3D打印研究報告

關(guān)于AM和3D打印的介紹

1S0/ASTM52900 術(shù)語竊過 andard 將快速成型制造定義為10111111111g mate rials 來制造零件的過程,，通常是層層疊加,，而不是子廿主動和成型制造方法,。 歷史上的術(shù)語包括快速成型、快速成型,、快速成型工藝,、快速成型技術(shù)、快速成型層制造,、層狀制造,、層狀制造、固體自由成型,、快速成型等,。

在這個充滿活力的行業(yè)中，術(shù)語的演變速度很快,。在ISO/ASTM 52900標(biāo)準(zhǔn)中,，3D打印被定義為使用打印頭、噴嘴或其他打印機(jī)技術(shù),，通過材料的沉積來制造物體,。該術(shù)語經(jīng)常被用于非技術(shù)性的語境中syr10nyrnously withl1additive manufa cttiring，并已成為了一個非技術(shù)性的術(shù)語,。
術(shù)語,，是指該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語。然而,，快速成型制造和3D打印的含義相同,，在本報告中可以互換使用。

2020年3月,，在谷歌上搜索 "Additive manufactzll'ing "產(chǎn)生了近8500萬次引用,。同時，3D打印這個詞產(chǎn)生了6.73億次,，而3D打�,。◣нB字符）則產(chǎn)生了24.3億次引用。這些結(jié)果說明了一個詞比另一個詞更受歡迎,。前夜,，AM的使用范圍不斷擴(kuò)大,，部分原因是它強(qiáng)調(diào)了該技術(shù)如何生產(chǎn)真正的終端產(chǎn)品。

AM被用于塑料,、金屬,、陶瓷、玻璃,、復(fù)合材料和生物材料等領(lǐng)域的物理模型,、原型、圖案,、模具和生產(chǎn)設(shè)備。

AM包含了ISO/ASTM 52900標(biāo)準(zhǔn)中定義的七個不同的過程,�,？梢酝ㄟ^擠壓、噴射,、光固化,、光固化、層壓,、噴塑或熱熔材料等方式逐層制造出樣品,。這些材料和工藝在本報告的PAT2中進(jìn)行了描述。

設(shè)計和制造機(jī)構(gòu)在消費,、工業(yè),、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域的產(chǎn)品中使用AM零件。汽車手機(jī),、飛機(jī),、電動工具、手持式電子電器和電子電器的零部件,。

醫(yī)療設(shè)備只是從AM技術(shù)中獲益的一長串產(chǎn)品的開始,。

作為快速產(chǎn)品開發(fā)的工具，AM技術(shù)可以縮短產(chǎn)品上市時間,，提高產(chǎn)品質(zhì)量,，降低成本。使用AM技術(shù)的快速產(chǎn)品迭代可以簡化和加快產(chǎn)品的開發(fā)過程,。作為一個可視化的工具,，AM流程可以幫助企業(yè)減少向市場交付有缺陷或錯誤產(chǎn)品的可能性。模型允許公司從客戶,、客戶和其他方面獲得早期反饋,。

AM在模具方面的應(yīng)用也在發(fā)展，早期的努力主要集中在全模具的快速交付,，如注塑模具,，但大多數(shù)都失敗了,。最近的發(fā)展主要集中在利用AM來提高注塑模具的性能，并增加了保形冷卻通道,。其他的努力主要集中在利用AM來生產(chǎn)出
制造和裝配工具,，如夾具、夾具,、夾具,、量具、鉆頭和切割導(dǎo)軌等,。

AM正在對一些公司的產(chǎn)品生產(chǎn)方式產(chǎn)生重大影響,。大公司和小公司都成功地將該技術(shù)應(yīng)用到了成品生產(chǎn)中。Wohlers Associates相信,，這種實踐面11將成為AM技術(shù)最大和最重要的應(yīng)用,。在未來，它對制造業(yè)的影響很可能比任何其他技術(shù)都要大,。

經(jīng)過三十多年的研究,、開發(fā)和使用AM的研究、開發(fā)和使用,，隨著新技術(shù),、metl1ods、材料,、應(yīng)用,、工作流程和商業(yè)模式的不斷擴(kuò)展，AM的產(chǎn)業(yè)鏈也在不斷擴(kuò)大,。越來越多的工業(yè)部門和地理區(qū)域都在擁抱AM,。預(yù)計未來它的影響將變得更加重要。

