3D打印技术全面介绍

3D打印技术

湖北工业大学机器人研究中心1/49主要内容3D打印技术发展历史3D打印技术介绍3D打印特点及优势3D打印技术发展趋势机器人研究中心3D打印技术研究2/493D打印概念3D打印技术是指经过连续物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体技术，与传统去除材料加工技术不一样，所以又称为添加制造（AM，AdditiveManufacturing）。3D打印技术内容涵盖了产品生命周期前端“快速原型”(rapidprototyping)和全生产周期“快速制造”(rapid

manufacturing)相关全部打印工艺、技术、设备类别和应用。3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等很多方面前沿技术知识，含有很高科技含量。3/493D打印起源20世纪70年代末到80年代早期，美国3M企业AlanHebert(1978年)、日本小玉秀男(1980年)、美国UVP企业CharlesHull(1982年)和日本丸谷洋二(1983年)四人各自独立提出了这种概念。1986年，CharlesHull率先推出光固化方法(stereolithographyapparatus，SLA)，这是3D打印技术发展一个里程碑。1988年，他创建3D打印设备企业生产出了世界上第一台3D打印机SLA-250。1988年，美国人ScottCrump创造了另外一个3D打印技术———熔融沉积制造(FDM)，并成立了Stratasys企业。1989年，C.Ｒ.Dechard创造了选择性激光烧结法(SLS)，其原理是利用高强度激光将材料粉末烧结直至成型。1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。1995年，美国ZCorp企业从麻省理工学院取得唯一授权并开始开发3D打印机。，市场上首个高清楚彩色3D打印机SpectrumZ510由ZCorp企业研制成功。年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成汽车Urbee问世。207月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。208月，南安普敦大学工程师们开发出世界上第一架3D打印飞机。2011月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。2011月，美国德克萨斯州奥斯汀3D打印企业“固体概念”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪。4/493D打印技术在世界范围内需求近年来，3D打印在世界各大媒体上受到广泛关注，三维打印机制造商表示3D打印需求和市场正在快速增加。3D打印市场增加受到多方原因影响，媒体在近几年对3D打印技术做了大量宣传，为人们更加好地了解3D打印发挥了重大作用。

5/493D打印技术在世界范围内需求

依据美国技术咨询服务协会WohlersAssociates公布年度汇报,全球3D打印行业在销售额为17.14亿美元。当前，3D打印技术市场年增加率为29.4%，据预测，该行业市场规模到年将达37亿美元，到年将增加到65亿美元。3D打印技术市场规模示意图6/493D打印技术在世界范围内需求

从行业分布看，当前消费电子领域依然占主导地位，约20.3%;其它主要应用在汽车、医疗/牙科、工业/商业机器和航空航天领域。3D打印技术行业分布如图：3D打印技术主要应用功能分布百分比如图：7/493D打印技术在世界范围内需求

当前，欧洲、美洲和亚洲是3D打印设备主要需求市场。从设备市场份额分布来看，北美地域占40.2%，位居第一，欧洲地域和亚洲地域紧随其后。美国是3D打印设备安装第一大国，日本处于第二。3D打印设备数量区域分布图

8/493D打印技术在世界范围内需求图中，柱状图上段为服务收入，下段为产品(即设备和材料等)收入。从图不难看出，3D打印设备及材料和服务经济规模是相当。年，销售额为13.25亿美元;到，销售额为17．14亿美元,增加率到达24.1%。在产品收入中，3D打印设备和材料占主要部分，为8．34亿美元。全球3D打印技术产品和服务收入示意图因为3D打印产品种类丰富，带动了打印材料快速发展。到年，全球打印材料销售情况如图6所表示，除了2009年因为全球经济危机影响稍有下降外，基本上每年都保持10%～20%增加速度。全球3D打印材料销售额示意图9/493D打印技术在世界范围内需求价格价格依然是一个关键性问题，一些用户指出，相对中低端打印机来说，高端产品价格在市场中还没有出现显著波动。生产成本最初为100万元3D打印机，当前成本已经降到了最初二分之一，不过销售价格并没有下降。耗材

耗材是当前制约3D打印技术广泛应用关键原因。3D打印技术要实现更多领域应用，就需要开发出更多可打印材料，依据材料特点深入研究加工、结构与材料之间关系，开发质量测试程序和方法，建立材料性能数据规范性标准等。

最终止论：3D打印技术即使不能够带来第三次工业革命，但无疑是改进工业技术一把钥匙。10/493D打印原理3D打印技术采取了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层打印过程分为两步，首先在需要成型区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀粉末，粉末碰到胶水会快速固化黏结，而没有胶水区域仍保持涣散状态。这么在一层胶水一层粉末交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完成后只要扫除涣散粉末即可“刨”出模型，而剩下粉末还可循环利用11/493D打印类型和属性

