3D打印是什么原理?
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2024-04-26
3D打印技术出现在20世纪90年代中期,实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同,打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为3D立体打印技术。
1986年,Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机。
1993年,麻省理工学院获3D印刷技术专利。
1995年,美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。
2005年,市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。
2010年11月,世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。
2011年6月6日,发布了全球第一款3D打印的比基尼。
2011年7月,英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。
2011年8月,南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。
2012年11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。
2013年10月,全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。
2013年11月,美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪。
3D打印的发展方向
1.设备向大型化发展
纵观航空航天、汽车制造以及核电制造等工业领域,对钛合金、高强钢、高温合金以及铝合金等大尺寸复杂精密构件的制造提出了更高的要求。目前现有的金属3D打印设备成形空间难以满足大尺寸复杂精密工业产品的制造需求,在某种程度上制约了3D打印技术的应用范围。因此,开发大幅面金属3D打印设备将成为一个发展方向。
2.材料向多元化发展
3D打印材料单一性在某种程度上也是制约了3D打印技术的发展。以金属3D打印为例,能够实现打印的材料仅为不锈钢、高温合金、钛合金、模具钢以及铝合金等几种为常规的材料。3D打印仍然需要不断地开发新材料,使得3D打印材料向多元化发展,并能够建立相应的材料供应体系,这必将极大地拓宽3D打印技术应用场合。
3.从地面到太空
NASA是美国政府机构中较早研究使用3D打印技术,已利用3D打印技术生产了用于执行载人火星任务的太空探索飞行器的零部件,并且探讨在该飞行器上搭载小型3D打印设备,实现“太空制造”。“太空制造”是NASA在3D打印技术方向的重点投资领域。为实现“太空制造”,美国已在太空环境的3D打印设备、工艺及材料等领域开展了多个研究项目,并取得多项重要成果。
3D打印发展前景广阔
3D打印被视为引领新一轮科技革命和产业变革的核心技术之一,发展前景广阔。
随着经济发展和生活水平提高,消费者更加追求个性化的需求,3D打印将与机器人、人工智能等技术一起,提高制造业生产线的柔性化程度,以更低成本生产定制产品,推动制造业生产方式由大规模生产向个性化定制转变。同时,凭借节约仓储和物流成本、快速响应本地市场的优势,3D打印将推动制造业向本地制造模式。
一、3D打印行业现状
1、3D打印政策利好
近年来,在中国3D打印行业受到各级政府的高度重视和国家产业政策的重点支持。国务院、国家发改委、工信部、科技部等多部门都陆续印发了支持、规范3D打印行业的发展政策。《2021年度实施企业标准“领跑者”重点领域》《知识产权重点支持产业目录(2018年本)》《增材制造标准领航行动计划(2020-2022年)》等产业政策为3D打印行业的发展提供了明确、广阔的市场前景。内容涉及3D打印产业化、发展目标、应用范围、技术创新、标准规范等多方面。2021年6月,3D打印行业标准已被纳入国家企业标准“领跑者”重点领域:
资料整理:中商产业研究院
2、3D打印市场规模增长快
目前,中国制造业正处于“中国制造”向“中国智造”过渡的转型期。由于3D打印技术具有降低成本、提高生产效率、优化质量等优势,中国制造企业积极引进3D打印技术,代替或改进原有的生产方式以此提高企业生产的智能化水平。
中国3D打印市场规模从2016年的53.8亿元快速增长至2020年的203亿元,年均复合增长率达39.37%,预计2021年将增长至251.3亿元的市场规模。
数据来源:中商产业研究院整理
3、3D打印应用领域广泛
