3D打印技术

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3D打印技术

On 九月 2, 2015, Posted by , in 技术创新, 行业信息, With No Comments

 

上上世纪的思想,上世纪的技术,本世纪的市场
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3D打印技术源自19世纪美国研究的照相雕塑和地貌成型技术,学界将其称为“快速成型技术”。1986年美国科学家查尔斯·胡尔利用一种叫光敏树脂的液态材料,发明出世界上第一台3D打印机。随后胡尔以这种技术为基础成立了世界上第一家3D打印设备公司3D Systems,并于1992年卖出了第一台商业化产品。上世90年代3D技术经历过一波快速发展,例如1989年美国得克萨斯大学卡尔提出选择性激光烧结(SLS)技术,1990年麻省理工学院申请了“三维印刷技术”专利等。本世纪至今全球越来越多的公司先后涉足3D打印制造,目前全球已经产生两家行业巨头Stratasys公司和3D Systems。根据Wohlers Associates统计,2012年3D打印市场规模达到22.04美元,同比增长29%,预计未来3D打印市场将保持快速增长的势头。中国物联网校企联盟把3D打印称作“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,本世纪的市场”。

原理:分层制造,逐层叠加

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“3D打印”是一类将材料逐层添加来制造三维物体的“增材制造”技术的统称,其核心原理是:“分层制造,逐层叠加”,类似于高等数学里柱面坐标三重积分的过程。区别于传统的“减材制造”,3D打印技术将机械、材料、计算机、通信、控制技术和生物医学等技术融合贯通,具有缩短产品开发周期、降低研发成本和一体制造复杂形状工件等优势,未来可能对制造业生产模式与人类生活方式产生重要的影响。

按照3D打印的成型机理,通常将3D打印分为两大类:沉积原材料制造与黏合原材料制造,涵盖十多种具体的三维快速制造技术,较为成熟和具备实际应用潜力的技术有5种:SLA-立体光固化成型、FDM-容积成型、LOM-分层实体制造、3DP-三维粉末粘接和SLS-选择性激光烧结。

特点:技术类型与材料共同决定应用范围

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具体到细分类型,不同的成型原理对材料的要求也不同。目前SLA技术主要采用液态光敏树脂,FDM技术主要使用丝状热熔性塑料,LOM使用薄膜材料,SLS使用金属粉末,而3DP可使用金属粉末或塑料粉末等。反过来讲,材料本身的物理特性又会限制不同技术的应用。

立体光固化成型的成形速度快,精度相对较高,且外形表面好,但限于光敏树脂的物理特性,其3D打印产品主要用于代替熔模精密铸造中的蜡模和原型设计验证方面,而很少作为功能性零件使用。目前3D打印技术中唯一可桌面化的技术是FDM,京东商城所售的3D打印机就是基于这种技术,使用ABS或PLA丝状、线状材料制作玩具;而在工业中FDM使用的丝状才来主要是工程塑料,其产品多为塑料件、铸造蜡模和样件等。SLS是3D技术中最具潜力制备功能性零件的技术,SLS可再细分为金属粉末和粘结剂混合烧结、金属粉末激光烧结和金属粉末压坯烧结;SLS主要优势是制作相对高强度的金属制品,在高端制造领域中完成样件功能试验或装备模拟。南京航空航天大学用Ni基合金混铜粉进行烧结成型的试验,成功地制造出具有较大角度的倒锥形状的金属零件。

比较:与传统制造技术相比,各有用武之地

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传统机械制造是基于削、钻、铣、磨、铸和锻等“减”材制造基本工艺的组合,工件的制造一般要经过多个工艺的组合才能完成。而3D打印技术秉承“分层制造,逐层叠加”核心原理,是一体成型技术,一台3D打印机就可以完成整个工件的制造。从工业应用领域来看,目前3D打印适于小批量、造型复杂的非功能性零部件;大多在汽车、航天等领域内用于制造样件和模具等;而传统的机加工制造就适用于大规模、需要量产的部件,并广泛应用在几乎所有领域。从使用的材料来分析,受制于技术的需要,3D打印技术目前使用的材料多为塑料、光敏树脂和金属粉末等材料,这与传统机加工可以使用几乎任何材料相比要少很多。但3D打印就像其技术特点一样,几乎不产生浪费,材料的利用率可超过95%;而传统的“减”材制造,不同程度要产生许多废料。

趋势:未来可能与传统制造业优势互补


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如今,3D打印技术已经在社会公众中引起了较大的反响,多个企业宣布即将进入或已经进入3D打印领域,业界也有学者认为3D打印将是推动第三次工业革命的重要内容,将在制造业掀起颠覆性的革命。但是,近代装备制造业经过数百年的积累和发展,形成了配套完善、功能齐全产业基础;新世纪以来,传统制造业中不断引入新一代信息技术,正在向智能化、数字化与网络化的现代先进制造业转变。从技术上来说,3D打印技术有待未来突破自身的限制,取代传统制造业的道路也许会很漫长。但3D打印技术可与传统制造业技术互补,共同推进现代制造业的转型。此外,3D打印技术本身也在不断改进,不断有新的应用材料出现,应用领域也在逐步拓展。

全球3D打印市场规模
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未来3D打印市场将保持快速增长的势头

3D打印起源于美国,最初由查尔斯·胡尔(Charles W.Hull)于1986年开发出光固化技术(SLA),并成立3D Systems公司。此后,经过二十多年的发展,技术日臻完善,3D打印有关的产品和服务销售额也不断上升。据Wohlers Associates统计,过去25年(1988-2012)3D打印产品和服务的收入复合年增长率为25.4%,2012年销售额达到22.04美元,相较2011年17.14亿美元的规模增长了29%,过去三年(2010-2012)的复合年增长率达27.4%。未来预计3D市场将保持快速增长的势头,Wohlers Associates预计3D市场的规模将在2017年达50亿美元,2021年达108亿美元。

世界范围内,生产和购买3D打印机最多的国家均是美国,中国所占的份额还很小。截至2011年,全球累计销售的4.9万台专业3D打印机中,有近四分之三十美国制造,以色列和欧洲各国的份额分别占到9.3%和10.2%,而中国3D打印设备仅占到8.6%。如果将2012年被美国Stratasys收购的以色列Objet计入美国,美国所占的市场份额就更大了。此外,美国还是拥有3D打印设备保有量最多的国家,根据《沃勒斯报告2013》的预测,截至2012年底,世界38%的专业工业级3D打印机在美国,中国占到8.7%,此外日本和德国占比也比较大,分别占到9.7%和9.4%。

中国区市场规模目前偏小,但发展速度最快

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2012年全球3D打印的市场规模为22.04亿美元,但中国3D打印市场规模只有10亿元人民币。不过,中国有望在近年跃升为全球最大的3D打印市场。

中国3D打印技术产业联盟秘书长、亚洲制造业协会首席执行官罗军预测,中国的3D打印市场约在三年内会从目前的约10亿元人民币增长到100亿元。

全球3D打印产业的权威研究机构美国沃勒斯公司总裁特里·沃勒斯在会上说,他也看好中国的3D打印市场潜力,但认为中国成为全球相关最大市场可能需要更长时间。该公司已经连续18年发布全球3D打印产业报告,被视为全球3D打印行业的风向标。根据最新报告,2012年全球3D打印设备和服务整体市场为22亿美元,其中,美国约占60%,德国、日本、中国等各约占10%。

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