陶瓷材料3d打印

陶瓷材料3d打印（精选8篇）

1.陶瓷材料3d打印 篇一

我国3D打印机的市场发展情况,3D打印机报告

3D打印已经成为一种潮流，并开始广泛应用在设计领域，尤其是工业设计，数码产品开模等，可以在数小时内完成一个模具的打印，节约了很多产品从开发到投入市场的时间。3D打印机可以用各种原料打印三维模型，使用3D辅助设计软件，工程师设计出一个模型或原型之后，无论设计的是一所房子还是人工心脏瓣膜，之后通过相关公司生产的3D打印机进行打印，打印的原料可以是有机或者无机的的材料，例如橡胶、塑料，不同的打印机厂商所提供的打印材质不同。3D打印机，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，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。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。“三维打印”意味着这项技术的普及。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。该技术珠宝，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，土木工程以及其他领域都有所应用。

随着汽车、航空航天、工业和医疗保健等领域市场需求的增加，全球3D打印机的销售额将从2011年的17亿美元增长至2017年的50亿美元。消费品和电子领域是3D印刷企业最大的市场，其市场份额约为20.3%；紧随其后的是机动车（19.5%）、医疗和牙科（15.1%）领域。目前比较知名的3D打印机制造商有瑞连、3D系统、伊登普雷里、斯特塔西、帕罗奥多、惠普和奥托美克等。

目前国内3D打印在材料、设备和应用上仍有难题，成本较高，多用于实验，规模化应用尚需时日，目前我国3D打印主要应用于产品设计、快速模具制造、铸造、医学等制造领域，其中消费电子、汽车、医疗分别占20.3%、19.5%和15.1%。

随着开拓并行、多材料制造工艺方法的采用，打印速度和效率有望获得更大提升。3D打印技术经过几十年的探索与发展，目前能够实现600dpi分辨率，每层厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印，目前较先进的产品可以实现每小时25毫米高度的垂直速率，相比早期产品有10倍提升，而且可以利用有色胶水实现彩色打印，色彩深度高达24位。随着先进材料的不断发展，将开发出更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及其他方法难以制作的复合材料等，金属材料、直接金属成型技术将会成为今后研究与应用的新兴领域。

当前，3D打印机价格很高，大多在百万美元以上，这给其进入家庭带来了困难，但一些较小规模的3D打印机制造商已经开始推出一万美元以下的3D打印机。随着技术进步及推广应用直至实现规模化生产，3D打印机的价格有望大幅下降。3D打印机诞生后，早期主要用于航空航天、机械、医疗、建筑等行业的模型制作。随着其进一步走向成熟，3D打印机已开始用来制造汽车、飞机等高科技含量零部件、皮肤、骨骼等活体组织。专家预计，3D打印机在生产应用方面有着巨大潜力。3D打印技术在珠宝首饰、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航天及医疗方面（牙科）都能得到广泛的应用。3D打印长期发展前景广阔，未来国内3D打印市场规模将达到上万亿元，但短期内由于技术、材料和成本原因难以商业化。

本研究分析报告由智鼎国研（北京）信息咨询有限公司领衔撰写，在大量周密的市场调研基础上，主要依据了国家统计局、国家商务部、国家发改委、国务院发展研究中心、中国海关总署、3D打印机行业相关协会、国内外相关刊物的基础信息以及3D打印机专业研究单位等公布和提供的大量资料，结合深入的市场调查资料，进而分析国内3D打印机行业发展走势与市场。报告针对我国3D打印机行业的市场规模与前景、从业企业以及国家相关产业政策进行了全面分析。并重点分析了我国3D打印机行业技术、应用领域的发展与现状，并对3D打印机行业投资机会与投机风险作出了分析研判，为3D打印机相关生产企业、经营企业、科研机构等企业在激烈的市场竞争中洞察先机，根据市场需求及时调整经营策略，为战略投资者选择恰当的投资时机和公司领导层做战略规划提供了准确的市场情报信息及科学的决策依据，同时对银行信贷部门也具有极大的参考意义。

【报告目录】

第一章3D打印机相关阐述16 第一节传统打印机简介16

一、打印机性能参数16

二、打印机的分类17

三、打印模式20

四、打印机语言21

五、打印机技术21

六、打印机打印技术常用工作参数30 第二节3D打印机32

一、3D打印机背景分析32

二、3D打印机特点34

三、3D打印机技术性能指标34 第三节3D打印机的用途及应用领域35

一、在工业制造领域的应用分析35

二、在文化创意、数码娱乐领域的应用分析36

三、在航空航天、国防军工领域的应用分析36

四、在生物医疗领域的应用分析36

五、在消费品领域的应用分析38

六、在建筑工程领域的应用分析38

七、在教育领域的应用分析38

八、在个性化定制领域的应用分析39 第二章中国3D打印机市场发展关键因素分析39 第一节3D打印机市场规模分析39 第二节3D打印机市场主要竞争对手构成40 第三节3D打印机市场政治、经济、法律、技术环境分析45

一、政治环境45

二、经济环境49

三、法律环境53

四、技术环境55 第四节3D打印机市场发展驱动因素分析59

一、产品优势59

二、政策扶持60

三、产业化的可能性62 第五节全球债务危机对3D打印机行业发展影响分析64

一、对3D打印机行业本身影响分析64

二、对3D打印机上下游产业影响分析65

三、对3D打印机价格影响分析66 第三章2012年世界3D打印厂商研究67 第一节3Dsystems67（1）企业发展简况分析67（2）企业研发实力分析67（3）企业3D打印机产品分析67（4）企业3D打印机产品应用分析68（5）企业经营业绩分析68（6）企业投资兼并分析69（7）企业经营优劣势分析69 第二节ObjectGeometries72 第三节SOlido72 第四节ZCorporation75 第五节Stratasys79（1）企业发展简况分析79（2）企业研发实力分析79（3）企业3D打印机产品分析79（4）企业经营业绩分析81（5）企业投资兼并分析81（6）企业经营优劣势分析82 第六节Makerbot经营分析83（1）企业发展简况分析83（2）企业3D打印机产品分析83（3）企业经营业绩分析85（4）企业投资兼并分析85（5）企业经营优劣势分析86 第七节Shapeways经营分析87（1）企业发展简况分析87（2）企业3D打印服务分析87（3）企业经营业绩分析88（4）企业商业模式分析88（5）企业多轮融资分析88（6）企业经营优劣势分析89 第四章2012年中国打印机产业整体发展态势分析90 第一节中国打印机行业发展分析90

一、中国打印机产量居世界第一90

二、中国打印机行业的市场结构解析90

三、中国专用打印机行业发展格局97

四、打印机行业进入节能环保新时代98

五、2012年打印机行业发展情况良好101 第二节2008-2012年中国打印机产量数据统计分析104

一、2008-2011年中国打印机产量数据分析104

二、2012年中国打印机产量数据分析108

三、2012年中国打印机产量增长性分析110 第五章3D打印机生产工艺及技术路径分析111 第一节3D打印机各种生产方法比较111 第二节国内外3D打印机生产工艺及技术趋势112

一、国外主流生产工艺介绍112

二、国内主流生产工艺介绍116

三、3D打印加工过程分析117

四、当前3D打印技术分析121

五、3D打印技术的突破方向分析124 第三节国内外3D打印机最新技术研发及应用情况126 第四节3D打印原材料分析129

一、目前可使用的3D打印材料分析129

二、3D打印市场扩大对材料需求的影响分析130 第六章中国3D打印机市场发展现状分析131 第一节中国3D打印机市场构成要素分析131

一、3D打印机产品购买主体构成分析131

二、3D打印机产品市场购买力分析133

三、3D打印机产品市场购买欲望分析134 第二节中国3D打印机市场主要品牌分析136

一、国外主要企业品牌分析136

二、国内主要品牌分析140 第三节2012年中国3D打印机市场运行数据分析141

一、2012年中国3D打印机市场产品销售情况分析141

1、销售总量分析141

2、主要销售区域分析142

3、市场需求特点分析143

二、2012年中国3D打印机市场产品供给情况分析145

1、国内市场供给量分析145

2、供给来源构成146

3、供需格局分析148 第七章中国3D打印机市场消费能力及未来需求规模分析148 第一节2012年中国3D打印机市场消费能力现状分析148

一、中国3D打印机产品购买要素构成分析148

二、3D打印机产品替代产品威胁分析150

三、主要消费区域消费能力对比分析150 第二节影响中国3D打印机市场消费能力主要因素分析152

一、购买者的购买目的及主要用途152

二、购买者所处的消费环境154 第三节中国3D打印机消费市场独有特征分析156 第四节中国3D打印机市场发展影响因素分析158 第五节3D打印机对我国制造业的影响160

一、3D打印机的内涵及其意义160

二、3D打印机与中国制造业161

三、对我国制造业的影响162

四、对策建议163 第八章2012年中国3D打印机市场需求特点及需求潜力分析163 第一节中国3D打印机市场主要消费统计数据定量分析163

一、总体销量数据分析163

二、分区域市场数据分析164

三、消费领域分布数据分析165 第二节3D打印机主要下游消费领域构成分析165 第九章3D打印机产品价格策略研究167 第一节估计成本167 第二节选择定价方法170 第三节竞争性调价176 第四节具体价格策略研究178 第十章国内3D打印机在建及拟建项目统计分析179 第一节入门级开源3D打印机项目技术179 第二节研发一种便携式3D打印机项目192 第三节智慧烟台投资千亿引进3D打印机等高端项目193 第四节2012-2013年我国3D打印发展项目态势195 第五节中国市场上3D打印巨头合并及其项目新态势201 第十一章3D打印机企业销售状况调查224 第一节北京殷华激光快速成形与模具技术有限公司224

