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标题: 3D打印、快速成型与快速制造技术解析 [打印本页]

作者: 3D新闻 时间: 2016-3-29 21:24
标题: 3D打印、快速成型与快速制造技术解析
互联网当前，3D打印、3D打印机、三维打印、快速成型、快速制造、数字化制造这些名词，如同一股旋风，仿佛一夜之间就在学术界、政界、传媒界、金融界、制造界掀起了巨澜。然而至今还没有一篇文章能够全面、完整地对这些名词进行解析，让人们真正认识和了解“什么是3D打印”、“什么是快速制造”。    当前，3D打印、3D打印机、三维打印、快速成型、快速制造、数字化制造这些名词，如同一股旋风，仿佛一夜之间就在学术界、政界、传媒界、金融界、制造界掀起了巨澜。然而至今还没有一篇文章能够全面、完整地对这些名词进行解析，让人们真正认识和了解“什么是3D打印”、“什么是快速制造”。

解析一：概念
快速成型（Rapid Prototyping，简称RP），诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种新型技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。目前国内传媒界习惯把快速成型技术叫做“3D打印”或者“三维打印”，显得比较生动形象，但是实际上，“3D打印”或者“三维打印”只是快速成型的一个分支，只能代表部分快速成型工艺。

  快速制造（Rapid Manufacturing，简称RM），有狭义和广义之分，狭义上是基于激光粉末烧结快速成型技术的全新制造理念，实际上属于RP快速成型技术的其中一个分支，它是指从电子数据直接自动地进行快速的、柔性并具有较低成本的制造方式。快速制造它与一般的快速成型技术相比，在于可以直接生产最终产品，能够适应从单件产品制造到批量的个性化产品制造；而广义上，RM快速制造可以包括“快速模具”技术和CNC数控加工技术在内，因此可以与RP快速成型技术分庭抗礼，各擅胜场。

  国际上喜欢用“Additive Manufacturing”（简称AM）来囊括RP和RM技术，国内翻译为增量制造、增材制造或添加制造。2009年美国ASTM成立了F42委员会，将AM定义为： “Process of joining mat-erials to make objects from 3d model data, usua-lly layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies.” 即：一种与传统的材料去处加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。

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图1 增材制造

解析二：几种主流快速成型工艺的成型原理及优缺点
1. 激光光固化（SLA——Stereolithography）
该技术以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂连点扫描，便被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当层固化完毕，移动工作台，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕。美国3DSYSTEMS 公司是最早推出这种工艺的公司。该项技术特点是精度和光洁度高，但是材料比较脆，运行成本太高，后处理复杂，对操作人员要求较高。适合验证装配设计过程中用。

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图2 激光光固化

2. 三维打印成型（3DP——3Dimension Printer）
其最大特点是小型化和易操作，多用于商业、办公、科研和个人工作室等环境。而根据打印方式的不同，3DP三维打印技术又可以分为热爆式三维打印（代表：美国3D Systems公司的 Zprinter系列——原属ZCorporation公司，已被3D Systems公司收购）、压电式三维打印（代表：美国3D Systems公司的ProJet系列和前不久被Stratasys公司收购的以色列Objet公司的三维打印设备）、DLP投影式三维打印（代表：德国Envisiontec公司的Ultra、Perfactory系列）等。

热爆式三维打印工艺的原理是将粉末由储存桶送出一定分量，再以滚筒将送出之粉末在加工平台上铺上一层很薄的原料，打印头依照3D 电脑模型切片后获得的二维层片信息喷出站着剂，粘住粉末。做完一层，加工平台自动下降一点，储存桶上升一点，刮刀由升高了的储存桶把粉末推至工作平台并把粉末推平，如此循环便可得到所要的形状。该项技术的特点是速度快（是其他工艺的6倍），成本低（是其它工艺的1/6）。缺点是精度和表面光洁度较低。Zprinter系列是全球唯一能够打印全彩色零件的三维打印设备。

