湖南工程学院

《学科前沿专题讲座》课程报告

2013年 12 月 17 日

3D打印技术前沿报告

摘要：“3D打印技术”基于增材制造理念，利用信息技术、精密机械技术及材料科学，实现快速成型制造，被称为“第三次工业革命”重要标志之一。在国防及民用领域逐步得到应用，被美国列为制造业国家扶持发展项目之一，在我国也得到关注和重视。

【关键词】3D打印 第三次工业革命 增材制造

3D打印技术，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，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。灯罩、身体器官、珠宝、根据球员脚型定制的足球靴、赛车零件、固态电池以及为个人定制的手机、小提琴等都可以用该技术制造出来。3D打印机依托多个学科领域的尖端技术，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，发展前景广泛。

一、“3D打印技术”被称为第三次工业革命的重要标志之一

2011年2月，创办于1843年的著名的英国政治经济类杂志《经济学人》，发表了封面文章《3D打印如何改变世界》。文章认为3D打印技术将使单品制造几乎和大规模生产一样便宜，影响堪与当年工厂的出现相提并论。2012年4月21日，英国《经济学人》杂志的编辑保罗·麦吉里，在这期杂志上发表了《第三次工业革命》，将3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一。

美国政府已将人工智能、3D打印、机器人作为重振美国制造业的三大支柱,其中3D打印是第一个得到政府扶持的产业。我国工信部也正在组织研究制定3D打印技术路线图、中长期发展战略、3D打印技术规范和标准,以及3D打印产业发展的专项财税政策。

国务院发展研究中心产业经济研究部的王忠宏及清华大学的李扬帆，在《调查研究报告》（2012年181号）上发表了“我国3D产业发展现状及建议”，对该产业的一些问题进行了调研分析。

二、关于“3D打印”的涵义及概念

国内专注于“3D打印”技术及设备研发的著名企业之一的太尔科技称：“3D打印”是快速成型技术的通俗称呼；也有将“3D打印”归属于快速成型技术之一，或将所有“增材制造”技术统称为“3D打印”。

快速成型技术，是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型的技术。

增材制造，是指不经过车、铣、钻等传统“减材”切削加工，而是通过堆叠材料来直接形成最终产品的一种制造理念。

3D打印技术，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，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

“3D打印”称呼起源于1990年美国麻省理工学院申请的“三维印刷技术”专利。该学院的四名科研人员从喷墨打印机原理出发，研制出一种能在平铺着“塑料”粉末的平面上喷洒各种颜色“胶水”的打印机。当打印生成一层平面后，在平面上薄薄地铺一层新粉末，再继续打印。打印完毕后，吹走多余的粉末，就能得到一个彩色的实体物品。自这项专利见诸报端后，所有的增材制造技术就逐渐被媒体统称为“3D打印”了。

可见，“3D打印技术”，是基于增材制造理念，利用先进的信息技术、精密机械技术和材料科学，进行快速成型的新兴制造技术。也是快速成型技术的通俗称呼。

三、“3D打印”原理及技术类型

“3D打印技术”的基本原理，是在计算机控制下，对部件生成三维信息，控制多维成型系统，将材料由点到面，逐层叠加堆积形成零件或部件。快速成型技术类型主要包括以下几种类型：

1.光固化成形，SLA(Stereo lithography Apparatus)工艺也称光造型、立体光刻及立体印刷，其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹，并照射到液槽中的液体树脂，而使这一层树脂固化，之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，然后再进行新一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到1个三维实体模型。该工艺的特点是：原型件精度高，零件强度和硬度好，可制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑，树脂收缩会导致精度下降，另外光固化树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势等。

2.分层实体制造，LOM(Laminated Object Manufacturing)工艺或称为叠层实体制造，其工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。其工艺过程是：首先铺上一层箔材，然后用CO，激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎以便于去除。当本层完成后，再铺上一层箔材，用滚子碾压并加热，以固化黏结剂，使新铺上的一层牢固地粘接在已成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕，最后去除切碎部分以得到完整的零件。该工艺的特点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高。缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。

3.选择性激光烧结，SLS(Selective Laser Sintering)工艺，常采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成形材料。其工艺过程是：先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控制下用激光束有选择地进行烧结(零件的空心部分不烧结，仍为粉末材料)，被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。一层完成后再进行下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。该工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。造型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或装配模拟。

