3D列印行業研究報告

2021-03-04 01:41:37 字數 3555 閱讀 5291

3d列印,即快速成型技術的一種,它是一種以數字模型檔案為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層列印的方式來構造物體的技術。3d列印通常是採用數字技術材料印表機來實現。常在模具製造、工業設計等領域被用於製造模型,後逐漸用於一些產品的直接製造,已經有使用這種技術列印而成的零部件。

該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建築、工程和施工(aec)、汽車,航空航天、牙科和醫療產業、教育、地理資訊系統、土木工程、槍枝以及其他領域都有所應用。

3d列印技術出現在20世紀90年代中期,實際上是利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型裝置。它與普通列印工作原理基本相同,印表機內裝有液體或粉末等「列印材料」,與電腦連線後,通過電腦控制把「列印材料」一層層疊加起來,最終把計算機上的藍圖變成實物。這列印技術稱為3d立體列印技術。

2023年,charles hull開發了第一台商業3d印刷機。

2023年,麻省理工學院獲3d印刷技術專利。

2023年,美國zcorp公司從麻省理工學院獲得唯一授權並開始開發3d印表機。

2023年,市場上首個高畫質晰彩色3d印表機spectrum z510由zcorp公司研製成功。

2023年11月,世界上第一輛由3d印表機列印而成的汽車urbee問世。

2023年8月,南安普敦大學的工程師們開發出世界上第一架3d列印的飛機。

2023年11月,蘇格蘭科學家利用人體細胞首次用3d印表機列印出人造肝臟組織。

2023年10月,全球首次成功拍賣一款名為「ono之神」的3d列印藝術品。

2023年11月,美國德克薩斯州奧斯汀的3d列印公司「固體概念」(solidconcepts)設計製造出3d列印金屬手槍。

2023年8月,全球10棟3d列印建築在上海張江高新青浦園區內正式交付使用,作為當地動遷工程的辦公用房。

3d列印技術的應用正在快速顛覆著人們的想象,3d列印技術應用日新月異。

普通列印技術列印基於電腦設計的平面2d物品,而所謂的3d列印與普通列印工作原理基本相同,只是列印材料有所不同,普通印表機的列印材料是墨水和紙張,而3d印表機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的「列印材料」,是實實在在的原材料,印表機與電腦連線後,通過電腦控制可以把「列印材料」一層層疊加起來,最終把計算機上的藍圖變成實物。通俗地說,3d印表機是可以「列印」出真實的3d物體的一種裝置,之所以通俗地稱其為「印表機」是參照了普通印表機的技術原理,因為分層加工的過程與噴墨列印十分相似。這項列印技術稱為3d立體列印技術。

3d列印存在著許多不同的技術。它們的不同之處在於以可用的材料的方式,並以不同層構建建立部件。3d列印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不鏽鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。

表1 3d列印技術型別和基礎材料

目前3d列印技術已經成熟,處於大量的實驗性應用推廣階段,由於3d列印技術具有的明顯的技術優勢,已經獲得快速的推廣,在3d列印技術可以列印假肢、汽車、飛機的今天,它還在創造無限的可能。

優勢1,製造複雜物品不增加成本。就傳統製造而言,物體形狀越複雜,製造成本越高。對3d印表機而言,製造形狀複雜的物品成本不增加,製造乙個華麗的形狀複雜的物品並不比列印乙個簡單的方塊消耗更多的時間、技能或成本。

製造複雜物品而不增加成本將打破傳統的定價模式,並改變我們計算製造成本的方式

優勢2,產品多樣化且不增加成本。一台3d印表機可以列印許多形狀,它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。傳統的製造裝置功能較少,做出的形狀種類有限。

3d列印省去了培訓機械師或購置新裝置的成本,一台3d印表機只需要不同的數字設計藍圖和一批新的原材料

優勢3,無須組裝,縮短**鏈。3d列印能使部件一體化成型。傳統的大規模生產建立在組裝線基礎上,在現代工廠,機器生產出相同的零部件,然後由機械人或工人(甚至跨洲)組裝。

產品組成部件越多,組裝耗費的時間和成本就越多。3d印表機通過分層製造可以同時列印一扇門及上面的配套鉸鏈,不需要組裝。省略組裝就縮短了**鏈,節省在勞動力和運輸方面的花費。