一、企业发展简况分析224

二、企业研发实力分析225

三、企业3D打印产品及服务分析225

四、企业成功应用案例分析225

五、企业经营优劣势分析226

六、企业3D打印机销售情况227 第二节陕西恒通智能机器有限公司227

一、企业发展简况分析227

二、企业研发实力分析227

三、企业3D打印产品及服务分析228

四、企业成功应用案例分析228

五、企业经营优劣势分析228

六、企业最新发展动向分析229

七、企业3D打印机销售情况229 第三节武汉滨湖机电技术产业有限公司230

一、企业发展简况分析230

二、企业研发实力分析231

三、企业3D打印产品及服务分析231

四、企业经营优劣势分析232

五、企业3D打印机销售情况232 第四节南京紫金立德电子有限公司233

一、企业发展简况分析233

二、企业研发实力分析233

三、企业3D打印产品及服务分析233

四、企业成功应用案例分析233

五、企业经营优劣势分析235

六、企业最新发展动向分析235

七、企业3D打印机销售情况239 第十二章3D打印机市场推广策略研究240

一、3D打印机行业产品市场定位240

二、3D打印机行业广告推广策略244

三、3D打印机行业产品促销策略249

四、3D打印机行业招商加盟策略249

五、3D打印机行业网络推广策略254 第十三章3D打印机营销渠道建立策略256 第一节2011-2012年中国3D打印机品牌营销模式研究256

一、市场经济时代的营销模式256

二、国际市场条件下的营销模式256

三、新型营销模式总括257

1、特许经营、加盟连锁257

2、电子商务258

3、会议营销260 第二节3D打印机产品营销渠道260

一、媒体广告260

二、直效营销262

三、销售促进263

四、公关与宣传264

五、人员推销265

六、网络营销266 第三节中国3D打印机营销渠道建立策略267

一、广告策略267

二、渠道策略267

三、价格策略267 第十四章3D打印机市场客户群研究与渠道匹配分析271 第一节专买店实地调查271

一、渠道特点271

二、销售状况271

三、消费人群271

四、销售策略271 第二节购物中心----专柜275

一、渠道特点275

二、销售状况275

三、消费人群276

四、销售策略276 第三节连锁超市----专柜281

一、渠道特点281

二、销售状况282

三、消费人群282

四、销售策略283 第四节网络营销模式—网店287

一、渠道特点287

二、销售状况292

三、消费人群292

四、销售策略292 第十五章2013-2018年中国3D打印机市场前景预测分析294 第一节国内3D打印机技术发展现状与问题294

一、国内3D打印机技术发展现状294

二、国内3D打印机技术发展问题295 第二节我国3D打印机从“神器”到家用制造设备的距离296 第三节3D打印机行业发展趋势预测298

一、3D打印机将全面革新现实298

二、2017年全球3D打印机市场将增至50亿美元304

三、3D打印机行业发展趋势304 第四节中国国3D打印机行业发展前景预测305

二、3D打印孕育无限未来305

三、3D打印机的变革力量308

四、3D打印机发展前景310 【图表目录】

图表：国际上主要3D打印机厂商42 图表：2009-2011年我国GDP增幅走势图49 图表：中国能效标识93 图表：富士施乐智能眼、智能节电和快速启动三位一体95 图表：重视环保打印，行动刻不容缓98 图表：参与调查者对于打印机环保重要性的看法99 图表：参与调查者对于打印机是否环保的分辨情况99 图表：2008-2009年中国打印机产量走势图104 图表：2009年中国打印机产量统计表(分省市)105 图表：2010年1-12月中国打印机产量分省市排行统计表106 图表：2012年1-12月中国打印机分省市产量数据表108 图表：国际上主要3D打印机厂商138 图表：2009-2012年中国3D打印机销售总量141 图表：2012年中国3D打印机销量区域分布142 图表：2009-2012年中国3D打印机供给量145 图表：2012年我国3D打印机供给来源构成146 图表：2009-2012年中国3D打印机销售总量163 图表：2012年中国3D打印机销量区域分布164 图表：2012年我国3D打印机消费领域分布数据165 图表：入门级开源3D打印机项目技术简图179 图表：主板芯片Arduino182 图表：Arduino主板最新版本的电路原理图184 图表：Arduino步进电机控制板184 图表：Arduino步进电机驱动板最新版本的电路原理图185 图表：Arduino3D打印机打印头控制板186 图表：Arduino3D打印机打印头驱动板最新版本的电路原理图186 图表：Arduino3D打印机机械结构187 图表：Arduino3D打印机部件罗列见下图189 图表：3D打印机打印机软件界面截图190 图表：3D数据与打印结果的展示图191 图表：2011-2012年北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司3D打印机销售状况227 图表：2011-2012年陕西恒通智能机器有限公司3D打印机销售状况229 图表：2011-2012年武汉滨湖机电技术产业有限公司3D打印机销售状况232 图表：2011-2012年南京紫金立德电子有限公司3D打印机销售状况239 图表：网络营销推拉战略266 图表：2008-2011年全球消费电子各细分产品产量规模309

2.陶瓷材料3d打印 篇二

3D打印是一种逐点、逐线、逐面增加材料而形成三维复杂结构零件的制造方法。一方面, 它可以适用于几乎任何类型材料的制造;另一方面, 它又将通过创造适合于其独特工艺特性的大量新材料而推动材料技术的发展。

发展材料3D打印技术产业的背景需求及战略意义突出体现在以下几个方面:

1.1我国经济社会转型发展的需求

我国正处在经济社会转型发展的一个根本转折点上。党的十八大要求把国家经济和社会发展转变到创新驱动的轨道上来, 从根本上改变改革开放以来依靠投资、廉价的自然和人力资源拉动的“技术跟踪”型发展方式。创新驱动的发展主要依靠先进的科学技术和创新人才支撑, 3D打印不仅本身是引领制造业发展方向的先进科学技术, 还是一种开启创新设计、培养创造性思维方式和能力的极佳手段。

3D打印开创了一种全新的增材成形原理。在其发展初期, 由于材料技术不过关, 而只能用于快速原型制造, 使得这一新技术一度以“快速原型”技术而闻名世界。随着材料技术的发展, 3D打印进入了直接制造高性能构件的新阶段, 从而开启了制造业革命性发展的序幕。

提高我国制造业总体水平对3D打印制造技术提出了许多重大需求。随着在零件直接制造方面取得进展, 3D打印制造技术突破了产品结构形态的约束, 能够加工出传统制造工艺方法无法加工或难以加工的非常规结构特征的零部件, 从而丰富和拓展制造工艺手段。3D打印制造工艺流程短, 能与铸造、金属冷喷涂、机加等现有制造工艺集成, 形成复合制造工艺, 从而降低制造成本和缩短制造周期。与传统的减材制造 (切削加工) 不同, 3D打印是一个新发展的技术, 我国在3D打印制造技术方面与世界先进技术水平差距不大, 甚至在某些方面还处于世界领先地位。通过有效的国家支持和引导, 强化并保持3D打印方面的优势, 弥补传统制造方面的不足, 对实现我国制造业的跨越式发展和弯道超车, 提高我国制造业的整体水平具有重要的现实意义。

产业结构转型升级对3D打印制造技术提出了重大需求。3D打印制造技术将实现从大规模生产方式向“按需定制”、“因人定制”的个性化定制方式发展, 实现社会化“泛在制造”。与互联网相融合, 依托3D打印制造技术, 将催生创新创意设计、个性化定制、专业化服务、数据服务等一批现代制造服务业。一方面能够推动制造产业向价值链高端拓展, 促进制造业与服务业融合发展, 另一方面能够大大提高我国现代服务业在整体服务业中的比重, 提高服务业在经济结构中的比重。这些对促进我国经济整体向服务化方向发展, 优化三大产业之间的结构都具有重要的促进作用。

建设创新型国家、实现强国战略对3D打印制造技术也提出了迫切需求。3D打印制造技术能够让设计师在很大程度上从制造工艺及装备的约束中解放出来, 更多关注产品的创意创新、功能性能, 减少创新设计过程受到的工艺约束与限制, 从而拓展创新设计空间, 实现更丰富的产品设计创新。3D打印制造技术也能够极大地提升产品性能, 制造出传统工艺方法难以实现甚至无法实现的空心结构、多孔结构、网格结构、异质材料结构和功能梯度结构, 实现产品结构轻量化、高性能化和功能集成化。借助互联网, 普通大众可以将新颖的构思、想法在数字空间进行表达, 并通过3D打印在物理空间得以实现, 这必将极大激发普通大众的创新激情, 开启经济和社会运行模式的革命性变化, 为我国建设创新型国家提供不竭的源动力。

1.2材料3D打印对于工业化和信息化深度融合具有十分重要的意义

工业和信息化部于2013年8月发布了“信息化和工业化深度融合专项行动计划”, 指出:“推动信息化和工业化深度融合是加快转变发展方式, 促进四化同步发展的重大举措, 是走中国特色新型工业化道路的必然选择。�对于破解当前发展瓶颈, 实现工业转型升级, 具有十分重要的意义。”关于“智能制造生产模式培育行动”的目标, 明确提出了“加快工业机器人、增材制造 (3D打印) 等先进制造技术在生产过程中应用。”

诞生于上个世纪八十年代末期的3D打印技术是制造技术原理的一次革命性突破, 它形成了最能代表信息化时代特征的材料制造技术, 即以信息技术为支撑, 以柔性化的产品制造方式最大限度地满足无限丰富的个性化需求。

1892年一个立体地形模型制造的美国专利首创了叠层制造原理, 在其后的一百年间, 类似的叠层制造专利有数百个之多, 实践中的技术探索也层出不穷。但以1988年第一台可以工业应用的立体光刻机器的诞生为标志, 以快速满足柔性化需求为主要应用目标的现代3D打印技术才真正形成。可以说, 如果没有CAD实体模型设计和对其进行分层剖分的软件技术, 没有能够控制激光束按任意设定轨迹运动的振镜技术、数控机床或机器手, 3D打印技术的柔性化特征就只能停留在一种理想化的原理层面。因此, 3D打印技术应该被称之为信息化增材制造技术或数字化增材制造技术。从这个意义上看, 3D打印技术本身就是两化深度融合的先进制造技术。更进一步, 3D打印技术为机械结构的拓扑优化设计提供了技术实现途径。拓扑优化设计是高度信息化的设计技术, 但过去因为没有可行的技术实现途径而难以在机械结构设计和制造中发挥作用。3D打印技术与拓扑优化设计相结合, 为制造业带来了高度信息化的美好前景。

1.3在高新技术发展前沿与发达国家并驾齐驱的难得机遇

我国在传统的材料制造技术领域与发达国家差距很大, 短期内很难显著缩小差距。但在3D打印的科学研究和技术发展方面, 中国和发达国家差距很小, 有个别方面甚至领先。

在国家研发投入的持续支持和重大工程需求的拉动下, 我国已形成体系结构基本完整的3D打印技术研发体系, 在个别领域达到国际领先水平, 具备跨越式快速发展的良好基础。比如:在3D打印的材料科学基础方面有一些比较系统深入的研究, 开发了一系列3D打印非金属材料, 金属3D打印达到了非常优异的力学性能;研制了一批先进光固化、激光选区烧结、激光选区熔化、激光沉积成形、熔融沉积、电子束制造等工艺装备;在航空发动机零件制造、飞机功能件和承力件制造、航天复杂结构件制造、汽车家电行业新产品研发、个性化医疗等方面得到了初步应用;涌现出几十家3D打印设备制造与服务企业;近年来在多地相继出现的一批3D打印技术服务中心, 利用3D打印技术辅助当地企业的新产品快速开发, 为家电、数码、汽车等行业新产品快速开发与创新设计提供了支撑。

