目录
一.前言 2
二.3D打印机的几种技术简介 2
三.国外现状 5
3.1代表性的企业/高校和3D打印机产品 5
3.2国外打印案例（用3D打印机打印出来的东西） 10
四.国内现状 14
4.1代表性的企业/高校和3D打印机产品 14
五.相关技术/难点 20
六.应用领域/发展趋势 21
6.1革命(?) 21
6.2应用领域 22
6.3打印机价格 22
6.4打印服务 23
6.5全球销售额预测 24
七.目前的推广/应用的局限处/瓶颈 24
7.1成本（耗材的价格） 24
7.2打印材料（耗材）的多样性/可用性 25
7.3打印的精度 25
7.4打印的速度 25
7.5成品力学性能 26
7.6用户对3D绘图软件/CAD软件的掌握 26
7.7知识产权的保护 26
八.公开的资源/资料 27
8.1金属3D激光打印视频 27
8.2开源3D打印机 27
九.个人初步感觉/建议 29
十.附一些名词解释 29
10.1粉末冶金 29
10.2掺镱光纤激光器 30
10.3振镜技术 31
作者：健朗王威达，2012年11月
本文是作者个人对3D打印技术（较侧重激光金属3D打印这块）的初步调研报告，是根据网络相关材料整理而成，给有兴趣关注、了解或从事3D打印技术、3D打印机和3D打印应用服务的个人（发烧友）和普通公司提供入门时的参考。本文数据和案例均引用自互联网，故个别数据和观点之间会有冲突的地方，都摆出来，供读者自行判断。
sls金属3D打印机初步调查报告
sls金属3D打印机初步调查报告PDF完整版
这款sPro 250 SLM商用型金属3D打印机为目前比较先进的制造系统，能够提供长达为320毫米（12.6英寸）的高工艺金属零件，具有出色的表面光洁度、精细的功能性细节与严格的公差。可以选择广泛范围的金属合金使用，包括铝和钛。
sPro 250 SLM商用型金属3D打印机的应用领域包括产品质量原型的功能测试，具有有机或高度复杂的几何形状。快速小批量制造金属部件的其他应用范例包括：定制医疗植入物、轻量级航空航天和赛车部件、高效散热片、带有随形冷却管道的注塑模具镶件，以及牙帽、牙冠和牙桥。
SLM工艺使用高功率激光逐层熔化直接来自CAD数据的金属细粉末，以创建功能性金属部件。每一层操作完后重新喷粉机系统将堆积厚度范围从20到100微米的一个新粉末层。SLM系统采用市售的气体雾化金属粉末产生完全致密的金属零件，包括不锈钢、钛、钴铬合金及工具钢的材料。这些系统在设计伊始均考虑到工具库或工人的需求，带有一个简单的触摸屏用户界面，便于管理粉末处理系统，结构坚固。只需选择满足客户特定应用需求的一种围护结构与材料。
3D打印技术在美国已经产业化，目前有两家3D打印机制造巨头，分别是Stratasys（开发制订行业标准技术之一FDM）和3D Systems(3D打印技术的创始者)，均在美国纳斯达克上市，2011年营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元。2011年3D打印市场规模17.1亿美元。不过，这一数字仅占全球制造市场的0.02%。
以色列objet公司（http://www.objet.com.cn）：Objet是快速成型和快速制造的光固化技术先锋，开发者，生产商及高精度，高分辨率三维打印方案的全球市场推广者。Objet系统都是基于经过市场证明的自身专利技术的光敏树脂喷射技术，使得极为复杂的三维部件都可以以高品质，高精度和高速度打印出来。Polyjet的打印头类似于行式打印机，沿着X轴前后滑动，在成型室里铺上一层超薄的光敏树脂。每铺完一层后，喷头架边上的紫外光球立即发射紫外光，快速固化和硬化每层光敏树脂。这一步骤减少了使用其他技术所需的后处理过程。每打印完一层，机器内部的成型底盘就会极为精确地下沉，而喷头继续一层一层地工作，直到原型件完成。精密的工具软件保证了所有的喷头能协调运作，能同步地往底盘上喷射等量的材料。这就产生了特别平坦和光滑的表面。成型时使用了两种不同的光敏树脂材料：一种是用来成型实体部件的成型材料，另一种类胶体的用来支撑部件的支撑材料。支撑结构的骨架先提前预排好程序用来配合复杂的成型件（如空腔，悬垂，底切，薄壁的截面）。成型完成后，只用一个水喷头就可以轻易地移除支撑材料，留下光滑的表面。