2020年3月,，默克公司與Additive Ma nufactu ring Custo mized Machines公司簽訂了合作協(xié)議,。
pal甘1ered開發(fā)了一種PBF系統(tǒng)，用于印制藥片形式的藥丸,，該系統(tǒng)將支持藥品的生產(chǎn),，同時加快其發(fā)展。


行業(yè)

25年來,，Wohlers Asso ciates公司在編寫本年度報告的過程中,，向行業(yè)內(nèi)部人士、機(jī)器和材料生產(chǎn)商,、服務(wù)供應(yīng)商和其他人士征求意見,。從這些來源獲得的信息的廣度和深度使我們能夠跟蹤AM行業(yè)的發(fā)展，估計其規(guī)模并預(yù)測未來的發(fā)展,。在AM行業(yè)中,，沒有任何其他來源能在多年收集和分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提供如此多的信息和細(xì)節(jié),。我們非常感謝過去二十五年來無數(shù)人和機(jī)構(gòu)提供的信息。

在這一期的調(diào)查報告中,，全球129家服務(wù)供應(yīng)商對詳細(xì)的調(diào)查問卷進(jìn)行了回答,。此外，11家工業(yè)AM系統(tǒng)制造商（售價在5000美元以上的制造商）和40家第三方材料和桌面3D打印機(jī)的生產(chǎn)商也做出了回應(yīng),。這些廣泛的數(shù)據(jù)被用于本報告和其他部分,。這些公司提供的信息是基于對其客戶的了解，估計有15萬以上的AM用戶,�,？偣灿�283家公司參與了調(diào)查。
回應(yīng)我們的SM71eys對本期Repo rt,。2019年版的數(shù)據(jù)由228家公司提供,，2018年版的數(shù)據(jù)為175家。

在1 29家企業(yè)中,，有50家來自美國，14家來自德國,，8家來自印度,，6家來自意大利，5家來自瑞典,。加拿大,、瑞士和英國各4家，澳大利亞,、比利時,、法國和新西蘭各3家。中國,、捷克,、Denmar k、Is rae l,、非洲南部,、西班牙和土耳其各2名。奧地利,、匈牙利,、愛爾蘭、菲律賓,、葡萄牙,、沙特阿拉伯、韓國和臺灣各1家,。

參會的114家系統(tǒng)制造商中,，美國25家,，中國11家，德國10家,，意大利8家,，奧地利7家。加拿大,、法國,、以色列、波蘭,、韓國,、瑞典、土耳其和英國各3名,。丹麥,、俄羅斯和臺灣各2名。澳大利亞,、德國,、芬蘭、伊朗,、愛爾蘭,、愛爾蘭、新加坡,、瑞士,、美國、伈伈aine各1家,。


調(diào)查要求每家公司說明他們所服務(wù)的行業(yè),，以及他們從每個行業(yè)獲得的大概收入（占比）。下面的柱形圖顯示了結(jié)果,。領(lǐng)先的工業(yè)領(lǐng)域是汽車,，其次是消費品/電子和航空航天。其他 "類別包括了廣泛的行業(yè),，如采礦,、化工、水處理,、木材/石油等行業(yè),，以及其他不屬于指定類別的行業(yè)。

費品/電子產(chǎn)品的種類繁多,，包括手機(jī),、家電、家用電器,、電器,、手工具,、玩具等。這些行業(yè)通常會大量生產(chǎn)零部件,，產(chǎn)品的生命周期相對較短,。AM通過支持這些行業(yè)的企業(yè)快速設(shè)計迭代和優(yōu)化，加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度,。AM公司還為高復(fù)雜度,、低產(chǎn)量和大規(guī)模定制化的新產(chǎn)品提供支持。



Olaf Diegel和Avid產(chǎn)品開發(fā)公司提供的使用聚合物PBF生產(chǎn)的Wohlers Associates定制筆的設(shè)計,。
汽車工業(yè)在1980年代后期商業(yè)化后不久就對AM進(jìn)行了投資,。它主要用于概念設(shè)計和有限的原型設(shè)計。汽車公司繼續(xù)廣泛使用AM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計驗證,、配合和功能測試以及某些類型的模具制造,。主流汽車的量產(chǎn)通常對大多數(shù)零件的批量生產(chǎn)來說太高了，盡管寶馬,、布加迪和福特等公司也開始出現(xiàn)了一些例外,。

寶馬在其i8 Roadster車型上使用了一個印有30的車窗導(dǎo)軌，用于量產(chǎn),。如下圖所示,，該零件是在HP（Multi Jet Fusion）MJF系統(tǒng)上用尼龍材料制成的Mamtfachired。這個AM零件代表了寶馬在10年內(nèi)生產(chǎn)的第100萬個零件,。戴姆勒卡車公司為其大型卡車生產(chǎn)AM公司生產(chǎn)的備件,，也體現(xiàn)在以下幾個方面,。