3D打印按材料可分为块体材料、液态材料和粉末材料等。按照美国材料与试验协会(ASTM)、3D打印技术委员会(F42委员会)标准，当前七类3D打印工艺与所用材料以下表；当前，已实现商品化3D打印机共涵盖了七类工艺，其中以SLA、SLS和FDM等为主。12/49光固化打印(SLA)

是采取紫外光在液态光敏树脂表面进行扫描，每次生成一定厚度薄层，从底部逐层生成物体。

光固化过程原理图

光固化成形其优点是原材料利用率快要100%，尺寸精度高(±0.1mm)，表面质量优良，能够制作结构十分复杂模型;缺点是价格昂贵，可用材料种类有限，制成品在光照下会逐步解体13/49熔融沉积打印(FDM)采取热融喷头，使塑性纤维材料经熔化后从喷头内挤压而出，并沉积在指定位置后固化成型。这种工艺类似于挤牙膏方式。

其优点是价格低廉、体积小、生成操作难度相对较小;缺点是成型件表面有较显著条纹，产品层间结合强度低、打印速度慢。

熔融沉积制造

14/49选择性激光烧结打印(SLS)是采取高功率激光，把粉末加热烧结在一起形成零件。

其工艺优点是可打印金属材料和各种热塑性塑料，如尼龙、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等，打印时无需支撑，打印零件机械性能好、强度高;缺点是材料粉末比较涣散，烧结后成型精度不高，且高功率激光器价格昂贵。

选择性激光烧结

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聚合物喷射技术（PolyJet）是当前最为先进3D打印技术之一，图示为聚合物喷射系统结构:

材料喷射

喷射打印头沿X轴方向往返运动，工作原理与喷墨打印机十分类似，不一样是喷头喷射不是墨水而是光敏聚合物。当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，UV紫外光灯将沿着喷头工作方向发射出UV紫外光对光敏聚合材料进行固化。

完成一层喷射打印和固化后，设备内置工作台会极其精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层打印和固化。就这么一层接一层，直到整个工件打印制作完成。16/49打印金属粉末3D打印技术介绍金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最前沿和最有潜力技术，是先进制造技术主要发展方向。按照金属粉末添置方式将金属3D打印技术分为三类:激光工程化净成形技术(LENS)LENS是一个新快速成形技术，它由美国Sandia国家试验室首先提出。其特点是:直接制造形状结构复杂金属功效零件或模具;可加工金属或合金材料范围广泛并能实现异质材料零件制造;可方便加工熔点高、难加工材料。

LENS系统同轴送粉器结构示意图

17/49打印金属粉末3D打印技术介绍激光选区熔化技术(SLM)SLM是金属3D打印领域主要部分，其发展历程经历低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点粉末烧结、高熔点粉末直接熔化成形等阶段。由美国德克萨斯大学奥斯汀分校在1986年最早申请专利。

SLM技术基本原理是:先在计算机上利用三维造型软件设计出零件三维

实体模型，然后经过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。

18/49打印金属粉末3D打印技术介绍电子束选区熔化技术(EBSM)EBSM是采取高能电子束作为加工热源，扫描成形能够经过操纵磁偏转线圈进行，且电子束含有真空环境，还能够防止金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。

其利用金属粉末在电子束轰击下熔化原理，先在铺粉平面上铺展一层粉末并压实;然后，电子束在计算机控制下照截面轮廓信息进行有选择熔化、烧结层层堆积，直至整个零件全部熔化、烧结完成。

EBM系统示意图

19/493D打印特点数字制造:

借助建模软件将产品结构数字化，驱动机器设备加工制造成器件，数字化文件还可借助网络进行传递，实现异地分散化制造生产模式。降维制造(分层制造):即把三维结构物体先分解成二维层状结构，逐层累加形成三维物品。所以，原理上3D打印技术能够制造出任何复杂结构，而且制造过程更柔性化。堆积制造:

“从下而上”堆积方式对于实现非匀致材料、功效梯度器件更有优势。直接制造:

任何高性能难成型部件均可经过“打印”方式一次性直接制造出来，不需要经过组装拼接等复杂过程来实现。快速制造:

3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造，所以，制造更加快速、更高效。20/493D打印优势

3D打印机不像传统制造机器那样经过切割或模具塑造制造物品。经过层层堆积形成实体物品方法从物理角度扩大了数字概念范围。对于要求含有准确内部凹陷或互锁部分形状设计，3D打印机是首选加工设备，它能够将这么设计在实体世界中实现。下面是来自各个行业、含有不一样背景和专业技术水平人用类似方式描述，3D打印原理帮助他们降低主要成本、时间和复杂性障碍。我们一起来看一下3D打印含有哪些优势。21/493D打印优势优势1：制造复杂物品不增加成本

