增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢

1、Additive Manufacturing Technology and Its Effect on Manufacturing of China.05.29.，Beijing中國航空工業(yè)集團(tuán)企業(yè)北京航空制造工程研究所BAMTRI,AVIC.鞏水利Prof. Dr. GONG Shuili增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第1頁內(nèi) 容 提 要12Development of International534IntroductionTechnical methods and meansDomestic technology developmentsDisparity and suggestions目 錄增材

2、制造技術(shù)發(fā)展趨勢第2頁Additive Manufacturing (AM or 3D Printing)：是人類經(jīng)過對物質(zhì)可控動態(tài)累積以迫近目標(biāo)形體一個生產(chǎn)過程；是與材料去除成形、受迫成形等對應(yīng)科學(xué)技術(shù)體系；是以“堆積”為共同特征技術(shù)群。 一、Introduction增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第3頁Reshaping the global manufacturing competition structure上世紀(jì)美國時代周刊將3D打印列為“美國十大增加最快工業(yè)”英國經(jīng)濟(jì)學(xué)人雜志則認(rèn)為它將“與其它數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推進(jìn)實現(xiàn)第三次工業(yè)革命”Change theproductionand lifemo

3、de in the future社會化制造那么每個人都能夠成為一個工廠它將改變制造商品方式并改變世界經(jīng)濟(jì)格局進(jìn)而改變?nèi)祟惿罘绞?一、 The third industrial revolution ?!增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第4頁一、 Strategic significance of AM for China可成為我國制造業(yè)自主創(chuàng)新有效伎倆；符合綠色制造發(fā)展方向，有利于制造業(yè)可連續(xù)發(fā)展；可促進(jìn)傳統(tǒng)制造技術(shù)水平提升，促進(jìn)制造與服務(wù)融合發(fā)展；有望培育新興產(chǎn)業(yè)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級。An effective way for independent innovation of manufact

4、uring industry for ChinaCompliance with the green manufacturing development, and conducive to the sustainable development of manufacturing industry;Promote the upgrading of traditional manufacturing technology, and the fusion development between manufacturing and service;Expected tocultivate new ind

5、ustries,optimize theindustrial structure and promote industrial upgrading增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第5頁Aerospace高性能金屬零件直接增材制造技術(shù)發(fā)展，為航空航天產(chǎn)品從產(chǎn)品設(shè)計、模型和原型制造、零件生產(chǎn)和產(chǎn)品測試都帶了新思想和技術(shù)路徑，有望大幅縮短航空航天產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)周期the development of direct manufacturing technology of performance parts, new ideas and technical approach are brought into pro

6、duct design, model and prototype manufacturing, parts manufacturing and product testing, which is expected to significantly shorten the research and development cycle of aerospace production. 增材制造大型復(fù)雜發(fā)動機(jī)機(jī)匣鑄造熔模（直徑1.2米原來需要機(jī)加工或模具壓制多個局部結(jié)構(gòu)，然后拼接成整體，精度難以控制，工序繁瑣，周期長，增材制造方法精度高、整體成形、周期短。激光近成形葉片（Optomec企業(yè)），傳統(tǒng)鑄

7、鍛，均需制造復(fù)雜模具，增材制造實現(xiàn)自由成形SLSCast增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第6頁一、Development history of AM technology快速原型/快速成形快速工具/模具/鑄型快速成形直接制造增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第7頁Verificationand presentation of concept概念驗證和展現(xiàn)工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品設(shè)計Design verificationand test設(shè)計驗證和測試重復(fù)設(shè)計和優(yōu)化成型、裝配和功效性測試Productionand manufacturingMolding and secondary operations 制模與二次操作 熱成型 砂型鑄

8、造 金屬鍍層 EDM電極Small batch production,mass production 批量生產(chǎn)失蠟鑄造吹塑制模 塑料擠塑 環(huán)氧制模 一、Major use生產(chǎn)與制造直接制造零件增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第8頁 二、Technical methods and means：Major processTechnologyMaterial CharacteristicsApplications光固化成形（SLA）液態(tài)樹脂精度高；表面質(zhì)量好航空航天、生物醫(yī)學(xué)等激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）高分子、金屬、陶瓷、砂等粉末材料成形材料廣泛、應(yīng)用范圍廣等制作復(fù)雜鑄件用熔?；蛏靶镜燃す膺x區(qū)熔化（SLM）金屬或合