在此基础上, 通过进一步加强研究和产业化应用, 我国完全有可能在这一将对未来社会产生重大影响的高新技术发展前沿与发达国家并驾齐驱。

1.4材料已经成为影响3D打印未来发展方向的关键因素

美国材料与试验协会 (ASTM) F42国际委员会在2012年公布的标准中对3D打印有明确的概念定义:3D打印是指采用打印头、喷嘴或其它打印技术沉积材料来制造物体的技术 (3D打印技术也常用“增材制造”技术来表示) 。近二十年来, 3D打印技术取得了快速的发展, 到目前为止, 已经形成了20多种不同的3D打印装备。随着3D打印装备趋于成熟和商业化, 3D打印材料已经成为影响3D打印未来发展方向的关键因素。目前, 3D打印用材料根据化学组分大体上可以分为有机高分子材料、金属材料、无机非金属材料和复合材料。根据行业知名报告wohlers report的数据, 2013年全球3D打印产业产值达到了30.7亿美元, 与2012年相比增幅34.9%, 3D打印用材料2013年的产值达到了5.288亿美元 (如图1所示) , 与2013年相比增幅26.8%, 其中光敏类高分子材料约为2.29亿美元, 激光烧结用高分子材料约为1.35亿美元, 金属材料3260万美元。材料在整个3D打印产业中的产值份额目前仅占约17.2%, 但据IDTech Ex2014年11月的市场预测报告, 3D打印材料产值将在2023年超越3D打印设备的产值, 而在2025年将达到83亿美元。

3D打印作为快速发展的战略性新兴产业, 欧美等发达国家纷纷制定针对发展3D打印技术及材料的国家战略。美国奥巴马政府2012年3月投资10亿美元组建美国国家制造业创新网络 (NNMI) , 3D打印是其中一个主要方向, 而材料则是3D打印研究方向的重点研究内容。

美国材料与试验协会 (ASTM) 针对3D打印技术组建了F42国际委员会进行标准化的制定工作, 在其制定的标准框架中, 将材料作为独立分支开展相关工作 (如图2所示) , 同时与国际标准化组织ISO开展标准的联合制定工作, 部分标准已经上升为国际标准。

从总体上看, 我国3D打印装备的技术水平与国外先进水平差距较小, 但在3D打印成形材料方面差距较大, 表现在3D打印材料的种类少、质量有差距, 产值规模小, 等等。因此, 加强3D打印材料研究, 完善3D打印产业链, 扩大产业规模, 是中国3D打印事业发展的一个十分重要的战略方向。

2材料3D打印技术产业的国际发展现状及趋势

2012年8月, 作为落实美国制造业创新网络计划的第一步, 美国政府高调宣布成立国家增材制造创新中心 (National Additive Manufacturing Innovation Institute, NAMII) , 并于一年后将该中心更名为“美国制造” (America Makes) , 体现美国政府强化“美国发明, 美国制造”的战略构想。奥巴马总统强调这个创新中心的成立是强化美国制造业的重要步骤。这一事件, 说明美国政府明确把3D打印技术作为引领制造业发展新方向的最先进的新技术之首。英国国家技术战略委员会在“未来的高附加值制造技术展望”的报告中则把3D打印技术作为提升国家竞争力应对未来挑战亟需发展的22项先进技术之一。法国快速原型制造协会 (Association Française de Prototypage Rapide, AFPR) 则致力于3D打印技术标准的研究和3D打印技术的应用。而德国于2008年就成立了以3D打印为主要技术对象的直接制造研究中心 (Direct Manufacturing Research Center, DMRC) , 西门子 (Siemens) 、空客 (Air Bus) 、波音 (Boeing) 公司等知名单位为该中心提供资助。澳大利亚和新西兰等澳洲国家对增材制造也给予相当关注。2012年, 澳大利亚政府倡导成立“增材制造协同研究中心 (Advanced Manufacturing Cooperative Research Centre, AMCRC) ”, 促进以终端客户驱动的协作研究。日本在前期就开始重视3D打印技术, 积极领导企业发展。从1988年到2011年, 日本的所有增材制造设备厂商共销售了1825套设备。新加坡政府也投资4亿美元建设3D打印研究设施。可以看到, 世界科技强国和新兴国家都将3D打印技术作为未来产业发展新的增长点加以培育和支持, 力争抢占未来科技产业的制高点, 通过科技创新推动社会发展。

欧美等发达国家在积极发展3D打印装备的同时, 将3D打印材料作为3D打印技术的必要组成部分而予以重点发展, 已经形成了涵盖装备、材料和工艺的完整产业链, 一批重点3D打印企业已经由单一的设备制造商过渡为综合解决方案提供商, 为客户提供从设计到终端零件制造的一体化解决方案, 并在陶瓷、金属、复合材料以及生物材料方面进行研发和产业化工作。

2.1非金属3D打印材料技术与产业

Stratasys和3D Systems作为两家占据全球3D打印市值70%的上市公司, 涉及的3D打印非金属材料产品多达上百种。其中, Stratasys公司研发了彩色打印技术及材料, 通过14种基本材料相互调配形成超过100种不同色彩的材料 (图3) 。该公司新近研发的尼龙材料具有优异的抗折和耐冲击性能, 能够有效解决航空航天、汽车、家用电子领域经受强烈震动, 重复压力以及频繁使用的功能零部件 (图4) 。

3D system公司除了拥有通用型的3D打印材料, 针对细分市场又针对性地研发了专用材料, 如牙模领域的耐高温性树脂材料 (图5) 。

荷兰皇家帝斯曼公司旗下的DSM公司拥有超过十种以上的3D打印光敏材料, 是一家专门生产3D打印材料的企业, 其研发的光敏树脂材料在全球范围的众多领域得到了广泛应用。

德国EOS公司研发了高性能材料的3D打印技术装备及工艺, 以聚醚醚酮材料 (PEEK) 为代表, 使用这种材料制作的3D打印零件 (图7) , 其抗拉强度达到95MPa, 杨氏模量达到4400MPa。作为动态机械元件, 其工作温度高达180℃, 作为静态机械元件, 其工作温度高达240℃, 而作为电器元器件, 其工作温度更是高达260℃。

英国布里斯托的西英格兰大学的研究人员开发出了一种改进型的3D打印陶瓷技术 (图8) , 可以在1200℃下对其进行烧制, 陶瓷对象可迅速完成上釉和装饰。研究人员声称他们的材料会使3D打印陶瓷对象所需的时间、劳动力和能源减少超过30%。

采用碳纤维等高强纤维复合材料等3D打印新材料可使汽车车身减重40%, 德国宝马电动汽车i3和其他车厂的碳纤维车身多是采用树脂转移模塑成形技术 (RTM) 。

生物材料是3D打印材料的一个新的发展方向。英国牛津大学的黑根·贝利教授利用3D打印机分层次喷出大量被脂类薄膜包裹的液滴, 这些液滴形成网状结构, 构成特殊的新材料 (图10) 。这样打印出来的材料其质地与大脑和脂肪组织相似, 可做出类似肌肉样活动的折叠动作, 且具备像神经元那样工作的通信网络结构, 可用于修复或增强衰竭的器官。

具有的形状记忆功能的材料通过3D打印技术制造的零件, 能够响应外部环境的变化, 直接呈现材料形态的变形自组装 (图11) 。

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和麻省理工学院利用面投影微立体光刻技术 (3D打印技术的一种方式) , 开发了一种超轻型新材料, 该种材料承重量可达到自身重量的16万倍, 在重量和密度相当情况下, 刚度是气凝胶材料的1万倍。预计该种材料将对航空航天、汽车工业等所需采用轻型、高刚度、高强度材料的行业产生重大影响意义。

美国Coriolis复合材料公司和赛峰集团Aircelle公司利用3D打印技术, 采用自动铺放工艺, 共同研制了碳纤维增强材料和自动铺放工艺制造的推力反向器组件 (图13) 。这种技术的主要优点是解决了大曲率制造难点和纤维铺放角度偏差问题, 从而优化了复合材料结构的设计。全机身主要由复合材料制作的波音787飞机, 完成了大型民用飞机由传统的铝合金向碳纤维增强塑料复合材料 (CFRP) 的转变。

2.2金属3D打印材料技术与产业

与非金属3D打印在材料技术还不成熟的初期发展阶段将其应用目标聚焦于快速原型制造不同, 金属3D打印的目标在一开始就聚焦于直接制造, 因而实现相当于传统金属材料成形技术能够获得的材料性能就是金属3D打印一以贯之的目标。

目前, 金属3D打印技术主要包含以激光立体成形 (Laser Solid Forming-LSF) 技术为代表的同步送粉 (送丝) 高能束 (激光、电子束、电弧等) 熔覆成形技术, 和以选区激光 (电子束) 熔化技术 (Selective Laser Melting-SLM) 为代表的粉末床成形技术两个技术方向 (图14) 。

在金属3D打印制造过程中, 高能量密度的载能束在很短的时间内和很小的区域内与金属材料发生交互作用, 材料表面局部区域的快速加热和熔池周围冷态的基材的强换热作用, 导致激光熔池及其热影响区通常具有极高的冷却速率, 呈现典型的近快速凝固和固态相变特征。在这种条件下, 材料的凝固和固态相变将会显著偏离平衡, 使得材料的固溶极限扩大, 晶内微观亚结构显著细化, 并可能出现新的亚稳相甚至非晶, 从而改善材料的物理, 化学和力学性能。同时, 基于同步材料送进的金属3D打印技术还赋予了这项技术实现成分柔性化设计的技术可能性, 即通过实时控制送进材料 (可以是构成合金的各元素粉或中间合金粉) 的组成和组分, 实现同一构件上均匀材料或多材料的任意复合和梯度结构制造, 为实现高性能复杂结构金属零件的材料设计-制备成形-组织性能一体化控制创造了重要的条件。

