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2013年3D打印行业技术趋势分析

    内容摘要:目前主要有选择性沉积、选择性黏合以及分层超声波焊接三大主流技术路线,美国材料与试验协会(ASTM)目前给出的6种技术标准分类也可大体归入这三条技术路线。

    3D打印技术的发展,实际上是成型工艺、原材料和设计程序这三大要素螺旋式创新的过程。从三要素的发展历史看,以上三者互为支撑,彼此勾连,其中一个要素的突破往往能为另外两大要素提供技术支持,从而为3D打印产业链的应用打开更广阔的空间,改善其在各个细分市场上的性价比。从3D打印发展阶段看,目前我们正处于控制物体形状的初级水平,未来将向着控制物质构成的方向发展。也就是说,不仅仅塑造外部几何形状,而且要实现多元材料、多元结构的同时打印,从而创造特定形状、特定功能的全新材料。
    从更加长远的愿景看,未来的3D打印,将超越对物体形状、结构的控制,将会把程序编写进材料,使其具备我们所需要的功能。我们不再打印被动的零部件和材料,而是打印能够感知、反应、计算和行动的智能系统。


3D打印技术的三要素及其发展趋势

 3D打印三要素的发展历史和未来的发展方向
年代
成型工艺
原材料
设计程序
1987
工程师Charles Hull发明第一台商用的基于SL技术的3D打印机
紫外线光敏高分子聚合物
20世纪80年代,Autodesk公司推出最早期的MicroCAD的3D建模软件
Charles Hull采用STL格式作为3D打印机固件的程序语言
1991
FDM熔融成型(Stratasys)
可见光感光树脂
20世纪90年代,实体建模CAD软件问世,CAD浪潮开始席卷全球
1992
SLS选择性烧结(DTM)
粉末型树脂、塑料、尼龙
1.3D建模软件方面,在20世纪90年代至21世纪初,3D建模软件由实体建模CAD逐渐发展到了曲面建模、光学扫描(点云)技术;
2.3D打印机固件语言格式方面,一直沿用STL语言,但是随着设计软件的信息量逐渐增大和打印分辨率的提高,信息承载量有限的STL格式逐渐难以胜任
1993
胶体喷射技术
陶瓷材料
1994
 
蜡质材料
1996
LOM分层实体制造
纸质材料
1998
LENS激光烧结技术(Optomec)
钛合金等金属粉末
2000
更新SL技术,使用UV光感和液滴喷射综合技术,大幅提高制造精度(Object)
ABS工程塑料
2001
第一代桌面3D打印机(Solido)
铸件用沙
第一代超声波焊接成型技术(Solido)
混合金属粉末
激光立体电镀技术(POM)
 
支持多种颜色材料的混合打印机(Z Corporation)
 
2003
DMLS激光烧结技术(EOS)
 
2004
 
纳米复合材料
2005
多余粉末自动处理和回收的技术
 
2006
红外线烧结成型技术
 
DWS开发新工艺,大幅提高基于SL技术的打印速度
 
2007
Object支持两种性能材料同时进行打印的设备
 
2008
 
钛合金梯级材料
2010
Stratasys将FDM技术的制造速度提升14%
碳纤维
Materalise发布新的用于支持金属成型的软件系统
 
标准机构正式通过AMF标准,取代STL格式,但在实际应用中全面替代STL尚需时日
发展方向
1.打印精度更高、速度更快
1.更容易成型、更耐用、更加无毒、安全、环保,成本更低
1.在曲面建模时考虑物体的内部结构
 
