3D打印的前景与未来.doc

机械制造及自动化系列讲座结课报告
3D打印
摘要： 3D打印机，是近期讨论比较多的一个技术，被给予者深厚的希望，但是这项技术到底能为机械制造业甚至整个人类社会的发展带来什么样的改变，我们还不得而知，本篇论文就从多方面分析3D打印的现状，未来发展的趋势和前景以及技术所存在的问题。
一、3D打印的原理
3D打印是增材剂制造技术的一种形式,在增材剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D打印机相对于其他的增材剂制造技术而言,具有速度快,价格便宜,高易用性等优点。
现阶段3D打印大致分为五种不同原理的打印方法。
1. SL（ SLA： Stereo Lithography Apparatus）： 光固化/立体光刻工艺
2. FDM（ Fused Deposition Modeling）：熔融沉积成形工艺
3. LOM（ Laminated Object Manufacturing）： 分层（叠层）实体制造工艺
4. 3DP（ 3D Printer）：三维印刷工艺
5. SLS（ Selective Laser Sintering）：选择性激光烧结工艺
依据光固化/立体光刻工艺原理的3D打印，是靠x光、液体树脂薄层产生光聚合反应后固化
依据熔融沉积成形工艺的3D打印机,首先把三维实体模型导入到3D打印机的电脑程序中,经过打印机的控制程序自动规划出打印头的运动路线。接着在电脑的程序的指导下打印头自动依据三维实体的运动路径在加工平面上喷出每一层的剖面,这时经供丝装置把丝状的原材料送至打印喷头,并把已经熔化的原材料丝状物喷出,凝聚在工作台上。凝聚在工作台上的熔融状态材料通过冷却装置冷却之后汇聚成一层很薄的三维实体剖面薄片,从而得到所需要实体的加工剖面轮廓。电脑程序自动将喷涂程序不断循环往复,工作台平面的高度根据电脑程序的指令自动降低来达到层层叠加,直到形成所需要的三维实体模型电脑程序自动停止。
依据分层（叠层）实体制造工艺的3D打印机，原理是涂以热熔胶的薄片为原料，用CO2激光器或刀具切割后分层热压成形。
依据三维印刷工艺的3D打印，,首先把定量的原材料粉末状物由原料存放桶输送出,在加工平台上把这些粉末状物经滚筒碾压为薄层,之后在需要打印的区域通过喷头喷出已经调和好的粘合剂。原材料粉末状物遇到调和好的粘合剂之后会快速凝结固化。这样在打印完一层之后,工作台根据程序的设定会自动下降设定的距离,依据计算机设定的值不断进行打印循环,最终完成三维模型的三维成形打印,然后清除打印机工作台上的没有固化的粉末。称之为“打印机”是参照了其技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。
依据选择性激光烧结工艺原理的3D，原理是激光烧结金属或非金属粉末优点：材料适应面广，制件翘曲变形相对较小，能直接制造制件和装配件。
二、3D打印技术的现状
英国《 经济学家》 杂志刊登的《 第三次工业革命》 （作者：保罗∙麦基里）一文认为， 以3D打印技术为代表的数字化制造技术将引发第三次工业革命，将使产品设计、制造工艺、制造装备及生产线、材料制备、相关工业标准、制造企业形态乃至整个传统制造体系产生全面、深刻的变革。
1996年美国的3D Systems公司推出了快速成型机Actua21002. 美国、德国和日本在该领域处于世界领先地位，并已形成了多家专业化和规模化研制和生产3D 打印装备的知名企业，如德国的EOS，美国的3D Systems以及日本的CMET等公司。 美国国防部、能源部和商务部等。家政府部门将共同出资4500万
美元，首笔资金为3000万美元。 波音公司应用3D打印技术与传统铸造技术相结合，制造出铝合金、钛合金、不锈钢等不同材料的货舱门托架等零部件； GE公司应用3D打印技术制造航空航天与船舶叶轮等关键零件。美国军方应用3D打印技术辅助制造导弹用弹出式点火器模型等。
国内也是非常重视3D打印的发展，工信部拟制定3D打印技术技术路线图和中长期发展战略。国内在设备的运行稳定性以及材料适应范围方面与国外存在明显差距。零件性能的重复性，零件表面质量不及国外先进水平；能成形钛、铝等高活性金属以及陶瓷等难溶材料的SLM装备还不成熟。目前国内3D打印已经开始产业化。 2012年10月成立了中国3D打印技术产业联盟，推动这一技术的产业化。目前进行3D打印技术研究的高校主要有清华大学、西安交大、北航、华中科技大学以及西北工业大学等。
