增材制造技术发展［ppt课件］

Additive Manufacturing Technology and Its Effect on Manufacturing of China 2014.05.29.，Beijing 中国航空工业集团公司 北京航空制造工程研究所 BAMTRI,AVIC. 巩水利 Prof. Dr. GONG Shuili 内 容 提 要 1 1 2 2 Development of International 5 5 3 3 4 4 Introduction Technical methods and means Domestic technology developments Disparity and suggestions 目 录 Additive Manufacturing (AM or 3D Printing)： 是人类通过对物质可控的动态累积以逼近目标形体的一种生产 过程；是与材料去除成形、受迫成形等对应的科学技术体系；是以 “堆积”为共同特征的技术群。 一、Introduction uReshaping the global manufacturing competition structure l上世纪美国时代周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业 ” l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” uChange the production and life mode in the future l社会化制造 l那么每个人都可以成为一个工厂 l它将改变制造商品的方式 l并改变世界的经济格局 l进而改变人类的生活方式 一、 The third industrial revolution ?! 一、 Strategic significance of AM for China u可成为我国制造业自主创新的有效手段； u符合绿色制造发展方向，有利于制造业的可持续发展； u可促进传统制造技术水平的提升，促进制造与服务融合发展； u有望培育新兴产业、优化产业结构、促进产业升级。 uAn effective way for independent innovation of manufacturing industry for China uCompliance with the green manufacturing development, and conducive to the sustainable development of manufacturing industry; uPromote the upgrading of traditional manufacturing technology, and the fusion development between manufacturing and service; uExpected to cultivate new industries, optimize the industrial structure and promote industrial upgrading uVerification and presentation of concept 概念验证和呈现 l 工业设计 l 产品设计 uDesign verification and test u设计验证和测试 l 反复设计和优化 l 成型、装配和功能性测试 uProduction and manufacturing uMolding and secondary operations 制模与二次操作 l 热成型 l 砂型铸造 l 金属镀层 l EDM电极 uSmall batch production, mass production 批量生产 l 失蜡铸造 l 吹塑制模 l 塑料挤塑 l 环氧制模 一、Major use 生产与制造 l 直接制造零件 二、Technical methods and means：Major process TechnologyMaterial CharacteristicsApplications 光固化成形（SLA）液态树脂精度高；表面质量好航空航天、生物医 学等 激光选区烧结（SLS）高分子、金属、陶 瓷、砂等粉末材料 成形材料广泛、应用 范围广等 制作复杂铸件用熔 模或砂芯等 激光选区熔化（SLM）金属或合金粉末可直接制造高性能复 杂金属零件 用于航空航天、珠 宝首饰、模具等 熔融沉积制造（FDM）低熔点丝状材料零件强度高、系统成 本低 汽车、工艺品等 激光近净成形（LNSF）金属粉末成型效率高、可直接 成形金属零件 航空领域 电子束选区熔化（EBSM）金属粉末可成形难熔材料航空航天、医疗、 石油化工等 电子束熔丝沉积（EBFFF ） 金属丝材成形速度快、精度不 高 航空航天高附加值 产品制造 分层实体制造（LOM）片材成形速率高、性能不 高 用于新产品外形验 证 立体喷印（3DP）光敏树脂、粘接剂喷粘接剂时强度不高 、喷头易堵塞 制造业、医学、建 筑业等的原型验证 Industry chain of AM USER post-treatment and services Manufacturing Equipment Material Additive manufacturing has a long industry chain, and improves the technology and economy. 