3D打印行业研究报告

3D打印行业研究报告（胡彬2013-8-11）一、何谓3D打印3D打印机，英文“3D Printers”，3D 打印这个名称是近年来该产品针对民用市场而出现的一个新词，是通俗叫法，其实在专业领域它有其它学术名称“快速成形技术”(及“快速原型制造技术”、“增量制造技术”、“增材制造技术”)。快速成形技术(又称快速原型制造技术 Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状，根据零件或物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。RPM 技术是在现代CAD/CAM 技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是分层制造，逐层叠加，这种工艺可以形象地叫做增长法或加法。形象地讲，快速成形系统就像是一台立体打印机，因此得名“3D打印机”。3D打印机的原理：3D 打印机可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。每个截面数据相当于医学上的一CT 像片；整个制造过程可以比喻为一个积分的过程。当然，整个过程是在电脑的控制下，由3D打印机系统自动完成的。二、3D打印的发展历程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，也是现在的3D市场领军者之一3D Systems 公司（NYSE: DDD），同年发布了【第一款商用3D打印机】，20XX1月，他们收购了另外两家3D打印公司Zcorp和Vidar Systems；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打印上市公司斯川塔斯Stratasys（NASDAQ:SSYS），该公司在1992年卖出了第一台商用3D打印机。20XX4月，Stratasys还收购了以色列的Objet公司，从而成为【全球最大】3D打印机制造商。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，形成了今天的三维印刷快速成型工艺。1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。1995年，美国ZCorp公司（后被3Dsystems收购）从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。1996年，媒体第一次使用【3D打印】这个词来称呼当时的快速成型机，后来取代了之前的称谓，成就了现在流行的3D打印这个概念；20XX，市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。20XX，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Connex 500，让【多材料】3D打印成为可能。20XX11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。20XX6月6日，发布了全球第一款3D打印的比基尼。7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。20XX11月，格兰科学家利用人体细胞首次打印出人造肝脏组织。目前，美国拥有世界上的打印设备，而中国所占的比例只有，有着很大的提升空间。3D打印技术在美国已经产业化，目前全球有两家3D打印机制造巨头，分别Stratasys和3D Systems，均在美国纳斯达克上市，20XX营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元。目前国外3D打印机制造商主要有：商用3D打印机主要制造商包括Stratasys，Objet Geometries,Z Corporation， 3DSystems等。家用3D打印机主要制造商有Reprap，Makerbot Industries，Ultimaker，Botmill，FabHome等。三、3D打印为什么近两年突然热起来20XX3月19日，美国总统奥巴马在卡基梅隆大学宣布创立美国“制造创新国家网络”计划。由政府主导、联邦政府和工业部门共同斥资10亿美元逐步建立15个“制造创新中心”，组成创新网络。20XX4月21日，英国经济学人刊文第三次工业革命，认为3D打印技术将与其他数字化生产模式一起，推动第三次工业革命的实现。20XX8月16日，美国“国家增材制造创新中心”作为其首个“样板示”创新中心剪彩成立。作为新技术研究、开发、示、转移和推广的基础平台，号称要成为增材制造技术全球卓越中心并提升美国制造全球竞争力。至此，3D打印作为媒体和资本的新宠，风风火火地从幕后走向台前，发展如火如荼。从飞机、汽车、枪支、巧克力、比基尼到星球再造式的沙漠打印，让越来越多的人了解到3D打印技术，开始憧憬着未来革命性的技术将对这个世界带来的影响。四、3D打印国外现状1、3D打印国外现状除了上面已提到的国外的企业/高校及产品，下面再列举一些比较知名的：1996 年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation公司分别推出 Actua 2100、Genisys、Z402产品，第一次使用了“3D 打印机”的称谓。2005 年，Z Croporation 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。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。