3D打印行業(yè)研究：“蠟型3D打印+熔模鑄造”技術(shù)路線
時間：2023-03-14 10:26 來源：3D打印行業(yè)研究 作者：admin 閱讀：次
Chapter 1 : 3D打印行業(yè)背景
1.3D打印定義
3D打印定義：根據(jù)國標(biāo)《增材制造術(shù)語》（GB/T35351-2017），增材制造（Additive Manufacturing；AM）是指以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嚒ＨS打印（3D printing）是指利用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)，通過材料堆積的方式來制造零件或?qū)嵨锏墓に嚕诵g(shù)語通常作為增材制造的同義詞，又稱“3D打印”。不同于傳統(tǒng)制造業(yè)通過切削等機械加工方式對材料去除從而成形的“減”材制造，3D打印通過對材料自下而上逐層疊加的方式，將三維實體變?yōu)槿舾蓚�二維平面，大幅降低了制造的復(fù)雜度。
2.中國3D打印行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
我國3D打印技術(shù)于上世紀(jì)八九十年代開始探索，早期以清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校的研究力量為主，行業(yè)發(fā)展起步較晚。2017年起國家出臺多項政策，支持國內(nèi)3D產(chǎn)業(yè)發(fā)展，新企業(yè)不斷進入，行業(yè)發(fā)展速度加快。伴隨政策支持與技術(shù)進步，3D打印企業(yè)逐漸增加。截至2021年底，以3D打印為主營業(yè)務(wù)的上市公司有20余家（含新三板），2021年國內(nèi)3D打印企業(yè)融資額達48億元。3D打印是對傳統(tǒng)制造業(yè)的補充和增強，借助3D打印技術(shù)，企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)復(fù)雜產(chǎn)品和開展定制化等方面都有所提升。3D打印有利于企業(yè)創(chuàng)新，進而推動我國制造產(chǎn)業(yè)逐步升級。
中國3D打印行業(yè)相對歐美國家起步較晚，在經(jīng)歷了初期產(chǎn)業(yè)鏈分離、原材料不成熟、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一與不完善及成本昂貴等問題后，當(dāng)前中國3D打印行業(yè)已日趨成熟，市場呈現(xiàn)快速增長趨勢。我國高度重視3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展，近年來，中國3D打印市場應(yīng)用程度不斷深化，在各行業(yè)均得到了越來越廣泛的應(yīng)用。2017-2020年，中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈逐年增長趨勢，2020年中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模為208億元，同比增長32.06%。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，到2025年我國3D打印市場規(guī)模將超過630億元，2021-2025年復(fù)合年均增速20%以上。
隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破及設(shè)備、工藝水平的顯著提升，我國3D打印在航空航天、汽車、醫(yī)療等下游領(lǐng)域的應(yīng)用水平和規(guī)模都在快速提升，為3D打印的發(fā)展提供了巨大空間。以航空航天領(lǐng)域為例，根據(jù)IBIS
World分析，2014年至2019年中國航空制造業(yè)（包括飛機制造、飛機零部件制造、維修服務(wù)等）年均復(fù)合增速為9.8%，2019年中國航空制造業(yè)市場價值約698億美元（約合4886億元人民幣），預(yù)測未來十年（2020年~2029年）中國航空制造業(yè)的價值年均復(fù)合增速為10%，則未來十年中國航空制造業(yè)市場價值約9.05萬億元，年均9,054.33億元，假設(shè)未來十年3D打印在航空制造業(yè)占據(jù)的份額提升至1%，據(jù)此可估算出未來十年中國航空制造業(yè)為3D打印帶來的市場價值約905.43億元，年均約90.54億元。
3.服務(wù)市場規(guī)模持續(xù)擴大，鑄造等領(lǐng)域?qū)⒂瓉肀l(fā)