母合金、中间合金、金属冶炼、粉末 、金属丝材、材料检测、材料储运 激光器、电子枪、成形软件、机电控制 、传感器、机床、装备集成、真空器件 、气体循环器件、冷却系统 产品研制、工艺开发等、委托 加工 机械加工、热处理、表面处 理、无损检测、性能测试、 生物陶瓷、净化 4.4 国际发展现状 uEuropean and American countries have increased their support, and made the national strategies and plans for additive manufacturing development; It has draw more attention of government, research institutions, enterprises and the media. 2012年3月，美国白宫宣布振兴美国制造的新举措，将投资10亿美金帮 助美国制造体系的改革，鼓励优先发展增材制造为代表的数字化制造 技术；在全国范围筹建多个研究与企业联盟 英国政府自2011年开始持续增大对增材制造技术的研发经费，目前已 在多个大学建立了增材制造研究中心 德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推动增材制造技术在航空 航天领域中结构轻量化方面的应用 西班牙也启动了增材制造专项，研究增材制造共性技术、材料、技术 交流及商业模式等内容 日本一直重视增材制造技术，研制和应用水平走在了亚洲前列 三：Development and trends of International AM Clear development ideas 大型运输机舱体壁板结构航空发动机机匣 Basic research Standard setting Industry applications Industrial Development 三：Development and trends of International AM Clear development projects Research plan of electron beam rapid prototyping made by American NASA 三：Development and trends of International AM uDirect manufacturing of performance parts. Performance is close to the traditional process; Applied in some complicated conditions. 英国南安普顿大学设计并利用增材制造技术制造了世界上第 一架“3D打印”无人驾驶飞机，最高时速达100多公里 世界上第一辆“3D打印”赛车“阿里翁”，已在德国的霍根 海姆赛道完成测试，时速达141公里 4.4 国际发展现状 三：Development and trends of International AM Europe have carried out extensive esearch l意大利AVIO公司电子束选区熔化生产线拥有 13台设备； l英国罗罗公司正在建立拥有30台设备的电子 束选区熔化生产线。 大推力涡扇发动机钛铝合金 三四级涡轮叶片 p “Rapid manufacturing center of large aerospace parts”， has been established in 2007 p Additive manufacturing of small and precise structure keeps ahead of the world. 空客、罗 罗、EADS等 公司的飞机 及发动机上 已有大量应 用。 uSolving the manufacturing problems for difficult- machining materials 。例如，德国EOS公司开发的选区激 光烧结（SLS）增材制造装备可成形传统工艺（注塑、挤塑 ）难加工的耐高温塑料 利用基于粉材的激光烧结工艺可成形复杂高精度零部件，力 学性能较尼龙等塑料高出1倍（拉伸强度达95MPa，杨氏模量 达4400MPa） 特别是具有优异的耐高温性能，可连续服役于180摄氏度的 动态力学场合、240摄氏度的静态力学场合以及260摄氏度电 气场合等 三：Development and trends of International AM uRepairing and re-manufacturing high temperature parts。以激光、等离子束和电弧等能束增材制造再制造技 术为代表，已应用于机械、能源、船舶等领域核心、高附 加值零部件的快速修复 美国AeroMet公司应用于F15等 战斗机机翼梁修复 英国Rolls-Royce公司用于航 空发动机叶片修复 激光成形修复的发动机零件 相比传统电镀、热喷涂等技术 ，增材制造技术的使用，实现 了高性能、高效率和低成本修 复和再制造 三：Development and trends of International AM uRapid customizing personalized structure in biomedical area 。与生物医疗技术相结合，应用于牙齿、 骨骼等“人体零部件”修复或植入手术中。在过去的10余年 ，增材制造在生物医疗领域的应用比重约为占全部应用的 15%。 增材制造的人体修复体 增材制造的金属牙齿已应用于人体，并有专用装备 增材制造金属颅骨修复体，已获临床应用 增材制造人体关节金属修复体，已有专业的服务公司 4.4 国际发展现状 三：Development and trends of International AM u“three-dimensional printing”of micro and nano structures in the field of electronics manufacturing.