增材制造和3D打印的发展趋势及其对制造模式的革命

www.engineering.org.cn第1卷·第1期·2015年3月工程085研究3D打印-透视工程2015，1（1）：85-增材制造和3D打印的发展趋势卢秉恒 *，李迪晨，田晓勇摘要增材制造和3D打印技术在过去的30年里发展迅速，显示出巨大的发展潜力。这项技术的前景广阔，对传统行业的影响不可预测。3D打印将推动制造模式的革命，并通过实现五个“任何”来实现定制制造的新时代材料、设计和制造工艺的创新将受到启发通过将3D打印技术和工艺与传统制造工艺相结合。最后，3D打印对于制造业来说将变得与等效和减材制造工艺一样有价值。关键词增材制造，3D打印，制造模式，定制制造，创新设计1 介绍3D打印作为一种新兴的制造技术，正逐渐引起学术界和企业界的关注。在制造技术方面，3D打印是一种增材制造过程，在此过程中零件的质量变化为正（WMM> 0）。相应地，具有ΔM= 0和ΔM = 0的工艺分别被称为等效制造和减材制造。等效制造的发展已经超过3000年。这种制造方式的一个早期例子是在三星堆（青铜时代的中国主要城市）使用的青铜铸造技术。其他的例子，如干将和莫邪剑，在春秋时期（公元前770年至公元前403年）锻造。，以及秦始皇的青铜车马也标志着金属热处理和焊接技术的悠久历史。随着机械动力的发展（特别是基于电磁理论的电磁铁的发明），减材制造技术诸如机床和机械加工技术等学科的出现经历了300多年的时间。与等效和减材制造相比，增材制造的时间相对较短。用于3D打印的立体光刻机的第一个原型是在不到30年前创建的，这表明3D打印未来发展的巨大潜力。然而，这项技术的美好未来也使其对传统行业的影响不可预测。因此，在下面的章节中，我们将讨论3D打印在不久的将来可能的发展方向。2 3D打印推动制造模式革命2.13D打印的五个如今，3D打印的发明创造越来越普遍。已经对用于各种材料的3D打印工艺和设备进行了大量研究，包括塑料、金属、陶瓷、木材、可食用材料、电纤维、磁性材料和石墨烯[1]。3D打印使用添加剂方法将三维部件的制造转化为多个二维横截面的创建，因此可以制造任何复杂形状的零件，甚至内部有空腔的零件[2]。3D打印具有出色的灵活性，这使得它适合任何规模的生产任务。它不仅可以用于打印定制的人造人类牙齿和骨骼，还可以用于创建制造模具[3]。3D打印具有成本低、制造周期短等优点，有可能成为未来汽车行业的主要模具制造方式。此外，3D打印也适用于中到高批量生产。3D打印工艺和设备的发展使得在企业、办公室或家庭中制造零件成为可能-任何地方都可以成为3D打印车间。Xi* 通讯作者。电子邮件地址：bhlu@mail.xjtu.edu.cn接收日期：2015年3月3日;接收日期：2015年3月25日;接受日期：2015年3月31日作者（S）2015出版社：Engineering Sciences Press这是CC BY许可下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/）086工程第1卷·第1期·2015年3www.engineering.org.cn研究3D打印-透视现在3D打印正逐渐成为普通大众可以学习和掌握的技术。人们可以很容易地学会使用3D打印机，然后自行设计和制造简单的物体，如台灯，衣架等，这项技术也被研究和探索用于太空应用。在未来，卫星，航天器服务部件，甚至建筑物都可以使用3D打印技术直接从地球上制造[43D打印已经被许多行业所接受和使用。例如，在航空航天工业中，它已被用于制造具有复杂形状和低体积分数的大型柔性结构部件和承载部件。该技术也可用于制造航空发动机及其控制器中的精密零件[7]。在建筑领域，3D打印被用于制造建筑设计模型。建筑师将建筑结构分为承重结构和装饰物[6]。3D打印凭借其制造复杂结构的能力，无疑将在该领域的装饰设计中发挥重要作用。总之，3D打印可以使用几乎任何材料来制造任何复杂的零件，在任何数量和任何地点，用于任何工业领域。