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国内外3D打印技术及市场发展状况分析

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:证券导报

2014-07-25 08:46

     3D打印技术是指由计算机辅助设计模型(CAD)直接驱动的,运用金属、塑料、陶瓷、树脂、蜡、纸、砂等材料,在快速成形设备里分层制造任何复杂形状的物理实体的技术。基本流程是,先用计算机软件设计三维模型,然后把三维数字模型离散为面、线和点,再通过3D打印设备分层堆积,最后变成一个三维的实物。

  1、3D打印:第三次工业革命的标志性生产工具

  传统制造技术是“减材制造技术”,3D打印则是“增材制造技术”,具有制造成本低、生产周期短等明显优势,被誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。3D打印将多维制造变成简单的由下而上的二维叠加,从而大大降低了设计与制造的复杂度。同时,3D打印还可以制造传统方式无法加工的奇异结构,尤其适合动力设备、航空航天、汽车等高端产品上的关键零部件的制造。

  上一轮的工业革命中,制造业主要通过批量化的流水线制造和集约生产来降低生产成本,实现规模效益。原来是制造商和消费者分离,现在是制造商和消费者合为一体,开展自工业化。3D打印将引发真正意义上的制造业革命,产业组织形态和供应链模式都将被重新构建,带来无穷的创新空间。

  1.1、3D打印仍处于前沿科学

  根据2012年Gartner技术成熟曲线显示,目前3D打印技术处于“过高期望的峰值”(PeakofInflated Expectations):在此阶段的特征就是早期公众过分关注。

  回顾过去10年,2000年3D打印出现一轮高潮,当时的概念为“快速成型”,全国很多地方都建立相应的生产力促进中心,主要购买光固化设备。但是后来受到CNC技术(数控加工,是数字化加工的一种,属于去除加工的形式)的竞争,很多快速成型的工艺,CNC也能做,且快速成型生产的产品在精度和效率方面都高于3D打印;之后3D打印在工业上慢慢萎缩。当然,过去10年3D打印技术也在发展,目前已经达到与铸造精度相媲美的技术水平,但与一般的工业应用仍有距离。目前,3D打印是作为CNC技术的一个补充。

  目前3D打印仍待解决的问题包括:1)材料,开发专用材料的成本大。2)行业标准待建立。3)涉及到法律法规及伦理领域的问题。

  1.2、欧美发展:应用广泛

  3D打印技术诞生于上世纪80年代的美国,此后马上出现第一波小高潮,美国很快涌现出多家3D打印公司:1984年,Charles Hull开始研发3D打印技术,1986年,他自立门户,创办了世界上第一家3D打印技术公司(3DSystems公司也是目前3D市场领军者之一),同年发布了第一款商用3D打印机。

  1988年,Scott Crump发明了FDM(热熔挤制成型)技术,并于1989年成立了现在的另一家3D打印上市公司Stratasys(NASDAQ:SSYS),该公司在1992年卖出了第一台商用3D打印机。

  到了21世纪初,3D打印沉寂下来,许多人开始质疑这种技术的可靠性,当时只能做一些塑料模型,强度和精度都不高。直到2008年,开源3D打印项目RepRap发布“Darwin”,3D打印机制造进入新纪元;同年,Objet推出Connex500,让多材料3D打印成为可能。

  在欧美3D打印技术已经广泛应用。目前限制金属材料发展的主要的问题是其成形制造效率不高,每个小时大约只有100-3000克。

  1.3、国内发展:设备多集中在教育领域

  中国从1991年开始研究3D打印技术,当时的名称叫快速原型技术(RapidPrototyping),即开发样品之前的实物模型;具体在国际上有几种成熟的工艺,分层实体制造(LOM)、立体光刻(SL)、熔融挤压(FDM)、激光烧结(SLS)等(后文会将重要技术一一详述),国内也在不断跟踪开发。2000年前后,这些工艺从实验室研究逐步向工程化、产品化转化。

  由于做出来的只是原型,而不是可以使用的产品,而且国内对产品开发也不重视,大多是抄袭,所以快速原型技术在中国工业领域普及得很慢,全国每年仅销售几十台快速原型设备,主要应用于职业技术培训、高校等教育领域。

  2000年以后,清华大学、华中科技大学、西安交大等高校继续研究3D打印技术。西安交大侧重于应用,做一些模具和航空航天的零部件;华中科技大学开发了不同的3D打印设备;清华大学把快速成形技术转移到企业--殷华(后改为太尔时代)后,把研究重点放在了生物制造领域。

  目前国内的3D打印设备和服务企业一共有二十多家,规模都较小。一类是十年前就开始技术研发和应用,如北京太尔时代、北京隆源、武汉滨湖、陕西恒通等。这些企业都有自身的核心技术。另一类是2010年左右成立的,如湖南华曙、先临三维、紫金立德、飞尔康、峰华卓立等。而华中科技大学、西安交通大学、清华大学等高校和科研机构是重要的3D技术培育基地。

    1.4、国内外技术差距大

  从2012年设备数量上看,美国目前各种3D打印设备的数量占全世界40%,而中国只有8%左右。国内3D打印在过去20年发展比较缓慢,在技术上存在瓶颈。1)材料的种类和性能受限制,特别是使用金属材料制造还存在问题。2)成形的效率需要进一步提高。3)在工艺的尺寸、精度和稳定性上迫切需要加强。

  随着美国“再工业化、再制造化”的口号呼喊,3D打印所打造的少劳动力制造将给美国极大的动力去发展。中国与美国的差距主要表现在:1)产业化进程缓慢,市场需求不足;2)美国3D打印产品的快速制造水平比国内高;3)烧结的材料尤其是金属材料,质量和性能比我们好;4)激光烧结陶瓷粉末、金属粉末的工艺方面还有一定差距;5)国内企业的收入结构单一,主要靠卖3D打印设备,而美国的公司是多元经营,设备、服务和材料基本各占销售收入的1/3。在全球3D模型制造技术的专利实力榜单上,美国3DSystems公司、日本松下公司和德国EOS公司遥遥领先。

  展望未来,3D打印是以数字化、网络化为基础,以个性化、短流程为特征,实现直接制造、桌边制造和批量定制的新的制造方式。其生长点表现在:与生物工程的结合,与艺术创造的结合,与消费者直接结合。

  目前,在欧美等发达国家,3D打印技术的应用已较为广泛,大到飞行器、赛车,小到服装、手机外壳、甚至是人体组织器官。尤其在一些交叉学科领域中,3D打印的应用更加明显。

  2、3D打印细分工艺:未来主流方向是金属打印

  根据打印所用材料及生产片层方式的不同,实现方法有以下几种:1.熔化或软化材料产生层。2.液体材料加工方法。3.层压板制造(LOM),将纸、聚合物、金属等材料薄层剪裁成一定形状并粘接在一起。这些3D打印技术由不同公司研发倡导,主要区别在于打印速度、成本、可选材料及色彩能力等。

  2.1、FDM:最早的3D打印技术

  FDM技术是由Stratasys公司于1980年中后期发明。该成型设备采用成卷的塑料丝或金属丝作为材料,工作时将材料供应给挤压喷嘴,喷嘴加热融化材料,并在计算机辅助制造软件的控制以及步进电机或伺服电机的驱动下,沿着水平和垂直方向移动打印,热塑性材料凑够喷嘴挤出,形成层并迅速硬化。打印完成后,拿掉固定在零件或模型外部的支撑材料即可。