1）、国外知名3D打印企业及机构产品介绍德国EOS公司的金属粉末烧结机-EOSEOSINT M270金属激光烧结系统，该设备采用EOS公司研发的DMLS技术（Direct Metal Laser-Sintering）进行金属件制作。EOSINT M270激光烧结系统采用的是Yb-fibre激光发射器，具有高效能、长寿命等特点。精准的光学系统能够保证模型的表面光滑度和准确度。氮气发生装置以及空压系统则使设备的使用更加安全。技术参数：最大成型尺寸 250mm250mm215mm；建造速度 2-30mm3/秒；层厚 20-100微米；激光发射器类型 Yb-fibre激光发射器 200W；光学系统 F-theta-lens；扫描速度最高速度为7m/秒；支撑结构无；电源 220V，32A或380V，16A；最大功率 5500W；氮发生装置标准；压缩空气支持 7bar，20m3/小时；产品尺寸2000mm1050mm1940mm；建议安装空间 3500mm3600mm2500mm；重量 1130kg；数据处理PC Windows操作系统；软件 EOS RP Tools.Magics RP（Materialise）；CAD接口 STL或其他可转换的格式；网络以太网；产品认证 CE，NFPA；可使用材料 不锈钢材料 钴铬钼合金MP1 钴铬钼合金SP1 马氏体钢 钛合金 纯钛 超级合金IN718 铝合金。美国3D SYSTEMS公司这款sPro 250 SLM商用型金属3D打印机为目前比较先进的制造系统，能够提供长达为320毫米（12.6英寸）的高工艺金属零件，具有出色的表面光洁度、精细的功能性细节与严格的公差。可以选择广泛围的金属合金使用，包括铝和钛。sPro 250 SLM商用型金属3D打印机的应用领域包括产品质量原型的功能测试，具有有机或高度复杂的几何形状。快速小批量制造金属部件的其他应用例包括：定制医疗植入物、轻量级航空航天和赛车部件、高效散热片、带有随形冷却管道的注塑模具镶件，以及牙帽、牙冠和牙桥。SLM工艺使用高功率激光逐层熔化直接来自CAD数据的金属细粉末，以创建功能性金属部件。每一层操作完后重新喷粉机系统将堆积厚度围从20到100微米的一个新粉末层。SLM系统采用市售的气体雾化金属粉末产生完全致密的金属零件，包括不锈钢、钛、钴铬合金及工具钢的材料。这些系统在设计伊始均考虑到工具库或工人的需求，带有一个简单的触摸屏用户界面，便于管理粉末处理系统，结构坚固。只需选择满足客户特定应用需求的一种围护结构与材料。3D打印技术在美国已经产业化，目前有两家3D打印机制造巨头，分别是Stratasys（开发制订行业标准技术之一FDM）和3D Systems(3D打印技术的创始者)，均在美国纳斯达克上市，20XX营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元。20XX3D打印市场规模17.1亿美元。不过，这一数字仅占全球制造市场的0.02%。以色列objet公司Objet是快速成型和快速制造的光固化技术先锋，开发者，生产商及高精度，高分辨率三维打印方案的全球市场推广者。Objet系统都是基于经过市场证明的自身专利技术的光敏树脂喷射技术，使得极为复杂的三维部件都可以以高品质，高精度和高速度打印出来。Polyjet的打印头类似于行式打印机，沿着X轴前后滑动，在成型室里铺上一层超薄的光敏树脂。每铺完一层后，喷头架边上的紫外光球立即发射紫外光，快速固化和硬化每层光敏树脂。这一步骤减少了使用其他技术所需的后处理过程。每打印完一层，机器部的成型底盘就会极为精确地下沉，而喷头继续一层一层地工作，直到原型件完成。精密的工具软件保证了所有的喷头能协调运作，能同步地往底盘上喷射等量的材料。这就产生了特别平坦和光滑的表面。成型时使用了两种不同的光敏树脂材料：一种是用来成型实体部件的成型材料，另一种类胶体的用来支撑部件的支撑材料。支撑结构的骨架先提前预排好程序用来配合复杂的成型件（如空腔，悬垂，底切，薄壁的截面）。成型完成后，只用一个水喷头就可以轻易地移除支撑材料，留下光滑的表面。南非科工研究理事会国家激光中心该中心研究人员在激光添加制造技术（Additive Manufacturing），一种最新的快速成型制造技术上取得突破。该项技术的概念试验论证显示，其生产速度是现有的可商业化的选择性激光烧结技术的8.3倍。目前，利用该技术可以生产不超过500毫米的小尺寸部件，而当日揭牌的Aeroswift项目将致力于制造2mx0.5m 的大尺寸部件。这将有助于南非航空制造公司Aerosud在三年跻身世界航空结构件制造的先进行列。南非科工研究理事会与Aerosud公司共同承担了南非科技部资助的Aeroswift项目，旨在开发制造速度快批量大的激光添加快速成型技术，为全球航天业制造金属钛部件。Aeroswift项目的关键是5千瓦IPG单光纤激光二极管发生器，它是激光添加制造技术的核心。国家激光中心希望在20XX底、20XX初完成该项技术设备的安装与测试工作，之后将其拆分，运至Centurion的航天谷，在那里重新组装并投入生产。南非Aerosud公司总经理在谈到其发展目标时表示，20XX该技术将在试验厂投入使用，然后再用一至两年时间进行实际开发并获得生产资质，2015年实现与全球航空公司合作，为其提供小批量、高附加值、复杂的钛金属部件。2）、国外3D打印案例20XX3月，一位名为恩里科迪尼（Enrico Dini）的发明家设计出了一种神奇的3D打印机，它甚至可以“打印”出一幢完整的建筑。据恩里科迪尼介绍，这种打印机的原料主要是沙子。当打印机开始工作时，它的上千个喷嘴中会同时喷出沙子和一种镁基胶。这种特制的胶水会将沙子粘成像岩石一样坚固的固体，并形成特定的形状，然后只需要按照预先设定的形状一层层喷上这种材料，最终就可以“打印”一个完整的雕塑或者教堂建筑。