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图3 三维打印成型

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压电式三维打印，类似于传统的二维喷墨打印，可以打印超高精细度的样件，适用于小型精细零件的快速成型。相对SLA，设备维护更加简单；表面质量好，Z轴精度高。

DLP投影式三维打印工艺的成型原理是利用直接照灯成型技术（DLPR）把感光树脂成型，CAD的数据由计算机软件进行分层及建立支撑，再输出黑白色的Bitmap档。每一层的Bitmap档会由DLPR投影机投射到工作台上的感光树脂，使其固化成型。DLP投影式三维打印的优点：利用机器出厂时配备的软件，可以自动生成支撑结构并打印出完美的三维部件。相比于快速成型领域其他的设备，独有的voxelisation专利技术保证了成型产品的精度与表面光洁度。

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图4 DLP投影式三维打印

3. 熔融沉积造型（FDM——Fused Deposition Modeling）
FDM工艺，也叫挤出成型，关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上（通常控制在比熔点高1 0C左右）。 FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的熔丝材料（丝材直径般在1.5mm 以上）从啧头中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层，一层叠一层最后形成整个零件模型。美国3DSYSTEMS 公司的BFB系列和Rapman系列产品全部采用了FDM技术，其工艺特点是直接采用工程材料ABS 、PC等材料进行制作，适合设计的不同阶段。缺点是表面光洁度较差。

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图5 熔融挤压3D打印机样品

4. 造择性激光烧结(SLS——Se1ected Laser Sintering)
该法采用C02激光器作能源，目前使用的造型材料多为各种粉未材料。在工作台上均匀铺上一层很薄的(100μ-200μ) 粉未，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉未，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前，工艺材料为尼龙粉及塑料粉，还有使用金属粉进行烧结的。德国EOS公司的P系列塑料成型机和M系列金属成型机产品，是全球最好的SLS技术设备。

SLS技术既可以归入快速成型的范畴，也可以归入快速制造的范畴，因为使用SLS技术可以直接快速制造最终产品。

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图6 SLS3D打印样品

5.多层激光熔覆（DED，Direct Metal Deposition）
相当于多层激光熔覆，利用激光或其它能源在材料从喷嘴输出时同步熔化材料，凝固后形成实体层，逐层叠加，最终形成三维实体零件。DED的成型精度较低，但是成型空间不受限制，因而常用于制作大型金属零件的毛坯。
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  6.薄板层压成型（LOM，Layered Object Manufacturing）
基本原理：利用激光等工具逐层切割、堆积薄板材料，最终形成三维实体。利用纸板、塑料板和金属板可分别制造出木纹状零件、塑料零件和金属零件。各层纸板或塑料板之间的结合常用粘接剂实现，而各层金属板直接的结合常用焊接（如热钎焊、熔化焊或超声焊接）和螺栓连接来实现。最大缺点：做不了太复杂的零件，材料范围很窄，每层厚度不可调整，精度有限。

解析三：几种主流的快速制造工艺的原理及优缺点
1. 造择性激光烧结（SLS——Se1ected Laser Sintering）
  使用SLS设备，可以直接制造金属模具和注塑模具的异形热流道系统，其硬度可达较高洛氏硬度，性能达到锻件级别，也可以直接制造特殊、复杂功能零件。正是由于SLS技术的小批量特殊、复杂功能件的快速制造能力，且可以多个零件一次性成型制造，实现多品种、个性化的小批量快速制造，使该种技术在航空航天、军工、汽车发动机测试和开发、医疗领域得到了广泛的认可和应用。

  2. 真空灌注成型快速模具（VCM——Se1ected Laser Sintering）
  也叫“真空注型复模”，即利用原有的样板，在真空状态下制作出硅胶模具，并在真空状态下采用PU 材料进行浇注，从而克隆出与原样板相同的复制件，是一种最常用的快速模具技术，通过这种技术，可以生产出满足各种功能特性的类似工程塑料的产品，同时可以进行小批量生产。
  一般一套VCM硅胶模具可以复制20套产品，尤其适合中小型、精细件的复制，比如仪器仪表、汽车零配件制造行业。这种加工工艺可以满足在产品试制过程中的应用，时间短，成本低，速度快。

