三维打印技术及国内外发展情况

三维打印技术定义及国内外发展情况报告1.三维打印技术定义.....................................22.3D打印技术在中国的发展情况..........................32.1企业..............................................32.1.1南方风机股份有限公司...........................32.1.2中航重机股份有限公司...........................42.1.3沈阳新松机器人自动化股份有限公司..............52.2产学研单位........................................62.2.1华中科技大学..................................62.2.2湖南华曙高科技有限公司........................62.2.3其他单位......................................73.3D打印技术在国外的发展情况..........................83.1国外企业..........................................83.2国外政府..........................................81.三维打印技术定义“三维打印”（3D打印）是通俗的叫法，学术名称为快速成型（RapidPrototyping，RP）技术，也称为增材制造技术，是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造任意形状、根据零件或物体的计算机三维模型数据用成型设备以材料累加方式制成实物模型的技术。它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短产品研发周期、提高产品质量并缩减生产成本。快速成型技术是当今世界上飞速发展的制造技术之一，至今已有20多年历史，已经广泛应用于家电、汽车、航天军工、船舶等领域。快速成型技术最早在二十世纪80年代初由美日国家提出，1986年第一台3D打印机在美国面世。快速成型技术在多年的发展中形成了多种工艺，最重要的包括SL（StereoLithography,立体光造型）、SLS（SelectedLaserSintering,选择性激光烧结）、3DP(ThreeDimensionalPrinting，三维打印)、FDM（FusedDepositionModeling，熔融沉积制造）、LOM(LaminatedObjectManufacturing，叠层实体制造)、3D焊接及数字累积成型（DigitalCumulativeForming）等。前两种工艺是基于激光或其他光源的成型技术，设备造价和制作模型成本都比较高昂，因此只在一些特殊领域，如航天军工、高端装备领域有所应用；而3DP和FDM则是基于原料喷射成型的技术，不需要昂贵的激光器，成本较低。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通过连续的物理层创建出来的。3D打印相对于其他的添加剂制造技术而言，具有速度快，价格便宜，高易用性等优点。3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备，功能上与激光成型技术一样，采用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统的去除材料加工技术完全不同。称之为“打印机”是因为其分层加工的过程与喷墨打印十分相似。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，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黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。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，而剩余粉末还可循环利用。2.3D打印技术在中国的发展情况2.1企业2.1.1南方风机股份有限公司近年来，南方风机研究所自筹1.68亿元投资“重型金属构件电熔精密成型技术项目”。该技术广义的叫法就是国际上流行的3D打印技术，以金属粉末、丝材为原料，通过高能束熔化沉积“直接生长”，从CAD模型完成高性能重大型金属构件成型。该技术可广泛应用于百万千瓦核电装备、百万千瓦超临界和超临界火电机组及水电、石化、冶金、船舶等行业现代重大工业装备合金钢等重型金属构件的制造。该技术具有无需万吨级重型锻造装备、生产周期短、成本低等特点。南方风机研究所已在成型工艺、质量及工艺装置、金属构件原材料关键技术取得突破进展，成功成型制造重量超过10吨、直径超过2米的高强度低合金钢核电蒸汽发器筒体缩比件精密坯件样，并已掌握并完成了重型金属构件批量产业化大型成套装备系统的设计和优化。2.1.2中航重机股份有限公司2011年，隶属中国航空工业集团公司的中航重机股份有限公司（AvicHeavyMachineryco.,Ltd.）与子公司中航高新成立中航激光成形制造有限公司（简称中航激光）。中航激光的成立，标志着我国激光快速成形项目从实验室阶段转入产业化发展阶段。激光快速成形是以钛合金等金属粉末为原料，通过激光熔化逐层沉积(生长制造)，直接由零件CAD模型一步完成高性能大型整体结构件的“近净成形”，与传统制造技术相比，激光快速成形技术具有显著的技术优势。