4.烧融沉积成形，FDM(Fused Deposition Manufacturing)工艺又称为熔丝沉积制造，其工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该工艺的特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型，且无污染。

除了上述4种最为熟悉的技术外，还有许多技术也已经实用化，如三维打印技术、光屏蔽工艺、直接壳法、直接烧结技术、全息干涉制造等。

三维打印：3D-P（Three-Dimensional Printing），也称粉末材料选择性粘结。喷头在计算机控制下，按照截面轮廓信息，在铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射粘结剂，使部分粉末粘结，形成截面层。一层完成后，粉末下降一个层厚，铺粉，喷粘结剂，再进行后一层的粘结，如此往复，形成三维产品。得到的制件，放到加热炉内，进一步固化或烧结，以提高粘结强度。

固基光敏液相：SGC（Solid Ground Curling）。每层的固化由五部来完成：添料-掩膜紫外光曝光-清除多余的未固化的液体料-向空隙处填蜡料和磨平。

热塑性材料选择性喷洒：采用两个喷嘴，一个喷热塑性材料，另一个喷支撑成型件的蜡。两个喷嘴根据截面轮廓信息，在计算机控制下可以做X-Y平面运动，选择性喷洒热塑性材料和蜡，两种材料在工作台基底上迅速冷却形成固态截面层和支撑结构。随后用一刀具铣平上表面，控制在预定的高度上，每层截面成型后，平台下降一层的高度，再进行下层的喷洒，如此往复。

四、“3D打印“为何这么火

在欧美，注重创造力的发达国家，3D打印技术已经成功商用，尤其是消费电子业、航空业和汽车制造业。它们不光可以离开传统的大规模机床来制造小数量的部件，而且可以用不同方法来制造，比如单个制作喷气式飞机上的空气动力导管，而不再需要很多不同的元件来组装它。

用发展的眼光来看，3D打印首先会影响的是模具行业。即便在国内制造行业不景气的今天，模具行业仍然风景独好，一方面是对技术要求高，另一方面是市场有需求，在产品大规模生产之前，必须要进行多次打样和修改。3D打印机的出现，其实是消灭了模具反复打造的流程，能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，极大地缩短产品的研制周期，大幅减少成本投入，对于一些复杂而精细的造型，3D打印机表示毫无压力。

其次是会引发个性风潮。对一些小厂家来说，迫于模具制造的高成本，往往会采用公模来生产，虽然在功能上能满足用户的需求，但千篇一律的造型，很难迎合时下个性化的发展趋势，所以卖不出高价，只能靠低价来吸引消费者。在机械化和流水线盛行的年代，人们对于手工的东西有特别的亲切感，即便价格昂贵数倍，也不愁找不到买家，原因是手工制作不可能有相同的，而且品质有保证。3D打印机的出现，一方面满足人们对个性化产品的追求欲，完全可以量身定制，另一方面在大大提高生产效率的同时，还能降低成本。

第三是激发了人的想象力。极客牙医用它进行牙齿正畸和数字化种牙，减少风险和痛苦；外科医生更厉害，直接打印骨头，只不过把材料换成添加了硅和锌磷酸钙，用于临床手术；汽车维修公司用它来打印稀缺的汽车零部件，原先要等全球物流下2个月才到的一个东西，1个小时搞定了；英国科学家还在3D打印机的基础上成功改造，使用液态巧克力作为“油墨”，可以打印各种形状的巧克力，几乎所有人都相信，3D打印机会成为食品界杀手级工具。

五、“3D打印技术”的发展与应用

1.发展应用概况

1984年美国开发出“3D打印技术”；1985年，在五角大楼主导下，美国秘密开始了钛合金激光成形技术研究，1992年这项技术才公之于众。由于在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决，美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。2005年，美国从事钛合金激光成型制造业务的商业公司Aeromet由于始终无法生产出性能满足主承力要求的大尺寸复杂钛合金构件，没能实现有价值的市场应用而倒闭。美国的其他国家实验室也无法攻克这一难题，只能进行小尺寸钛合金部件的打印或进行钛合金零件表面修复。