9、金粉末可直接制造高性能復(fù)雜金屬零件用于航空航天、珠寶首飾、模具等熔融沉積制造（FDM）低熔點絲狀材料零件強(qiáng)度高、系統(tǒng)成本低汽車、工藝品等激光近凈成形（LNSF）金屬粉末成型效率高、可直接成形金屬零件航空領(lǐng)域電子束選區(qū)熔化（EBSM）金屬粉末可成形難熔材料航空航天、醫(yī)療、石油化工等電子束熔絲沉積（EBFFF）金屬絲材成形速度快、精度不高航空航天高附加值產(chǎn)品制造分層實體制造（LOM）片材成形速率高、性能不高用于新產(chǎn)品外形驗證立體噴?。?DP）光敏樹脂、粘接劑噴粘接劑時強(qiáng)度不高、噴頭易堵塞制造業(yè)、醫(yī)學(xué)、建筑業(yè)等原型驗證增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第9頁Industry chain of AMUSERpost

10、-treatment and servicesManufacturingEquipmentMaterial Additive manufacturing has a long industry chain, and improves thetechnology and economy.母合金、中間合金、金屬冶煉、粉末、金屬絲材、材料檢測、材料儲運(yùn)激光器、電子槍、成形軟件、機(jī)電控制、傳感器、機(jī)床、裝備集成、真空器件、氣體循環(huán)器件、冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品研制、工藝開發(fā)等、委托加工機(jī)械加工、熱處理、表面處理、無損檢測、性能測試、生物陶瓷、凈化增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第10頁4.4 國際發(fā)展現(xiàn)實狀況European

11、 and American countries have increased their support, and made the national strategies and plans for additive manufacturing development; It has draw more attention of government, research institutions, enterprises and the media.年3月，美國白宮宣告振興美國制造新舉措，將投資10億美金幫助美國制造體系改革，勉勵優(yōu)先發(fā)展增材制造為代表數(shù)字化制造技術(shù)；在全國范圍籌建多個研究與

12、企業(yè)聯(lián)盟英國政府自開始連續(xù)增大對增材制造技術(shù)研發(fā)經(jīng)費，當(dāng)前已在多個大學(xué)建立了增材制造研究中心德國建立了直接制造研究中心，主要研究和推進(jìn)增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)輕量化方面應(yīng)用西班牙也開啟了增材制造專題，研究增材制造共性技術(shù)、材料、技術(shù)交流及商業(yè)模式等內(nèi)容日本一直重視增材制造技術(shù)，研制和應(yīng)用水平走在了亞洲前列三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第11頁Clear development ideas大型運(yùn)輸機(jī)艙體壁板結(jié)構(gòu)航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣Basic research Standard setting Industry app

13、lications Industrial Development三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第12頁Clear development projectsResearch plan of electron beam rapid prototyping made by American NASA三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第13頁Direct manufacturing of performance parts. Performance i

14、s close to the traditional process; Applied in some complicated conditions.英國南安普頓大學(xué)設(shè)計并利用增材制造技術(shù)制造了世界上第一架“3D打印”無人駕駛飛機(jī)，最高時速達(dá)100多公里世界上第一輛“3D打印”賽車“阿里翁”，已在德國霍根海姆賽道完成測試，時速達(dá)141公里4.4 國際發(fā)展現(xiàn)實狀況三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第14頁Europehave carried out extensive esearch 意大利AVIO企業(yè)電子束選區(qū)熔化生產(chǎn)線

15、擁有13臺設(shè)備；英國羅羅企業(yè)正在建立擁有30臺設(shè)備電子束選區(qū)熔化生產(chǎn)線。大推力渦扇發(fā)動機(jī)鈦鋁合金 三四級渦輪葉片 “Rapid manufacturing center of large aerospace parts”， has been established in Additive manufacturing of small and precise structure keeps ahead of the world.空客、羅羅、EADS等企業(yè)飛機(jī)及發(fā)動機(jī)上已經(jīng)有大量應(yīng)用。增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第15頁Solving the manufacturing problems for diff

