【导读】本报告系中国技术交易所(CTEX)情报分析师2013年第8期—《揭秘3D打印(上)》。本报告回顾了3D打印引发的热议及思考;解释了3D打印技术的原理和分类;并对3D打印技术的优势和局限、发展和应用现状作了分析。

一、3D打印引发热议及思考

以下是3D打印相关的几条微博,能否引起你的兴趣?
@李开复:【专属机器人】法国的一名设计师开始一项计划,其内容为利用3D打印组装自己设计的机器人,现已成功打印出手臂的实物。全部完成后机器人还可以自动识别并回应语言命令。他的3D打印设计库是开源的哦,这样用户就能可以下载设计并制作自己的机器人。英文全文:http://t.cn/zYhx4uP
@新浪科技:【3D打印:只是看上去很美?】有用户在财经网站Seeking Alpha上表示,3D打印概念股股价的快速上涨让人想起上世纪90年代的互联网泡沫,当时暴涨的股票随后都崩盘了。由于天时地利,3D打印经历了迅速走红;但事实3D打印行业仍然很年轻。”http://t.cn/zY2xbL7
@黄粱—梦:【我国首家3D打印店落户北京 3D版人像神似克隆人】http://t.cn/zY2TDo7在去年11月中旬,日本东京原宿开设了全球首家3D相片打印商店,顾客可以在这里制作自己的3D肖像手办。而现在,我国国内也开设了一家类似的3D打印体验店,其就坐落于北京积水潭以北的北京工业设计创意产业基地。评:3D照片要出现了
@鲁君尚与全国3D大赛 : 1月18日上午,中共中央、国务院在人民大会堂隆重举行国家科学技术奖励大会,北航王华明教授主持的3D打印技术“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成型技术”项目获得国家技术发明一等奖!同日,3D打印概念股全线飘红、涨停引爆大盘!
@激光制造网:#推荐#【增材制造(3D打印)兼中航激光的商业前景分析】大洋彼岸美股中的两家3D打印概念股DDD和SSYS在过去的一年中持续飙升,一年内涨幅双双超过300%。A股中的3D打印龙头中航重机也借王华明教授获得国家科技发明一等奖之际,大幅飙升,八天六涨停,一个月股价翻番。http://t.cn/zY2mPRY
@王华明:【3D打印从快速成型到直接产品制造字号 】和讯网消息:2012年 12月9-10日,以“全球经济复苏与制造业转型”为主题的第六届亚洲制造业论坛年会在北京举行,制造业的专家、企业巨头共聚一堂,共商经济低迷时期的制造业发展趋势。在“3D打印技术产业专题”环节,北京航空航天大学教授王华明做了主题演讲。
@e行网 : 【全套3D打印白皮书资料下载】帮大家搞到了30套白皮书,支持一键下载,全方面介绍3D打印:http://t.cn/zR0UZ83来点儿新鲜出炉的干货!
@ 張知恥IPPlayer:【试论3D打印与技术交易结合的可能性】碰到两个问题:
一、传统开模成本(几万到数十万不等)是寻求天使投资的项目无法实体化(仅停留在3D展示)的主要原因,碳纤维或金属打印与其相比能便宜多少?数据有待采集;
二、#3D打印#与#技术交易#结合,在现有的技术展示中能发挥多大作用?
带着这些令人兴奋的热议和新鲜的思考,我们一起去揭开3D打印技术的面纱,看其中究竟蕴藏怎样的技术脉络。

二、什么是3D打印技术

(一)基本原理

3D打印技术又称“三维打印技术”(Three-dimensional Printing)[1]或“增材制造技术”(Additive Layer Manufacturing)。也有学者认为是“快速制造技术”。3D打印是将设计好的物体转化为三维设计图,采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来打印真实物体。之所以使用“打印”一词,其原理与传统打印机是相似的,都是通过电脑操作来完成。“增材制造技术”、“快速制造技术”的提法主要用在学术领域,外界普遍认可“3D打印”,这样比较浅显易懂。与“增材制造技术”相对应的便是传统的制造方法-“减材制造技术”。所谓“减材制造”,就是传统制造领域的通过锻造、铸造出坯,然后经过切削等机械加工,“减”去毛坯多余的材料(余量),最后得到设计希望的零部件形状以及尺寸要求。而“3D打印”或“增材制造”,是通过激光融化“耗材”,层层堆积起来,最后形成零部件的形状及尺寸要求。
图1 “增材制造”过程示意图[2]
图1形象的展示了“增量制造”创建实体物品的过程。在图中解释了 3D打印是通过层层打印制造物品。而传统制造业使用消减的过程,因此材料被切割、研磨、塑性,直至制造完成。