Wohlers Report報告數(shù)據(jù)顯示，國際3D打印服務(wù)企業(yè)占比逐年增加，2021年3D打印服務(wù)市場規(guī)模約為62.5億美元，占整個市場規(guī)模的41%，也意味著服務(wù)已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的重要推動力量。國內(nèi)3D打印服務(wù)商目前仍然較少，根據(jù)調(diào)研企業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示僅為21%左右。未來，3D打印服務(wù)供應(yīng)商將逐漸成長為涵蓋設(shè)計、制造、后處理為一體的方案系統(tǒng)解決供應(yīng)商。
根據(jù)中鑄協(xié)統(tǒng)計，我國有26,000家鑄造廠，砂型鑄件的市場規(guī)模約1,200億元，利用3D打印可將鑄造的工藝流程從15步縮減至8步，在“雙碳”背景下，3D打印技術(shù)持續(xù)賦能鑄造行業(yè)，假設(shè)3D打印在砂型鑄件市場占據(jù)的份額提升至10%，市場規(guī)模將達到120億元。
Chapter 2 : 3D打印的應(yīng)用場景
3D打印目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域，并逐漸被嘗試應(yīng)用于更多的領(lǐng)域中。根據(jù)Wohlers Report 2022報告顯示，2021年3D打印主要應(yīng)用于航空航天、汽車、消費及電子產(chǎn)品、醫(yī)療/牙科、學(xué)術(shù)科研等領(lǐng)域，占比情況如下：
圖片
1.航空航天領(lǐng)域
在航空航天領(lǐng)域，由于零部件形態(tài)復(fù)雜、傳統(tǒng)工藝加工成本高及輕量化要求等因素，3D打印已發(fā)展成為提升設(shè)計與制造能力的一項關(guān)鍵核心技術(shù)，其利用逐層堆積的原理，能夠?qū)崿F(xiàn)任意復(fù)雜構(gòu)件成形與多材料一體化制造，突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)對結(jié)構(gòu)尺寸、復(fù)雜程度、成形材料的限制，提供了變革性的技術(shù)途徑，應(yīng)用場景日趨多樣化。
航空航天領(lǐng)域用于3D打印的材料主要包括高性能金屬材料和高分子材料。高性能金屬材料中鈦合金、鋁合金和鎳基高溫合金的應(yīng)用最為廣泛，鈦合金主要應(yīng)用于高強度、輕量化結(jié)構(gòu)部件，鋁合金主要應(yīng)用于輕量化結(jié)構(gòu)部件，鎳基高溫合金主要應(yīng)用于高強度熱端部件，通常以粉末床熔融技術(shù)和定向能量沉積技術(shù)為主進行加工，常見包括選區(qū)激光熔融(SLM)、激光近凈成形(LENS)等。高分子材料主要應(yīng)用于有耐沖擊、耐熱、阻燃性和抗老化性要求的部件，常用選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)進行加工。在復(fù)雜部件的研制階段，3D打印技術(shù)可節(jié)省反復(fù)工藝試驗的時間，提高速度的同時降低成本；在零件制造階段，3D打印技術(shù)可用于實現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高零件性能；此外，3D打印技術(shù)還可用于制件修復(fù)，延長設(shè)備使用壽命、減少經(jīng)濟損失。
利用3D打印可以制作出符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和使用要求的高精密零件，為提高航天器的整體性能提供積極幫助。歐洲航天局（ESA）、美國國家航空航天局（NASA）、SpaceX和Relativity Space均使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)火箭點火裝置、推進器噴頭、燃燒室和油箱，美國GE、波音（Boeing）、法國空客（Aribus）、賽峰（Safran）使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)商用航空發(fā)動機零部件、軍機機身部件、飛機風(fēng)管、艙內(nèi)件等。同時，3D打印的構(gòu)件也已在國內(nèi)航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，先后成功參與了天問一號、實踐衛(wèi)星、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等數(shù)十次發(fā)射和飛行任務(wù)。
3D打印技術(shù)已成為提高航天設(shè)計和制造能力的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用規(guī)模近年來增長迅速，未來市場空間巨大。
2.汽車制造領(lǐng)域
伴隨3D技術(shù)的創(chuàng)新升級，其在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用將逐漸深入，從概念模型打印到功能模型打印，目前逐步應(yīng)用于功能部件制造，并向打造整車方向拓展。汽車制造領(lǐng)域3D打印，主要應(yīng)用已覆蓋汽車設(shè)計、零部件開發(fā)、內(nèi)外飾應(yīng)用等方面，主要技術(shù)為SLS、SLM等。