激光快速成形技术，通过“技术创新”，摆脱对传统大型锻造等重型高端装备的依赖，为我国大型整体钛合金结构件等高端装备零部件的“制造技术瓶颈”提供了一条新的技术途径，在航空、航天、船舶、核能等高端装备的研制生产中具有重要的应用前景。王华明教授带领的北航团队（王华明及其研发团队为中航激光的股东之一）在飞机大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形及装机应用关键技术研究方面取得了突破性进展，解决了激光成形过程中零件“变形开裂”、“凝固组织和内部缺陷”控制和“力学性能”优化等长期制约该技术发展的重大瓶颈难题。目前，激光快速成形技术已成功应用于我国航空领域。在民用航空，该技术应用于C919机头工程样件Ti-6Al-4V钛合金主风档窗框大型复杂结构件的制造，是世界上首次实现激光成形钛合金构件在民用客机研制上的应用；在军用航空，该技术已在几个重点型号的军机研制中承担了大型钛合金机构件研制和试制工作，并成功试制出综合力学性能达到和超过钛合金锻件的主承力结构件。2.1.3沈阳新松机器人自动化股份有限公司2000年成立的沈阳新松机器人自动化股份有限公司，在激光快速成型设备工艺技术方面积累了丰富的经验。包括兼顾加工速度和加工精度的双光束熔覆技术、冷却保护气体释放应力技术、保护性气体配方，以及对应于不同金属材料的专用工艺方法等。该公司生产的用于激光快速成型的高功率激光器，保证三维成型的高精度5轴联动数控专用机床，激光加工头和传送钛合金粉末的自动送粉器等设备成功装配在激光快速成型设备上，用于加工核心部件，为我国新型航空、航天器材的生产制造提供了有力保障。公司表示，目前已着手研发具有激光诱导功能的3D打印机和配套的纳米级材料。该设备可使纳米金属粉在激光诱导下发生键合化学反应，生产出的零件具有更高级别的精度和强度，提高产品附加值。2.2产学研单位2.2.1华中科技大学2012年1月，由中国科学院、中国工程院主办、两院院士评出的2011年中国十大科技进展在北京揭晓，华中科技大学教授史玉升团队研发世界最大激光快速制造装备入选。华中科大1991年成立快速制造中心；1998年，史玉升进入该中心工作，开始负责如何用各种粉末材料快速造出各种任意复杂结构的零部件。经过多年努力，目前他们已从最初可以快速制造拳头大小的鼠标，到近年来可以快速制造出半人多高的大器件—1.2米×1.2米工作面、基于粉末床的激光快速制造装备已在汉问世。专家评价说，“3D打印机”尤其适合动力装备、航空航天、汽车等高端产品上关键零部件的制造，企业采用后竞争力可以显著提高。该技术让我国某款发动机器件的研制时间缩短了约19周。2.2.2湖南华曙高科技有限公司2012年8月15日上午，湖南华曙高科技有限公司在湖南大学国家大学科技园隆重举行设备启运仪式，中国首台拥有自主知识产权的高端选择性激光尼龙烧结设备将从这里出发返销美国，实现了这一技术由“中国制造”向“中国创造”的历史性转变。2009年，享有“SLS技术之父”美誉的美籍华裔科学家许小曙博士归国创业，落户大学科技园，将全球顶尖的选择性激光尼龙烧结技术，也就是“激光3D打印”技术带到了中国。他和他的研发、制造团队一起，经历了近三年创业历程,终于在2012年夏秋之交，华曙高科收获了让世界瞩目的硕果：成功研制出中国第一台高端选择性激光尼龙烧结设备并远销欧美，华曙高科成为继美国3DSYSTEMS公司、德国EOS公司外，世界上第三家该项设备制造商；同时，华曙高科成功研制出选择性激光烧结尼龙材料，成为继德国Evonik公司外，世界上第二家该类材料制造商。这一重大历史性转折表明，华曙高科已正式成为全球第一家既可以生产SLS设备、又可以生产SLS材料、并拥有自主知识产权的选择性激光烧结快速制造企业。目前，华曙高科拥有当今国际上最为先进的SLS快速成型系统、材料研发实验室、力学测试实验室及完善的激光粉末生产线，具备了完善的科研开发和生产能力。2.2.3其他单位我国自“十五”开始就把激光快速成形技术作为重点项目予以支持。目前国内开展钛合金激光快速成形技术研究的有北京航空航天大学、西北工业大学、北京有色金属研究总院等几家单位。但迄今为止，只有“北航团队”在飞机大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形及装机应用关键技术研究方面取得了突破。此外，中山大学等广东省内多所高校已购置了3D打印机。而中国科学院广州电子研究所目前已经可以生产出3D打印机，清华大学也正在进行相关的研究。3.3D打印技术在国外的发展情况3.1国外企业国外有关激光成形技术研究主要在美国，包括美国LosAlamos国家实验室、Sandia国家实验室、AeroMet公司和GE公司等。其中AeroMet公司致力于飞机钛构件激光成形技术开发及工程化应用。该公司采用该技术生产了多个飞机的次承力钛合金构件，综合性能与锻件相当，已在先进的军民用飞机上装机应用。AeroMet公司成立于1998年，与波音、诺克希德.马丁及诺斯罗普.格鲁曼等美国三大军用飞机制造商合作致力于激光快速成形钛合金结构件在飞机机身及机翼上的应用。3.2国外政府2012年8月17日，美国白宫发表了一份声明，宣布美国政府部门将联合私营部门共同出资建立制造业创新研究所，以扶持美国制造业和鼓励企业在本土投资。而研究所建立后的主要任务将是研发3D打印技术。根据声明称，制造业创新研究所将建在俄亥俄州的扬斯敦。美国国防部、能源部和商务部等5家政府部门将共同出资4500万美元，由俄亥俄州、宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州的企业、学校和非营利性组织组成的联合团体将出资4000万美元。白宫说，建立这样的创新研究所有助于联合高校、企业和政府部门的力量投资于发展尖端科技和培养制造业技能。扬斯敦将凭借在3D打印技术方面的领先地位成为新兴产业的中心。