图2 3D打印技术原理框图
图2为3D打印技术的原理框图。按照处理流程,该技术的基本思路包括CAD模型建立、STL文件生成、分层切片以及快速堆积成型四个部分。其中,CAD模型的建立可以通过CAD造型系统进行计算机辅助设计或者三维数字化扫描仪两种途径实现。而后者实际上依托于另一个令人兴奋的热门技术-“机器视觉”技术[3]。

(二)技术分类

3D打印技术实际上是一系列快速原型成型(Rapid Prototyping)技术的统称,其基本原理都是叠层制造,由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状,而在Z坐标间断地作层面厚度的位移,最终形成三维制件。目前,3D打印技术的工艺方法已经有几十种,按成型工具的不同,可以分为两大类:基于激光技术——SLA立体平版印刷技术(Stereo lithography Apparatus 光固化成形),SLS选区激光烧结(Selective Laser Sintering),LOM分层实体制造(Laminated Object Manufacturing),DLP激光成型技术等;基于微滴技术——3DP 技术,FDM熔融层积成型技术(Fused Deposition Manufacturing),实体磨削固化SGC、多相喷射沉积MJD等)。
  •  SLA立体平版印刷技术[4]
SLA全称为Stereo lithography Apparatus(光固化成形)。采用激光选择性地将需要成型的液态光敏树脂发生聚合反应,进而变硬,进行造型。SLA分为两大类,一类以Objet为代表,采用从下至上打印;另一类则以Form Labs为代表,采用至上而下的打印。这种工艺方法适用于制造中小型工作,能直接得到塑料产品。
  • SLS选择性激光烧结技术[5]
SLS全称为Selective Laser Sintering(选择性激光烧结)。和SLA类似,SLS也采用激光。但和SLA不同的是,SLS采用的不是液态的光敏树脂,而是粉末。利用激光的能量让粉末产生高温并和相邻的粉末发生烧结反应从而连接在一起。SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛,如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂(覆膜砂)、聚碳酸脂(poly carbonates)、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构,因而无需考虑支撑系统(硬件和软件)。SLS主要应用于铸造业,并且可以用来直接制作快速模具。
  • LOM分层实体制造技术
LOM工艺由美国Helisys公司的Michael Feygin于1986年开发。该公司已推出LOM-1050和LOM-2030两种型号的设备。该工艺是将单面涂有热溶胶(在被加热状态下可产生粘性)的箔材(纸、陶瓷箔、金属箔等)通过热辊加热粘接在一起,位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据,用激光束将箔材切割成所制零件的内外轮廓,然后叠加新的一层箔材,通过热压装置和下面已切割层粘合在一起,激光束再次切割和粘合,直至整个零件模型制作完成。由于该技术多使用纸材,成本低廉,制件精度高,并且制造出来的木质原型 具有美感性,因而得到了迅速的发展。目前,从事LOM工艺研究的机构除了Helisys公司,还有日本Kira公司、瑞典Sparx公司、新加坡Kinergy公司、清华大学以及华中理工大学等。
图3 LOM3 LOM技术原理图
图4 LOM4 LOM工艺过程
  • DLP激光成型技术[6]
DLP技术和SLA技术比较相似,采用高分辨率数字光处理器(DLP)投影仪逐层固化液态光聚合物。由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化,因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高,在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。
  • 3DP技术[7]
3DP全称为Three Dimensional Printing(指的是狭义三维打印技术)。这种技术和平面打印非常相似,打印头和平面打印机基本一致。1989年,美国麻省理工学院的Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty等在美国申请了三维印刷技术的专利,之后Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty又多次对该技术进行完善,形成了今天的3DP工艺。3DP技术工艺与SLS工艺都是将粉末材料选择性地粘结成为一个整体。其最大的不同之处在于3DP工艺不用将粉末材料熔融,而是通过喷嘴本身会喷出粘合剂,将这些材料粘合在一起。
  • FDM熔融层积成型技术[7]
1993年美国Stratasys公司开发出了第一台基于熔融沉积造型的设备。将CAD模型分为一层层极薄的截面,生成控制FDM喷嘴移动轨迹的二维几何信息。FDM加热头把热熔性材料(ABS树脂、尼龙、蜡等)加热到临界状态,呈现半流体性质,在计算机控制下,沿CAD确定的二维几何信息运动轨迹,喷头将半流动状态的材料挤压出来,凝固形成轮廓形状的薄层。当一层完毕后,通过垂直升降系统降下新形成层,进行固化。这样层层堆积粘结,自下而上形成一个零件的三维实体。
图5 使用FDM工艺生成模型过程的示意图工艺生成模型过程的示意图
(1.融化的塑料从喷嘴融化的塑料从喷嘴喷出 2.原材料原材料 3.可移动的工作台可移动的工作台可移动的工作台)
随着3D打印技术的不断成熟发展,技术种类越来越多,对3D打印技术最重要的打印原材料也不断的丰富了起来。从树脂到塑料到陶瓷再到金属。而最近有消息称,3D打印的原材料已经可以扩展到金、银以及强度极高的钛,还有不锈钢等材料。表1给出了现有3D打印技术工艺的精度、材料等特性参数。

