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(一)3D打印概述

3D打印,是一種快速制造技術(shù)。其核心思想起源于19世紀的照相雕塑技術(shù)(photosculpture)和地貌成型技術(shù)(potography),但受到當時(shí)材料、計算機等學(xué)科技術(shù)的限制,而沒(méi)有得到廣泛應用和商業(yè)化。之后,技術(shù)的正式研究始于20世紀70年代,直到20世紀80年代后期得以發(fā)展和推廣。


3D打印的概念:以數字模型文件為基礎,運用液體、固體、氣體等材料,通過(guò)逐層或逐區域正向增長(cháng)的方式來(lái)構造三維物體,所制造結果可具有論證價(jià)值、直接和間接使用價(jià)值。體現了信息技術(shù)、控制技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)、數字制造技術(shù)的密切結合,是快速制造、智能制造、先進(jìn)制造、高端制造、再工業(yè)化的重要組成部分。

1、3D打印技術(shù)發(fā)展脈絡(luò )

3D打印技術(shù)誕生于上世紀80年代的美國,1984年,Charles Hull開(kāi)始研發(fā)3D打印技術(shù)。1986年,其率先推出光固化方法(stereo lithography apparatus,SLA),這是3D打印技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。同年,他創(chuàng )立了世界上第一家3D打印設備的3D Systems公司。該公司于1988年開(kāi)發(fā)出了第一臺商業(yè)3D印刷機SLA-250。

1988年,美國人Scott Crump發(fā)明了另外一種3D打印技術(shù)——熔融沉積制造技術(shù)(fused deposition modeling,FDM),并成立了Stratasys公司,該公司在1992年賣(mài)出了第一臺商用3D打印機。FDM 3D打印技術(shù)是理想的消費類(lèi)3D打印機技術(shù),它簡(jiǎn)便易用、成型過(guò)程可控且無(wú)光學(xué)或電磁危害,其使用成本低、維護成本低、材料成本低,整機具有相對的價(jià)格優(yōu)勢。

1989年由美國德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard博士發(fā)明了選擇性激光燒結法(selective laser sintering,SLS)并獲得專(zhuān)利,1992年開(kāi)發(fā)了商業(yè)成型機。其原理是利用高強度激光將材料粉末燒結直至成型,應用該種技術(shù)開(kāi)發(fā)的3D打印機,其設備成本、維護成本、材料成本高,一般機器體型較大,運輸和使用不便。

1993年,麻省理工學(xué)院教授Emanual Sachs發(fā)明了一種選擇性粘結技術(shù),并獲得立體平版印刷技術(shù)專(zhuān)利。這種技術(shù)類(lèi)似于噴墨打印機,通過(guò)向金屬、陶瓷等粉末噴射粘接劑的方式將材料逐片成型,然后進(jìn)行燒結制成最終產(chǎn)品。1995年,美國ZCorp公司從麻省理工學(xué)院獲得授權,利用該技術(shù)來(lái)生產(chǎn)3D打印機,“3D打印機”的稱(chēng)謂由此而來(lái),這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于制作速度快、價(jià)格低廉,但其燒結環(huán)節類(lèi)似陶瓷制品的燒結環(huán)節,難以快速進(jìn)入個(gè)人或家庭的視野。2005年,市場(chǎng)上首個(gè)高清晰彩色3D打印機Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。2008年,開(kāi)源3D打印項目RepRap發(fā)布“Darwin”,3D打印機制造進(jìn)入新紀元。

2、3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 光固化成型技術(shù)

光固化成型(Stereo lithigraphy Apparatus,SLA)技術(shù)主要使用光敏樹(shù)脂為材料,通過(guò)紫外光或其它光源照射使樹(shù)脂薄層產(chǎn)生光聚合反應而凝固成型,逐層固化,最終得到完整的產(chǎn)品。光固化成型技術(shù)的成型原理如圖2-1所示。其優(yōu)勢在于成型速度快、精度高、表面光滑,適合制作精度要求高、結構復雜的精細工件的快速成型。光固化成型技術(shù)的不足之處在于光敏樹(shù)脂原材料有一定的毒性,操作人員使用時(shí)要注意防護,成型后模型強度不夠且容易變色、變質(zhì),模型穩定性差。因此一般主要用于原形設計驗證,然后通過(guò)一系列后續處理工序可將原形轉化為實(shí)用型產(chǎn)品。光固化成型技術(shù)的設備成本、材料成本以及維護成本都遠高于FDM,因此主要運用在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。


圖 2-1 光固化成型技術(shù)原理圖

2.2熔絲沉積成型技術(shù)

熔絲沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)技術(shù)是將絲狀熱熔性材料加熱融化,通過(guò)3D打印機的打印頭內的噴嘴擠噴出來(lái),沉積在制作面板上,當溫度低于固化溫度后開(kāi)始固化過(guò)程,通過(guò)材料的層層堆積形成最終成品,其成型原理見(jiàn)圖2-2,熔絲沉積成型3D打印機的打印頭通過(guò)加熱線(xiàn)材擠出熔融物于平臺上、自下而上地構造實(shí)體模型。熔絲沉積成型技術(shù)機械結構最簡(jiǎn)單、設計容易,制造成本、維護成本和材料成本低,是桌面型機中使用得最多的技術(shù),機器簡(jiǎn)便易用、成型過(guò)程可控且無(wú)光學(xué)或電磁危害,整機具有相對的價(jià)格優(yōu)勢。隨著(zhù)熔絲沉積成型溫度控制技術(shù)和FDM打印材料的發(fā)展,通過(guò)熔絲沉積成型技術(shù)打印陶瓷、木類(lèi)、蠟質(zhì)、金屬等實(shí)物已經(jīng)實(shí)現并在精度和速度上逐步提升,通過(guò)打磨、拋光、上色等后處理的實(shí)物可兼具實(shí)用性能與論證性能。


圖 2-2熔絲沉積成型技術(shù)原理圖

2.3 選擇性激光燒結成型技術(shù)

選擇性激光燒結成型(Selective Laser Sintering,SLS)技術(shù)利用粉末材料在激光照射下燒結的原理,由計算機控制層層堆結成型:鋪一層粉末材料并將材料預熱到接近熔化點(diǎn),再使用激光在該層截面上掃描,使粉末溫度升至熔化點(diǎn),然后燒結形成粘結,接著(zhù)不斷重復鋪粉、燒結的過(guò)程,直到完成整個(gè)模型成型。選擇性激光燒結成型原理如圖2-3所示。選擇性激光燒結成型技術(shù)可以使用較多的粉末材料并制成相應材質(zhì)的成品。選擇性激光燒結成型技術(shù)優(yōu)勢目前在于金屬成品的制作,強度優(yōu)于其他3D打印技術(shù),但缺陷是粉末燒結的表面粗糙,需后期處理;設備成本高、技術(shù)難度大、制造和維護成本高,所以應用范圍主要集中在高端制造領(lǐng)域。


