创想智造3D打印手板模型加工

标题: 1、3D打印技术综述 [打印本页]

作者: 苗苗 时间: 2016-11-11 10:12
标题: 1、3D打印技术综述
3D打印技术工作原理简述
3D打印机的工作原理，首先它将每一层的打印过程分为两步，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重叠的作用下，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。而剩余粉末还可循环利用。

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打印耗材由传统的墨水、纸张转变为胶水、粉末，当然胶水和粉末都是经过处理的特殊材料，不仅对固化反应速度有要求，对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。3D打印技术能够实现600dpi分辨率，每层厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。而且可以利用有色胶水实现彩色打印。
由于打印精度高，打印出的模型品质自然不错。除了可以表现出外形曲线上的设计，结构以及运动部件也不在话下。如果用来打印机械装配图，齿轮、轴承、拉杆等都可以正常活动，而腔体、沟槽等形态特征位置准确，甚至可以满足装配要求，打印出的实体还可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。同时粉末材料不限于砂型材料，还有弹性伸缩、高性能复合、熔模铸造等其他材料可供选择。

目录
3D打印技术的起源
3D打印技术的分类及特点
国内3D打印市场现状及发展趋势分析
国外3D 打印技术的产业化应用现状
3D打印未来发展趋势分析
3D打印技术的意义

作者: 苗苗 时间: 2016-11-11 10:19
3D打印技术的起源：

多数人看来3D打印还是一个新生事物，其实在二十年前3D打印设想已开始酝酿。设计领域许多人都知道3D CAD(3D计算机辅助设计)。从70年代诞生到现在，3D CAD经历了几十年的发展，已经成为广大设计人员的有力工具之一和很多设计领域的重要标准。而快速成型(Rapid Prototyping，简称RP)技术几乎与3D CAD的发展同步，人们从使用3D CAD的那天起就希望方便地将设计“转化”为实物，因此也就有了发明3D打印机的必要。

  一、3D打印的起源

3D打印技术起源于19世纪末美国研究的照相雕塑和地貌成形技术，到20世纪80年代后期已初具雏形，其学名为“快速成型”，并且在这个时期得到推广和发展!

二、3D打印、3D打印机定义。

1、3D打印是一种通过材料逐层添加制造三维物体的变革性、数字化增材制造技术，它将信息、材料、生物、控制等技术融合渗透，将对未来制造业生产模式与与人类生活方式产生重要影响。通俗的讲：3D打印就是将各种技术融合在一起，通过材料进行逐层添加制造物体。

2、3D打印机，即快速成形技术的一种机器，它是一种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。即把电脑中设计的模型，运用各种材料，通过3D打印机打印成实体。

3、3D打印机的工作原理：把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。打印出的产品，可以立即投入使用。

三、早期的3D打印机及其应用领域。

1、1986年，美国科学家胡尔利用一种叫光敏树脂的液态材料，被一定波长的紫外光照射后会立刻变成固体的特性，发明了世界上第一台3D打印机。这台打印机的工作原理是：把液态光敏树脂倒进一个容器，液面下方0.05毫米-0.15毫米有个升降平台，液面上方有一台激光器，激光器连接电脑，电脑里有虚拟物体的三维数据。电脑发出第一道指令，激光器发射紫外光，紫外光照射液面特定位置，这一片形状的光敏树脂马上发生光聚合反应，从液体变成固体相当于打印完成了第一层。然后，平台下降0.05毫米-0.15毫米，激光器再根据新指令发射光线，上面这层液体照射后固化，“打印”出第二层„„平台一点一点下降，电脑一道一道发出指令，平台上的液体一层一层固化、累积，于是，一件电脑里的三维模型就这样被“打印”成了一件立体实物。 2012年，胡尔74岁，他一手创办的3D Systems公司创造了业内3D打印机最高销售业绩：2.9亿美元。

2、早期的3D打印机价格非常昂贵，并且打印的产品数量也很少。最早应用于打印珠宝、工具、玩具、厨房用具等产品!

