增材制造技术工艺

增材制造技术工艺 一、 增材制造技术工艺 增材制造技术包含多种工艺类型，国标《增材制造术语》（GB∕T35351-2017）根据增材制造技术的成形原理，将增材制造工艺分成七种基本类别，具体分类情况：粉末床熔融（PowderBedFusion）、定向能量沉积（DirectedEnergyDeposition）、立体光固化（VATPhotopolymerization）、粘结剂喷射（BinderJetting）、材料挤出（MaterialExtrusion）、材料喷射（MaterialJetting）和薄材叠层（SheetLamination）。 增材制造技术发展至今，其各主要工艺及技术因具备不同的特点，在不同的产业应用中具备独特的技术价值和发展空间，在航空航天、汽车、医疗、消费及电子产品等领域取得了长足的发展，形成了多种技术路线共存的局面。 随着科技和增材制造行业的发展，增材制造技术的应用场景由早期的零件原型的快速制备，拓展到能够直接制造终端零件应用至使用场景当中，实现由快速原型向快速制造的转变。增材制造的终端零件性能高度依赖于其制备的设备类型和工艺参数，粉末床熔融工艺因其特定的加工方式而使得零件具备良好的力学性能和尺寸精度，成为工业应用领域中主流的增材制造技术。其中，以激光作为能量源的选区激光熔融（SLM）和选区激光烧结（SLS）工艺因稳定性和技术成熟度较高，在直接制造终端零件的应用场景中具备较突出的价值和优势。 选区激光熔融（SLM）技术使用金属粉末，可选择金属材料范围广泛，包括钛合金、铝合金、高温合金、铜合金、钴铬合金、不锈钢、高强钢、模具钢、难熔金属等，所成型零件表面质量好，内部金相组织致密度高，具有快速凝固的组织特征，具备强韧的机械性能，性能超过铸件接近锻件水平，甚至部分性能可超过锻件水平，能够实现较高的打印精度和极端复杂结构的制造，能够很好地满足终端功能件使用要求。同时该成形技术可实现复杂产品的敏捷制造，加大程度缩短产品研发制造周期，材料利用率高，设计自由度更高，可实现集成化设计、拓扑优化设计、点阵设计等先进设计手段，综上特点使该技术成为近年来工业级金属增材制造领域的主流技术之一，广泛应用于航空航天、模具、汽车、医疗、科研教育等领域。 选区激光烧结（SLS）技术的优势在于在成形过程中，无需考虑支撑系统，成形结构复杂程度高，能够直接成形高性能的尼龙、TPU等高性能工程塑料，甚至是特殊属性的特种塑料，材料利用率高，成品用途广泛。成型零件具有较好的机械性能、耐热性能等，能够根据工程应用需求直接使用于终端产品。制造效率高，小批量快速制造优势显著。 随着技术的不断发展，选区激光烧结（SLS）技术的成形效率和成形尺寸持续提升，成本稳步下降，特别是Flight等突破性技术的问世，使得选区激光烧结（SLS）技术规模化的生产应用场景得以不断延伸和拓展。总体而言，选区激光熔融（SLM）与选区激光烧结（SLS）工艺，技术成熟度高，具有取材范围广、制备产品力学及机械性能优良、成形精度高、材料利用率高、可成形结构复杂程度高等显著优势，与工业领域终端产品直接制造及批量产业化生产的需求契合度高，是工业领域主流的增材制造技术之一。 增材制造技术和传统精密加工技术均是制造业的重要组成部分，目前增材制造加工与传统精密加工相比还存在加工精度、表面粗糙度和可加工材料等方面的差距，但增材制造其全新的技术原理和特点，在多种应用场景具备使用优势：1）可快速加工成形结构复杂的零件。3D打印的原理是将三维工件切片以获得二维的轮廓信息，通过叠层的方式实现产品成形。这种加工方式基本不受零件形状的限制，特别在制造内部结构复杂的、传统加工无法完成一体制造的产品方面，具备突出优势。3D打印能够贴合设计引导制造的创意驱动，生产出符合特定消费者需求的产品，从而实现自由制造。2）缩短产品研发周期。3D打印无需传统工具夹具和多重处理，可在单个设备上快速制造出所需零件，加速产品研发迭代。