发展战略-快速成型技术现状与行业发展趋势 精品

快速成型技术行业现状与产业发展趋势
杭州先临三维科技股份有限公司
20XX.5.28
目录
1.快速成型技术发展历史及现状 (1)
1.1快速成型技术发轫的背景 (1)
1.2快速成型技术的优点、原理和工艺 (2)
1.2.1快速成型技术的优点 (2)
1.2.2快速成型的基本原理 (2)
1.2.3快速成型的工艺方法 (4)
1.3 快速成型技术的发展 (10)
1.3.1 快速成型技术的发展历史 (10)
1.3.2 快速成型技术的发展方向 (11)
2 快速成型技术行业及产业 (12)
2.1 快速成型技术的行业应用现状 (12)
2.1.1医学应用 (12)
2.1.2 制造领域 (12)
2.2 快速成型技术的行业市场主体分析 (13)
2.3 快速成型技术的产业发展现状及趋势 (14)
2.3.1 快速成型技术产业发展状况 (14)
2.3.2全球市场 (16)
2.3.3亚太市场 (16)
3 国内快速成型技术产业发展的机遇及挑战 (19)
3.1国内快速成型技术产业发展现状 (19)
3.1.1国内快速成型技术的研发和推广情况 (20)
3.1.2国内的快速成型技术的应用情况 (20)
3.1.3国内快速成型技术企业的典型企业列举 (20)
3.2 国内快速成型技术产业的发展机遇 (27)
3.2.1 国内外的市场环境利于快速成型技术产业发展 (27)
3.2.2 国内的政策环境利于快速成型技术产业发展 (27)
3.3 国内快速成型技术产业面临的挑战 (28)
3.3.1 快速成型技术在向产品生产化发展中所存在的主要问题 (28)
3.3.2 快速成型技术产业面临的应用化挑战 (29)
快速成型技术行业现状与产业发展趋势1
黄贤清何文浩
1.快速成型技术发展历史及现状
1.1快速成型技术发轫的背景
在新产品的开发过程中，总是需要在投入大量资金组织加工或装配之前对所设计的零件或整个系统加工一个简单的例子或原型。

这样做主要是因为生产成本昂贵，而且模具的生产需要花费大量的时间准备，因此，在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。

一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误，或从进一步研究中发现更有效和更好的设计方案，而一件原型的生产极其费时，模具的准备需要几个月，因此一个复杂的零件用传统方法加工非常困难。

20世纪70年代末到80年代初期，美国和日本的四位研究人员各自独立地提出了快速成型（Rapid Prototyping：RP）的技术设想，即利用连续层的选区固化生产三维实体。

在图1中，快速成型技术的一般步骤得以展示：首先利用三维造型软件设计出（或者通过三维数字化反求工程获得）产品的三维实体模型，再利用RP处理软件将该三维实体模型进行离散、分层，然后将离散后的数据登录RP设备进行制造。

图1 分层资料生成示意图
快速成型技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。

与传统制造方法不同，快速成型从零件的
1本文引用了期刊、网站、新闻上的介绍性资料，大部分未进行标注出处，本文仅作参考资料使用，没有侵犯引文作者的知识产权的意思。

CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其它方法将材料堆积而形成实体零件。

由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任何复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。

1.2快速成型技术的优点、原理和工艺
1.2.1快速成型技术的优点
（1）快速成型作为一种使设计概念可视化的重要手段，计算机辅助设计零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。

用快速成型与直接数字化制造技术，可使成本下降为数控加工的1/3-1/5,周期缩短为1/5-1/10。

（2）由于快速成型技术是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决，因此，它能制造任意复杂型体的高精度零件，而无须任何工装模具。

（3）快速成型作为一种重要的制造技术，采用适当的材料，这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。

（4）快速成型操作可以应用于模具制造，可以快速、经济地获得模具。

（5）产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造,这是传统制造方法无法比拟的。

1.2.2快速成型的基本原理
基于材料累加原理的快速成型操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。

为了形象化这种操作，可以想象一整条面包的结构是一片面包落在另一片面包之上一层层累积而成的。

快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。

1.2.2.1三维模型的构造
在三维CAD设计软件(如Pro/E\UG\SolidWorks\SolidEdge等)中获得描述该零件的CAD文件，如图2(a)中所示的三维零件。

