3D打印技术介绍(全面)

3D打印技术湖北工业大学机器人研究中心CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心主要内容3D打印技术发展历史3D打印技术介绍3D打印特点及优势3D打印技术发展趋势机器人研究中心3D打印技术研究CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心3D打印的概念3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造（AM，AdditiveManufacturing）。3D打印技术内容涵盖了产品生命周期前端的“快速原型”(rapidprototyping)和全生产周期的“快速制造”(rapidmanufacturing)相关的所有打印工艺、技术、设备类别和应用。3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心3D打印的起源20世纪70年代末到80年代初期，美国3M公司的AlanHebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美国UVP公司的CharlesHull(1982年)和日本的丸谷洋二(1983年)四人各自独立提出了这种概念。1986年，CharlesHull率先推出光固化方法(stereolithographyapparatus，SLA)，这是3D打印技术发展的一个里程碑。1988年，他创立的3D打印设备公司生产出了世界上第一台3D打印机SLA-250。1988年，美国人ScottCrump发明了另外一种3D打印技术———熔融沉积制造(FDM)，并成立了Stratasys公司。1989年，C.Ｒ.Dechard发明了选择性激光烧结法(SLS)，其原理是利用高强度激光将材料粉末烧结直至成型。1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机SpectrumZ510由ZCorp公司研制成功。2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪。CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心3D打印技术在世界范围内的需求近年来，3D打印在世界各大媒体上受到广泛关注，三维打印机的制造商表示3D打印的需求和市场正在迅速增长。3D打印市场的增长受到多方因素影响，媒体在近几年对3D打印技术做了大量的宣传，为人们更好地了解3D打印发挥了重大作用。CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心3D打印技术在世界范围内的需求根据美国技术咨询服务协会WohlersAssociates发布的2012年度报告,全球3D打印行业在2011年销售额为17.14亿美元。目前，3D打印技术市场的年增长率为29.4%，据预测，该行业的市场规模到2015年将达37亿美元，到2019年将增长到65亿美元。3D打印技术市场规模示意图CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心3D打印技术在世界范围内的需求从行业分布看，目前消费电子领域仍然占主导地位，约20.3%;其他主要应用在汽车、医疗/牙科、工业/商业机器和航空航天领域。3D打印技术行业分布如图：3D打印技术主要应用功能的分布比例如图：CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心3D打印技术在世界范围内的需求当前，欧洲、美洲和亚洲是3D打印设备的主要需求市场。从2011年设备市场份额分布来看，北美地区占40.2%，位居第一，欧洲地区和亚洲地区紧随其后。美国是3D打印设备安装的第一大国，日本处于第二。3D打印设备数量区域分布图CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心3D打印技术在世界范围内的需求图中，柱状图上段为服务收入，下段为产品(即设备和材料等)收入。从图不难看出，3D打印设备及材料和服务的经济规模是相当的。2010年，销售额为13.25亿美元;到2011年，销售额为17．14亿美元,增长率达到24.1%。在产品收入中，3D打印设备和材料占主要部分，2011年为8．34亿美元。全球3D打印技术的产品和服务收入示意图由于3D打印产品种类丰富，带动了打印材料的快速发展。2001年到2011年，全球打印材料的销售情况如图6所示，除了2009年由于全球经济危机的影响稍有下降外，基本上每年都保持10%～20%的增长速度。全球3D打印材料销售额示意图CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心3D打印技术在世界范围内的需求价格价格仍然是一个关键性问题，一些用户指出，相对中低端的打印机来说，高端产品的价格在市场中还没有出现明显的波动。生产成本最初为100万元的3D打印机，目前的成本已经降到了最初的一半，但是销售价格并没有下降。耗材耗材是目前制约3D打印技术广泛应用的关键因素。3D打印技术要实现更多领域的应用，就需要开发出更多的可打印材料，根据材料特点深入研究加工、结构与材料之间的关系，开发质量测试程序和方法，建立材料性能数据的规范性标准等。最终结论：3D打印技术虽然不能够带来第三次工业革命，但无疑是改进工业技术的一把钥匙。CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心3D打印的原理3D打印技术采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。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CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心3D打印的类型和属性3D打印按材料可分为块体材料、液态材料和粉末材料等。按照美国材料与试验协会(ASTM)、3D打印技术委员会(F42委员会)的标准，目前七类3D打印工艺与所用材料如下表；目前，已实现商品化的3D打印机共涵盖了七类工艺，其中以SLA、SLS和FDM等为主。CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心光固化打印(SLA)是采用紫外光在液态光敏树脂表面进行扫描，每次生成一定厚度的薄层，从底部逐层生成物体。光固化过程原理图光固化成形其优点是原材料的利用率将近100%，尺寸精度高(±0.1mm)，表面质量优良，可以制作结构十分复杂的模型;缺点是价格昂贵，可用材料种类有限，制成品在光照下会逐渐解体CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心熔融沉积打印(FDM)采用热融喷头，使塑性纤维材料经熔化后从喷头内挤压而出，并沉积在指定位置后固化成型。这种工艺类似于挤牙膏的方式。其优点是价格低廉、体积小、生成操作难度相对较小;缺点是成型件的表面有较明显的条纹，产品层间的结合强度低、打印速度慢。熔融沉积制造CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心选择性激光烧结打印(SLS)是采用高功率的激光，把粉末加热烧结在一起形成零件。其工艺的优点是可打印金属材料和多种热塑性塑料，如尼龙、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等，打印时无需支撑，打印的零件机械性能好、强度高;缺点是材料粉末比较松散，烧结后成型精度不高，且高功率的激光器价格昂贵。选择性激光烧结CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心聚合物喷射技术（PolyJet）是当前最为先进的3D打印技术之一，图示为聚合物喷射系统的结构:材料喷射喷射打印头沿X轴方向来回运动，工作原理与喷墨打印机十分类似，不同的是喷头喷射的不是墨水而是光敏聚合物。当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，UV紫外光灯将沿着喷头工作的方向发射出UV紫外光对光敏聚合材料进行固化。完成一层的喷射打印和固化后，设备内置的工作台会极其精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化。就这样一层接一层，直到整个工件打印制作完成。CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心打印金属粉末的3D打印技术介绍金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。按照金属粉末的添置方式将金属3D打印技术分为三类:激光工程化净成形技术(LENS)LENS是一种新的快速成形技术，它由美国Sandia国家实验室首先提出。其特点是:直接制造形状结构复杂的金属功能零件或模具;可加工的金属或合金材料范围广泛并能实现异质材料零件的制造;可方便加工熔点高、难加工的材料。LENS系统同轴送粉器结构示意图CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngineering,HBUT-湖北工业大学机械工程学院机器人技术研究中心打印金属粉末的3D打印技术介绍激光选区熔化技术(SLM)SLM是金属3D打印领域的重要部分，其发展历程经历低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点粉末烧结、高熔点粉末直接熔化成形等阶段。由美国德克萨斯大学奥斯汀分校在1986年最早申请专利。SLM技术的基本原理是:先在计算机上利用三维造型软件设计出零件的三维实体模型，然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。CenterforRoboticsResearch,SchoolofMechanicalEngin