逆向工程与快速成型技术应用 第4版 课件 4-6 快速成型技术的发展

苏州职业大学孙春华了解快速成型技术的发展（介绍快速成型技术的发展简史、发展现状及发展趋势）目录CONTENTS1.快速成型技术的发展简史以时间轴的方式展示主要工艺的发展3.快速成型技术的发展趋势基于现状问题，提出发展趋势2.快速成型技术的发展现状讲述该技术发展较好的几个国家的发展情况Part1快速成型技术的发展简史1860年，法国人FranoisWillème申请到了多照相机实体雕塑（Photosculpture）的专利。1892年，美国人J.E.Blanther登记了一项采用层合方法制作三维地图模型的专利技术。1902年，CarloBaese在专利(#774549)提出用光敏聚合物制造塑料件的原理(StereoLithography)。1940年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘结成三维地形图的方法。1964年，E.E.Zang细化了该方法，用透明纸板，且每一块均带有详细的地貌形态标记，制作地貌图。1972年，K.Matsubara使用光固化材料，光线有选择地投射或扫射，将规定的部分硬化，不断堆积成型。Part1快速成型技术的发展简史1976年，P.L.DiMatteo提出这种堆积技术能够用来制造用普通机加工设备难以加工的曲面。1977年，W.K.Swainson在专利中提出通过选择性的三维光敏聚合物体激光照射直接制造塑料模型工艺。1979年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法。1979年，日本东京大学T.Nakagawa教授等用薄板技术制造落料模、成形模和注射模等，复杂冷却通道。1980年，日本人小玉秀男提出了光造型法。——1860~1980，增材制造（3D打印）技术，在模型切片、打印路径规划、打印参数等方面形成了基础技术框架。Part1快速成型技术的发展简史增材制造的出现最早可以追溯到20世纪80年代。1986年Chuck

Hull获得申请专利。同年,在加利福尼亚州成立了3DSystems公司,致力于将光固化技术商业化。Chuck

Hull被誉为“3D打印之父”。1988年,3DSystems推出全球第一台商业设备SLA-250,至此光固化快速成型技术在世界范围内得到了迅速而广泛的应用。SLA-250的面世成为了3D打印技术发展史上的一个里程碑事件,其设计思想和风格几乎影响了后续所有的3D打印设备。现在这台设备被3D打印文化博物馆永久收藏和展示。Part1快速成型技术的发展简史1988年，美国人斯科特·克朗普发明了一种新的成型工艺——熔融沉积成型FDM。1989年，美国人德卡德发明了选择性激光烧结技术，这种技术的特点是选材范围广泛，比如尼龙、腊、ABS、金属和陶瓷粉末等都可以作为原材料。——1981-1989增材制造的主流技术、平台技术FDM，SLA，SLS诞生于美国。主要用于塑料件的快速成型。1992年，美国人赫利塞思发明层片叠加制造技术LOM。1995年，美国麻省理工学院研制出三维粉末粘结成型技术3DP。也是从这一年开始，增材制造被称为3D打印。——1991-1999全球制造战略的变迁，加速了增材制造技术（快速成型）的应用发展；激光、CAD软件、数控技术的发展提升了工业级增材制造（快速成型/模具）的技术成熟度；FDM，3DP，SLA，SLS等技术形成了成熟的工艺过程；材料适用性较广、成本较低的工业级增材制造技术3DP、LENS诞生于美国。Part1快速成型技术的发展简史进入21世纪，该技术迅速发展。2000年，Objet发布喷射光固化技术，使用紫外线光感和液滴综合技术，是第一台能够同时使用几种不同的打印原料的3D打印机，可大幅提高制造精度2003年，金属3D打印主流工艺开发DMLS（SLM）激光烧结技术，诞生于德国EOS。2005年，ZCorp.公司推出世界上第一台高精度彩色3D打印机SpectrumZ510，3D打印由此有了精致的色彩。2007年，3D打印服务创业公司ShapeWays正式成立，提供个性化产品定制服务。Part1快速成型技术的发展简史2009年，BrePettis创立了著名的桌面级3D打印机公司──MakerBot，并出售DIY套件，购买者可自行组装3D打印机，将3D打印技术进一步推广开来；2010年，生物打印技术公司Organovo公开第一个利用生物打印技术打印完整血管的数据。2008年，第一台开源的桌面级3D打印机RepPap发布，其目的是开发一种能自我复制的3D打印机。桌面级的开源3D打印机为轰轰烈烈的3D打印普及化浪潮揭开了序幕。——2000-2010金属3D打印技术进步快速，开源的FDM打印机诞生，为后续全球大量的FDM桌面打印机的出现埋下伏笔。Part1快速成型技术的发展简史2012年，英国著名经济学杂志《经济学人》封面文章，声称3D打印将引发全球第三次工业革命。自此各国政府开始制定政策，支持该技术的研究和应用，大大地推动了该技术的发展。2012年，美国总统奥巴马提出投资10亿美元在全美建立15家制造业创新研究所。来自MIT的团队成立Formlabs公司，发布了世界上第一台廉价且高精度的SLA。中国宣布是世界上唯一掌握大型结构关键件激光成型技术的国家。2013年，美国国家航空航天局（NASA）测试3D打印的火箭部件。Part1快速成型技术的发展简史2015年，美国Carbon3D公司发布一种新的光固化技术——连续液态界面制造CLIP，利用氧气和光连续地从树脂材料中逐出模型。CLIP在SLA技术的基础上开发的具有革命性的3D打印技术，将3D打印的速度提高了100倍。且可以使用部分生物材料。此外，还有许多3D打印技术在汽车制造、首饰设计、食品、艺术、生物医疗、航空航天等领域的成功案例。Part1快速成型技术的发展简史2016年，美国DesktopMetal发布基于3DP技术的桌面金属3D打印系统。2017年，澳大利亚SPEE3D推出基于超音速3D沉积技术（SP3D）的金属3D打印系统。2018年，美国惠普HP正式发布基于粘结剂喷射的金属打印系统。2018年，美国GE公司完成了第30,000个增材制造的航空发动机燃油喷嘴。