就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3D打印机而言，制造形状复杂物品成本不增加，制造一个华丽形状复杂物品并不比打印一个简单方块消耗更多时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统定价模式，并改变我们计算制造成本方式。优势2:产品多样化不增加成本

一台3D打印机能够打印许多形状，它能够像工匠一样每次都做出不一样形状物品。传统制造设备功效较少，做出形状种类有限。3D打印省去了培训机械师或购置新设备成本，一台3D打印机只需要不一样数字设计蓝图和一批新原材料。

优势3:无须组装

3D打印能使部件一体化成型。传统大规模生产建立在组装线基础上，在当代工厂，机器生产出相同零部件，然后由机器人或工人（甚至跨洲）组装。产品组成部件越多，组装花费时间和成本就越多。3D打印机经过分层制造能够同时打印一扇门及上面配套铰链，不需要组装。省略组装就缩短了供给链，节约在劳动力和运输方面花费。供给链越短，污染也越少。

22/493D打印优势优势4:零时间交付

3D打印机能够按需打印。即时生产降低了企业实物库存，企业能够依据客户订单使用3D打印机制造出尤其或定制产品满足客户需求，所以新商业模式将成为可能。假如人们所需物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大程度地降低长途运输成本。

优势5:设计空间无限

传统制造技术和工匠制造产品形状有限，制造形状能力受制于所使用工具。比如，传统木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装部件，制模机仅能制造模铸形状。3D打印机能够突破这些局限，开辟巨大设计空间，甚至能够制作当前可能只存在于自然界形状。优势6:零技能制造

传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要技能。批量生产和计算机控制制造机器降低了对技能要求，然而传统制造机器依然需要熟练专业人员进行机器调整和校准。3D打印机从设计文件里取得各种指示，做一样复杂物品，3D打印机所需要操作技能比注塑机少。非技能制造开辟了新商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新生产方式。

23/493D打印优势优势7:不占空间、便携制造

就单位生产空间而言，与传统制造机器相比，3D打印机制造能力更强。比如，注塑机只能制造比本身小很多物品，与此相反，3D打印机能够制造和其打印台一样大物品。3D打印机调试好后，打印设备能够自由移动，打印机能够制造比本身还要大物品。较高单位空间生产能力使得3D打印机适合家用或办公使用，因为它们所需物理空间小。

优势8:降低废弃副产品

与传统金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少副产品。传统金属加工浪费量惊人，90％金属原材料被丢弃在工厂车间里。3D打印制造金属时浪费量降低。伴随打印材料进步，“净成形”制造可能成为更环境保护加工方式。

24/493D打印优势

优势9:材料无限组合

对当今制造机器而言，将不一样原材料结合成单一产品是件难事，因为传统制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将各种原材料融合在一起。伴随多材料3D打印技术发展，我们有能力将不一样原材料融合在一起。以前无法混合原料混合后将形成新材料，这些材料色调种类繁多，含有独特属性或功效。优势10:准确实体复制数字音乐文件能够被无休止地复制，音频质量并不会下降。未来，3D打印将数字精度扩展到实体世界。扫描技术和3D打印技术将共同提升实体世界和数字世界之间形态转换分辨率，我们能够扫描、编辑和复制实体对象，创建准确副本或优化原件。25/49应用领域3D打印机应用对象能够是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。当前，3D打印技术已在工业设计、文化艺术、机械制造(汽车、摩托车)、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、雕刻、首饰等领域都得到了应用。伴随技术本身发展，其应用领域将不停拓展。26/493D打印技术发展首款3D打印电动汽车问世45小时完成制造27/493D打印技术发展3D打印助力少林绝学传承发扬28/493D打印技术发展美国医生用3D打印心脏救活2周大先心病婴儿

报道称，这名婴儿患有先天性心脏缺点，它会在心脏内部制造“大量洞”。在过去，这种类型手术需要停掉心脏，将其打开并进行观察，然后在很短时间内来决定接下来应该做什么。但有了3D打印技术之后，巴查医生就能够在手术之前制作出心脏模型，从而使他团体能够对其进行检验，然后决定在手术当中到底应该做什么.巴查医生说，他使用了婴儿MRI数据和3D打印技术制作了这个心脏模型。整个制作过程共花费了数千美元，不过他预计制作价格会在未来降低。29/493D打印技术发展

