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全球3D打印发展的趋势及技术制约

2013-06-03 08:52
论恒
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  ——《时代》周刊将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”。据Wohlers Associates预测, 2015年将达到37亿美元,并预计到2020年达到52亿美元。随着技术成果的推广和应用,3D打印技术产业的发展呈现出快速增长势头。

  从行业分布来看,用于消费电子领域的打印技术仍然占主导地位,大约占20.3%的市场份额,其他主要领域依次是汽车(19.5%)、医疗和医科(15.1%)、工业及商用机器(10.8%);从区域分布来看,北美地区(40.2%)、欧洲(29.1%)、亚洲(26.3%)三大区域占主导地位,其中亚洲地区主要集中于日本(38.7%)及中国(32.9%)。

  三大技术类型支撑产业发展

  根据所用材料及生成片层方式的区别,产业不断拓展出新的3D打印技术路径和实现方法。可大致归纳为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型三大技术类型,每种类型又包括一种或多种技术路径。

  一是挤出成型。主要以熔融沉积成型(FDM)技术实现,与其他的3D打印技术相比,FDM是唯一使用工业级热塑料作为成型材料的积层制造方法,打印出的物件可耐受高热、耐受腐蚀性化学物质、抗菌和抗强烈的机械应力,被用于制造概念模型、功能原型,甚至直接制造零部件和生产工具。FDM技术被Stratasys公司、惠普公司作为核心技术所采用。2012年由Stratasys公司发布的超大型快速成型系统Fortus 900mc,代表了当今FDM技术的最高成型精度、成型尺寸和产能,可被用于打印真正的产品级零部件。

  二是粒状物料成型。主要分为两类,一类是有选择的在颗粒层中融化打印材料,而未融化的材料则被生成物件的支撑或薄壁以减少对其他支撑材料的需求。主要包括:3D System公司的sPro系列3D打印机采用的选择性激光烧结(SLS)技术,德国EOS公司采用的可打印几乎所有合金材质的直接金属激光烧结(DMLS)技术,瑞典ARCAM公司采用的通过高真空环境下电子束将融化的金属粉末层层叠加的电子束熔炼(EBM)积层制造技术。

  另一类是3D System公司的ZPrinter系列3D打印机所采用的喷头式粉末成型打印技术。该系列打印机在喷每一层石膏或树脂粉末的同时,都会通过横截面进行粘合,并重复该过程,直到打印完每一层。该技术允许打印全色彩原型和弹性部件,将蜡状物、热固性树脂和塑料加入粉末一起打印还可以增加强度。

  三是光聚合成型。其实现途径较多,其一是由美国3D System公司开发的用于生产固体部件的光固化成型(SLA)技术。该技术具有成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度高等特点,但对液态光敏聚合物进行操作的SLA精密设备同时也要求苛刻的工作环境,且成型件多为树脂类,强度、刚度、耐热性有限,不利于长时间保存。

  其二是Objet公司的PolyJet喷头打印机技术,喷射16-30μm超薄光敏聚合物材料层到构建托盘上直至部件制作完成。该技术通常被用来设计支撑复杂几何形状的凝胶体材料,通过手剥和水洗即可去除。

  其三是德国EnvisionTec公司的Ultra 3D打印数字光处理(DLP)快速成型系统。该系统能够构建组合型的3D部件,并使用高分辨率的数字光处理器投影仪来固化液态光聚合物,从而快速精准的完成模型的制造。

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