圖 2-3選擇性激光燒結成型原理圖

2.4 三維粉末粘結成型技術(shù)

三維粉末粘結成型(Three Demensional Printing and Gluing,3DP)技術(shù)原料使用粉末材料,如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等,工作原理:鋪一層粉末后用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區域,讓粉末粘接形成零件截面,后續不斷重復鋪粉、噴涂、粘接的過(guò)程,一層一層疊加,獲得最終打印出來(lái)的產(chǎn)品,三維粉末粘結成型的成型原理如圖2-4所示。三維粉末粘結成型技術(shù)優(yōu)勢在于成型速度快,無(wú)需支撐結構,而且能輸出彩色打印產(chǎn)品,這是其他技術(shù)比較難于實(shí)現的。不足是:粉末粘接的成品強度不高,多數只能作為測試原型,成品表面不如光固化成型技術(shù)光潔,精細度也有劣勢,要產(chǎn)生擁有足夠強度的產(chǎn)品,還需一系列的后續處理工序;制造的相關(guān)粉末材料成本高、技術(shù)復雜,所以三維粉末粘結成型技術(shù)主要應用于專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。


圖 2-4三維粉末粘結成型技術(shù)原理圖

2.5 分層實(shí)體制造成型技術(shù)

分層實(shí)體制造成型(Laminated Object Manufacturing,LOM)技術(shù)是根據三維CAD模型每個(gè)截面的輪廓線(xiàn),在計算機控制下發(fā)出控制切割系統的指令。供料機構將涂有熱溶膠的薄片(如涂覆紙、涂覆陶瓷箔、金屬箔、塑料箔材)分段送至工作臺,切割系統按照計算機提取的橫截面輪廓對薄片沿輪廓線(xiàn)將工作臺上的材料割出輪廓線(xiàn),并將材料的無(wú)輪廓區切成小碎片,然后逐層將薄片壓緊并黏合在一起??缮倒ぷ髋_支撐正在成型的物體,并在每層成型之后降低一個(gè)厚度,以便送進(jìn)、粘合和切割新的一層薄片。然后將多余的廢料小塊剔除,最終獲得三維產(chǎn)品。分層實(shí)體制造成型技術(shù)的成型原理如圖2-5所示。目前,分層實(shí)體制造成型技術(shù)可以應用的原材料種類(lèi)較少,如紙、金屬膜、塑料薄膜;成型出來(lái)的模型須盡快進(jìn)行防潮處理。此種技術(shù)很難構建形狀精細、多曲面的物體,僅限于結構簡(jiǎn)單的物件。


圖 2-5分層實(shí)體制造成型原理圖

2.6 數字光處理成型技術(shù)

數字光處理成型(Digital Light Processing,DLP)技術(shù)主要使用光敏樹(shù)脂為材料,以DLP類(lèi)型芯片組的高反射鋁微鏡陣列實(shí)現電子束輸入和光子輸出而構成數字光處理器,對數字光處理器進(jìn)行編程實(shí)現正負圖形或圖像的輸出,運用數字光處理器以正投或者背投的方式、實(shí)現整面照射使樹(shù)脂薄層產(chǎn)生聚合反應和凝固成型,通過(guò)逐層固化液態(tài)聚合物后得到完整的產(chǎn)品。數字光處理成型技術(shù)的成型原理如圖2-6所示。優(yōu)勢在于成型速度快、精度高、表面光滑,適合制作精度要求高、結構復雜的精細物體的快速成型。


圖 2-6數字光處理成型原理圖

2.7 其它3D打印成型技術(shù)

3D打印技術(shù)在其近30年的發(fā)展歷程中不斷創(chuàng )新,演變出了許多不同的技術(shù),它們的不同之處主要在于更換不一樣的高能源光源、使用新的控制系統,控制光源走向,控制機電系統、新的材料噴射方式,打印頭控制、新的成型材料、新的粘合技術(shù)等等。其它3D打印成型技術(shù)及其類(lèi)型與所使用的基本材料如下表所示:

(二)、3D打印產(chǎn)業(yè)鏈簡(jiǎn)述

單從3D打印產(chǎn)業(yè)鏈的角度看,3D打印產(chǎn)業(yè)劃分為上游的3D數字建模和打印材料、中游的3D打印裝備、下游的3D打印應用。由于在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期,受到技術(shù)推廣和市場(chǎng)規模限制,產(chǎn)業(yè)鏈專(zhuān)業(yè)分工不成熟,使得主要的3D打印企業(yè)如3DSystems,Stratasys等也都在以集產(chǎn)品銷(xiāo)售、材料銷(xiāo)售和服務(wù)銷(xiāo)售為一體形式存在。但從長(cháng)遠看,產(chǎn)業(yè)鏈的各環(huán)節會(huì )逐步產(chǎn)生專(zhuān)業(yè)化的分離,產(chǎn)品設計服務(wù)會(huì )獨立或向下游消費企業(yè)轉移。

1、3D數字建模

3D數字建??梢酝ㄟ^(guò)三維數據采集設備或3D設計軟件來(lái)完成,三維數據采集設備和3D設計軟件都開(kāi)放了“3D打印”接口,直接輸出可以進(jìn)行3D打印的文件格式,如.stl格式,提供給用戶(hù)直接的服務(wù)體驗。目前,不同公司的三維設計軟件和逆向工程應用軟件具有各自獨特的亮點(diǎn)。如Siemens PLM Software公司出品的UG(Unigraphics NX)軟件,能夠為用戶(hù)的產(chǎn)品設計及加工過(guò)程提供數字化造型和驗證手段,是一個(gè)功能強大的交互式CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機輔助制造)系統,可以針對用戶(hù)的虛擬產(chǎn)品設計和工藝設計的需求輕松實(shí)現各種復雜實(shí)體及造型的建構,并在設計階段就經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗證;美國參數技術(shù)公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維設計軟件Pro/Engineer以參數化著(zhù)稱(chēng),是參數化技術(shù)的最早應用者,在目前的三維造型軟件領(lǐng)域占有著(zhù)重要的地位,作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣,是現今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一。上述兩設計軟件在曲面造型和結構設計方面等具有明顯的優(yōu)勢。美國Geomagic公司旗下的主要產(chǎn)品Geomagic Studio、Geomagic Qualify和Geomagic Qualify probe,在逆向工程應用中被廣泛的使用。Geomagic軟件產(chǎn)品在業(yè)界率先實(shí)現了利用來(lái)自?huà)呙鑳x的三維點(diǎn)云數據對物理對象進(jìn)行三維逆向工程和檢測,其產(chǎn)品重視易用性以及與客戶(hù)工作流程的集成,并且注重以足夠強大的功能來(lái)影響客戶(hù)工作和創(chuàng )新的方式。