美国南加州大学Behrokh Khoshnevis教授预计，截至2050年，使用石灰、水泥为耗材的“3D打印房子”将实现，20小时就能打印出一套房子，住510年都没有问题。意大利设计师Marco Giubelli使用三维打印机，帮助客户打印出了一个90米长大坝的3D模型，展示大坝建成后的样子。20XX，世界上首款应用3D打印技术的汽车“Urbee”在经过15年的艰苦研制后在加拿大亮相，这辆名为“Urbee”的汽车包括玻璃嵌板在的所有外部组件都是通过大型3D打印设备生产。20XX8月，世界上第一辆3D打印赛车“阿里翁”，在德国霍根海姆赛道完成测试，最高时速达141公里。从设计到打印，“阿里翁”车身的出炉仅用时3周，所使用的3D打印机，能打印最大尺寸达到2106880厘米的零部件。威斯康星州工程师、业余枪械师迈克尔格斯林克(Michael Guslick)日前使用Stratasys 3D打印机以及从网络上下载的设计图，成功打印出了AR-15步枪的下机匣，并把它变成了一支枪。迈克尔不是使用打印机来打印整只枪，步枪的其他部分，则是利用标准部件组装而成。迈克尔提供了一个早期步枪模型的图片，展示了一个打印的热塑下机匣，以及购买的金属上枪匣、枪管、枪柄和弹盒等。当然，迈克尔也没有制作弹药。但随着低端打印机可以打印金属和瓷材料，可能有一天，人们可以打印出一把完整的枪。一款枪械的设计蓝图，发布在网络上供人任意下载，你使用家庭自备的机器就可以把枪的所有零件制造出来这是20XX8月在网络上发起的“维基武器”项目，发起者希望把制枪变成一种家庭作坊式的工作，而这一切都赖以一项名为“3D打印”的技术。首款“3D打印小飞机”SULSA已于20XX在英国成功试飞。据悉，这架由英国南安普敦大学工程师制造的世界上第一架“3D打印”小型无人驾驶飞机，包括2米长的机翼、整体控制面和舱门均是打印而成，可以在几分钟不使用任何工具就组装完毕。美国福布斯杂志报道称，空客公司的机舱设计师近日宣称将从打印飞机的小部件开始，最终在2050年左右用3D打印机打印出整架飞机。今年年底A380客舱将首次使用3D打印机生产的行架；预计2050年左右，空客将利用3D打印机造出整架飞机的所有零件。据称，其打印机的体型可与飞机库大小比肩，打印技术制造的飞机重量将比传统型减轻65%。几乎在同时，波音公司也宣告未来有能力利用3D打印技术，不使用任何金属即可打造一块完整的飞机机翼。医疗行业也已利用3D打印机进行手术用骨骼部件的打印。据英国广播公司（BBC）20XX2月6日报道，20XX6月，荷兰一位颚骨感染的83岁老人成功安装3D打印机使用MRI数据打印的定制下巴植入物。比利时哈塞尔特大学宣布，比利时和荷兰的科学家利用三维（3D）打印技术制成了首个完整的钛基下颚，并成功将其移植给了一位83岁的老妇，这表明精准的3D打印技术可用于人体骨骼和器官的移植。科研人员通过核磁共振成像（MRI）获取了病患下颚的准确形状，并利用激光烧结3D打印机融化钛微粒，使其一层层融合，直至重塑出病患下颚的模型，却无需使用任何黏合剂。这种名为“附加生产”的技术利用高精度激光束，连续熔化很薄的钛金属粉末来制造器官。每层钛粉末都与上一层的截面黏合。1毫米厚度需要熔化33层钛金属粉末，而制造整个下颚则需要熔化数千层钛粉末。其外面也覆盖了与生物相容的瓷层，以便它附着于患者的面部。与传统的制造方法相比，3D打印技术使用的材料更少，生产时间也更短。此前最大规模的3D打印移植是20XX于芬兰实施的半个上颌骨移植，科学家通过将3D打印的钛微粒融入干细胞中，并植入病患的腹部才培养出了与生物兼容的组织。比利时3D打印公司Layerwise的总经理彼得莫瑟里斯也表示，这仅仅是个开始，“附加生产”技术可使LayerWise生产出更复杂的、符合病人需求的器官或移植物，在未来应用于更广围的移植手术，而不仅限于人类骨骼结构的移植。德国夫琅禾费界面工程与生物工程研究所研究人员说，他们正在开发用立体打印机打印血管的新技术。利用3D打印和多光子聚合技术成功“打印”出了人造血管。3D打印版的假肢已帮助3万名病人正常行走，1000万人正使用3D打印技术扫描患者耳朵轮廓后量身定做的助听器，牙医业扫描病患的每颗牙齿并使用3D打印机制造透明的隐性矫治牙箍。实际应用中，3D打印机的耗材还并不是很丰富，但应用骨粉、细胞介质和生物墨水作为耗材的3D打印技术也已被研发出来，然而距离大规模的生产还有待时日。但这些耗材竟然可以“打印”出人体的骨骼、器官甚至是鲜肉，真真让人惊叹。“骨骼打印机”产生的人造骨骼，除了精确仿真破损的骨骼区块，植入人体以后还能帮助受损的骨骼修补愈合，甚至能促使血管再生，作用类似桥梁。3D打印做成的鲜肉特别有弹性，而且烹饪后肉质松散有嚼头，丝毫不逊于真正的肉，就连肉里的微细血管都能打印出来。人们吃到“3D肉”的日子不会太远，因为美国泰尔基金会近日已投资成立了“鲜肉3D打印技术公司”，希望能够为大众提供安全放心的猪肉产品。今年7月，英国每日邮报报道称，美国宾夕法尼亚大学宣布用改进的3D打印技术打印出了鲜肉，这种利用糖、蛋白质、脂肪、肌肉细胞等原材料打印出的肉具有和真正的肉类相似的口感和纹理，就连肉里的微细血管都能打印出来。英国研究人员也研制出一种能打印塑料或金属材质物体的立体打印机。这种打印机可以安装在商店里，让顾客打印自己设计的首饰甚至衣服和鞋子。法国学生卢克富萨罗日前设计了一款高科技跑鞋。这款名为“为冠军设计”的跑鞋通过“附加制造技术”打造而成，材料主要是尼龙聚酰胺，重量只有96克，堪称全世界最轻的跑鞋。附加制造技术又称“3D立体打印技术”或者“激光快速成型技术”。荷兰时尚设计师IrisvanHerpen发布了他用3D打印机制作的锦纶立体服装。美国康奈尔大学研究人员研制出一种食物打印机，使用奶酪、巧克力、蛋糕糊等特殊“墨水”。可以制作出饼干、苹果派等多种食物。德国小提琴制作公司用3D打印技术制作出了一把斯特拉迪瓦里小提琴的复制品。