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飞速发展中的3D打印

珠海欧美克仪器有限公司  2020-07-29  点击226次

2019年,全球3D打印产业规模达到119.56亿美元,年增长率为29.9%;中国2019年3D打印产业规模为157.47亿元人民币,年增长率为31.1%。

自2011年以来,全球3D打印产业一直保持持续高速增长态势,离不开各国政府对3D打印产业的强力支持。以我国为例,3D打印被列入了863科技计划、《中国制造2025》等国家战略,仅在2017年,我国就出台了8项对3D打印的支持政策。在《增材制造(3D打印)产业发展行动计划(2017-2020年)》中明确规定,年均增速达到30%以上,2020年增材制造产业销售收入超过200亿元人民币。由此可见, 3D打印对未来工业的重要性不言而喻。

2020年亚洲3D打印、增材制造展览会(TCT Asia 2020)现场盛况

(视频源自:TCT亚洲视角)

一、什么是3D打印

3D打印又称为增材制造,是20世纪80年代末期兴起的一种快速成型技术,它是以数字模型文件为基础,将粉末状金属或塑料等可粘合材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术,对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深刻影响,是制造业具有颠覆性的成型技术。

与传统的制造技术相比,3D打印不需要预先制造模具,在制造过程中不需要去除大量的材料,也不需要通过复杂的锻造过程就能获得最终产品。因此,在生产中可以实现结构优化、节约材料和降低能耗。3D打印技术适用于新产品开发、快速单件和小批量零件制造、复杂形状零件制造、模具设计和制造以及难加工材料制造、形状设计检验、装配检验和快速逆向工程。因此,3D打印行业越来越受到国内外的重视,并将成为下一个具有广阔发展前景的朝阳产业。

二、3D打印发展历程

1986年,美国科学家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,美国Jim Kor团队打造出世界上第一辆由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。

“ONO之神”(图片源于:雅昌艺术网)

2013年11月,美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”设计制造出3D打印金属手枪。

2018年12月10日,俄罗斯宇航员利用国际空间站上的3D生物打印机,设法在零重力下打印出了实验鼠的甲状腺。

2019年1月14日,美国加州大学圣迭戈分校首次利用快速3D打印技术,制造出模仿中枢神经系统结构的脊髓支架。

2019年4月15日,以色列特拉维夫大学研究人员以病人自身的组织为原材料,3D打印出全球首颗拥有细胞、血管、心室和心房的“完整”心脏。

2019年10月13日,河北工业大学用3D打印技术成功在校区内复制并装配了具有1400多年历史的赵州桥,为古迹修复做出了有益尝试。

2020年5月5日,中国长征五号B运载火箭上搭载的“3D打印机”,在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。这是人类首次实现太空3D打印实验。

长征五号B运载火箭

三、全球3D打印主要国家市场份额

全球3D打印主要集中在美、德、中、日、英等几个国家,2019年市场份额分布图如下:

四、3D打印产业结构

3D打印产业主要包括3D打印材料、3D打印设备及3D打印服务三个方面。在2019年全球3D打印产业规模中,三者占比分别为24.1%、44.3%和31.6%。

3D打印材料是3d打印技术发展的重要物质基础。在某种程度上,材料的发展决定了3D打印能否得到更广泛的应用。

目前,3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶材料、金属材料、陶瓷材料、彩色石膏材料、人工骨粉、细胞生物材料、砂糖等,随着技术的发展和进步,材料的种类还会越来越丰富。

3D打印作为一种新兴的制造技术,目前,国内尚未制订出3D打印材料标准、工艺规范、零件性能标准等行业标准或国标,但对于粉末类3D打印材料,业内已经形成了一些评价指标,主要有化学成分、粒度分布、粉末球形度、流动性、松装密度等,其中,化学成分和粒度分布是最常用的两个评价指标。


欧美克Topsizer Plus激光粒度分析仪

对于不同的3D打印技术,对于粉末材料的粒度分布要求也不同,比如,以激光作为能量源的打印机,因其聚焦光斑精细,较易熔化细粉,适合使用15~53μm或5~25μm的粉末作为耗材,因为此粒度范围内的粉末既有良好的流动性,又较易熔化;以等离子束作为能量源的打印机,聚焦光斑略粗,更适于熔化粗粉,适合使用53~105μm的粉末作为耗材。

3D打印行业普遍采用欧美克激光粒度分析仪测试粉体材料的粒径分布,欧美克激光粒度分析仪具有动态测试范围宽及测试结果真实性、重复性、再现性、分辨力和灵敏度高等特点,是3D打印材料理想的粒径分布测试仪器。