增材制造(3D打印)國內(nèi)外發(fā)展狀況

-------考試文檔--考試文檔--.增材制造〔3D打印〕技術國外進展狀況--交通大學先進制造技術爭論所2023-07-09一、 概述，AM〕CAD設計數(shù)據(jù)承受材〔切削加工技術，是一種“自下而上”材料累加的制造法。自上世紀80年月末增材制造技術逐步〔legd〔dg、“實dmD〔D〕等。名稱各異的叫法分別從不同側(cè)面表達了該制造技術的特點。美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)F42國際委員會對增材制造和3D打印有明確的概念定義。增材制造是依據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)將材料連接制作物體的過程，相對于減法制造它通常是逐層累加過程。3D打印是指承受打印頭、噴嘴或其它打印技術沉積材料來制造物體的技術，3D打印也常用來表示“增材制造”技術，在特指設備時，3D打印是指相對價格或總體功能低端的增材制造設備。增材制造技術不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設計數(shù)據(jù)在一臺設備上可快速而準確地制造出任意簡潔外形的零件，從而實現(xiàn)“自由制多增材制造設備。目前已有的設備種類到達20多種。這一技術一消滅就取得了快速的進展，在各個領域都取得了廣泛的應用，如在消費電子產(chǎn)品、汽車、航天航空、醫(yī)療、軍工、地理信息、藝術設計等。增材制造的特點是單件或小批量的快速制造，這一技術特點打算了增材制造在產(chǎn)品創(chuàng)中具有顯著的作用。美國《時代》刊將增材制造列為“美國十大增長最快的工業(yè)美國奧巴馬總統(tǒng)在2023年3月9日提出進展美國振興制造業(yè)打算，向美國國會提出“制造創(chuàng)網(wǎng)絡”(NNMI)，打算投資10億美元重振美國制造業(yè)打算。其目0萬美元，企業(yè)配套4000萬元，由國防部牽頭，制造企業(yè)、大學院校以及非贏利組織參與，研發(fā)美國政府已經(jīng)將增材制造技術作為制造業(yè)進展的首要戰(zhàn)略任務賜予支持。美國特地從事增材制造技術技術詢問效勞的 Wohlers協(xié)會在2023年度報告中，對各行業(yè)的應用狀況進展了分析。2023年全球直接產(chǎn)值17.14億美元，2023年增長率29.1%，其中，設備材料：8.34億美元，增長28.0%，效勞產(chǎn)值：8.79億美元，增長30.7%，其進展特點是效勞與設備對半。在應用面消費商品和電子領域仍占主導地位，但是比例從23.7%降低到20.6%；機動車領域從19.1%降低到17.9%；爭論機構(gòu)為7.9%；醫(yī)學和牙科領域從13.6%增加到15.9%；工業(yè)設備領域為12.9%；航空航天領從9.9%增加到12.1%。在過去的幾年中，航空器制造和醫(yī)學應用是增長最快的應用領域世界上各多與地區(qū)都在開發(fā)或應用增材制造技術增材制造系統(tǒng)的數(shù)量確定程度上表現(xiàn)了的經(jīng)濟活力與創(chuàng)力氣自1988～美國、日本、德國、中國成為主要的設備擁有國，其中，美國占全球總設備量的38.3%，中國占8.6%。估量2023年將增長25%至21.4億美元，2023年將到達60億美元?！采锘|(zhì)材料和細胞組織器官。二、增材制造分類得到了快速進展。較成熟的技術主要有以下四種法：光固化成形DepositionModeling，F(xiàn)DM〕。疊層實體制造設備漸漸消落。其他幾種法漸漸向低本錢、高精度、多材料面進展。SL作臺下移一個層厚在固化好的樹脂外表澆注一層的液態(tài)樹脂并利用刮板將樹脂刮平，然后進展一層的掃描和固化，如此重復，直至原型構(gòu)造完成。 SL特點是精度高、外表質(zhì)量好，能制造外形簡潔、特別精細的零件，缺乏是設備和材料昂貴，制造過程中需要設計支撐，加工環(huán)境氣味重等問題。LOM的層面信息通過每一層的輪廓來表示，激光掃描器的動作由這些輪缺點。SLS工藝利用高能量激光束在粉末層外表依據(jù)截面掃描，粉末被燒結(jié)相互SLS形。另外，SLS成形過程中，粉床充當自然支撐，可成形懸臂、空等其他工藝難成形構(gòu)造。但是，SLS技術需要價格較為昂貴的激光器和光路系統(tǒng)，本錢較其他法高，確定程度上限制了該技術的應用圍。FDM是將電能轉(zhuǎn)換為熱能，使絲狀塑料擠出噴頭前到達熔融狀態(tài)。由計算FDM無需價格昂貴的激光器和光路系統(tǒng)，本錢制該技術進展的主要問題。3D打印設備。