在設(shè)計方面，3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)無模具設(shè)計和制造，幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品概念模型的設(shè)計及制作周期，幫助整車廠和零配件廠商優(yōu)化設(shè)計，同時，可以在安全性測試環(huán)節(jié)打印部分非關(guān)鍵部件作為替代，加速產(chǎn)品驗證流程，有助于企業(yè)實現(xiàn)快速小批量定制，降低成本并縮短產(chǎn)品上市時間，此外，3D打印可以在設(shè)計階段引導(dǎo)零件輕量化、一體化、個性化、功能化方面的創(chuàng)新；在制造方面，3D打印技術(shù)可提升零件的制造效率和生產(chǎn)質(zhì)量，實現(xiàn)零件輕量化制造和降低質(zhì)量的位移途徑，進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具的加工，加強對制造精度的控制，同時，3D打印一體化成形技術(shù)允許將多個零件整合為一個零件，可減輕復(fù)雜關(guān)鍵部件的重量；在維修方面，3D打印技術(shù)可以進行門把手、輪轂、汽缸、變速器和其他基礎(chǔ)部件的制作，從而保證了維修的效率和經(jīng)濟收益。
汽車行業(yè)是最早使用3D打印技術(shù)的行業(yè)之一，在3D打印技術(shù)應(yīng)用中占據(jù)重要位置，隨著近年來汽車保有量和產(chǎn)量的上升，汽車行業(yè)巨大的市場規(guī)模將持續(xù)為3D打印技術(shù)的應(yīng)用提供廣闊的空間。
3.醫(yī)療領(lǐng)域
基于人體存在個體差異而傳統(tǒng)制造醫(yī)療器械多為標(biāo)準(zhǔn)化樣式或尺寸的現(xiàn)狀，3D打印憑借可個性化定制的特點在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用逐步廣泛，主要應(yīng)用方向包括制造醫(yī)療模型、手術(shù)導(dǎo)板、外科/口腔科植入物、康復(fù)器械等（主要材料包括塑料、樹脂、金屬、高分子復(fù)合材料等），以及生物3D打印人體組織、器官等。
3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)中已逐漸成熟應(yīng)用于義齒打印、矯正器制作、預(yù)演手術(shù)模型制作、手術(shù)導(dǎo)板制作等，有助于提高精度和效率，降低手術(shù)風(fēng)險。3D打印技術(shù)在骨科植入方面也發(fā)展迅速，目前開始采用金屬3D打印技術(shù)生產(chǎn)全膝關(guān)節(jié)植入物、髖臼杯、脊柱植入物等，金屬3D打印技術(shù)有利于模擬人體骨骼的層狀結(jié)構(gòu)，通過多孔設(shè)計可以更好地與人體組織融合，促進骨骼生長，此外3D打印技術(shù)亦為植入物設(shè)計帶來了更高設(shè)計自由度。隨著未來經(jīng)濟水平和精準(zhǔn)醫(yī)療要求的不斷提升，3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展將擁有巨大空間。
4.其他行業(yè)領(lǐng)域
消費品領(lǐng)域：消費品領(lǐng)域范圍廣泛，3D打印技術(shù)有助于加速消費品行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、優(yōu)化和迭代，提升并豐富產(chǎn)品性能，如為運動員量身定制輕量化、個性化運動設(shè)備等。
模具領(lǐng)域：3D打印已廣泛應(yīng)用于鞋模及隨形冷卻模具等領(lǐng)域，優(yōu)化冷卻水路設(shè)計，不受水路復(fù)雜程度的限制，提升模具的冷卻效率和生產(chǎn)效率。
電子電器領(lǐng)域：3D打印技術(shù)在產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)階段，如裝配和功能驗證、外觀及性能測試、人體工程學(xué)、快速手板、批量制造等方面，都能提供較大的幫助，降低研發(fā)和時間成本，提高產(chǎn)品利潤。
Chapter 3 : 3D打印的幾種技術(shù)
3D打印技術(shù)包含多種工藝類型，國標(biāo)《增材制造術(shù)語》（GB∕T 35351-2017）根據(jù)3D打印技術(shù)的成形原理，將3D打印工藝分成七種基本類別，具體分類情況如下：粉末床熔融（Powder Bed Fusion）、定向能量沉積（Directed Energy Deposition）、立體光固化（VAT Photopoly merization）、粘結(jié)劑噴射（Binder Jetting）、材料擠出（Material Extrusion）、材料噴射（Material Jetting）和薄材疊層（Sheet Lamination）。主要工藝原理對應(yīng)的代表性工藝技術(shù)如下：