与电子制造技术相融合，可应用于有机发光 二极管、薄膜太阳能电池、无芯片RFID标签、柔性显示器等 微纳尺度功能性器件的“三维打印” 与压膜制版、光刻蚀和镀膜等工 艺相比，增材制造用于电子领域 不仅减少污染排放，还可提高贵 重材料利用率！ 增材制造的微纳电子器件 电子电路多层柔性PCB 无芯片RFID标签 有机薄膜光伏器件 有机发光显示OLED 4.4 国际发展现状 三：Development and trends of International AM uProductization and serialization on production and sale of equipments. 欧美及日本在该领域处于世界领先 水平，已形成了众多专业化和规模化的装备生产企业。近 年来，开始出现知名企业强强联合与兼并的态势，进一步 加大了地区不平衡和技术垄断程度 美国3D Systems公司 l生产和销售三种工艺 类型、数十种型号的 增材制造装备 l仅SLS工艺装备就有9 种型号 l公司于2012年2月兼 并了办公型三维打印 装备知名企业美国 ZCorp公司 美国Stratasys公司 l专营低成本熔融沉积 （FDM）工艺装备 l是全球累计销售装备 数量最多的企业，占 总应用量的约40% l2012年4月，公司兼 并了桌面型三维打印 装备知名企业以色列 Objet公司 德国EOS公司 l专门生产和销售SLS 、SLM装备 l共有六种型号 l成形材料包括高分 子、砂、金属及其 复合材料 4.4 国际发展现状 三：Development and trends of International AM uEquipments are developing to specialization. 如德国EOS 公司提供专门用于工业应用级金属牙齿激光增材制造装备 铸造成本低，但工艺繁琐，周期长，难以个性化制造；机 加工精度高，但材料浪费严重 SLM工艺简单、个性化制造、材料利用率高、零件性能好 4.4 国际发展现状 三：Development and trends of International AM p Equipments expand from research and industry high-end types to mass consumption type.欧美发达国家开始重视低成 本（几万甚至几千人民币）增材制造装备的研制与产业化，促使 增材制造技术从实验室和工厂走向办公室甚至是家庭 美国ZCorp公司（并入3D Systems公司）生产的办公型三维打印装备类 似于打印机，可用于多类型塑料彩色零件的增材制造 美国MakerBot公司生产的简易型装备设备，可低成本制造塑料零件 三：Development and trends of International AM uForm relatively integrated industry chain including equipments, materials, software, services. 世界知名的增材制造装备生产企业超过30余家，主要分布 在美国、德国、英国及日本等少数发达国家 已有专业增材制造材料生产企业，如瑞典Sandvik公司提 供微细金属粉末 专业的增材制造软件公司，如比利时Materialise公司提 供增材制造工艺与控制软件 三：Development and trends of International AM uIndustry and markets have achieved certain scale, and annual output value is growing at double-digit rates. 1989年-2011年，增材制造装备销售量平均年增长率高达 31.6%，自2000年后以更快的速度递增 2011年，增材制造产品及服务产值较前一年增加了29.4% 三：Development and trends of International AM uMix of multidiscipline such as numerical control, new materials, new energy etc. uApplication areas include aerospace, automobile, mould, biomedical, electronic, construction, consumer products, education, official business etc. Application area distribution 多轴联动、高速扫描控制、高精密传动等数控技术 微细金属粉末、光敏树脂、水溶喷印树脂等新材料及其制备技术 高能束激光、电子束、等离子等新能源技术 4.4 国际发展现状 三：Development and trends of International AM uTechnology: 从快速原型、工艺辅助等间接制造发展为零部件 直接制造，新材料、新器件、新产品不断出现； uEquipment: 向产品化、系列化和专业化方向发展；从科研和 工业等高端型向办公和个人消费等大众化型拓展； uIndustry: 形成了集装备、材料、软件、服务于一体的产业链 ，初具产业规模和市场销售； uStandards: 已发布较成熟的、成系列的相关技术标准，并已 开始了国际标准的制定； uApplication: 多学科交叉融合发展，应用领域不断扩大。 