1、1、3D打印技術(shù)的由來,目錄,1.1 什么是3D打印技術(shù) 1.2 3D打印的起源及發(fā)展 1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足 1.4 中國3D打印的現(xiàn)狀,1.1 什么是3D打印技術(shù),3D打印技術(shù)，即增材制造，是一種以數(shù)字三維模型文件為基礎(chǔ)，運用高能束源或者熱熔等方式，將液體、粉末等特殊材料堆積黏結(jié)，最終疊加成型，直接構(gòu)造出實體的一種技術(shù)。 增材制造-減材制造（普通）,3D打印技術(shù)原理,將計算機內(nèi)的三維數(shù)據(jù)模型進行分層割片，得到各層數(shù)據(jù)，計算機根據(jù)隔層數(shù)據(jù)信息來控制激光器（或噴嘴）有選擇地逐層燒結(jié)（固化，熱熔凝結(jié)等）形成一層層微小厚度的實體，再熔結(jié)、聚合、黏結(jié)使各層黏結(jié)成一體，最終造出實體模型、模具。,

2、3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料。,通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個機器人、打印玩具車，打印各種模型，甚至是食物等等。,3D打印存在著許多不同的技術(shù)。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。,1.1.1 3D打印技術(shù)的分類,根據(jù)所用材料及生成層片方式的區(qū)別，總體可歸納為：擠出成型、粒狀粉末物

3、料成型、光聚合成型。 1）擠出成型 主要代表有熔融沉積成型（FDM）技術(shù)。它是唯一使用工業(yè)級熱塑料（PLA、尼龍等）作為成型材料的層積制造方法。成品可耐受一定溫度、化學腐蝕，還可抗菌和抗一定的應力，主要用于制造概念模型、功能原型、零部件以及生產(chǎn)工具等。,Stratasys斯特塔西 fortus900mc,1.1.1 3D打印技術(shù)的分類,2）粒狀粉末物料成型 主要分為兩類：一類是通過激光或者電子束有選擇地在顆粒層中熔化打印材料，而未熔化的材料則作為物體的支撐，無需其他支撐材料。 另一類采用噴頭式粉末成型打印技術(shù)，該打印機在每一層噴射石膏或者在樹脂粉末之間添加黏結(jié)劑，通過橫截面進行黏合，重復至每一

4、層打印完成。 3）光聚合成型 主要分為三種：一種是由美國3D Systems公司開發(fā)的立體光刻成型（SL）技術(shù)。該技術(shù)具有成型過程自動化程度高、制作模型表面質(zhì)量好、尺寸精度高等特點，但由于液態(tài)光敏聚合物的特性，要求SLA設(shè)備的工作環(huán)境較為苛刻。成型件多為樹脂類，強度、剛度及耐熱性有限，不利于長時間保存。,1.1.1 3D打印技術(shù)的分類,第二種是Objet公司的PolyJet噴頭打印技術(shù)，才用紫外光對噴頭噴射出直徑為16-30m的光聚合物材料進行照射固化，直至部件制作完成。 第三種是德國Envision Tec公司的Ultra3D打印數(shù)字光處理（DLP）成型系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠構(gòu)建組合型的3D部件，

5、使用高分辨率的數(shù)字光處理器投影儀來固化液態(tài)光聚合物，從而快速精準地完成模型制造。,3D Systems SLA,Objet PolyJet,Envision Tec Ultra3D,1.1.2 3D打印是一種多學科復合制造技術(shù),3D打印技術(shù)是數(shù)字化技術(shù)、新材料技術(shù)、軟件技術(shù)、光學技術(shù)、機械工程等多學科發(fā)展的產(chǎn)物。 3D打印可以分為兩個過程：一是數(shù)據(jù)處理，利用三維掃描儀和計算機輔助設(shè)計獲取模型數(shù)據(jù)，將模型數(shù)據(jù)進行切片分層處理，將三維數(shù)據(jù)分解成為二維數(shù)據(jù)；其二是制造過程，依據(jù)分層的二維數(shù)據(jù)，采用所選定的制造工藝方法制作與數(shù)據(jù)分層厚度相同的層片，將層片按順序疊加起來，構(gòu)成了最終的三維實體，實現(xiàn)從二維