**鏈越短,汙染也越少。

優勢4,零時間交付。3d印表機可以按需列印。即時生產減少了企業的實物庫存,企業可以根據客戶訂單使用3d印表機製造出特別的或定製的產品滿足客戶需求,所以新的商業模式將成為可能。

如果人們所需的物品按需就近生產,零時間交付式生產能最大限度地減少長途運輸的成本。

優勢5,設計空間無限。傳統製造技術和工匠製造的產品形狀有限,製造形狀的能力受制於所使用的工具。例如,傳統的木製車床只能製造圓形物品,軋機只能加工用銑刀組裝的部件,製模機僅能製造模鑄形狀。

3d印表機可以突破這些侷限,開闢巨大的設計空間,甚至可以製作目前可能只存在自然界的形狀。

優勢6,零技能製造。傳統工匠需要當幾年學徒才能掌握所需要的技能。批量生產和計算機控制的製造機器降低了對技能的要求,然而傳統的製造機器仍然需要熟練的專業人員進行機器調整和校準。

3d印表機從設計檔案裡獲得各種指示,做同樣複雜的物品,3d印表機所需要的操作技能比注塑機少。非技能製造開闢了新的商業模式,並能在遠端環境或極端情況下為人們提供新的生產方式。

優勢7,不佔空間、便攜製造。就單位生產空間而言,與傳統製造機器相比,3d印表機的製造能力更強。例如,注塑機只能製造比自身小很多的物品,與此相反,3d印表機可以製造和其列印台一樣大的物品。

3d印表機除錯好後,列印裝置可以自由移動,印表機可以製造比自身還要大的物品。較高的單位空間生產能力使得3d印表機適合家用或辦公使用,因為它們所需的物理空間小。

優勢8,減少廢棄副產品。與傳統的金屬製造技術相比,3d印表機製造金屬時產生較少的副產品。傳統金屬加工的浪費量驚人,90%的金屬原材料被丟棄在工廠車間裡。

3d列印製造金屬時浪費量減少。隨著列印材料的進步,「淨成形」製造可能成為更環保的加工方式。

優勢9,材料無限組合。對當今的製造機器而言,將不同原材料結合成單一產品是件難事,因為傳統的製造機器在切割或模具成型過程中不能輕易地將多種原材料融合在一起。隨著多材料3d列印技術的發展,我們有能力將不同原材料融合在一起。

以前無法混合的原料混合後將形成新的材料,這些材料色調種類繁多,具有獨特的屬性或功能。

優勢10,精確的實體複製。數字**檔案可以被無休止地複製,音訊質量並不會下降。未來,3d列印將數字精度擴充套件到實體世界。

掃瞄技術和3d列印技術將共同提高實體世界和數字世界之間形態轉換的解析度,我們可以掃瞄、編輯和複製實體物件,建立精確的副本或優化原件。

以上部分優勢目前已經得到證實,其他的會在未來的一二十年(或三十年)成為現實。3d列印突破了原來熟悉的歷史悠久的傳統製造限制,為以後的創新提供了舞台。

雖然3d列印相比傳統列印具有無可比擬的優勢,但在實際大規模應用方面,仍然存在諸多的挑戰,主要來說,3d列印技術的應用存在以下方面的挑戰和制約:

挑戰1,材料的限制。雖然高階工業印刷可以實現塑料、某些金屬或者陶瓷列印, 但無法實現列印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外,印表機也還沒有達到成熟的水平,無法支援日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。

研究者們在多材料列印上已經取得了一定的進展,但除非這些進展達到成熟並有效,否則材料依然會是3d列印的一大障礙。

挑戰2,機器的限制。工業3d列印技術相對比較成熟,3d列印技術在重建物體的幾何形狀和機能上已經獲得了一定的水平,幾乎任何靜態的形狀都可以被列印出來,但是那些運動的物體和它們的清晰度就難以實現了。這個困難對於製造商來說也許是可以解決的。

在個人/家庭3d列印領域,目前的大規模應用依然缺乏有效的解決手段,3d列印技術想要進入普通家庭,每個人都能隨意列印想要的東西,那麼對機器的限制就必須得到解決。

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