【正文】 3D打印行業(yè)研究報(bào)告（胡彬2013811）一、何謂3D打印3D打印機(jī)，英文“3D Printers”，3D 打印這個(gè)名稱是近年來該產(chǎn)品針對(duì)民用市場(chǎng)而出現(xiàn)的一個(gè)新詞，是通俗叫法，其實(shí)在專業(yè)領(lǐng)域它有其它學(xué)術(shù)名稱“快速成形技術(shù)”(及“快速原型制造技術(shù)”、“增量制造技術(shù)”、“增材制造技術(shù)”)。快速成形技術(shù)(又稱快速原型制造技術(shù) Rapid Prototyping Manufacturing，簡(jiǎn)稱RPM)，誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，是一種不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床就可以打造出任意形狀，根據(jù)零件或物體的三維模型數(shù)據(jù)，通過成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)物模型的技術(shù)，被認(rèn)為是近20年來制造領(lǐng)域的一個(gè)重大成果。它集機(jī)械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段。RPM 技術(shù)是在現(xiàn)代CAD/CAM 技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來的。不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成形材料不同，成形原理和系統(tǒng)特點(diǎn)也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是分層制造，逐層疊加，這種工藝可以形象地叫做增長(zhǎng)法或加法。形象地講，快速成形系統(tǒng)就像是一臺(tái)立體打印機(jī)，因此得名“3D打印機(jī)”。3D打印機(jī)的原理：3D 打印機(jī)可以根據(jù)零件的形狀，每次制做一個(gè)具有一定微小厚度和特定形狀的截面，然后再把它們逐層粘結(jié)起來，就得到了所需制造的立體的零件。每個(gè)截面數(shù)據(jù)相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上的一張CT 像片；整個(gè)制造過程可以比喻為一個(gè)積分的過程。當(dāng)然，整個(gè)過程是在電腦的控制下，由3D打印機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)完成的。二、3D打印的發(fā)展歷程1984年，Charles Hull開始研發(fā)3D打印技術(shù)，【1986年】，他自立門戶，創(chuàng)辦了世界上第一家3D打印技術(shù)公司，也是現(xiàn)在的3D市場(chǎng)領(lǐng)軍者之一3D Systems 公司（NYSE: DDD），同年發(fā)布了【第一款商用3D打印機(jī)】，2012年1月，他們收購了另外兩家3D打印公司Zcorp和Vidar Systems；1988年，Scott Crump發(fā)明了FDM（熱熔擠制成型）技術(shù)，并于1989年成立了現(xiàn)在的另一家3D打印上市公司斯川塔斯Stratasys（NASDAQ:SSYS），該公司在1992年賣出了第一臺(tái)商用3D打印機(jī)。2012年4月，Stratasys還收購了以色列的Objet公司，從而成為【全球最大】3D打印機(jī)制造商。1989年，美國麻省理工學(xué)院的Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty等在美國申請(qǐng)了三維印刷技術(shù)的專利，之后Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty又多次對(duì)該技術(shù)進(jìn)行完善，形成了今天的三維印刷快速成型工藝。1993年，麻省理工學(xué)院獲3D印刷技術(shù)專利。1995年，美國ZCorp公司（后被3Dsystems收購）從麻省理工學(xué)院獲得唯一授權(quán)并開始開發(fā)3D打印機(jī)。1996年，媒體第一次使用【3D打印】這個(gè)詞來稱呼當(dāng)時(shí)的快速成型機(jī)，后來取代了之前的稱謂，成就了現(xiàn)在流行的3D打印這個(gè)概念；2005年，市場(chǎng)上首個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。2008年，開源3D打印項(xiàng)目【RepRap】發(fā)布“Darwin”，3D打印機(jī)制造進(jìn)入新紀(jì)元；同年，Objet 推出Connex 500，讓【多材料】3D打印成為可能。