南非科工研究理事会国家激光中心研究人员在激光添加制造技术（Additive Manufacturing），一种最新的快速成型制造技术上取得突破。该项技术的概念试验论证显示，其生产速度是现有的可商业化的选择性激光烧结技术的8.3倍。目前，利用该技术可以生产不超过500毫米的小尺寸部件，而当日揭牌的Aeroswift项目将致力于制造2mx0.5m 的大尺寸部件。这将有助于南非航空制造公司Aerosud在三年内跻身世界航空结构件制造的先进行列。
南非科工研究理事会与Aerosud公司共同承担了南非科技部资助的Aeroswift项目，旨在开发制造速度快批量大的激光添加快速成型技术，为全球航天业制造金属钛部件。Aeroswift项目的关键是5千瓦IPG单光纤激光二极管发生器，它是激光添加制造技术的核心。国家激光中心希望在2012年底、2013年初完成该项技术设备的安装与测试工作，之后将其拆分，运至Centurion的航天谷，在那里重新组装并投入生产。
南非Aerosud公司总经理在谈到其发展目标时表示，2013年该技术将在试验厂投入使用，然后再用一至两年时间进行实际开发并获得生产资质，2015年实现与全球航空公司合作，为其提供小批量、高附加值、复杂的钛金属部件。
3.2国外打印案例（用3D打印机打印出来的东西）
2010年3月，一位名为恩里科·迪尼（Enrico Dini）的发明家设计出了一种神奇的3D打印机，它甚至可以“打印”出一幢完整的建筑。据恩里科·迪尼介绍，这种打印机的原料主要是沙子。当打印机开始工作时，它的上千个喷嘴中会同时喷出沙子和一种镁基胶。这种特制的胶水会将沙子粘成像岩石一样坚固的固体，并形成特定的形状，然后只需要按照预先设定的形状一层层喷上这种材料，最终就可以“打印”一个完整的雕塑或者教堂建筑。(打印房子http://v.youku.com/v_show/id_XNDM3NDQ3MDAw.html)
美国南加州大学Behrokh Khoshnevis教授预计，截至2050年，使用石灰、水泥为耗材的“3D打印房子”将实现，20小时内就能打印出一套房子，住5~10年都没有问题。
意大利设计师Marco Giubelli使用三维打印机，帮助客户打印出了一个90米长大坝的3D模型，展示大坝建成后的样子。
2011年，世界上首款应用3D打印技术的汽车“Urbee”在经过15年的艰苦研制后在加拿大亮相，这辆名为“Urbee”的汽车包括玻璃嵌板在内的所有外部组件都是通过大型3D打印设备生产。
医疗行业也已利用3D打印机进行手术用骨骼部件的打印。据英国广播公司（BBC）网站2012年2月6日报道，2011年6月，荷兰一位颚骨感染的83岁老人成功安装3D打印机使用MRI数据打印的定制下巴植入物。比利时哈塞尔特大学宣布，比利时和荷兰的科学家利用三维（3D）打印技术制成了首个完整的钛基下颚，并成功将其移植给了一位83岁的老妇，这表明精准的3D打印技术可用于人体骨骼和器官的移植。科研人员通过核磁共振成像（MRI）获取了病患下颚的准确形状，并利用激光烧结3D打印机融化钛微粒，使其一层层融合，直至重塑出病患下颚的模型，却无需使用任何黏合剂。这种名为“附加生产”的技术利用高精度激光束，连续熔化很薄的钛金属粉末来制造器官。每层钛粉末都与上一层的截面黏合。1毫米厚度需要熔化33层钛金属粉末，而制造整个下颚则需要熔化数千层钛粉末。其外面也覆盖了与生物相容的陶瓷层，以便它附着于患者的面部。与传统的制造方法相比，3D打印技术使用的材料更少，生产时间也更短。此前最大规模的3D打印移植是2008年于芬兰实施的半个上颌骨移植，科学家通过将3D打印的钛微粒融入干细胞中，并植入病患的腹部才培养出了与生物兼容的组织。比利时3D打印公司Layerwise的总经理彼得・莫瑟里斯也表示，这仅仅是个开始，“附加生产”技术可使LayerWise生产出更复杂的、符合病人需求的器官或移植物，在未来应用于更广范围的移植手术，而不仅限于人类骨骼结构的移植
代表性的企业/高校和3D打印机产品
中国从1994年开始研究3D打印，北京隆源公司于1995年成功研发了一台AFS激光快速成型机，随后华中科技大学也研制出了SLS快速成型机。
由亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等权威科研机构和3D行业领先企业共同发起的中国3D打印技术产业联盟正式宣告成立：2012年10月15日下午，由亚洲制造业协会组织召开的中国3D打印技术研讨会在北京国际饭店举行，与会专家学者和企业家分别就“3D打印技术的现状与前景展望”、“3D打印技术与传统制造业结合”，“我国3D打印技术与国际差距”，“3D打印技术的技术障碍和应用”等议题展开深入研讨。
在研讨会上，通过了《中国3D打印技术产业联盟章程》，选举产生了组织机构，北京航空航天大学材料学院王华明教授被推举为首任理事长，华中科技大学史玉升教授被推举为第一副理事长，亚洲制造业协会CEO罗军，湖南华曙高科有限公司总裁许晓曙，南京紫金立德电子有限公司总裁连宁被推举为副理事长，清华大学颜永年教授被推举为首席顾问，武汉滨湖机电科技公司、中航激光公司、无锡飞而康快速制造公司，杭州铭展网络公司、昆山永年先进制造公司、以色列objet公司被推举为创始会员。
与会专家一致认为，3D打印技术作为制造业领域的一次重大技术革命，已经广泛应用到航空航天等军事领域和大型复杂构件的一次成型制造，是传统制造技术与新材料的完美结合。当前，我国在3D打印技术的核心领域已经与美国3D公司，以色列objet公司等国际巨头基本处于同一水平。但是，在材料和软件开发，装备等方面，还有一定的差距。
据了解，国内快速成型系统的科研团队主要包括清华大学颜永年团队、华中科技大学史玉升研究团队、西安交通大学卢秉恒团队，及北京航空航天大学王华明团队等。
北京航空航天大学材料学院王华明教授是国内激光成型技术的领军人物。王华明教授：航空材料与结构研究部“首席科学家”，国内激光制造的学术带头人，“北航团队”领头人，在钛合金结构激光快速成型工艺、成套工艺装备及工程化的研究方面有十多年的研究经验(搞了十多年了哦)。从媒体报道及学术文章看，王教授提出“激光熔覆多元多相过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层材料”研究新领域，研制出迄今世界最大、拥有核心关键技术的飞机大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形工程化成套装备，制造出中国最大的大型整体钛合金飞机主承力结构件，并通过装机评审。我国成为目前世界上唯一掌握飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家。王教授论文主要集中在激光加工航空部件领域，研究主要集中在工艺和材料上（目前研究方向为“定向生长柱晶钛合金激光区域约束熔铸冶金材料制备与发动机叶片等复杂零件激光直接成型新技术”等。但由于技术的相通性，其成果也可以应用于其它大型金属结构件）。在该领域的研究领先全球，具备产业化基础。
北航与沈飞601所研制出全世界最大的激光成型钛合金主承力结构件：http://blog.sina.com.cn/s/blog_489f647f010182xh.html
在解决激光成形过程中零件严重“变形开裂”和内部缺陷和内部组织”控制等长期制约该技术发展的重大“瓶颈难题”上,除北京航空航天大学取得了可喜突破外,国内外迄今一直未能取得实质性进展,致使目前大型金属构件激光快速成形技术研究在国际上落入“低潮”,国际上大部分从事激光快速成形技术研究的单位大多转向零件“激光修复”领域。
2012年8月25日，南风股份公告决定投资“重型金属构件电熔精密成型技术产业化项目”。 据披露，这种技术广义的说法就是国际上流行的3D打印技术，以金属粉末、丝材为原料，通过高能束熔化沉积“直接生长”，从CAD模型完成高性能重大型金属构件成型。项目总投资为1.7亿元，内容包括重型金属构件电熔精密成型技术的研发、工程化装备的研制以及产业化的实施，应用前景在核电、火电、水电、冶金、化工、船舶等行业高端重型装备制造等领域。所需资金由控股51%的子公司南方风机研究所自筹。而南方风机研究所的二股东、持股31%的王华明可谓该3D打印领域国内最权威的专家之一，王华明现任北京航空航天大学材料科学与工程学院教授、博士生导师、“北京市大型关键金属构件激光直接制造工程技术研究中心”主任、“大型整体金属构件激光直接制造教育部工程研究中心”主任。
