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1、1、3D打印技术的由来,目录,1.1 什么是3D打印技术1.2 3D打印的起源及发展1.3 3D打印的优势与不足1.4 中国3D打印的现状,1.1 什么是3D打印技术,3D打印技术，即增材制造，是一种以数字三维模型文件为基础，运用高能束源或者热熔等方式，将液体、粉末等特殊材料堆积黏结，最终叠加成型，直接构造出实体的一种技术。增材制造-减材制造（普通）,3D打印技术原理,将计算机内的三维数据模型进行分层割片，得到各层数据，计算机根据隔层数据信息来控制激光器（或喷嘴）有选择地逐层烧结（固化，热熔凝结等）形成一层层微小厚度的实体，再熔结、聚合、黏结使各层黏结成一体，最终造出实体模型、模具。,3D打印
2、机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料。,通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等等。,3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。,1.1.1 3D打印技术的分类,根据所用材料及生成层片方式的区别，总体可归纳为：挤出成型、粒状粉末物料成型、
3、光聚合成型。1）挤出成型 主要代表有熔融沉积成型（FDM）技术。它是唯一使用工业级热塑料（PLA、尼龙等）作为成型材料的层积制造方法。成品可耐受一定温度、化学腐蚀，还可抗菌和抗一定的应力，主要用于制造概念模型、功能原型、零部件以及生产工具等。,Stratasys斯特塔西 fortus900mc,1.1.1 3D打印技术的分类,2）粒状粉末物料成型 主要分为两类：一类是通过激光或者电子束有选择地在颗粒层中熔化打印材料，而未熔化的材料则作为物体的支撑，无需其他支撑材料。另一类采用喷头式粉末成型打印技术，该打印机在每一层喷射石膏或者在树脂粉末之间添加黏结剂，通过横截面进行黏合，重复至每一层打印完成。
4、3）光聚合成型 主要分为三种：一种是由美国3D Systems公司开发的立体光刻成型（SL）技术。该技术具有成型过程自动化程度高、制作模型表面质量好、尺寸精度高等特点，但由于液态光敏聚合物的特性，要求SLA设备的工作环境较为苛刻。成型件多为树脂类，强度、刚度及耐热性有限，不利于长时间保存。,1.1.1 3D打印技术的分类,第二种是Objet公司的PolyJet喷头打印技术，才用紫外光对喷头喷射出直径为16-30m的光聚合物材料进行照射固化，直至部件制作完成。第三种是德国Envision Tec公司的Ultra3D打印数字光处理（DLP）成型系统。该系统能够构建组合型的3D部件，使用高分辨率的数
5、字光处理器投影仪来固化液态光聚合物，从而快速精准地完成模型制造。,3D Systems SLA,Objet PolyJet,Envision Tec Ultra3D,1.1.2 3D打印是一种多学科复合制造技术,3D打印技术是数字化技术、新材料技术、软件技术、光学技术、机械工程等多学科发展的产物。3D打印可以分为两个过程：一是数据处理，利用三维扫描仪和计算机辅助设计获取模型数据，将模型数据进行切片分层处理，将三维数据分解成为二维数据；其二是制造过程，依据分层的二维数据，采用所选定的制造工艺方法制作与数据分层厚度相同的层片，将层片按顺序叠加起来，构成了最终的三维实体，实现从二维层片到三维实体的过
6、程。,3D打印技术制作的钢铁侠手掌,1.2 3D打印的起源及发展,3D打印技术的核心制造思想最早起源于18世纪末19世纪初的美国。20世纪50年代后出现了几百个关于3D打印的专利。直至 20 世纪 80 年代中期开始，至今经过三十年的发展，该技术已趋于成熟，并初步形成规模化体系，全球 3D 综合竞争态势也呈现出“美国主导、欧洲协同发展、日本追随、中国后发”的基本格局。特别是 2012 年，美国率先将 3D 打印 纳入发展工作计划之中，自此在全球迅速形成了 3D 打印技术热潮，3D 打印技术 的发展实现了质的飞跃。因而，2012 年可称为“3D 打印元年”。,1.2 3D打印的起源及发展,纵观近
7、年 3D 打印发展史，3D 打印已逐步从单纯的技术研发转化为实际生产力，广泛应用于汽车制造、医疗、科学研究、建筑设计等领域，不断实现技术突破。3D 打印正逐步步入拐点期，技术层面的突破性进展将成为 3D 打印推动工业 4.0 革命，引领“中国制造”向“中国智造”转变的着力点。,1.3 3D打印的优势与不足,就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3D打印机而言，制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。,优势1：制造复杂物品不增加成本,1.3.1 3D打印的优势-传统制造业无法企及,1.3 3D打印的优势与不足,优势2：产品多样化不增加成本,一台3
8、D打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。传统的制造设备功能较少，做出的形状种类有限。3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。,1.3 3D打印的优势与不足,优势3：一次成型，无须组装,传统的大规模生产建立在组装线基础上，产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装。省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短，污染也越少。,1.3 3D打印的优势与不足,与传统制造模式相比，3D打印能在短时间内快速的完成用户需求的小批量