16、icult-machining materials 。比如，德國EOS企業(yè)開發(fā)選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）增材制造裝備可成形傳統(tǒng)工藝（注塑、擠塑）難加工耐高溫塑料利用基于粉材激光燒結(jié)工藝可成形復(fù)雜高精度零部件，力學(xué)性能較尼龍等塑料高出1倍（拉伸強(qiáng)度達(dá)95MPa，楊氏模量達(dá)4400MPa）尤其是含有優(yōu)異耐高溫性能，可連續(xù)服役于180攝氏度動態(tài)力學(xué)場所、240攝氏度靜態(tài)力學(xué)場所以及260攝氏度電氣場所等三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第16頁Repairing and re-manufacturing high temperat

17、ure parts。以激光、等離子束和電弧等能束增材制造再制造技術(shù)為代表，已應(yīng)用于機(jī)械、能源、船舶等領(lǐng)域關(guān)鍵、高附加值零部件快速修復(fù)美國AeroMet企業(yè)應(yīng)用于F15等戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼梁修復(fù)英國Rolls-Royce企業(yè)用于航空發(fā)動機(jī)葉片修復(fù)激光成形修復(fù)發(fā)動機(jī)零件相比傳統(tǒng)電鍍、熱噴涂等技術(shù)，增材制造技術(shù)使用，實現(xiàn)了高性能、高效率和低成本修復(fù)和再制造三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第17頁Rapid customizing personalized structure in biomedical area 。與生物醫(yī)療技術(shù)相結(jié)

18、合，應(yīng)用于牙齒、骨骼等“人體零部件”修復(fù)或植入手術(shù)中。在過去10余年，增材制造在生物醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用比重約為占全部應(yīng)用15%。增材制造人體修復(fù)體增材制造金屬牙齒已應(yīng)用于人體，并有專用裝備增材制造金屬顱骨修復(fù)體，已獲臨床應(yīng)用增材制造人體關(guān)節(jié)金屬修復(fù)體，已經(jīng)有專業(yè)服務(wù)企業(yè)4.4 國際發(fā)展現(xiàn)實狀況三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第18頁“three-dimensional printing”of micro and nano structures in the field of electronics manufacturing

19、.與電子制造技術(shù)相融合，可應(yīng)用于有機(jī)發(fā)光二極管、薄膜太陽能電池、無芯片RFID標(biāo)簽、柔性顯示器等微納尺度功效性器件“三維打印”與壓膜制版、光刻蝕和鍍膜等工藝相比，增材制造用于電子領(lǐng)域不但降低污染排放，還可提升珍貴材料利用率！增材制造微納電子器件電子電路多層柔性PCB無芯片RFID標(biāo)簽有機(jī)薄膜光伏器件有機(jī)發(fā)光顯示OLED4.4 國際發(fā)展現(xiàn)實狀況三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第19頁P(yáng)roductization and serialization on production and sale of equipments.

20、 歐美及日本在該領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，已形成了眾多專業(yè)化和規(guī)模化裝備生產(chǎn)企業(yè)。近年來，開始出現(xiàn)著名企業(yè)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合與吞并態(tài)勢，深入加大了地域不平衡和技術(shù)壟斷程度美國3D Systems企業(yè)生產(chǎn)和銷售三種工藝類型、數(shù)十種型號增材制造裝備僅SLS工藝裝備就有9種型號企業(yè)于2月吞并了辦公型三維打印裝備著名企業(yè)美國ZCorp企業(yè)美國Stratasys企業(yè)專營低成本熔融沉積（FDM）工藝裝備是全球累計銷售裝備數(shù)量最多企業(yè)，占總應(yīng)用量約40%4月，企業(yè)吞并了桌面型三維打印裝備著名企業(yè)以色列Objet企業(yè)德國EOS企業(yè)專門生產(chǎn)和銷售SLS、SLM裝備共有六種型號成形材料包含高分子、砂、金屬及其復(fù)合材料4.4 國

