3D打印领域过去有哪些技术和发展方向？

随着人类文明的发展，文化艺术、生产工具和技术的进步，社会经济不断发展。在几千年的历史长河中，中国以其优秀的文明，尤其是经济实力遥遥领先于其他国家。从英国人安格斯·麦迪逊写的《世纪经济千年史》中我们可以看到，中国经济总量占世界经济总量的比重在1000年是22.7%，在1500年是25%，在1600年是29.2%。东方文明领先于西方世界。

然而，这种格局在17世纪后发生了根本变化。随着英国资本主义制度的建立，蒸汽机开始用于生产领域，机器生产取代了手工生产。全球从“手工业时代”进入“蒸汽时代”，第一次工业革命开始，极大地促进了欧洲国家的经济发展。由于生产方式的改变，生产能力大大提高，国内市场无法及时消化日益增长的商品生产需求，于是英、法、德、意、荷等资本主义国家纷纷将殖民地扩大到亚非等其他大陆，寻找新的市场和原料供应地。以英、法、德、意、荷为代表的欧洲文明超越了亚洲，从而形成了东方从属于西方的局面，可谓创造和改变了世界格局。最实质性的变化发生在第二次工业革命和20世纪中叶之间。1870以后，由于电力的广泛应用，世界从“蒸汽时代”走向了“电气时代”，科技发展突飞猛进，各种新技术、新发明层出不穷，并迅速应用于工业生产，极大地推动了世界经济的发展。特别是美国的崛起，说明制造业在一个国家的发展中起着重要的作用。18年底，美国开始效仿英国，走独立后的工业化和现代化道路。美国意识到，只有致力于发展制造业，才能跻身世界强国之列。19世纪上半叶，美国最重要的发展是新工厂制度的建立。比如，它把原来分散的生产流程组合起来，实行新的分工，然后把制造某种商品的所有流程集中在一个工厂，统一管理。经过100多年的发展，到19年底，世界金融中心从伦敦转移到纽约，美国成为世界上最发达的国家和最大的经济强国。可以说，制造业不仅改变了世界格局，也决定了一个国家的发展程度。比如美国68%的财富来自制造业，49%的国民生产总值由制造业提供；改革开放以来，中国制造业发展迅速。2011年，我国高技术制造业年总产值达到9.2万亿元，占我国国内生产总值的19.51%，加工贸易出口总额达到8354亿美元，占我国国内生产总值的11.2%。可见，制造业的发展不仅为老百姓的日常生活提供了保障，也为提高我国的综合国力奠定了基础。

自2008年美国金融引发的全球经济危机爆发以来，世界经济似乎从未走出低谷。期间虽多次试图反弹，但由于后劲不足，依然增长乏力。历史经验一再证明，全球经济衰退的时候，就是新经济萌芽、新技术诞生的时候。全球经济的不景气表明，传统的生产关系已经严重阻碍了生产力的发展，变革将成为生产关系的新动力。

今年以来，关于第三次工业革命的讨论达到高潮。美国学者杰里米·里夫金表示，互联网与新能源的结合将引发新一轮工业革命——这将是继19世纪的蒸汽机和20世纪的电气化之后的第三次“革命”。英国《经济学人》杂志也指出，3D打印技术的市场潜力巨大，势必成为引领未来制造业潮流的诸多突破之一。这些突破将使工厂彻底告别车床、钻头、冲床、成型机等传统工具，由更加灵巧的计算机软件主导，这是第三次工业革命到来的标志。

3D打印技术属于一种非传统加工技术，又称增材制造、快速成型等。是近30年来全球先进制造领域集光、机、电、计算机、数控、新材料于一体的先进制造技术。与传统的切割等材料“去除方式”不同，3D打印技术通过将粉末、液体薄片等离散材料逐层叠加，“自然生长”成三维实体。这项技术把一个三维立体变成了几个二维平面，大大降低了制造复杂度。理论上，只要在电脑上设计出结构模型，就可以应用这项技术，在没有工具、模具和复杂工艺的情况下，快速将设计变成实物。该技术特别适用于小批量、非对称结构、多曲面和内部结构件(如航空发动机空心叶片、人体骨骼修复体、保形冷却水道等)的快速制造。)在航空航天、武器装备、生物医药、汽车制造、模具等领域。，符合现代和未来的发展趋势。