造〔LaserEngineeringNetShapingLENS〕技術和基于粉末床的選擇性激光熔EBM〕技術。LENS技術能直接制造出大尺寸的金屬零件毛坯；SLM和EBM可制造簡潔精細金屬零件。LENS技術在惰性氣體保護之下，通過激光束熔化噴嘴輸送的粉末流，使其成形難以成形簡潔和精細構(gòu)造，主要用于毛坯成形，且粉末材料利用率偏低。SLM技術利用高能束激光熔化預先鋪在粉床上薄層粉末，逐層熔化積存成形。為了保證金屬粉末材料的快速熔化，SLM材料較高功率密度的激光器，光斑精度可達0.1mm/100mm。該工藝的主要缺陷有金屬球化、翹曲變形及裂紋等，還面臨成形效率低、可重復性及牢靠性有待優(yōu)化等問題。EBM與SLMEBM技術成EBM整機簡潔度增大。電但是，EBM技術還存在如下問題：真空抽氣過程中粉末簡潔被氣流帶走，造成系統(tǒng)污染；在電子束作用下粉末簡潔潰散，因此需預熱到800℃以上，使粉末預先燒結(jié)固化。實行預熱后制造效率高，零件變形小，無需支撐，微觀組織致密；但段時間，降低了零件的成形效率。3D〔Three-dimensionalprinting,3DP〕的產(chǎn)生和應用，增材制造技術的應用圍得到了極大擴展。3DP的工作式類似于桌面打印機。核心局部為假設干細小噴嘴組成的打印系SLA工藝用的液態(tài)光敏樹脂材料；其二，類似于SLSSLA，但實使其固化；然后再由噴嘴噴出下一層截面，進而固化并與上一層粘結(jié)在一起；如此反復，直至實體制件成形完畢為止。當成形材料為粉末時，其成形過程類似使成形制件截面的粉末粘結(jié)成一體；工作臺下降一個層厚，鋪上一層粉，并由與上一層制件實體粘結(jié)為一體；如此反復，直至制件成形完畢為止。該種工藝無需激光器、掃描系統(tǒng)及其他簡潔的傳動系統(tǒng)，構(gòu)造緊湊，體積小，可用作桌面系統(tǒng)，特別適合于快速制作三維模型、復制簡潔工藝品等應用場合。但是，該技術成形零件大多需要進展后處理，以增加零件強度，工序較為簡潔，難以成形高性能功能零件，如金屬零件等。三、增材制造技術進展歷史國外進展歷史第一階段，思想萌芽增材制造技術的核心制造思想最早起源于美國。早在1892年，Blanther在1902年，CarloBaese在一項專利逐層粘結(jié)成三維地形圖的法。直到20世紀80年月末，3D打印制造技術開頭了根本性進展，消滅的專利更多，僅在1986-1998年間注冊的美國專利就達24多項。其次階段，技術誕生1986年美國的Hull制造了年Deckard制造了粉末激光燒結(jié)技術，簡稱SLS；1992年Crump制造了熔融沉積制造技術，簡稱FDM；1993年麻省理工大學的Sachs制造了噴頭打印技術，簡稱3DP。第三階段，裝備推出1988年美國的3DSystems公司依據(jù)Hull的專利生產(chǎn)出了第一臺增材制造裝備SLA250，開創(chuàng)了增材制造技術進展的紀元。在此后的十年中，增材制造技術蓬勃進展，涌現(xiàn)出了十余種工藝和相應的增材制造裝備。 1991年，美國Stratasys的FDM裝備、Cubital的實體平面固化〔SGC，SolidGroundCuring〕裝備和Helisys的LOM裝備都實現(xiàn)了商業(yè)化。1992年，美國DTM公司〔現(xiàn)屬于3DSystems公司〕SLS裝備研發(fā)成功。1994年，德國EOS公司推出了EOSINT型SLS裝D裝備。同年，美國Zcorp公司也公布了Z402型3DP裝備?？傮w上，美國在裝備研制、生起步早，大學研制了LOM裝備，各單位及軍安裝多臺進口SLA裝備，生產(chǎn)力促進90SLA裝備、華中科技大學研制的LOM和SLS裝備以及清華大學的FDM裝備最具代表性。第四階段，大圍應用被越來越多的人熟知。如今由于諸多快速原型和快速制造裝備均以3D打印機示人，最早的3D打印已可被稱為“經(jīng)典3D打印技術”?！芭d3D打印技術”可以2023年，德國成功研制了選擇性激光熔化增材制造裝備〔SLM〕，可成形接近全致密的精細金屬零件和模具，其等一系列技術與裝備涌現(xiàn)出來。這些技術面對航天航空、武器裝備、汽車/模傳統(tǒng)制造工藝面臨的難加工甚至是無法加工等制造難題。國的進展歷史技術爭論，中航625所開展了電子束成形制造爭論，華南理工大學開展了激光金20多個到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的質(zhì)量保證各個層次的爭論工作。近年的國外最進展2023年的增材制造設備市場連續(xù)近年的進展好形勢，銷售數(shù)目和收入的增加讓銷售商從中獲益，進一步推動了美國股票價格的增長。2023年，增材制造20234月，在Materialise公司〔比利時〕的世界大會上，舉辦了一場時裝秀，展出了快速成型制造的帽子和飾品。