目前一般快速成型支持的文件输出格式为5TL模型，即对实体曲面近似处理，即所谓面型化(Tessellation)处理，是用平面三角面片近似模型表面。

这样处理的优点是大大地简化了GAD模型的数据格式，
从而便于后续的分层处理。

由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的准标准，每个三角面片用4个数据项表示，即3个顶点坐标和法向矢量，而整个CAD 模型就是这样一组矢量的集合。

在三维CAD设计软件对C.AD模型进行面型化处理时，一般软件系统中有输出精度控制参数，通过控制该参数，可减小曲面近似处理误差。

如Pro/E软件是通过选定弦高值(eh-chord height)作为逼近的精度参数，如图2为一球体，给定的两种ch 值所转化的情况。

对于一个模型，软件中给定一个选取范围，一般情况下这个范围可以满足工程要求。

但是，如果该值选的太小，要牺牲处理时间及存贮空间，中等复杂的零件都要数兆甚至数十兆左右的存贮空间。

并且这种数据转换过程中无法避免地产生错误，如某个三角形的顶点在另一三角形边的中间、三角形不封闭等问题是实践中经常遇到的，这给后续数据处理带来麻烦，需要进一步检查修补。

图2 不同ch值时的效果
(a) ch=0.05 (b) ch=0.2
1.2.2.2三维模型的离散处理
通过专用的分层程序将三维实体模型(一般为5TL模型)分层，分层切片是在选定了制作(堆积)方向后，需对CAD模型进行一维离散，获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。

通过一簇平行平面沿制作方向与CAD模型相截，所得到的截面交线就是薄层的轮廓信息，而实体信息是通过一些判别准则来获取的。

平行平面之间的距离就是分层的厚度，也就是成型时堆积的单层厚度。

在这一过程中，由于分层，破坏了切片方向CAD模型表面的连续性，不可避免地丢失了模型的一些信息，导致零件尺寸及形状误差的产生。

切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，分层切片后所获得的每一层信息就是该层片上下轮廓信息及实体信息，而轮廓信息由于是用平面与CAD模型的STL文件(面型化后的CAD模型)求交获得的，所以轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成，所以，分层后所得
到的模型轮廓已经是近似的，而层层之间的轮廓信息已经丢失，层厚大，丢失的信息多，导致在成型过程中产生了型面误差。

1.2.3快速成型的工艺方法
目前快速成型主要工艺方法及其分类见图3所示。

图3 目前快速成型主要工艺方法及其分类
尽管各种快速成型技术的一般步骤都相同，但不同的工艺过程其生产制品的方法则有所不同，以下列出RP工艺的主要几种类型。

1.2.3.1光固化法(Stereo lithography )
光固化法是目前应用最为广泛的一种快速成型制造工艺，它实际上比熔积法发展的还早。

光固化采用的是将液态光敏树脂固化(硬化)到特定形状的原理。

以光敏树脂为原料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。

成型开始时工作台在它的最高位置(深度a)，此时液面高于工作台一个层厚，零件第一层的截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态光敏树脂固化，形成零件第一个截面的固化层。

然后工作台下降一个层厚，使先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描固化，与此同时新固化的一层牢固地粘接在前一层上，该过程一直重复操作到达到b高度。

此时已经产生了一个有固定壁厚的圆柱体环形零件。

这时可以注意到工作台在垂直方向下降了距离ab。

到达b高度后，光束在x-y面的移动范围加大从而在前面成型的零件部分上生成凸缘形状，一般此处应添加类似于
FDM的支撑。

当一定厚度的液体被固化后，该过程重复进行产生出另一个从高度b 到c的圆柱环形截面。

但周围的液态树脂仍然是可流动的，因为它并没有在紫外线光束范围内。

零件就这样由下及上一层层产生。

而没有用到的那部分液态树脂可以在制造别的零件或成型时被再次利用。

可以注意到光固化成型也像FDM成型法一样需要一个微弱的支撑材料，在光固化成型法中，这种支撑采用的是网状结构。

零件制造结束后从工作台上取下，去掉支撑结构，即可获得三维零件。

光固化成型所能达到的最小公差取决于激光的聚焦程度，通常是0.0125mm(O.OOO5in)。

倾斜的表面也可以有很好的表面质量。

光固化法是第一个投人商业应用的RF(快速成型)技术。

目前全球销售的SL(光固化成型)设备约占RP设备总数的70%左右。

SL(光固化成型)工艺优点是精度较高，一般尺寸精度控制在10.
1 mm;表面质量好，原材料的利用率接近100%，能制造形状特别复杂、特别精细的零件，设备的市场占有率很高。