9、定制化物件，降低新产品开发研制的成本和投资风险，缩短新产品研制和投放市场的周期，同时也减少了运输和库存的成本。,优势4：零时间交付，快速制造,1.3 3D打印的优势与不足,优势5：设计空间无限,传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。,1.3 3D打印的优势与不足,优势6：零技能制造,传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能，传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。
10、3D打印机做同样复杂的物品，3D打印机所需要的操作技能甚至比注塑机更少。,1.3 3D打印的优势与不足,优势7：不占空间、便携制造,就单位生产空间而言，与传统制造机器相比，3D打印机的制造能力更强。同时，所需的物理空间也更小。,1.3 3D打印的优势与不足,优势8：减少废弃副产品,与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。传统金属加工的浪费量惊人，大量金属原材料被丢弃在工厂车间里。3D打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。,1.3 3D打印的优势与不足,优势9：材料无限组合,对当今的加工制造机器而言，将不同原材料结合成单一产
11、品是件难事，因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。随着多材料3D打印技术的发展，我们有能力将不同原材料融合在一个产品中。,1.3 3D打印的优势与不足,优势10：精确的实体复制,三维扫描技术与3D打印技术的结合，共同提高了实体世界与数字世界之间的形态转换和分辨率，我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。,1.3 3D打印的优势与不足,1：材料的限制,1.3.2 3D打印的挑战及产业发展瓶颈,材料瓶颈已经成为限制3D打印发展的首要问题。因为未来3D打印的真正发展将在高端领域即工业应用,而目前高端打印材料的发展尚无法满足3D打印技术发展的需要
12、。,1.3 3D打印的优势与不足,1：材料的限制,理论上来说,所有的材料都可以用于3D打印,但目前主要以石膏、光敏树脂、塑料为主,这很难满足大众用户的需求。工业级的3D打印材料更是十分有限,目前适用的金属材料只有10余种,而且只有专用的金属粉末材料才能满足金属零件的打印需要。需要用到金属粉末材料的3D打印为工业级打印机,即选择性激光烧结(SLS)和选择性激光熔化(SLM)技术。“目前在工业级打印材料方面存在的问题主要是,第一,可适用的材料成熟度跟不上3D市场的发展;第二,打印流畅性不足;第三,材料强度不够;第四,材料对人体的安全性与对环境的友好性的矛盾;第五是材料标准化及系列化规范的制定。3D
13、打印对粉末材料的粒度分布、松装密度、氧含量、流动性等性能要求很高。但目前还没有形成一个行业性的标准,因此在材料特性的选择上前期要花很长的时间。,1.3 3D打印的优势与不足,2：机器的限制,3D打印要成为主流技术，它对机器的材料和功能要求都不会低。目前很多形状都可以被打印出来，但是要保证成品的精度、还原度，就对机器提出了很高的要求。特别是多材料、多功能、高精度的3D打印设备要进入普通家庭还是有很长的路要走。,1.3 3D打印的优势与不足,3：知识产权的忧虑,多个行业可能会感到3D打印以及它可能绕过知识产权保护而构成的威胁。尽管相关法律问题十分复杂难缠，但这也难以阻止一些公司，比如汽车零部件行业
14、（每年产值为1400亿美元）通过法律渠道保护自己的利益，从而让3D打印技术或其应用长期寸步难行。相比知识产权盗用而言，还有些问题层次更深。担保、设计授权、相关责任从法律观点看，相关问题还远不止于这些。3D打印涉及的领域非常广泛，因此这个行业暂时不需要考虑太多的监管问题。即使要通过某项监管措施，那也会是针对某种应用（比如打印武器）而非技术本身。但这并不意味着诉讼及其他法律问题完全不会阻碍3D打印加速发展的脚步。,1.3 3D打印的优势与不足,4：道德的挑战,1999年，世界上第一个实验室培养的器官植入人体，一个年轻人接受了用3D合成的膀胱。这项技术开启了再生器官的探索之路。这些器官用患者自己的细
15、胞制成，基本没有排斥反应的风险。2009年，用器官打印技术和一台3D生物打印机，打印出第一条血管。相信我们在不久的将来会遇到极大的道德挑战。,1.3 3D打印的优势与不足,5：费用的承担,大多数桌面级3D打印机的售价在1万元人民币以上，一些国内的仿制品价格可以低到3000元。但是国产的3D打印机虽然价格低，但质量很难保障。普通PLA耗材价格为50-100元/KG。对于桌面级3D打印机来说，由于仅能打印塑料产品，因此使用范围非常有限，而且对于家庭用户来说，3D打印机的使用成本仍然很高。因为在打印一个物品之前，人们必须会懂得3D建模，然后将数据转换成3D打印机能够读取的格式，最后再进行打印。,1.