3）材料利用率高。传统加工切割的过程会产生大量废料，存在不完整的余料价值折损，材料利用率低，3D打印根据二维轮廓信息逐层添加材料，按需耗材，材料利用率显著高于传统加工模式，是一种新型环保的绿色制造方式。4）制造模式优化。3D打印技术免去了提前制造模具、雇佣众多生产人员，使用庞大机床和复杂的锻造工艺等步骤，便可直接从计算机图形数据中生成复杂结构的产品，具有去模具、减废料、降库存的特点。在生产上能够优化结构、节省材料和能源，大幅提高生产效率，降低生产成本，助力实现无人化工厂。目前，3D打印在工业制造领域取得了长足的进展，在航空航天、汽车、医疗等领域都有丰富的应用场景，但在大批量制造方面，传统精密加工技术相比3D打印在效率和成本上更具优势。3D打印与传统加工方式将长期并存，共同为制造行业提供精细化、自动化、高效化的加工方案。 二、 3D打印材料行业发展方向 现今，已经有300多种适用于3D打印的材料问世。对于3D打印的应用前景还很依赖于3D打印材料的研发以及其市场化推广。3D打印材料行业发展现状显示在我国，市面上相对较为流行的3D打印设备是桌面打印机，但相比国外，我国3D打印材料的科研水平还处于起步阶段，有很大的发展空间。 3D打印材料将更加多元化，满足3D打印技术的发展和市场的需求。我国虽然在3D打印材料和打印技术领域起步较晚，但是通过科研单位和科研人员的聪明才智，我国在3D打印领域的发展会越来越好，更多的3D打印材料会贴上自主研发的标签，进一步促进我国3D打印市场的发展，让3D打印产品走进千家万户。 三、 发展背景：政策驱动3D打印行业加强技术创新 从全球3d打印行业规模来看，2021年全球3D打印市场规模达到152．44亿美元，美国占全球的比重达到了40%，是当前3d打印企业主要集中地；我国由于3d打印行业处于成长早期，相关核心技术与尖端人才不足，严重制约了我国当前3d打印行业的发展，在全球3d打印行业规模区域结构占比中排名第二，所占比重为17%。 在全球数字化制造的浪潮下，智能机器人、人工智能、3D打印技术得到不断发展，虽然我国3D打印技术有所不足，产业还不成熟，但是在产品设计、复杂和特殊产品生产、个性化服务方面已显示出其独特的优势，因此，我国充分认识到智能制造、数字化制造对我国的深刻影响，加快3D打印产业的发展，推动我国由工业大国向工业强国转变。在2021年《关于促进农产品加工环节减损增效的指导意见》中，提出运用智能制造、生物合成、3D打印等新技术，集成组装一批科技含量高、应用范围广、节粮节水节能的农产品加工工艺及配套装备，降低农产品加工物耗能耗。在《上海市服务业扩大开放综合试点总体方案》，我国政府为强化国家数字服务出口基地功能，鼓励其发展集成电路、数字文化、人工智能、信息安全等主导产业，积极布局3D打印、大数据等新兴领域，加快集聚一批有全球影响力的数字服务企业。在2019年发布的《2019年农业农村科教环能工作要点》中，提出加快大数据、云计算、3D打印等农业智能技术研发，形成新兴领域自主创新优势。 四、 发展现状：下游应用领域广泛，行业市场规模持续增长 3D打印即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。从3D打印行业产业链来看，上游行业主要包括原材料、核心硬件以及辅助工具等等；中游主要包括设备制造厂商和3D打印服务解决商；下游行业主要应用于机械制造、航空航天、汽车、医疗、教育、文化等等，特殊应用主要包括生物、食品、建筑、人像打印等等。 3D打印材料是支撑3D打印的中游环节之一，据统计，3D打印材料主要分为金属材料和非金属材料两大类别，其中金属材料主要是以粉末的形式存在，而非金属的应用相对广泛，主要包括工程塑料、光敏树脂、合成橡胶、陶瓷以及其他非金属材料。