这五个跨学科研究将极大地加速这项技术的发展。2.2 3D打印：定制制造的新时代当3D打印用于制造复杂零件时，不需要模具，复杂的制造程序，特殊的夹具或工具。该技术将广泛用于航空航天工业的原型制造以及机电产品开发。工业产品和关键设备的研发将越来越依赖于3D打印技术和物联网（IoT）。3D打印特别适合于定制化制造，例如人造植入物（人造骨骼和牙齿等）的制造。和医疗康复设备和器械。此外，信息技术的发展也将我们带入了可穿戴信息产品的新时代。定制制造对于这些可穿戴产品来说总是必不可少的，3D打印将是最合适的制造方法。福特主义，一种最初基于汽车大规模制造的大规模生产概念，是第二次工业革命的典型但目前，定制商品的需求正在增加。信息技术的发展为我们实现这一目标提供了便利的途径。预计将涉及定制制造的第三次工业革命即将出现。基于网络平台，分销和需求可以 集成，以便快速为客户提供各种创意设计和解决方案。制造资源也是分布式的，允许客户成为网络的一部分并参与制造过程（甚至在自己家中完成制造）。以这种方式，可以制造许多创意产品，并保证这些产品的制造周期时间和成本产品与大批量生产的产品相似。这种定制化的制造模式最终将能够将公众需求与公众创新和想法结合起来。同时，这一过程也将能够充分利用社会创新资源和创业资源。所有这些变化都促成了商业模式和社会生产模式的革命在传统制造中，往往需要优化众多的工艺参数，选择多种制造工艺，使用多种制造设备，完成多道工序。因此，计算机辅助工艺设计（CAPP）是很难或不可能实现的传统制造。3D打印以其数据、技术参数和灵活性的一致性，将成为分布式制造的最佳选择。可供大众使用的3D打印及相关软件技术仍有待开发，设计和制造的云平台有待建立。毫无疑问，3D打印将成为加速第三次工业革命出现的强大力量。3 3D打印的发展趋势3.1 创新设计：重新设计带来创新产品和设备在工程中，3D打印的主要经济效益可能来自基于这种新技术的产品和设备的重新设计。传统上，设计人员只从等效制造和减材制造的角度考虑结构的可制造性。然而，随着增材制造变得越来越普遍，许多产品和设备结构可以从其角度重新考虑。产品和设备设计需要更多地关注功能优化，而不是可制造性限制，而3D打印将使这成为可能。从这种重新设计中受益的结构包括热交换结构、轻质结构和宏微集成结构。3D打印已经被用于各种涉及重新设计的探索。例如，开发的飞机发动机的喷嘴通用电气公司的一款微型跑车实现了15%的燃料比降低，部分原因是3D打印部件[8];加拿大大学生使用3D打印设计的微型跑车实现了每百公里仅1.17升的油耗[9];空中客车公司的一款概念车通过涉及3D打印的结构重新设计实现了65%的部件重量减轻[10]。对于IT产品、飞机发动机、空调和核设施来说，热交换组件是必不可少的;使用3D打印重新设计这些组件可以带来宝贵的经济效益。我们期望来自学术界和所有工业部门的科学家和工程师将拥抱这些新的创新。3D打印为物联网创造技术的强大能力将推动制造业的社会创新。3D打印--透视研究www.engineering.org.cn第1卷第1期 2015年3月工程0873.2 创新工艺：从形状控制到集成制造最初，3D打印更强调零件的形状（或零件的形状控制），主要用于原型制作应用。然而，随着对金属材料3D打印的深入研究，研究人员开始关注高度非平衡条件下的金相相，以及零件内部的内应力分布（或零件的性能控制）。比如说，通过在3D打印期间控制激光束功率和扫描速度，我们可以控制所制造的部件的形状和性能（将制造与可控形状和性能集成）。因此，3D打印现在正在从原型技术转变为形状和性能可控的制造方法。将深入研究3D打印过程中发生的瞬态热及其对制造部件性能的历史影响，以实现高精度和良好表面质量的高效制造。同时，3D打印是智能增材制造设备的基础。在3D打印技术的帮助下，材料可以在最佳使用的地方打印。大自然奇迹般地创造了许多重量轻但强度大的材料和结构，如竹子和人类的骨头。