增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)機(jī)械設(shè)計(jì)教研室學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)內(nèi)容知道增材制造技術(shù)發(fā)展目標(biāo)與方向知道增材制造技術(shù)的應(yīng)用瓶頸知道增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)一個(gè)體溫槍多少錢(qián)？一個(gè)體溫槍多少錢(qián)？一個(gè)體溫槍多少錢(qián)？你會(huì)選擇3D打印的體溫槍嗎？0技術(shù)概述增材制造(additivemanufacturing，AM)技術(shù)(也稱為3D打印技術(shù))是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的新型制造技術(shù)。2013年美國(guó)麥肯錫咨詢公司發(fā)布的“展望2025”報(bào)告中，將增材制造技術(shù)列入決定未來(lái)經(jīng)濟(jì)的十二大顛覆技術(shù)之一。目前，增材制造成形材料包含了金屬、非金屬、復(fù)合材料、生物材料甚至是生命材料，但目前來(lái)說(shuō)，增材制造技術(shù)所用的材料種類(lèi)還不能和傳統(tǒng)制造方法的材料相提并論。成形工藝能量源包括激光、電子束、特殊波長(zhǎng)光源、電弧以及以上能量源的組合，成形尺寸從微納米元器件到10m以上大型航空結(jié)構(gòu)件，為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展以及傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了巨大契機(jī)。0技術(shù)概述從總體研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)看，與大多數(shù)“一帶一路”新興國(guó)家相比，我國(guó)增材制造技術(shù)處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，但與歐洲、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)地區(qū)和國(guó)家相比，我國(guó)在基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵工藝技術(shù)以及高端裝備等方面仍存在較大的差距。在高端增材制造裝備商業(yè)化銷(xiāo)售市場(chǎng)，美國(guó)和德國(guó)還占據(jù)著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；我國(guó)高端增材制造裝備7的核心元器件和商用軟件還依賴進(jìn)口。歐美日等發(fā)達(dá)地區(qū)和國(guó)家在增材制造與激光制造基礎(chǔ)理論、核心器件、工藝和裝備、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等方面均處于領(lǐng)跑水平。目前，中國(guó)的3D打印應(yīng)用主要集中在家電及電子消費(fèi)品、模具檢測(cè)、醫(yī)療及牙科正畸、汽車(chē)及其他交通工具、航空航天等領(lǐng)域。1發(fā)展現(xiàn)狀1.1生產(chǎn)成本高主要體現(xiàn)在原材料價(jià)格、生產(chǎn)速度、成型尺寸、投資成本和準(zhǔn)入門(mén)檻方面。增材制造使用的原材料形態(tài)與性能尚無(wú)普及性的通用標(biāo)準(zhǔn)，部分3D打印材料的參考價(jià)格如下表所示：8序號(hào)材料類(lèi)型價(jià)格[元/克]備注序號(hào)材料類(lèi)型價(jià)格[元/克]備注1高韌性樹(shù)脂1.5進(jìn)口白色樹(shù)脂7346L不銹鋼3.6SLM工藝2國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂1普通白色樹(shù)脂8鋁合金9SLM工藝3PU聚氨酯50CLIP9尼龍2.4惠普4全彩打印15Polyjet工藝10紅蠟6DLP工藝5鈦合金30SLM工藝11ABS2國(guó)產(chǎn)6PLA0.65FDM12進(jìn)口ABS6.5FDM1發(fā)展現(xiàn)狀1.1生產(chǎn)成本高3D打印設(shè)備的打印速度與其他制造方式相比，制造階段所花費(fèi)的時(shí)間比較漫長(zhǎng)，導(dǎo)致設(shè)備和廠房的折舊率非常高，以下為鉑立特公司的金屬打印機(jī)參數(shù)：91發(fā)展現(xiàn)狀1.1生產(chǎn)成本高相對(duì)于商業(yè)化產(chǎn)品生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，投資依然較高，設(shè)備的產(chǎn)出能力和產(chǎn)品的售價(jià)相比，不具備吸引力。除某些對(duì)價(jià)格不敏感的產(chǎn)品外，一般產(chǎn)品難以應(yīng)用，3D打印設(shè)備的價(jià)格還需進(jìn)一步降低以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要。10成型范圍：A：600x600x400mm