16、4 中国3D打印的现状,自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到0.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。2014年国家增材制造发展推进计划（2014-2020年）已初步制定完成，推进计划对3D打印的发展目标、政策保障及未
17、来发展方向做出了明确阐述，为我国3D产业的发展致命了方向。,1.4 中国3D打印的现状,近年来，国内如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现了3D打印机的整机生产和销售。国内与国外行业的差异在于，中国的市场潜力巨大，世界第一，但是创新和科技实力弱，材料、信息技术、理念这些不利于3D打印的上游技术发展。3D打印发展，工业、消费品并重，短期来看，工业市场更吸引人。专家方面，清华大学的颜永年，华科大的史玉升，西交大的卢秉恒，北航的王华明，湖南华曙的许小曙，技术路径不一样，排名没有价值。目前王华明、颜永年参与了上市公司产业化，华科大曾经有深圳创投介入，西交大资本化较弱.应该说清华、
18、北航、湖南、武汉的应用技术和方向不一样，互不分伯仲湖南的 CTO 研究焊接和材料出生出身，这方面有优势。逼近制造业、替换传统的铸造和模具生产的技术，还是在北航、武汉。,1.4 中国3D打印的现状,1）清华大学颜永年团队“中国 3D 打印第一人”颜永年领导的的激光快速成形中心率先在国内进行了快速原型制造（RPM）技术的研究，并完成多种功能先进的RP设备以及有关的软硬件的开发与研究，在世界RP领域上占有一定的地位，还进行了大量由RP向快速工具RT（RapidTooling）制造技术转化的研究。迄今为止，完成了5台套世界级重型液压机设计，包括：中国最大的换热器板片成形压机-4万吨板料成型压机（广州）
19、、世界最大的重型厚壁钢管垂直挤压机-3.6万吨垂直钢管挤压机（包头）、我国最大的精密航空模锻液压机4万吨航空精密模锻压机（西安）、远东地区最大的具有挤压功能的模锻液压机-3万吨核电精密模锻压机（昆山）。,1.4 中国3D打印的现状,2003年，科达机电与颜永年共同投资设立佛山市科达机电科技开发有限公司，当时为世界压机业界之最。2012年，颜永年注资成立江苏永年激光成形技术有限公司。2013年，南通锻压的“永年重型锻压设备设计研究院”正式揭牌，同年，海源机械公告正式承认联手昆山永年先进制造技术有限公司，参与建立“3D 打印制造实验室”。2017年与广西城市职业学院签署了3D打印合作协议。,1.4
20、 中国3D打印的现状,2）华中科技大学史玉升团队 华中科大致力于LOM、SL技术研究，团队长期从事快速制造（3D 打印）、新型农业节水产品开发等方面的研究。2011年，史玉升教授牵头研发的世界最大激光快速制造装备（3D 打印机）曾入选“2011年中国十大科技进展新闻”。3）西安交大卢秉恒团队 卢秉恒被视为国内3D打印业的另一先驱人物。他所带领的团队致力于研究 SLA、生物组织制造、陶瓷光固化增材制造。4）北京航空航天大学王华明团队 北京航空航天大学王明华团队在 20 世纪 90 年代中期开始金属零件激光熔化沉积 增材制造工艺、装备及应用等。,1.4 中国3D打印的现状,5）西北工业大学黄卫东团队 作为我国 3D 打印技术研发最出色的单位之一，主要发展名为“激光立体成形”的 3D 打印技术。6）华南理工大学杨永强团队 该团队多年致力于 SLM 工艺及装备研究。,华中科技大学制作的巨型3D打印设备,西北工业大学制作的3D打印机翼,Thank you,
