材料(1) 塑料。在 3D 打印領(lǐng)域，塑料是最常用的打印材料，具有相對密度小、耐蝕性、電絕緣性、減摩、耐磨性好、有消音吸振性能、良好的工藝性能等優(yōu)點。3D 打印常用塑料的種類有: ABS、PC、PA、PLA 等。另外，通過不同比例

12、的材料混合，可以產(chǎn)生出將近上百種軟硬不同的新材料。(2) 光敏樹脂。光敏樹脂主要由光引發(fā)劑、預(yù)聚體、稀釋劑及少量添加劑組成。在一定波長的紫外光照射下立刻引起聚合反應(yīng)完成固化。光敏樹脂一般為液態(tài)，主要應(yīng)用于 SLA 技術(shù)，用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水等制品。國外對于光敏樹脂的研制、開發(fā)、生產(chǎn)，已形成系列產(chǎn)品，而我國對 3D 打印用光敏樹脂的研究較少，且開發(fā)出樹脂的固化質(zhì)量不高，制作的零件精度低，機(jī)械性能不好，毒性較大。(3) 橡膠。普通的橡膠制品大部分使用單一的混合材料，為了滿足橡膠在 3D 打印技術(shù)的要求，需要使用各種配合劑和填充劑，同時還需要經(jīng)過硫化工藝來獲得需要的物理機(jī)械性能、物理化學(xué)性能

13、。目前 3D 打印技術(shù)已成功打印出球靴、衣服等橡膠制品，比較適合于要求防滑或柔軟表面的應(yīng)用領(lǐng)域，如消費類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備、汽車內(nèi)飾和服裝等行業(yè)。2.2.2 金屬材料金屬材料是 3D 打印材料中未來應(yīng)用市場最為廣泛的材料。然而由于金屬材料的 3D 打印的難度較大，目前可以用于打印的金屬材料的種類比較少，主要有不銹鋼、鈦合金、鐵鎳合金、鋁合金等材料。隨著技術(shù)的進(jìn)步和制造業(yè)要求的升級，未來幾年有望看到金屬 3D 打印技術(shù)的市場步入快速成長期。2.2.3 無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能、防火性能、防水性能、抗腐蝕性、耐候性強(qiáng)等優(yōu)點，目前用于 3D 打印的主要有陶瓷、混凝土等材料

14、。3D 打印用的陶瓷材料主要是由陶瓷粉末和粘結(jié)劑組成，一般采用激光燒結(jié)的方式將粘結(jié)劑粉末熔化后將陶瓷粉末粘結(jié)在一起。3D 打印的陶瓷制品具有不透水、耐熱、可回收、無毒、易碎等特點，可以作為理想的餐具、瓷磚、花瓶、藝術(shù)品等家具材料?；炷敛牧鲜钱?dāng)今社會最為重要的土木工程材料之一，但是普通混凝土無法滿足 3D 打印技術(shù)的需要，3D 打印對混凝土的性能提出了進(jìn)一步的要求，體現(xiàn)在新拌混凝土需具有可擠出性、混凝土漿體要具有較好的粘聚性和硬化混凝土的力學(xué)性能及耐久性等方面。只有具備了這些優(yōu)良的性能，才不會出現(xiàn)坍塌、傾斜等中斷打印施工的現(xiàn)象，同時打印出結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高且空隙小。目前 3D 打印房亮相上海，其打印用

15、的“油墨”來自于建筑垃圾與玻璃纖維，在 24 h內(nèi)完成了 10幢 200 m2建筑的“打印”，但其使用的材料和結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性需要進(jìn)一步實驗。目前 3D 打印混凝土技術(shù)正處于研發(fā)試用階段，對于其性能與應(yīng)用均處于探索階段，尚存在原材料及配比問題、成型高度問題、軟件問題等，需要研究者進(jìn)一步的研究和解決。2.3 應(yīng)用的領(lǐng)域2.3.1 日常生活用品杯子、桌椅、玩具、燈具、刀叉、吸塵器、衣柜、家電等家用日常生活用品均可以進(jìn)行個性化設(shè)計，并且用3D 打印技術(shù)打印出來。材料可以選擇用塑料、金屬、陶瓷等?？梢韵胂?3D 打印如果能夠進(jìn)入每個家庭的景象，個性化的設(shè)計充滿了房間的每一個角落，創(chuàng)意無處不在，甚至