缺点是需要设计支撑，可以选择的材料种类有限，容易发生翘曲变形，材料价格较贵。

该工艺适合成型制造比较复杂的中小件。

图4 SL工艺图
1.2.3.2激光选区烧结(Selective Laser Sinering)
激光选区烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)是一种将非金属(或普通金属)粉末有选择地烧结成单独物体的工艺。

该法采用CO2激光器作为能源，目前使用的在加工室的底部装备了两个圆筒：
1)一个是粉末补给筒，它内部的活塞被逐渐地提升通过一个滚动机构给零件造型筒供给粉末;
2)另一个是零件造形筒，它内部的活塞(工作台)被逐渐地降低到熔结部分形成的
地方。

首先在工作台上均匀铺上一层很薄(l00~200μm)的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，从而使粉末固化成截面形状，一层完成后工作台下降一个层厚，滚动铺粉机构在已烧结的表面再铺上一层粉末进行下一层烧结。

未烧结的粉末仍然是松散的保留在原来的位置，支撑着被烧结的部分，它辅助限制变形，无需设计专门的支撑结构。

这个过程重复进行直到制造出整个三维模型。

全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理后便获得需要的零件。

目前，成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行直接烧结的工艺正在实验研究阶段。

它可以直接制造工程材料的零件，具有诱人的前景。

SLS工艺的优点是原型件的机械性能好，强度高;无须设计和构建支撑;可选用的材料种类多;原材料的利用率接近100% ,缺点是原型表面粗糙;原型件疏松多孔，需要进行后处理;能量消耗高;加工前需要对材料预热2h，成型后需要5~lOh的冷却，生产效率低;成型过程需要不断充氮气，以确保烧结过程的安全性，成本较高;成型过程产生有毒气体，对环境有一定的污染。

SLS工艺特别适合制作功能测试零件。

由于它可以采用各种不同成分的金属粉末进行烧结，进行渗铜等后处理，因而其制造的原型件可具有与金属零件相近的机械性能，故可用于直接制造金属模具。

由于，该工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工艺相接特别适合进行小批量比较复杂的中小零件的生产。

图5 SLS工艺图
1.2.3.3三维打印(3D Printing)
1989年，美国麻省理工学院的Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty等申请了三维印刷技术的专利，这也成为日后该领域的核心专利之一。

此后，这两位研究人
员又多次对该技术进行修改和完善，形成了今天的三维印刷快速成型（3DP）工艺。

图6为3DP工艺的原理简图。

3DP工艺与选择性激光烧结工艺（SLS）有很多相似之处：都是将粉末材料选择性地黏结成为一个整体。

但最大的不同在于3DP无需将粉末材料熔融，而是通过喷咀喷出的黏合剂使其黏合在一起。

其工艺过程通常是：上一层粘结完毕后，成型缸（图中14）下降一个距离（等于层厚），供粉缸（图中18）上升一段高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。

喷头（图中15）在计算机控制下，按下一个建造截面的成型数据有选择地喷射粘结剂建造层面。

铺粉辊（图中13）铺粉时多余的粉末被粉末收集装置（图中未标出）收集。

图6 3DP工艺原理简图
如此周而复始地送粉、铺粉和喷射黏结剂，最终完成一个三维粉体的黏结，从而生产制品。

三维喷涂粘接特点:适合成型小件；工件的表面不够光洁，需要对整个截面进行扫描粘接，成型时间较长；采用多个喷头。

1.2.3.4熔积成型法(Fused Deposition Modeling)
如图7所示，在熔积成型法( FDM)的过程中，龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动，工作台可以根据需要向上或向下移动。

热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。

最初的一层是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的。

当第一层完成后，工作台下降一个层厚并开始迭加制造一层。

FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上，通常控制在比熔点高1℃左右。

图5 FDM工艺
1，热塑性塑料或蜡制熔丝；2，可在x-y平面移动的FDM喷头；3，塑料模型；4，不固定基座；
5，提供熔丝
FDM制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑。