2010年11月，世界上第一輛由3D打印機(jī)打印而成的汽車Urbee問世。2011年6月6日，發(fā)布了全球第一款3D打印的比基尼。7月，英國研究人員開發(fā)出世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī)。8月，南安普敦大學(xué)的工程師們開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)。2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞首次打印出人造肝臟組織。目前，美國擁有世界上３８．５％的３Ｄ打印設(shè)備，而中國所占的比例只有８．６％，有著很大的提升空間。3D打印技術(shù)在美國已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，目前全球有兩家3D打印機(jī)制造巨頭，分別Stratasys和3D Systems，均在美國納斯達(dá)克上市。目前國外3D打印機(jī)制造商主要有：商用3D打印機(jī)主要制造商包括Stratasys，Objet Geometries,Z Corporation， 3DSystems等。家用3D打印機(jī)主要制造商有Reprap，Makerbot Industries，Ultimaker，Botmill，F(xiàn)ab@Home等。三、3D打印為什么近兩年突然熱起來2012年3月19日，美國總統(tǒng)奧巴馬在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)宣布創(chuàng)立美國“制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)”計(jì)劃。由政府主導(dǎo)、聯(lián)邦政府和工業(yè)部門共同斥資10億美元逐步建立15個(gè)“制造創(chuàng)新中心”，組成創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。2012年4月21日，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》刊文《第三次工業(yè)革命》，認(rèn)為3D打印技術(shù)將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起，推動(dòng)第三次工業(yè)革命的實(shí)現(xiàn)。2012年8月16日，美國“國家增材制造創(chuàng)新中心”作為其首個(gè)“樣板示范”創(chuàng)新中心剪彩成立。作為新技術(shù)研究、開發(fā)、示范、轉(zhuǎn)移和推廣的基礎(chǔ)平臺(tái)，號(hào)稱要成為增材制造技術(shù)全球卓越中心并提升美國制造全球競(jìng)爭(zhēng)力。至此，3D打印作為媒體和資本的新寵，風(fēng)風(fēng)火火地從幕后走向臺(tái)前，發(fā)展如火如荼。從飛機(jī)、汽車、槍支、巧克力、比基尼到星球再造式的沙漠打印，讓越來越多的人了解到3D打印技術(shù)，開始憧憬著未來革命性的技術(shù)將對(duì)這個(gè)世界帶來的影響。四、3D打印國內(nèi)外現(xiàn)狀3D打印國外現(xiàn)狀除了上面已提到的國外的企業(yè)/高校及產(chǎn)品，下面再列舉一些比較知名的：1996 年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation公司分別推出 Actua 2100、Genisys、Z402產(chǎn)品，第一次使用了“3D 打印機(jī)”的稱謂。2005 年，Z Croporation 發(fā)布Spectrum Z510，這是世界上第一臺(tái)高精度彩色3D打印機(jī)。同一年，英國巴恩大學(xué)的Adrian Bowyer發(fā)起開源3D打印機(jī)項(xiàng)目RepRap，其目標(biāo)是制造出“自我復(fù)制機(jī)”，通過 3D 打印機(jī)本身，能夠制造出另一臺(tái)3D打印機(jī)。2008 年，第一版RepRap發(fā)布，代號(hào)“Darwin”，能夠打印自身50% 的元件，體積僅一個(gè)箱子大小。1）、國外知名3D打印企業(yè)及機(jī)構(gòu)產(chǎn)品介紹德國EOS公司的金屬粉末燒結(jié)機(jī)EOSEOSINT M270金屬激光燒結(jié)系統(tǒng)，該設(shè)備采用EOS公司研發(fā)的DMLS技術(shù)（Direct Metal LaserSintering）進(jìn)行金屬件制作。