2.使用的材料范围更广,支持多种材料同时打印
2.材料种类和性能多元化
2.开发具有多材料复合打印的设计软件
 
3.降低打印机本身的制造成本
3.实现多材料、梯度材料的同时打印
3.完善3D打印固件语言格式,提高精度,并可以处理不同颜色、材料以及详细的内部结构

 资料来源:中国产业信息网整理

    成型工艺方面,提高打印精度、速度,多材料同时打印、降低成本是成型工艺当前的发展趋势。目前主要有选择性沉积、选择性黏合以及分层超声波焊接三大主流技术路线,美国材料与试验协会(ASTM)目前给出的6种技术标准分类也可大体归入这三条技术路线。从成型工艺的发展历史看,在20世纪80、90年代,三大技术路线都已经出现,并逐渐成熟;21世纪初以来,革命性的工艺已鲜有问世,技术进展主要体现在已有的三大技术路线的精益求精上。
    当前主要的发展趋势有三个:
    一是提高打印精度和速度,但二者性能的提升似乎又是个悖论,打印精细程度的上升往往意味着加工速度的减慢,如何将二者兼顾有赖于技术进步;
    二是研发能支持更多打印原材料的设备,比如最近十年发展最快的金属材料,而未来,多元材料同时打印将是3D打印成型工艺发展的核心。
    三是为了3D打印更为广泛的应用,降低打印设备的成本,尤其是降低其中诸如激光发射器等核心部件的成本是未来重要的发展方向。
事实上,开源3D打印机系统已使得简易的民用级3D打印机的成本大幅下降,自行设计3D打印机已成为可能。
原材料方面,材料种类更多元、性能更好以及成本更低是未来的发展趋势。可供3D 打印的材料有300 多种,按照实现3D打印应用的顺序看,塑料、尼龙、树脂、橡胶等高分子材料最先进入应用,也是目前技术最成熟、应用最广泛的,但是由于其强度、耐用性差、不耐高温、有毒、不环保等缺陷,应用范围受限;陶瓷、混凝土、玻璃、纸、蜡等也只能应用在特定细分领域。
金属粉末是目前发展最快的领域,但是由于其加工难度大,如果液化打印则难以成型,采用粉末冶金方式,除高温还需要高压,且还要面对金属应力离散的问题,即材料在受到激光照射时,温度可达2000多度,移开激光后便骤降到200度以下,材料经受不住这么大的温差,会出现开裂或变形。这些问题均导致其成本高昂,普及程度还远远不够,国内更是罕有公司涉及。这某种程度上已构成当前3D打印技术向工业级应用渗透推广的最大瓶颈。
    以色列的Objet(最近被Stratasys收购)是目前掌握最多打印材料的公司,它已经可以使用14种基本材料,并在此基础上混搭出107种材料,两种材料的混搭使用、上色也已经成为现实。但是,这些材料种类与人们生活的大千世界里的材料相比,还相差甚远,同时,价格也一直居高不下。很明显,使3D打印材料多元化(尤其是实现复合材料同时打印)、性能更好以及成本更低将是未来的发展趋势。

 

 3D打印常用原材料的优劣势和适用领域
材料
优点及适用领域
缺陷
塑料
成本较低,易于塑型,目前成型工艺已经很成熟,特别是在民用消费品领域应用广泛
1.光敏聚合物有毒,价格较高
2.塑料难以降解,不环保
3.塑料耐用性较差,不耐高温、易碎
陶瓷
表面光滑,质地坚固,尤其适合于医用的植入物
 
玻璃
主要用于艺术和珠宝打印
1.疏水性,不能很好地黏附
2.在高温下容易变形
金属
坚固耐用,根据不同的金属性质,适用于相应的金属机械功能件和结构件
1.成本高昂;
2.由于金属应力的存在,塑型难度大,在窑烧环节会有缩水、开裂和变形的危险;
3.成品表面往往不光滑、多孔,需要在后处理中抛光打磨
4.某些金属粉末若处理不当会爆炸,需用氮气充填密封腔

资料来源:中国产业信息网整理

    设计程序其实是经常被人忽视的领域,但事实上,它的设计精度以及目前软件对成型工艺的支持程度远未达到理想状态。它大致可以分为3D建模设计和3D打印机固件程序两部分。在3D建模软件方面,目前已从简单的实体建模提升到曲面建模(广泛用于动画CG制作)以及光学扫描(如三维扫描、点云等)的阶段,但缺陷在于无法实现对模型内部结构的详细刻画,同时,分辨率的提升也面临计算机处理能力的瓶颈。固件程序语言方面,目前最广泛应用的是3D打印机发明人Charles Hull在1987年发明的STL语言,但这种语言是和当时的成型工艺相配合的一种因陋就简的语言,对于当前更高的精度、多元材料的成分控制均已力不从心。
    基于此,未来的设计程序的发展趋势有三个,一是在3D建模方面实现对物体内部结构的刻画,二是实现对多元材料同时打印的控制,三是革新STL语言,使3D打印机固件能够读取更为复杂、海量的3D模型数据,事实上,2010年已出现了一种更完善的AMF语言格式,正在逐渐取代STL的传统领地。

目前3D打印技术三要素在性价比改善中的重要性排序
 
打印设备
原材料
设计程序
精度
★★★
★★
★★
广度
★★
★★★
速度
★★★
★★
降低成本
★★★
★★★

资料来源:中国产业信息网整理 

本文采编:CY209

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标签: 3D打印
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