16、每個人所用的筷子都是獨一無二的。距離上述景象的出現(xiàn)，3D 打印技術(shù)還有很長的一段路要走，包括 3D打印機(jī)和材料的成本、材料的多樣化、材料的安全性及操作的簡易化等問題均需要一一解決。2.3.2 汽車行業(yè)目前 3D 打印在汽車行業(yè)的主要應(yīng)用為汽車設(shè)計、原型制造和模具開發(fā)。測試樣件和應(yīng)用模具的 3D打印使得設(shè)計者能夠?qū)λO(shè)計的產(chǎn)品有直觀的感受，并且能夠找出其中的問題進(jìn)行優(yōu)化，明顯提高產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計速度。另外，維修環(huán)節(jié)的零部件和個性化汽車部件也可以進(jìn)行直接制造。目前 3D 打印的汽車已經(jīng)試運(yùn)行成功，其中的整個汽車外殼是一體打印，車內(nèi)的零部件是單獨打印，最后結(jié)合其他部件組裝而成。隨著科技的進(jìn)步及人們個性

17、化的要求，3D 打印將在汽車行業(yè)起著越來越重要的作用。2.3.3 生物醫(yī)療3D 打印在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用主要包括構(gòu)建醫(yī)學(xué)模型、人工骨骼、生物器官、牙齒、整形美容等方面。在構(gòu)建醫(yī)學(xué)模型方面，利用 3D 打印技術(shù)，可以用來進(jìn)行包括神經(jīng)外科、脊柱外科、整形外科、耳鼻喉科等外科模擬手術(shù)，以制定最佳手術(shù)方案，提高手術(shù)的成功率。在制造人工骨骼方面，可以根據(jù)患者的具體情況，制造出鈦合金或多孔生物陶瓷等材料的人工骨，然后植入人體，目前該項技術(shù)已日趨成熟，并在多名患者身上成功應(yīng)用。在制造生物器官方面，需要將支架材料、細(xì)胞、細(xì)胞所需營養(yǎng)、藥物等化學(xué)成分在合理的位置和時間同時傳遞，進(jìn)而形成生物器官，目前雖然科學(xué)家們

18、成功用 3D 打印技術(shù)制作出了仿生耳和腎臟等，但是距離實際的應(yīng)用還有很長的距離。在制造牙齒方面，可以對患者的牙齒進(jìn)行掃描，打印制造鈦合金等材料的義齒支架，目前已經(jīng)有專門應(yīng)用于牙科的 3D 打印機(jī)。在整形美容方面，利用掃描設(shè)備對需要整形的部位進(jìn)行掃描，利用計算機(jī)重現(xiàn)原來面貌，之后再進(jìn)行3D 打印缺損部分，目前已經(jīng)成功對多名患者進(jìn)行了整形美容。3D 打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的成效比較顯著，但是目前 3D 打印技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用很大一部分仍處于研究階段。隨著對生物材料、成型分辨率、組織工程血管的制造等醫(yī)學(xué)關(guān)鍵問題的解決，必將推動 3D 打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮出更大的作用。2.3.4 航空航天3D 打印技術(shù)

