3D打印行业技术产品及资本市场状况.ppt
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1、3D打印行业技术产品及资本市场状况,田晓青、江本赤、王力超、高婷2014年3月12日,美国发明家恰克赫尔创立的“光固化快速成型术”(SLA)通过逐层叠加薄层,利用紫外线固化后形成固体模型,2012-今,美国总统奥巴马在卡内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。,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。,美国“国家增材制造创新中心”作为其首个“样板示范”创新中心剪彩成立,号称要成为增材制造技术全球卓越中心,提升美国制造全球竞争力。,
2、3D打印作为媒体和资本的新宠,从飞机、汽车、枪支、巧克力、比基尼到星球再造式的沙漠打印,被广泛憧憬:“3D打印机将来不是要取代某一个制造业,而是要取代几乎所有的制造业。”,序言 3D打印与第三次工业革命,Contents,3D打印技术是目前全球最尖端的几项技术之一,该技术甚至被人看做引领第三次工业革命的新技术。作为世界首个公布3D打印机开源数据信息的科学家,英国工程学家阿德里安鲍耶表示,“未来你想要什么,只需下载图纸,按一下打印键,就可以去喝咖啡听音乐了,剩下的所有事,请统统交给打印机。”三维打印(3D printing),即快速成形技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑
3、料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造。,一、概念和原理,2013年,美国马里兰大学的几位学生采用3D打印出的机器飞鹰,能俯冲、盘旋,2013年,普林斯顿大学采用3D打印的彷生耳,可以听到无线电波,2013年5月,3D打印枪支可能违规,美参议员呼吁立法,2013年5月10日,3D打印技术展在北京举办,图为歼-15战机利用3D打印技术制造的钛合金主承力部分(前起落架)。,3D技术在珠宝,鞋类,工业设计,建筑,工程和施工(AEC),汽车,航空航天,牙科和医疗产业,教育,地理信息系统,土木工程,枪支以及其他
4、领域都有所应用,一、概念和原理,3D打印技术依托于信息技术、精密机械以及材料科学等多学科,学术名称为快速成型技术(RP:RapidPrototyping Manufacturing),也叫增材制造技术(AM:AdditiveManufacturing)。,基本原理是【分层制造、逐层叠加】。把一个通过设计或者扫描等方式做好的3D模型按照某一坐标轴切成无限多个剖面,然后一层一层的打印出来并按原来的位置堆积到一起,形成一个实体的立体模型,类似于高等数学中的积分。,一、概念和原理,用液体状、粉状或片状的材料将截面逐层打印,再粘合,标准文件是STL文件格式,一、概念和原理,整个制造过程包括3个环节,一、
5、概念和原理,加法制造,切削和铸塑减法制造,不像切削那样浪费材料,也不像铸塑那样要求先制作模具。一次成型,快速个性化定制是它的重要特点,这在小批量,多品种(个性化)的生产中占有非常大的优势。,传统制造,3D打印,一、概念和原理,打印机截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的,一般的厚度为100微米,即0.1毫米,打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。,Objet Connex 系列还有三维 Systems ProJe系列可以打印出16微米薄平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。,分辨率对大多数应用来说已经足够(在弯曲的表
6、面可能会比较粗糙,像图像上的锯齿一样),要获得更高分辨率的物品可以先用打出稍大一点的物体,再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。,三维模型的分区示意,3D 打印依托多个学科领域的尖端技术,至少包括以下三方面:信息技术:要有先进的设计软件及数字化工具,辅助设计人员制作出产品的三维数字模型,并且根据模型自动分析出打印的工序,自动控制打印器材的走向。精密机械:3D 打印以“每层的叠加”为加工方式。要生产高精度的产品,必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求。材料科学:用于3D 打印的原材料较为特殊,必须能够液化、粉末化、丝化,在打印完成后又能重新结合起来,并具有合格的物理、化学性
