增材制造_3D打印_技术发展
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
·综述与展望·
卢秉恒，等·增材制造( 3D 打印) 技术发展
【编者按】由卢秉恒院士、李涤尘教授撰写的《增材制造( 3D打印) 技术发展》一文，曾发表 于《机械工程导报》2012 年 11 /12 月刊。在征得作者同意并经作者修改后，本刊予以发表，以 飨读者。
增材制造概念的提出始于 20 世纪 80 年代后期，我国则始于 90 年代初开始研究。经过短 短 20 余年的时间，这一技术已取得了飞速发展，在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多 领域的应用前景十分广阔。本文作者介绍了增材制造技术、设备和应用情况，阐述了国内外增 材制造技术发展的现状及发展趋势。可以预见，随着研究的不断深入，增材制造技术必将成为 具有巨大发展潜力的制造技术，给装备制造业带来革命性的变化。本刊希望通过对此文的发 表，能引起方方面面对增材制造技术的认识、了解与重视，探索增材制造技术对传统制造领域 乃至更大工业领域带来的影响，为提升我国装备制造业水平作出贡献。
据调查，价格低于 2 000 美元的设备多用于科学研究 或个人，对行业产值影响不大。行业发展主要依赖于专业 化设备性能 的 提 高。 目 前，专 业 化 设 备 主 要 销 往 美 国 市 场。由于经济不景气隐藏的潜在客户被挖掘，并随着设计 与制造的快速增长，快速成型制造行业也得以发展。在美 国明尼苏达州明尼阿波利斯市举行的年度快速成型会议 上，Materialise 公司（ 比利时） 的创始人兼首席执行官 Wilfried Vancraen 因其对快速成型行业的广泛贡献被授予行 业成就奖。增材制造技术发展呈现以下特点。
美国奥巴马总统在 2012 年 3 月 9 日提出发展美国振 兴制造业 计 划，向 美 国 国 会 提 出“制 造 创 新 国 家 网 络” （ NNMI） ，其目的在夺回制造业霸主地位，要以一半的时 间和费用完成产品开发，实现在美国设计，在美国制造，使 更多美国人返回工作岗位，构建持续发展的美国经济。为 此，奥巴马政府启动首个项目“增材制造”，初期政府投资 3 000 万美元，企业配套 4 000 万元，由国防部牵头，制造 企业、大学院校以及非盈利组织参加，研发新的增材制造 技术与产品，使美国成为全球优秀的增材制造的中心，架 起“基础研究与产品研发”之间的纽带。美国政府已经将 增材制造技术作为国家制造业发展的首要战略任务给予 支持。
ing technology which has developed rapidly in recent 30 years． It is adept at rapid and free － forming fabrication of 3D structures and widely used in new products development and single － piece or small － batch production． The development state of additive manufacturing （ 3D printing） systems and applications both at home and abroad are introduced，and the development trends and key technologies in the future are discussed in this paper．
增材制造（ 3D 打印） 技术发展
卢秉恒a ，李涤尘b
（ 西安交通大学 a 机械工程学院； b 机械制造系统工程国家重点实验室 快速制造国家Leabharlann Baidu程研究中心，西安交通大学 陕西 西安 710049）
摘 要： 增材制造技术俗称 3D 打印技术，是近 30 年快速发展的先进制造技术，其优势在于三 维结构的快速和自由制造，被广泛应用于新产品开发、单件小批量制造。本文介绍了增材制造 技术设备和应用情况，阐述国内外增材制造技术发展现状，说明增材制造技术发展趋势和关键 技术。 关键词： 增材制造; 3D 打印; 发展状况; 发展趋势 中图分类号： TG669 文献标志码： A 文章编号： 1671-5276（ 2013） 04-0001-04
美国材料与试验协会（ ASTM） F42 国际委员会对增材 制造和 3D 打印有明确的概念定义。增材制造是依据三 维 CAD 数据将材料连接制作物体的过程，相对于减法制 造它通常是逐层累加过程。3D 打印是指采用打印头、喷 嘴或其他打印技术沉积材料来制造物体的技术，3D 打印 也常用来表示“增材制造”技术，在特指设备时，3D 打印 是指相对价格或总体功能低端的增材制造设备。
到 10． 2% 。在过去的几年中，航空器制造和医学应用是 增长最快的应用领域。目前美国在设备的拥有量上占全 球的 38% ，中国继日本和德国之后，以约 9% 的数量占第 四位。在设备产量方面，美国 3D 打印设备产量最高，占 世界的 71% ，欧洲以 12% 、以色列以 10% 位居第二和第 三，中国设备产量占 4% 。
1 国际发展状况