纽约一家利用3D技术生产消费品的公司Quirky拥有20万的注册用户，他们在线搜集用户的创意，产品设计图纸，用3D打印机以最快的速度成型，设计者常从一个创意就获得不少的收入，有的用户一年能赚几万美元。美国加利福尼亚州的Legacy Effect公司，利用Objet 3D打印机为电影特效片段制造3D模型和原型，为演员量身定制可以完全适合演员的脸、颈部和头部的道具，在电影侏罗纪公园、阿凡达、钢铁侠以及复仇者联盟中都有应用。日本一家公司推出了面向个人的“Baby复原服务”，只需提供婴儿在母亲肚子里的X光照片，他们便可以复原成三维图像后，打印出一个肚子里的婴儿模型作为纪念。2、3D打印国现状中国从1994年开始研究3D打印，隆源公司于1995年成功研发了一台AFS激光快速成型机，随后华中科技大学也研制出了SLS快速成型机。中国3D打印技术产业联盟由亚洲制造业协会联合华中科技大学、航空航天大学、清华大学等权威科研机构和3D行业领先企业共同发起的中国3D打印技术产业联盟正式宣告成立：20XX10月15日下午，由亚洲制造业协会组织召开的中国3D打印技术研讨会在国际饭店举行，与会专家学者和企业家分别就“3D打印技术的现状与前景展望”、“3D打印技术与传统制造业结合”，“我国3D打印技术与国际差距”，“3D打印技术的技术障碍和应用”等议题展开深入研讨。在研讨会上，通过了中国3D打印技术产业联盟章程，选举产生了组织机构，航空航天大学材料学院王华明教授被推举为首任理事长，华中科技大学史玉升教授被推举为第一副理事长，亚洲制造业协会CEO罗军，华曙高科总裁许小曙，紫金立德电子总裁连宁被推举为副理事长，清华大学颜永年教授被推举为首席顾问，滨湖机电科技公司、中航激光公司、飞而康快速制造公司，铭展网络公司、XX永年先进制造公司、以色列objet公司被推举为创始会员。与会专家一致认为，3D打印技术作为制造业领域的一次重大技术革命，已经广泛应用到航空航天等军事领域和大型复杂构件的一次成型制造，是传统制造技术与新材料的完美结合。当前，我国在3D打印技术的核心领域已经与美国3D公司，以色列objet公司等国际巨头基本处于同一水平。但是，在材料和软件开发，装备等方面，还有一定的差距。据了解，国快速成型系统的科研团队主要包括清华大学颜永年团队、华中科技大学史玉升研究团队、交通大学卢秉恒团队，及航空航天大学王华明团队等。航空航天大学航空航天大学材料学院王华明教授是国激光成型技术的领军人物。王华明教授：航空材料与结构研究部“首席科学家”，国激光制造的学术带头人，“北航团队”领头人，在钛合金结构激光快速成型工艺、成套工艺装备及工程化的研究方面有十多年的研究经验。从媒体报道及学术文章看，王教授提出“激光熔覆多元多相过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层材料”研究新领域，研制出迄今世界最大、拥有核心关键技术的飞机大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形工程化成套装备，制造出中国最大的大型整体钛合金飞机主承力结构件，并通过装机评审。我国成为目前世界上唯一掌握飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家。王教授论文主要集中在激光加工航空部件领域，研究主要集中在工艺和材料上（目前研究方向为“定向生长柱晶钛合金激光区域约束熔铸冶金材料制备与发动机叶片等复杂零件激光直接成型新技术”等。但由于技术的相通性，其成果也可以应用于其它大型金属结构件）。在该领域的研究领先全球，具备产业化基础。北航与飞601所研制出全世界最大的激光成型钛合金主承力结构件：在解决激光成形过程中零件严重“变形开裂”和部缺陷和部组织”控制等长期制约该技术发展的重大“瓶颈难题”上,除航空航天大学取得了可喜突破外,国外迄今一直未能取得实质性进展,致使目前大型金属构件激光快速成形技术研究在国际上落入“低潮”,国际上大部分从事激光快速成形技术研究的单位大多转向零件“激光修复”领域。南风股份20XX8月25日，南风股份公告决定投资“重型金属构件电熔精密成型技术产业化项目”。 据披露，这种技术广义的说法就是国际上流行的3D打印技术，以金属粉末、丝材为原料，通过高能束熔化沉积“直接生长”，从CAD模型完成高性能重大型金属构件成型。项目总投资为1.7亿元，容包括重型金属构件电熔精密成型技术的研发、工程化装备的研制以及产业化的实施，应用前景在核电、火电、水电、冶金、化工、船舶等行业高端重型装备制造等领域。所需资金由控股51%的子公司南方风机研究所自筹。而南方风机研究所的二股东、持股31%的王华明可谓该3D打印领域国最权威的专家之一，王华明现任航空航天大学材料科学与工程学院教授、博士生导师、“市大型关键金属构件激光直接制造工程技术研究中心”主任、“大型整体金属构件激光直接制造教育部工程研究中心”主任。银邦股份银邦股份亦是同样在借力的淘金者。20XX8月15日，银邦股份与安迪利捷贸易签订框架协议，合资成立飞而康快速制造科技XX公司，新公司主营业务暂定为高密度、高精度粉末冶金零件、各类新材料与复杂部件的研发、生产、销售。其中主营业务中有部分产品涉及激光快速成型技术，该技术是金属3D打印技术中的一种。将利用3D打印技术之一的激光快速成型技术，生产高密度、高精度粉末冶金零件以及医疗器械零部件等产品。资料显示，银邦股份的合作伙伴安迪利捷贸易的实际控制人为吴鑫华，现任英国伯明翰大学多学科研究中心教授、先进材料设计和加工研究室主任以及英国材料协会院士。华中科技大学1990年，华科王运赣教授在美国参观访问时接触到了刚问世不久的快速成型机。最初，王运赣教授想从最早出现的基于光敏树脂原料的光固化立体成型技术做起。然而，液态光敏树脂材料价格太高，华中科技大学的快速制造中心，转攻以纸为原料的分层实体制造技术(LOM)。