由于目前金属3D打印技术的首要应用领域是航空航天工业, 因此, 对于现有材料的3D打印适应性研究主要针对的是航空航天材料, 如高性能钛合金、高温合金、超过强度钢以及铝合金。随着3D打印技术向生物医疗、动力、能源等领域的推广, 钴合金、铜合金、复合材料、梯度材料、非晶合金的3 D打印也逐渐受到了研究者和3 D打印企业的重视。总体来说, 目前研究最为成熟的适用于3D打印的材料主要是Ti-6Al-4V合金、Inconel718和Inconel625合金, 并已制定了相关标准。如美国汽车工程师协会 (SAE) 在2002年即已针对Ti-6Al-4V合金激光3D打印制品的需求, 发布了AMS4999退火态Ti-6Al-4V合金激光沉积制造产品的航空航天材料规范, 并于2011年9月进行了对该规范进行了修订, 并将规范的使用范围扩展到了退火态Ti-6Al-4V合金直接沉积制造产品, 包括电子束3D打印技术和选区激光熔化技术生产的Ti-6Al-4V合金制品, 版本号升级为AMS4999A。从2011年开始, ASTM国际标准组织 (ASTM International, ASTM) 也先后发布了十项增材制造技术标准, 其中针对材料的主要有ASTM F2924-14 (采用粉末床选区熔化增材制造Ti-6Al-4V合金零件的标准规范) , ASTM F3001-14 (采用粉末床选区熔化增材制造Ti-6Al-4V ELI合金零件的标准规范) , ASTM F3056-14 (采用粉末床选区熔化增材制造UNS N06625镍基合金零件的标准规范) , ASTM F3055-14 (采用粉末床选区熔化增材制造UNS N07718镍基合金零件的标准规范) 等。尽管这些标准还非常粗糙, 如标准中的很多指标要求都是由供货商和采购商 (supplier and purchaser) 协商, 但是, 这对于材料3D打印技术的发展和应用来说迈出了突破性的一步。除此之外, 一些设备制造产商, 主要是选区激光熔化设备的制造商, 如德国EOS公司, SLM Solution公司, Concept Laser公司等也发布了一些典型材料选区激光熔化制品的数据库, 主要涉及Al Si7Mg、Al Si10Mg、Al Si12、6061等铝合金, 316L, 17-4PH, 15-5PH, H13等结构钢和工具钢, Hastelloy X, Inconel939等高温合金, Co Cr基医用合金等。

表1给出了采用不同金属3D打印方法所成形的Ti-6Al-4V (TC4) 合金的室温力学性能。可以看到, 采用这些方法所成形的试件的室温静载力学性能都与锻件性能相当。其中EBF3, EBM和WAAM分别指电子束自由成形制造技术 (Electron Beam Freeform Fabrication, EBF3) , 电子束熔化成形技术 (Electron Beam Melting, EBM) 以及电弧增材制造 (Wire+Arc Additive Manufacture, WAAM) 技术。

美国军方对金属增材制造技术的发展给予了大力的关注和支持, 在其直接支持下, 美国率先将这一先进技术实用化。自1995年开始, 军方先后实施了一系列专门研究计划, 资助包括Sandia国家实验室、约翰·霍普金斯大学、宾州大学、MTS公司等在内的数家研究机构开展金属零件的激光立体成形研究。其中Aero Met公司和Optomec公司是专门从事该技术商用化研究的两家美国公司。

美国Sandia国家实验室发展了名为LENS的激光立体成形技术, 并针对镍基高温合金、不锈钢、工具钢、钛合金、钨等多种金属材料进行了大量的激光立体成形零件制造研究, 所制造的金属零件不仅形状复杂, 而且其力学性能比采用锻造技术制造的零件有全面、显著的提高。1997年Sandia国家实验室牵头成立了一个LENS联盟, 以促进这一先进技术的工业应用。Optomec Design公司是这个联盟的主要成员之一, 通过和Sandia实验室长达四年的合作, 该公司获得了LENS技术的商用化许可。图15是该公司研制的750型LENSTM装备和应用该装备成形的钛合金叶片零件。LENSTM装备具有熔池和沉积高度监测和闭环控制系统, 通过对成形过程中的热效应和几何效应进行补偿, 以此提高零件的成形精度。其成形零件的表面粗糙度达到4.68mm~11.7mm, 但沉积速率较低, 一般仅为0.4~4.0 in3/h (5.125~51.25 cm3/h) 。

成立于1997年的Aero Met公司在短短几年就使钛合金 (Ti-6Al-4V) 激光立体成形技术达到了实用阶段。该公司发展的LasformTM技术是基于宾州大学、约翰·霍普金斯大学和MTS公司共同进行的“钛合金的柔性制造”研究。同时该公司受到军方及包括波音、洛克西德·马丁、格鲁曼公司在内的美国三大军机供应商的资助。其努力的方向是实现高性能大体积钛合金零件的制造, 尤其是大型整体带筋加强结构钛合金零件的快速成形。为了实现这一目标, 该公司采用三台功率达14k W、18k W和30k W的CO2激光器为光源, 以提高金属粉末的激光沉积速率, 惰性气氛加工室的最大尺寸达到12ft'12ft'4ft。Aero Met公司激光立体成形Ti-6Al-4V的沉积速率达到2~15 pounds/h (0.9~6.8 Kg/h) 。

Aero Met公司生产的三个Ti-6Al-4V激光立体成形零件已经于2000年获准在实际飞机上使用。这三个零件分别是F-22上的一个接头件、F/Al8-E/F的机翼翼根吊环以及F/A-l8E/F上的一个用于降落的连接杆。其中, F/A-l8E/F的翼根吊环属于飞机结构关键零件, 其长度大约900mm, 宽300mm, 高150mm, 是在美国海军研究部 (the Office of Naval Research) 的资助下由Aero Met公司为波音飞机公司制造的。据报道, F-22上的两个全尺寸接头满足疲劳寿命谱的两倍要求, F/A-l8E/F的翼根吊环满足疲劳寿命4倍要求, 随后静力加载到225%也不破坏, 而降落用的连接杆满足飞行试验要求, 寿命超出要求30%。2002年10月该公司获得美国国防部后勤局 (U.S.Defense Logistics Agency) 0.194亿美元的资助, 其目的是加速该公司由单纯的技术研究开发到成为军用及民用飞机上通过认证的、性能可靠的激光立体成形钛合金结构件供应商的转变。通过两年的研究, 该公司于2004年通过了这项认证。正当波音公司准备大规模应用LasformTM技术的时候, 美国的航空锻造技术获得了重要进展, 可以比LasformTM技术更为高效和经济地生产飞机大型钛合金结构件。LasformTM技术的应用暂时搁置, Aero Met公司也于2005年关闭, 相关技术转让给另一家公司进行进一步的研究。

Sciaky公司则主要在洛克希德-马丁公司和美国宇航局的支持下, 发展更为经济和高效的电子束送丝增材制造技术 (Electron Beam Freeform Fabrication, EBF3) 。从1999年开始, Sciaky公司对钛合金EBF3成形技术进行了系统深入的研究, 包括丝材化学成分控制、基础工艺参数、成形的闭环控制、材料质量控制、设计裕度、应力变形控制和质量检测方法等。到2014年, Sciaky公司完成了以F-35飞机的副翼翼梁为典型件的EBF3技术示范性研究 (图16) 。相对现有制造技术, 成本降低一半, 交货期提前80%。该技术将以项目驱动的方式完成认证, 最终批量应用的挑战主要在质量检测方面。预期F-35飞机将有900个零件采用增材制造技术进行制造。Sciaky公司还应用EBF3技术为美国宇航局制造了直径7英尺、沉积金属重量1600磅的火箭前舱盖 (图17) 。

美国宇航局下属的多个机构也广泛地应用SLM技术制造空间飞行应用金属零件。2013年, 格林研究中心 (GRC) 和Aerojet Rocketdyne公司合作研制了龙飞船的火箭喷射器, 整个系统只有三个增材制造的零件。2014年, 马歇尔空间飞行中心 (MSFC) 则对两个复杂的3D打印火箭喷射器、热气和低温流体阀进行了测试。格林研究中心 (GRC) , 兰立研究中心 (La RC) , 和马歇尔空间飞行中心 (MSFC) 联合研制了增材制造的镍-硅-青铜合金燃烧室和铜燃烧室+铜/镍梯度结构护套与多歧管, 并进行了高温火焰测试 (图18) 。

马歇尔空间飞行中心 (MSFC) 对SLM技术的空间应用进行了深入研究, 图19是其SLM成形制造的火箭推进器零件。其研究结论是:SLM技术实现了高价值复杂结构推进器零件的快速制造;SLM技术增大了设计自由度, 可制造更复杂的几何结构;设计者可探索轻量化结构、多功能集成和适应特定用途和环境的定制化;SLM技术可减少零件数量、焊缝和机械加工量, 从而节约资金和时间。表2给出了图19中所列零件采用SLM增材制造技术与传统制造技术的技术经济性比较。

美国GE公司以很大的力度推进3D打印技术在航空发动机制造上的应用, 他们认为航空发动机的所有部件中都有适合于3D打印的零件 (图20) 。其正在研制中的最先进的LEAP发动机的燃油喷嘴已进入批量3D打印生产, 单这一个零件的生产数量就将超过10万件, GE为此建了一个工厂专门进行燃油喷嘴的3D打印生产 (图21) 。GE在3D打印发展上的重大事件是在2013年收购了Morris公司和AVIO公司。Morris公司拥有超过20台最先进的德国EOS公司的SLM设备, 其SLM工艺技术世界领先。AVIO公司具有很强的电子束粉末床增材制造能力, 这种技术特别适合于制造室温脆性的金属零件。图22是AVIO公司用电子束粉末床增材制造的Ti Al合金航空发动机叶片。

发达国家的政府和企业界普遍认识到, 3D打印不是传统技术的一个替代或补充, 它最重要的作用是推动产品结构革命性创新设计。图23是空客公司依托3D打印对A380和A320飞机舱门铰链进行创新设计的范例。传统设计零件局部最大应力已接近材料的极限强度, 采用拓扑优化设计方法进行均匀应力设计之后, 最大应力减小了一半, 相应的3D打印零件只有传统技术制造的零件重量的40%。

在采用3D打印技术进行新材料研发方面, 目前的工作主要来自高校。英国利物浦工程学院激光组的Takeda和Steen等人分别使用混合元素法研究了激光熔覆Fe-Cr-Ni和激光表面处理FeCo-Al系合金, 并建立了Fe-Co-Al系合金硬度及磨损抗力随成分变化的关系图。美国俄亥俄州立大学的Fraser等人采用混合元素法激光3D打印技术, 针对目前在医用植入体领域具有重要应用前景的新型b型Ti-Nb-Zr-Ta系钛合金的成分-组织-性能的关系展开研究。通过考察激光立体成形Ti-20Nb-x Ta (0<x<10) 和Ti-x Nb-10Zr-5Ta (20<x<35) 两类成分梯度钛合金在不同热处理制度下的组织, 显微硬度H和弹性模量E值, 分析了不同元素含量以及热处理制度对医用钛合金的组织和力学性能的影响, 建立了成分、微观组织以及力学性能对应关系的数据库。在该数据库的基础上, 一方面可以通过训练和测试模糊控制模型实现对相关不同成分钛合金力学性能的预测, 反过来通过该预测也可以反馈优化合金成分及组织。图2为部分实验及模型预测结果的对比, 二者吻合较好。这种分析建模的方法对于研究新型合金非常有效。