如图7(a)的高度，下一层熔丝将铺在没有材料支撑的空间。

解决的方法是独立于模型材料单独挤出一个支撑材料，支撑材料可以用低密度的熔丝，比模型材料强度低，在零件加工完成后可以将它拆除。

在FDA4机器中层的厚度由挤出丝的直径决定，通常是从0.5mm到0. 25mm(从0. 02in到0. 01 in)这个值代表了在垂直方向所能达到的最好的公差范围。

在x-y平面，只要熔丝能够挤出到特征上，尺寸的精确度可以达到0. 025mm(0.001in)。

FDM的优点是材料的利用率高，材料的成本低，可选用的材料种类多，工艺干净、简单、易于操作且对环境的影响小。

缺点是精度低，结构复杂的零件不易制造，表面质量差，成型效率低，不适合制造大型零件。

该工艺适合于产品的概念建模以及它的形状和功能测试，中等复杂程度的中小成型，由于甲基丙烯酸ABS材料具有较好的化学稳定型，可采用伽马射线消毒，特别适于医用。

图7 快速成型支撑结构图
(a)有一个突出截面需要支撑材料的零件；(b)在快速成型机器中常用的支撑结构
1.2.3.5 数控加工法（puter Numerical Control）
C(puter Numerical Control)是综合计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制(C)等先进技术，把计算机上构成的三维数据模型，由整块材料切削挖掘而成。

工件经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工，整个加工过程由程序自动控制，不受操作者人为因素的影响。

C加工法不同于上述四种RP工艺方法，它是“减法式”数字加工，是现代数字化制造工厂广泛应用的机械加工方式，快速成型服务提供商往往会以C加工作为快速成型模型的补充加工工艺，C加工具有速度快、成本低、加工精度高、加工尺寸大、材料选择范围广的特点，可以保证手板模型的材料和批量生产零件材料的一致性，表面质量和力学性能可以达到很高的水平。

图8 数控机床
1.2.3.6 主流快速成型工艺（含C）比较
表1 主流快速成型工艺的比较
SL
激光光固化SLS
激光粉末烧结
3DP
三维打印
FDM
熔融沉积
C
数控机床
成形速度较快较慢较慢较慢快成形精度较高较低较低较低较高制造成本较高较低低较低较低
复杂程度中等复杂中等中等中等、复杂（并联多轴）
零件大小中小件中小件中小件中小件中大件
常用材料热固性光敏树
脂
石蜡、塑料、金属、
陶瓷粉末等
ABC塑
料，其中
还混合了
铝和玻璃
石蜡、尼龙、
ABS、低熔点
金属等
ABS，POM（赛
钢），亚克力，尼
龙，PC，PP，电
木。

金属材料：
铝合金、镁合金，
锌合金，铜等
1.2.3.6 其他快速成型工艺
EBM：Electron Beam Melting，电子束熔炼EBM系统，专门用于医用植体制造的电子束熔炼系统，直接从CAD到成品制造完成的全自动化系统.
SLM：Selective Laser Melting，选择性激光熔化，金属粉末的快速成型技术，用它能直接成型出接近完全致密度的金属零件。

SLM技术克服了选择性激光烧结（SLS）技术制造金属零件工艺过程复杂的困扰。

RIM：Reaction Injection Molding，低压灌注，又名低压反应注射成型。

VCM：silicone mold，真空浇注硅胶模，亦称作为矽胶模。

MC：Metal coating，金属铸模。

1.3 快速成型技术的发展
1.3.1 快速成型技术的发展历史
快速成型技术诞生于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，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。

国内外的主流快速成型技术的发展沿革如表2、3所示。

表2 全球主流快速成型技术的发展沿革
表3 国内主要快速成型系统的科研机构
1.3.2 快速成型技术的发展方向
快速成型制造是一种以材料累加为原理的制造方法，可以制造任意复杂的三维结构。

