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3D打印调研报告

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2020年4月19日
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3D打印调研报告

目录
3D打印调研报告 2
摘要 2
关键词 2
一.调研背景 2
二.3D打印关键技术 2
2.1选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS） 4
2.2直接金属激光烧结（Direct metal laser sintering，DMLS） 4
2.3熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM） 5
2.4立体平版印刷（stereolithography，SLA） 6
2.5激光成型技术（DLP） 7
2.6融化压模（Melted and Extrusion Modeling，MEM） 7
2.7分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM） 7
2.8电子束熔化成型（Electron beam melting，EBM） 7
2.9选择性热烧结（Selective heat sintering，SHS） 7
2.10粉末层喷头三维打印（Powder bed and inkjet head 3d printing） 7
三. 国外3D打印技术 7
3.1国外3D打印技术的研究发展现状 7
3.2国外主要公司发展简介 9
四. 国内3D打印技术的研究发展现状 10
五. 3D打印技术的应用领域 11

3D打印调研报告
摘要
鉴于3D打印技术的巨大发展潜力和发展空间，而中国的技术发展仍处于初级阶段。本次调研对3D打印的技术体系，技术难点和国内外产业发展现状、发展态势作了综合介绍，为3D打印技术实验项的发展提供理依据。主要做了以下调研内容：
（1）3D打印所包含的各种技术；
（2）3D打印技术国内外发展状况及公司简介；
（3）3D打印的应用领域；
关键词
3D打印；快速成型；智能制造
一.调研背景
3D打印技术是一种新兴的快速成型技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，经过逐层打印的方式来构造物体的技术。近一段时间以来受到了社会的广泛关注。《时代》周刊将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”。据Wohlers Associates预测， 将达到37亿美元，并预计到2020年达到52亿美元。随着技术成果的推广和应用，3D打印技术产业的发展呈现出快速增长势头。 从行业分布来看，用于消费电子领域的打印技术依然占主导地位，大约占20.3%的市场份额，其它主要领域依次是汽车（19.5%）、医疗和医科（15.1%）、工业及商用机器（10.8%）；从区域分布来看，北美地区（40.2%）、欧洲（29.1%）、亚洲（26.3%）三大区域占主导地位，其中亚洲地区主要集中于日本（38.7%）及中国（32.9% ）。
二.3D打印关键技术
3D 打印机诞生于20 世纪80 年代中期，是由美国科学家最早创造的。3D打印机是指利用3D 打印技术生产出真实三维物体的一种设备，其基本原理是利用特殊的耗材( 胶水、树脂或粉末等)按照由电脑预先设计好的三维立体模型,经过黏结剂的沉积将每层粉末黏结成型,最终打印出3D 实体。3D 打印过程可分为两步，首先在需要成型的区域喷洒特殊的胶水，然后均匀喷洒粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，没有胶水的区域仍保持松散状态，重复这一过程直到实体模型被“打印”成型。由于其分层加工的过程与喷墨打印机十分相似，因此被称为“打印机”。
当前市场上的快速成型技术已经有数十种,其中主要工艺有三维打印技术(Three Dimension Printing，3DP)，熔融沉积制造技术(Fused Deposition Modeling，FDM) , 立体平板印刷技术(Stereo Lithography Apparatus,SLA), 选择性激光烧结技术(Selected Laser Sintering,SLS) ,激光成型技术(Digital Lighting Process,DLP),叠层实体制造技术(Laminated Object Manufacturing，LOM) 和UV紫外线成型技术等。
3D打印流程图：
3D虚拟模型
二维图形信息
三维模型
后处理
成品
CAD软件
分割
喷头
基材

3D打印机工作原理：
3D打印是添加剂制造技术的一种形式，在添加剂制造技术中三维对象是经过连续的物理创立出来的。3D打印是断层扫描的逆过程，断层扫描是把某个东西“切割”成无数叠加的片，3D打印就是一片一片的打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。每一层的打印过程为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊的胶水，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，而没有胶水的区域依然保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末可循环了利用。
2.1选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）
选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括 CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。SLS 技术的快速成型系统工作原理如图 1 所示。