21、際發(fā)展現(xiàn)實狀況三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第20頁Equipments are developing to specialization. 如德國EOS企業(yè)提供專門用于工業(yè)應(yīng)用級金屬牙齒激光增材制造裝備鑄造成本低，但工藝繁瑣，周期長，難以個性化制造；機(jī)加工精度高，但材料浪費嚴(yán)重SLM工藝簡單、個性化制造、材料利用率高、零件性能好4.4 國際發(fā)展現(xiàn)實狀況三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第21頁Equipments expand from re

22、search and industry high-end types to mass consumption type.歐美發(fā)達(dá)國家開始重視低成本（幾萬甚至幾千人民幣）增材制造裝備研制與產(chǎn)業(yè)化，促使增材制造技術(shù)從試驗室和工廠走向辦公室甚至是家庭美國ZCorp企業(yè)（并入3D Systems企業(yè)）生產(chǎn)辦公型三維打印裝備類似于打印機(jī)，可用于多類型塑料彩色零件增材制造 美國MakerBot企業(yè)生產(chǎn)簡易型裝備設(shè)備，可低成本制造塑料零件 三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第22頁Form relatively integrated

23、industry chain including equipments, materials, software, services.世界著名增材制造裝備生產(chǎn)企業(yè)超出30余家，主要分布在美國、德國、英國及日本等少數(shù)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有專業(yè)增材制造材料生產(chǎn)企業(yè)，如瑞典Sandvik企業(yè)提供微細(xì)金屬粉末專業(yè)增材制造軟件企業(yè)，如比利時Materialise企業(yè)提供增材制造工藝與控制軟件三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第23頁Industry and markets have achieved certain scale, and

24、annual output value is growing at double-digit rates.1989年-年，增材制造裝備銷售量平均年增加率高達(dá)31.6%，自后以更加快速度遞增年，增材制造產(chǎn)品及服務(wù)產(chǎn)值較前一年增加了29.4%三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第24頁Mix of multidiscipline such as numerical control, new materials, new energy etc.Application areas include aerospace, automo

25、bile, mould, biomedical, electronic, construction, consumer products, education, official business etc.Application area distribution多軸聯(lián)動、高速掃描控制、高精密傳動等數(shù)控技術(shù)微細(xì)金屬粉末、光敏樹脂、水溶噴印樹脂等新材料及其制備技術(shù)高能束激光、電子束、等離子等新能源技術(shù)4.4 國際發(fā)展現(xiàn)實狀況三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第25頁Technology: 從快速原型、工藝輔助等間接制造發(fā)展

26、為零部件直接制造，新材料、新器件、新產(chǎn)品不停出現(xiàn)；Equipment: 向產(chǎn)品化、系列化和專業(yè)化方向發(fā)展；從科研和工業(yè)等高端型向辦公和個人消費等大眾化型拓展；Industry: 形成了集裝備、材料、軟件、服務(wù)于一體產(chǎn)業(yè)鏈，初具產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場銷售；Standards: 已公布較成熟、成系列相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并已開始了國際標(biāo)準(zhǔn)制訂；Application: 多學(xué)科交叉融合發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不停擴(kuò)大。三：Development and trends of International AM增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第26頁四 . Our development situation電子束熔絲沉積成形：北京625所19

27、901995電子束選區(qū)熔化成形：清華大學(xué)北京625所西北有色院中科院金屬所快速原型：清華大學(xué)西安交大華中科大中北大學(xué)北京625所北京隆源企業(yè)金屬激光成形：西工大北京有色院北京625所華中科大華南理工北京殷華企業(yè)大型結(jié)構(gòu)激光成形：北航西工大北京625所激光成形大型航空鈦合金結(jié)構(gòu)裝機(jī)應(yīng)用：北京航空航天大學(xué)電子束熔絲沉積成形鈦合金結(jié)構(gòu)及激光選區(qū)熔化成形精密結(jié)構(gòu)裝機(jī)應(yīng)用 北京625所Some related research institutes and bases are built增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第27頁Development of additive manufacturing equipme