  四、目前3D打印机的成型原理、打印耗材及应用领域  。

  1、通过阅读资料，我了解到目前3D打印机的成型原理主要分为FDM(熔积成型法)、SLA(光固化成型法)、SLS(激光粉末烧结法)、SLM(金属粉末融化)、3DP(三维印刷法) LOM(分层实体制造法)。(在3D打印技术里面具体分析)

2、截止目前，能使用于3D打印机的材料主要为ABS/PLA卷材(FDM)、光敏树脂(SLA)、尼龙粉末 (SLS)、PS/PP粉末(SLS)、金属粉末(SLS)、陶瓷粉末(SLS)、PVC片材(LOM)、纸张(LOM)、石膏粉末(3DP)和树脂砂/覆膜砂(SLS)。(在3D打印技术里面具体分析)

3、相对于早期3D打印机应用领域的狭窄，现在的3D打印机应用敢为大为扩展，目前，主要应用较大的领域包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。其中，目前3D打印机也应用于打印一些极具创意和个性化的产品模型。

作者: 苗苗 时间: 2016-11-11 10:19
3D打印技术的分类及特点：

目前市场上的快速成型技术分为3DP 技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术等。
　　
3DP技术：采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术，通过将液态连结体铺放在粉末薄层上，以打印横截面数据的方式逐层创建各部件，创建三维实体模型，采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上，模型样品所传递的信息较大。
　　
FDM熔融层积成型技术：FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，直至形成整个实体造型。其成型材料种类多，成型件强度高、精度较高，主要适用于成型小塑料件。

SLA立体平版印刷技术：SLA立体平版印刷技术以光敏树脂为原料，通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。该方法成型速度快，自动化程度高，可成形任意复杂形状，尺寸精度高，主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。
　　
SLS选区激光烧结技术：SLA立体平版印刷技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该方法制造工艺简单，材料选择范围广，成本较低，成型速度快，主要应用于铸造业直接制作快速模具。
　　
DLP激光成型技术：DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。

作者: 苗苗 时间: 2016-11-11 10:24
国内3D打印市场现状及发展趋势分析：

市场规模呈几何级增长态势，预计 2020年突破 210亿美元。2013年全球 3D打印产品和服务市场增长 34.9%，达到 30.7亿美元，这是 3D打印行业最近 17年来增长速度最高的一年。而过去 26年的平均年增长率为 27%，最近三年的年复合增长率为 32.3%。预计2015年全球 3D打印产业的市场规模将达到 60亿美元，2018年将比 2013年翻 4倍到 125亿美元，而 2020年将突破 210亿美元。

中国市场潜力巨大从 2010 年开始，3D 打印行业整体收入进入加速期。2012 年全球3D 打印整体收入约为22.04 亿美元，主要包括设备、材料和服务三个部分，较2011 年的17.14 亿增长了28.6%;2011年和2010 年，这一增长率分别为29.4%和24.1%，预计行业整体增速持续保持在20%左右。3D 打印设备和材料方面，2012 年的收入约为10.03 亿，较2011年的8.34 亿增长了20.3%，2011 年和2010 年，这一增长率分别为28%和22.9%。3D 打印服务收入方面，2010 年、2011 年和2012 年的增长率分别为25.3%、30.7%和36.6%，收入增长呈现加速趋势。

3D打印产业链自上而下主要包含打印材料、打印设备和打印服务三大类，这三类市场份额占比分别为37%、39%和 24%。

美国、日本、德国占据了 3D打印市场的主导，尤其是美国占据了全球近 38%的比重。具体公司而言，主要包括 3D Systems(美国)、Stratasys(美国) 、ExOne(美国) 、EOS(德国) 、Solido(以色列) 、Envisiontec(德国)等，这些公司分别在特定领域和细市场具有比较优势，目前这些企业占据了全球市场 90%的市场份额。
中国或将取代美国成为全球最大的3D打印市场。

1、激光器、软件、材料等核心技术还依赖进口
目前，设备、材料、软件等核心领域都能够不同程度实现自给，并在文化创意、工业、生物医学等领域得到应用。但是激光器、软件、材料等核心技术还依赖进口。
预计未来 2-3年内将达到 100亿左右，超越美国成为全球最大的 3D打印市场。2012年中国 3D打印市场规模约为 10亿元，2013年翻了一番达到 20亿元。预计未来 2-3年内将达到 100亿左右，为 2012年(10亿元人民币)的 10倍，从而使中国超越美国成为全球最大的 3D打印市场。