通常工艺流程是：3DP/SLA快速成型（手板、原型制作）-----VCM真空注型机（快速模具制作）------小批量复制、生产

  3. 低压反应注射成型（Reaction Injection Moulding，RIM）
又名“低压灌注”，是应用于快速模制品生产的一项新工艺，它将双组份聚氨酯材料经混合后，在常温、低压环境下注入快速模具内，通过材料的聚合、交联、固化等化学和物理过程形成制品。由于所用原料是液体，用较小压力即能快速充满模腔，所以降低了合模力和模具造价，特别适用于生产大尺寸、大面积的制件，比如汽车保险杠、仪表台、尾翼等。　一套RIM模具可以复制200件产品，已在汽车研发试制、仪器仪表、雕塑创意、建筑设计等领域得到运用。
一般工艺流程是：SLS/CNC快速成型（手板、原型制作）------RIM快速模具制作------注射成型（小批量复制、生产）

4. 数控机床（Computer Numerical Control，CNC）
CNC是一种由程序控制的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，通过计算机将其译码，从而使机床执行规定好了的动作，通过刀具切削将毛坯料加工成半成品成品零件。自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。（来自百度百科）
  CNC相比于传统机床，它具备数字化、高效、批量化的特点，除了结构形状复杂的工件，基本都能应付，因此虽说不是严格意义上的快速成型技术，但是业界通常还是把它归入快速制造的范畴。

解析四：为什么国内外政府都要大力推进快速成型与快速制造技术的发展
  奥巴马在2011年底和2012年4月，两次在公开演讲会上大力提倡快速成型和快速制造技术，把人工智能、3D 打印、机器人视为重振美国制造业的三个重要支柱，认为可以凭借这几项技术，使制造业“重归美国”。随后美国的3D 打印产业得到政府扶持。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4,000 万美元，在俄亥俄州建立了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——美国国家增材制造创新学会（National Additive Manufacturing Innovation Institute），研发3D 打印技术。

  2012年6月11日，温家宝总理在中国科学院第十六次院士大会和中国工程院第十一次院士大会上的讲话也表明的中国政府的密切关注：美欧学者近期预言称，一种建立在互联网和新材料、新能源相结合基础上的第三次工业革命即将来临，它以“制造业数字化”为核心，将使全球技术要素和市场要素配置方式发生革命性变化。一些专家认为，美德等国已取得先导性技术突破，有可能占据此次革命的制高点，重新划分全球分工。可以肯定的是，新科技革命将依赖现代化进程和国际竞争的强大需求拉动，也必将与新兴产业发展更加密切融合、互相促进。

美国《时代》周刊已将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为它将与其他数字化生产模式一起推动实现新的工业革命。
  中国政府和美国政府如此重视3D打印，究其原因，不外乎以下几点：

1. 消费模式的变化导致了工业制造模式的变化
原先人类的消费模式是受工业制造方式的影响的，市面上出售什么，人类就消费什么，别无他想；第一次和第二次工业制造革命，使人类从最早的全手工、自给自足的生产消费模式跳跃式到了产品急剧丰富、全球化流通的阶段，到如今已经是供大于求，人们的消费反过来可以影响制造了；而现如今的人开始厌弃大批量、无个性制造出来的东西，更青睐个性化的产品，这种产品往往具备个性化、定制化、多样化的特点，传统的、费时长久的开模制造方式是无法适应这种新的消费潮流了，于是，快速成型和快速制造技术应运而生。相比生产大规模标准化产品的模具制造，3D打印可以在一定约束下随意生产制作个性化产品，可称之为“大规模定制制造模式”，是以互联网为支撑的智能化大规模定制的方式，或者是“分散生产，就地销售”方式，标志着个性化消费时代的到来。
从前，消费者都是在店里挑选、购买已经生产好的商品，现在则可以根据各自的需求，在“3D打印店”定制，边生产边体验，及时获得自己喜欢的产品。