1.粉末床熔融(PBF)
（1）選區(qū)激光熔融(SLM)
選區(qū)激光熔融(SLM)是一種由計算機控制激光束進行逐層掃描融化層層堆積成型的技術(shù)。
優(yōu)勢：
加工過程中粉末完全熔化且不需要粘結(jié)材料，所以加工所形成零件的精度以及力學(xué)性能都要比較好。
致密度高，激光束光斑直徑細微，致密度接近100%，幾乎等于冶金。
可以簡單并且直接的制造出復(fù)雜形狀的金屬件。
劣勢：
設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，需要專業(yè)人員來操作。
后處理復(fù)雜，工藝需要添加支撐，并需要對成型件進行后處理來去掉支撐。
應(yīng)用領(lǐng)域：
航空航天、模具、汽車、醫(yī)療、核工業(yè)、科研教育等領(lǐng)域。
（2）選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)
選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)是一種用激光束來燒結(jié)預(yù)先加熱過的提前鋪設(shè)在粉末床上的金屬粉末，由計算機控制進行分層燒結(jié)、分層堆積的零件加工技術(shù)。
優(yōu)勢：
可以使用多種材料，包括高分子材料、金屬粉末、陶瓷粉末、尼龍粉末等，選擇性強。
不需要支撐，在打印過程中未經(jīng)燒結(jié)的粉末即可支撐生成的懸空層。
材料利用率高。
劣勢：
表面粗糙，工藝制造原型的表面是粉末進行熔融粘結(jié)的，為粉粒狀，所以表面質(zhì)量不高。
金屬顆粒結(jié)合度低，需要進一步熱處理。
如果采用氮氣作為保護氣體的話，會產(chǎn)生有害氣體。
應(yīng)用領(lǐng)域：
汽車、造船、航天、航空、通信、微機電系統(tǒng)、建筑、醫(yī)療、考古等領(lǐng)域。
（3）電子束熔化(EBM)
電子束熔化(EBM)是一種通過電子束掃描、熔化粉末材料，逐層沉積制造3D金屬零件的技術(shù)。
優(yōu)勢：
在真空條件下預(yù)熱溫度很高，可以熔解高熔點金屬，減小了熱應(yīng)力集中，避免了成型件產(chǎn)生彎曲變形的現(xiàn)象。
成型過程中不需要支撐，制作完成后只需吹去粉末即可。
劣勢：
“吹粉”現(xiàn)象。鋪粉器鋪在粉床上的粉末在電子束的作用下離開預(yù)先的鋪設(shè)位置，由于靜電的排斥力導(dǎo)致粉末產(chǎn)生潰散。
“球化”現(xiàn)象。指金屬未完全熔化而形成了一群彼此分開的金屬球。
設(shè)備需要真空條件下完成，維護成本高，且電子束沉積過程中會產(chǎn)生伽瑪射線，可能會導(dǎo)致泄漏，污染環(huán)境等。
應(yīng)用領(lǐng)域：
醫(yī)學(xué)、航空航天、工業(yè)等領(lǐng)域。
1.3D打印定義
3D打印定義：根據(jù)國標(biāo)《增材制造術(shù)語》（GB/T35351-2017），增材制造（Additive Manufacturing；AM）是指以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嚒ＨS打印（3D printing）是指利用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)，通過材料堆積的方式來制造零件或?qū)嵨锏墓に嚕诵g(shù)語通常作為增材制造的同義詞，又稱“3D打印”。不同于傳統(tǒng)制造業(yè)通過切削等機械加工方式對材料去除從而成形的“減”材制造，3D打印通過對材料自下而上逐層疊加的方式，將三維實體變?yōu)槿舾蓚�二維平面，大幅降低了制造的復(fù)雜度。
2.中國3D打印行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
我國3D打印技術(shù)于上世紀(jì)八九十年代開始探索，早期以清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校的研究力量為主，行業(yè)發(fā)展起步較晚。2017年起國家出臺多項政策，支持國內(nèi)3D產(chǎn)業(yè)發(fā)展，新企業(yè)不斷進入，行業(yè)發(fā)展速度加快。伴隨政策支持與技術(shù)進步，3D打印企業(yè)逐漸增加。截至2021年底，以3D打印為主營業(yè)務(wù)的上市公司有20余家（含新三板），2021年國內(nèi)3D打印企業(yè)融資額達48億元。3D打印是對傳統(tǒng)制造業(yè)的補充和增強，借助3D打印技術(shù)，企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)復(fù)雜產(chǎn)品和開展定制化等方面都有所提升。3D打印有利于企業(yè)創(chuàng)新，進而推動我國制造產(chǎn)業(yè)逐步升級。
