3D打印增材制造技術(shù)及未來發(fā)展趨勢

1、增材制造發(fā)展現(xiàn)實狀況及未來趨勢3月第1頁目錄 Contents1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)實狀況及差距2未來主要發(fā)展趨勢3擬處理技術(shù)難題第2頁目錄 Contents1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)實狀況及差距2未來主要發(fā)展趨勢3擬處理技術(shù)難題第3頁增材制造（additive manufactering，）技術(shù)(也稱為3d打印技術(shù))是20世紀80年代后期發(fā)展起來新型制造技術(shù)。1.1 國外發(fā)展現(xiàn)實狀況當前，增材制造成形材料包含了金屬、非金屬、復合材料、生物材料甚至是生命材料，成形工藝能量源包含激光、電子束、特殊波長光源、電弧以及以上能量源組合，成形尺寸從微納米元器件到10以上大型航空結(jié)構(gòu)件，為當代制造業(yè)發(fā)展以及傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級

2、提供了巨大契機。第4頁20，全球增材制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值到達 97.95億美元，較年增加24.59 億美元，同比增加 33.5%。全球工業(yè)級增材制造裝備銷量近20000臺，同比增加17.8。歐盟 “地平線2020”：計劃7年內(nèi)（2014-2020）投資800億歐元，其中選擇10個增材制造項目，總投資2300萬歐元。2019 年，德國國家工業(yè)戰(zhàn)略2030草案中，將增材制造列為十個工業(yè)領(lǐng)域 “關(guān)鍵工業(yè)部門”之一。2014 年日本公布日本制造業(yè)白皮書中，將機器人、下一代清潔能源汽車、再生醫(yī)療以及3D打印技術(shù)作為重點發(fā)展領(lǐng)域。，日本將3D打印器官模型費用納入保險支付范圍。1.1 國外發(fā)展現(xiàn)實狀況第5頁以美國G

3、E企業(yè)（通用電氣企業(yè)）為代表航空應(yīng)用企業(yè)開始采取增材制造技術(shù)批量化生產(chǎn)飛機發(fā)動機配件，嘗試整機制造，并計劃啟用一萬臺金屬打印機，顯示了增材制造技術(shù)顛覆性意義。1.1 國外發(fā)展現(xiàn)實狀況GE新3D打印技術(shù)中心金屬3D打印飛機部件第6頁生物材料3D打印技術(shù)發(fā)展更與醫(yī)療領(lǐng)域親密相關(guān)。在悉尼Prince of Wales醫(yī)院神經(jīng)外科醫(yī)生們成功將一位癌癥病人頸部被癌細胞占據(jù)兩節(jié)頸椎取下，代之以3D打印人工骨，屬世界首次。經(jīng)過3D打印技術(shù)來修復骨骼、關(guān)節(jié)、器官前景已經(jīng)不再遙遠。1.1 國外發(fā)展現(xiàn)實狀況3D打印人體器官概念圖3D打印心臟模型第7頁總來說，經(jīng)過近年發(fā)展，增材制造技術(shù)面向航空航天、軌道交通、新能源

4、、新材料、醫(yī)療儀器等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)展示了重大價值和遼闊應(yīng)用前景，是先進制造主要發(fā)展方向，是智能制造不可分割主要組成部分。增材制造技術(shù)是滿足國家重大需求、支撐國民經(jīng)濟發(fā)展“國之重器”，已成為世界先進制造領(lǐng)域發(fā)展最快、技術(shù)研究最活躍、關(guān)注度最高學科方向之一。1.1 國外發(fā)展現(xiàn)實狀況第8頁在我國，增材制造在相關(guān)國家科技計劃連續(xù)支持下，已為航空航天、動力能源領(lǐng)域高端裝備飛躍發(fā)展和品質(zhì)提升作出了主要貢獻。當前我國已初步建立了涵蓋3D 打印金屬材料、工藝、裝備技術(shù)到重大工程型號應(yīng)用全鏈條增材制造技術(shù)創(chuàng)新體系，整體技術(shù)到達國際先進水平，并在部分領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平。1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)實狀況第9頁我國增