2、3D打印应用广泛，但仍面临较大挑战
就应用的行业而言，目前 3D打印设备主要在消费品/电子、医疗、工业设备、交通运输、航天航空等行业应用的比较广泛。

1)医疗
医疗应用是目前最受关注的下游行业，比较成熟的是骨骼类。牙齿、手臂、下颚骨及关节等都已经在动物身上得到验证并在几例人体移植上获得成功。
2014年 8月，北京大学研究团队成功地为一名 12岁男孩植入了 3D打印脊椎，这属全球首例 3D打印人工定制枢椎应用于恶性肿瘤的治疗。植入的 3D脊椎可以跟现有骨骼非常好地结合起来，不需要太多的锚定，能缩短病人的康复时间。此外，研究人员还在上面设立了微孔洞，它能帮助骨骼在合金之间生长。换言之，植入进去的 3D打印脊椎将跟原脊柱牢牢地生长在一起，能够避免出现传统病变椎体切除手术后椎体塌陷的问题。此外，3D打印还成功打印出在外骨假肢、头盖骨甚至心脏。
打印头盖骨进行面部修复：传统的面部修复术从开发到调整，既费时又烧钱。采用 3D打印技术辅助设计缺损颅骨外形，除了以钛金属网重建缺损颅眶骨，还需要从腿部取肌肉进行填补，制作出缺损的脑盖，最终实现左右对称。
打印心脏等复杂器官：医生就可以在手术之前完全复制心脏的模型，成功制定一个复杂的矫正手术方案，从而减少病人在手术台上的时间，使手术变得更为安全。

2)工业领域
在工业领域，工业级 3D打印机可以打印出汽车、航天等需要的零件，有效地规避了传统零部件研测高投入和长耗时的弊端。如汽车制造前期的零部件研发测试阶，只是一个小批量生产过程，3D打印有着缩短开发周期、降低研发成本的快速成型要求，以便能够及时对关键的零部件进行可行性测验和调整，3D打印以一种成本有效的方式规避了传统零部件研测高投入和长耗时的弊端。

3)建筑业
建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用 3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美，完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。打印建筑所使用的原理与一般的 3D打印机基本相同，不过原料却换成了水泥和玻璃纤维的混合物，而这种特殊的建筑材料还可回收利用，大大减轻了建筑废料造成的环境压力。

4)消费品领域
随着桌面级 3D打印机的销售量持续增长，许多小工具(如凳子、扳手、剪刀、椅子、台灯等线条简单的工具)、小玩具(模型或者任务玩偶等)甚至小零食都可以由 3D打印机打印出来。

作者: 苗苗 时间: 2016-11-11 10:28
国外3D 打印技术的产业化应用现状。

美国、德国等发达国家高度重视并积极推广3D打印技术。2012年8月，美国总统奥巴马拨款3000万美元，在俄亥俄州建立了国家级3D打印工业研究中心，并计划第一步投入5亿美元用于3D打印技术的研发。德国联邦教研部（BMBF）早在20年前针对3D打印技术提出长期的发展计划，2011年5月推出的“德国光子学研究”计划也涉及到对3D打印技术研究的资助支持，柏林工业大学3D实验室在3D技术的研究应用方面也取得了一系列的显著成绩。

一、国外3D打印机产业化发展现状。
在全球3D 打印机行业中美国3D Systems、Stratasys 两家公司的产品占据了绝大多数的市场份额。在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的Fab@Home、Shapeways，英国的Reprap等。

3D Systems 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，生产HP品牌的3D打印机，2012年4月又与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。当前，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。在美国，这个领域已经开始吸引风险资本的注意，在打印了超过100万件3D物体之后，3D打印公司Shapeways 获得了620万美元的风险投资[3]。

二、国外3D打印技术产业应用现状。
与传统制造技术相比，3D 打印具有制造成本低、生产周期短等明显优势，是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”，英国《经济学人》杂志认为3D 打印技术“与其他数字化生产模式一起，推动实现第三次工业革命”。美国《时代》周刊将其列为“ 美国十大增长最快的工业”。

目前，3D打印技术已广泛应用于工业设计、艺术创作、珠宝、建筑、服装、生物工程等多领域。在制造工业中，点击鼠标取代了锤子、钉子和工人，创意和智慧取代了劳动力成本，因此成为许多商品制造商的关注重点。有专家认为3D打印技术正在重塑全球制造业竞争格局。

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。另一3D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。

2009年以来，3D打印市场在北美和欧洲急剧增长。根据Stratasys 公司2011年财务报告，其八成左右的收入即来源于欧美市场。国际快速制造行业权威报告《Wohlers Report 2011》发布的调查结果显示，全球3D打印产业产值在1988年到2010年间保持着26.2%的年均增长速度。报告预期，到2016年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元，将会成为下一个具有宽广前景的朝阳产业。

三、国外3D打印技术产业化的先进经验和启示

近二十年来，3D打印技术已发展成为在功能上切实可行、在技术上更加先进的一种替代方法。特别是对一些使用传统方法难以加工的材料且功能复杂的产品制造，怎样让这些独特的优点应用于产业化中却并不是一件轻而易举的事情，现总结国外3D打印技术产业化中的先进经验，希望对我国及广东3D打印制造产业化发展有所启发。