中國3D打印行業(yè)相對歐美國家起步較晚，在經(jīng)歷了初期產(chǎn)業(yè)鏈分離、原材料不成熟、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一與不完善及成本昂貴等問題后，當(dāng)前中國3D打印行業(yè)已日趨成熟，市場呈現(xiàn)快速增長趨勢。我國高度重視3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展，近年來，中國3D打印市場應(yīng)用程度不斷深化，在各行業(yè)均得到了越來越廣泛的應(yīng)用。2017-2020年，中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈逐年增長趨勢，2020年中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模為208億元，同比增長32.06%。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，到2025年我國3D打印市場規(guī)模將超過630億元，2021-2025年復(fù)合年均增速20%以上。
3.服務(wù)市場規(guī)模持續(xù)擴大，鑄造等領(lǐng)域?qū)⒂瓉肀l(fā)
Wohlers Report報告數(shù)據(jù)顯示，國際3D打印服務(wù)企業(yè)占比逐年增加，2021年3D打印服務(wù)市場規(guī)模約為62.5億美元，占整個市場規(guī)模的41%，也意味著服務(wù)已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的重要推動力量。國內(nèi)3D打印服務(wù)商目前仍然較少，根據(jù)調(diào)研企業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示僅為21%左右。未來，3D打印服務(wù)供應(yīng)商將逐漸成長為涵蓋設(shè)計、制造、后處理為一體的方案系統(tǒng)解決供應(yīng)商。
根據(jù)中鑄協(xié)統(tǒng)計，我國有26,000家鑄造廠，砂型鑄件的市場規(guī)模約1,200億元，利用3D打印可將鑄造的工藝流程從15步縮減至8步，在“雙碳”背景下，3D打印技術(shù)持續(xù)賦能鑄造行業(yè)，假設(shè)3D打印在砂型鑄件市場占據(jù)的份額提升至10%，市場規(guī)模將達到120億元。
Chapter 2 : 3D打印的應(yīng)用場景
3D打印目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域，并逐漸被嘗試應(yīng)用于更多的領(lǐng)域中。根據(jù)Wohlers Report 2022報告顯示，2021年3D打印主要應(yīng)用于航空航天、汽車、消費及電子產(chǎn)品、醫(yī)療/牙科、學(xué)術(shù)科研等領(lǐng)域，占比情況如下：
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2021年3D打印各應(yīng)用領(lǐng)域占比
1.航空航天領(lǐng)域
在航空航天領(lǐng)域，由于零部件形態(tài)復(fù)雜、傳統(tǒng)工藝加工成本高及輕量化要求等因素，3D打印已發(fā)展成為提升設(shè)計與制造能力的一項關(guān)鍵核心技術(shù)，其利用逐層堆積的原理，能夠?qū)崿F(xiàn)任意復(fù)雜構(gòu)件成形與多材料一體化制造，突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)對結(jié)構(gòu)尺寸、復(fù)雜程度、成形材料的限制，提供了變革性的技術(shù)途徑，應(yīng)用場景日趨多樣化。
航空航天領(lǐng)域用于3D打印的材料主要包括高性能金屬材料和高分子材料。高性能金屬材料中鈦合金、鋁合金和鎳基高溫合金的應(yīng)用最為廣泛，鈦合金主要應(yīng)用于高強度、輕量化結(jié)構(gòu)部件，鋁合金主要應(yīng)用于輕量化結(jié)構(gòu)部件，鎳基高溫合金主要應(yīng)用于高強度熱端部件，通常以粉末床熔融技術(shù)和定向能量沉積技術(shù)為主進行加工，常見包括選區(qū)激光熔融(SLM)、激光近凈成形(LENS)等。高分子材料主要應(yīng)用于有耐沖擊、耐熱、阻燃性和抗老化性要求的部件，常用選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)進行加工。在復(fù)雜部件的研制階段，3D打印技術(shù)可節(jié)省反復(fù)工藝試驗的時間，提高速度的同時降低成本；在零件制造階段，3D打印技術(shù)可用于實現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高零件性能；此外，3D打印技術(shù)還可用于制件修復(fù)，延長設(shè)備使用壽命、減少經(jīng)濟損失。