B/D：600x600x400mm

C/C2：600x600x100mm成型精度：L<100mm:±0.1mmL≥100mm:±0.1%xL

層厚：0.05-0.25mmZ軸定位精度：≤±8μm光斑直徑：0.12-0.80mm1發(fā)展現(xiàn)狀1.2可用材料有限不同3D打印技術(shù)所適用的材料是有限的，與社會(huì)上各應(yīng)用領(lǐng)域成千上萬(wàn)種的材料相比，可打印材料少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。以stratasys公司為例，F(xiàn)DM耗材包括ABSplus、PC、ABS、PC-ABS、PC-ISO、ABS-M0、PLA、ABS-ESD7、ASA、PPSF/PPSU、ULTEM?9085resin、FDM尼龍6、ULTEM?1010resin、FDM尼龍12、FDM尼龍12CF、ST130、TPU92A彈性材料等。111發(fā)展現(xiàn)狀1.2可用材料有限區(qū)別于傳統(tǒng)材料，增材制造對(duì)材料的性能和適用性要求更高，這跟材料成形疊加的過(guò)程密切相關(guān)。目前針對(duì)增材制造專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的材料還相對(duì)較少，材料成形后的性能和精度不能滿足直接使用的要求，同時(shí)能夠進(jìn)行彩色3D打印的材料還較為單一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。121發(fā)展現(xiàn)狀1.3工藝及裝備不成熟3D打印工藝與裝備目前的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在工藝技術(shù)不夠穩(wěn)定、質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制方法欠缺、后處理工序復(fù)雜、工具與軟件的限制四個(gè)方面。工藝技術(shù)不夠穩(wěn)定，主要是指同一型號(hào)設(shè)備生產(chǎn)的不同批次產(chǎn)品的穩(wěn)定性、重復(fù)性和統(tǒng)一性不能保持一致，同樣問(wèn)題還存在于不同型號(hào)機(jī)器生產(chǎn)的產(chǎn)品中。131發(fā)展現(xiàn)狀1.3工藝及裝備不成熟3D打印工藝與裝備目前的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在工藝技術(shù)不夠穩(wěn)定、質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制方法欠缺、后處理工序復(fù)雜、工具與軟件的限制四個(gè)方面。質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制是指在成形過(guò)程中對(duì)制品成形質(zhì)量的一個(gè)監(jiān)測(cè)控制，目前3D打印過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題還無(wú)法實(shí)時(shí)控制，打印成功率還有待提高。141發(fā)展現(xiàn)狀1.3工藝及裝備不成熟3D打印工藝與裝備目前的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在工藝技術(shù)不夠穩(wěn)定、質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制方法欠缺、后處理工序復(fù)雜、工具與軟件的限制四個(gè)方面。3D打印工藝能夠?qū)崿F(xiàn)制件的自由成形，釋放人們的創(chuàng)意思維，但依然需要專(zhuān)業(yè)的人員進(jìn)行CAD模型設(shè)計(jì)，這對(duì)于非專(zhuān)業(yè)人士是無(wú)法逾越的障礙。151發(fā)展現(xiàn)狀1.3工藝及裝備不成熟3D打印工藝與裝備目前的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在工藝技術(shù)不夠穩(wěn)定、質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制方法欠缺、后處理工序復(fù)雜、工具與軟件的限制四個(gè)方面。