我国于1999年开始金属零件的激光快速成形技术研究，在国家“863”、“973”计划、国家自然科学基金重点项目等的大力支持下，集中开展了镍基高温合金及多种钛合金的成形研究，形成了多套具有工业化示范水平的激光快速成形系统和装备；掌握了金属零件激光快速成形的关键工艺及组织性能控制方法，所成形的TC4、TA15、TA12等钛合金及Inconel 718合金的力学性能均达到或超过锻件的水平，为该技术在上述材料零件的直接制造方面奠定了基础；近年来，我国在飞机钛合金大型整体结构件的激光快速成形方面取得了重要突破，有效解决了激光快速成形钛合金大型整体结构件的变形开裂及内部质量控制两大技术难题，通过对钛合金零件凝固组织的有效控制，所成形的飞机钛合金结构件的综合力学性能达到或超过钛合金模锻件，已通过装机评审并得到应用。

中国已具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国家。早在2000年前后，中航激光技术团队就已开始投入“3D激光焊接快速成型技术”研发，解决了多项世界技术难题、生产出结构复杂、尺寸达到4米量级、性能满足主承力结构要求的产品在我国歼-15等新机的研制中，钛合金和M100钢的“3D打印技术”在主承力部分，包括整个前起落架得到应用。

中国西北工业大学正尝试用“电子束热熔”技术制造飞机用钛合金零件；2012年度中国国家技术发明一等奖获奖项目正是“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”。

另外，随着“3D打印”设备、材料及应用软件技术的开发，该技术在民用领域也得到应用，如：

（1）.工业企业新产品设计、试制及快速打印成形；

（2）.个性化产品设计及快速打印制造；

（3）.各种创意产品、玩具、礼物、文物、动漫游戏角色及人物模型等克隆复制；

（4）.3D照相馆；

（5）.医疗行业人体器官、医疗器械打印；

（6）.建筑模型制作；

（7）.教育、科研等。

2.市场状况

2010年全球3D打印设备市场规模达13.25亿美元,其中服务收入6.51亿美元；《国际增材制造行业发展报告》显示，3D打印技术2011年全球直接产值为17.14亿美元，年增长达29.1%；制造领域国际权威报告《沃勒斯报告2012》显示，截至2011年，全球累计销售4.9万台工业级3D打印机，其中近四分之三由美国制造，以色列和欧洲各国的份额分别为9.3％和10.2％，中国生产的设备仅占3.6％，与日本相当；工业级3D打印机售价多在四、五十万元,高的上百万元；华中科技大学史玉升科研团队经过十多年努力，已研发出全球最大的“3D打印机”,这一“3D打印机”可加工零件长宽最大尺寸均达到1.2米,从理论上说，只要长宽尺寸小于1.2米的零件（高度无需限制），都可通过这部机器“打印”出来,如今，该设备被国内外200多家用户购买使用，每台价格从几十万元到200多万元不等。与此同时民用3D打印机市场也快速掘起,国内有家叫北京太尔时代公司生产的个人消费级3D打印机UP2010年全球销量仅200台，这一数字在2012年已直逼3000台,售价仅在万元左右。

目前全球有两家3D打印机制造服务巨头,Stratasys和3DSystems,均在美国纳斯达克上市,2011年营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元,2012年股价分别翻了2倍和3倍。在中国比较有名的是华中科技大学滨湖机电公司、铭展科技、太尔时代以及维示泰克。

六、前景预测

1.从长远看，这项技术应用范围之广将超乎想象,最终将给人们的生产和生活方式带来颠覆式的改变, 甚至引发第三次工业革命。

2.由于受制于材料、成本、打印速度、制造精度等多方面因素，这项技术并不能完全取代传统的减材制造法并实现大规模工业化生产，未来相当长的一段时间内两种生产方式将并存、互补。

3.3D打印领域，中国在科研方面已经颇具实力，某些技术已经领先全球, 但是在商业化应用和产业化方面滞后。

4.材料、人才、商业化应用是3D打印技术发展和普及的关键。

参考文献

【1】 陈步庆,林柳兰,陆齐,胡庆夕;三维打印技术及系统研究[J];机电一体化;2005年04期

【2】 胡发宗,赵毅,陈罡,闫焕营;三维立体打印机的成形技术[J];模具技术;2004年01期

【3】 国务院发展研究中心产业经济研究部 王忠宏 清华大学 李扬帆《调查研究报告》[2012年第181号]

《学科前沿专题讲座》课程报告