2. 快速成型和快速制造相比传统模具制造优势明显
快速成型技术是不受产品结构和形状的限制的，任何复杂的造型和结构，只要有CAD数据，都可以轻松完成，这样就给个性化、定制化提供了可能性；而且使用快速成型技术和快速制造技术，是不需要开模具的，实现了无模化制造，可使新产品研制的成本下降为传统方式的1/3-1/5 ，周期缩短为1/5-1/10 。再加上快速成型和快速制造设备大部分可以实现无人值守、24小时不间断加工，也就为厂商节约了人工成本，提高了生产效率。
快速成型和快速制造技术可以贯穿使用在产品设计、开发、试制、小批量生产等环节，而且无论是工业制造领域、教育领域、医疗领域、文物保护领域还是其他领域，大至一架飞机，小到一枚戒指，只要需要进行实物打样或者试制，都可以使用快速成型和快速制造技术，适用面非常广泛。
快速成型和快速制造的后期辅助加工量大大减小，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度，尤其适合一些高保密性的行业，如军工、核电领域。3D打印技术“打印”的产品是自然无缝连接的，一体成型，结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。

3. 未来制造业必须走低碳环保之路“第三次工业革命”概念的真正兴起和全球化传播，与全球可持续发展面临的压力息息相关。具体来说：一是至20世纪80年代，石油和其他化石能源的日渐枯竭，及随之而来的全球气候变化给人类的持续生存带来了危机。二是化石燃料驱动的原有工业经济模式，不再能支撑全球的可持续发展，需要寻求一种使人类进入“后碳”时代的新模式。快速成型和快速制造技术适逢其会，以绿色、节能、低碳、环保的全新姿态迅速得到了全球政府和机构的认可和信赖。
快速成型和快速制造采用的是加法式制造技术，区别与传统的减法式、铣削式制造方式，基本上是生产多少重量的东西，所耗费的也就是同等重量的材料，因此所耗费的材料明显减少；个性化定制以后也不产生产品库存，可以在减少碳排放和原材料消耗的前提下，保持更高的生产效率。3D打印的原材料使用仅为传统生产方式的1/10，这在如今资源珍贵的时代无疑具备巨大优势。

互联网当前，3D打印、3D打印机、三维打印、快速成型、快速制造、数字化制造这些名词，如同一股旋风，仿佛一夜之间就在学术界、政界、传媒界、金融界、制造界掀起了巨澜。然而至今还没有一篇文章能够全面、完整地对这些名词进行解析，让人们真正认识和了解“什么是3D打印”、“什么是快速制造”。

4. 全球制造业未来的竞争在于高附加值的设计环节
在全球经济今天正迈向第三次工业革命以及经济疲软的背景下，欧美国家开始制定“再工业化”战略——去掉低附加值的加工制造环节，对制造业产业链进行重构，重点加强对高附加值环节的再造，通过技术创新、设计创新，改变传统制造业的制造模式，降低单位劳动成本，提高其在国际上的竞争力，同时提供大量就业机会。快速成型和快速制造的日趋成熟为这一战略提供了实实在在的条件。

原先的制造业是生产、加工环节制约着研发设计环节，新产品的研制从一开始就需要考虑到最终能否被生产出来；而快速成型和快速制造技术对于产品设计没有限制，只要能设计得出来，完成CAD建模，任何结构和形状都可以被生产出来，如此一来，工业设计方面的创意和能量将被无限释放，谁具备突出的工业设计能力，谁就将成为未来全球制造业的领头羊，创造高额利润。

  中国制造业，如果还是停留在国外设计、国内制造或者来料加工的阶段，那么未来只能在低附加值的加工制造环节上苦苦挣扎，因此，中国政府和制造业的有识之士都已经开始积极呼吁和大力传播快速成型和快速制造技术，国内的工业设计教育和产业也得到了越来越多的关注和重视。