整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时模块粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉，控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。
2.2直接金属激光烧结（Direct metal laser sintering，DMLS）
直接金属激光烧结（DMLS）是一种由德国慕尼黑EOS开发的金属添加剂加工技术，有时也被称为选择性激光烧结（SLS）或选择性激光熔化（SLM）。
该过程涉及使用一个三维CAD模型，由此创立一个STL文件发送到本机的软件。做这个3D模型的技术员为建造的部分确定正确的几何方向，并添加适当的支持结构。一旦这个“文件”已经完成，它将被“切”成机器建造所需要的层厚度，而且下载到DMLS机允许开始建立。 DMLS机采用的是200瓦高功率镱光纤激光。在构建室内部，有一个胶料平台和一个带recoater刀片的平台用于添加粉末。该技术经过聚焦激光束照射将金属粉末融合到固体部分中。部件一层一层的制造，一般使用20微米厚的层。此过程允许完全自动地根据3维CAD数据直接建造高度复杂的几何形状。 DMLS是一个净成形工艺，生产的零件精度高，细节分辨率高，表面质量良好和机械性能优良。
优点：DMLS比传统的制造技术有很多优点。速度是最突出的优点之一，因为没有必须的特殊工具，部分能够在一个小时内建成。另外，DMLS允许对样品进行更严格的测试。由于DMLS能够使用大多数合金，样品现在能够做成与生产元件相同材料的硬件。
DMLS也是为数不多的被用于生产的添加剂制造技术。既然组件是一层一层建造的，它能够设计不能强制转换的或以其它方式加工的内部功能和通道。具有多个部件的复杂几何形状的组件能够简化为一个部件更少的性价比更高的组件。 DMLS并不需要特殊的工具，因此适合于小批量的生产。
2.3熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）
熔融沉积成型是一种不依靠激光作为成型能源、而将各种丝材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加热熔化进而堆积成型方法，简称FDM。
熔融沉积成型的原理如下：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，仿佛一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。
这种工艺方法同样有多种材料可供选用，如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC、工程塑料PPSF以及ABS与PC的混合料等。这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，并可安全地用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。专门开发的针对医用的材料ABS-i，因为其具有良好的化学稳定性，可采用伽码射线及其它医用方式消毒，特别适合于医用。
技术优点：
1.制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的污染；
2.一次成型、易于操作且不产生垃圾；
3.独有的水溶性支撑技术，使得去除支撑结构简单易行，可快速构建瓶状或中空零件以及一次成型的装配结构件；
4.原材料以材料卷的形式提供，易于搬运和快速更换。
5.可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料ABS、PC、PPSF以及医用ABS等。
技术缺点：
1.成型精度相对国外先进的SLA工艺较低，最高精度0.127mm
2.成型表面光洁度不如国外先进的SLA工艺；
3.成型速度相对较慢。
2.4立体平版印刷（stereolithography，SLA）
立体平版印刷又称为光敏液相固化法、光固化成形、立体光刻等，使最早出现的技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。它是在树脂槽中盛满液态光敏树脂，使其在激光束或紫外线光点的照射下快速固化。这种工艺方法适用于制造中小型工作，能直接得到塑料产品。它还能代替蜡模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模，环氧树脂模和其它软模的母模，是当前较为成熟的快速原型工艺。