3D打印技术的起源与发展

3D打印技术的核心制造理念起源于美国。早在1892中，J.E.Blanther就在其专利中建议采用分层制造法构造地形图。1902年，Carlo Baese提出了用光聚合物制作塑料零件的原理。1904年，佩雷拉提出了在纸板上切割轮廓，然后将这些纸板粘合成三维地形图的方法。20世纪50年代后，出现了数百项关于3D打印的专利。80年代后期，3D打印技术有了根本性的发展，出现了更多的专利。只有24项美国专利在1986-1998之间注册。赫尔在1986年发明了立体光刻外观(SLA)，费金在1988年发明了分层实体制造，德卡德在1989年发明了粉末激光烧结(SLS)。1992年，Crump发明了熔融沉积成型技术(FDM)，1993年，Sachs在MIT发明了3D打印技术。

随着各种专利3D打印技术的不断发明，其相应的生产设备也相继研发出来。65438-0988年，美国3D Systems公司根据赫尔的专利生产了第一台现代3D打印设备——SLA-250(光固化成型机)，开创了3D打印技术发展的新时代。随后的十年间，3D打印技术蓬勃发展，出现了十多种新工艺和相应的3D打印设备。1991年，Stratasys FDM设备、Cubital SGC、Solid Ground Curing (SGC)设备和Helisys LOM设备实现商业化。1992年，DTM SLS技术(现属于3D系统)研制成功。1994年，德国EOS公司引进EOSINT选择性激光烧结设备；1996年，3D Systems公司利用喷墨打印技术制造了其第一台3D打印机——ACTUA 2100；同年，Z Corp还发布了Z402 3D打印机。总的来说，美国在装备研发、生产和销售方面占据领先地位，其发展水平和趋势基本代表了世界的发展水平和趋势。欧洲和日本也不甘落后，进行了相关的技术研究和设备研发。当时台湾省立大学虽然有LOM设备，但台湾省内各单位和军队都是进口安装SL系列设备，香港生产力促进局、香港科技大学、香港理工大学、香港城市大学都拥有RP设备，侧重于相关技术的应用和推广。

3D打印技术作为最先进的制造方法，也代表了世界上最先进的科学技术。邓小平说，科学技术是第一生产力。党和国家历来重视科技产业的发展。20世纪80年代中期，党中央、国务院提出并实施了高技术研究发展计划，在生物技术、信息技术、自动化技术、新材料技术、激光技术等对我国未来经济社会发展有重大影响的诸多领域设立了15专题项目，以跟踪世界先进水平。在这种形势下，1994成立了中国最早的专业3D打印公司——北京龙源汽车成型有限公司，注册资金200万美元，专业从事快速成型设备的研发和销售，并成功制造了国内第一台SLS快速成型设备——AFS-360。

3D打印技术和装备水平

在设备研发方面，德国、美国、日本在该领域处于世界领先水平，并形成了一批专业化、规模化生产3D打印设备的知名企业，如德国EOS、美国3D Systems、日本CMET等。其中，3D Systems生产的SLA设备在国际市场上占比最大。从1988开始，企业陆续推出SLA-250、250HR、3500、5000、7000、蝰蛇Pro系统等SLA设备(最大成型空间达到1500×750×550mm)。其主要技术优点是使用寿命长(5000小时以上)，成型精度高。日本Denken工程公司和Autostrade公司打破SLA设备使用紫外光源的惯例，率先使用波长约680nm的半导体激光器作为光源，大大降低了SLA设备的成本。在SLS设备方面，德国EOS公司和美国3D系统公司是世界上该技术的主要提供商。成型材料已经从早期的高分子材料扩展到金属、陶瓷等功能材料。成型精度约为0.1-0.2mm，成型空间逐渐增大，最大台面超过500 mm，在金属直接3D打印领域，全球有很多成熟的设备制造商，包括德国EOS公司(EOSING M270)和Concept laser公司(M Cusing系列)，美国MCP公司(Realizer系列)，瑞典Acram公司(EBM设备)。