據(jù)調(diào)查，價格低于2023美元的設備多用于科學爭論或個人，對行業(yè)產(chǎn)值影因其對快速成型行業(yè)的廣泛奉獻被授予行業(yè)成就獎。產(chǎn)業(yè)不斷壯大是設備供給商、效勞供給商以及其他的相關公司。其中最引人注目的是ZCorp.3DSystemStratasys公司與Objet公司合并。DelcamSoftware會在Delcam公司的設計及制造軟件里增加快軟件公司Alibre公司，以實現(xiàn)對計算機關心設計〔CAD〕和3D打印的捆綁。2023年11月，EOS公司〔德國〕宣布該公司已經(jīng)安裝超過1000臺的激光燒結(jié)成型機。11Huntsman公司〔，林地〕與光敏聚合物及數(shù)字快速成型機相關的資產(chǎn)；隨后又宣布兼并3DZCorp〔馬薩諸塞州，伯靈頓市，這次兼并花費了2億美元。名為VeroClear的清楚透亮材料。3DSystems公司也公布了一種名為Accura也公布了一種可使蠟模鑄造鑄模更耐用的型材料——plusCAST。2023年8月，KelyniamGlobal〔不列顛，康涅狄格州〕宣布它們正在制作聚醚醚酮〔PEEK〕顱骨植入物。利用CTMRI數(shù)據(jù)制作的光固化頭PEEK材料植入物。據(jù)估量，這種法會將手術時間降低85％。20236月，Optomec公司〔墨西哥州，阿爾伯克基〕3D打印及保形電子的型大面積氣溶膠噴射打印頭。Optomec公司雖以生產(chǎn)透鏡設備而為快速成型行業(yè)所熟知，但它的氣溶膠噴射打印卻隸屬于美國國防部高級爭論打算局的介觀綜合保形電子〔MICE〕打算，該打算的爭論成果主要應用在3D打印、太陽能電池以及顯示設備領域。產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)：2023年7月，Objet公司公布了一種型打印機——Objet260Connex，該種打印機可以構(gòu)建更小體積的多材料模型。2023年7月，ABSplusStratasys公司還公布了一種適Fortus400mc900mc的型靜態(tài)損耗材料——ABS-ESD7。20239月，打印機。這種單一材料打印機既可以作為一種工具箱使用〔售價0美元，也作為組裝系統(tǒng)使用〔售價2,000美元。Objet公司引入了一種型生物相容性材料——MED610，這種材料適用于全部的PolyJet系統(tǒng)。剛性材料主要面對醫(yī)療及牙科市場。3DSystem公司公布了一種基于覆膜傳輸成像的打印機——PROJET1500，同時也公布了一種從二進制信息到字節(jié)的3D觸摸產(chǎn)品。2023年1月，MakerBot〔布克林，紐約〕推出了售價 1759美元的機器 MakerBotReplicator，與它的前身相比。該機器可以打印更大體積的模型，并且其次個塑料擠出機的噴頭可以更換，從而擠出更多顏色的ABS或PLA。3DSystems公司推出了一種名Cube的單材料、消費者導向型3D打印機，其售價低于$1,300。該機器裝有無線連接裝置，從而具有了從3D數(shù)字化設計庫中下載3D模型的功了100萬美元的uPrint3D打印機訂單以支持國防部的DoD’sSTARBASE打算，該打算的目的是吸引青少年對科學、技術、司(法國)公布了MAGICLF600大框架快速成型機，該成型機可構(gòu)建大體積模型，并具有兩個獨立的5軸把握沉積頭從而可具有圖案壓印修復及功能梯度材料沉積的功能。3DSystems公司推出了一種可用于計算機關心制造程序，如Solidworks，Pro/Engineer的插件——Print3D。通過3DSystems’ProParts公司(俄勒岡州,波蘭市)正式推出了一款彩色3D打印的照片浮雕。先輸入數(shù)字照片，再在24位色打印機ZPrinter上打印，就能形成3D照片浮雕。價格也從最初79美元的3D照片變?yōu)?9美元的3DStratasys公司和Optomec公司展出了帶有保形電子電路〔Optomec’sAerosolJet公司的技術〕的熔化沉積打印的機翼構(gòu)造標準不斷更：2023年7月，同期，美國試驗材料學會〔ASTM〕的快STL文件格式不支持的信息。十月份，美國試驗材料學會國際〔ASTM〕與國際標準化組織〔ISO〕宣布，ASTM國際委員會F42與ISO技術委員會261將在快速成型制造領域進展合作，該合作將降低重復勞動量。此外，ASTMF42還公布了關于坐標系統(tǒng)與測試法的標準術語。四、增材制造技術進展趨勢向日常消費品制造向進展。三維打印是國外近年來的進展熱點。該設備稱中的三維圖形輸出為三維的彩色物體。在科學教育、工業(yè)造型、產(chǎn)