5、材制造產(chǎn)業(yè)仍處于快速發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步增加。，中國增材制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約為130億元，相較于 年100 億元，同比增加30。依據(jù)中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟對40家重點聯(lián)絡(luò)企業(yè)統(tǒng)計結(jié)果顯示， 年，這些企業(yè)總產(chǎn)值達40.63 億元，比 年32.83億元增加7.8億元，同比增加23.8。，中國增材制造裝備保有量占全球裝備保有量10.6，僅次于美國（35.3），位居全球第二。1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)實狀況第10頁增材制造技術(shù)應(yīng)用已從簡單概念模型、功效型原型制作向功效部件直接制造方向發(fā)展，各領(lǐng)域應(yīng)用連續(xù)拓展，尤其在航空、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用更為深入。發(fā)射嫦娥四號中繼衛(wèi)星搭載了多個采取增材制造技術(shù)研制復雜形狀鋁合金結(jié)

6、構(gòu)件。1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)實狀況第11頁1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)實狀況激光熔覆沉積技術(shù)第12頁在醫(yī)療領(lǐng)域，當前已經(jīng)有5個3D 打印醫(yī)療器械取得中國食品藥品監(jiān)督管理總局（CFDA） 同意上市，尤其是 年初，第二類醫(yī)療器械定制式增材制造膝關(guān)節(jié)矯形器獲批上市，標志著CFDA 認證增材制造醫(yī)療器械正從標準化走向個性化。在消費領(lǐng)域，先臨三維科技股份有限企業(yè)量產(chǎn)3D 打印鞋數(shù)量已超出一萬雙，顯示了3D打印技術(shù)在制鞋行業(yè)中應(yīng)用前景。1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)實狀況第13頁與歐洲、美國、日本等發(fā)達地域和國家相比，我國在基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵工藝技術(shù)以及高端裝備等方面仍存在較大差距。在高端增材制造裝備商業(yè)化銷售市場，美國和德國還占據(jù)著

7、絕對優(yōu)勢；我國高端增材制造裝備關(guān)鍵元器件和商用軟件還依賴進口；系統(tǒng)級創(chuàng)新設(shè)計引領(lǐng)規(guī)?；I(yè)應(yīng)用還主要在美歐國家。歐美日等發(fā)達地域和國家借助資金、人才、技術(shù)和市場優(yōu)勢，在增材制造與激光制造基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵器件、工藝和裝備、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等方面均處于領(lǐng)跑水平。1.3 國內(nèi)外差距第14頁目錄 Contents1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)實狀況及差距2未來主要發(fā)展趨勢3擬處理技術(shù)難題第15頁近年來，我國相繼公布中國制造2025國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃(2015)，以及年增材制造重點專題，為我國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了方向。2 未來主要發(fā)展趨勢第16頁（1）研發(fā)生產(chǎn)增材制造專用材料依靠高校、科研機構(gòu)開展增材制造專用材料特征

8、研究與設(shè)計，勉勵優(yōu)勢材料生產(chǎn)企業(yè)從事增材制造專用材料研發(fā)和生產(chǎn)，突破一批增材制造專用材料。針對金屬增材制造專用材料，優(yōu)化粉末大小、形狀和化學性質(zhì)等材料特征，開發(fā)滿足增材制造發(fā)展需要金屬材料。針對非金屬增材制造專用材料，提升現(xiàn)有材料在耐高溫、高強度等方面性能，降低材料成本。2 未來主要發(fā)展趨勢第17頁（2）提升增材制造工藝技術(shù)開發(fā)數(shù)字模型、專用工藝軟件及控制軟件，支持企業(yè)研發(fā)增材制造所需建模、設(shè)計、仿真等軟件工具，在三維圖像掃描、計算機輔助設(shè)計等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。處理金屬構(gòu)件成形中高效、熱應(yīng)力控制及變形開裂預防、組織性能調(diào)控，以及非金屬材料成形技術(shù)中溫度場控制、變形控制、材料組份控制等工藝難題。2

9、未來主要發(fā)展趨勢第18頁（3）研制增材制造裝備及關(guān)鍵器件依靠優(yōu)勢企業(yè)，加強增材制造專用材料、工藝技術(shù)與裝備結(jié)合，研制推廣使用一批含有自主知識產(chǎn)權(quán)增材制造裝備，不停提升金屬材料增材制造裝備效率、精度、可靠性，以及非金屬材料增材制造裝備高工況溫度和工藝穩(wěn)定性。（4）建立和完善產(chǎn)業(yè)標準體系研究制訂增材制造工藝、裝備、材料、數(shù)據(jù)接口、產(chǎn)品質(zhì)量控制與性能評價等行業(yè)及國家標準，開展質(zhì)量技術(shù)評價和第三方檢測認證，促進增材制造技術(shù)推廣應(yīng)用。2 未來主要發(fā)展趨勢第19頁（5）應(yīng)用示范成熟技術(shù)產(chǎn)品依靠國家重大工程建設(shè)，著重處理金屬材料增材制造在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用問題，在具備條件情況下，在國防軍工其它領(lǐng)域給予擴展。在