此外,還有諸如Solidworks、3DMAX、Sketchup等等三維設計軟件,也都在不同的應用領(lǐng)域,彰顯各自?xún)?yōu)點(diǎn)。

2、3D打印耗材

3D打印技術(shù)的興起和發(fā)展,離不開(kāi)3D打印材料的發(fā)展,不同的應用領(lǐng)域所用的耗材種類(lèi)是不一樣的,所以材料的豐富和發(fā)展程度決定著(zhù)它是否能夠普及使用。目前可用的3D打印材料種類(lèi)已超過(guò)200種,如果把這些打印材料進(jìn)行歸類(lèi),可分為石化產(chǎn)品類(lèi)、生物類(lèi)產(chǎn)品、金屬類(lèi)產(chǎn)品、石灰混凝土產(chǎn)品等幾大類(lèi),在業(yè)內比較常用的有以下幾種:ABS 塑料類(lèi)、PLA塑料類(lèi)、亞力克類(lèi)材料、尼龍鋁粉材料、陶瓷、樹(shù)脂、不銹鋼、其他金屬——銀、金和鈦金屬(鈦金屬是高端3D打印機經(jīng)常用的材料,例如用來(lái)打印航空飛行器上的構件)、彩色打印材料。但是現有的各種打印材料對應于現實(shí)中紛繁復雜的產(chǎn)品還遠遠不夠。

工業(yè)級3D打印機主要使用光敏樹(shù)脂、類(lèi)ABS材料、復合材料等擁有不同強硬度,柔韌性的材料,金屬材料將成為工業(yè)發(fā)展的趨勢之一,而粉末制備是3D打印材料技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn),3D打印材料的進(jìn)步將直接影響3D打印技術(shù)進(jìn)步的快慢,能夠為航空航天、醫療設備等高端市場(chǎng)所使用的高標準3D打印材料的核心技術(shù)主要為歐、美發(fā)達國家的廠(chǎng)商所掌握,如美國的Stratasys、3D Systems公司、德國的EnvisionTEC、EOS、SLMSolutionsGmbH、ConceptLaser公司、瑞典的ArcamAB公司、加拿大的AP&C公司、英國的Renishaw公司等,因為沒(méi)有行業(yè)標準,使得3D設備廠(chǎng)商將材料和設備形成強關(guān)聯(lián)性,尤其針對高端應用領(lǐng)域的諸如光敏聚合物材料、金屬粉末材料、生物材料等更是如此,材料價(jià)格相當昂貴,我國自主研發(fā)的某些金屬材料等價(jià)格也不菲。

隨著(zhù)我國從國家層面在新材料領(lǐng)域的重視,有望降低國外原材料公司的壟斷預期。未來(lái)在新材料的開(kāi)發(fā)方面將會(huì )注重研究材料的加工-結構-屬性之間關(guān)系,明確材料的優(yōu)點(diǎn)和局限性,為材料提供規范性標準。


3、3D打印裝備

不同的3D成型技術(shù),伴隨著(zhù)相對應的3D成型裝備,基于不同行業(yè)其應用領(lǐng)域的不同,對3D打印設備也有不同的需求。因此,市場(chǎng)上可以見(jiàn)到不同成型技術(shù)的桌面型、專(zhuān)業(yè)型、工業(yè)型3D打印機,價(jià)格也因打印精度或成型尺寸,或連續工作時(shí)間,或打印速度等技術(shù)性能指標的單一或組合要求而相差巨大,其根本原因在于:

3D打印設備是一種多領(lǐng)域、多學(xué)科的軟硬件結合體,不論哪一種成型技術(shù)的裝備都離不開(kāi)控制系統(軟件部分)和硬件系統,設備的技術(shù)性能指標受到軟、硬件系統的制約。若制造廠(chǎng)商采用開(kāi)源技術(shù),則軟件部分受制于第三方的技術(shù)進(jìn)步,在一段時(shí)間內只能通過(guò)硬件系統的改進(jìn)來(lái)提升裝備的性能,但這是不夠全面的,產(chǎn)品難免在性能上具有短板。擁有自主核心技術(shù)的設備制造商,其產(chǎn)品在設計階段就會(huì )充分地考慮裝備的軟、硬件協(xié)同能力,選擇相匹配的零部件,以確保裝備的整體性能在打印精度、打印速度、穩定性、連續工作時(shí)間等方面達到設計要求。

4、3D打印應用

3D打印技術(shù)正是伴隨著(zhù)它的實(shí)際應用而逐步發(fā)展起來(lái)的,目前已經(jīng)廣泛應用于汽車(chē)、機械、航空航天、家電、通訊、電子、建筑、醫療、珠寶,鞋類(lèi),玩具等產(chǎn)品的設計開(kāi)發(fā)過(guò)程,也在模具制造、工程施工,食品制造、地理信息系統等許多其他領(lǐng)域得到應用。3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需機械加工或任何模具,就能夠直接把設計好的計算機圖形數據生成和打印出單個(gè)物品,尤其可以打印出傳統生產(chǎn)技術(shù)難于制造的極其復雜外形和結構的物體,顛覆了傳統的模型制作方式,既快速又廉價(jià)。特別在產(chǎn)品外觀(guān)評估、方案選擇、裝配檢查、功能測試、用戶(hù)看樣訂貨、塑料件開(kāi)模前校驗設計以及少量產(chǎn)品制造等方面,可以大大縮短設計周期,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,給企業(yè)帶來(lái)了較大的經(jīng)濟效益。例如:

4.1 在建筑領(lǐng)域的應用

建筑模型的傳統制作方式,漸漸無(wú)法滿(mǎn)足高端設計項目的要求?,F如今眾多設計機構的大型設施或場(chǎng)館都利用3D 打印技術(shù)先期構建精確建筑模型來(lái)進(jìn)行效果展示與相關(guān)測試,3D 打印技術(shù)所發(fā)揮的優(yōu)勢和無(wú)可比擬的逼真效果為設計師所認同。工程師和設計師使用3D打印機打印建筑模型,不僅成本低、環(huán)保,而且制作精美,完全合乎設計者的要求。盈創(chuàng )科技公司的大型3D打印機已經(jīng)能打印出整棟的房屋。

BIM(建筑信息模型)作為一種在建筑工程項目中使用的信息化管理技術(shù),以建筑工程項目的海量信息為基礎,在整個(gè)工程的設計階段建立起三維建筑模型,給項目決策者、建造施工者等一個(gè)直觀(guān)的感受,是貫穿于整個(gè)建設項目全生命周期的信息集合。BIM能夠提高管理效率,涉及到建筑工程項目從規劃、設計到施工、維護的一系列創(chuàng )新和變革,是建筑業(yè)信息化發(fā)展的趨勢。BIM建筑信息模型是對建筑物實(shí)體與功能特性的數字表達形式,它通過(guò)數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。建設項目的各參與方可以通過(guò)模型在項目全生命周期中獲取各自所需的管理信息并且可以更新、插入、提取、共享項目各項數據,從而實(shí)現協(xié)同管理,提高項目管理的效率。

3D打印作為一種快速成形的技術(shù),從理論上講,3D打印機能夠完整打印出一整套房屋以及各種立體的物品。在設計階段,排水系統模型、給水系統模型、消火栓系統模型等各種模型都能夠通過(guò)3D打印機打印出來(lái),方便對實(shí)體模型進(jìn)行研究以及學(xué)習。在施工階段,3D打印的使用能夠降低建筑周期、減少建筑成本以及減少建筑垃圾。而對于后期的維護,3D打印的建筑設計模型能夠更好得服務(wù)于維護人員。BIM技術(shù)與3D打印技術(shù)相結合能夠擴展業(yè)務(wù)范圍,如虎添翼。

3D打印可以打印出各類(lèi)建筑的設計模型,幫助建設人員提前進(jìn)行規劃整改以及從整體視角對建筑進(jìn)行觀(guān)察。圖4-1是中鐵十七局設計的地鐵模型,由我們公司制作,此模型是廈門(mén)市政府進(jìn)行地鐵建設的重要參照依據。在地鐵建設的設計階段運用3D打印技術(shù)將地鐵模型打印出來(lái)可以供建設人員在建造前進(jìn)行更好地計劃以及便于各部門(mén)進(jìn)行信息交流。


圖 4-1 廈門(mén)地鐵模型

北京通州一廠(chǎng)房?jì)日Q生的3D打印別墅是世界上第一幢由3D打印機現場(chǎng)打印的房屋,如圖4-2。其真正的施工時(shí)間為45天。這一幢400平米的別墅據檢測能夠抵抗八級以上的地震。


圖 4-2 3D打印別墅(圖片來(lái)源:中國網(wǎng))

圖4-3是迪拜第一個(gè)耗時(shí)17天的全功能3D打印建筑。這座建筑的外形采用阿聯(lián)酋大廈設計風(fēng)格,其建筑占地2000平方英尺,有足夠的工作或者召開(kāi)國際性會(huì )議的空間,并且水、電、通訊設施、制冷系統等供應非常完善。


圖 4-3 迪拜第一個(gè)3D打印建筑(圖片來(lái)源:3D虎)

圖4-4是超5億美元的未來(lái)博物館,將在迪拜3D建造。這座博物館為了能與它館藏的未來(lái)科技和發(fā)明相媲美,將使用3D打印來(lái)建造。


圖 4-4 未來(lái)博物館藍圖(圖片來(lái)源:3D虎)

4.2 在航空航天領(lǐng)域的應用

航空航天制造領(lǐng)域集成了一個(gè)國家所有的高精尖技術(shù),是國家戰略計劃得以實(shí)施,政治形勢得以展現的后援保障領(lǐng)域。而金屬3D技術(shù)作為一項全新的制造技術(shù),在航空航天領(lǐng)域的應用具有相當突出的優(yōu)勢,服務(wù)效益明顯。主要體現在以下幾個(gè)方面:

(1)縮短新型航空航天裝備的研發(fā)周期;

(2)提高材料的利用率,節約昂貴的戰略材料,降低制造成本;

(3)優(yōu)化零件結構,減輕重量,減少應力集中,增加使用壽命;

(4)零件的修復成形;

(5)與傳統制造技術(shù)相配合,互通互補。

航空航天作為3D打印技術(shù)的首要應用領(lǐng)域,其技術(shù)優(yōu)勢明顯,但是這絕不是意味著(zhù)金屬3D打印是無(wú)所不能的,在實(shí)際生產(chǎn)中,其技術(shù)應用還有很多亟待決絕的問(wèn)題。比如目前3D打印還無(wú)法適應大規模生產(chǎn),滿(mǎn)足不了高精度需求,無(wú)法實(shí)現高效率制造等。而且,制約3D打印發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素就是其設備成本的居高不下,大多數民用領(lǐng)域還無(wú)法承擔起如此高昂的設備制造成本。但是隨著(zhù)材料技術(shù),計算機技術(shù)以及激光技術(shù)的不斷發(fā)展,制造成本將會(huì )不斷降低,滿(mǎn)足制造業(yè)對生產(chǎn)成本的承受能力,屆時(shí),3D打印將會(huì )在制造領(lǐng)域綻放屬于它的光芒。雖然還有很多技術(shù)亟待解決,但是3D打印在航空航天制造業(yè)上的應用已經(jīng)逐漸進(jìn)行。

波音公司的737 MAX上面安裝了一對CFM International公司的LEAP-1B發(fā)動(dòng)機,這款發(fā)動(dòng)機上使用了19個(gè)3D打印的燃料噴嘴。這些3D打印的燃料噴嘴只有用3D打印技術(shù)才能夠制造得出來(lái)。這種3D打印的新型燃料噴嘴重量更輕,比傳統的燃料噴嘴輕了25%——以前制造這種燃料噴嘴需要18個(gè)部件,而現在只需要1個(gè)。除此之外,還具備冷卻通路和支持索帶更加復雜等優(yōu)勢。這些新特性使得3D打印燃料噴嘴的耐久性比常規制造的增加了5倍。如圖4-5。


圖 4-5 3D打印的飛機燃料噴嘴(圖片來(lái)源:3D虎)