制造技术如果进行分类，大致可以分成三类，等材制造、减材制造、增材制造。等材制造是采用铸造、焊接及锻压等技术对材料进行加工,制造过程中,基本上不改变材料的量,或者改变很少；减材制造是利用切削机床对毛坯进行加工,由大变小,而形成最终所需要形状的零件；而3D打印在学术上被称为增材制造技术，早在上个世纪就被提出，并进行相关的研发，但在最近几年呈现井喷式的增长，成为制造业万人瞩目的新星，很大程度上是因为CAD/CAM的发展成熟，数字化、自动化制造在制造业的普及，这些都促成了3D打印技术的发展成熟。
以3D打印技术为典型代表的新型制造技术成为引领未来制造业变革的重要技术之一,该技术有可能从根本上改变生产组织方式。3D打印技术是通过电脑辅助设计技术完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D 打印机上,后者采用分层加工、迭加成形,即将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。其工作原理与普通打印机基本相同,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。
现阶段，在机械加工领域，3D打印应用尚未成熟，依据熔融固化技术实现的3D打印，加工出的工件的强度、刚度、精度等的要求都很难达到，能真正投入生产的有3D打印砂型铸造，打印砂型相对于砂箱翻模精度要高得多，可以完成复杂程度比较高的砂模制造，成型的砂模硬度也比砂箱做出的高。但是依据激光近型制造技术的金属3D打印还很难用于商业化，因为这种加工方法成形精度低，难以成形复杂零件，热输入量大，需从工艺上减小内应力的产生。
新兴的电子束熔化技术（ EBM）倒是更有希望投入生产中，他的工艺和选择性激光熔化成形原理基本相似、主要差别在于热源不同，成形室必须为高真空。
特点： 电子束为热源，金属材料对其几乎没有反射，能量吸收率大幅提高。真空环境下，材料熔化后层与层之间的冶金结合度强。但真空抽气过程中粉末容易被气流带走，需较高温度的预热。
理论上讲3D打印是万金油，无论多么复杂的零件，只要能够用CAD软件建模，然后STL格式转换，模型精确化，切片路径规划，然后进行3D成形，打印机都可以按照你的要求打印出来。过去开发一个产品尤其是具有复杂形状的零部件,需要大量相关工具、卡具及模具等生产准备,并配合专用的加工设备才能实现，而且开发产品要得到市场的认可还需要很长的一个周期，所以3D打印技术使得人们彻底摆脱了对工具、朴具等辅助加工设备的依靠,一道工序即可完成新零件部件的制造,大大加快了产品的开发进程。

三、3D打印的未来发展观望
3D打印与传统制造有很大的不同,比如材料的制造过程就和原来不一样了。但在有些方面还是比较相像的,像金属材料的直接打印成型,实际上是接近焊接的过程。打印是个逐渐累加的焊接过程。但是在有些方面还是有很大的突破,例如,以前我们制造中使用的能源为电电动机和热,现在就变成了激光,零件制造的毛坯也变化了。传统机械制造的原材料都是钢锭、钢板、钢棒等,现在基本上是粉体材料,所以提供原材料的形式也会发生变化另外就是整个的工艺过程不一样之后,还需要很多深人的研究。不同的能源对不同的材料采取不同的工艺方法,所以这需要做很多研究工作。我们国家打印虽然起步不算晚,现在也已经可以进行金属材料成型的打印,但还存在一个关键问题,就是没有形成产业链。现阶段的研究开发模式基本都是由研究装备的团队对整个产业链的各环节展开研究,没有专门针对打印材料、关键器件、软件进行研究的团队,也没有专门研究满足打印所需要的激光器。如果没有对这个产业的全方位支持,它的发展就会受到局限。产业链的所有环节都需要研发单位去考虑,什么都需要自己去做,往往有些地方受到制约。
未来几年3D打印市场的增长的逻辑主要有三个：
　　一是通过技术进步和产业竞争改善性价比。3D打印成型工艺、打印耗材和设计程序、外设这三大要素的螺旋式创新是3D打印不断提升性价比，扩大应用领域的原动力。
　　性能方面，虽然当前3D打印概念风起云涌，但真正在现实的应用中，无论在工业领域还是民用消费领域，以上三大要素的配合远未到达理想状态，需要改进的地方还非常多。三要素联合改进的过程可能会比较慢，但极有可能会被几个关键环节上的突破所刺激，形成类似Iphone一样的杀手级应用，从而加快渗透。事实上，在当前越来越多的企业进入3D打印产业来看，竞争强度增强将会使这一过程逐步提速。
　　价格方面，由于3D打印设备和耗材在终端制品的成本中占比相当大，未来设备、耗材成本的降低将逐步提升3D打印的经济性。事实上，随着技术进步和3D打印设备生产商的竞争，打印机均价已从2001年接近12万美元降至8万美元，降幅约1/3，而2010年以来的价格上升则是由于金属材料的应用兴起使得对设备的性能要求提升所致。