国际上增材制造经过 20 多年的发展，美国已经成为 增材制造领先的国家，3D 打印技术不断融入人们的生活， 在食品、服装、家俱、医疗、建筑、教育等领域大量应用，催 生许多新的产业。增材制造设备已经从制造业设备成为 生活中的创造工具。人们可以用 3D 打印技术自己设计 的物品，使得创造越来越容易，人们可以自由地开展创造 活动。创造活力成为引领社会发展的热点。增材制造技 术正在快速改变传统的生产方式和生活方式，欧美等发达 国家和新兴经济国家将其作为战略性新兴产业，纷纷制定 发展战略，投入资金，加大研发力量和推进产业化。
Development of the Additive Manufacturing （ 3 D printing ） Technology
LU Bing-henga ，LI Di-chenb （ a Collgeg of Mechanical Englneering； b State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering， National Engineering Research Center of Rapid Manufacturing； Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China） Abstract： Additive Manufacturing technology，Commonly known as the 3D printing technology，is one of the advanced manufactur-
从广义的原理来看，以设计数据为基础，将材料 （ 包 括液体、粉材、线材或块材等） 自动化地累加起来成为实 体结构的制造方法，都可视为增材制造技术。
增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工 序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造 出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多 过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了加工 工序，缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品，其制 造的速度作用越显著。近年来，增材制造技术取得了快速 的发展。增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了 许多增材制造设备。目前已有的设备种类达到 20 多种。 该技术一出现就取得了快速的发展，在各个领域都取得了 广泛的应用，如在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军 工、地理信息、艺术设计等。增材制造的特点是单件或小 批量的快速制造，这一技术特点决定了增材制造在产品创 新中具有显著的作用。美国《时代》周刊将增材制造列为 “美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认 为它将“与其他 数 字 化 生 产 模 式 一 起 推 动 实 现 第 三 次 工 业革命”，认为 该 技 术 改 变 未 来 生 产 与 生 活 模 式，实 现 社 会化制造，每个人都可以成为一个工厂，它将改变制造商 品的方式，并改变世界的经济格局，进而改变人类的生活 方式。
Machine Building Automation，Jun 2013，42( 4) : 1 ～ 4
·1·
·综述与展望·
卢秉恒，等·增材制造( 3D 打印) 技术发展
0 概述
增材 制 造 （ additive manufacturing，AM ） 技 术 是 通 过 CAD 设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的 技术，相对于传统的材料去除 （ 切削加工） 技术，是一种 “自下而上”材料累加的制造方法。自 20 世纪 80 年代末 增材制造技术 逐 步 发 展，期 间 也 被 称 为“材 料 累 加 制 造 ” （ material increse manufacturing） 、“快速原型”（ rapid prototyping） 、“分层制造”（ layered manufacturing） 、“实体自由 制造”（ solid free － form fabrication） 、“3D 打印技术”（ 3D printing） 等。名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该 制造技术的特点。
2012 年的增材制造设备市场 延 续 近 年 的 发 展 好 形 势，销售数目和收入的增加让销售商从中获益，进一步推 动了美国股票价格的增长。2012 年，增材制造技术通过 主要出版物、电视节目甚至电影的方式涌入公众的视野。 2012 年 4 月，在 Materialise 公司（ 比利时） 的世界大会上， 举办了一场时装秀，展出了快速成型制造的帽子和饰品。
Key words： additive manufacturing； 3D printing； development situation； development trend