1984年,查尔斯·赫尔将光学技术应用于快速原型制造,拉开了3D打印的帷幕。从20世纪80年代起,3D打印技术就世界的广泛关注,开始进入人们的视野和生活。如今,3D打印技术已经在制造、医疗、学术、航空航天和军事等多个领域得到了良好的发展和应用。尤其在医疗领域,3D打印技术的运用与逐渐成熟将极大地改变以往传统医疗方式,转为依靠科技手段来实施更加精准,风险更小的高难度手术。
目前,3D打印已经进入了快速成型的时代,下游应用领域中机械行业占比最多,达17.5%。其次为消费电子(16.6%)、汽车(16.1%)、航空航天(14.8%)及医疗(13.1%)。随着消费电子和汽车工业的快速发展,未来3D打印在这两个领域中的应用领域将进一步扩大。
数据来源:中商产业研究院整理
二、3D打印行业发展趋势
1、产业链上的专业分工进一步深化
现阶段,主要的3D打印企业一般以材料供应,设备制造和打印服务的综合形式存在。这是由产业发展初期技术推广和市场规模的限制所致。长期来看,产业链的各环节会产生专业化的分离,专业材料供应商和打印企业会出现,产品设计服务会独立或向下游消费企业转移。
目前国内的3D打印技术仍在起步阶段,无论是工业应用还是个人消费领域都都有巨大的潜在发展空间。从长期需求增长的角度看,上游打印材料和个人3D打印设备的制造企业会发展得更好。因为在通用化的技术标准不断推广的基础上,专业化的材料供应企业的发展是大势所趋。而从个人消费到工业制造,不管哪个领域快速增长,对耗材的需求都是必不可少的。
2、提供更灵活且个性化的定制设计
随着生活水平的提升,消费者对定制产品的需求逐年增加。以满足他们的个人品味和偏好。由于3D打印具有小批量生产的优势,这项技术可以轻松实现个性化和定制化的需求。制造商无需做出先进的市场预测,可以小批量生产,并直接投放市场,让设计师可以根据客户的反馈,调整产品设计。
3D打印,也称增材制造,是以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实物的新兴制造技术。近年来,世界主要国家纷纷加大力度支持3D打印技术,全球3D打印产业高速发展。小到儿童玩具、工艺品,大到飞机、火箭中使用的高度复杂零部件,3D打印机已广泛应用于诸多领域。2019年,全球3D打印产业规模达120亿美元左右,同比增长近30%。
3D打印产业的快速发展是多方面因素共同推动的结果。一是研发投入的增长使得技术不断完善,3D打印机功能更强、成本更低、速度更快。2012年起3D打印领域专利申请量快速增长,年增长率超过40%。二是打印材料种类不断丰富,推动3D打印机应用范围扩大。
3D打印材料主要包括金属材料、高分子材料和陶瓷材料,其中塑料仍是使用最多的材料,但金属材料增长很快,2018年使用率提高到了36%左右。金属材料的广泛使用带动了工业级3D打印机销售的增长,推动3D打印由消费级市场向高端制造市场拓展。三是汽车、电子、航天、医疗、制鞋等行业为了加快产品开发、改进产品性能、提高用户需求响应速度,积极探索3D打印技术在工业生产中的应用。四是中小学和教育培训机构设立3D打印相关课程,推动桌面3D打印机在学校、家庭和中小企业中普及。
1.19世纪末,美国研究出了的照相雕塑和地貌成形技术,随后产生了打印技术的3D打印核心制造思想。
2.20世纪80年代以前,三维打印机数量很少,大多集中在“科学怪人”和电子产品爱好者手中。主要用来打印像珠宝、玩具、工具、厨房用品之类的东西。甚至有汽车专家打印出了汽车零部件,然后根据塑料模型去订制真正市面上买到的零部件。
3.1979年,美国科学家RF Housholder获得类似“快速成型”技术的专利,但没有被商业化。
4.到20世纪80年代后期,美国科学家发明了一种可打印出三维效果的打印机,并已将其成功推向市场,3D打印技术发展成熟并被广泛应用。普通打印机能打印一些报告等平面纸张资料。而这种最新发明的打印机,它不仅使立体物品的造价降低,且激发了人们的想象力。
1.3D打印机是一种可以“打印”出真实的3D物体的一种设备,属于工业机器人的一种,不仅可以“打印”出一幢完整的建筑,甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品的形状。
2.3D打印技术过去常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造,这项技术正在普及。
3.它的原理是:把数据和原料放进3D打印机中,机器会按照程序把产品一层层造出来。打印出的产品,可以即时使用,通过3D打印机也可以打印出食物。
4.3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料,堆叠薄层的形式有多种多样,可用于打印的介质种类多样,从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质,令打印出来的物体一头坚硬而另 一头柔软。