将材料与设备捆绑销售是国外3D打印设备厂商的一个重要销售策略。德国EOS公司是全世界制造和销售SLM设备最多的厂商, 总计向全世界的客户销售了600多台SLM设备, 远远超过了其他所有厂商SLM设备销售量的总和。只有在从EOS公司购买合金粉末的情况下, EOS公司才保证其设备可以生产出合格的金属零件。

3材料3D打印技术产业的国内发展现状及趋势

3 D打印技术自1988年诞生后, 我国自上世纪90年代初开始迅速投入了这一科学技术前沿的研究。在3D打印技术研发的过程中, 以大学和研究所为主的一批科研单位也开展了3D打印材料的研究工作, 研发出了一批专用3D打印材料。近年来, 随着3D打印技术的迅速升温, 一些企业也参与了对3D打印材料的研发工作。

3.1 非金属3D打印材料技术与产业

我国最早开展非金属3D打印研究的是华中科技大学、清华大学和西安交通大学, 最早的专业3D打印企业是北京隆源公司。

陕西恒通智能机器有限公司依托西安交通大学, 形成了9种型号的光敏树脂3D打印材料 (图25) , 并配合其研发的SPS系列光固化3D打印装备进行产业化工作, 在各地建设了地区服务中心、地区示范点、地区推广基地, 目前已在宁波、慈溪、河南、苏州、青岛、河北、广东等地成功建立了示范中心, 向行业企业进行工程化技术服务。

(a) 合金硬度的预测值与实验值对比; (b) 弹性模量的的预测值与实验值对比; (c) 模型预测的硬度与相体积分数的关系; (d) 弹模型预测的性模量与相体积分数的关系; (e) 模型预测的硬度与Nb含量的关系; (f) 弹性模量与Nb含量的关系

珠海正邦科技有限公司利用其在UV胶方面的研发优势, 成功进行3D打印光敏树脂材料的研发工作, 也是国内为数不多的专门从事3D打印材料生产厂商之一。国内的一些企业及高校也进行小批量的生产及研究, 包括武汉纺织大学、华中科技大学、珠海西通电子、桑D科技等。

北京的太尔时代、闪铸科技、珠海西通电子等桌面式3D打印厂商配合其设备的销售, 进行了塑料丝材与设备适配性研究工作。图26为使用塑料丝材打印出来的零件。

在高分子粉末材料方面, 湖南华曙高科有限责任公司、华中科技大学及北京隆源自动成形有限公司进行了尼龙粉末、覆膜砂 (如图27所示) 材料的产业化开发, 并已在汽车缸体, 缸盖等复杂零件的铸造方面进行了成功应用。同时, 进行了玻璃微珠/尼龙粉末复合材料、碳纤维/尼龙粉末材料的尼龙复合材料研发工作, 形成了一批材料型号, 但是, 目前产业发展的方式还是以配合设备销售为主。

西安交通大学进行了3D陶瓷材料的研究工作, 如陶瓷瓷浆的挤出成型、陶瓷浆料的光固化成型及陶瓷粉末粘结成型, 并使用3D打印技术成功进行了陶瓷零件的制备, 如图28所示。

3D打印材料按形态可分为片、丝、浆、粉四类, 华中科技大学材料科学与工程学院史玉升团队在这四个方面均做了一定的研究工作, 有些材料已产业化。

片材主要用于分层实体制造技术 (Laminated Object Manufacturing, LOM) 。该技术是以薄片材料作为原料, 激光或者刀片在计算机的控制下将薄片材料一次切成零件的各层形状并叠加起来成为实体件, 层与层之间的粘接靠加热和加压来实现。片材的材料可以是:纸、陶瓷、塑料、金属和复合材料。图29是史玉升团队研发的纸片材及其3D打印装备与制件。

丝材主要有塑料、金属、陶瓷等。其中塑料丝主要用于熔融沉积制造 (FDM-Fused Deposition Modeling Technology) 3D打印技术, 它利用喷头将ABS、PC等热塑性塑料丝材加热至熔融态, 并在控制系统的控制下, 按一定扫描路径逐层自粘结成形, 然后逐层成形得到所需零件。熔融沉积制造3D打印技术一般采用低熔点的丝状材料, 如蜡丝或ABS塑料丝, 他们不用高能量的激光作为热源, 只需在喷头内以电加热的方式即可将丝材加热到熔融状态。然后在计算机的控制下, 喷头底部的喷嘴将熔融的材料以一定的压力挤出。史玉升团队在塑料和金属丝材方面已有商品化产品。

浆材主要用于光固化成形 (Stereo-Lithography Apparatus, SLA) 3D打印技术。史玉升团队研发了系列光固化材料及其3D打印装备并商品化, 其应用实例见图30。

在粉材方面, 史玉升团队主要研发用于激光选区烧结3D打印的粉末, 其高分子、陶瓷、砂及其复合粉末已商品化, 模具钢等金属粉末正在和武钢联合研发并产业化。

3.2 金属3D打印材料技术与产业

西北工业大学于1995年在国内首先提出激光立体成形的技术构思, 致力于把增材成形原理与送粉式激光熔覆相结合, 形成一种可以获得具有锻件力学性能的复杂结构金属零件的快速自由成形技术。1997年, “金属粉材激光立体成形的熔凝组织与性能研究”获得航空科学基金重点项目资助, 是中国金属增材制造第一个正式立项的科研项目。2001年, “多材料任意复合梯度结构材料及其近终成形”项目获得国家863计划资助, 其成果于2005年应用于我国研制的首台推重比10航空发动机轴承后机匣制造 (图31) , 为该发动机按时装机试车做出了关键贡献。该零件下部为In961合金铸件, 上部为GH4169镍基高温合金激光立体成形件, 是以铸件为基材, 异种材质增材制造的首个应用案例。

西北工业大学也是首先实现激光立体成形装备商业化销售的单位, 图32是2006年销售给航天306所的LSF-III型激光成形装备及其工作照片。

2011年7月, 依托西北工业大学增材制造技术成立了西安铂力特激光成形技术有限公司, 该公司完成的首个重要科研任务, 是为中国商飞激光增材制造大型钛合金机翼梁 (图33) 。经过中国商飞进行的材料性能测试、结构性能测试、零件取样性能测试和大部件破坏性测试所有环节的力学性能测试, 完全满足设计要求, 包括疲劳性能在内的综合性能优于锻件, 强度一致性优于2%, 远远高于商飞5%的指标要求。铂力特公司于2012年开始发展SLM技术与设备, 迅速在航空航天工业中获得广泛应用, 图34是铂力特公司SLM成形件和在2014年珠海航展上推出的首款SLM装备。图35是铂力特公司的SLM成形件。到2014年底, 成立仅3年半的铂力特公司已经销售收入过亿元。

北京航空航天大学是另一所在金属增材制造上具有重大国际影响的中国大学, 重点研究飞机大型钛合金、超高强度钢结构件的送粉式激光3D打印技术, 为我国军用飞机大型钛合金结构件的激光增材制造做了大量研发工作, 并已经在多个型号中获得应用 (图36) , 其“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获得2012年度国家技术发明一等奖。

北京航空工艺研究所参与了西北工业大学1997年的金属增材制造航空科学基金重点项目, 也是国内最早一批开展金属增材制造研究的单位。其优势技术是大功率电子束丝材增材制造技术, 即美国Sciaky公司的EBF3技术。该所近年也开展了激光SLM成形技术研究。

我国最早开展激光SLM技术研究的单位有华南理工大学和华中科技大学, 两所大学都自行研发了SLM装备。华南理工大学杨永强团队专注于SLM技术的医学植入体应用, 华中科技大学曾晓雁团队则首先开拓了SLM技术的航天应用。

西北有色金属研究院是我国电子束粉末床增材成形技术研究的主要单位, 拥有两台先进的Arcam公司电子束粉末床增材成形设备。该院也开展了3D打印金属粉末制备研究。

表3分别给出了LSF制造典型钛合金、镍基高温合金及钢的室温拉伸力学性能。其中Ti-6Al-4V (TC4) 钛合金、Inconel718镍基高温合金以及316L不锈钢, 作为目前应用最为广泛的金属合金, 研究相比其他合金更为成熟, 无论是拉伸强度、屈服强度还是延伸率, 普遍满足锻件标准。尤其是对于a钛合金 (如TA15) 和a+b钛合金 (如Ti-6Al-4V) , 由于b®a相变的体积变化效应小, 相变应力值低, 且因体心立方b相自扩散系数高, b®a相变迅速, 使得在恰当的工艺条件下, 可利用往复熔覆沉积对已熔覆沉积层进行充分的退火和回火热处理, 实现成形和热处理一体化, 使得这些钛合金在沉积态的情况下也可以满足锻件指标。而对于镍基高温合金和一些高强钢来说, 由于合金化程度较高, 凝固过程中容易在枝晶间产生有害的低熔元素、化合物相或共晶偏析, 同时在激光往复熔覆沉积的快速加热和冷却导致的应力作用下, 若工艺控制不当, 极易产生热裂等冶金缺陷, 导致力学性能的降低。如对于Rene88DT粉末冶金高温合金, 尽管其LSF构件的室温力学性能已经十分接近粉末冶金 (加热等静压) 的技术标准, 但仍然存在一定差距, 而对于300M超高强度钢, 尽管拉伸强度和屈服强度已基本满足锻件标准, 但延伸率相比锻件还有一定差距。

表4给出了SLM成形的Ti-6Al-4V钛合金和Inconel718镍基高温合金的室温拉伸力学性能。与LSF构件相似, SLM成形的Ti-6Al-4V钛合金和Inconel718镍基高温合金的拉伸强度、屈服强度和延伸率同样满足锻件标准。另外, 由于SLM成形过程中熔池的冷却速率要高于LSF过程, 同时沉积态的晶粒尺寸要小于LSF构件的晶粒尺寸, 这使得沉积态SLM成形件的拉伸强度、屈服强度要高于沉积态LSF构件, 但是, 经过热处理后, SLM成形件和LSF构件的力学性能基本相当。需要指出的是, 由于SLM成形件难以完全消除孔洞, 使得SLM成形件的延伸率要比LSF构件稍低, 这也将导致SLM成形件的疲劳性能要明显低于LSF构件及锻件。而通常材料的静载拉伸强度对微小缺陷不敏感, 因此, SLM成形件中的微小孔洞并未对SLM成形件的静载拉伸强度产生明显影响。