3D打印理論上能夠成形任意制品，但是制造出的制品一般不能直接使用，還需要進(jìn)行剝離支撐、二次固化、表面涂覆等后處理操作，影響了生產(chǎn)效率并增加了生產(chǎn)成本，此外還可能引入新的變量因素，影響產(chǎn)品質(zhì)量。161發(fā)展現(xiàn)狀1.4標(biāo)準(zhǔn)體系缺失材料、工藝、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的缺乏增材制造技術(shù)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)還比較缺乏，主要是材料—工藝—性能相互關(guān)系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏，對(duì)材料的局限性和優(yōu)點(diǎn)認(rèn)知不足，有限的數(shù)據(jù)不足以建立精確詳盡的數(shù)學(xué)模型，降低了對(duì)產(chǎn)品性能的預(yù)測(cè)能力。標(biāo)準(zhǔn)/認(rèn)證的缺失相比傳統(tǒng)制造技術(shù)，增材制造技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證還很少，使得零部件的定量檢測(cè)、對(duì)比都比較困難。增材制造的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)也十分缺乏，目前還沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)化的材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)，無(wú)法對(duì)設(shè)備或工藝水平進(jìn)行認(rèn)證。171發(fā)展現(xiàn)狀1.4標(biāo)準(zhǔn)體系缺失材料、工藝、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的缺乏標(biāo)準(zhǔn)/認(rèn)證的缺失181發(fā)展現(xiàn)狀1.5商業(yè)推廣障礙1.技術(shù)就緒指數(shù)較低19“技術(shù)就緒指數(shù)”(縮寫(xiě)“TRL”)，，是一種衡量技術(shù)發(fā)展(包括材料、零件、設(shè)備等)成熟度的指標(biāo)，為部分美國(guó)聯(lián)邦政府的機(jī)構(gòu)及國(guó)際公司所使用。一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)一個(gè)新的技術(shù)被發(fā)明或概念化時(shí)，不可能立即應(yīng)用，新的技術(shù)必須經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，以及實(shí)際測(cè)試，在充分證明了可行性后才會(huì)被整合到實(shí)際系統(tǒng)之中。根據(jù)TRL的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，增材制造技術(shù)的就緒指數(shù)仍然處于較低的位置，華胥引政府、企業(yè)和民間合力進(jìn)行推動(dòng)。1發(fā)展現(xiàn)狀1.5商業(yè)推廣障礙1.技術(shù)就緒指數(shù)較低20技術(shù)就緒指數(shù)定義1基本原理得到觀察和報(bào)告被認(rèn)為是可以變成一個(gè)應(yīng)用程序或一個(gè)概念的研究和發(fā)展計(jì)劃下的基礎(chǔ)科學(xué)研究。2技術(shù)的概念或應(yīng)用得到制定提出一個(gè)對(duì)當(dāng)前研究的實(shí)際應(yīng)用的想法，但還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證明或研究支持這一想法。3概念或應(yīng)用通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)得以證明開(kāi)始積極研究和開(kāi)發(fā)，包括分析實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)的研究，以驗(yàn)證最初的想法，提供一個(gè)初始的“概念證明”。4基本原型在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中得到驗(yàn)證擬采用的技術(shù)的基本例子被建成并投入測(cè)試，為能否持續(xù)發(fā)展提供一個(gè)初步的信任投票。