工程塑料是当前应用最为广泛的3D打印材料，具有耐冲击性、耐热性、抗老化性等特点；液态的光敏树脂因具有固化速率快、耐高温、光敏感性等特点，在制作精度较高的零件方面应用较广；合成橡胶具有良好的拉伸强度，主要适用于医疗设备、汽车内饰等领域；陶瓷的化学稳定性较好且耐腐蚀性强，广泛应用于航空航天、生物行业等领域。 随着上游原材料的品种的不断丰富，极大的推动了3D打印行业应用领域的扩大，也促进该行业有消费级市场向高端制造市场拓展。就目前而言，我国3D打印行业应用领域主要包括工程机械、航空航天、汽车、消费&电子、医疗&牙科、学术机构、政府、建筑、其他。在工程机械方面，3D打印技术的应用主要体现在3D打印增材技术、与CNC技术结合、改变应机械制造格局等方面，对于提高整体的生产效率、降低生产成本有着重要作用；在航空航天方面，3D打印技术能快速制造一些复杂的零部件，并且还能快速修理现有的零部件；在汽车方面，可以应用于汽车外形设计的研发，可以短时间内打印出模型，同时可以快速制作造型复杂的零部件和实现小批量定制部件。 3D打印技术受政策影响不断提高，加之下游行业的快速发展，对3D打印设备的需求量激增，进而导致该行业市场规模进一步拓展。据统计，我国3D打印行业市场规模上升趋势明显，在2017年市场规模只有98亿元，到了2021年3D打印市场规模达到了265亿元，增加了167亿元，预计在2022年保持增长趋势，市场规模达到344．5亿元。从2021年细分领域营收情况来看，3D打印设备的营收占比超过50%，位居首位，可见，其设备是3D打印行业的主要部分，其次，3D打印服务营收占比为21%，材料占比为16%。 随着3D打印技术的不断推广和普及，用于个人消费的3D打印设备销量快速增长，根据中国海关数据，在2021年我国3D打印出口数量为287．3万台，较2020年增长了13%；2022年前三季度的出口数量为145．2万台，较2021年同期增长25个百分点。从近几年的数据来看，中国3D打印出口数量呈现不断上升的状态，在2017-2020年间，出口数量从65．6万台上升到253．9万台，随着基数的不断增大，其增长率从2017年的85%下降至2019年的42%，再上升至2020年的77%。 随着国家政策的不断扶持，3D打印行业技术得到持续的发展，进而促进3D打印行业专利申请量的提高。从3D打印专利申请量来看，在2017-2020年间，中国3D打印专利申请量处于不断上涨的趋势，从2017年的5718项增加到2020年的7501项，到2021年专利申请量逐渐下降，降至6618项，较2020年下降了12%，2022年其专利申请量也处于下降趋势，为3597项，较2021年整年减少3021项。 五、 3D打印材料行业市场概况 3D打印材料是3D打印行业的物质基础，3D打印材料的技术水平对整个3D打印行业的发展至关重要。2020年，全球3D打印材料中占比最高的为光敏聚合物和塑料粉末，均为30%;金属3D打印材料的市场规模约为3．83亿美元，占增材制造材料整体的18．2%，市场规模同比增长15．2%，高于增材制造材料整体增速9．9%。 3D打印材料行业发展现状指出金属3D打印材料具备无模化、可定制的优点，且相较于传统金属加工工艺，其生产效率和产品质量均有较大程度提升，在制造一些复杂、精密的零部件时，其优势更加显著。 目前，国际市场上增材制造金属粉体材料供应商以欧美厂商为主，如瑞典Sandvik、美国CarpenterTechnology、跨国公司GKN、加拿大AP&C、英国LPWTechnology等。国内市场的主要厂商包括江苏威拉里、无锡飞而康、中航迈特、上海材料研究所等。 总体看来我国3D打印材料起步比较迟但是经过多年的发展，进一步促进了3D打印市场的发展。近几年金属3D打印材料的市场占比不断增长。 六、 企业格局：企业营收上涨，研发投入增强 在2021年中国3D打印行业营业收入过亿的企业有50家，这50家企业全年总营业收入约为110亿元，而2020年营收过亿的相关企业只有32家，同比上升了56%。从企业竞争层次分布来看，创想三维、