通过3D打印，我们可以学习并应用这些来自自然界的奇迹来创造高性能的材料和产品。我们可以制造重量轻、强度高的材料，并设计具有空隙和蜂窝夹层结构的内部结构，以实现最大的比强度和刚度;然后，可以将耐腐蚀和耐磨材料打印到制造部件的表面上。通过使用3D打印来制造具有功能梯度材料和结构的产品和设备，可以用最少的材料实现高性能。3D打印目前正在从单一材料增材制造技术向多材料增材制造技术转变。功能梯度或超材料结构的创建以及此类结构的优化设计将为产品和设备创新创造巨大机会，并将吸引各个领域研究人员的显著关注。例如，研究人员已经证明了使用多材料3D打印制造特殊的拉胀结构（具有负泊松比）[11]。3.3 创新工艺：将制造扩展到微米和纳米尺度微纳米结构的3D打印也显示出巨大的应用潜力。3D打印是制造各种微型传感器的有效方法，并且远比当前的微电子封装灵活。利用3D打印技术制作的MEMS传感器将在传感器网络的发展和离散系统的智能制造中发挥重要作用。清华大学的钟敏林教授使用超快扫描激光束诱导石墨烯在某种材料的衬底上生长，并且已经表明控制扫描路径可以实现石墨烯的图案化[12]。各种高性能的传感器，如温度transduc- ers，振动传感器和压力传感器可以使用该技术制造。自下而上的制造机制与3D打印的增材制造过程基本一致。该领域中另一种新兴的增材制造技术是使用诸如喷墨印刷和气溶胶喷射印刷的工艺的电子印刷[13]。最初，这些工艺被开发为用于制造单层电子器件的2D打印技术。最近，随着油墨材料和机器控制的进步，这种增材制造工艺正在转变为用于制造多层复杂电子器件的3D打印工艺。3.4 工艺融合：将增材制造工艺与传统在未来，工业界很可能将不同的晶圆厂技术结合在一起，包括增材、等效和减材工艺，并将它们集成到一台设备中。或者，通过在生产链中结合这些技术，可以建立一个集成的过程，以实现复杂产品的高效制造，如原型，模具，电极和铸造模型。或者，可以使用简单的模具来辅助增材制造过程，以便利用传统和3D打印过程。3.5材料创新：带来重大的科学和技术创新3D打印的一个鼓舞人心的发展涉及对新合金材料的研究。因为3D打印的能量由于温度高度集中，它可以在很小的区域内产生极高的温度，而其他区域则保持正常温度。当在金属材料上使用3D打印时，这种高度非平衡的冶金工艺将为研究在高温条件下具有优异性能的合金提供创新平台。成功的应用包括NASA火箭发动机，可以承受3315 °C的高温[14]，以及由Huamin Wang教授打印的改性表面，可以抵抗700多次的高温腐蚀[15]。3D打印将成为开发高性能合金的温床。现在可以使用材料基因组理论来设计新材料，并使用3D打印技术来开发具有抗疲劳强度、抗疲劳温度、抗疲劳弹性和抗疲劳腐蚀和磨损的合金材料。通过使用智能和生物材料，3D打印目前正在从3D发展到4D，并且正在发展到涉及生物的制造。在4D打印中，使用智能材料的打印结构可以在受到周围环境的刺激（例如温度，压力和电磁场的变化）时改变形状。4D打印技术可以帮助实现当前技术无法实现的088工程第1卷·第1期·2015年3www.engineering.org.cn研究3D打印-透视并简化3D打印技术的工艺和设备。例如，可以通过在改变工作环境的同时打印二维结构来实现三维结构。生物活性材料也用于3D打印过程中以制造组织工程支架。随着细胞的活跃生长，支撑材料可以在体内降解，生物体自身的组织细胞可以生长以取代它。这项技术正在进行医学验证，并可能在不久的将来投入医疗应用。组织支架打印和细胞打印正在成为主要的方法再造人体器官的方法正如4D打印涉及到当周围环境发生变化时，由智能材料制成的3D打印结构的形状发生变化（例如，温度或磁场的变化），3D打印的组织支架和细胞结构放置在生化环境中，随着时间的推移会生长成活组织，并在形状和功能上发展，实现活组织的打印和制造。3D打印构建的生化环境对干细胞定向转化具有重要意义，将推动生物器官再造研究的发展。细胞打印也正在成为研究太空环境中生命生长和发育的一种方法。