(一) 从国家层面加强重视，做好3D打印制造技术产业化发展的顶层设计和统筹规划。
1998年，美国国家制造科学中心（NCMS）完成了侧重于3D打印技术产业化应用的路线图，2009年再次探讨制定未来10-12年内3D打印技术在相关领域的路线图。力促企业、学术界以及政府机构中的权威专家资源网络化，实现协同增效，为3D打印技术的产业化制定全面、系统的近期与中期研究规划。建议我国政府部门也应建立协同推进机制，制定3D打印制造技术路线图和中长期发展战略，明确这一产业的阶段目标、技术路线、重点任务和政策措施，为我国3D打印制造产业化发展做好顶层设计和统筹规划，推动产业的可持续健康发展。

(二) 建立用于研究和教育的公共平台基地，为3D打印的研发和应用示范做好配套保障。
由于目前的3D打印机器设备价格高昂，有关专家建议成立一个国家实验平台中心，保证每台设备的充分利用。2012年8月，美国政府宣布，将在俄亥俄州建立一所由政府部门和私营部门共同出资的制造业创新研究所研发3D打印技术。美国国防部、能源部等5家政府部门将共同出资4500万美元；俄亥俄州等三州的企业、学校和非营利性组织组成的联合团体将出资4000万美元。通过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，推进产业化发展。建议国内也应加大对3D打印制造技术的研发和产业化支持力度，建立相关的应用示范基地。

(三) 为促进3D打印技术的推广应用，建立相关的技术标准。
随着3D打印产业化应用日臻成熟，可重复的系统将会越来越多，健全的标准对未来3D打印技术的发展具有重要意义。具体而言，符合国际公认标准的产品、工艺与材料认证将会极大地促进3D打印技术的推广应用。近期，美国试验材料学会F42标委会已确立建立3D打印制造技术标准，该计划得到了全体3D打印制造技术同行的大力支持。

(四) 通过加大对与3D打印相关的材料研究来推动产业化发展。
设备、软件、材料是发展3D打印产业化不可或缺的关键环节，现在业界主要研究的是设备和软件，而材料和维护成本被视作推广3D打印技术的一大障碍。加强对智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等方面的研究与应用已成国外很多研发单位的重点关注内容。如美国国防部高级研究计划局（DARPA）针对材料的定向组装制定纳米制造规则，同时建立第三方的检验和改进材料协会验证材料的可行性来提高公众认可度。

(五) 加强3D打印技术的宣传，向普通群众普及3D打印技术应用方面的知识，为其产业化发展营造良好的社会舆论环境。
3D打印技术的应用对于推动环境友好型、经济有利型社会的建设和可持续发展具有重要意义。通过对群众普及知识，有助于形成一股社会“拉力”，有利于3D打印技术的应用与发展。目前美国已通过博物馆展览、影视广告植入、新产品创意广告等方式来宣传3D打印技术。

(六) 教育将成为推动3D打印技术在高校以及行业领域中应用的一个关键因素。
如果对3D打印技术没有深入的了解，人们对这一技术的接受将会是一个缓慢的过程。良好的教育和宣传将会打破偏见陈规，大幅度地推广3D打印技术的使用。通过在本科与研究生层次开设相关课程，并编写教学材料以及制定课程规划；向行业从业人员开发培训课程，可颁发专业学术团体或机构（如美国制造工程师学会、美国机械工程师学会等）授予的毕业证书，向管理层或其他非技术人员推广相关知识。

四、小结

虽然现阶段3D打印技术的产业化发展并未替代传统制造业，但应看到不久的将来，直接从事制造的人数将不断减少，装配组装成本的比重会持续下降，中国低成本劳动力的比较优势将被大大削弱，这项技术最终将给工业生产和经济组织模式带来颠覆式的改变。我国推行3D打印制造技术的研究已有20多年，就3D打印的理论研究而言，与国际水平相差不远，但将整个产业所涉及的材料、机械、数控、软件等诸领域集成起来做出一个商品时，差距的鸿沟就直面而来。从“中国制造”向“中国创造”迈进并不是一句口号而是不得不面对的现实，发展3D打印制造技术的产业化应用正是当前国人争夺数字化制造技术话语权的关键环节。

作者: 苗苗 时间: 2016-11-11 10:32
3D打印技术的意义：

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.运用该技术进行生产的主要流程是：应用计算机软件,设计出立体的加工样式,然后通过特定的成型设备（俗称3D打印机）,用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层打印出产品.

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