28、nts relying on universities and research institutes under financial support of national projects.代表性單位有：西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、西北有色金屬研究院，等等。四. Our development situation625所EBRM設(shè)備625所SLM設(shè)備增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第28頁State-of-the-art is transiting from rapid prototyping to compone

29、nts direct manufacturing. Areas on high performance placitics and metal components are developing rapidly. Some exceed international level. However, generally speaking, there is still big room for improvement.制作飛機(jī)風(fēng)洞模型，輔助新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計與快速開發(fā)用于汽車、家電和數(shù)碼等快速更新?lián)Q代行業(yè)中新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)快速驗證，如海爾等主要企業(yè)均建立增材制造技術(shù)中心輔助汽車發(fā)動機(jī)缸體缸蓋等復(fù)雜鑄件

30、蠟型和砂型快速制造，二汽、玉柴等相關(guān)企業(yè)均設(shè)置了專門增材制造部門四. Our development situation增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第29頁There is big improvement room for additive manufacturing equipments. Industrial chain needs to be established involving materials, hardware, software and services.Equipment usage distribution of international additive manufact

31、uringEquipment production distribution of international additive manufacturing截止底，我國增材制造裝備使用量占全球份額8.6%，裝備產(chǎn)量僅占世界總量3.6%。說明我國使用不到10%裝備還 有超出二分之一依賴于進(jìn)口！我國增材制造裝備應(yīng)用量和生產(chǎn)量都有較大提升空間4.5 我國發(fā)展情況四. Our development situation增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第30頁四. Our general situation4.5 我國總體情況Research condition: 形成了一批各具特色研發(fā)機(jī)構(gòu)，并研發(fā)成功了一批增材制

32、造裝備；Technological level: 總體上還處于從模型制作向零部件直接制造過渡階段，部分指標(biāo)達(dá)世界領(lǐng)先水平；Application and industry: 在經(jīng)典關(guān)鍵領(lǐng)域進(jìn)行了局部應(yīng)用，但缺乏產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)規(guī)模提升空間大?。籗tandards: 已開始了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制訂工作，但起步較晚，標(biāo)準(zhǔn)包括內(nèi)容較分散，未形成成套系列化標(biāo)準(zhǔn)。增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第31頁4.6 我國面臨主要差距Weakness of theoretical research: 在基礎(chǔ)理論與成形機(jī)理研究方面，我國在一些局部點上開展研究，但國外研究更基礎(chǔ)、更系統(tǒng)和更深入Lack of key generic tech

33、nology research: 國外基于成熟理論基礎(chǔ)上工藝控制，成形精度、制件性能以及工藝穩(wěn)定性高Weakness of materials research: 增材制造用材料與傳統(tǒng)工藝所用材料有較大差異，我國與國外相比不論是種類還是質(zhì)量上都有差距Low equipment level: 大部分增材制造工藝裝備國內(nèi)都有研制，但在成形精度和智能化程度以及材料適應(yīng)范圍方面與國外先進(jìn)水平相比存在差距Core components rely on import: 激光器、精密光學(xué)器件等裝備關(guān)鍵元器件依靠進(jìn)口五. Our gap, solution and suggest增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第32頁AdvantagesOpportunitiesThreatsDisadvantages行業(yè)需求背景與支持推進(jìn)明確產(chǎn)品需求和強(qiáng)勁研發(fā)動力強(qiáng)大扎實領(lǐng)先技術(shù)實力自主知識產(chǎn)權(quán)軟件平臺前期研發(fā)經(jīng)驗與教訓(xùn)現(xiàn)環(huán)境下低盈利甚至負(fù)盈利市場份額抵達(dá)市場時間國內(nèi)市場需求大而緊迫 國際主要競爭產(chǎn)品能力有限，產(chǎn)品能力低端航空產(chǎn)業(yè)需求旺盛現(xiàn)有商品無法滿足需求國際國內(nèi)同行快速研發(fā)競爭高端產(chǎn)品性能 Analysis on advantages, disadvantages, opportunities and threats增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢第33頁Aerospace飛機(jī)大