圖4-6是美國航空航天制造商洛克希德·馬丁公司首個(gè)用在彈道導彈上面的3D打印部件。這是一個(gè)“連接器后殼”,它主要裝在電纜連接器上面以保護它們免受傷害或者意外斷開(kāi)。

這件僅有1英寸(2.5厘米)寬的連接器后殼在3D打印時(shí),先由3D打印機在打印床上鋪設一層薄薄的鋁合金粉末,然后高溫的激光或電子束在計算機的引導下融化指定區域的粉末,然后機器又鋪上了另外一層粉末,這個(gè)過(guò)程不斷重復,直至3D對象被打印完成為止。打印完成后吹去多余的粉末,并進(jìn)行平滑處理和拋光。使用3D打印技術(shù)可以減少材料浪費,而且生產(chǎn)周期與常規方法相比被縮減了一半。


圖 4-6 連接器后殼(圖片來(lái)源:3D虎)

4.3 在汽車(chē)制造領(lǐng)域的應用

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,3D打印技術(shù)已經(jīng)成為汽車(chē)制造不可或缺的一部分,這一點(diǎn)在福特公司身上體現得尤為突出。

使用傳統的成型技術(shù)生產(chǎn)原型的一部分零件,不僅在技術(shù)人員和工具上有特定的要求,而且生產(chǎn)周期往往需要數周甚至數月。而3D打印技術(shù)的速度、效率和成本控制相比于傳統技術(shù)都有明顯優(yōu)勢。福特公司使用3D打印技術(shù)使得等待原型的時(shí)間大大減少,從幾周到幾小時(shí)不定。3D打印技術(shù)不僅節約了公司的時(shí)間,還大大降低了原型制作的成本,而且該技術(shù)允許工程師隨時(shí)進(jìn)行測試和優(yōu)化。

2017版的福特GT這一款車(chē)的設計上利用3D打印技術(shù)進(jìn)行了一系列的原型細化和完善,最終這款車(chē)被設計成了F1式的方形方向盤(pán)(如圖4-7),該方向盤(pán)集合了變速控制和驅動(dòng)控制的功能。另外,這款車(chē)的上翻車(chē)門(mén)由于經(jīng)過(guò)多次原型設計和修改,重量大大降低。


圖 4-7 3D打印方向盤(pán)(圖片來(lái)源:3D虎)

福特推出的高端汽車(chē)蒙迪歐Vignale中網(wǎng)上獨特的六邊形是利用3D打印技術(shù)制作而成的。同時(shí),設計師們還通過(guò)原型設計打造出了19英寸的鎳合金輪轂和雙層鍍鉻的排氣管。另外,在一些外觀(guān)裝飾的細節上也不同程度地利用了3D打印技術(shù)。如圖4-8。


圖 4-8擁有3D打印部件的蒙迪歐Vignale(圖片來(lái)源:3D虎)

不管是福特的Dunton技術(shù)中心,還是其設在德國的福特歐洲總部都已經(jīng)將3D打印原型融合到其經(jīng)典設計流程中。設計師們參考一系列設計草圖和2D圖紙,通過(guò)三維建模軟件做成CAD模型。同時(shí)進(jìn)行全尺寸黏土模型的制作。兩者的同時(shí)進(jìn)行使福特公司評估首次設計的時(shí)間大大縮短。全尺寸的黏土模型能夠方便設計團隊評估車(chē)型和車(chē)身的整體線(xiàn)條以及設計,而3D打印的模型能夠提供一些細節部位的參考。


4.4 在醫療領(lǐng)域的應用

3D打印模型可以讓醫生提前進(jìn)行練習、使手術(shù)變得更為安全,有助于減少手術(shù)步驟,從而減少病人在手術(shù)臺上的時(shí)間;南方醫科大學(xué)珠江醫院的方馳華教授利用3D打印的肝臟模型指導完成復雜肝臟腫瘤切除手術(shù),這也是我國首例的肝臟手術(shù)應用;外科醫生可以用3D打印的骨骼替代品進(jìn)行骨骼損傷修復,幫助骨質(zhì)疏松癥患者恢復健康。

生物3D打印是基于“增材制造”的原理,以特制生物“打印機”為手段,以加工活性材料包括細胞、生長(cháng)因子、生物材料等為主要內容,以重建人體組織和器官為目標的跨學(xué)科跨領(lǐng)域的新型再生醫學(xué)工程技術(shù)。它代表了目前3D打印技術(shù)的最高水平之一。

3D打印牙齒、骨骼修復技術(shù)已經(jīng)非常成熟,并在各大骨科醫院、口腔醫院快速普及,而3D打印細胞、軟組織、器官等方面的技術(shù)可能還需要5-10年。

先天性心臟缺陷是出生缺陷中最常見(jiàn)的類(lèi)型,每年有近1%的新生嬰兒有此類(lèi)問(wèn)題。對嬰幼兒進(jìn)行心臟手術(shù)要求醫生在一個(gè)還沒(méi)有完全長(cháng)成的小而精致的器官的內部操作,難度非常高。在美國肯塔基州Louisville的Kosair兒童醫院,心臟外科醫生Erle Austin在對一個(gè)患有心臟病的幼兒進(jìn)行復雜的手術(shù)之前,用3D打印的模型規劃和實(shí)驗,保障了手術(shù)的成功完成。


圖 4-9 3D打印心臟模型

圖4-10 是一種新型的牙科部件,叫做Dental SG。借助這款新部件,醫生在牙科植入手術(shù)當中能夠針對牙鉆的位置做出精準的決策。這款新部件使用橈性樹(shù)脂,通過(guò)3D打印技術(shù)制作,能夠完美地嵌合于患者的牙齒3D打印模型之上。這種方法既能夠提高手術(shù)精準度和效率,又可以加快患者的恢復期,可謂兩全其美。


圖 4-10 牙科部件Dental SG(圖片來(lái)源:中國3D打印網(wǎng))

通過(guò)3D打印,醫生們能夠通過(guò)分析患者獨特的MRI和CT掃描圖來(lái)打印骨骼的三維模型。一般的桌面級3D打印機就能夠在幾小時(shí)內完成模型的制作。這些骨骼模型一般都是通過(guò)一種生物可降解材料PLA來(lái)進(jìn)行打印。如圖4-11。


圖 4-11 3D打印骨骼模型(圖片來(lái)源:中國3D打印網(wǎng))