車窗導(dǎo)軌（左圖）,，寶馬公司提供；風(fēng)道（右上圖）和用PA12激光燒結(jié)技術(shù)制造的修復(fù)控制單元部件（右下圖）,，戴姆勒公司提供,。




醫(yī)療行業(yè)采用了AM技術(shù)進(jìn)行外科手術(shù)。

功能原型一般是指工程師用來測試形狀,、配合和功能的模型,。這些模型有助于消除工程圖紙和CAD模型的模糊性和不確定性，通過對裝配體及其使用的物理性的反思,，幫助消除工程圖紙和CAD模型的不確定性,。通常情況下，這些模型可以幫助驗證設(shè)計,，并在生產(chǎn)貼片之前確定公差,、干涉和孔的對齊問題。在早期階段發(fā)現(xiàn)這些問題,，可以節(jié)省數(shù)千甚至數(shù)百萬美元的重新設(shè)計,、模具成本和報廢費用,。










電機(jī)外殼的功能原型，由CRP Meccanica公司提供,。
多年來,，制作原型模具的母模圖案一直是AM系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用。將硅橡膠澆注在AM母模上,，形成一個軟工具,，然后用它來鑄造多個聚氨酯零件。澆注過程中使用的是雙派熱固性樹脂,，它模仿了注塑成型的熱塑性塑料的特性,。
硅橡膠模具和聚氨酯鑄造，又稱真空鑄造,。
鑄造,，幾十年來一直被用于生產(chǎn)原型、預(yù)生產(chǎn),，甚至是生產(chǎn)零件的小批量生產(chǎn),。一個硅橡膠模具可以澆注25-50個零件，但實際數(shù)量取決于零件的特性,。






硅橡膠模具和鑄造聚氨酯部件,，由Reynolds Advanced Materials公司提供。
AM也可用于生產(chǎn)金屬零件的投資鑄造圖案,。這就省去了昂貴而耗時的蠟型模具,。多種AM材料可以熔化或燒制出陶瓷外殼，用于投資鑄造工藝,。這項技術(shù)已經(jīng)成為珠寶行業(yè)的一大特色,。

AM-producedinvestment-casitng patterns (blue)and finish的
鑄造金屬件，由3D打印彩繪公司提供,。
AM工藝也能生產(chǎn)出用于砂型鑄造的模具和型芯,。多年來，福特公司一直在使用AM砂模鑄造原型車,、汽車零部件和制動部件,。金屬鑄造工藝在wohlersassociates.com/castmetal2020.pdf上有詳細(xì)說明。

大型金屬鑄造用的30印砂芯,，由ExOne公司提供,。

金屬AM工藝可用于生產(chǎn)模具，如模具內(nèi)的模具,，其優(yōu)點之一是在模具或刀片內(nèi)形成保形冷卻槽,。保形冷卻槽比直孔冷卻槽能更快、更有效地去除模具中的熱量。

通道,。這樣可以縮短成型周期,，延長模具壽命。與傳統(tǒng)的冷卻通道不同,，這些通道可以直接設(shè)計和印刷到模具中,。利用保形槽優(yōu)化冷卻，還可以提高零件質(zhì)量,。

復(fù)雜的模具嵌件（右）與顯示內(nèi)部保形冷卻道的CAD數(shù)據(jù)（左）,，由雷尼紹提供
AM工藝也可用于生產(chǎn)許多其他類型的工具。
包括夾具,、夾具,、固定件、模板,、量具,、鉆頭和切割工具。由于這些工具通常是小批量生產(chǎn)的,，因此AM是自然而然地適合這些應(yīng)用,。此外，使用傳統(tǒng)的方法和材料生產(chǎn)這些工具可能會很昂貴,，也很耗時,。在醫(yī)療切割和鉆孔工具的情況下，這些零件都是按照有機(jī)的輪廓,，用傳統(tǒng)的方法和材料來精確生產(chǎn),。


由AM公司提供的定制化種植牙鉆孔導(dǎo)板，由think3D公司提供,。
增長最快,，也可以說是AM的最有趣的應(yīng)用是最終部件制造。GE航空公司正在使用金屬AM來幫助LEAP發(fā)動機(jī)每年制造數(shù)萬個燃料噴嘴,。2018年10月,，該公司以這種方式生產(chǎn)的第30,000個燃油噴嘴已經(jīng)出廠,。GE公司的Avio Aero公司正在使用金屬AM制造鋁化鈦合金的低壓tltrbine葉片,，和rbus公司已經(jīng)制造了數(shù)千種塑料支架、夾子和夾子,，以及使用pol)''lner AM的固定裝置,，現(xiàn)在正在認(rèn)證用于飛行的金屬設(shè)計。