1991年，华中科技大学(当时的华中理工大学)在时任校长、已故著名机械制造专家黄树槐的主持下，成立快速制造中心，研发基于纸材料的快速成型设备。1994年，华中科技大学快速制造中心研制出国第一台基于薄材纸的 LOM样机，1995年参加机床博览会时引起轰动。LOM技术制作冲模，其成本约比传统方法节约1/2，生产周期也大大缩短。目前，华中科技大学史玉升研究团队正力图通过滨湖机电技术产业使研究成果商业化，滨湖机电的股东中就有资本市场声名显赫的创新投资集团。在经过近20年的研发，国的3D打印设备也在不断取得突破，华中科技大学材料学院副院长史玉升教授的研究团队开发的1.2米1.2米的“立体打印机”（基于粉末床的激光烧结快速制造装备），是目前世界上最大成形空间的快速制造装备，远远超过国外同类装备水平，并因此获得20XX国家技术发明二等奖。据了解，从1991年开始，华中科技大学研究团队开始快速制造技术研发工作，20XX开发出工作面为05米05米的装备，超过了当时代表国际最先进水平的美国3D系统公司；20XX研制出了工作面达1米1米的装备，远远超过国外同类装备。随后，史玉升研究团队在“大工作面粉床预热温度场均匀控制装置及方法”和“高强度大型激光烧结制件的粉末材料制备及成形工艺”等影响大型复杂制件整体成形的关键技术方面取得了突破，研制成功工业级的12米12米快速制造装备，这是世界上最大成形空间的此类装备，超过德国EOS公司最大成形空间073米038米和美国3D系统公司055米055米的同类产品，使我国在快速制造领域达到世界领先水平。这项技术与装备的研发解决了新产品开发周期长、成本高、市场响应慢、柔性化差等问题，尤其适合动力装备、航空航天、汽车等高端产品上关键零部件的制造。如空心涡轮叶片、涡轮盘、发动机排气管、发动机缸体和缸盖，企业一旦拥有此技术，其产品更新换代能力明显改善，竞争力可以显著提高。史玉升教授研究团队的重要骨干黄智告诉记者，XX玉柴机器股份运用该技术生产六缸发动机缸盖，一个星期可以整体成形出四气门六缸发动机缸盖砂芯。而采用传统的砂型铸造试制方法，仅工装模具的设计制造周期通常需要5个月左右。据悉，已有200多家国外用户购买和使用这项技术及装备，为我国关键行业核心产品的快速自主开发提供了有力手段。我国一些铸造企业应用该技术后，将复杂铸件的交货期由传统的3个月左右缩短到10天左右，我国发动机制造商将大型六缸柴油发动机的缸盖砂芯研制周期由传统方法的5个月左右缩短至一周左右。20XX该技术被欧洲空客公司（Airbus）等单位选中，联合承担了欧盟框架七项目，用于辅助航空航天大型钛合金整体结构件的快速制造。华中科技大学材料学院副院长、快速制造中心主任史玉升教授表示，开发大成形空间的激光快速制造技术与装备是国际先进制造领域的一个竞争方向，也是决定快速制造技术走向工业化应用的难点之一。这种基于粉末床的激光烧结“立体打印”技术，获得了20XX国家技术发明二等奖，1.2米1.2米工作面的世界最大“立体打印机”入选两院院士评选的20XX中国十大科技进展。快速制造中心引进机械、信息、光学、计算机、自动控制、力学、新型材料等领域的人才，开展交叉学科研究。20年来，快速制造中心已从最早的不到10人，发展到100多人，成为目前华中科技大学最大的研发团队之一，人员构成涉及多个学科。近来，快速制造中心主攻生物制造的博士生升十分忙碌。多家医院希望与他展开合作，利用相关技术来制作牙齿。这不但可以降低传统造牙的成本，还可以一对一地订制假牙齿。某饰品公司的负责人也专程前往该中心，希望能得到技术支持。交大交大（交通大学机械与动力工程学院）3D打印实验室，打印材料是PSB塑料、液态光敏树脂，打印头骨模型。交通大学机械与动力工程学院、数字医学教育部工程研究中心副主任王成焘教授、袁建兵。王成焘认为，自己在骨科的研发已基本成熟，如今，他们计划开拓新的领域：组织、器官。国外的一些科研团队、IT企业已成功实现了器官在计算机的三维重建、手术设计等。要3D打印组织、器官，软件的开发是基础工程。XX大学承担为宇航员量身打造“赋型缓冲减振坐垫”任务的XX大学快速成型中心。首位女航天员与另外两位男航天员的座垫由XX大学快速成型中心承担研制。交大1992年，交大卢秉恒教授（国3D打印业的先驱人物之一）赴美做高级访问学者，发现了快速成形技术在汽车制造业中的应用，回国后随即转向研究这一领域，1994年成立先进制造技术研究所。1995年9月18日，卢秉恒教授（现为中科院院士）的样机在国家科委论证会上获得很高的评价，并争取到“九五”国家重点科技攻关项目250万元的资助。1997年，卢秉恒团队卖出了国第一台光固化快速成型机。华曙高科技XX公司（许小曙）一台国产选择性激光尼龙烧结设备在下线并首次出口美国，标志着我国在这项尖端装备制造领域取得了重大技术突破。在高新技术产业开发区华曙高科技XX公司（下称华曙高科）的生产车间，中国工程院院士、中国科学技术协会副主席黄伯云一行见证了选择性激光尼龙烧结设备的运行情况，专家们对激光烧结作用下白色“PA”尼龙粉末逐渐凝结成工业零部件的过程赞叹不已。据华曙高科的技术人员介绍，这种被俗称为“激光3D打印机”的装备只要通过电脑输入设计产品的3D数据，就能运用激光添加层烧结技术，“打印”出设计者想要得到的任何复杂形状的零部件。与模具制造等传统工艺相比，“激光3D打印机”制造的同类产品可实现重量减轻65%、节约材料90%。目前，全世界只有极少数国家能制造这种设备。20XX10月28日，科交会主场增量制造产业高端论坛暨激光烧结装备发布会上，华曙高科XX公司展示了其自主研发的国首台高性能3D激光烧结机。会上，华曙高科与全球知名激光烧结粉末材料销售商美国3D林克公司就激光烧结材料应用开发项目签订合作协议，拟利用国产高分子材料母材及加工设备条件，在粉末材料配方、粉末粒径优化方法、新型热处理工艺以及粉末材料成型工艺等方面采取自主创新技术，开发高性能激光烧结粉末材料，并应用到国外各领域产品的激光烧结制造中。