EOSINT M270激光燒結(jié)系統(tǒng)采用的是Ybfibre激光發(fā)射器，具有高效能、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。精準(zhǔn)的光學(xué)系統(tǒng)能夠保證模型的表面光滑度和準(zhǔn)確度。氮?dú)獍l(fā)生裝置以及空壓系統(tǒng)則使設(shè)備的使用更加安全。技術(shù)參數(shù)：最大成型尺寸 250mm250mm215mm；建造速度 230mm3/秒；層厚 20100微米；激光發(fā)射器類型 Ybfibre激光發(fā)射器 200W；光學(xué)系統(tǒng) Fthetalens；掃描速度最高速度為7m/秒；支撐結(jié)構(gòu)無；電源 220V，32A或380V，16A；最大功率 5500W；氮發(fā)生裝置標(biāo)準(zhǔn)；壓縮空氣支持 7bar，20m3/小時(shí)；產(chǎn)品尺寸2000mm1050mm1940mm；建議安裝空間 3500mm3600mm2500mm；重量 1130kg；數(shù)據(jù)處理PC Windows操作系統(tǒng)；軟件 EOS RP RP（Materialise）；CAD接口 STL或其他可轉(zhuǎn)換的格式；網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)；產(chǎn)品認(rèn)證 CE，NFPA；可使用材料 不銹鋼材料 鈷鉻鉬合金MP1 鈷鉻鉬合金SP1 馬氏體鋼 鈦合金 純鈦 超級(jí)合金IN718 鋁合金。美國3D SYSTEMS公司這款sPro 250 SLM商用型金屬3D打印機(jī)為目前比較先進(jìn)的制造系統(tǒng)，能夠提供長(zhǎng)達(dá)為320毫米（）的高工藝金屬零件，具有出色的表面光潔度、精細(xì)的功能性細(xì)節(jié)與嚴(yán)格的公差?？梢赃x擇廣泛范圍的金屬合金使用，包括鋁和鈦。sPro 250 SLM商用型金屬3D打印機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域包括產(chǎn)品質(zhì)量原型的功能測(cè)試，具有有機(jī)或高度復(fù)雜的幾何形狀。快速小批量制造金屬部件的其他應(yīng)用范例包括：定制醫(yī)療植入物、輕量級(jí)航空航天和賽車部件、高效散熱片、帶有隨形冷卻管道的注塑模具鑲件，以及牙帽、牙冠和牙橋。SLM工藝使用高功率激光逐層熔化直接來自CAD數(shù)據(jù)的金屬細(xì)粉末，以創(chuàng)建功能性金屬部件。每一層操作完后重新噴粉機(jī)系統(tǒng)將堆積厚度范圍從20到100微米的一個(gè)新粉末層。SLM系統(tǒng)采用市售的氣體霧化金屬粉末產(chǎn)生完全致密的金屬零件，包括不銹鋼、鈦、鈷鉻合金及工具鋼的材料。這些系統(tǒng)在設(shè)計(jì)伊始均考慮到工具庫或工人的需求，帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的觸摸屏用戶界面，便于管理粉末處理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。只需選擇滿足客戶特定應(yīng)用需求的一種圍護(hù)結(jié)構(gòu)與材料。3D打印技術(shù)在美國已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，目前有兩家3D打印機(jī)制造巨頭，分別是Stratasys（開發(fā)制訂行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)之一FDM）和3D Systems(3D打印技術(shù)的創(chuàng)始者)，均在美國納斯達(dá)克上市。不過，%。以色列objet公司Objet是快速成型和快速制造的光固化技術(shù)先鋒，開發(fā)者，生產(chǎn)商及高精度，高分辨率三維打印方案的全球市場(chǎng)推廣者。Objet系統(tǒng)都是基于經(jīng)過市場(chǎng)證明的自身專利技術(shù)的光敏樹脂噴射技術(shù)，使得極為復(fù)雜的三維部件都可以以高品質(zhì)，高精度和高速度打印出來。Polyjet的打印頭類似于行式打印機(jī)，沿著X軸前后滑動(dòng)，在成型室里鋪上一層超薄的光敏樹脂。每鋪完一層后，噴頭架邊上的紫外光球立即發(fā)射紫外光，快速固化和硬化每層光敏樹脂。這一步驟減少了使用其他技術(shù)所需的后處理過程。每打印完一層，機(jī)器內(nèi)部的成型底盤就會(huì)極為精確地下沉，而噴頭繼續(xù)一層一層地工作，直到原型件完成。精密的工具軟件保證了所有的噴頭能協(xié)調(diào)運(yùn)作，能同步地往底盤上噴射等量的材料。這就產(chǎn)生了特別平坦和光滑的表面。成型時(shí)使用了兩種不同的光敏樹脂材料：一種是用來成型實(shí)體部件的成型材料，另一種類膠體的用來支撐部件的支撐材料。