6、層片到三維實體的過程。,3D打印技術(shù)制作的鋼鐵俠手掌,1.2 3D打印的起源及發(fā)展,3D打印技術(shù)的核心制造思想最早起源于18世紀末19世紀初的美國。20世紀50年代后出現(xiàn)了幾百個關(guān)于3D打印的專利。直至 20 世紀 80 年代中期開始，至今經(jīng)過三十年的發(fā)展，該技術(shù)已趨于成熟，并初步形成規(guī)?；w系，全球 3D 綜合競爭態(tài)勢也呈現(xiàn)出“美國主導、歐洲協(xié)同發(fā)展、日本追隨、中國后發(fā)”的基本格局。特別是 2012 年，美國率先將 3D 打印 納入發(fā)展工作計劃之中，自此在全球迅速形成了 3D 打印技術(shù)熱潮，3D 打印技術(shù) 的發(fā)展實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。因而，2012 年可稱為“3D 打印元年”。,1.2 3D打印的

7、起源及發(fā)展,縱觀近年 3D 打印發(fā)展史，3D 打印已逐步從單純的技術(shù)研發(fā)轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力，廣泛應用于汽車制造、醫(yī)療、科學研究、建筑設(shè)計等領(lǐng)域，不斷實現(xiàn)技術(shù)突破。3D 打印正逐步步入拐點期，技術(shù)層面的突破性進展將成為 3D 打印推動工業(yè) 4.0 革命，引領(lǐng)“中國制造”向“中國智造”轉(zhuǎn)變的著力點。,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復雜，制造成本越高。對3D打印機而言，制造一個華麗的形狀復雜的物品并不比打印一個簡單的方塊消耗更多的時間、技能或成本。,優(yōu)勢1：制造復雜物品不增加成本,1.3.1 3D打印的優(yōu)勢-傳統(tǒng)制造業(yè)無法企及,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,優(yōu)勢2：產(chǎn)品多樣化

8、不增加成本,一臺3D打印機可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。傳統(tǒng)的制造設(shè)備功能較少，做出的形狀種類有限。3D打印省去了培訓機械師或購置新設(shè)備的成本，一臺3D打印機只需要不同的數(shù)字設(shè)計藍圖和一批新的原材料。,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,優(yōu)勢3：一次成型，無須組裝,傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)建立在組裝線基礎(chǔ)上，產(chǎn)品組成部件越多，組裝耗費的時間和成本就越多。3D打印機通過分層制造可以同時打印一扇門及上面的配套鉸鏈，不需要組裝。省略組裝就縮短了供應鏈，節(jié)省在勞動力和運輸方面的花費。供應鏈越短，污染也越少。,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,與傳統(tǒng)制造模式相比，3D打印能在短時間內(nèi)快速的完

9、成用戶需求的小批量定制化物件，降低新產(chǎn)品開發(fā)研制的成本和投資風險，縮短新產(chǎn)品研制和投放市場的周期，同時也減少了運輸和庫存的成本。,優(yōu)勢4：零時間交付，快速制造,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,優(yōu)勢5：設(shè)計空間無限,傳統(tǒng)制造技術(shù)和工匠制造的產(chǎn)品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如，傳統(tǒng)的木制車床只能制造圓形物品，軋機只能加工用銑刀組裝的部件，制模機僅能制造模鑄形狀。3D打印機可以突破這些局限，開辟巨大的設(shè)計空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,優(yōu)勢6：零技能制造,傳統(tǒng)工匠需要當幾年學徒才能掌握所需要的技能，傳統(tǒng)的制造機器仍然需要熟練的專業(yè)人員進

10、行機器調(diào)整和校準。3D打印機做同樣復雜的物品，3D打印機所需要的操作技能甚至比注塑機更少。,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,優(yōu)勢7：不占空間、便攜制造,就單位生產(chǎn)空間而言，與傳統(tǒng)制造機器相比，3D打印機的制造能力更強。同時，所需的物理空間也更小。,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,優(yōu)勢8：減少廢棄副產(chǎn)品,與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比，3D打印機制造金屬時產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。傳統(tǒng)金屬加工的浪費量驚人，大量金屬原材料被丟棄在工廠車間里。3D打印制造金屬時浪費量減少。隨著打印材料的進步，“凈成形”制造可能成為更環(huán)保的加工方式。,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,優(yōu)勢9：材料無限組合,對當今的加工制造機器而言，將不同