快速成型发展目前最大的难题是材料的物理与化学性能制约了工艺实现。

例如，在成形材料上，目前主要是有机高分子材料；金属材料直接成形是近十多年的研究热点，难点在于如何提高精度。

在成形材料上，发展方向是研究陶瓷材料和复合材料的快速成型制造。

在制造装备的发展上，三维打印机是国外近年来的发展热点，将其作为计算机一个外设在应用。

快速成型技术在工业造型、产品创意、工艺美术等方面有着广泛的应用前景和巨大的商业价值。

快速成型技术的研究热点和发展方向分3个方面：
（1）快速成型制造技术本身的发展。

例如三维打印技术，使快速成型走向信息市场；金属直接成形技术使结构功能零件可直接制造。

进一步的发展是陶瓷零件的快速成型技术和复合材料的快速成型。

（2）快速成型应用领域的拓展。

例如快速成型在汽车制造领域的应用为新产品的开发提供了快捷的支持技术。

快速成型在生物假体与组织工程上的应用，为人工定制假体制造、三维组织支架制造提供了有效的技术手段。

进一步是向创意设计、航空航天制造和功能结构器件领域发展。

（3）快速成型学术思想的发展。

快速成型从过去的外形制造向材料组织与外形结构设计制造一体化方向发展。

力图实现从微观组织到宏观结构的可控制造。

例如在制造复合材料时，能否将复合材料组织设计制造与外形结构设计制造同步完成。

这样从更广泛的意义上实现结构体的“设计—材料—制造”一体化。

而针对我国的具体国情，快速成型技术今后的主要发展方向有:
1)成型工艺、成型设备和成型材料的研发与改进;
2)直接快速成型的金属模具制造技术;
3)基于因特网的分散化快速原型、快速模具的网络制造技术研究;
4)与生物技术相结合;
5)进一步完善软件的功能。

2 快速成型技术行业及产业
2.1 快速成型技术的行业应用现状
快速成型技术问世以来，经过二十多年的发展，该技术在各个环节都取得了长足进步，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。

人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。

该技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了广泛应用，对改善制造业的产品设计和制造水平起到了巨大作用，在工程和教学研究等应用领域也占有了独特地位。

目前，快速成型技术的市场应用份额如图9所示，汽车及零配件领域占据37%的市场，消费品领域占据18.2%，航空航天和国防军工有近14%，商业机器领域有11.2%，医疗领域有8.8%，科研占8.6%。

2.1.1医学应用
快速成型技术独特的制造方法和个人定制等特性，使其在医学上找到用武之地，比如牙齿、骨骼、医学器械和植入管的定制等。

另外，快速成型技术在牙科正畸、助听器方面也应用颇广。

2.1.2 制造领域
快速成型技术在制造领域的应用在其总体应用中占比最大，高达67%（见图9）这显示出RP技术在生产制造业中的独特优势，也体现了生产制造对新技术、新工艺的需求。

严格来说，目前RP技术应用在制造领域中的方式并不是前文所定义的快速制造（RM），即并不是利用RP设备直接制造出无需再加工便可使用的制品。

通常应用在产品试制和试验阶段，比如功能检测和装配检测等。

同时，也有利用RP技术直接制造的大量例子。

比如，波音公司建立了一整套“定制生产（Production On Demand-POD）”生产流程，可以在很短时间内制造传统加工方法很难加工的航空航天工业中的导风管道。

此外，在间接制造（比如制造注射模具等）方面也有广泛应用。

图9 快速成型市场的行业应用份额（维基百科最新资料）
2.2 快速成型技术的行业市场主体分析
如图10所示，快速成型技术体系涉及到三维数字化技术、三维模型设计技术、快速成型软件及成套设备、成型材料等，因此按照快速成型技术按产业链的分布及技术的主流应用领域，主要存在以下市场主体形态（参考美国Utah州立大学归纳办法）：
1、Rapid Prototyping Systems（快速成型系统的研发、生产机构）
2、Direct Manufacturing Systems（快速制造系统的研发、生产机构）
3、Open Source Systems（开源快速成型系统的研发机构，主要面向快速成型系统制造者提供开源的软件系统）
4、CONCEPT MODELING SYSTEMS（主要生产三维打印机方面的研发、生产机构）
5、SOFTWARE FOR THE RAPID PROTOTYPING MARKET（快速成型市场应用的商业软件开发机构）
6、MERCIAL SERVICE PROVIDERS （快速成型商业服务提供者）
（1）Concept Modelers（制作概念模型的机构，主要面向产品设计阶段的产品样件模型制作、模具原型制作、小批量个性化概念模型制作等）
（2）Biomedical uses of Rapid Prototyping（从事快速原型或者快速制造的机构，主要面向生物医学方面的快速成型用户）
（3）Art via Rapid Prototyping（从事快速原型或者快速制造的机构，主要面向艺术品设计快速成型或小批量的快速制造）。