在新型合金研发方面, 西北工业大学围绕最广泛应用的Ti-6Al-4V及其所属合金系Ti-Al-V系合金, 结合激光立体成形Ti-x Al-y V合金硬度测试、神经网络模型预测以及典型成分合金室温拉伸性能测试, 获得Ti-x Al-y V合金成分-硬度-强度的关系, 实现激光立体成形Ti-x Al-y V (x≤10, y≤25) 合金的强度预测, 并开发了一种综合力学性能与Ti-6Al-4V合金锻件相当的新型激光3D打印专用钛合金TX。表5给出了LSF制备成形TX合金试件的力学性能。可以看到, TX合金的力学性能在沉积态下与Ti-6Al-4V (TC4) 合金的锻件性能具有良好的匹配。目前, 西北工业大学还正在利用激光3D打印技术进一步开发综合力学性能与TC4和TA15合金锻件相当的新型激光3D打印专用钛合金, 以及与Inconel718 (GH4169) 合金锻件、Rene88DT粉末冶金件力学性能相当的新型激光3D打印专用镍基高温合金。

4发展我国材料3D打印技术产业的主要任务及存在的主要问题

上世纪90年代初, 我国以大学和研究所为主的一批科研单位开展了3D打印技术及材料的研发工作, 主要以光敏树脂材料、高分子粉体材料、金属材料为主。与发达国家相比还有一定差距, 主要体现在以下两个方面:

1) 材料的基础研究薄弱, 材料的性能、种类无法满足需求

非金属3D打印材料有别于传统工业所用材料, 其对于材料的形态、性能都有严格的要求。随着3D打印技术应用领域的不断扩大, 对于3D打印材料的性能和普适性提出了更高的要求。目前, 对于3D打印用非金属材料主要为光敏树脂材料、高分子粉体材料、陶瓷材料、塑料丝材等几类产品, 对于这些材料的制备技术、基础理论及成形微观机理研究还没有广泛开展, 制备材料的性能无法满足实际应用需求, 不得不从国外采购, 而这进一步限制了3D打印材料产业化的发展。

金属3D打印材料方面, 全世界目前都是采用现有的合金牌号体系。虽然原则上所有具有可焊性的金属材料都适合3D打印, 但进行过系统深入的工艺研究的材料种类却十分有限, 导致可以进行3D打印工业应用的合金非常少, 这是限制金属3D打印广泛工业应用的瓶颈之一。要真正发挥金属增材制造的优势, 非常有必要开发金属增材制造专用合金, 这方面还只有极少的探索性研究。

2) 材料的成本较高, 产业化处于起步阶段

与传统材料产业相比, 3D打印材料产业规模较小, 且具有一定特殊性, 难以实现规模化生产。同时, 受到材料研发周期长、材料配方技术难度大等问题影响, 造成3D打印原材料成本居高不下。以光敏树脂材料为例, 目前打印零件的价格仍然以克为单位, 尼龙等粉末高分子材料的价格也从每公斤几百元到几千元不等。因此, 国内专业从事3D打印材料的企业为数不多, 大多数由设备制造商直接提供。送粉式增材制造所需的金属粗粉国内已可提供, 但成分的批次稳定性还需要提高。SLM技术所需的金属细粉目前还依赖进口。

发展我国材料3D打印技术产业的主要任务有:

1) 加强3D打印材料的基础研究, 包括3D打印材料的成分设计和形态设计, 3D打印材料的工艺特性, 材料与载能束的作用规律, 3D打印件的材料组织形成规律与控制方法等。

2) 开发系列化的3D打印专用材料, 包括各种非金属材料和金属合金牌号系列, 并形成产业化生产能力。

3) 建立完善的3D打印零件的材料缺陷检测方法与质量控制标准。

5推动我国材料3D打印技术产业发展的对策和建议

世界3D打印技术发展的最先进国家当推美国和德国:美国领先3D打印的原始创新和产业发展, 占据国际3D打印产业市场的三分之二;德国领先3D打印的技术发展, 在主要的3D打印技术与装备水平上全球领先。推动我国材料3D打印技术产业发展应该认真地研究和借鉴美国和德国的成功经验。

美国在3D打印原始创新和产业化发展上的优势, 主要得益于科技界和产业界强烈的创新意识和强大的商业运作能力。GE在全球首先建设专业化工厂, 大批量3D打印生产航空发动机零件, 并以此显著提升了其正在研制的最先进航空发动机的性能。美国宇航局已经制订了直到2040年的空间3D打印技术发展的详细计划。全球3家主要的3D打印上市公司都在美国, 其中前两位 (3D System和Stratasys公司) 都是经过了约50次商业并购后形成目前的约50亿美元市值规模的全球最大3D打印龙头公司。但美国人仍然认识到他们的产业技术创新体系不如德国, 他们缺少像德国弗劳恩霍夫研究院那样一个科技、产业和教育密切协同的创新体系。美国人的创新意识和创新能力非常突出, 但有很多的发明创造在其他国家实现了产业化。美国于2012年8月建立了“国家增材制造创新中心”, 并于2013年8 月更名为“America Makes” (美国制造) , 体现其主要宗旨是实现“美国发明、美国制造”。美国“国家增材制造创新中心”是一个针对产业应用的3D打印共性技术发展与转化的国家平台。美国3D打印领域的科技、教育、产业和社会团体的主要力量都汇集到了“国家增材制造创新中心”中, 形成了一股强大的合力, 为3D打印技术发展和产业化应用, 包括人力培训和教育搭建了一个高水平的国家平台。可以预计, 吸收了德国技术创新体系后的美国, 其强大的基础研究和创新能力将更加有效地支撑3D打印产业发展。

德国弗劳恩霍夫研究院是一个面向应用技术研究的国家研究院, 其经费来源由国家、工业部门和其他方面各三分之一构成。一个弗劳恩霍夫研究所的国家拨款的多少, 直接由其从工业界得到研究经费的数量决定。德国领先于全球的金属3D打印工艺与装备技术, 主要就是由位于亚琛的弗劳恩霍夫激光研究所研发的。但德国弗劳恩霍夫研究院不能直接将其研发的技术进行商业化应用, 而是必须通过德国公司来商业化应用。其从产业转化所得收入再用于新技术研发。弗劳恩霍夫研究院的骨干研究人员, 大多也同时是大学教授, 他们的很多研究生就从事研究所的课题研究。这就使弗劳恩霍夫研究所不但可以从大学的基础研究中吸收营养, 同时也为企业培养了熟悉市场需求、具有技术开发能力的人才。这种科技教育与产业有效协同的技术创新体系, 与严谨扎实的德国精神相结合, 是德国技术领先的根本原因。然而, 德国在基础研究和商业运作方面比美国有明显差距, 这是德国在原始创新和产业化发展方面落后于美国的主要原因。

中国发展3D打印技术的起步时间比欧美仅晚3~5年, 如果仅就个别研究单位之间进行比较, 中国几个持续二十年3D打印研究的团队并不比国际上任何单位的水平更差, 更适当的评价是各有千秋。但从国家整体比较, 我们的原始创新不多, 技术链不够完整, 产业发展 (包括3D打印技术本身及工业应用两方面的产业) 与美国和德国相比就差距显著了。产生这种差距的主要原因, 是我们还没有形成像美国和德国那样有效的技术创新体系。目前很多地方政府都很热衷于支持3D打印, 工业界和社会各个方面也都对3D打印充满热情。然而, 我们各方面的热情大多处于跟风的肤浅层面和想在热点领域快出亮点的惯性思维。在这种情况下很多地方盲目快上3D打印, 可能又会重蹈光伏和风能发展的覆辙。因此, 尽快形成一个像美国和德国那样有效的国家技术创新体系, 是我国3D打印技术与产业健康发展并尽快赶超美国和德国的关键。

中国的3D打印国家技术创新体系, 应是一个3D打印的产业、科研与教育三个方面协同发展的系统工程, 它包括以下六个层次:

1) 工业部门提出明确的应用需求并成为技术研发投入的主体。这要求工业界对3D打印的技术特性有准确清晰的认识, 最要紧的是认识到3D打印不是传统制造技术的替代或补充, 而是开启产品创新设计和功能提升的全新途径。国外的许多大企业都已形成自己详细的3D打印技术与应用发展规划, 如GE、波音、洛克希德-马丁、空客、美国宇航局等, 而国内企业大多还处在个案应用探索阶段。

2) 大规模的3D打印技术产业及所属的企业技术研究机构。竞争性的应用技术应该主要由企业自身发展, 3D打印的高新技术特性要求3D打印企业把技术研发放在十分重要的位置。美国3D System公司在18年的时间里累计投入了1.8亿美元的自有资金进行3D打印的材料和技术开发, 平均每年1千万美元的研究经费。没有这样的投入就不可能有领先的技术。

3) 面向产业共性技术研究、标准制定和人才培养的“国家增材制造协同创新中心”。美国和德国这样的机构都是由政府、企业和社会组织共同资助的, 研究成果由所有参与单位共享。这个机构也应负责国家3D打印技术和产业发展的顶层设计。

4) 支撑产业应用技术的基础研究和高层次人才培养的研究型大学科教系统, 以及以职业教育为主的普通高校和专科学校的工程师、技术人员培养体系。3D打印是一个必将在全社会普及和长远应用的基础技术, 在大学和高等专科学校建设相关的新学科和实验室是迫在眉睫的任务。

5) 面向中小学和普通高校的基础教育和创新意识培养体系。3D打印是创新意识和能力培养的绝佳技术手段, 在青少年的基础教育中普及3D打印是为建设创新型国家培养大批创新型人才的重要途径。

6) 发展3D打印产业所需的创新生态环境建设, 包括创新要素的集成、创新的法制环境和文化环境建设。这是政府责无旁贷的任务。

3.陶瓷材料3d打印 篇三

海外参考价 25000元起 | odd.org.nz

“奇怪的原子”？ 我看它有点像“奇怪的夸克”？

看来你对海森堡的量子力学挺熟悉的。这把吉他是用尼龙通过3D打印机制成的，相当有未来感，即便有人说它能同时存在于两个地方，我们也并不感到吃惊。要是你有一个乐队，那可就太方便了。

尼龙制的？那它会不会太过松软？

尼龙并非只能用来制作让人讨厌的衬衫。这种尼龙材质（它完整的专业术语是Duraform PA）相当坚固耐用，通常用于赛车和飞机制造。所以新西兰吉他制造商采用被称作“激光烧结”的工艺技术，利用这种材质制造出了这款精雕细琢的乐器。

我还以为吉他都是用木头制造的呢……

就原声吉他而言，你说的没错。至于电吉他，吉他琴体采用的材质是否会影响其音质音色尚存争议——但为防万一，Atom的内部核心是用桃花心木制成的。此外，吉他拾音器的质量确实对吉他音质影响巨大，所以ODD采用了出自新西兰Langcaster的优质琴弦传感器。内置的超速传动效果器意味着，不管配合任何放大器，你都可以直接通过吉他琴体将纯净的音质转换成破音。搭配上Schaller锁定调谐器、坚硬的枫木琴颈和檀木指板，你的手上就有了真正量子级的套件。这是什么意思？管它呢！