问：公司投资的3D打印项目市场前景怎样？
南风公司：这个项目严格意义来说不算是“3D打印”，3D打印是指针对微型产品，我们则是针对重型金属构件，应用领域不同，这个不能混为一谈。（注：这只是南风公司的观点）
问：出过样品吗？
南风公司：已经有一些核电方面的样件做出来了。
在南风股份之前，中航重机也瞄上了王华明研究团队。在2011年7月，中航重机加上中航（沈阳）高新科技有限公司、中航投资控股有限公司（现ST航投）、北京工业发展投资管理有限公司、北京北航资产经营有限公司、王华明及其研发团队等6家合资创办中航激光(“中航天地激光科技有限公司”)，注册资本1亿元，中航重机持股20%。中航激光正在实施“大型钛合金结构件激光快速成型技术”产业化。为激光快速成型技术的产业化搭建了平台。中航激光主要发展激光快速成型技术，以钛合金等金属粉末为原料，通过激光熔化逐层沉积（“生长制造”），直接由零件CAD模型一步完成高性能大型整体结构件的成型("近净成形")。激光快速成形技术，通过"技术创新"，摆脱对传统大型锻造等重型高端装备的依赖，为我国大型整体钛合金结构件等高端装备零部件的"制造技术瓶颈"提供了一条新的技术途径，在航空、航天、船舶、核能等高端装备制造以及高端民品零部件加工等领域具有应用价值和较为广阔的应用。中航激光的激光快速成型技术具有成本低、制造周期短、零件材料利用率高等特点，居于世界领先地位。
上面提到的王华明，与南方风机研究所股东王华明为同一人。也就是说，中航重机与南风股份的技术靠山，都是北航。中航重机与北航合作发明了钛合金大型结构件激光快速成型新工艺，研制出具有一系列 “原创”核心关键技术、迄今世界最大的大型钛合金结构件。2009年10月，北航与上海飞机设计研究所用时不到两个月，实现了我国首架大型客机C919机头工程样件Ti-6Al-4V钛合金主风档窗框大型复杂结构件的激光成型制造、热处理、数控加工和交付应用，同时也是世界上首次实现激光成型钛合金构件在民用客机研制上的应用。
问：中航激光如今业务怎样？
中航激光公司：已经在做一些钛合金、高温合金产品，现在做的都还是军用品。
问：以后打算怎么发展？
中航激光公司：打算立足航空，然后向其他方向拓展，但没必要向下延展，我们做的都是高端产品。
银邦股份亦是同样在借力的淘金者。2012年8月15日，银邦股份与无锡安迪利捷贸易有限公司签订框架协议，合资成立飞而康快速制造科技有限责任公司，新公司主营业务暂定为高密度、高精度粉末冶金零件、各类新材料与复杂部件的研发、生产、销售。其中主营业务中有部分产品涉及激光快速成型技术，该技术是金属3D打印技术中的一种。将利用3D打印技术之一的激光快速成型技术，生产高密度、高精度粉末冶金零件以及医疗器械零部件等产品。资料显示，银邦股份的合作伙伴无锡安迪利捷贸易有限公司的实际控制人为吴鑫华，现任英国伯明翰大学多学科研究中心教授、先进材料设计和加工研究室主任以及英国材料协会院士。
问：3D打印生产所需的3D打印机设备从何而来？金属粉末原料是公司自己生产的产品吗？
公司：我们的生产设备是从欧洲进口的，生产所需的金属粉末原料暂时也是从国外进口的。未来公司将自己进行金属粉末的生产。
NBD：既然生产设备是公司进口的，如果其他公司进口同样的设备，是不是也能生产出与公司相类似的产品？
公司：不可否认，生产设备是非常关键的，但并不是说有设备就能轻易生产出合格的产品，还涉及一系列关键的技术和工艺参数，这些对最终成品的性能有重要影响。
华中科技大学史玉升研究团队正力图通过武汉滨湖机电技术产业有限公司使研究成果商业化，滨湖机电的股东中就有资本市场声名显赫的深圳创新投资集团。
在经过近20年的研发，国内的3D打印设备也在不断取得突破，华中科技大学材料学院副院长史玉升教授的研究团队开发的1.2米×1.2米的“立体打印机”（基于粉末床的激光烧结快速制造装备），是目前世界上最大成形空间的快速制造装备，远远超过国外同类装备水平，并因此获得2011年国家技术发明二等奖。