7、质。,3D打印所需的关键技术,一是节省原材料和人工由于采用“添加制造技术”,它的用料只有原来的1/3 到1/2,打印速度却快4 倍。同时因省却生产线和一部分组装过程,可降低人工成本。二是可以制作形态各异的物品理论上,只要电脑可以设计出的造型,3D 打印机都可以打印。2011 年在加拿大展出的3D 打印汽车Urbee,即以其时尚前卫的流线型外观吸引了众多关注。,3D打印的优点,1工业制造:产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证;制作模具原型或直接打印模具,直接打印产品。3D 打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D 打印的家用器具模型,也被用于企业的宣传、营销活动中。2文化创意和数
8、码娱乐:形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影阿凡达运用3D 打印塑造了部分角色和道具,3D 打印的小提琴接近了手工艺的水平。3航空航天、国防军工:复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、机构的直接制造。4生物医疗:人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等。5消费品:珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY 作品的设计和制造。6建筑工程:建筑模型风动试验和效果展示,建筑工程和施工(AEC)模拟。7教育:模型验证科学假设,用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校,3D 打印机已经被用于教学和科研。8个性化定制:基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。,3D打印的应用领域,
9、二、3D打印技术方法,3D打印技术方法-FDM,FDM(热熔堆积固化成型法)由Stratasys公司所设计与制造,FDM技术利用ABS,polycarbonate(PC),polyphenylsulfone(PPSF)以及其它材料。这些热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝,由沉积在层层堆栈基础上的方式,从3D CAD资料直接建构原型。该技术通常应用于塑型,装配,功能性测试以及概念设计。此外,FDM技术可以应用于打样与快速制造。,精度和稳定性 FDM技术所提供的准确性通常相等或是优于SLA技术以及PolyJet技术,且确定优于SLS技术。表面精度 FDM技术最明显的限制就是表面完工精度。由于是
10、半熔融状态塑料挤制成型,表面完工精度比SLA与PolyJet还要粗糙,而与SLS不相上下。后期加工 FDM原型可以进行铣床加工,钻孔,研磨,车床加工等。为了补偿表面精度不足并加强特征细节,当有特殊的品质需求时,使用者通常会进行二次加工来提升原型的细节。,3D打印技术方法LOM,LOM 薄片分层堆层成型法(Laminated Object Manufacturing),薄片分层堆层制作是根据三维CAD 模型每个截面的轮廓线,在计算机控制下,发出控制激光切割系统的指令,使切割头作X 和Y 方向的移动。供料机构将底面涂有热溶胶的箔材(如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔材)一段段的送至工作台的上方。
11、激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓用二氧化碳激光束对箔材沿轮廓线将工作台上的纸割出轮廓线,并将纸的无轮廓区切割成小碎片。然后,由热压机构将一层层纸压紧并粘合在一起。可升降工作台支撑正在成型的工件,并在每层成型之后,降低一个纸厚,以便送进、粘合和切割新的一层纸。最后形成由许多小废料块包围的三维原型零件。然后取出,将多余的废料小块剔除,最终获得三维产品。叠层实体制作快速原型工艺适合制作大中型原型件,翘曲变形较小,成型时间较短,激光器使用寿命长,制成件有良好的机械性能,适合于产品设计的概念建模和功能性测试零件。且由于制成的零件具有木质属性,特别适合于直接制作砂型铸造模。,分层实体制造(LOM)优
12、点如下(1)成型速度较快。由于只需要使用激光束沿物体的轮廓进行切割,无须扫描整个断面,所以成型速度很快,因而常用语加工内部结构简单的大型零件。(2)原型精度高,翘曲变形小。(3)原型能承受高达200摄氏度的温度,有较高的硬度和较好的力学性能。(4)无需设计和制作支撑结构。(5)可进行切削加工。(6)废料易剥离,无须后固化处理。(7)可制作尺寸大的原型。(8)原材料价格便宜,原型制作成本低。,LOM的缺点(1)不能直接制作塑料原型。(2)原型的抗拉强度和弹性不够好。(3)原型易吸湿膨胀,因此,成型后应尽快进行表面防潮处理。(4)原型表面有台阶纹理,难以构建形状精细、多曲面的零件,因此,成型后需进