4.3D打印流程规范 篇四

一．注意事项：由于3D打印的设备比较庞大，同时树脂材料对于环境的要求也比较严格，为了保护我们的实验设施和减少材料的损耗，请同学们认真阅读以下内容。

1． 进入实验室前请带好门外提供的塑料鞋套（液态树脂有较高粘性，经过酒精清洗后树脂较容易残留于实验室内地面，被鞋子带到室外固化后较难清洗，）离开实验室时请将鞋套脱下放回原处（这里有两种解决方法，一种是使用一次性的鞋套，一种是使用质量较好的塑料鞋套，有待确定方案）。

2． 树脂经紫外线照射后定型，因此实验室内需要避光，使用者需确保东侧窗帘时刻处于遮蔽的状态。同时尽量减少设备的遮光板打开的时间。（室内有一个灯，我们可能需要把开关封上）

3． 树脂吸水变性，因此对湿度要求较高。正常情况下，实验室内的干燥机时刻处于工作状态。实验者进入实验室后如发现干燥机没有开启，请开启干燥机或联系工作人员进行处理。实验结束后不要将干燥机关闭。

二．准备阶段：

准备阶段包括进入实验室前需要完成的所有准备工作。主要内容就是对于要打印物品的切片和生成支撑。切片软件使用Magics软件，实验室会提供相关的参数（使用方法参看Magics使用说明）。将切片之后的两个“.cli”文件和一个“.magics”文件生成一个压缩包发送给相关负责人。（这里有待讨论具体的审核方案，使用者上传的文件尤其是新手是一定要审核一下的，不然会浪费掉很多的材料，具体由谁来审核还有提交到哪里待定。我个人的设想是我们提前去把审核通过的文件用标准的命名方式保存到F盘下,这样既方便管理又避免了呆呆老师说的病毒之类的问题。）审核通过后工作人员会发送邮件进行通知，进行线上实验设备的预约工作，预约后请按时前来进行打印。三．操作流程

1.检查室内设备，依次按下“启动”“激光”“真空泵”“振镜”“伺服”“照明”按钮，使相应器件处于工作状态。激光器需要预热半个小时以上。（记得封住加热按钮）

2.打开计算机，在F盘下找到本次打印的文件夹，命名方式：日期_项目编号_打印者_打印项目_完成状态（OK或是Fault）_使用树脂数量（后两项需要在打印完成后进行修改）。打开文件夹，检查自己的打印文件。

3.打开SLM6000软件，点击“文件”，选取“CLI—>SLI”选项，选择要打印物品的.cli文件（不要选择支撑的.cli文件）。点击“打开”。将会生成一个.sli文件。这是打印机的操作文件。

4.模拟打印过程：打开SLM6000，点击“文件”，“Open”，选取之前生成的.sli文件。点击“工具”，“制作模拟”检视制作过程，获取大致的制作时间。退出程序。

5.开始打印：重新打开SLM6000软件，点击“工具”，“控制面板”，依次进行如下操作：刮棍回零。点击“Z轴控制”下的回零，使钢网回到零点。双击“液位调节”，当液位检测在正负0.1范围内时可以开始打印。如不在范围内，说明钢板表面有残渣，需要使用镊子进行拾取。搜索残渣时可先将钢板下调5mm再回零，同时观察液面变化，拾取残渣。液位达到范围内后退出液位调节界面，将遮光罩放下使打印空间封闭，点击“加工”，“开始”，开始打印物件。开始打印后可以先观察五到十分钟，确保打印正常进行后，可以离开实验室等待打印完成。打印过程中如果发现问题，应点击“加工”，“暂停”，“退出加工”结束本次打印，寻找问题原因，登记结果为Fault。

6.后续操作。打印结束后，如打印物件较大，应佩戴实验室内手套进行后续操作（主要是为了保护操作者）。使用工具将半成品从钢板上取下，将未被固化的树脂尽可能倒回到树脂槽内，使用纸巾将表面未固化的树脂擦去，然后将物件用酒精清洗5到10分钟，使用工具将其中的支撑去除。操作过程中尽量保持室内卫生。清洗结束后使用固化箱将物体进一步固化。固化结束后使用电子天平对物体进行测量。

5.3D打印作文 篇五

我家的3D打印笔体长约14厘米，宽约3厘米，是一只粉色的大象，它的鼻子尖是出料口，脑袋正上方是进料口，它的直径约2。5毫米，呈图形，旁边还有一个充电口。

它的鼻子两侧，也就是握笔的地方有两个按键，食指下方的键是开机键、关机键和暂停键，长按3秒可开机、关机，单击可暂停，再单击继续，大拇指下方的键可调节快慢，控制出粉速度。

耗材是用种较硬的材料制作成的一种细条，像2B铅笔的铅蕊一样细，长约6米，捆成一个圈。

使用时，将耗材插入进料口，它会自动在内部加热，出来时变得软软的，有粘性，可在纸上，柜子上等光滑的表面作画，不到2分钟就会变硬，凝固。待冷却后，就可揭下来，再在边缘用材料画一条线，起到胶的作用，在它冷却之前，把你想粘的东西粘在上面，冷却即可完成。

6.3D打印作文 篇六

萧报小记者组织的3D打印活动，我是久闻其名，前几次因为各种原因没有赶上，周日，我终于亲身体验了一把。

下午，爸爸、妈妈送我到萧山日报九楼的活动现场，一进教室，热闹的气氛扑面而来，我找了一个“黄金”位置，坐了下来，老师把我们分成8人一组。过了一会儿，老师首先把制作工具、材料等发到了我们手中，然后给我讲了工具的使用方法和制作技巧，待老师讲解结束后，大家争先恐后的纷纷开始了“创作”，做着自己喜欢的作品，有的做卡通人物、有的做小动物、有的做建筑。我准备做一只米老鼠，首先，我接通3D打印笔的电源，把彩色塑料条插入笔的尾端，通过按钮把它送到笔尖处，然后通过加热开始涂色，因为彩色塑料条被软化了，所以它很听话的任我摆布，在白纸上，沿着已经构画好的图案轮廓小心翼翼的涂色，不一会儿一只可爱的米老鼠在向我招手了。你看!它的大大的耳朵是橙色的，圆溜溜的肚子是红色的，椭圆的眼睛黑乎乎的，可神气了!

最后我的作品还受到了老师的表扬，心里美滋滋的。走在回家的路上，感觉树上飘落的叶子也像“蝴蝶”一样追着我，给我奖赏。

7.陶瓷材料3d打印 篇七

在上世纪80年代, 美国人发明了让人叹为观止的3D打印技术。随着该技术在全球范围的推广, 许多国家都凭借这项技术创造出巨大的经济效益。3D打印技术被认为是“第三次工业革命”的技术代表, 到目前为止, 该技术在众多领域的应用均较为广泛, 然而在建筑领域确是崭露头角, 究其原因, 发现最主要的原因是目前适用于当前技术的建筑材料种类太少, 而材料又是决定3D打印技术发展的基础, 因此, 如何突破材料对3D打印技术制约的瓶颈, 以推动3D打印材料发展显得至关重要。

本文在查阅大量文献的基础上, 分别从3D打印技术的概念、建筑材料的选用等方面进行介绍, 以3D打印技术为出发点, 介绍3D打印在建筑材料领域的发展现状, 并结合对3D打印建筑材料的认识与存在的问题, 展望3D打印技术在建筑材料领域未来的前景与研究趋势。

1 3D打印技术简介 (3D printing technology)

3D打印技术不同于传统的打印技术, 在该技术中往往以数字模型文件作为它的基础, 运用粉末状金属或塑料等可粘合材料, 通过喷嘴将材料挤出, 经过逐层打印的方式来构造物体。之所以称其为3D打印, 是因为其参照了打印机的技术原理, 加工过程与传统的喷墨打印十分相似。与传统打印不同的是, 传统打印机用打印油墨实现打印, 而3D打印用的是真正的各种原材料。

3D打印最早于20世纪90年代中期出现, 但由于技术和成本的影响, 这一技术并没有取得长足的进步和发展。随着科技水平的不断提高, 时代变迁和发展, 边缘技术的完善, 3D技术取得了明显的进步, 从新世纪伊始, 我国3D打印的专利数量快速增长, 表明我国的3D打印技术正处于极具前景的快速发展时期。目前, 我国的3D打印技术虽然学术水平较高, 但存在应用较少的问题, 原材料的制约是限制3D打印产业化发展的一重要原因。

2 适用于3D打印的建筑材料 (Building materials for 3D printing)

建筑业发展至今, 所应用到的建筑材料有成千上万种, 但是适用于3D打印技术的建筑材料却屈指可数。目前3D打印建筑所采用的材料还不成熟, 结合国内外现状, 荷兰通过实验研究发现, 塑料和树脂类材料可以应用于3D打印机上;美国则在选用3D打印材料上, 将目光投向了树脂砂浆类, 粘土类和混凝土类等材料, 通过一定的技术处理也成功的应用在了3D打印机上[1]。我国最典型的应用是在上海, 选择建筑废料作为材料, 通过一系列技术加工, 粉碎磨细, 加纤维、水泥及有机粘合剂等, 做成“油墨”, 从而应用于3D打印机上。

2.1 GRG材料

所谓GRG材料[2], 这里指的是通过采用GRG专用石膏, 也就是人们常说的超细结晶石膏为基料, 将具有专用连续刚性的增强玻璃纤维和它混合制成的产品材料, 这种材料目前主要专注于制作异形产品。具有不变形、质量轻、强度高、会呼吸、防火、环保、声学效果好、加工周期短等特点。一般应用于剧院、报告厅、会展中心、体育场等工程项目, 上海世博中心2600人大会堂就是通过这种GRG产品建造的。

2.2 混凝土类材料

通过将国内外现状作对比, 发现混凝土类材料无论是在传统建筑生产还是新型3D技术领域里, 都是主要使用材料之一。由于混凝土类材料具有较高的可塑性, 在打印过程中无需支模, 其工作过程是在电脑控制下将配置好的混凝土通过喷头挤出进行打印得到混凝土构件。目前, 混凝土类材料结合“轮廓工艺”, 在3D打印建筑领域得到较多的应用。

此外, 随着材料科学和现代电子信息技术的迅速发展, 3D打印建筑材料的智能化开发也成为业界关注的焦点。这种材料融入了信息科学的内容, 把感知、寻优和控制驱动等技术进行融合渗透, 使得3D打印技术在建筑领域做到材料结构与智能一体化, 同时具备多种完善的仿生功能, 从而使打印建筑物达到适应环境、调节环境、材料和结构健康状况的自诊断和自修复等智能化。