结语我国的3D打印起步并不晚，像彦永年、王华明、王运赣、史玉升、卢秉恒等教授都是早期就加入研究的先驱。总体而言，我国在核心技术有先进的一面，但在产业化方面，发展还稍显滞后。经过20多年的发展，这个产业，美国、以色列、德国领跑全球，中国跟随其后。在我国，、基础不错，处于国前列。目前，我国有40多家3D打印企业，如隆源、普力得科技、滨湖机电、华曙高科、紫金立德、宝岩自动化、铂力特等等。拿出产品的有近10家，其中，产量过百台的仅4家，而拥有核心技术的，那就更少了。据普力得科技资深工程师维忠先生介绍，我国的3D打印产业，整体面临核心环节对外依赖，耗材技术滞后等重大制约问题。硬件方面，自动化控制系统方面与国外相比还有较大的差距，运行稳定性有待提高。软件方面，与国外亦有很大差距。3D打印“打印”是表象，核心在软件。软件之于3D打印机，好比大脑之于人。缺了软件，设计师灵感再多，变不成模型，打不出实物。作为3D打印支撑技术的软件系统，现为美国、以色列几家大公司控制，国近乎空白。市场方面，3D打印需求九成在欧美，全球行业集中度极高，欧美两家龙头企业已占七成份额。过度依赖外需，需启动缓慢，使国产3D打印产业生存现状不容乐观。从核心技术、应用材料到市场渠道，我国3D产业链与国外差距还很大。总体来说，理想很丰满，现实很骨感。理论上讲，能够设计或想象出来的东西，全部能打印出来。相信在未来，3D打印确实能改变几乎整个制造业。但现在，3D打印技术及其产业还很不成熟，任然处于“拓荒阶段”， 替代不了传统制造业。普力得科技总务部经理区宝明女士认为，目前3D打印技术具有制造物体周期需求短、适应单件个性化需求、在大型薄壁件、蜂窝状复杂结构部件、钛合金等难加工、易热成形零件制造方面具有较大优势。但也只是对传统工艺的补充，是“锦上添花”的技术。目前，3D打印技术存在着制造成本高，制造效率低，制造精度尚不能令人满意，工艺与装备研发不充分，尚未进入大规模工业应用等方面的问题。因此，不能把3D打印万能化，更革不了传统制造业的命。什么“打印飞机”、“打印汽车”，都不靠谱，只是打个模型。现今的3D打印技术还不能打印超过1000个零部件的东西，打印材料昂贵而且有限，打印尺寸也受限制，打印出的东西，在机械强度、电气属性等暂时都无法与传统制造业相抗衡。现今，3D打印技术只有跟传统制造业改造与提升相结合，才有更大生存空间。五、3D打印的主流技术1、熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling,FDM）熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。大致结构如下图所示：FDM结构示意图（来源于网络）在3D打印技术中，FDM的机械结构最简单，设计也最容易，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术，而工业级FDM机器，主要以Stratasys公司产品为代表。Stratasys工业级3D打印机FDM技术的桌面级3D打印机主要以ABS和PLA为材料，ABS强度较高，但是有毒性，制作时臭味严重，必须拥有良好通风环境，此外热收缩性较大，影响成品精度；PLA是一种生物可分解塑料，无毒性，环保，制作时几乎无味，成品形变也较小，所以目前国外主流桌面级3D打印机均以转为使用PLA作为材料。FDM技术的优势在于制造简单，成本低廉，但是桌面级的FDM打印机，由于出料结构简单，难以精确控制出料形态与成型效果，同时温度对于FDM成型效果影响非常大，而桌面级FDM 3D打印机通常都缺乏恒温设备，因此基于FDM的桌面级3D打印机的成品精度通常为0.3mm-0.2mm，少数高端机型能够支持0.1mm层厚，但是受温度影响非常大，成品效果依然不够稳定。此外，大部分FDM机型制作的产品边缘都有分层沉积产生的“台阶效应”，较难达到所见即所得的3D打印效果，所以在对精度要求较高的快速成型领域较少采用FDM。2、光固化成型（Stereolithigraphy Apparatus,SLA）光固化技术是最早发展起来的快速成型技术，也是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。光固化技术，主要使用光敏树脂为材料，通过紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐层固化，最终得到完整的产品。大致结构如下图所示：光固化原理图光固化技术优势在于成型速度快、原型精度高，非常适合制作精度要求高，结构复杂的原型。使用光固化技术的工业级3D打印机，最著名的是objet，该制造商的3D打印机提供超过123种感光材料，是目前支持材料最多的3D打印设备。Objet材料分类光固化快速成型应该是目前3D打印技术中精度最高，表面也最光滑的，objet系列最低材料层厚可以达到16微米（0.016毫米）。但是光固化快速成型技术也有两个不足，首先光敏树脂原料有一定毒性，操作人员使用时需要注意防护，其次光固化成型的原型在外观方面非常好，但是强度方面尚不能与真正的制成品相比，一般主要用于原型设计验证方面，然后通过一系列后续处理工序将快速原型转化为工业级产品。此外，SLA技术的设备成本、维护成本和材料成本都远远高于FDM，因此，目前基于光固化技术的3D打印机主要应用在专业领域，桌面领域目前已有两个桌面级别SLA技术3D打印机项目启动，一个是Form1，一个是B9，相信不久的将来会有更多低成本的SLA桌面3D打印机面世。3、三维粉末粘接（Three Dimensional Printing and Gluing,3DP）3DP技术由美国麻省理工大学开发成功，原料使用粉末材料，如瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等，3DP技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件。