13、行表面打磨,3D打印技术方法3DP,是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制的。于1989年申请了3DP(Three-Dimensional Printing)专利,该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。采用3DP技术的厂商,主要是Zcorporation公司、EX-ONE公司等,Zprinter、R系列三维打印机为主,此类3D打印机能使用的材料比较多,包括石膏、塑料、陶瓷和金属等,而且还可以打印彩色零件,成型过程中没有被粘结的粉末起到支撑作用,能够形成内部有复杂形状的零件。此类打印机通过多喷头和喷嘴来提高速度。,三维打印(3DP)优点:(1)成型速度快,成型材料价格低
14、,适合做桌面型的快速成型设备。(2)在粘结剂中添加颜料,可以制作彩色原型,这是该工艺最具竞争力的特点之一。(3)成型过程不需要支撑,多余粉末的去除比较方便,特别适合于做内腔复杂的原型。,3DP的缺点:强度较低,只能做概念型模型,而不能做功能性试验,3DP工艺与SLS工艺类似,采用粉末材料成形,如陶瓷粉末,金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的,而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低,还须后处理。具体工艺过程如下:上一层粘结完毕后,成型缸下降一个距离(等于层厚:0.0130.1mm),供粉缸上升一高度,推出若干粉末,并被铺粉辊推到
15、成型缸,铺平并被压实。喷头在计算机控制下,按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂,最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉,在成形过程中起支撑作用,且成形结束后,比较容易去除。Objet公司的Polyjet技术,也是3DP工艺的一种,不同的是,Polyjet所采用的是光敏数值材料、橡胶、ABS等多种材料。该技术的特点是生成精度高。,3D打印技术方法OBJet打印原理,OBJet使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上,此涂层然后被置于紫外线下进行处理,之后铸模托盘下降极小的距离,
16、以供下一层堆叠上来。,3D打印技术方法OBJet打印原理,3D打印技术方法OBJet打印原理,3D打印技术方法OBJet打印原理,3D打印技术方法OBJet打印原理,3D打印技术方法SLA,SLA(Stereo lithography Appearance),即立体光固化成型法。SLA 用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。SLA是最早实用化的快速成形技术,采用液态光敏树脂原料。首先,通过CAD设计出三维实体模型,利用离散程序将模型进行切片处理,
17、设计扫描路径,产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动;其次,激光光束通过数控装置控制的扫描器,按设计的扫描路径 照射到液态光敏树脂表面,使表面特定区域内的一层树脂固化后,当一层加工完毕后,就生成零件的一个截面;然后,升降台下降一定距离,固化层上覆盖另一层液态树脂,再进行第二层扫描,第二固化层牢固地粘结在前一固化层上,这样一层层叠加而成三维工件原型;最后,将原型从树脂中取出后,进行最终固化,再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。,SLA 技术的优势1)光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺,成熟度高,经过时间的检验。2)由CAD数字模型直接制成原型,加工速度快,产品生产周期短,
18、无需切削工具与模具。3)可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具。使CAD数字模型直观化,降低错误修复的成本。4)为实验提供试样,可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核。5)联机操作,可远程控制,利于生产的自动化。,SLA 技术的缺陷1)SLA系统造价高昂,使用和维护成本过高。2)SLA系统是要对液体进行操作的精密设备,对工作环境要求苛刻。成型件多为树脂类,强度,刚度,耐热性有限,不利于长时间保存。3)预处理软件与驱动软件运算量大,与加工效果关联性太高。4)软件系统操作复杂,入门困难;使用的文件格式不为广大设计人员熟悉。,3D打印技术方法SLS,粉末材料选择性烧结(Select