优缺点：光固化成形的优点之一是它的速度；功能部件能够在不到一天内制造完成。生产一个特定部件的时间长短取决于部件的规模和复杂性，能够耗费几小时到一天多。大多数的光固化机可生产最大尺寸约50×50×60厘米的零件和一些其它的零件，如巨大的光固化机（已建立一个210×70×80厘米的平台），能生产超过2米长的单部件。由光固化成型的样品足够强大，可作为注射成型，热成型，吹塑成型，以及各种金属铸造工艺的主要模式。虽然光固化成形能够产生各种各样的形状，可是这一般是昂贵的；光固化树脂的价格一般为80到210美元每升，光固化机的成本为100000美元到500000美元以上。
2.5激光成型技术（DLP）
DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时经过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。
2.6融化压模（Melted and Extrusion Modeling，MEM）
2.7分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）
2.8电子束熔化成型（Electron beam melting，EBM）
2.9选择性热烧结（Selective heat sintering，SHS）
2.10粉末层喷头三维打印（Powder bed and inkjet head 3d printing）
三. 国外3D打印技术
3.1国外3D打印技术的研究发展现状
经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，当前已经能够在0．01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。当前国际上较先进的产品能够实现每小时25ram厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。当前，在全球3D打印机行业，美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。另外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业及研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于 11月收购了3D打印技术的最早创造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公司 9月与传统打印行业巨头惠普公司签订了0EM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。继 5月收购Solidscape公司之后，Stratasys又于20l2年4月与以色列著名3D打印系统提供商0bjet宣布合并。当前，国际3D打印机制造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。
当前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术能够以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky经过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并经过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。
主要公司的技术优势：
主要团队/企业
技术优势和特色
3D Systems
分辨率高达600dpi
成型尺寸较大、可整体打印超大模型
全彩3D打印技术
熔融材料高分辨选择性逐层喷射技术
工艺经济性、方便性高。
Stratasys
FDM(熔融沉积成型)技术
逐层喷射、光敏固化技术
精细度高、能够建立光滑表面、细小特征和复杂形状
能够喷射第二种材料为所需形状建立支撑
Fab@Home
低价家用3D打印机
开源的简易3D打印机设计方案
Shapeways
包括塑料、陶瓷在内的多种材料打印
在线diy设计打印服务
Reprap
自身可复制的3D打印机
开源的软硬件技术资料

3.2国外主要公司发展简介
3.2.1 3D Systems公司
公司背景：成立于1986年的3D Systems公司是在纽约证券交易所上市的全球最大的3D打印解决方案供应商，其提供3D打印机，打印耗材，打印软件和培训服务。3D Systems率先创造和解决了光固化成型和解决方案，产品线包括SLA光固化成型系列，SLS可选激光烧结系列，MJM多喷头模型系列，Accura固体打印材料等，支持光敏聚合物，金属，尼龙纤维和热塑性材料等多种材料的打印。
如今的3D Systems产品线涵盖个人级3D打印机（如ProJet 1500，Cube系列等），专业级3D打印机（如ProJet 3500，Zprinter650，Zprinter850等）和生产级3D打印机（如ProJet6000， ProJet7000等）,业务领域遍及汽车，航空航天，国防，消费品，建筑，医疗器械和牙科等。
核心产品：3D Systems 发布了多款新产品，ProJet 3500系列，ProJet6000系列， ProJet7000系列，Zprinter850等。ProJet系列采用SLA光固化成型和蜡喷支撑技术，是当前快速成型中精度最高的解决方案之一。ProJet 3500系列融合了3D Systems专有的MJM多喷头模型打印技术，喷头数达到1520头，使用VisiJet塑料材料打印优质耐用的塑料部件，用于功能测试，构型与装配验证，快速原型开发，设计交流，快速模型制造等。其中，ProJet HD 3500Plus型号的3D打印机在XHD（极限精度）模式下可打印16μm层厚，分辨率750x1600dpi,构建尺寸508x381x229㎜的模型，为ProJet系列中的最高成型精度。
Zprinter系列三维打印机采用的是彩色立体打印技术，采用粉末材料成型，具有打印速度快，材料成本低和部分型号能够打印色彩丰富的样件等特点。Zprinte 850是 4月推出的Zprinter系列的最新产品，打印量和效率都得到了提高，而且是全彩色，配有无色青色品红黄色和黑色五个打印头，以390000个独特颜色外加成千上万个组合色提高最高的质量。600x540dpi的高清分辨率使零件更精细和准确。Zprinter 850实现全自动设置和监控，无接触式的粉末和胶料剂加载以及自动化的粉末循环利用，成型尺寸508x381x229㎜，层厚0.089~0.102㎜，便与设计师，工程师和建筑师们以更快的速度创造出更多更大的部件。
ZPrinter系列3D打印机主要性能参数：