利用3D打印可以制作出符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和使用要求的高精密零件，為提高航天器的整體性能提供積極幫助。歐洲航天局（ESA）、美國國家航空航天局（NASA）、SpaceX和Relativity Space均使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)火箭點火裝置、推進器噴頭、燃燒室和油箱，美國GE、波音（Boeing）、法國空客（Aribus）、賽峰（Safran）使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)商用航空發(fā)動機零部件、軍機機身部件、飛機風(fēng)管、艙內(nèi)件等。同時，3D打印的構(gòu)件也已在國內(nèi)航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，先后成功參與了天問一號、實踐衛(wèi)星、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等數(shù)十次發(fā)射和飛行任務(wù)。
3D打印技術(shù)已成為提高航天設(shè)計和制造能力的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用規(guī)模近年來增長迅速，未來市場空間巨大。
2.汽車制造領(lǐng)域
伴隨3D技術(shù)的創(chuàng)新升級，其在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用將逐漸深入，從概念模型打印到功能模型打印，目前逐步應(yīng)用于功能部件制造，并向打造整車方向拓展。汽車制造領(lǐng)域3D打印，主要應(yīng)用已覆蓋汽車設(shè)計、零部件開發(fā)、內(nèi)外飾應(yīng)用等方面，主要技術(shù)為SLS、SLM等。
在設(shè)計方面，3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)無模具設(shè)計和制造，幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品概念模型的設(shè)計及制作周期，幫助整車廠和零配件廠商優(yōu)化設(shè)計，同時，可以在安全性測試環(huán)節(jié)打印部分非關(guān)鍵部件作為替代，加速產(chǎn)品驗證流程，有助于企業(yè)實現(xiàn)快速小批量定制，降低成本并縮短產(chǎn)品上市時間，此外，3D打印可以在設(shè)計階段引導(dǎo)零件輕量化、一體化、個性化、功能化方面的創(chuàng)新；在制造方面，3D打印技術(shù)可提升零件的制造效率和生產(chǎn)質(zhì)量，實現(xiàn)零件輕量化制造和降低質(zhì)量的位移途徑，進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具的加工，加強對制造精度的控制，同時，3D打印一體化成形技術(shù)允許將多個零件整合為一個零件，可減輕復(fù)雜關(guān)鍵部件的重量；在維修方面，3D打印技術(shù)可以進行門把手、輪轂、汽缸、變速器和其他基礎(chǔ)部件的制作，從而保證了維修的效率和經(jīng)濟收益。
汽車行業(yè)是最早使用3D打印技術(shù)的行業(yè)之一，在3D打印技術(shù)應(yīng)用中占據(jù)重要位置，隨著近年來汽車保有量和產(chǎn)量的上升，汽車行業(yè)巨大的市場規(guī)模將持續(xù)為3D打印技術(shù)的應(yīng)用提供廣闊的空間。
3.醫(yī)療領(lǐng)域
基于人體存在個體差異而傳統(tǒng)制造醫(yī)療器械多為標(biāo)準(zhǔn)化樣式或尺寸的現(xiàn)狀，3D打印憑借可個性化定制的特點在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用逐步廣泛，主要應(yīng)用方向包括制造醫(yī)療模型、手術(shù)導(dǎo)板、外科/口腔科植入物、康復(fù)器械等（主要材料包括塑料、樹脂、金屬、高分子復(fù)合材料等），以及生物3D打印人體組織、器官等。
3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)中已逐漸成熟應(yīng)用于義齒打印、矯正器制作、預(yù)演手術(shù)模型制作、手術(shù)導(dǎo)板制作等，有助于提高精度和效率，降低手術(shù)風(fēng)險。3D打印技術(shù)在骨科植入方面也發(fā)展迅速，目前開始采用金屬3D打印技術(shù)生產(chǎn)全膝關(guān)節(jié)植入物、髖臼杯、脊柱植入物等，金屬3D打印技術(shù)有利于模擬人體骨骼的層狀結(jié)構(gòu)，通過多孔設(shè)計可以更好地與人體組織融合，促進骨骼生長，此外3D打印技術(shù)亦為植入物設(shè)計帶來了更高設(shè)計自由度。隨著未來經(jīng)濟水平和精準(zhǔn)醫(yī)療要求的不斷提升，3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展將擁有巨大空間。