三、3D打印技术的优势和局限

 (一) 优势

  • 有时间优势,可缩短产品开发周期。
  • 个性化定制。
  • 修改成本小,不因物品复杂程度增加成本。
  • 原材料使用中,可减少废弃副产品。
  • 可无缝打印,连接功能更强大。
  • 设计空间优势,材料可无限组合。

(二)局限

  • 可打印材料有限,强度、刚度、机械加工性等尚不如传统加工方式。
  • 设备和某些材料的成本依然比较高。
  • 制造精度约在0.1mm左右,尚不能与传统超精度加工技术媲美[8]。
  • 设计制图门槛较高,目前较难向大众普及。

(三)真实的3D打印技术

结合3D打印技术的优点和局限,可以揭开3D打印技术的真实面纱,走出媒体和大众对3D打印技术认识的误区。
  • “3D打印要全面替代传统制造业,以后就不用工厂、不用车间、不用工人,不用出门,自己就能够在家打印想要的任何东西。”
  • “通过3D打印机可以打印自行车、飞机。”
  • “3D打印将使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具,改由更加灵巧的电脑软件主宰。”
…… 这是不少人的观点,也经常被一些媒体报道。
按照3D打印技术的原理,我们不可否认,3D打印真有那么“神”,的确可以打印出你设计出来的任何东西。但是,我们必须清楚地认识到打印出来的东西不一定是我们所需要的“东西”。一是材料还做不到,还没有办法为我们提供数目众多的,能够满足各种功能需求的材料,二是缺乏用于家庭的质量检测手段。而打印的飞机、自行车也仅仅只是一个模型,电子元器件和成千上万个零部件是根本不可能一下子打印出来的。无论打印的飞机、自行车,不可能直接就可以使用,还需要增添无数的零部件和功能件。
3D打印技术作为一项前沿性、先导性很强的技术,主要是满足个性化、定制化、复杂高难度产品的需求,并不具有批量化、规模化的优势。
在传统制造业领域,开模是一件非常令人头疼的事情,耗时长,难度大,成本高。3D打印技术首先在产品设计(模型设计)方面应用广泛,凡是能够设计出来的任何复杂的个性化产品,都能够通过3D打印技术把模型打印出来,甚至直接生产制造出产品。3D打印技术虽然能够打印出我们所需要的多种产品,但是从成本核算、材料约束、工艺水平等多方面因素综合比较来看,3D打印并不能够替代传统的生产方式。
3D打印的意义,核心体现在两个方面:一是传统生产方式不能生产制造的个性化、复杂高难度产品,通过3D打印技术都能够直接制造;二是虽然传统方式能够生产制造,但是投入成本太大,周期太长,通过3D打印技术可以实现快捷、方便、缩短周期、降低成本的目的。
可以看出,3D打印技术作为传统生产方式的一次重大变革,是传统生产方式有益的补充。

四、3D打印技术的发展和应用现状

(一) 3D打印技术在国外的发展历程

3D打印并非是新鲜的技术,这个思想起源于19世纪末的美国。尽管有关3D打印最早的实验可以追溯到20世纪60年代,但是直到20世纪80年代中期才研发出一系列现在被称为3D打印的技术,这批研发先驱包括查尔斯?赫尔(3DSystems公司的创始人)和斯科特?克伦普(Stratasys公司的创始人)。他们的实现原理是叠加式过程,通过层层叠加创造坚固的物品[2]。
自此之后3D打印技术开始不断发展进步,涌现出了越来多的同3D打印技术。
  • 1988 年,Scott Crump 发明了另外一种3D打印技术Fused Deposition Modeling,并成立公司Stratasys。这个技术的特点是它能利用腊、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体,具备性能优良的特点[9]。
  • 1989 年,C.R.Dechard发明Selective Laser Sintering,利用高强度激光将材料粉末烤结,直至成型。这种技术的特点在于选材范围广泛,比如尼龙、腊、ABS、金属和陶瓷粉末等都可以作为原材料[9]。
  • 1992 年,Helisys发明Laminated Object Manufacturing,利用薄片材料、激光、热熔胶来制作物体。然而该3D打印技术的原材料一直仅限于纸,性能低下。
  • 1993 年,麻省理工大学教授Emanual Sachs发明Three-Dimensional Printing技术(非泛指的 3D打印技术),利用金属、陶瓷等粉末,通过粘接剂黏在一起成型。这种技术的优点在于制作速度快,价格低廉,但成品的强度较低。1995 年,ZCorporation获得麻省理工大学的许可,利用该技术来生产3D打印机[9]。
  • 1996 年,3D Systems、Stratasys、Z Corporation 分别推出 Actua 2100、Genisys、Z402,第一次使用了“3D 打印机”的称谓[9]。
  • 2005 年,Z Corporation 发布Spectrum Z510,这是世界上第一台高精度彩色3D打印机。同一年,英国巴恩大学的Adrian Bowyer发起开源3D打印机项目RepRap,其目标是制造出“自我复制机”,通过 3D 打印机本身,能够制造出另一台3D打印机[9]。
  • 2008 年,第一版RepRap发布,代号“Darwin”,能够打印自身50% 的元件,体积仅一个箱子大小[9]。