中国在20世纪90年代初开始研发3D打印。北京龙源公司自1994研制成功第一台激光快速成型机以来，致力于选择性激光粉末烧结(SLS)快速成型机的研制，同时致力于快速成型的应用和加工服务。先后推出AFS-360，500，laser Core-5100，5300，7000等型号的SLS设备(最大成型空间为1400×700×400mm)，现已拥有110以上的设备用户，65438。

作为公司的总经理兼总工程师，冯涛毕业于清华大学，就职于清华大学高分子材料研究所。在高分子材料和激光光学方面有着丰富的理论和实践经验，是国内最早从事激光快速成型技术研究的专家之一。他在3D打印技术的应用和材料方面有着深厚的造诣。早在1995，他就提出将SLS应用于快速精密制造。与其他3D打印机技术相比，SLS最突出的优势是成型材料使用范围广。理论上，任何加热后能在原子间形成键的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前SLS能成功加工的材料有石蜡、聚合物、金属、陶瓷粉末及其复合粉末材料。SLS成型材料种类多，节省材料，成型件性能分布广。此外，SLS不需要设计和制造复杂的支撑系统，因此适用于多种用途。在他的带领下，北京龙源先后成功研发了熔模铸造、蜡模成型、铸造型壳等复杂制造方法，以及聚苯乙烯粉末、合成材料在3D打印中的应用方法。现在，冯涛已经开始研究金属粉末在SLS技术中的应用，并取得了一定的成果。在他看来，实现高熔点金属零件的直接烧结，对于3D打印技术在传统切割方法难以制造的高强度零件上的更广泛应用具有重要意义。冯涛认为，SLS成形技术在金属材料领域的研究方向应该是单一体系金属零件的烧结成形、多元合金材料的烧结成形以及金属纳米材料、非晶金属合金等先进金属材料的激光烧结成形等。这尤其适用于由硬质合金材料制成的微型部件的成形。另外，根据零件的具体功能和经济要求，烧结出具有功能梯度和结构梯度的零件。可以预见，随着激光烧结金属粉末成形机理的掌握、各种金属材料最佳烧结参数的获得以及特种快速成型材料的出现，SLS技术的研究和引进必将进入一个新的境界。

北京龙源作为国内最早实现3D打印技术产业化和服务化的公司，从其在3D打印设备和材料应用方面的众多成果以及对中国3D打印产业发展的推动作用来看，可以称得上是中国3D打印技术的引领者。

1994成功制造国内首台SLS快速成型设备，专业从事快速成型设备的研发和销售；1995通过北京市科委组织的专家鉴定；1997期间，精密铸造用烧结材料及快速铸造技术研究取得成功，进入复杂金属结构快速开发领域。1998参与科技部快速成型示范服务中心项目，设备被两个服务中心选用；2000年，基于SLS的复杂内腔结构金属零件快速铸造工艺研制成功，为复杂结构发动机零件的快速制造奠定了基础，金属材料直接成型技术进入实质性发展阶段；2002年开始与中国工程物理研究院合作研究高功率激光直接制造金属零件。2004年，我们与华南理工大学合作开发选择性激光熔化金属成形技术。目前可以制造密度为100%的不锈钢和镍基合金钢零件。2003年，引进了大尺寸快速成型设备AFS-450，与AFS-320相比，在软件和硬件方面有22项重大改进。设备更加稳定、可靠、人性化、快捷、精准，成为企业用户的首选；AFS-500于2005年推出，成型尺寸为125升，当年销售，并推出可直接用蒸汽去除的烧结熔模铸造蜡，与传统精密铸造无缝衔接，解决了钛合金快速铸造表面粗糙的问题；2008年研制出AFS-700成型设备，成型尺寸达到245升，是当时最大的激光粉末烧结设备，满足大部分精密铸件的要求。该设备采用全新的送料铺粉方式，单向铺粉时间减少一半，无需中间送料。该设备于当年售出；2009年，激光烧结砂实现了突破。型砂芯的强度和发气量满足铸造要求。开始研制铸造覆膜砂烧结成型专用设备激光制芯机；2010年，激光芯-5300样机研制完成，开始试销。