4.其他行業(yè)領(lǐng)域
消費品領(lǐng)域：消費品領(lǐng)域范圍廣泛，3D打印技術(shù)有助于加速消費品行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、優(yōu)化和迭代，提升并豐富產(chǎn)品性能，如為運動員量身定制輕量化、個性化運動設(shè)備等。
模具領(lǐng)域：3D打印已廣泛應(yīng)用于鞋模及隨形冷卻模具等領(lǐng)域，優(yōu)化冷卻水路設(shè)計，不受水路復(fù)雜程度的限制，提升模具的冷卻效率和生產(chǎn)效率。
電子電器領(lǐng)域：3D打印技術(shù)在產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)階段，如裝配和功能驗證、外觀及性能測試、人體工程學(xué)、快速手板、批量制造等方面，都能提供較大的幫助，降低研發(fā)和時間成本，提高產(chǎn)品利潤。
Chapter 3 : 3D打印的幾種技術(shù)
3D打印技術(shù)包含多種工藝類型，國標(biāo)《增材制造術(shù)語》（GB∕T 35351-2017）根據(jù)3D打印技術(shù)的成形原理，將3D打印工藝分成七種基本類別，具體分類情況如下：粉末床熔融（Powder Bed Fusion）、定向能量沉積（Directed Energy Deposition）、立體光固化（VAT Photopoly merization）、粘結(jié)劑噴射（Binder Jetting）、材料擠出（Material Extrusion）、材料噴射（Material Jetting）和薄材疊層（Sheet Lamination）。主要工藝原理對應(yīng)的代表性工藝技術(shù)如下：
（1）選區(qū)激光熔融(SLM)
選區(qū)激光熔融(SLM)是一種由計算機控制激光束進行逐層掃描融化層層堆積成型的技術(shù)。
優(yōu)勢：
加工過程中粉末完全熔化且不需要粘結(jié)材料，所以加工所形成零件的精度以及力學(xué)性能都要比較好。
致密度高，激光束光斑直徑細微，致密度接近100%，幾乎等于冶金。
可以簡單并且直接的制造出復(fù)雜形狀的金屬件。
劣勢：
設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，需要專業(yè)人員來操作。
后處理復(fù)雜，工藝需要添加支撐，并需要對成型件進行后處理來去掉支撐。
應(yīng)用領(lǐng)域：
航空航天、模具、汽車、醫(yī)療、核工業(yè)、科研教育等領(lǐng)域。
（2）選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)
選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)是一種用激光束來燒結(jié)預(yù)先加熱過的提前鋪設(shè)在粉末床上的金屬粉末，由計算機控制進行分層燒結(jié)、分層堆積的零件加工技術(shù)。
優(yōu)勢：
可以使用多種材料，包括高分子材料、金屬粉末、陶瓷粉末、尼龍粉末等，選擇性強。
不需要支撐，在打印過程中未經(jīng)燒結(jié)的粉末即可支撐生成的懸空層。
材料利用率高。
劣勢：
表面粗糙，工藝制造原型的表面是粉末進行熔融粘結(jié)的，為粉粒狀，所以表面質(zhì)量不高。
金屬顆粒結(jié)合度低，需要進一步熱處理。
如果采用氮氣作為保護氣體的話，會產(chǎn)生有害氣體。
應(yīng)用領(lǐng)域：
汽車、造船、航天、航空、通信、微機電系統(tǒng)、建筑、醫(yī)療、考古等領(lǐng)域。
（3）電子束熔化(EBM)
電子束熔化(EBM)是一種通過電子束掃描、熔化粉末材料，逐層沉積制造3D金屬零件的技術(shù)。
優(yōu)勢：
在真空條件下預(yù)熱溫度很高，可以熔解高熔點金屬，減小了熱應(yīng)力集中，避免了成型件產(chǎn)生彎曲變形的現(xiàn)象。
成型過程中不需要支撐，制作完成后只需吹去粉末即可。
劣勢：
“吹粉”現(xiàn)象。鋪粉器鋪在粉床上的粉末在電子束的作用下離開預(yù)先的鋪設(shè)位置，由于靜電的排斥力導(dǎo)致粉末產(chǎn)生潰散。
“球化”現(xiàn)象。指金屬未完全熔化而形成了一群彼此分開的金屬球。
設(shè)備需要真空條件下完成，維護成本高，且電子束沉積過程中會產(chǎn)生伽瑪射線，可能會導(dǎo)致泄漏，污染環(huán)境等。
應(yīng)用領(lǐng)域：
醫(yī)學(xué)、航空航天、工業(yè)等領(lǐng)域。
(責(zé)任編輯：admin)
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