三：Development and trends of International AM 四 . Our development situation 电子束熔丝 沉积成形： 北京625所 1990 1995 2000 2003 电子束选区 熔化成形： 清华大学 北京625所2007 西北有色院2011 中科院金属所2011 快速原型： 清华大学 西安交大 华中科大 中北大学 北京625所 北京隆源公司 2003 金属激光成形： 西工大 北京有色院 北京625所 华中科大 华南理工 北京殷华公司 2011 大型结构 激光成形： 北航 西工大 北京625所 2006 激光成形大 型航空钛合 金结构装机 应用： 北京航空航 天大学 电子束熔丝 沉积成形 钛合金结构 及激光选区 熔化成形精 密结构装机 应用 北京625所 Some related research institutes and bases are built p Development of additive manufacturing equipments relying on universities and research institutes under financial support of national projects. 代表性单位有：西安交通大学、华中科技大学、北京航空航天 大学、中航工业北京航空制造工程研究所、西北工业大学、清 华大学、华南理工大学、西北有色金属研究院，等等。 四. Our development situation 625所EBRM设备 625所SLM设备 p State-of-the-art is transiting from rapid prototyping to components direct manufacturing. Areas on high performance placitics and metal components are developing rapidly. Some exceed international level. However, generally speaking, there is still big room for improvement. 制作飞机风洞模型，辅助新型飞机结构的创新设计与快速开发 用于汽车、家电和数码等快速更新换代行业中新产品结构的快速验证 ，如海尔等重要企业均建立的增材制造技术中心 辅助汽车发动机缸体缸盖等复杂铸件蜡型和砂型的快速制造，二汽、 玉柴等相关企业均设立了专门的增材制造部门 四. Our development situation uThere is big improvement room for additive manufacturing equipments. Industrial chain needs to be established involving materials, hardware, software and services. Equipment usage distribution of international additive manufacturing Equipment production distribution of international additive manufacturing 截止2011年底，我国增材制造装备使用量占全球份额的8.6%，装 备产量仅占世界总量的3.6%。说明我国使用的不到10%的装备还 有超过一半依赖于进口！ 我国增材制造装备的应用量和生产量均有较大提升空间 4.5 我国发展情况 四. Our development situation 四. Our general situation 4.5 我国总体情况 pResearch condition: 形成了一批各具特色的研发机构， 并研发成功了一批增材制造装备； pTechnological level: 总体上还处于从模型制作向零部 件直接制造的过渡阶段，部分指标达世界领先水平； pApplication and industry: 在典型关键领域进行了局部 应用，但缺乏产业链，产业规模提升空间大！； pStandards: 已开始了相关标准的制定工作，但起步较晚 ，标准涉及内容较分散，未形成成套的系列化标准。 4.6 我国面临的主要差距 pWeakness of theoretical research: 在基础理论与成形机理 研究方面，我国在一些局部点上开展研究，但国外研究更基础 、更系统和更深入 pLack of key generic technology research: 国外基于成熟理 论基础上的工艺控制，成形精度、制件性能以及工艺稳定性高 pWeakness of materials research: 增材制造用材料与传统工 艺所用材料有较大差别，我国与国外相比无论是种类还是质量 上都有差距 pLow equipment level: 大部分增材制造工艺装备国内都有研制 ，但在成形精度和智能化程度以及材料适应范围方面与国外先 进水平相比存在差距 pCore components rely on import: 激光器、精密光学器件等 装备核心元器件依靠进口 五. Our gap, solution and suggest Advantages OpportunitiesThreats Disadvantages 行业需求背景与支持推动 明确的产品需求和强劲的研发动力 强大扎实领先的技术实力 自主知识产权的软件平台 前期研发的经验与教训 现环境下的低盈利甚至负盈利 市场份额 到达市场的时间 国内市场需求大而紧迫 国际主要竞争产品能力有限，产品能力 低端 航空产业需求旺盛 现有商品无法满足需求 国际国内同行的快速研发竞争 高端产品的性能 Analysis on advantages, disadvantages, opportunities and threats Aerospace 飞机大型钛合金框梁、接头 飞机小型精密复杂结构 航空发动机叶片、机匣 整体式小型火箭发动机 火箭发动机尾喷管 冲压发动机复杂异型进气道 复杂形状高效散热结构 . Health care 人体植入物： 髋关节、膝关节、 牙科产品、定制植 入体等 医疗器械： 手术固