3D打印技术的广泛应用领域

3D打印技术作为集光学、机械、电气、计算机、数控和新材料于一体的先进制造技术，已广泛应用于航空航天、军事和武器、汽车和赛车、电子、生物医药、牙科、珠宝、游戏、消费品和日用品、食品、建筑、教育等诸多领域。可以预见，这项技术将趋向于日常消费品制造、功能零部件制造和组织结构一体化制造的方向。下面，我们可以从几个主要领域看到3D打印技术的广泛应用。

航空航天:航空航天产品的特点是形状复杂，批量小，零件规格差异大，可靠性要求高。产品的定型是一个复杂而精密的过程，往往需要多次的设计、测试和改进。它成本高且耗时，并且难以通过传统方法制造。因此，3D打印技术因其灵活多样的工艺方法和技术优势，在现代航空航天产品研发中具有独特的应用前景。在国外，3D打印技术在该领域的应用由来已久。如美国波音公司将3D打印技术与传统铸造技术相结合，制造铝合金、钛合金、不锈钢等不同材质的货舱门支架；通用汽车利用3D打印技术制造航空航天、船舶叶轮等关键零部件；比利时Materialise公司的猛犸激光快速成型系统，一次最大加工尺寸可达2200mm。在国内，北京龙源凭借自身的技术优势，为中国航空航天部门和飞机制造企业提供直升机发动机、直升机机壳、蜗轮泵、钛框、排气道(最大高度2800mm)、飞机悬挂、飞轮壳等飞机零部件的生产和服务:1996，首台商用SLS快速原型机出售给北京航材院并成功应用于新型军用航空产品。1999年，第二代商用设备AFS-320成功投放市场。快速原型的应用逐步开展，参与了多个国家航天重点项目的研制，如大推力火箭液氧-煤油、液氧-液氢发动机、卫星陀螺仪框架等。

军工:与传统制造技术相比，3D打印技术简单易操作，尤其适用于一些新材料的加工。例如，铝合金一直是军事工业中应用最广泛的金属结构材料。铝合金具有密度低、强度高、耐腐蚀性好、耐高温的特点。作为结构材料，由于其优良的加工性能，可制成型材、管材、高筋板等，以充分发挥材料的潜力，提高构件的刚度和强度。因此，铝合金是武器轻量化结构材料的首选。美国军方应用3D打印技术辅助制造导弹用弹起式点火器模型，取得了不错的效果。在我国，钛合金已广泛应用于自行火炮炮塔、部件、装甲车、坦克、军用直升机等的制造。从65438到0999，北京龙源汽车成形有限公司利用3D打印技术参与了多项国家军工重点项目的开发研究，如JS-II新型坦克的涡轮增压器、红外制导仪的观察镜外壳等。2002年，与中国工程物理研究院开始了高功率激光直接制造金属零件的研究，进一步推动了中国军事工业的发展。