作者简介： 卢秉恒（ 1945 － ） ，男，安徽亳州人，教授，博士生导师，中国工程院院士，西安交通大学机械工程学院院长，兼任国家自然科学 基金咨询委员会委员，国务院学位办机械学科评议组召集人，中国机械工程学会副理事长，中国机械制造工艺协会副理事长， 国家 973 计划项目“超高速切削及其装备”首席科学家，国家重大科技专项“高档数控机床及基础制造装备”技术负责人，国 家自然科学基金重大研究计划“纳米制造基础研究”指导专家组组长，快速制造国家工程研究中心负责人。长期从事先进制 造技术方面的研究及增材制造、微纳制造、生物制造等技术与装备的科研和教学工作，是中国增材制造技术的开拓者之一，先 后主持“九五”、“十五”国家重点科技攻关项目及国家自然科学基金、国家 863 和国家 973 项目等 20 余项，获得国家科技进步 二等奖 1 项，国家技术发明二等奖 1 项，获得省部级一等奖 3 项，2001 年获全国五一劳动奖章，全球华人蒋氏科技成就奖，授 权国家发明专利 40 余项，发表论文 300 余篇。 李涤尘（ 1964 － ） ，男，重庆南岸人，西安交通大学机械工程学院长江学者特聘教授，博士生导师，机械制造系统工程国家重点实验 室主任，兼任中国机械工程学会特种加工分会增材制造技术委员会主任、摩擦学分会人工关节与内植物委员会副主任，《Virtual ＆ Physical Prototyping》、《Biofabrication》和《Journal of Bionic Engineering》国际期刊编委。2004 年获得第 8 届中国青年科技奖， 2007 年入选国家新世纪百千万工程计划。主要从事制造工艺与装备、快速成形制造技术和生物制造等方面研究。获得国家科 技进步二等奖 1 项，省部级一等奖 3 项； 授权国家发明专利 60 余项； 发表论文 400 余篇，其中国际期刊 100 余篇。
美国专门从事增材制造技术咨询服务的 Wohlers 协 会在 2013 年度报告中对行业发展情况进行了分析。2012 年增材制造设备与服务全球直接产值 22． 04 亿美元，2012 年增长率为 28． 6% ，其中，设备材料： 10． 03 亿美元，增长 20． 3% ，服务产值： 12 亿美元，增长 36． 6% ，其发展特点是 服务相对设备材料，增长更快。在增材制造应用方面，消 费商品和电子领域仍占主导地位，但是比例从 23． 7 % 降 低到 21． 8 % ； 机动车领域从 19． 1 % 降低到 18． 6 % ； 研究 机构为 6． 8 % ； 医学和牙科领域从 13． 6 % 增加到 16． 4 % ； 工业设备领域为 13． 4 % ； 航空航天领域从 9． 9% 增加
卢秉恒，等·增材制造( 3D 打印) 技术发展
【编者按】由卢秉恒院士、李涤尘教授撰写的《增材制造( 3D打印) 技术发展》一文，曾发表 于《机械工程导报》2012 年 11 /12 月刊。在征得作者同意并经作者修改后，本刊予以发表，以 飨读者。
增材制造概念的提出始于 20 世纪 80 年代后期，我国则始于 90 年代初开始研究。经过短 短 20 余年的时间，这一技术已取得了飞速发展，在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多 领域的应用前景十分广阔。本文作者介绍了增材制造技术、设备和应用情况，阐述了国内外增 材制造技术发展的现状及发展趋势。可以预见，随着研究的不断深入，增材制造技术必将成为 具有巨大发展潜力的制造技术，给装备制造业带来革命性的变化。本刊希望通过对此文的发 表，能引起方方面面对增材制造技术的认识、了解与重视，探索增材制造技术对传统制造领域 乃至更大工业领域带来的影响，为提升我国装备制造业水平作出贡献。
据调查，价格低于 2 000 美元的设备多用于科学研究 或个人，对行业产值影响不大。行业发展主要依赖于专业 化设备性能 的 提 高。 目 前，专 业 化 设 备 主 要 销 往 美 国 市 场。由于经济不景气隐藏的潜在客户被挖掘，并随着设计 与制造的快速增长，快速成型制造行业也得以发展。在美 国明尼苏达州明尼阿波利斯市举行的年度快速成型会议 上，Materialise 公司（ 比利时） 的创始人兼首席执行官 Wilfried Vancraen 因其对快速成型行业的广泛贡献被授予行 业成就奖。增材制造技术发展呈现以下特点。
美国奥巴马总统在 2012 年 3 月 9 日提出发展美国振 兴制造业 计 划，向 美 国 国 会 提 出“制 造 创 新 国 家 网 络” （ NNMI） ，其目的在夺回制造业霸主地位，要以一半的时 间和费用完成产品开发，实现在美国设计，在美国制造，使 更多美国人返回工作岗位，构建持续发展的美国经济。为 此，奥巴马政府启动首个项目“增材制造”，初期政府投资 3 000 万美元，企业配套 4 000 万元，由国防部牵头，制造 企业、大学院校以及非盈利组织参加，研发新的增材制造 技术与产品，使美国成为全球优秀的增材制造的中心，架 起“基础研究与产品研发”之间的纽带。美国政府已经将 增材制造技术作为国家制造业发展的首要战略任务给予 支持。