19、ed Laser Sintering),粉末材料选择性烧结采用二氧化碳激光器对粉末材料(塑料粉等与粘结剂的混合粉)进行选择性烧结,是一种由离散点一层层堆集成三维实体的快速成型方法。,选择性激光烧结(SLS)优点(1)可以采用多种材料。从理论上说,任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。(2)过程与零件复杂程度无关,制件的强度高。(3)材料利用率高,为烧结的粉末可重复使用,材料无浪费。(4)无须支撑结构。(5)与其他成型方法相比,能生产较硬的模具。,SLS的缺点(1)原型结构疏松、多孔,且有内应力,制作易变性。(2)生成陶瓷、金属制件的后处理较难。(3)需要预热和冷却。
20、(4)成型表面粗糙多孔,并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制。(5)成型过程产生有毒气体及粉尘,污染环境。,3D打印技术方法SLS,选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。,整个装置由粉末缸和成型缸组成,工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层;计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉,控制激光束再扫描烧结新层。如此循
21、环往复,层层叠加,直到三维零件成型。最后,将未烧结的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件。,3D打印技术方法SLS,国外主要SLS 成型材料的产品及用途国外的许多快速成型系统开发公司和使用单位都对快速成型材料进行了大量的研究工作,开发了多种适合于快速成型工艺的材料。其中在SLS 领域,以DTM公司所开发的成型材料最具代表。,3D打印技术方法SLS,国内主要SLS 成型材料的产品及用途与快速成型设备的研究相比,我国快速成型材料及工艺的研究相对滞后,目前还处在起步阶段,与国外相比存在较大差距。,三、厂商与产品,商用3D打印机制造商Stratasys3D Systems 家用3D打印制造商:Reprap
22、.orgMakerbot IndustriesUltimakerFabHome,世界3D打印厂商一览,世界3D打印厂商一览,3D产品介绍,1、3D Systems 桌面产品(家用级)3D打印界元老级别的公司。3D SYSTEMS 是该技术的创始者,目前有近400项专利和6个系列的产品。,3DToucht 系列类型:ALM最低价:$3490,最高价:$4370,Cube 系列卖价:$1299适合做一些模型,而且性价比比价高,也比较稳定,RapMan系列类型:ALM(Additive Layer Manufacturing),最低价:$1390,最高价:$2170需要自己动手组装,没外壳,相当于就
23、是个简单的内核机,合适拿去研究并且做改进,配套软件为Axon。,3D产品介绍,Cube 系列卖价:Only$1299使用技术:塑料喷头打印(PJP)打印喷头 单头打印 Cube的工作原理就像一台冰淇淋机器,在一个平面上一圈一圈,一层一层地挤上材料。当然这里使用的不是冰淇淋,而是经过加热后融化的塑料材料。喷头按照计算后的三维路径挤出极细的塑料丝,层层堆积出一个作品。Cube各式各样的个性制作:耳环,机器人,玩具飞机,马克杯,门把,宠物玩具,狗牌,iPhone壳,可穿的鞋,浴缸玩具,餐巾环,Android人偶,手环,棋子,建筑模型,神像等等等等Cube使用的打印材料是可回收的ABS与PLA塑料。提
24、供多达30多种生动色彩的材料盒,只需替换材料盒即可变换色彩。如果需要制作多色的作品,可以分次打印后进行组装,打印的过程中不能更换材料盒。更换材料盒操作简单,卡扣设计,并且能显示该盒内材料所剩多少。一盒材料大约能制作1315个iphone壳(或相似尺寸的作品)。,3D产品介绍,Zprinter是 3D SYS 收购 Zcorp后的作品大小:74 x 79 x 140(cm)-188 x 74 x 145(cm)精度:0.089-0.102 mm 耗材:高性能复合材料 类型:喷嘴 粉末价格:RMB 18万-90万,Projet大小:555914724(mm)-749 x 1207 x 1543(m
25、m)精度:0.025-0.05 mm 耗材:蜡质材料 类型:MJM“多喷头成型”(MJM)技术价格:RMB 9万-40万,3D产品介绍,3D产品介绍,Time needed to print this 27.5 in3 part需要打印27.5立方英寸的时间,Z Corp.3 Hours(小时),Others48 Hours(小时),3D产品介绍,惠普(HP)于宣布推出TopShot Scanning技术,它在激光打印机的上方添加了一个3D扫描仪,运用革命性的方法捕捉3D立体物体的影像及扫描文件,该技术可以用于中小型企业或者网络拍卖品的拍摄等用途。,2013.4 惠普宣布将联手康涅狄格大学并斥
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