5基本原型在相關(guān)環(huán)境中得到驗(yàn)證提出的技術(shù)的更現(xiàn)實(shí)的版本在現(xiàn)實(shí)世界或接近真實(shí)世界的條件下測(cè)試，其中包括在一定程度上與其他操作系統(tǒng)初步集成。6系統(tǒng)或子系統(tǒng)模型或原型在相關(guān)環(huán)境得到展示一個(gè)接近最終版本，但很可能會(huì)有在現(xiàn)實(shí)生活的條件下測(cè)試附加的設(shè)計(jì)變化。7系統(tǒng)模型在空間環(huán)境中得到驗(yàn)證與實(shí)際的產(chǎn)品在此階段盡可能接近的技術(shù)的最終原型在現(xiàn)實(shí)條件下進(jìn)行測(cè)試。8實(shí)際系統(tǒng)完成且經(jīng)過(guò)示范而得到飛行資格該技術(shù)得到全面測(cè)試，而且沒(méi)有必要做進(jìn)一步的重大發(fā)展。其預(yù)期的操作被證明無(wú)重大設(shè)計(jì)問(wèn)題。9實(shí)際系統(tǒng)通過(guò)成功的運(yùn)作而得到認(rèn)證最后運(yùn)營(yíng)版本的技術(shù)通過(guò)正常操作被完全證明，只有輕微的問(wèn)題需要修改。在這一點(diǎn)上，任何進(jìn)一步的技術(shù)改進(jìn)，不管是計(jì)劃內(nèi)的還是計(jì)劃外的，將被視為一個(gè)TRL11發(fā)展現(xiàn)狀1.5商業(yè)推廣障礙2.缺乏相關(guān)的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)和教育增材制造相關(guān)的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)還比較少，使得對(duì)此項(xiàng)技術(shù)感興趣的非專(zhuān)業(yè)人員以及剛剛涉足此領(lǐng)域的新人無(wú)法得到所需的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)和指導(dǎo)，限制了該技術(shù)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，導(dǎo)致一些具有商業(yè)價(jià)值的潛在應(yīng)用沒(méi)有得到實(shí)現(xiàn)。211發(fā)展現(xiàn)狀1.5商業(yè)推廣障礙3.增材制造技術(shù)的認(rèn)知接受程度較低3D打印作為一項(xiàng)新興的制造技術(shù)，近些年知名度有了較大的提升，但是人們對(duì)于技術(shù)的細(xì)節(jié)認(rèn)知還非常有限，人們尚未深刻認(rèn)識(shí)到3D打印技術(shù)和常規(guī)技術(shù)的區(qū)別，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的局限性也認(rèn)知不足，一些行業(yè)對(duì)于3D打印制品的質(zhì)量還存在疑慮。222發(fā)展原則2.1發(fā)展原則任何技術(shù)的發(fā)展，核心的動(dòng)力來(lái)源于現(xiàn)實(shí)的需要和創(chuàng)新的精神，對(duì)于3D打印技術(shù)來(lái)說(shuō)，人們已經(jīng)都意識(shí)到該技術(shù)所蘊(yùn)含的重要價(jià)值，但目前面臨的問(wèn)題還需要社會(huì)整體的一個(gè)努力。從行業(yè)的發(fā)展來(lái)看，技術(shù)的深入發(fā)展需要遵循以下原則。需求牽引與創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)相結(jié)合。政府引導(dǎo)與市場(chǎng)拉動(dòng)相結(jié)合。重點(diǎn)突破和統(tǒng)籌推進(jìn)相結(jié)合。增材制造和傳統(tǒng)制造相結(jié)合。232發(fā)展原則與目標(biāo)2.2發(fā)展目標(biāo)建立較為完善的增材制造產(chǎn)業(yè)體系，整體技術(shù)水平保持與國(guó)際同步，在航空航天等直接制造領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在國(guó)際市場(chǎng)上占有較大的市場(chǎng)份額，形成一批掌握核心技術(shù)的民族企業(yè)。產(chǎn)業(yè)化取得重大進(jìn)展技術(shù)水平明顯提高行業(yè)應(yīng)用顯著深化