支撐結(jié)構(gòu)的骨架先提前預(yù)排好程序用來配合復(fù)雜的成型件（如空腔，懸垂，底切，薄壁的截面）。成型完成后，只用一個(gè)水噴頭就可以輕易地移除支撐材料，留下光滑的表面。南非科工研究理事會(huì)國家激光中心該中心研究人員在激光添加制造技術(shù)（Additive Manufacturing），一種最新的快速成型制造技術(shù)上取得突破。該項(xiàng)技術(shù)的概念試驗(yàn)論證顯示。目前，利用該技術(shù)可以生產(chǎn)不超過500毫米的小尺寸部件， 的大尺寸部件。這將有助于南非航空制造公司Aerosud在三年內(nèi)躋身世界航空結(jié)構(gòu)件制造的先進(jìn)行列。南非科工研究理事會(huì)與Aerosud公司共同承擔(dān)了南非科技部資助的Aeroswift項(xiàng)目，旨在開發(fā)制造速度快批量大的激光添加快速成型技術(shù)，為全球航天業(yè)制造金屬鈦部件。Aeroswift項(xiàng)目的關(guān)鍵是5千瓦IPG單光纖激光二極管發(fā)生器，它是激光添加制造技術(shù)的核心。國家激光中心希望在2012年底、2013年初完成該項(xiàng)技術(shù)設(shè)備的安裝與測(cè)試工作，之后將其拆分，運(yùn)至Centurion的航天谷，在那里重新組裝并投入生產(chǎn)。南非Aerosud公司總經(jīng)理在談到其發(fā)展目標(biāo)時(shí)表示，2013年該技術(shù)將在試驗(yàn)廠投入使用，然后再用一至兩年時(shí)間進(jìn)行實(shí)際開發(fā)并獲得生產(chǎn)資質(zhì)，2015年實(shí)現(xiàn)與全球航空公司合作，為其提供小批量、高附加值、復(fù)雜的鈦金屬部件。2）、國外3D打印案例2010年3月，一位名為恩里科?迪尼（Enrico Dini）的發(fā)明家設(shè)計(jì)出了一種神奇的3D打印機(jī)，它甚至可以“打印”出一幢完整的建筑。據(jù)恩里科?迪尼介紹，這種打印機(jī)的原料主要是沙子。當(dāng)打印機(jī)開始工作時(shí)，它的上千個(gè)噴嘴中會(huì)同時(shí)噴出沙子和一種鎂基膠。這種特制的膠水會(huì)將沙子粘成像巖石一樣堅(jiān)固的固體，并形成特定的形狀，然后只需要按照預(yù)先設(shè)定的形狀一層層噴上這種材料，最終就可以“打印”一個(gè)完整的雕塑或者教堂建筑。美國南加州大學(xué)Behrokh Khoshnevis教授預(yù)計(jì)，截至2050年，使用石灰、水泥為耗材的“3D打印房子”將實(shí)現(xiàn)，20小時(shí)內(nèi)就能打印出一套房子，住5~10年都沒有問題。意大利設(shè)計(jì)師Marco Giubelli使用三維打印機(jī)，幫助客戶打印出了一個(gè)90米長(zhǎng)大壩的3D模型，展示大壩建成后的樣子。2011年，世界上首款應(yīng)用3D打印技術(shù)的汽車“Urbee”在經(jīng)過15年的艱苦研制后在加拿大亮相，這輛名為“Urbee”的汽車包括玻璃嵌板在內(nèi)的所有外部組件都是通過大型3D打印設(shè)備生產(chǎn)。 2012年8月，世界上第一輛3D打印賽車“阿里翁”，在德國霍根海姆賽道完成測(cè)試，最高時(shí)速達(dá)141公里。從設(shè)計(jì)到打印，“阿里翁”車身的出爐僅用時(shí)3周，所使用的3D打印機(jī)，能打印最大尺寸達(dá)到2106880厘米的零部件。威斯康星州工程師、業(yè)余槍械師邁克爾?格斯林克(Michael Guslick)日前使用Stratasys 3D打印機(jī)以及從網(wǎng)絡(luò)上下載的設(shè)計(jì)圖，成功打印出了AR15步槍的下機(jī)匣，并把它變成了一支槍。邁克爾不是使用打印機(jī)來打印整只槍，步槍的其他部分，則是利用標(biāo)準(zhǔn)部件組裝而成。邁克爾提供了一個(gè)早期步槍模型的圖片，展示了一個(gè)打印的熱塑下機(jī)匣，以及購買的金屬上槍匣、槍管、槍柄和彈盒等。當(dāng)然，邁克爾也沒有制作彈藥。但隨著低端打印機(jī)可以打印金屬和陶瓷材料，可能有一天，人們可以打印出一把完整的槍。一款槍械的設(shè)計(jì)藍(lán)圖，發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上供人任意下載，你使用家庭自備的機(jī)器就可以把槍的所有零件制造出來——這是2012年8月在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)起的“維基武器”項(xiàng)目，發(fā)起者希望把制槍變成一種家庭作坊式的工作，而這一切都賴以一項(xiàng)名為“3D打印”的技術(shù)。首款“3D打印小飛機(jī)”SULSA已于2011年在英國成功試飛。