　　二是亚太地区，尤其是中国市场将被激活和快速增长。正像前文所述，亚太地区是3D打印的洼地，尤其是中国的3D打印市场很可能被激活并快速增长。目前国内3D打印产业的现状是技术领先，产业化不足，高端金属耗材紧缺。但看好其发展前景，一是国内的技术基础扎实，随着关键技术瓶颈和成本高昂的难题逐渐解决，下游应用的性价比将逐渐改善；二是ZF的大力支持前所未有，三是企业间合作逐渐加深，四是3D打印概念的热潮客观上为下游应用推广和资本支持提供强劲推动。
　　三是商业模式的进化。随着互联网云制造、物联网的生态越来越成熟，3D打印分布式制造的商业模式可能会变成现实，大家可以通过网络进行3D打印方面的创业、融资以及设计程序的交易，物流也会把成品送到用户手中。商业模式的进一步创新将会使3D打印渗透率进一步提升。
　　3D打印技术对于生产者来说，可大幅降低生产成本，提高原材料和能源的使用效率，减少对环境的影响，它还使消费者能根据自己的需求量身定制产品
3D打印机既不需要用纸，也不需要用墨，而是通过电子制图、远程数据传输、激光扫描、材料熔化等一系列技术，使特定金属粉或者记忆材料熔化，并按照电子模型图的指示一层层重新叠加起来，最终把电子模型图变成实物。其优点是大大节省工业样品制作时间，且可以“打印”造型复杂的产品。因此我认为，这种技术代表制造业发展新趋势。
　　3D打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。我认为，3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。
四、3D打印技术的意义所在
第一，扩大我国的技术储备，占据3D打印技术的制高点。缩短差距，拥有更多话语权。犹如当年数控机床使机械加工技术产生了飞跃性的提升一样， 3D打印有可能再一次使制造技术产生飞跃，因此要在技术、专利方面掌握主动。
第二，作为一个世界大国的国家需求。 制造业正处于由劳动密集型向知识密集型的产业转型和结构调整关键时期，三维打印技术引发的“第三次工业革命”，是由“中国制造”转型为“中国智造”难得的机遇，将对我国制造业的发展乃至国家的发展产生深远的影响。
第三，促进行业发展，尤其是在航空、航天、军工等重点行业，其核心部件一般均为金属复杂结构零件， 3D打印技术有很大的发挥空间。
第四，是零件优化设计的需要。由于受到机械加工能力的限制，零件在设计时就要考虑能否加工，有时不得不忍痛改变原来的创新设想。 3D打印可以使设计人员发挥更大的想象空间。
第五，工业化和信息化的融合的要求。 3D打印技术可以实现更灵活的生产方式，不用过多考虑生产企业的加工手段，只要传递产品的设计信息即可进行加工、有利于网络化生产，实现同步（并行）制造。
增材制造技术尤其适合高性能难加工大型复杂金属构件的低成本短周期快速制造，也为高性能难加工金属大型复杂整体构件的制造提供了技术新途径。可以预见，随着研究的不断深入、技术水平的不断提高和技术潜力的不断发挥，增材制造技术在国防科技工业领域的应用范围将不断扩大，在国防装备研制和生产中的作用将越来越突出。为此，加强增材制造工艺及材料技术研究，尤其是增材制造过程材料冶金和热物理关键基础问题研究、装备研发、标准制定和人才培养，对促进增材制造技术在国防科技工业的应用意义重大。
六、总结
3D打印技术的优势是十分明显的， 直接成形。 无需准备模具、刀具和工装夹具，快速打印新设计的样件、金属铸件零件、模具和模型等。 提高了制造复杂零部件的能力，无需高档数控加工机床。 可以节省材料。只打印需要的部分，无需去除多余材料。有利于新产品的开发。大大缩短新产品研制周期，降低研发成本。
为了满足零部件强度、刚度、精度等要求,我们需要不断的提高零部件在机械制造加工中的打印质量,进而逐步改进与完善我国的3D打印技术。国家通过加大对研究机构的扶持力度,完善3D打印联盟的组建,加强3D打印技术的教育培训工作,从而提升我国的3D打印技术水平。当然,我们还要汲取发达国家的先进增材制造技术,使我国的3D打印技术与轨迹接轨。
增材制造已成为先进制造技术的一个重要发展方向,有着广阔的发展前景,也存在着巨大的挑战。该技术将向着三个方向发展:一是日常消费品制造方向;二是功能零件制造方向;三是组织与结构一体化制造方向。未来需解决的关键技术包括:精度控制技术、高效制造技术、复合材料零件制造技术。增材制造技术的发展将有力提高我国工业产品和日用消费品的创新能力,支撑我国由制造大国向制造强国发展。

参考文献
【1】浅谈30打印技术在机械制造领域中的应用，宫丽。
【2】增材制造技术的发展，李涤尘,田小永,王永信,卢秉恒。
【3】3D打印能否改变制造业——访中国工程院院士卢秉恒。
【4】增材制造(3D 打印) 技术发展，卢秉恒a，李涤尘b。