研究建立支撐體系243發(fā)展方向3.1專(zhuān)用材料依托高校、科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展增材制造專(zhuān)用材料特性研究與設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)優(yōu)勢(shì)材料生產(chǎn)企業(yè)從事增材制造專(zhuān)用材料研發(fā)和生產(chǎn)，針對(duì)航空航天、汽車(chē)、文化創(chuàng)意、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的重大需求，突破一批增材制造專(zhuān)用材料。25著力突破專(zhuān)用材料類(lèi)別材料名稱應(yīng)用領(lǐng)域金屬材料細(xì)粒徑球形鈦合金粉末、高強(qiáng)鋼、高溫合金等航空航天等領(lǐng)域，高性能、難加工部件與模具的直接制造非金屬材料光敏樹(shù)脂、高性能陶瓷、碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料、彩色柔性塑料以及PC、ABS材料等耐高溫高強(qiáng)度工程塑料航空航天、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)等鑄造用模具開(kāi)發(fā)及功能零部件制造；工業(yè)產(chǎn)品原型制造及創(chuàng)新創(chuàng)意產(chǎn)品生產(chǎn)醫(yī)用材料膠原、殼聚糖等天然醫(yī)用材料；聚乳酸、聚乙醇酸等人工合成高分子材料；鈷鎳合金等醫(yī)用金屬材料仿生組織修復(fù)、個(gè)性化組織、功能性組織及器官等精細(xì)醫(yī)療制造3發(fā)展方向3.1專(zhuān)用材料依托高校、科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展增材制造專(zhuān)用材料特性研究與設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)優(yōu)勢(shì)材料生產(chǎn)企業(yè)從事增材制造專(zhuān)用材料研發(fā)和生產(chǎn)，針對(duì)航空航天、汽車(chē)、文化創(chuàng)意、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的重大需求，突破一批增材制造專(zhuān)用材料。26國(guó)內(nèi)外3D打印金屬材料對(duì)比公司名稱金屬粉末粒徑發(fā)布時(shí)間3Dsystems6-9微米2013鋼研高納10微米2019鉑力特22微米20193發(fā)展方向3.2工藝水平提升積極搭建增材制造工藝技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，建立以企業(yè)為主體，產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，加快提升一批有重大應(yīng)用需求、廣泛應(yīng)用前景的增材制造工藝技術(shù)水平。解決金屬構(gòu)件成形中高效、熱應(yīng)力控制及變形開(kāi)裂預(yù)防、組織性能調(diào)控，以及非金屬材料成形技術(shù)中溫度場(chǎng)控制、變形控制、材料組份控制等工藝難題。273發(fā)展方向3.3核心器件研發(fā)依托優(yōu)勢(shì)企業(yè)，加強(qiáng)增材制造專(zhuān)用材料、工藝技術(shù)與裝備的結(jié)合，研制推廣使用一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的增材制造裝備。重點(diǎn)研制與增材制造裝備配套的嵌入式軟件系統(tǒng)及核心器件，提升軟硬件協(xié)同能力。28類(lèi)別名稱金屬材料增材制造裝備激光/電子束高效選區(qū)熔化、大型整體構(gòu)件激光及電子束送粉/送絲熔化沉積等增材制造裝備非金屬材料增材制造裝備光固化成形、熔融沉積成形、激光選區(qū)燒結(jié)成形、無(wú)模鑄型以及材料噴射成形等增材制造裝備醫(yī)用材料增材制造裝備仿生組織修復(fù)支架增材制造裝備、醫(yī)療個(gè)性化增材制造裝備、細(xì)胞活性材料增材制造裝備等增材制造裝備核心器件高光束質(zhì)量激光器及光束整形系統(tǒng)、高品質(zhì)電子槍及高速掃描系統(tǒng)、大功率激光掃描振鏡、動(dòng)態(tài)聚焦鏡等精密光學(xué)器件、陣列式高精度噴嘴等3發(fā)展方向3.4完善標(biāo)準(zhǔn)體系（1）研究制定增材制造工藝、裝備、材料、數(shù)據(jù)接口、產(chǎn)品質(zhì)量控制與性能評(píng)價(jià)等行業(yè)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。293發(fā)展方向3.4完善標(biāo)準(zhǔn)體系（2）開(kāi)展質(zhì)量技術(shù)評(píng)價(jià)和第三方檢測(cè)認(rèn)證。303發(fā)展方