增材制造(3D打印)国内外发展状况

1增材制造（3D打印）技术国内外发展状况--西安交通大学先进制造技术研究所2013-07-09一、概述增材制造（AdditiveManufacturing，AM）技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除（切削加工）技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。自上世纪80年代末增材制造技术逐步发展，期间也被称为“材料累加制造”（MaterialIncreseManufacturing）、“快速原型”（RapidPrototyping）、“分层制造”（LayeredManufacturing）、“实体自由制造”（SolidFree-formFabrication）、“3D打印技术”（3DPrinting）等。名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会对增材制造和3D打印有明确的概念定义。增材制造是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程，相对于减法制造它通常是逐层累加过程。3D打印是指采用打印头、喷嘴或其它打印技术沉积材料来制造物体的技术，3D打印也常用来表示“增材制造”技术，在特指设备时，3D打印是指相对价格或总体功能低端的增材制造设备。增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品，其制造的速度作用越显著。近二十年来，增材制造技术取得了快速的发展。增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多增材制造设备。目前已有的设备种类达到20多种。这一技术一出现就取得了快速的发展，在各个领域都取得了广泛的应用，如在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等。增材制造的特点是单件或小批量的快速制造，这一技术特点决定了增材制造在产品创新中具有显著的作用。美国《时代》周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”，认为该技术改变未来生产与生活模式，实现社会化制造，每个人都可以成为一个工厂，它将改变制造商品的方式，并改变世界的经济格局，进而改变人类的生活2方式。美国奥巴马总统在2012年3月9日提出发展美国振兴制造业计划，向美国国会提出“制造创新国家网络”(NNMI)，计划投资10亿美元重振美国制造业计划。其目的在夺回制造业霸主地位，要以一半的时间和费用完成产品开发，实现在美国设计在美国制造，使更多美国人返回工作岗位，构建持续发展的美国经济。为此，奥巴马政府启动首个项目“增材制造”，初期政府投资3000万美元，企业配套4000万元，由国防部牵头，制造企业、大学院校以及非赢利组织参加，研发新的增材制造技术与产品，使美国成为全球优秀的增材制造的中心，架起“基础研究与产品研发”之间纽带。美国政府已经将增材制造技术作为国家制造业发展的首要战略任务给予支持。美国专门从事增材制造技术技术咨询服务的Wohlers协会在2012年度报告中，对各行业的应用情况进行了分析。2011年全球直接产值17.14亿美元，2011年增长率29.1%，其中，设备材料：8.34亿美元，增长28.0%，服务产值：8.79亿美元，增长30.7%，其发展特点是服务与设备对半。在应用方面消费商品和电子领域仍占主导地位，但是比例从23.7%降低到20.6%；机动车领域从19.1%降低到17.9%；研究机构为7.9%；医学和牙科领域从13.6%增加到15.9%；工业设备领域为12.9%；航空航天领从9.9%增加到12.1%。在过去的几年中，航空器制造和医学应用是增长最快的应用领域。世界上各许多国家与地区都在开发或应用增材制造技术。增材制造系统的数量一定程度上表现了国家的经济活力与创新能力。