ZPrinter150
ZPrinter250
ZPrinter350
ZPrinter450
ZPrinter650
ZPrinter850
打印精度/dpi
300×450
600×540
最小特征尺寸/mm
0.4
0.15
0.1
垂直打印速度/mm/h
20
23
28
5~15
模型大小/mm
236×185×127
203×254×203
254×381×203
508×381×299
打印材料
高性能合成材料
每层厚度/mm
0.1
0.09~0.1
喷头个数
1
2
1
2
5
5
喷嘴个数
304
604
304
604
1520
1520
设备尺寸/cm
74×79×140
122×79×140
188×74×145
119×116×162
设备质量/kg
165
179
193
340
363
3.2.2 Stratasys(SSYS)
位于美国明尼苏达洲，明尼阿波里斯市的Stratasys公司，是FDM办公室型的直接数字制造系统与工程材料快速原型系统以及桌上型ABS立体打印系统的生产制造商。当前致力推动FDM直接数字制造(Direct Digital Manufature,DDM)技术应用于快速原型，夹具与治具，以及最终使用零件。根据快速原型产业权威报告Wohlers Report 的数据显示， 内全球新安装的快速原型系统中有44 ％是由Stratasys公司所生产制造，比例远高于任何其它厂牌，使它成为机台市占率的领导者。
该公司具有专利的快速成型制程技术称为fused deposition modeling (FDM®)，即融熔挤制沉积成型技术。该技术是利用3D CAD档案数据，运用ABS塑料，polycarbonate，PPSF以及PC-ABS等材质，在研究与开发的过程中，快速地制作出实体模型以利进行塑形，装配，以及功能性测试，甚至少量制造。FDM的模型并不会产生翘曲，收缩，或是吸收湿气。就在工作计算机旁或是网络芳邻上，使用办公室型的工程材料快速原型系统不涉及有危险的材料或是化学反应的生成物，也不需要修建特殊场所或是建立排放设备。
四. 国内3D打印技术的研究发展现状
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。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，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低端。当前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、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。在服务领域，中国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，中国港台地区3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。
各国和地区3D打印技术应用的市场份额：

五. 3D打印技术的应用领域
近年来，3D 打印技术发展迅速，在各领域都取得了长足发展，已成为现代模型、模具和零部件制造的有效手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定应用，在工程教学研究等领域也占有独特地位。
具体应用领域包括：
工业制造：可应用于产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证。制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品:3D 打印技术制造的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世，家用器具模型也被用于企业的宣传、营销活动中；
文化创意和数码娱乐: 可作为形状和结构复杂、材料特殊的艺术表示载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D 打印技术塑造了部分角色和道具，3D 打印技术制造的小提琴接近了手工艺的水平；
航空航天、国防军工: 可对形状复杂、尺寸微细、性能特殊的零部件、机构进行直接制造；
生物医疗：可应用于人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等的制作；
消费品：可应用于珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY 作品的设计和制造；
建筑工程：可应用于建筑模型风动实验和效果展示，建筑工程和施工( AEC) 模拟；
教育：可应用于模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D 打印机已经被用于教学和科研；
个性化定制：可提供基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。
从市场应用份额看，3D 打印技术应用在汽车及零配件领域占37%，在消费品领域占18. 2%，应用于航空航天和国防军工占13. 7%，在商业机器领域占11. 2%，在医疗领域占8. 8%，在科研方面占8. 6%。