西安交大一附院完成國內首例3D打印頸內靜脈-鎖骨下靜脈-上腔靜脈梗阻血管再造手術(shù)。3D打印患者病變靜脈系統及周?chē)Y構,再根據打印自制牛心包管道與打印結果進(jìn)行契合,與梗阻靜脈吻合的手術(shù)方式,對于此類(lèi)疾病的治療具有開(kāi)拓意義,也為此類(lèi)病例的解決提供了新的思路。


4.5 在文化創(chuàng )意領(lǐng)域的應用

文化創(chuàng )意是以文化為元素、融合多文化、整理相關(guān)科學(xué)、利用不同載體而構建的再造與創(chuàng )新的文化現象。文化創(chuàng )意產(chǎn)業(yè)是指依靠創(chuàng )意人的智慧、技能和天賦,借助于高科技對文化資源進(jìn)行創(chuàng )造與提升,通過(guò)知識產(chǎn)權的開(kāi)發(fā)和運用,產(chǎn)生出高附加值產(chǎn)品,具有創(chuàng )造財富和就業(yè)潛力的產(chǎn)業(yè)。

我國對文化創(chuàng )意產(chǎn)業(yè)的形態(tài)和業(yè)態(tài)進(jìn)行了界定,明確提出了國家發(fā)展文化創(chuàng )意產(chǎn)業(yè)的主要任務(wù),標志著(zhù)國家已經(jīng)將文化創(chuàng )意產(chǎn)業(yè)放在文化創(chuàng )新的高度進(jìn)行了整體布局。2016年12月,由國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國家戰略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃》公布,數字創(chuàng )意產(chǎn)業(yè)首次被納入國家戰略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃,成為與新一代信息技術(shù)、生物、高端制造、綠色低碳產(chǎn)業(yè)并列的五大新支柱。2017年4月,文化部推出了《關(guān)于推動(dòng)數字文化產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新發(fā)展的指導意見(jiàn)》,提出了推動(dòng)包括3D打印在內的前沿技術(shù)和裝備在數字文化產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應用,以技術(shù)創(chuàng )新推動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng )新、模式創(chuàng )新和業(yè)態(tài)創(chuàng )新,更好地滿(mǎn)足智能化、個(gè)性化、時(shí)尚化消費需求。

3D打印在文化創(chuàng )意領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用空間,如應用于藝術(shù)品的個(gè)性化定制、珠寶首飾的生產(chǎn)制造、文物等古代高端藝術(shù)品的再現和衍生品制作。專(zhuān)家總結了3D打印技術(shù)在文化創(chuàng )意產(chǎn)業(yè)的應用價(jià)值:

(1)能夠為獨一無(wú)二的文物和藝術(shù)品建立起準確、完整的三維數字檔案庫,以便隨時(shí)可以高保真地將文物和藝術(shù)品實(shí)物模型給予再現;

(2)取代了傳統的手工制模工藝,在作品精細度、制作效率方面帶來(lái)了極大的改善和提高,對于有實(shí)物樣板的作品,通過(guò)數字模型數據可以非常容易地進(jìn)行編輯、縮放、復制等精確操作,借助3D打印機這種數字制造工具,高效實(shí)現小批量生產(chǎn),促進(jìn)文化的傳播和交流;

(3)帶來(lái)了大量的跨界整合和創(chuàng )造的機會(huì ),為藝術(shù)家們提供了極其廣闊的創(chuàng )作空間,尤其在文物和高端藝術(shù)品的復制、修復、衍生品開(kāi)發(fā)方面的作用非常明顯。

3D打印技術(shù)給了人們無(wú)限的想象,其最大的優(yōu)勢在于能夠彌補傳統制作難以做出的一些設計,使得設計師可以將所有的精力放在設計上,而不需要過(guò)多地去遷就制作方式。

圖4-12是陜西博物館為了更好地保護文物而利用3D打印技術(shù)仿制的西漢匈奴鹿型金怪獸。這件文物制作工藝精湛,說(shuō)明當時(shí)匈奴在銀器制作方面水平之高,是匈奴最具代表性的藝術(shù)珍品。


圖 4-12 西漢匈奴鹿型金怪獸(圖片來(lái)源:中國3D打印網(wǎng))

3D打印使得珠寶定制不再是少部分人的專(zhuān)屬。借助于電腦輔助設計技術(shù)(CAD),設計師可以設計出任何我們想象得到的珠寶樣式。雖然相比于傳統的由精湛手工藝制作而成的珠寶,其人文價(jià)值是3D打印珠寶所無(wú)法比擬的,但是在珠寶設計的復雜性以及時(shí)間成本上卻是擁有絕對優(yōu)勢的。


圖 4-13 3D打印戒指(圖片來(lái)源:ZOL)

電影道具在當今這個(gè)大片橫行的時(shí)代有著(zhù)舉足輕重的地位,在影視制作中巧妙運用道具能夠恰當地體現場(chǎng)景環(huán)境氣氛,地區和時(shí)代特色。圖4-14是由設計師利用他們自己設計的一個(gè)算法自動(dòng)生成一個(gè)3D文件進(jìn)行3D打印而成的白骨祭壇。


圖 4-14 3D打印白骨祭壇(圖片來(lái)源:PCHOME)

美國德雷塞爾大學(xué)的研究人員通過(guò)對化石進(jìn)行3D掃描,利用3D打印技術(shù)做出了適合研究的3D模型,不但保留了原化石所有的外在特征,同時(shí)還做了比例縮減,更適合研究。博物館里常常會(huì )用很多復雜的替代品來(lái)保護原始作品不受環(huán)境或意外事件的傷害,同時(shí)復制品也能將藝術(shù)或文物的影響傳遞給更多更遠的人。

此外,Autodesk組建鞋業(yè)集團,力推數字化制鞋解決方案,實(shí)現個(gè)性化定制,包括鞋子和配飾的設計、制造并達到合腳、舒適。


(三)世界發(fā)達國家3D打印發(fā)展現狀簡(jiǎn)介

美國和歐洲在3D打印技術(shù)的研發(fā)及推廣應用方面處于領(lǐng)先地位,美國是全球3D打印技術(shù)和應用的領(lǐng)導者,美、歐發(fā)達國家、日本和中國等國家都先后制定了3D打印的發(fā)展戰略。

美國政府提出了“新經(jīng)濟戰略”,也稱(chēng)“重振美國制造業(yè)”發(fā)展戰略。奧巴馬政府曾多次強調3D打印的重要性,將3D打印列為11項重要技術(shù)之一,把其和機器人、人工智能并列為美國制造的關(guān)鍵技術(shù)。2012 8 月在俄亥俄州的揚斯敦成立了國家增材制造創(chuàng )新研究院。聯(lián)合研發(fā)機構、高等院校、制造商從事研發(fā)生產(chǎn)。美國的3D打印企業(yè)以3D Systems Stratasys公司為代表。