  解析五：目前制约快速成型与快速制造技术在中国普及的一些困难
  在中国，除了中国政府在大力倡导快速成型和快速制造技术，也已经有一些视野广阔的业界人员在从事快速成型和快速制造设备的销售、推广工作，他们绝大部分是欧美快速成型和快速制造设备在中国的代理商，比如杭州的先临三维，是德国、美国多家全球领先的快速成型和快速制造设备的授权经销商，而且他们自己建有快速制造服务中心，可以为有需要的人提供各种3D打印和小批量制造服务，可以说是中国目前最专业、最大的3D打印技术集成服务商。

然而，快速成型与快速制造技术要在中国普及，尚需时日。总结起来原因有：

1. 核心技术主要在欧美国家
  快速成型和快速制造的核心技术都在德国、美国等发达国家手里，国内从事该领域研究开发的企业还很少，主力多是一些高校和科研机构，很多最新研究成果离产业化还有距离。
2. 专业级设备价格高昂
  正是由于大多数快速成型与快速制造是进口设备，导致价格居高不下，动辄十几万、上百万，一般消费者难以承受。目前主要是高端制造、医疗、高校方面的购买者居多。
3. 了解和认识还不够
国人对于快速成型与快速制造技术的认识和了解基本处于起步阶段，大致有个概念而已，尽管可能有需求，但是由于不知道应该购买哪种类别、哪种型号的设备，而不得不谨慎观望。
其实这一点不应该成为快速成型与快速制造普及的阻碍，因为像杭州先临三维这样专业的设备提供商，他们都能够根据客户的需求为其量身定制一个合适的设备和材料方案，并提供全套售后装机、培训和维护服务。
4. 材料种类不够丰富
快速成型机与快速制造设备所使用的材料，相比过去已经丰富了很多，从光敏树脂、ABS、类ABS、蜡型、玻璃纤维等塑料类材料，到不锈钢、铝合金、铁镍合金、钴铬钼合金等金属类材料，从单色到全彩，从透明到半透明到不透明，形形色色。尽管如此，和我们传统制造所使用的材料相比，还是有差距的。快速成型与快速制造材料的研制，未来潜力无限。
  5. 成型件大部分不能作为最终产品
  使用快速制造方式可以生产最终产品，比如使用德国EOS 的M系列金属粉末烧结成型设备，是可以快速生产最终的金属产品的，但是快速成型出来的东西往往只能作为原型件或者手板，还不是最终产品。

  因此，当前我们利用快速成型技术，通常都是和传统模具制造技术相结合的，这也是值得大力推广的一种现代制造方式：首先在产品研发和产品试制阶段，使用快速成型技术制作产品模型，进行设计沟通、验证或者装配测试；经过多次的设计修改，然后快速成型出来一个最终的产品原型，用来辅助批量生产模具的开发制造。
  这种快速成型和传统模具技术相结合的方式，具有多方面优势：
  1）加快产品设计、研发进度；
  2）改善内部和外部沟通，提前掌握最终产品的外观和结构，使设计更加合理；
  3）大幅度提高模具开发制造的成功率；
  4）最终产品的品质更好，能增加客户满意度；
5）节约成本，减少开支，同时提高利润。

  相比2D打印每年几百亿乃至上千亿美元的市场来说，3D打印目前每年的市场空间只有几亿到十几亿美元，还是一个孕育中的市场。不过2011年2月的经济学家（The Economist）杂志说道“3D打印技术可以廉价的成型从单品到成千上万个产品，进而破坏规模经济，正如那些3D打印公司所做到的那样……正如1450年的印刷术、1750年的蒸汽机和1950年的晶体管，当时没有人能正确的预见他们在未来广阔的应用前景，没有人能预测3D打印技术的长期影响。3D打印技术已经到来了，它可能在未来破坏每一个它所触及的领域。”

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