19、在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在外形驗證、直接產(chǎn)品制造和精密熔模鑄造的原型制造等方面。在國外，波音公司已經(jīng)利用 3D 打印技術(shù)制造出了幾百種不同的飛機(jī)零部件; 在國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)全面突破了鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工大型復(fù)雜關(guān)鍵構(gòu)件的激光成型的關(guān)鍵技術(shù)。隨著材料和技術(shù)的不斷突破，3D打印技術(shù)將在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。2.3.5 其他領(lǐng)域除了上述主要應(yīng)用領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)在房地產(chǎn)、食品、服裝、藝術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。隨著3D 打印的設(shè)備、技術(shù)、材料等方面的進(jìn)一步發(fā)展，3D打印技術(shù)的應(yīng)用將會進(jìn)一步擴(kuò)大，將會拓展到生活、生產(chǎn)的各個方面，直接影響到人們的生活方式和生產(chǎn)模式等方面。三、當(dāng)

20、前存在的問題3.1 成本較高雖然 3D 打印技術(shù)所具備的先天優(yōu)勢對傳統(tǒng)制造業(yè)具有顛覆性的意義，但較高的成本也成為制約其發(fā)展的一大因素。設(shè)備昂貴、材料稀缺、無法大批量生產(chǎn)等，最根本的原因就是 3D打印技術(shù)成本較高。3.2 國內(nèi)技術(shù)發(fā)展不成熟3D打印技術(shù)進(jìn)入我國時間較短，發(fā)展還不成熟，金屬零部件的直接打印更是受到技術(shù)制約。金屬具有高強(qiáng)度的特性，使得打印過程中需要達(dá)到較高的熔點。這就會產(chǎn)生應(yīng)力集中等問題。這一問題不解決，3D 打印技術(shù)在金屬零部件制造方面的瓶頸就不會被打破。3.3 技術(shù)單一，效率低下技術(shù)單一主要體現(xiàn)在當(dāng)前的 3D 打印技術(shù)都要依賴激光作為能量源。雖然激光能量較為集中，但單單依靠這一種

21、不成熟的技術(shù)根本無法滿足國內(nèi)對 3D 打印技術(shù)的需求，同時激光作為能量源這一技術(shù)本身的發(fā)展就存在缺陷，長期使用，其昂貴、維修難度大、技術(shù)應(yīng)用復(fù)雜等缺陷會暴露得更加徹底。此外，利用 3D 打印技術(shù)進(jìn)行制造的過程中，一旦遇到層厚大的物體，其打印精度和打印效率都會大打折扣。就目前的技術(shù)層面，這一問題無法得到根本改善。四、發(fā)展建議3D打印關(guān)鍵技術(shù)主要掌握在美國、日本及歐洲國家手中，特別是美國技術(shù)處于相對成熟期，相應(yīng)的技術(shù)已經(jīng)開始市場化，已經(jīng)基本形成產(chǎn)業(yè)鏈。而國內(nèi)的技術(shù)尚沒有形成完整產(chǎn)業(yè)，只有部分高校和科研機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)研究，尚不能形成產(chǎn)業(yè)，核心技術(shù)的研制和保護(hù)尚需要完整策略，需要加大產(chǎn)學(xué)研合作力度，加

22、大扶植重點企業(yè)的研發(fā)。3D Systems公司和Z Corporation公司的3D打印技術(shù)應(yīng)用研究最成熟，也是市場的領(lǐng)先者。主要技術(shù)優(yōu)勢是彩色三維打印的實現(xiàn)以及擁有的熔融材料高分辨選擇性逐層噴射的關(guān)鍵技術(shù)，上述 2家公司在華申請的專利技術(shù)主要集中在打印設(shè)備、成型方法、成型制品領(lǐng)域。中國在激光直接加工金屬的工藝方面發(fā)展快速，3D打印在中國具有巨大的發(fā)展機(jī)遇。目前技術(shù)研發(fā)的空白點主要體現(xiàn)在打印材料、成型技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等方面。具體而言，包括更為多樣的 3D打印材料，如生物活性材料、傳感器及晶體管材料 ；打印成型新工藝，如并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印 ；設(shè)計和生產(chǎn)控制軟件的集成化，實現(xiàn)遠(yuǎn)程在線制造的新工藝等。產(chǎn)業(yè)應(yīng)用表現(xiàn)在拓展 3D打印技術(shù)在生