        2012年1月3日,3D Systems 完成对 Z Corp 和 Vidar 的收购。

目前,已经在美国上市的本领域的企业主要包括:3D Systems、Stratasys和ExOne。

(二)3D打印技术在我国的发展现状

我国3D打印技术应用虽然起步较晚,但已经初见成效。目前,我国3D打印技术主要应用于产品设计、快速模具制造、铸造、医学等领域。在产品设计领域,3D打印技术使CAD产生的概念模型实物化;利用3D打印技术产生的实物模型做设计评价,可以将产品的设计缺陷消灭在设计阶段,最终提高产品的整体设计质量;此外,还可以利用3D打印模型做性能和功能测试,如机构运动分析、流动分析、应力分析、流体和空气动力学分析等。3D打印技术在快速模具制造领域的应用,可以分为直接和间接两大类:可以直接制造模具的快速成型工艺主要有SLS、LOM、FDM等;间接制造模具的方法主要是用快速成型模型作为母模,翻制快速经济模具,如硅橡胶模具、聚氨酯模具、金属喷涂模具、环氧树脂模具等。在铸造领域,3D打印技术在的应用主要包括直接浇注铸件、用原型翻制母模后再浇注铸件、选用适当的树脂制造原型等等。在医学领域,3D打印技术设计制造具有相当准确度和适配度的可植入的假体,能够提高美观度、缩短手术时间、减少术后并发症等。

                                            表2 国内3D打印技术的主要科研机构[9]
在众多3D打印技术的应用领域中,高性能金属零件激光直接制造技术被业内认为是3D打印技术里面难度最高的一项技术。以金属粉末为原料,通过激光逐层熔化沉积生长,直接从CAD模型一步完成高性能构件的“近终成形”,彻底改变了高性能难加工大型金属构件的传统制造模式,具有无需重型锻造工业装备及大型锻造模具制造、材料制备与零件近终成形一体化、材料利用率高、机械加工量小、数控加工时间短、生产成本低、制造周期短、柔性高效等独特优点,被誉为是一种“革命性”的短周期、低成本、“近终形”、数字化的先进制造技术,为钛合金等高性能难加工大型整体金属关键结构件的制造提供了一条新途径,在航空、航天、核电等重大装备研制与生产中具有广阔的应用前景,成为过去20多年来材料制备科学和先进制造技术学科领域国际前沿研究和竞争热点之一。中国3D打印技术产业联盟理事长、北京航空航天大学王华明教授在这方面历经多次失败之后,最终取得重大突破,并依靠此技术荣获2012国家技术发明一等奖。(未完待续)
参考文献:
1. 3D printing. From Wikipedia, 网址:http://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing
2. 3D Printing and the Future of Manufacturing
3. Machine vision – From Wikipedia,网址:http://en.wikipedia.org/wiki/Machine_vision
4. 立体平版印刷快速原型,百度百科,网址:http://baike.baidu.com/view/2067101.htm
5. SLS选择性激光烧结,百度百科,网址:http://baike.baidu.com/view/3478680.htm
6. DLP 激光成型技术,网址:http://www.3d-print.cn/dlptech
7. 快速成型,网址:http://zh.wikipedia.org/wiki/快速成型
8. Debasish Dutta, Fritz B Prinz, David Rosen. Layered Manufacturing: Current Status and Future Trends. 
Transaction of the ASME
9. 罗军.3D打印技术现状及发展趋势.http://www.zhizaoye.net/3D/lian/2012-12-25/20143_3.html
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本期情报分析师
李想  北京中天安泰信息科技有限公司知识产权部门负责人
李怀周  北京科龙寰宇知识产权代理有限公司专利代理部
Baggio  清华大学机械学院 助理研究员
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封面摄影  书柜的桃源 (作品名称:中关村的另一面系列——金秋)
编辑  Joyce (email:lzhang@ctex.cn)   木木 (email:qlzhang@ctex.cn)
本期特别支持机构  思博知识产权网(www.mysipo.com
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