大致结构如下图所示：3DP技术的优势在于成型速度快、无需支撑结构，而且能够输出彩色打印产品，这是目前其他技术都比较难以实现的。3DP技术的典型设备，是3DS旗下zcorp的zprinter系列，也是3D照相馆使用的设备，zprinter的z650打印出来的产品最大可以输出39万色，色彩方面非常丰富，也是在色彩外观方面，打印产品最接近于成品的3D打印技术。但是3DP技术也有不足，首先粉末粘接的直接成品强度并不高，只能作为测试原型，其次由于粉末粘接的工作原理，成品表面不如SLA光洁，精细度也有劣势，所以一般为了产生拥有足够强度的产品，还需要一系列的后续处理工序。此外，由于制造相关材料粉末的技术比较复杂，成本较高，所以目前3DP技术主要应用在专业领域，桌面级别目前仅有一个PWDR项目在启动，但仍然处于0.1状态，尚需观察后续进展。3、选择性激光烧结（Selecting Laser Sintering,SLS）该工艺由美国德克萨斯大学提出，于1992年开发了商业成型机。SLS利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层层堆结成型。SLS技术同样是使用层叠堆积成型，所不同的是，它首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型。大致结构如下：激光烧结技术可以使用非常多的粉末材料，并制成相应材质的成品，激光烧结的成品精度好、强度高，但是最主要的优势还是在于金属成品的制作。激光烧结可以直接烧结金属零件，也可以间接烧结金属零件，最终成品的强度远远优于其他3D打印技术。SLS家族最知名的是德国EOS的M系列，成品效果图：激光烧结技术虽然优势非常明显，但是也同样存在缺陷，首先粉末烧结的表面粗糙，需要后期处理，其次使用大功率激光器，除了本身的设备成本，还需要很多辅助保护工艺，整体技术难度较大，制造和维护成本非常高，普通用户无法承受，所以目前应用围主要集中在高端制造领域，而目前尚未有桌面级SLS 3D打印机开发的消息，要进入普通民用领域，可能还需要一段时间。六、3D打印的应用领域到目前为止，各类3D 打印机设备上所使用的材料种类有很多，树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或瓷的粉末。从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用3D打印机技术，使得3D打印机技术有着广阔的前景。3D打印技术已在工业造型、产品设计（实物模型/样件）、机械制造、模具制造、航空航天(风洞用实体模型)、军事、建筑设计、影视、家电(开发新产品)、轻工、医学(人体器官模型、骨骼)、艺术创作、考古/文物复制、数字雕刻、首饰等领域都得到了较为广泛的应用。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。以色列的Objet公司认为，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。医疗行业。一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。科学研究。美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究。产品原型。比如微软的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出来模型，能够让设计制造部门更好的改良产品，打造出更出色的产品。文物保护。博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响更多更远的人。史密森尼博物馆就因为原始的托马斯杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览，所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。建筑设计。在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。制造业。制造业也需要很多3D打印产品，因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处，甚至连质量控制都不再是个问题。食品产业。没错，就是“打印”食品。研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然，到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。汽车制造业。不是说你的车是3D打印机打印出来的（当然或许有一天这也有可能），而是说汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。配件、饰品。这是最广阔的一个市场。在未来不管是你的个性笔筒，还是有你半身浮雕的手机外壳，抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指，都有可能是通过3D打印机打印出来的。甚至不用等到未来，就可以实现。七、3D打印的发展瓶颈3D打印技术虽然已有近20年的发展历程，但要真的走入社会大众之中，成为主流的生产制造技术，目前仍存在推广/普及/应用的局限处/瓶颈/障碍：1、成本（耗材的价格）某券商分析师告诉每日经济新闻记者，3D打印技术在海外已经出现了20余年，但市场规模并没有想象那么大，主要原因还是技术分散，有熔积成型，也有激光烧结，而且市场有不同细分，3D打印行业还没有普适性的、也就是万能的通用技术，推广上自然就有难度。