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3D制造技术的发展现状与趋势王康康*重庆大学机械工程学院,重庆市,400044,中国【摘要】3D打印3D printing,即快速成型技术的一种,其实质是增材制造技术,被誉为是第三次工业革命的重要标志之一近年来,国内外3D打印技术蓬勃发展,多个领域有着广泛地应用通过介绍3D打印技术的概念及应用领域,综述了国内外3D打印技术及产业的现状,并结合数据,分析3D打印技术的发展和应用趋势以及产业化前景,进而提出自己的观点和看法【关键词】3D打印;增材制造技术;发展趋势;观点和看法The DevelopmentStatus andTrend of3D ManufacturingTechnology WangKang-kang Abstract:3D printingprinting3D,which isa rapidprototyping technology,its essenceis tomaterial formingprocessing technology,known asone of the importantsigns ofthe thirdindustrial revolution.In recentyears,the rapiddevelopment of3D printingtechnology athome andabroad,many areashave awide rangeof applications.This paperintroduces theconcept andapplication of3D printingtechnology,expounds thepresent situationofthedomestic andforeign3D printingtechnology andindustry,and combiningwith thedata.The developmenttrend of3D printinghas acertain predictabilityanalysis,and thenput forwardtheir ownviews andopinions.Keywords:3D printing;Material formingprocessing technology;Development trend;Views andopinions1引言3D打印3DPrinting技术作为快速成型领域的新兴技术,被赋予“第三次工业革命”的大背景,成为一种迅猛发展的潮流,吸引了国内外新闻媒体和社会公众的热切关注英国《经济学人》杂志2011年2月刊载封面文章,对3D打印技术的发展作了介绍和展望,认为3D打印技术的发展将使大规模的个性化生产成为可*作者简介王康康,男,重庆大学机械工程学院硕士研究生能,并带来全球制造业经济的重大变革⑴媒体乐观地认为3D打印产业将成为下一个具有广阔前景的朝阳产业23D打印技术简介与应用领域
2.13D打印技术概念3D打印技术,即快速成型技术的一种,是制造业正在迅速发展的一项新兴技术3D打印制造技术实质是增材制造技术,因此又称为添加制造AM,Additive Manufacturing,是现代信息技术和制造技术融合的产物,丰富和发展了制造技术的内涵和产业形态,是现代先进制造技术的重要发展方向美国材料与试验协会将增材制造技术定义为基于3D模型数据,采用与减式制造技术相反的逐层叠加方式生产物品的过程,通过电脑控制将材料逐层叠加,最终将计算机上的三维模型变为立体实物,是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术⑵3D打印机是3D打印的核心装备它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统,主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成此外,新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分
2.23D打印技术的应用领域近20年来,3D打印技术在各领域发展迅速,主要被应用于产品原型、磨具制造,以及艺术创作、珠宝制作等领域,替代这些领域传统以来的精细加工工艺此外,该技术在鞋类、建筑、工程和施工AEC、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、生物工程以及其他多个领域都有所应用其应用从市场份额来看,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%⑶同时3D打印技术为这些产业的创新开拓注入了新鲜的血液,如2010年澳大利亚Invetech公司和美国OrganV公司合作,尝试以活体细胞为“墨水”打印人体的组织和器官,是医学领域具有重大意义的创新33D打印技术及产业国内外发展现状
3.1国际发展现状经过多年的探索和发展,3D打印技术有了长足的发展,目前已经能够在
0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率,并可以实现24位色彩的彩色打印⑷目前,在全球3D打印机行业,美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据绝大多数市场份额在欧美发达国家,3D打印技术初步形成成功的商用模式,同时国际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3DSystems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,有成为行业巨头的发展趋势⑵目前在欧美发达国家,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打印技术可以以较低的成本、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通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通过电子市场销售,每年能够推出60种创新产品,年收入达到100万美元⑶
3.2国内发展现状自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⑸;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,国内如南京紫金立德、北京殷华等企业实现了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,产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端⑹目前,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,我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,我国港台地区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43D打印产业的发展前景和技术发展趋势
4.13D打印产业的未来发展前景根据国际快速制造行业权威报告《Wohlers Import2011》发布的调查结果,全球3D打印产业产值在1988〜2010年间保持着
26.2%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52亿美元⑺但3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间,目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战一是成本方面,现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵,给其进一步普及应用带来了困难网二是打印材料方面,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,成型品的物理特性较差,而且安全方面也存在一定隐患三是精度、速度和效率方面,目前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,而且受打印机工作原理的限制,打印精度与速度之间存在严重冲突⑼四是产业环境方面,3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散,制造业面对的盗版风险大增,现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求〔⑼总之,从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景,但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离,对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估因此,现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主,尤其要重视自主知识产权的建设和维护,争取在未来的市场竞争中占据有利地位由于工程化应用技术研究不够,尚未形成广泛意义的完备技术体系,工程领域和产业界对3D打印制造技术需求不够迫切,技术发展缺乏市场牵引力如受到概念炒作影响,在技术尚未充分完善的现阶段大规模投入产能扩张,则投资可能回报将面临着较大的风险[
54.23D打印技术发展和应用趋势随着智能制造,控制技术,材料技术,信息技术等不断发展和相互融合,综合应用于制造工业,3D打印技术也将会被推向一个更加广阔的发展平台未来3D打印技术主要有以下发展趋势1功能智能化和便捷化目前,3D打印设备在软件功能、后处理、设计软件与生产控制软件的无缝对接等方面还有许多问题需要优化山31同时,随着3D打印技术越来越普遍地运用到服装、设计、生活生产当中,只有用户在使用过程中觉得简易上手,技术门槛低,复杂程度低,才能使用户有更好的使用体验,才能更普遍地推广这一技术而这一系列问题都直接影响到设备的普及和推广,设备智能化、便捷化是走向普及的保证2应用通用化和普及化【⑵3D打印是近年来国际上的发展热点,其输出设备称为3D打印机,是作为一个计算机的外部输出设备使用它可以直接将计算机中制图软件中的三维设计图形输出成一个三维彩色实体,在科学教育,工业制造,产品创意,工业美术等方面有广泛地应用前景和巨大的商业价值,这同时要求3D打印技术向低成本、高精度、高性能的方向发展同时,3D打印制造装备从高端型走向普及型打印产品从航空航天、汽车模具等高端领域延伸到与人们生活息息相关的日用品行业,3D打印产品价格和技术门槛越来越低,正在向大众化普及3装备产品化、系列化和专业化Ui增材制造技术的核心之一是成形装备欧美及日本在该领域处于世界领先水平,并已经形成了众多专业化和规模化增材制造装备生产企业据《Wohlers Report2010》统计,2009年世界范围内生产和销售增材制造装备的知名企业达35家,欧美占29家之多5结语从以上论述,不难发现从中长期来看3D打印产业有着较为广阔的发展前景,但是和产业成熟阶段有着较大的差距”41也正是由于有着较好的前景和发展潜力,3D打印技术领域才会引起大众关注和社会资源的投入相信随着智能制造技术的进一步发展,信息技术、控制技术和材料技术得到进一步融合和创新,应用到制造领域,3D打印技术也会得到更高层面的发展和突破未来3D打印技术将出现功能智能化和便捷化、应用通用化和普及化和装备产品化、系列化和专业化等主要发展趋势6参考文献
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