3D打印综述dxl_v3.doc

概述
什么是3D打印
3D打印上世纪80年代诞生于美国,学名是“增材制造”,通过逐层添加材料进行制造,将材料一次性熔聚成型的制造方式,与传统对原材料进行切削等“减材制造”方法相反,物件生产方式由“作减法”变“作加法”,被认为是“第三次工业革命”的标志。
3D打印机出现在20世纪90年代中期,是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置,可以把计算机上的蓝图变成实物,在成本、速度和精度上都远胜于传统制造技术,是制造领域的一次技术革命。
它是以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可融合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
一款典型3D打印机的结构
下图是一块典型3D打印机的结构。
图1 打印机的外形图
由X、Y、Z三轴平台,步进电机控制器,原料盒,挤出机、数据接口等组成。
图2 3D打印机的构造
打印时,首先在需要打印的地方喷洒一层胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水会迅速固化粘结,而没有胶水的区域仍然保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型会被“打印”出来。
,而在每一层的横切面中,3D打印技术能实现600dpi分辨率(dpi代表梅英寸所打印的点数或线数,=)
应用领域
目前3D打印应用在两个方面:第一是用于高性能的产品,如燃气轮机、飞机发动机和医疗器械;第二是与传统制造结合个生产性化的产品,比如未来人们可在家为自己的高跟鞋打印鞋跟,想要什么形状都行。
相关企业
3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后,3D Systems奠定了在3D打印领域的龙头地位。
Stratasys是另一家具有很强技术实力和市场份额的企业。Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议,生产HP品牌的3D打印机。
目前3D打印行业正处于迅速的兼并与整合过程中,行业巨头正在加速崛起。
本行业主要的企业和研发团队如下表1所示。
表1 3D打印行业的主要企业和研发团队
国内研究团队
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关成型材料,。
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。
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打印机整机生产和销售。这些企业共同的特点是由海外归国团队建立,规模较小,产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于底端。
国产3D打印机在打印精度、速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求,技术水平有待进一步提升。
产业前景
根据国际快速制造行业权威报告发布的调查结果,全球3D打印产业产值在1988~%的年均增长速度。报告预期,3D打印产业未来仍将持续较快地增长,到2016年,包括设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美元,2020年将达到52亿美元。
相关挑战
成本方面,目前比较昂贵,给其进一步普及应用带来了困难。
打印材料方面,目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物,选择的局限性较大,成型品德物理特性较差。
精度、速度和效率方面,3D打印成品的精度还不尽人意,打印效率还远不适应大规模生产的需求。
制造工艺
目前按材质的不同,增材制造可分为液体材料、粉状材料和片状材料几种,如表所示2-1。
表2-1 增材制造的分类
金属增材工艺
当前可用于金属部件直接制造的工艺主要包括直接金属烧结(DMLS)、直接金属沉积(DMD)、电子束熔融(EBM)和电子束自由成型制造。
直接金属烧结
直接金属激光烧结工艺通过激光热源熔融金属粉末逐层制造金属零件。工艺工程中需要惰性气体环紧。DMLS工艺研发方面的领先公司是德国的EOS公司。该公司截止2011年已经在世界范围内生产了900台DMLS系统设备。该工艺能加工的金属包括不锈钢、钴铬合金、钛合金等。采用该工艺制造的成型零件需要进行后处理,包括热处理、机加工和抛光工艺。
直接金属沉积
直接金属沉积(DMD)通过聚焦激光束和同轴传递的粉末金属制造零件。该工艺与直接金属烧结的差别在于DMD是通过一个喷嘴递送金属粉末,而DMLS是在粉末床上进行加工。DMD除了能够进行完整零件修复、包覆和填加特征结构。DMD工艺的优势是