上述分析师认为，该技术并不像智能手机一样，市场可以迅速开拓。“目前该技术做做样品和教学还可以，但需要指出的是，这些应用都是不计成本的。可能以后这个行业会发展成像惠普打印机一样，设备很便宜，赚取耗材的钱。3D打印技术难点主要在于硬件，最典型的就是打印材料。目前，不同品牌的3D打印机能支持不同的材料，树脂、尼龙、石膏、塑料使用较为普遍，随着业界研发的进步，支持钛、不锈钢或铝、铁金属材料的打印机也已经出现。不过，大多数个人桌面级3D打印机只能使用易加工、便于回收的塑料，其他只限于工业级3D打印机使用。对于工业级打印机来说，所用材料既要满足打印精细度，还要满足强度，这类材料的研发成本至少是千万元级别。据统计，目前已经研究出可以使用在3D打印机上的材料约有14种，在此基础上又可混搭出107种。这些材料多为粉末或者黏稠的液体，从价格上来看，便宜的几百块一公斤，最贵的一公斤则要4万元以上。耗材的缺乏，也直接关系到3D打印的价格。黄智拿着一件3D打印品对证券时报记者说，“这是一件飞机零部件，打印这种样品的金属粉末耗材一斤就要卖4万元，所以3D打印样品至少要卖2万元。但是，如果采用传统的工艺去工厂开模打样，几千元就可以做到。”直接面向市场的先临三维对耗材难题感受最深。因为价格的问题，他们很多客户往往望而止步，除非在需求紧急的情况下。否则，客户们还是通过传统的方式。“基于激光或其他光源的成型技术因设备造价和制作模型成本高昂，因而只在一些特殊领域有所应用。”在某些情况下，3D打印产品最终耗费的成本和零售店产品的价格差不多，3D打印不具备规模经济的优势，价格方面的优势尚不明显。所以对于大多数产品来说，不管你是打印1件还是100件，价格都相差无几。2、打印材料（耗材）的多样性/可用性耗材的局限性是3D打印不得不面对的现实。目前，3D打印的耗材非常有限，现有的市场上的耗材多为石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等。如果真要“打印”房屋或汽车，光靠这些材料是远远不够的。比如最重要的金属构件，这恰恰是3D打印的软肋。最大的挑战在于3D打印材料的可用性。Shapeways表示他们正在努力为用户提供更多的3D打印材质，如蜡，钛、金等高端金属，可以的话，甚至是木材也在考虑围之列。另外，Xerox PARC的研究人员正在致力于可打印电子产品的研究，如随机存储器，传感器以及晶体管等。3、打印的精度由于3D打印工艺发展还不完善，特别是对快速成型软件技术的研究还不成熟，目前快速成型零件的精度及表面质量大多不能满足工程直接使用，不能作为功能性部件，只能做原型使用。材料越细，每一层就更薄，做出来的东西精度就越高。就现有的个人桌面级3D打印机而言，打印的每层材料厚度最低为0.1毫米。虽然做小玩具、模型绰绰有余，但生成的实物从精度到复杂度都不够理想，甚至比普通的注塑成型产品还粗糙。对于这样一类个人桌面级打印机，显然其目标用户还停留于设计爱好者层面，难以覆盖至更多的人群。4、打印的速度现阶段，3D打印机无法作为大规模生产的手段，只能作用于原型开发或者单件制造。在生产效率上，3D打印技术虽发端于“快速成型”，耗时还是得以小时来计，尚难满足批量生产的要求。无论是性能虽好但价格高昂的工业级3D打印机，还是性价与之对立的个人桌面级打印机，要真正革传统工业的命，都距“神器”目标尚远。5、成品力学性能3D打印出来的成品的力学性能，如强度、构件疲劳、断裂韧性等主要力学性能，与铸件、锻件相比，往往不如。以Stratasys公司3D打印车为例，车子固然能“打印”出来了，但是否能在路上顺利跑起来?使用寿命又有多长?从现有的技术来看，恐怕有点够呛：由于采用层层叠加的增材制造工艺，层和层之间的粘结再紧密，也无法和传统模具整体浇铸而成的零件相媲美，这意味着在一定外力条件下，“打印”的部件很可能会散架。6、用户对3D绘图软件/CAD软件的掌握3D打印机并非问题所在。在开始生产前，还需要生产物体的计算机辅助设计(CAD)文件，以及专门软件来告诉打印机如何铺设材料的连续层。工人需要使用CAD软件在计算机上面进行设计，或者在开源文档库中下载标准物体的文件。3D打印技术需要依靠数字模型来进行生产，但是对普通用户来说学会使用CAD工具还是有一定难度的。7、知识产权的保护3D打印技术的意义不仅在于改变资本和工作的分配模式，而且也在于它能改变知识产权的规则。该技术的出现使制造业的成功不再取决于生产规模，而取决于创意。然而，单靠创意也是很危险的，模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上快速推出新产品。因此，竞争优势可能将前所未有地变得比以前更短。一旦物品能用数字文件来描述，它们就会变得很容易复制和传播。现如今看似与此无关的实体物品一旦被数字化，就极有可能像当初的音乐领域一样面临盗版的威胁。结语：0.02%，这是3D打印技术生产的商品占20XX全球制造业总产出的比重。3D打印虽然概念很美，但这个行业的发展还面临很多瓶颈，在国外的应用还没有大规模铺开。八、3D打印的未来发展及十大趋势1、未来发展虽然3D打印技术已经出现了近30年，但它还仍然没有真正像个人电脑那样走进千家万户，成为我们生活的必需品。尽管最几年3D打印相关的技术正在日新月异的变化着，但它似乎还离我们的期待有一定的距离。那我们不妨根据我们的需求来畅想一下未来的3D打印的发展方向。1）、材料越来越丰富20XX11月，Objet新推出的大型3D打印机Objet 1000已经支持打印140种材料，每次打印可同时利用其中的14种，相比初级的单头单色单材料的3D打印机它已经非常强大，但我们生活中用到的物品是多种多样的，只有更丰富更实用的材料才能让3D打印尽快的融入生产和生活。2）、实用性越来越高从简单的原型开发，到打印巧克力，到飞机上的钛合金部件，3D打印的成品已经越来越实用