3D打印技术与艺术动漫有着不解之缘，越来越多设计师将自己设计形象经过3D打印形式展现出来。而在动漫领域，3D打印动画有着广泛应用前景，详细是指将动漫人物3D打印出来然后经过定格动画拍摄方式形成动画。近日，在艺术和动漫领域，3D打印技术展现了其更广应用前景。大型迪斯尼动画《超能陆战队》，其动漫制作过程中充分利用3D打印技术，包含3D打印以及3D扫描等技术。动漫人物武器装备是经3D扫描后3D打印出来。30/493D打印技术发展由中央电视台和MTV音乐电视台联合主办音乐盛典——度音乐颁奖31/493D打印技术发展美食不能拒绝来看下这款意大利面3D打印机

伴随3D打印技术发展，3D食品打印机逐步走进我们视线。创客们依据需要对3D打印设备进行改装，制作出各式样食品3D打印机。而这些食品3D打印机都能够做出什么样式食品呢？据笔者现在了解，市场上已经出现了供老人享用软质食物打印机。而在罗马创客嘉年华上出现了一款意大利面3D打印机，还有各种意大利面制作设备，使人眼前一亮。打印机喷嘴下方是可转动滚轴32/493D打印与艺术结合

将前卫3D打印技术与家居灯饰完美结合，融合设计师独特设计理念，流畅线条，简约设计，让你享受科技神秘感同时，也拥有当代时尚家居生活体验。采取数字方法利用数学曲线公式设计而出，产品形式参数可调，几乎能够展现出无限多组合方式。33/493D打印机“打印”出无人飞机8月1日，英国南安普敦大学工程师设计并放飞了世界上第一架“打印”出来飞机。这款飞机名为“SULSA”，是一个无人驾驶飞机，整个结构均采取打印这种方式，包含机翼、整体控制面和舱门。34/493D打印技术发展

近日，以色列一家名为something3D企业也宣告推出全新全彩3D打印机，采取熔融细丝制造（FFF）3D打印技术。

我们看到常见多色3D打印机需要安装多个挤出头，来实现彩色效果。而变色龙3D打印机只有一个挤出头，是经过混合各种细丝实现全彩打印，颜色切换可到达0.5mm精度。35/493D打印技术发展变色龙体积520x520x600毫米，重20千克，可打印作品最大300x300x340毫米。听说，变色龙兼容1.75毫米ABS和PLA细丝材料，打印速度每秒70-100毫米。36/493D打印技术发展11月8日，美国一家制造了全球首款3D金属手枪，而且已经成功发射了50发子弹，该手枪设计出自经典1911式手枪。该手枪是由超出30个3D打印原件组装而成，包含不锈钢和一些特殊合金材料，枪栓、枪管和很多内部零件。这个技术工艺关键是金属激光烧结，37/493D打印业发展趋势3D打印——按需定制、以相对低廉成本制造产品——一度被认为是科幻想象，而现在已经变成现实。在，这种趋势将逐步加速。以下就是今年以及今后3D打印领域值得关注十大趋势：38/493D打印业发展趋势1.3D打印成为工业化力量

3D打印原先只能用于制造产品原型以及玩具，而现在它将成为工业化力量。你乘坐飞机将使用3D打印制造零部件，这些零部件能够让飞机变得更轻、更省油。实际上，一些3D打印零部件已经被应用于飞机上。该技术也将被国防、汽车等工业应用于特种零部件直接制造。总之，经过3D打印制造飞机、汽车乃至家电零部件数量将越来越多。2.3D打印开始治病救人

经过3D打印制造医疗植入物将提升身边一些人生活质量，因为3D打印产品能够依据确切体型匹配定制，如今这种技术已被应用于制造更加好钛质骨植入物、义肢以及矫正设备。当前，3D打印技术在医疗应用方面研究包括纳米医学、制药乃至器官打印。做最理想情况是，3D打印技术在未来某一天有可能使定制药品成为现实，并缓解（假如不能消除话）器官供体短缺问题。39/493D打印业发展趋势打印出来静脉即将开始在动物身上进行试验，并最终实施人体临床试验人造骨骼组织相当精细，可用于整形、重建和脊椎手术40/493D打印业发展趋势3.定制化成为常态产品将依据自己确切详细信息进行定制，经过3D打印技术，创新企业将凭借与竞争对手标准化产品相同价格为用户提供定制化体验，以此取得竞争优势。这种体验可能包含制造定制智能手机外壳这么新奇物品或是为标准化工具进行符合人体工程学改造，但它很快就会扩张到新市场。

4.产品创新速度加紧因为利用3D打印快速原型制造技术能够缩短把产品概念转化为成熟产品设计时间，设计人员将能够专注于产品功效。即使使用3D打印快速原型制造技术并不是新鲜事物，但快速降低成本、功效得到改进设计软件以及越来越多打印材料意味着设计人员将能更方便地使用3D打印机，使他们能够在设计早期阶段就打印出原型产品、进行修改以及重新打印等等，从而加速创新，其结果将是更加好