自1988～2011年，美国、日本、德国、中国成为主要的设备拥有国，其中，美国占全球总设备量的38.3%，中国占8.6%。预计2012年将增长25%至21.4亿美元，2019年将达到60亿美元。增材制造发展有诱人的发展前景，也存在巨大的挑战。目前最大的难题是材料的物理与化学性能制约了实现技术。例如，在成形材料上，目前主要是有机高分子材料，金属材料直接成形是近十多年的研究热点，正在逐渐向工业应用，难点在于如何提高精度和效率。新的研究方向是用增材制造技术直接把软组织材料（生物基质材料和细胞）堆积起来，形成类生命体，经过体外培养和体内培养去制造复杂组织器官。二、增材制造分类自上世纪80年代美国出现第一台商用光固化成形机后，在至今近三十年时间内得到了快速发展。较成熟的技术主要有以下四种方法：光固化成形3（Stereolithography，SL）、叠层实体制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）、选择性激光烧结（SelectiveLaserMelting，SLS）、熔丝沉积成形（FusedDepositionModeling，FDM）。叠层实体制造设备逐渐消落。其他几种方法逐渐向低成本、高精度、多材料方面发展。1.SL工艺的过程：树脂槽中盛满液态光固化树脂，紫外激光器按照各层截面信息进行逐点扫描，被扫描的区域固化形成零件的一个薄层。当一层固化后，工作台下移一个层厚，在固化好的树脂表面浇注一层新的液态树脂，并利用刮板将树脂刮平，然后进行新一层的扫描和固化，如此重复，直至原型构造完成。SL工艺的特点是精度高、表面质量好，能制造形状复杂、特别精细的零件，不足是设备和材料昂贵，制造过程中需要设计支撑，加工环境气味重等问题。2.LOM的层面信息通过每一层的轮廓来表示，激光扫描器的动作由这些轮廓信息控制，它采用的材料是具有厚度信息的片材。这种加工方法只需加工轮廓信息，所以可以达到很高的加工速度，但材料的范围很窄，每层厚度不可调整是最大缺点。3.SLS工艺利用高能量激光束在粉末层表面按照截面扫描，粉末被烧结相互连接，形成一定形状的截面。当一层截面烧结完后，工作台下降一层厚度，铺上一层新的粉末，继续新一层的烧结。通过层层叠加，去除未烧结粉末，即可得到最终三维实体。SLS的特点是成形材料广泛，理论上只要将材料制成粉末即可成形。另外，SLS成形过程中，粉床充当自然支撑，可成形悬臂、内空等其他工艺难成形结构。但是，SLS技术需要价格较为昂贵的激光器和光路系统，成本较其他方法高，一定程度上限制了该技术的应用范围。4.FDM是将电能转换为热能，使丝状塑料挤出喷头前达到熔融状态。由计算机控制喷头移动，根据截面轮廓信息，使熔融塑料成形一定形状的二维截面。通过层层叠加，形成塑料三维实体。FDM无需价格昂贵的激光器和光路系统，成本较低，易于推广。但是，该方法成形材料限制较大，并且成形精度相对较低，是限制该技术发展的主要问题。随着增材制造技术工艺和设备的成熟，新材料、新工艺的出现，该技术由快速原型阶段进入快速制造和普及化新阶段，最显著地体现在金属零件直接快速制造以及桌面型3D打印设备。目前，真正直接制造金属零件的增材制造技术有基于同轴送粉的激光近形制4造（LaserEngineeringNetShaping,LENS）技术和基于粉末床的选择性激光熔化（SelectiveLaserMelting,SLM）及电子束熔化技术（ElectronBeamMelting,EBM）技术。LENS技术能直接制造出大尺寸的金属零件毛坯；SLM和EBM可制造复杂精细金属零件。LENS技术在惰性气体保护之下，通过激光束熔化喷嘴输送的粉末流，使其逐层堆积，最终形成复杂形状的零件或模具。该方法得到的制件组织致密，具有明显的快速熔凝特征，力学性能很高，并可实现非均质和梯度材料制件的制造。目前，应用该工艺已制造出铝合金、钛合金、钨合金等半精化的毛坯，性能达到甚至超过锻件，在航天、航空、造船、国防等领域具有极大的应用前景。