歐洲也十分重視對3D打印技術(shù)的研發(fā)應用。由于其工業(yè)基礎扎實(shí),科技創(chuàng )新和人才優(yōu)勢明顯,在3D打印領(lǐng)域的研發(fā)也較早,尤其是工藝技術(shù)、研發(fā)投入、人才基礎、產(chǎn)業(yè)形態(tài)、材料等領(lǐng)域都比較強。德國在2008 年建立了直接制造研究中心,主要推廣在航空航天領(lǐng)域應用;英國在2011 年開(kāi)始設立了多個(gè)研究中心,持續增加研發(fā)費用;法國的增材制造協(xié)會(huì )致力于增材制造技術(shù)標準的研究。以德國EOS、 瑞典ArcamAB、英國Reprap公司為代表的企業(yè)更加注重3D打印技術(shù)在高端制造業(yè)、生物醫療等領(lǐng)域的實(shí)際應用。

日本政府也對3D打印產(chǎn)業(yè)在財政上給予大力支持,成立了"3D打印機"研究會(huì ),日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省啟動(dòng)了開(kāi)發(fā)高水準3D打印機的國家項目。日本政府在2014年的預算案中劃撥了40億日元,用以實(shí)施“以三維成型技術(shù)為核心的制造革命計劃”。日本在3D打印領(lǐng)域更注重于推動(dòng)3D打印技術(shù)的推廣應用,目前日本的不少企業(yè)也開(kāi)始進(jìn)入這一行業(yè)

此外,澳大利亞在2012 2 月宣布支持一項航空航天領(lǐng)域革命性的項目微型發(fā)動(dòng)機增材制造技術(shù);

(四)中國國家和地方3D打印產(chǎn)業(yè)政策簡(jiǎn)介

在世界工業(yè)強國紛紛將3D打印作為未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的增長(cháng)點(diǎn)加以培育,制定了推動(dòng)3D打印發(fā)展的國家戰略和具體推動(dòng)措施。我國也高度重視,從科技支撐和面向產(chǎn)業(yè)化方面制定實(shí)施了一系列發(fā)展規劃和財稅政策。具體:

1、國家863計劃

2013年4月,科技部公布的《國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)、國家科技支撐計劃制造領(lǐng)域2014年度備選項目征集指南》,首次將3D打印產(chǎn)業(yè)納入其中?!吨改稀分刑岬?,破3D打印制造技術(shù)中的核心關(guān)鍵技術(shù),研制重點(diǎn)裝備產(chǎn)品,并在相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展驗證,初步具備開(kāi)展全面推廣應用的技術(shù)、裝備和產(chǎn)業(yè)化條件。由國家撥款設四個(gè)前沿技術(shù)研究方向:

(1)面向航空航天大型零件激光熔化成型裝備研制及應用,針對航空航天產(chǎn)品研制(試制)過(guò)程中單件、小批量需求,研制適合鈦合金等難加工零件直接成型的大型零件激光熔化成型裝備,臺面2米×2米,制件精度控制在±1%以?xún)?,堆積效率達300cm3/h以上。制定相關(guān)工業(yè)技術(shù)標準,并在航空航天產(chǎn)品研制零部件制造中進(jìn)行應用。

(2)面向復雜零部件模具制造的大型激光燒結成型裝備研制及應用,針對復雜零部件模具快速制造的需求,研制適合制造蠟模、蠟型、砂型制造,以及尼龍等塑料零件制造的大型激光燒結成型裝備,臺面2米×2米,制件精度控制在±0.1%以?xún)?,堆積效率達1000cm3/h以上。制定相關(guān)技術(shù)標準,并在汽車(chē)、模具等行業(yè)產(chǎn)品研制中得到應用。

(3)面向材料結構一體化復雜零部件高溫高壓擴散連接設備研制與應用,針對結構復雜、性能要求高、連接難度大等復雜零部件加工的需求,研制材料結構一體化復雜零件高溫高壓擴散連接設備和工藝,工作加熱區域尺寸Φ1000mm×1000mm以上,并在航空航天產(chǎn)品的研制中開(kāi)展應用。

(4)基于3D打印制造技術(shù)的家電行業(yè)個(gè)性化定制關(guān)鍵技術(shù)研究及應用示范,針對家電行業(yè)個(gè)性化定制迫切需求,結合以3D打印制造技術(shù)為核心的數字制造技術(shù)帶來(lái)的制造變革,研究3D打印個(gè)性化零件設計技術(shù)、個(gè)性化定制模式、定制業(yè)務(wù)協(xié)同引擎、交互門(mén)戶(hù)、運行平臺等技術(shù),開(kāi)發(fā)個(gè)性化定制管理平臺,并基于3D打印制造裝備為終端用戶(hù)提供個(gè)性化定制服務(wù),在應用示范期內銷(xiāo)售經(jīng)濟收入不少于3000萬(wàn)元。

2、《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計劃(2015-2016年)》

2015年2月,為落實(shí)國務(wù)院關(guān)于發(fā)展戰略性新興產(chǎn)業(yè)的決策部署,搶抓新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重大機遇,加快推進(jìn)我國增材制造(又稱(chēng)“3D打印”)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展,工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、財政部研究制定了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計劃(2015-2016年)》。根據計劃提出的目標,到2016年,初步建立較為完善的增材制造產(chǎn)業(yè)體系,整體技術(shù)水平保持與國際同步,在航空航天等直接制造領(lǐng)域達到國際先進(jìn)水平,在國際市場(chǎng)上占有較大的市場(chǎng)份額。

(1)產(chǎn)業(yè)化取得重大進(jìn)展。增材制造產(chǎn)業(yè)銷(xiāo)售收入實(shí)現快速增長(cháng),年均增長(cháng)速度30%以上。進(jìn)一步夯實(shí)技術(shù)基礎,形成2-3家具有較強國際競爭力的增材制造企業(yè)。

(2)技術(shù)水平明顯提高。部分增材制造工藝裝備達到國際先進(jìn)水平,初步掌握增材制造專(zhuān)用材料、工藝軟件及關(guān)鍵零部件等重要環(huán)節關(guān)鍵核心技術(shù)。研發(fā)一批自主裝備、核心器件及成形材料。