将来，细胞内基因的打印将成为转基因研究和生命科学发展的重要工具。当然，这项技术将面临伦理争议和权衡。3.6 智能设备：3D打印工艺和机器变得比以往任何时候都目前，研究人员期待开发更多可用于3D打印的材料，并提高3D打印产品的质量。例如，金属材料的打印速度为每小时几公斤。通常，打印速度和零件质量（形状精度、粗糙度、金相组织、内应力等）有着相反的关系。需要进行更多的研究，以实现更高质量、更低成本的快速制造。在工艺参数的研究上，将板形控制和性能控制集成到软件中，实现智能控制。此外，将3D打印应用于设备维护和再制造、现场维护和制造，可以大幅降低运输成本，保障设备安全运行。该应用将促进智能维修和再制造的发展。此外，3D打印是实现节能制造的最佳方式，使制造过程更加智能和清洁。4 3D打印：从技术概念到制造业三连胜一部分3D打印技术与传统制造技术之间的价值比较引发了许多问题。然而，这些问题通常是不科学的，因为它们总是基于制造周期的差异，两种技术在制造时的成本，一个特定的部分。我们在这里提供了一个更结构化的比较。首先，不同的制造技术有各自的优点和缺点。例如，我们不能简单地将等效制造（铸造、锻造和焊接）与减材制造（铣削、车削和磨削）进行比较;相反，不同的制造技术应应用于最佳用途。模锻件- 加工适用于批量制造;机械加工适用于批量较小、精度较高的零件; 3D打印适用于单件试制原型，以及快速制造传统制造工艺难以或不可能生产的复杂零件。有了这个好处，增材制造越来越多地应用于产品和设备的快速开发，在那里它可以大大节省时间和成本，从而增加利润。其次，3D打印技术与等效制造和减材制造的融合将为先进制造业带来额外的好处。在同一台设备上可以集成不同的工艺，实现复杂形状加工和高精度加工的一体化。例如，DMG开发了一种将激光熔覆增材制造与铣削减材制造相结合的3D打印机[16]。此外，3D打印的原型可以使用复杂的处理技术（例如，电铸、硅橡胶模塑、喷射模塑和抛光）以实现快速和经济的模具制造。第三，我们无法使用当前设计比较不同的制造技术，因为此类设计基于现有的等效制造和减材制造技术。例如，在飞机发动机喷嘴的制造中，GE使用3D打印来集成 将20个零件组装成一个组件，从而避免了高精度耦合的多个接合面的加工。这种新的设计大大降低了制造成本和周期时间。然而，如果仍然遵循传统的设计和制造工艺计划，而是使用3D打印来打印这20个单独的部件，则制造成本将大大增加，并且无法满足匹配表面的精度要求[17]。使用基于3D打印功能和灵活性的新设计可以显著节省制造成本和周期时间。第四，基于3D打印技术重新设计产品和设备，将产生创新产品和设备，而这些产品和设备将无法通过传统制造技术开发出来。3D打印所承担的制造量可能需要很长时间才能赶上等效制造和减材制造的制造量。然而，3D打印的结构、组件、零件、产品和设备都将被置于价值链的高端。通过加性、减性和等效制造工艺制造的产品的相应数量可以根据金字塔来考虑，其中最小数量，3D打印--透视研究www.engineering.org.cn第1卷第1期 2015年3月工程089在顶部通过增材制造生产，在底部通过等效制造生产最大量。然而，这些产品各自的单价构成了一个倒金字塔，最高的价格流向了高价值的3D打印结构。因此，我们可以预见，随着进一步的研发、产业化、应用、成熟和推广，增材制造或3D打印将从一种技术概念的一部分，有价值的制造业三连胜，以及传统的等效和减材制造工艺。遵守道德操守准则Bingheng Lu、Dichen Li和Xiaoyong Tian声明，没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用1.T.沃勒斯2013年Wohlers报告：增材制造和3D打印行业现状。年度全球进展报告。美国：Wohlers Associates，Inc.，20132.Y. 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