但该工艺成形难以成形复杂和精细结构，主要用于毛坯成形，且粉末材料利用率偏低。SLM技术利用高能束激光熔化预先铺在粉床上薄层粉末，逐层熔化堆积成形。为了保证金属粉末材料的快速熔化，SLM材料较高功率密度的激光器，光斑聚焦到几十μm到几百μm。SLM制造的金属零件接近全致密，强度达锻件水平，精度可达0.1mm/100mm。该工艺的主要缺陷有金属球化、翘曲变形及裂纹等，还面临成形效率低、可重复性及可靠性有待优化等问题。EBM与SLM系统的主要差别在于热源不同，成形原理基本相似。EBM技术成形室必须为高真空，才能保证设备正常工作，这使得EBM整机复杂度增大。电子束为热源，金属材料对其几乎没有反射，能量吸收率大幅提高。在真空环境下，材料熔化后的润湿性也大大增强，增加了熔池之间、层与层之间的冶金结合强度。但是，EBM技术还存在如下问题：真空抽气过程中粉末容易被气流带走，造成系统污染；在电子束作用下粉末容易溃散，因此需预热到800℃以上，使粉末预先烧结固化。采取预热后制造效率高，零件变形小，无需支撑，微观组织致密；但预热温度对系统整体结构要求高，加工结束后零件需要在真空室中冷却相当长一段时间，降低了零件的成形效率。由于系统成本较高、材料特殊以及操作复杂，在目前阶段增材制造技术主要应用于科研以及工业应用。随着桌面型3D打印技术（Three-dimensionalprinting,3DP）的产生和应用，增材制造技术的应用范围得到了极大扩展。3DP的工作方式类似于桌面打印机。核心部分为若干细小喷嘴组成的打印系统。材料主要包括两大类：其一，类似于SLA工艺用的液态光敏树脂材料；其二，类似于SLS用的粉末材料。如果采用液态树脂材料，则成形原理类似于SLA，但5实现方式有所不同。先由喷嘴喷出具有特定形状的一薄层树脂截面，利用面紫外光照射使其固化；然后再由喷嘴喷出下一层截面，进而固化并与上一层粘结在一起；如此反复，直至实体制件成形完毕为止。当成形材料为粉末时，其成形过程类似于SLS工艺，但原理不尽相同。先铺一层粉，由喷嘴按照截面形状喷一层粘结剂，使成形制件截面内的粉末粘结成一体；工作台下降一个层厚，铺上一层新粉，并由喷嘴按照该层制件截面形状喷出一层粘结剂，使该层截面内的粉末发生粘结，同时与上一层制件实体粘结为一体；如此反复，直至制件成形完毕为止。该种工艺无需激光器、扫描系统及其他复杂的传动系统，结构紧凑，体积小，可用作桌面系统，特别适合于快速制作三维模型、复制复杂工艺品等应用场合。但是，该技术成形零件大多需要进行后处理，以增加零件强度，工序较为复杂，难以成形高性能功能零件，如金属零件等。三、增材制造技术发展历史1国外发展历史第一阶段，思想萌芽增材制造技术的核心制造思想最早起源于美国。早在1892年，Blanther在其专利中，曾建议用分层制造法构成地形图。1902年，CarloBaese在一项专利中提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。1940年，Perera提出了切割硬纸板并逐层粘结成三维地形图的方法。直到20世纪80年代末，3D打印制造技术开始了根本性发展，出现的专利更多，仅在1986-1998年间注册的美国专利就达24多项。第二阶段，技术诞生其标志性成果就是五种常规增材制造技术的提出。1986年美国的Hull发明了光固化技术，简称SLA；1988年Feygin发明了分层实体制造技术，简称LOM；1989年Deckard发明了粉末激光烧结技术，简称SLS；1992年Crump发明了熔融沉积制造技术，简称FDM；1993年麻省理工大学的Sachs发明了喷头打印技术，简称3DP。第三阶段，装备推出1988年美国的3DSystems公司根据Hull的专利，生产出了第一台增材制造装备SLA250，开创了增材制造技术发展的新纪元。在此后的十年中，增材制造技术蓬勃发展，涌现出了十余种新工艺和相应的增材制造装备。1991年，美国Stratasys的FDM装备、Cubital的实体平面固化（SGC，SolidGroundCuring）装6备和Helisys的