3 实例应用 (Case application)

3D打印技术自20世纪90年代出现以来, 已在各领域得到迅速发展。在建筑领域, 结合相关的建筑材料, 国内外也出现了很多比较典型的实例。

在国外, 美国加州大学教授比赫洛克·霍什内维斯提出的“轮廓工艺”可以在不到20小时的时间内建造一栋面积2500平方英尺的建筑。轮廓工艺的特点在于它不需要使用模具, 打印机打印出来的建筑物轮廓将成为建筑物的一部分, 研发者认为这样将会大大提升建筑效率。美国明尼苏达洲一个名叫Andrey Rudenko的承包商用3D打印机打印出了一座城堡。由于建筑面积比较大, 设计人员在打印时对建筑进行分割, 分成各个部分逐一进行打印, 然后组装成型。意大利发明家恩里克·迪尼发明了D型工艺打印机[3], 其底部有数百个喷嘴, 可喷射出镁质黏合物, 在黏合物上喷撒砂子可逐渐铸成石质固体, 通过一层层黏合物和砂子的结合, 最终形成石质建筑物。目前, 已成功建造出内曲线、分割体、导管和中空柱等建筑结构。

在国内, 上海盈创建筑科技有限公司自主研发了3D打印设备、打印油墨和连续打印技术, 利用建筑物废料加上水泥、纤维、有机黏合剂等制作的“油墨”进行逐层喷射、循环打印、快速凝固成型, 从而打印房屋。盈创公司开发使用的这台3D打印机, 打印出坚固的预制件结构可以用作搭建小型建筑。用于打印结构件的材料将工业废料、建筑残渣以及高标号的水泥进行了混合, 并用玻璃纤维进行了加固。之前打印出的房屋结构件, 运到现场后, 由工人现场安装, 对于窗户和管路等部分, 软件会预留相应位置, 建筑安装到位后可以加装这些部分。2014年3月盈创公司运用该技术在上海青浦打印出了10栋200平的实体房屋, 该批建筑所用材料来自于建筑废料, 全过程由计算机操作, 大大降低了建筑成本。2015年1月苏州工业园区亮相了一栋由3D打印机打印完成的1100平米的别墅和一栋由3D打印机打印完成的6层居民楼, 其墙体均由大型3D打印机层层叠加喷绘而成。尤其需要指出的是, 打印出的6层居住楼采用了3D打印配筋砌体剪力墙结构这种创新的结构体系, 是3D打印建筑领域的一次突破。

4 存在问题 (Existing problems)

4.1 材料结构性能仍待加强

打印过程中打印材料需要通过输送管道并经打印头的打印才能成型, 因此打印材料应具有良好的和易性。在打印过程中上层材料的堆积会对下层材料形成压力, 如果下层材料在短时间内没有形成足够的强度, 就会在压力作用下变形, 所以打印材料还应具有较快的初凝时间和较高的初凝强度。

4.2 材料的凝固硬化

材料的凝固硬化速度是打印建筑中一个不可避免的问题。材料的凝固硬化速度一般受温度的影响。在春夏秋季, 如果温度在14~28℃的范围内, 那么不需要特殊处理就能正常固化。若温度较低, 介于5~14℃, 则需要采用加速固化配比的方式保证材料的凝固硬化;若温度较高, 介于28~38℃的范围内, 则需要延缓材料的凝固硬化时间以达到正常工艺的要求[4];若在北方严寒天气, 或冬季施工, 在零下的温度下时, 材料的使用则需要配备严谨的凝固硬化方案以达到施工的质量要求。

4.3 建筑的表面粗糙

3D打印技术类似于挤牙膏, 采用的是逐层堆叠。第一层打印完成后, 必须等第一层打印材料凝固硬化后再进行上一层打印, 通过层与层之间的紧密粘结来保持墙体的整体性。正是因为这种特殊的打印技术, 导致层与层之间不够光滑, 表面粗糙, 并且条纹样式也很简单乏味, 不够美观。

4.4 行业内缺少相关规范

3D打印技术理念的提出在上个世纪, 并在本世纪得以实现加速发展。虽然时间上看, 从技术的理念提出到发展经历了很长时间, 但应用于建筑领域的时间还很短, 目前的建筑行业并没有任何相关的规范, 使用年限和房屋产权是否会和普通建筑产品一样, 这还待有关权威部门的进一步认可。

5 结论与展望 (Conclusion and Prospect)

3D打印技术在建筑领域正属于起步发展的阶段, 3D打印建筑和传统建筑方式相比, 无论是在人力物力还是进度等方面都有很明显的优势, 目前主要限制3D打印技术在建筑业的发展的因素, 除了技术自身的问题外, 最主要的就是能应用于3D打印技术的建筑材料种类还是不够复杂, 而且具体的材料的强度、硬度、性能等问题也需要经过时间和实践的检验, 才能得出相关的结论。现阶段, 为了发展3D打印技术在建筑方面的应用, 能做的除了改善打印机的相关技术外, 还可以通过试验去挖掘建筑新材料, 或者是在原有传统材料的基础上, 通过添加一些其他材料, 使它具备能在3D打印机上工作的特性。作为建筑领域的新兴技术, 我们有理由也有信心相信, 随着建筑材料的发展, 3D打印技术在建筑领域的应用会越来越好, 为人类及社会也会做出很大的贡献。

参考文献

[1]葛杰, 马荣全, 苗冬梅, 白洁.3D打印建筑技术在绿色建筑领域中的应用[C].第十一届国际绿色建筑与建筑节能大会暨新技术与产品博览会论文集, 2014:1-4.

[2]陈庆祥.3D打印建筑发展现状与前景[J].建筑, 2015:79-81.

[3]王子明, 刘玮.3D打印技术及其在建筑领域的应用[J].混凝土世界, 2015:50-57.

8.3D涂鸦笔：全球首款3D打印笔 篇八

Have you ever just wished you could lift your pen off the paper and see your drawing become a real three dimensional object？ Well now you can！

3Doodler is the world’s first and only 3D Printing Pen. Using ABS plastic （the material used by many 3D printers）， 3Doodler draws in the air or on surfaces. It’s compact and easy to use， and requires no software or computers. You just plug it into a power socket and can start drawing anything within minutes.

Oh， and it’s also the most affordable way to 3D print by a long way！ With 3Doodler we’re making fun 3D creation accessible to everyone.

有没有想过也许有一天你的笔一离开画纸，你的画能变成真正的3D模型？现在你的愿望成真了！

3D涂鸦笔是全球首款也是唯一的3D打印笔。采用ABS塑料（其用于许多3D打印机），3D涂鸦笔能在空中或物体表面作画。它外观小巧，使用方便，不借助任何软件或电脑。你只需插上电源，几分钟内便可开始作画。

当然，相对于3D打印机来说，它更经济实惠。拥有3D涂鸦笔，每个人都能做出3D物体来。

How does it work？ 它如何工作？

If you can scribble， trace or wave a finger in the air you can use a 3Doodler.

As 3Doodler draws， it extrudes heated plastic， which quickly cools and solidifies into a strong stable structure. This allows you to build an infinite variety of shapes and items with ease！ Most people will instantly be able to trace objects on paper， and after only a few hours of practice you will be able to make far more intricate objects. 3Doodler is a brand new way of creating objects and artistic works.

如果你会涂鸦，会临摹，会在空中挥舞手指，你就一定会使用3D涂鸦笔。

用3D涂鸦笔作画时，它会挤出受热的塑料笔墨，笔墨迅速冷却变成坚硬稳固的结构。这样便能轻而易举地制作各种形状和物件了！大多数人在刚使用时都能直接描画纸上的东西，而只需几小时就能制作更为复杂的物体。3D涂鸦笔是创造物品和艺术品的新方式。

What can I make with 3Doodler？

我能用3D涂鸦笔制作什么？

There are many ways 3Doodler can be used. 3Doodler can be created as flat forms and peeled off a piece of paper as freestyle 3D objects， or in separate parts， ready to be joined together using the 3Doodler. The creative opportunities are endless， including：

Basic 3D shapes and 3D models

Jewellery， pendants and hanging ornaments

Decorative art and fridge magnets

Personalization of everyday objects

And much much more...

3D涂鸦笔有许多用处。它打印出的东西既可以呈现平面图形又能脱离平面成为立体图形，又或者用3D涂鸦笔可以将不同的部分接在一起。展示创意的机会是无限的，包括制作：

传统的3D图形和模型

珠宝，吊坠和挂饰物

装饰品和冰箱贴

日常的个性化物品

等等等等

The Special Arts 特别的手工艺品

Some fantastic wire artists showcase how 3Doodler can be used to create beautiful objects and pieces of art.

一些手工艺品设计师向人们展示了3D涂鸦笔是如何被用来创作漂亮的物品及艺术品的。

3Doodler Components & Accessories 3D涂鸦笔的构成

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The pen： The 3Doodler pen is 180mm by 24mm. The pen weighs less than 200 grams or 7 ounces （the weight of a typical apple）， although the exact weight will depend on the final shell specifications once in production. 3Doodler is not a toy for children （it’s recommended for ages above 12）. While the plastic extruded from 3Doodler is safe to touch once it has left the pen， the pen itself has a metal tip that can get as hot as 270℃.

笔：3D涂鸦笔长180毫米，直径为24毫米。笔重不会超过200克或7盎司（重量和一个苹果差不多），但实际重量会根据出厂后的外壳规格而定。3D涂鸦笔并不是给孩子们的玩具（建议12岁以上使用）。虽然涂鸦笔挤压出的塑料是可安全触摸的，但笔尖处温度可高达270摄氏度。

The Ink （ie ABS/PLA plastic）： The 3Doodler uses 3mm ABS or PLA plastic as its “ink”—just like a 3D printer. Each 3Doodler comes with at least one bag of plastic tubes； each bag will contain ten 1ft strands of plastic tubes； and each 1ft strand produces approximately 11ft of 3Doodling fun. ABS is one of the most common plastics around. PLA is what we call a “bioplastic”. It’s made from corn， is biodegradable and has a lower melting temperature than ABS. 3Doodler plastic has different prices vary from $30 to $55.

墨水（即ABS/PLA塑料）：3D涂鸦笔使用ABS或PLA塑料当作“墨水”——同3D打印机一样。每支3D涂鸦笔配有一包墨水，每包墨水有十支1英尺长的塑料管；每支可创作大约11英尺的3D作品。ABS是最常见的塑料之一。PLA被称为“生物塑料”。它来自玉米，可降解并且熔点比ABS低。涂鸦墨水有不同的价格，从33美元到55美元不等。