11、原材料結(jié)合成單一產(chǎn)品是件難事，因為傳統(tǒng)的制造機器在切割或模具成型過程中不能輕易地將多種原材料融合在一起。隨著多材料3D打印技術(shù)的發(fā)展，我們有能力將不同原材料融合在一個產(chǎn)品中。,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,優(yōu)勢10：精確的實體復制,三維掃描技術(shù)與3D打印技術(shù)的結(jié)合，共同提高了實體世界與數(shù)字世界之間的形態(tài)轉(zhuǎn)換和分辨率，我們可以掃描、編輯和復制實體對象，創(chuàng)建精確的副本或優(yōu)化原件。,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,1：材料的限制,1.3.2 3D打印的挑戰(zhàn)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸,材料瓶頸已經(jīng)成為限制3D打印發(fā)展的首要問題。因為未來3D打印的真正發(fā)展將在高端領(lǐng)域即工業(yè)應用,而目前高端打印材料的發(fā)展尚無法滿足3D

12、打印技術(shù)發(fā)展的需要。,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,1：材料的限制,理論上來說,所有的材料都可以用于3D打印,但目前主要以石膏、光敏樹脂、塑料為主,這很難滿足大眾用戶的需求。 工業(yè)級的3D打印材料更是十分有限,目前適用的金屬材料只有10余種,而且只有專用的金屬粉末材料才能滿足金屬零件的打印需要。 需要用到金屬粉末材料的3D打印為工業(yè)級打印機,即選擇性激光燒結(jié)(SLS)和選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)。 “目前在工業(yè)級打印材料方面存在的問題主要是,第一,可適用的材料成熟度跟不上3D市場的發(fā)展;第二,打印流暢性不足;第三,材料強度不夠;第四,材料對人體的安全性與對環(huán)境的友好性的矛盾;第五是材料標準化

13、及系列化規(guī)范的制定。 3D打印對粉末材料的粒度分布、松裝密度、氧含量、流動性等性能要求很高。但目前還沒有形成一個行業(yè)性的標準,因此在材料特性的選擇上前期要花很長的時間。,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,2：機器的限制,3D打印要成為主流技術(shù)，它對機器的材料和功能要求都不會低。目前很多形狀都可以被打印出來，但是要保證成品的精度、還原度，就對機器提出了很高的要求。特別是多材料、多功能、高精度的3D打印設(shè)備要進入普通家庭還是有很長的路要走。,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,3：知識產(chǎn)權(quán)的憂慮,多個行業(yè)可能會感到3D打印以及它可能繞過知識產(chǎn)權(quán)保護而構(gòu)成的威脅。盡管相關(guān)法律問題十分復雜難纏，但這也難以阻止一

14、些公司，比如汽車零部件行業(yè)（每年產(chǎn)值為1400億美元）通過法律渠道保護自己的利益，從而讓3D打印技術(shù)或其應用長期寸步難行。相比知識產(chǎn)權(quán)盜用而言，還有些問題層次更深。擔保、設(shè)計授權(quán)、相關(guān)責任從法律觀點看，相關(guān)問題還遠不止于這些。 3D打印涉及的領(lǐng)域非常廣泛，因此這個行業(yè)暫時不需要考慮太多的監(jiān)管問題。即使要通過某項監(jiān)管措施，那也會是針對某種應用（比如打印武器）而非技術(shù)本身。但這并不意味著訴訟及其他法律問題完全不會阻礙3D打印加速發(fā)展的腳步。,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,4：道德的挑戰(zhàn),1999年，世界上第一個實驗室培養(yǎng)的器官植入人體，一個年輕人接受了用3D合成的膀胱。這項技術(shù)開啟了再生器官的探索