ing technology which has developed rapidly in recent 30 years． It is adept at rapid and free － forming fabrication of 3D structures and widely used in new products development and single － piece or small － batch production． The development state of additive manufacturing （ 3D printing） systems and applications both at home and abroad are introduced，and the development trends and key technologies in the future are discussed in this paper．
增材制造（ 3D 打印） 技术发展
卢秉恒a ，李涤尘b
（ 西安交通大学 a 机械工程学院； b 机械制造系统工程国家重点实验室 快速制造国家Leabharlann Baidu程研究中心，西安交通大学 陕西 西安 710049）
摘 要： 增材制造技术俗称 3D 打印技术，是近 30 年快速发展的先进制造技术，其优势在于三 维结构的快速和自由制造，被广泛应用于新产品开发、单件小批量制造。本文介绍了增材制造 技术设备和应用情况，阐述国内外增材制造技术发展现状，说明增材制造技术发展趋势和关键 技术。 关键词： 增材制造; 3D 打印; 发展状况; 发展趋势 中图分类号： TG669 文献标志码： A 文章编号： 1671-5276（ 2013） 04-0001-04
美国材料与试验协会（ ASTM） F42 国际委员会对增材 制造和 3D 打印有明确的概念定义。增材制造是依据三 维 CAD 数据将材料连接制作物体的过程，相对于减法制 造它通常是逐层累加过程。3D 打印是指采用打印头、喷 嘴或其他打印技术沉积材料来制造物体的技术，3D 打印 也常用来表示“增材制造”技术，在特指设备时，3D 打印 是指相对价格或总体功能低端的增材制造设备。
到 10． 2% 。在过去的几年中，航空器制造和医学应用是 增长最快的应用领域。目前美国在设备的拥有量上占全 球的 38% ，中国继日本和德国之后，以约 9% 的数量占第 四位。在设备产量方面，美国 3D 打印设备产量最高，占 世界的 71% ，欧洲以 12% 、以色列以 10% 位居第二和第 三，中国设备产量占 4% 。
1 国际发展状况
国际上增材制造经过 20 多年的发展，美国已经成为 增材制造领先的国家，3D 打印技术不断融入人们的生活， 在食品、服装、家俱、医疗、建筑、教育等领域大量应用，催 生许多新的产业。增材制造设备已经从制造业设备成为 生活中的创造工具。人们可以用 3D 打印技术自己设计 的物品，使得创造越来越容易，人们可以自由地开展创造 活动。创造活力成为引领社会发展的热点。增材制造技 术正在快速改变传统的生产方式和生活方式，欧美等发达 国家和新兴经济国家将其作为战略性新兴产业，纷纷制定 发展战略，投入资金，加大研发力量和推进产业化。
Development of the Additive Manufacturing （ 3 D printing ） Technology
LU Bing-henga ，LI Di-chenb （ a Collgeg of Mechanical Englneering； b State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering， National Engineering Research Center of Rapid Manufacturing； Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China） Abstract： Additive Manufacturing technology，Commonly known as the 3D printing technology，is one of the advanced manufactur-
从广义的原理来看，以设计数据为基础，将材料 （ 包 括液体、粉材、线材或块材等） 自动化地累加起来成为实 体结构的制造方法，都可视为增材制造技术。
增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工 序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造 出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多 过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了加工 工序，缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品，其制 造的速度作用越显著。近年来，增材制造技术取得了快速 的发展。增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了 许多增材制造设备。目前已有的设备种类达到 20 多种。 该技术一出现就取得了快速的发展，在各个领域都取得了 广泛的应用，如在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军 工、地理信息、艺术设计等。增材制造的特点是单件或小 批量的快速制造，这一技术特点决定了增材制造在产品创 新中具有显著的作用。美国《时代》周刊将增材制造列为 “美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认 为它将“与其他 数 字 化 生 产 模 式 一 起 推 动 实 现 第 三 次 工 业革命”，认为 该 技 术 改 变 未 来 生 产 与 生 活 模 式，实 现 社 会化制造，每个人都可以成为一个工厂，它将改变制造商 品的方式，并改变世界的经济格局，进而改变人类的生活 方式。