(3)行業(yè)應用顯著(zhù)深化。增材制造成為航空航天等高端裝備制造及修復領(lǐng)域的重要技術(shù)手段,初步成為產(chǎn)品研發(fā)設計、創(chuàng )新創(chuàng )意及個(gè)性化產(chǎn)品的實(shí)現手段以及新藥研發(fā)、臨床診斷與治療的工具。在全國形成一批應用示范中心或基地。

(4)研究建立支撐體系。成立增材制造行業(yè)協(xié)會(huì ),加強對增材制造技術(shù)未來(lái)發(fā)展中可能出現的一些如安全、倫理等方面問(wèn)題的研究。建立5-6家增材制造技術(shù)創(chuàng )新中心,完善扶持政策,形成較為完善的產(chǎn)業(yè)標準體系。

3、《中國制造2025》規劃

2015年5月,國務(wù)院發(fā)布了《中國制造2025》規劃,其中5處提到了3D打印,并將其列為要突破的10個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域之一。在國家智能制造標準體系建設指南(2015年版)的智能制造標準體系框架中,確定3D打印技術(shù)為智能裝備的重要技術(shù)之一。


4、我國地方產(chǎn)業(yè)政策

為響應國家產(chǎn)業(yè)政策,國內一些省、市也相應出臺了促進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見(jiàn)或方案。如:2013年8月,福建省頒布了《關(guān)于促進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干意見(jiàn)》,要求建設三個(gè)技術(shù)研發(fā)平臺。一是建設材料研發(fā)平臺,以聚合物材料、金屬基材料、陶瓷基材料等為重點(diǎn)研發(fā)生產(chǎn)3D打印材料;二是建設核心部件和裝備研發(fā)平臺,開(kāi)發(fā)高精度成型工藝核心部件,研發(fā)硬件控制技術(shù)與開(kāi)放式數控系統、3D打印及后處理設備的集成技術(shù),促進(jìn)在信息制造業(yè)等行業(yè)的推廣應用;三是建設3D建模研發(fā)平臺,研發(fā)3D模型獲取、3D建模技術(shù)與工程仿真、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與服務(wù)云平臺、3D打印過(guò)程控制等關(guān)鍵技術(shù),推動(dòng)3D打印數字化建模系統產(chǎn)業(yè)化創(chuàng )新應用。支持省教育部門(mén)進(jìn)一步完善學(xué)科和專(zhuān)業(yè)設置,將3D打印技術(shù)納入相關(guān)學(xué)科和專(zhuān)業(yè)建設體系,培養我省急需的3D打印技術(shù)人才。此外,《廈門(mén)市智能制造“十三五”發(fā)展規劃》還提出了“數字化研發(fā)設計工具普及率達到80%左右”、“產(chǎn)品研制周期縮短30%,生產(chǎn)效率提高20%”的要求。

浙江省和杭州市推出了《浙江省關(guān)于加強三維打印技術(shù)攻關(guān)加快產(chǎn)業(yè)化的實(shí)施意見(jiàn)》和《杭州市關(guān)于加快推進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》;北京市、廣東省、江蘇省、四川省、湖南省也分別頒布了《促進(jìn)北京市增材制造(3D打?。┛萍紕?chuàng )新與產(chǎn)業(yè)培育的工作意見(jiàn)》;《加快廣東省3D打印技術(shù)和應用產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案》;《江蘇省三維打印技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)方案(2013-2015年)》;《四川省增材制造(3D打印)產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線(xiàn)圖(2014-2023)》;《湖南省關(guān)于加快推進(jìn)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干意見(jiàn)》等等。

(五)3D打印產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規模分析

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的市場(chǎng)角度看,由于3D打印技術(shù)受到全球許多國家的重視,3D打印產(chǎn)業(yè)也成為“十大增長(cháng)最快的工業(yè)”之一。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院所發(fā)布的3D打印產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)需求與投資潛力分析報告顯示,全球3D打印市場(chǎng)規模逐年快速增長(cháng),如下圖所示。



據Allied Market Research(聯(lián)合市場(chǎng)調查)預測,全球3D打印市場(chǎng)份額從2014-2020年的年復增長(cháng)率將達20.6%,其中,電子光束溶解法將成為發(fā)展最快的技術(shù)領(lǐng)域,年復合增長(cháng)率有望達到接近30%。在打印材料方面,預計聚合物占3D打印市場(chǎng)的主要份額,金屬和合金將成為增長(cháng)最快的材料領(lǐng)域,預計在2014-2020期間,將以40.5%的年復增長(cháng)率增長(cháng)。

從前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的分析報告看,我國3D打印產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展期。2012年的市場(chǎng)規模不足10億元;而到2014年已超過(guò)40億元。雖然從數據上看來(lái),在全球市場(chǎng)中所占份額較小,但增長(cháng)速度遠高于全球平均水平,作為全球重要的制造基地,中國3D打印市場(chǎng)的潛在需求旺盛,有著(zhù)很大的提升空間,預計2018年中國3D打印市場(chǎng)規模將超過(guò)200億元。中國有潛力成為世界最大的3D打印市場(chǎng)。下圖為中國3D打印市場(chǎng)規模及增長(cháng)趨勢

數據來(lái)源:世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )

其中,2015-2016年中國3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中的材料、裝備、應用與服務(wù)比例分布為:

數據來(lái)源:《中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2017年)》

3D打印已經(jīng)顯示出了巨大的市場(chǎng)潛力,目前3D打印占全球制造業(yè)市場(chǎng)極為微小,其產(chǎn)業(yè)鏈從最初的原材料處理、設備制造直到最后的打印應用與服務(wù),即使只有一小部分消費品通過(guò)3D打印的方式來(lái)制造,這也將是一個(gè)巨大規模的市場(chǎng)。

此外,3D打印技術(shù)的發(fā)展能夠催生和培育3D打印設備與相關(guān)服務(wù)新產(chǎn)業(yè),包括零部件委托加工、專(zhuān)業(yè)設計分析、設計/控制軟件開(kāi)發(fā)等業(yè)務(wù),有助于帶動(dòng)金屬和功能材料制備、激光器/噴嘴等核心元部件研發(fā),能夠進(jìn)一步推進(jìn)網(wǎng)絡(luò )化協(xié)同制造、定制化制造、專(zhuān)業(yè)化制造和綠色制造,促進(jìn)高端裝備制造、生物制造等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此,發(fā)展3D打印是培育新興產(chǎn)業(yè)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級的重要途徑。反過(guò)來(lái),又將推動(dòng)和擴大3D打印產(chǎn)業(yè)規模。



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