10、技術(shù)相對成熟產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)領(lǐng)域，發(fā)展增材制造服務(wù)中心和展示中心，經(jīng)過為用戶提供快速原型和模具開發(fā)等方式，促進增材制造推廣應(yīng)用。2 未來主要發(fā)展趨勢第20頁目錄 Contents1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)實狀況及差距2未來主要發(fā)展趨勢3擬處理技術(shù)難題第21頁（1）原材料制備技術(shù)現(xiàn)階段，除了SLA工藝所用原材料為液態(tài)光敏樹脂，其余工藝大都采取絲材和粉末材料，尤以粉末材料居多。慣用光敏樹脂主要成份為丙烯酸樹脂，光敏樹脂黏度略高，一次固化程度不足，還有一定毒害性，這些都是需要改進地方。在粉末材料方面，顆粒形狀和粒度分布都有嚴格要求，金屬粉末成份中含氧量和含碳量也會對成形件性能產(chǎn)生很大影響。3 擬處理技術(shù)難題第22頁

11、（2）材料成形控制技術(shù)金屬材料成形是一個快速熔化和凝固過程，過程中熔區(qū)溫度梯度很大，已成形部分存在較大熱應(yīng)力，隨時可能出現(xiàn)孔洞、縫隙和開裂現(xiàn)象。所以，怎樣控制成形過程中溫度分布是金屬材料增材制造一大關(guān)鍵技術(shù)。3 擬處理技術(shù)難題市面上主流增材制造成型技術(shù)第23頁（3）高效制造技術(shù)要做到成形件大尺寸和高精度二者兼得并非輕易。當前，市場上鋪粉設(shè)備工作平臺普通都不大，主要原因在于光束經(jīng)過振鏡后只能準確控制在一定區(qū)域內(nèi)形成能量密度均勻分布光斑，所以怎樣提升光學部件精度或?qū)崿F(xiàn)多光束同時控制是一個發(fā)展方向。另外，增材制造與普通涂層技術(shù)有所區(qū)分，它是在涂層上面再添加涂層，可稱之為“再涂層技術(shù)”。每一層厚度、平

12、整度以及層與層間結(jié)合程度都直接影響成形件穩(wěn)定性和精度，這些都需要經(jīng)過調(diào)整設(shè)備和工藝參數(shù)來完善。3 擬處理技術(shù)難題第24頁（4）支撐技術(shù)因為重力場存在，一些形狀復雜成形件需要支撐結(jié)構(gòu)，支撐部分在后期處理中需要去除，所以怎樣設(shè)計是一門學問。通常是在確保成形件制造過程中不失效前提下，采取支撐材料越少越好，比如設(shè)計成多孔結(jié)構(gòu)。在金屬材料增材制造技術(shù)中，支撐部分還會影響到整個部件內(nèi)應(yīng)力分布，設(shè)計不妥可能會發(fā)生成形件翹曲變形現(xiàn)象。3 擬處理技術(shù)難題第25頁（5）軟件編程技術(shù)個性化定制是增材制造技術(shù)一大特點，但要用到工業(yè)生產(chǎn)，依然需要考慮生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定性。在前已述及硬件條件外，另一關(guān)鍵技術(shù)就是軟件編程。國外一些設(shè)備都會附有部分材料工藝參數(shù)包，基本不需要任何編程，能夠確保成形過程穩(wěn)定性，國內(nèi)設(shè)備在這方面還有待提升。其它研究工作主要是怎樣依靠軟件技術(shù)來實現(xiàn)任意結(jié)構(gòu)任意材料預成形模擬，從而提升關(guān)鍵零部件制造成功率。3 擬處理技術(shù)難題第26頁當前在這些關(guān)鍵技術(shù)中，主要還存在以下技術(shù)瓶頸有待處理和突破。成形材料主要依賴設(shè)備制造廠供給，適用成形材料范圍有限，受制于設(shè)備廠商，難以滿足市場需求。成形