15、之路。這些器官用患者自己的細胞制成，基本沒有排斥反應的風險。 2009年，用器官打印技術(shù)和一臺3D生物打印機，打印出第一條血管。 相信我們在不久的將來會遇到極大的道德挑戰(zhàn)。,1.3 3D打印的優(yōu)勢與不足,5：費用的承擔,大多數(shù)桌面級3D打印機的售價在1萬元人民幣以上，一些國內(nèi)的仿制品價格可以低到3000元。但是國產(chǎn)的3D打印機雖然價格低，但質(zhì)量很難保障。普通PLA耗材價格為50-100元/KG。 對于桌面級3D打印機來說，由于僅能打印塑料產(chǎn)品，因此使用范圍非常有限，而且對于家庭用戶來說，3D打印機的使用成本仍然很高。因為在打印一個物品之前，人們必須會懂得3D建模，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印機能夠

16、讀取的格式，最后再進行打印。,1.4 中國3D打印的現(xiàn)狀,自20世紀90年代以來，國內(nèi)多所高校開展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)。清華大學在現(xiàn)代成型學理論、分層實體制造、FDM工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢；華中科技大學在分層實體制造工藝方面有優(yōu)勢，并已推出了HRP系列成型機和成型材料；西安交通大學自主研制了三維打印機噴頭，并開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應成型材料，成型精度達到0.2mm；中國科技大學自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領(lǐng)域得到應用。但總體而言，國內(nèi)3D打印技術(shù)研發(fā)水平與國外相比還有較大差距。 2014年國家增材制造發(fā)展推進計劃（2014-2020年）已初步制定完成，推進計

17、劃對3D打印的發(fā)展目標、政策保障及未來發(fā)展方向做出了明確闡述，為我國3D產(chǎn)業(yè)的發(fā)展致命了方向。,1.4 中國3D打印的現(xiàn)狀,近年來，國內(nèi)如深圳維示泰克、南京紫金立德、北京殷華、江蘇敦超等企業(yè)已實現(xiàn)了3D打印機的整機生產(chǎn)和銷售。國內(nèi)與國外行業(yè)的差異在于，中國的市場潛力巨大，世界第一，但是創(chuàng)新和科技實力弱，材料、信息技術(shù)、理念這些不利于3D打印的上游技術(shù)發(fā)展。3D打印發(fā)展，工業(yè)、消費品并重，短期來看，工業(yè)市場更吸引人。 專家方面，清華大學的顏永年，華科大的史玉升，西交大的盧秉恒，北航的王華明，湖南華曙的許小曙，技術(shù)路徑不一樣，排名沒有價值。目前王華明、顏永年參與了上市公司產(chǎn)業(yè)化，華科大曾經(jīng)有深圳創(chuàng)

18、投介入，西交大資本化較弱.應該說清華、北航、湖南、武漢的應用技術(shù)和方向不一樣，互不分伯仲湖南的 CTO 研究焊接和材料出生出身，這方面有優(yōu)勢。逼近制造業(yè)、替換傳統(tǒng)的鑄造和模具生產(chǎn)的技術(shù)，還是在北航、武漢。,1.4 中國3D打印的現(xiàn)狀,1）清華大學顏永年團隊 “中國 3D 打印第一人”顏永年領(lǐng)導的的激光快速成形中心率先在國內(nèi)進行了快速原型制造（RPM）技術(shù)的研究，并完成多種功能先進的RP設(shè)備以及有關(guān)的軟硬件的開發(fā)與研究，在世界RP領(lǐng)域上占有一定的地位，還進行了大量由RP向快速工具RT（RapidTooling）制造技術(shù)轉(zhuǎn)化的研究。迄今為止，完成了5臺套世界級重型液壓機設(shè)計，包括：中國最大的換熱器板片成形壓機-4萬噸板料成型壓機（廣州）、世界最大的重型厚壁鋼管垂直擠壓機-3.6萬噸垂直鋼管擠壓機（包頭）、我國最大的精密航空模鍛液壓機4萬噸航空精密模鍛壓機（西安）、遠東地區(qū)最大的具有擠壓功能的模鍛液壓機-3萬噸核電精密模鍛壓機（昆山）。,1.4 中國3D打印的現(xiàn)狀,20