Machine Building Automation，Jun 2013，42( 4) : 1 ～ 4
·1·
·综述与展望·
卢秉恒，等·增材制造( 3D 打印) 技术发展
0 概述
增材 制 造 （ additive manufacturing，AM ） 技 术 是 通 过 CAD 设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的 技术，相对于传统的材料去除 （ 切削加工） 技术，是一种 “自下而上”材料累加的制造方法。自 20 世纪 80 年代末 增材制造技术 逐 步 发 展，期 间 也 被 称 为“材 料 累 加 制 造 ” （ material increse manufacturing） 、“快速原型”（ rapid prototyping） 、“分层制造”（ layered manufacturing） 、“实体自由 制造”（ solid free － form fabrication） 、“3D 打印技术”（ 3D printing） 等。名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该 制造技术的特点。
2012 年的增材制造设备市场 延 续 近 年 的 发 展 好 形 势，销售数目和收入的增加让销售商从中获益，进一步推 动了美国股票价格的增长。2012 年，增材制造技术通过 主要出版物、电视节目甚至电影的方式涌入公众的视野。 2012 年 4 月，在 Materialise 公司（ 比利时） 的世界大会上， 举办了一场时装秀，展出了快速成型制造的帽子和饰品。
Key words： additive manufacturing； 3D printing； development situation； development trend
作者简介： 卢秉恒（ 1945 － ） ，男，安徽亳州人，教授，博士生导师，中国工程院院士，西安交通大学机械工程学院院长，兼任国家自然科学 基金咨询委员会委员，国务院学位办机械学科评议组召集人，中国机械工程学会副理事长，中国机械制造工艺协会副理事长， 国家 973 计划项目“超高速切削及其装备”首席科学家，国家重大科技专项“高档数控机床及基础制造装备”技术负责人，国 家自然科学基金重大研究计划“纳米制造基础研究”指导专家组组长，快速制造国家工程研究中心负责人。长期从事先进制 造技术方面的研究及增材制造、微纳制造、生物制造等技术与装备的科研和教学工作，是中国增材制造技术的开拓者之一，先 后主持“九五”、“十五”国家重点科技攻关项目及国家自然科学基金、国家 863 和国家 973 项目等 20 余项，获得国家科技进步 二等奖 1 项，国家技术发明二等奖 1 项，获得省部级一等奖 3 项，2001 年获全国五一劳动奖章，全球华人蒋氏科技成就奖，授 权国家发明专利 40 余项，发表论文 300 余篇。 李涤尘（ 1964 － ） ，男，重庆南岸人，西安交通大学机械工程学院长江学者特聘教授，博士生导师，机械制造系统工程国家重点实验 室主任，兼任中国机械工程学会特种加工分会增材制造技术委员会主任、摩擦学分会人工关节与内植物委员会副主任，《Virtual ＆ Physical Prototyping》、《Biofabrication》和《Journal of Bionic Engineering》国际期刊编委。2004 年获得第 8 届中国青年科技奖， 2007 年入选国家新世纪百千万工程计划。主要从事制造工艺与装备、快速成形制造技术和生物制造等方面研究。获得国家科 技进步二等奖 1 项，省部级一等奖 3 项； 授权国家发明专利 60 余项； 发表论文 400 余篇，其中国际期刊 100 余篇。
美国专门从事增材制造技术咨询服务的 Wohlers 协 会在 2013 年度报告中对行业发展情况进行了分析。2012 年增材制造设备与服务全球直接产值 22． 04 亿美元，2012 年增长率为 28． 6% ，其中，设备材料： 10． 03 亿美元，增长 20． 3% ，服务产值： 12 亿美元，增长 36． 6% ，其发展特点是 服务相对设备材料，增长更快。在增材制造应用方面，消 费商品和电子领域仍占主导地位，但是比例从 23． 7 % 降 低到 21． 8 % ； 机动车领域从 19． 1 % 降低到 18． 6 % ； 研究 机构为 6． 8 % ； 医学和牙科领域从 13． 6 % 增加到 16． 4 % ； 工业设备领域为 13． 4 % ； 航空航天领域从 9． 9% 增加