汽车制造:在国外，已经有很多3D打印技术在汽车制造领域的成功案例。例如，德国奥迪公司利用3D打印技术成功制造了配有库卡机器人的奥迪RSQ汽车。随着我国汽车工业的发展，汽车产量迅速增加，一些关键零部件越来越复杂、大型化和轻量化，这就要求零部件的集成化和集成制造。然而，传统的翻砂造型工艺使模具越来越复杂，散件数量急剧增加，在一定程度上制约了我国汽车工业的发展。为此，引领国内3D打印技术的北京龙源的技术团队启动了3D打印技术在汽车发动机制造领域的研究。SLS是一种利用红外激光束提供的热量来形成三维零件的热熔塑料。它的一个最大特点是成形工艺与复杂程度无关，因此特别适用于发动机缸体、气缸盖、进排气管等内部结构极其复杂的零件。此外，SLS技术造型材料广泛，尤其是铸造树脂砂和消耗性熔模材料，因此可以与铸造技术相结合，快速铸造发动机零件。SLS技术与铸造技术的结合产生了快速铸造技术，可以有效地应用于发动机设计开发阶段的原型快速制造。适用于单件小批量的试制和生产，能够快速响应市场，提供小批量产品进行测试和检验，有助于保证产品开发的速度。可以在设计和开发阶段以低成本修改模制过程的可控性，以便检查设计或提供组装模型。有助于提高产品的开发质量。快速原型原材料的多样性为产品开发阶段提供了不同的工艺组合。由于SLS原材料的国产化和成型工艺可以与传统工艺有机结合，有助于降低开发成本。组合过程的快速性支持了产品更新频率的提高，并有助于促进产品尽快进入市场。利用3D打印技术生产发动机缸体、缸盖、变速箱壳体等。对于汽车制造商来说，不仅制造速度快，而且精度高，从而使复杂汽车零部件的制造数字化、精密化、柔性化、绿色化。现在国内很多高铁、动车、地铁的发动机上都可以看到龙源的产品。以下是龙源在汽车发动机应用方面的R&D成果:2001，成功研究了汽车关键结构件的快速成型和快速制造技术，为汽车企业提供了缸体、缸盖、进气管、变速箱壳体的RP服务；2006年，激光直接造型铸造砂芯技术推向市场，并销售出第一台专门用于铸造砂芯的造型设备。并成功应用于汽车发动机缸体、缸盖、增压器的快速开发；2011年，为了满足柴油机等行业的需求，研制了大尺寸激光制芯机；通过与广西玉柴机械有限公司和东风商用车技术研究所合作，开发出柴油机气缸盖快速制造方法和技术。

生物医学:目前3D打印技术也已经应用到生物医学领域，包括骨骼、牙齿、人工肝脏、人工血管、医药制造等。在生物制造方面，欧美等发达国家已经进行了很多研究和广泛的临床应用:在美国，利用SLA制造技术和生物相容性树脂可以制造医用助听器、眼晶状体模型、假牙等；在意大利，人体骨骼假体由SLA制造技术制造。在国内，北京龙源与北大口腔医院合作，患者的CT扫描数据由CT工作站通过Magics软件处理后，传输到PC，以标准格式(Dicom格式)刻录存储，再提供给龙源。基于此，龙源研发了AFS-320快速成型机。该设备采用选择性激光粉末烧结法，原料为聚苯乙烯粉末，制成实体模型。可用于口腔医学中颧骨上颌骨骨纤维异常增生等症状，取得了较好的疗效。同时，临床应用结果表明，在颧骨、颧弓陈旧性粉碎性骨折的治疗中，治疗效果良好。目前，龙源已与北京大学口腔医院达成新一轮合作意向，即口腔领域的专业快速成型与快速制造方案:利用特定的CAD软件，可实现义齿的CAD设计，包括基牙、冠、桥、冠、贴面、嵌体的3D设计。借助CAD设计，快速成型和快速制造假牙，可以实现高效率、少耗材、低成本的自动化生产。

3D打印技术的前景和战略意义

目前世界上很多国家和地区都不能晚发，见网址/278744987#！app = 2 & amp维亚=QZ。HashRefresh & amppos=1356053030)