据了解，从1991年开始，华中科技大学研究团队开始快速制造技术研发工作(研发了20年哦)，2002年开发出工作面为0．5米×0．5米的装备，超过了当时代表国际最先进水平的美国3D系统公司；2005年研制出了工作面达1米×1米的装备，远远超过国外同类装备。随后，史玉升研究团队在“大工作面粉床预热温度场均匀控制装置及方法”和“高强度大型激光烧结制件的粉末材料制备及成形工艺”等影响大型复杂制件整体成形的关键技术方面取得了突破，研制成功工业级的1．2米×1．2米快速制造装备，这是世界上最大成形空间的此类装备，超过德国EOS公司最大成形空间0．73米×0．38米和美国3D系统公司0．55米×0．55米的同类产品，使我国在快速制造领域达到世界领先水平。
这项技术与装备的研发解决了新产品开发周期长、成本高、市场响应慢、柔性化差等问题，尤其适合动力装备、航空航天、汽车等高端产品上关键零部件的制造。如空心涡轮叶片、涡轮盘、发动机排气管、发动机缸体和缸盖，企业一旦拥有此技术，其产品更新换代能力明显改善，竞争力可以显著提高。史玉升教授研究团队的重要骨干黄智告诉记者，广西玉柴机器股份有限公司运用该技术生产六缸发动机缸盖，一个星期内可以整体成形出四气门六缸发动机缸盖砂芯。而采用传统的砂型铸造试制方法，仅工装模具的设计制造周期通常需要5个月左右。
(插入一句点评：为何上面标黑的字里面 频频出现 所谓的在“高端”领域具有应用价值呢，请继续往下阅读，原因请参见第七节里的内容)
据悉，已有200多家国内外用户购买和使用这项技术及装备，为我国关键行业核心产品的快速自主开发提供了有力手段。我国一些铸造企业应用该技术后，将复杂铸件的交货期由传统的3个月左右缩短到10天左右，我国发动机制造商将大型六缸柴油发动机的缸盖砂芯研制周期由传统方法的5个月左右缩短至一周左右。2010年该技术被欧洲空客公司（Airbus）等单位选中，联合承担了欧盟框架七项目，用于辅助航空航天大型钛合金整体结构件的快速制造。
华中科技大学材料学院副院长、快速制造中心主任史玉升教授表示，开发大成形空间的激光快速制造技术与装备是国际先进制造领域的一个竞争方向，也是决定快速制造技术走向工业化应用的难点之一。这种基于粉末床的激光烧结“立体打印”技术，获得了2011年国家技术发明二等奖，1.2米×1.2米工作面的世界最大“立体打印机”入选两院院士评选的2011年中国十大科技进展。
快速制造中心引进机械、信息、光学、计算机、自动控制、力学、新型材料等领域的人才，开展交叉学科研究。20年来，快速制造中心已从最早的不到10人，发展到100多人，成为目前华中科技大学最大的研发团队之一，人员构成涉及多个学科。(点评：人员规模不小啊，多学科交叉研究)
近来，快速制造中心主攻生物制造的博士生张升十分忙碌。多家医院希望与他展开合作，利用相关技术来制作牙齿。这不但可以降低传统造牙的成本，还可以一对一地订制假牙齿。浙江某饰品公司的负责人也专程前往该中心，希望能得到技术支持。
3D打印尚未形成商用：
在今年7月17日富士康的技术发表大会上，华中数控受邀参加，当时展出的产品就提到3D打印设备。华中数控也被资金搞成3D打印概念股并不奇怪，因为公司实际控制人华中科技大学在从事3D打印的研究，并且已经有所成就。
华中科技大学于1991年成立快速制造中心；1998年史玉升教授进入该中心工作，开始负责如何用各种粉末材料快速造出各种任意复杂结构的零部件；近1年研发后，史玉升教授带领团队造出了一个计算机鼠标。而如今，史玉升带领团队已造出1.2米×1.2米工作面、基于粉末床的激光快速制造装备。
问：公司给富士通提供什么3D打印设备？
华中数控公司：我们只是参加了一个展会，没有提供过设备。
问：公司是否有3D打印业务？
华中数控公司：我们主营是数控，3D打印这块在跟华中科技大学数控工程中心合作研发，但目前还没有形成商用，处于研发阶段。
上海交大（上海交通大学机械与动力工程学院）3D打印实验室，打印材料是PSB塑料、液态光敏树脂，打印头骨模型。上海交通大学机械与动力工程学院、数字医学教育部工程研究中心副主任王成焘教授、袁建兵。王成焘认为，自己在骨科的研发已基本成熟，如今，他们计划开拓新的领域：组织、器官。国外的一些科研团队、IT企业已成功实现了器官在计算机的三维重建、手术设计等。要3D打印组织、器官，软件的开发是基础工程。
承担为宇航员量身打造“赋型缓冲减振坐垫”任务的天津大学快速成型中心。首位女航天员与另外两位男航天员的座垫由天津大学快速成型中心承担研制。天津大学快速成形中心主任崔国起。
|
|
京公网安备11010802043351