2019年，基于FDM工艺的Markforged发布镍合金、铜合金材料工艺。2019年，美国公司VELO3D首创无需支撑的金属3D打印技术。2020年，中国搭载100多个零件的天问号火星探测器运载火箭发射。——基于FDM、3DP工艺的金属增材制造技术不断涌现；基于SLM、EBM技术的工业级增材实现规模化生产。增材制造向传统制造挑战。Part1快速成型技术的发展简史Part1快速成型技术的发展简史几个重要的时间节点：1、1860年，朴素的增材制造概念诞生2、1983年，光固化（SLA）3、1989年，熔融层积成型技术(FDM)4、1992年，激光烧结(SLS)5、1995年，激光熔化(SLM）

3D打印是19世纪的构想，20世纪的基础，21世纪的市场。随着多年的发展，3D打印产业已形成较为成熟的基础技术和不断创新的技术体系，逐渐成为航空航天、汽车、消费电子、医疗等领域的热门技术。Part2快速成型技术的发展现状1、各国的发展水平欧美等发达国家和新兴经济国家将其作为战略性新兴产业，纷纷制定发展战略，投入资金，加大研发力量，推进产业化。作为全球第一科技强国的美国，增材制造发源于此。美国不仅拥有世界最前沿的增材制造技术，而且还诞生了两大增材制造行业巨头Stratasys和3DSystems。该技术在美国的应用，无论是在军事、航空航天、医疗、工业，还是在民用方面，都走在世界前列。美国成为增材制造领先的国家，主要的引领要素是低成本快速成型设备的社会化应用和金属零件直接制造技术在工业界的应用。Part2快速成型技术的发展现状俄罗斯在增材制造领域中的作用或许被外界小看了，因为鲜有报道。但其实俄罗斯是一个激光技术产业大国，其在激光技术领域处于国际上数一数二的地位。目前，俄罗斯增材制造技术在其激光技术的辅助下发展迅速，并通过与世界发达国家的技术交流与合作，在增材制造领域走入了世界前列。在增材制造应用方面，俄罗斯也紧跟世界脚步，其在工业制造、航空、军事与医疗等领域都已有不小的进展。

作为科技强国的日本，增材制造技术在各行业的应用，如医疗、工业制造、技术开发等方面都让人耳目一新。

印度的增材制造目前也有一些进展，虽然开始时进展缓慢，但在模具和航空航天领域获得了一些应用。Part2快速成型技术的发展现状我国增材制造技术在国家政策的支持下，经过近三十年的发展，其产业化步伐明显加快，科技创新成果显著增加，关键技术、装备性能不断提升，涌现出一批具有一定竞争力的骨干企业，应用领域日益拓展，形成了若干个产业集聚区，生态体系初步形成，2020年的产业规模已经突破220亿元。针对材料、工艺和设备的研究成果部分已实现产业化，应用范围覆盖航空航天、装备制造、汽车、生物医疗和文化创意等重要领域。根据美国国际数据集团（IDG）预测，中国未来增材制造产业规模将维持至少22.3%的年增长率。Part2快速成型技术的发展现状Part3快速成型技术的发展趋势受技术装备、新型材料、设计软件、质量安全和公共环境等制约和影响，目前仅适用于少批量、小尺寸、高精度、造型复杂的零部件和元器件的加工制造，还难以代替传统制造业大规模、大批量的加工制造，尚未进入大规模工业应用。随着该技术的发展，新工艺的不断出现，新应用的不断拓展，逐渐呈现以下发展趋势：（1）向日常消费品制造方向发展。三维打印是国外近年来的发展热点。将三维打印机作为计算机一个外部输出设备来应用，可以直接将计算机中的三维图形输出为三维的彩色物体，在科学教育、工业造型、产品创意、工艺美术等有着广泛的应用前景和巨大的商业价值。其发展方向是提高精度、降低成本、高性能材料发展。Part3快速成型技术的发展趋势（2）向功能零件制造发展。采用激光或电子束直接熔化金属粉，逐层堆积金属，形成金属直接成型技术。该技术可以直接制造复杂结构金属功能零件，制件力学性能可以达到锻件性能指标。进一步的发展方向是进一步提高精度和性能，同时向陶瓷零件的增材制造技术和复合材料的增材制造技术发展。（3）向智能化装备发展。目前快速成型设备在软件功能和后处理方面还有许多问题需要优化。例如，成型过程中需要加支撑，软件智能化和自动化需要进一步提高；制造过程，工艺参数与材料的匹配性需要智能化；加工完成后的粉料或支撑的需要去除等问题。这些问题直接影响设备的使用和推广，设备智能化是走向普及的保证。Part3快速成型技术的发展趋势当前，已经处于第二代增材制造设备时代。第一代增材制造设备主要是满足我们设计产品的原型制作。通过增材制造设备能够打印出立体的物品出来，而且形象逼真，但是功能性不强。第二代增材制造设备则能够打印出我们所需要的功能性产品，包括金属的、生物的产品，也包括一些大型的结构件产品和柔性产品。未来第三代增材制造设备的智能化、信息化水平更高，与机器人、智能材料等其他先进技术的结合则更为紧密，还可以衍生出很多模块化的功能。（4）向组织与结构一体化制造发展。增材制造将实现从微观组