在美國國家空間站上成功地測試了一臺Mater ialex甘us1011(MEX)3D打印機(jī)后,，NASA和歐洲航天局正在研究金屬AM在太空中的應(yīng)用,。一些打印食品，如糖果等的3D p門打印機(jī)正在開發(fā)中，并開始進(jìn)入市場,。3D生物打印也是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域,。目前在3D打印活體組織的研究中，設(shè)想了一個從病人自身細(xì)胞中制造出身體部位,，甚至可能是整個器官的fuhire,。


用于打印活體組織的BioAsse mblyBot由Advanced Solutions提供

訪問wohl ersassociates.com/ applications2020.pdf，可以找到更多的AM應(yīng)用,。請輸入 "wohlers "作為密碼,。這31頁的文件是專為本報告的讀者制作的，沒有在其他地方發(fā)布,。

按國家分列的安裝情況

下面的柱形圖按百分比估計了世界各國安裝的工業(yè)級AM系統(tǒng),。這些估計是自技術(shù)誕生以來到2019年的累計總數(shù)。在估算中不包括二手系統(tǒng)的銷售量,，因此機(jī)器不會被多次計算在內(nèi),。許多AM系統(tǒng)的制造商慷慨地提供了用于提供這些信息的數(shù)據(jù)。

個性化程度的提高在醫(yī)療領(lǐng)域具有很大的潛力,。每個人的身體都是不同的,，但目前大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備都是以標(biāo)準(zhǔn)尺寸生產(chǎn)的。經(jīng)過多年的發(fā)展,，在 "個人化 "方面已經(jīng)取得了進(jìn)展,。它從醫(yī)學(xué)影像的解剖學(xué)模型開始，并不斷發(fā)展,。與個性化相關(guān)的關(guān)鍵AM應(yīng)用包括解剖學(xué)建模,、虛擬手術(shù)計劃和模板化、患者特定植入物等,。邁向以醫(yī)院為基礎(chǔ)的製造業(yè),，也稱之為 "甘氏製造"。
護(hù)理點制造,，也正在興起,。
令人驚訝的是，一些最早采用AM的人是外科醫(yī)生,。當(dāng)需要修復(fù)骨骼或更換身體的關(guān)節(jié)時,，他們經(jīng)常會面臨復(fù)雜的解剖學(xué)問題，需要在手術(shù)中解決問題,。在這種解決問題的活動中,，使用AM的解剖學(xué)建模被證明是一個重要的資產(chǎn)。Anatomicmodeling從使用計算機(jī)斷層掃描(CT),、錐束計算機(jī)斷層掃描(CBCT),、磁共振成像(MRI)等體積醫(yī)學(xué)影像學(xué)建模開始,。這些計算機(jī)斷層掃描技術(shù)都能產(chǎn)生較小的斷面圖像，可以疊加形成三維圖像,。
CT和CBCT最常用于骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的可視化,。而MRI則是區(qū)分各種軟組織的首選，如心臟,、大腦,、前列腺等。更多關(guān)于醫(yī)學(xué)老化過程的信息,，請參見wohIe rsasso ciates.com/medical2020.pdf,。
醫(yī)學(xué)上的解剖學(xué)模型，可以在將原始影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更適合的三維模型,，通常是STL或OBJ,。根據(jù)外科醫(yī)生的說法，這些模型可用于手術(shù)前和手術(shù)期間,。
-支持在手術(shù)前更好地顯示復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的可視化,。
-幫助在進(jìn)入手術(shù)前更好地準(zhǔn)備手術(shù)方案
-允許在模型上對手術(shù)過程進(jìn)行物理模擬，以完善手術(shù)計劃,。
-讓整個手術(shù)團(tuán)隊更有信心
-在手術(shù)過程中提供參考指南,，幫助進(jìn)一步了解解剖學(xué)，并幫助醫(yī)生在手術(shù)過程中找到自己的位置,。
-提供直觀的輔助工具,，使患者能夠更好地了解自己的解剖結(jié)構(gòu)和疾病，從而提高手術(shù)的知情同意度,。
解剖模型在全世界范圍內(nèi)被外科醫(yī)生用于許多領(lǐng)域,，包括骨科、神經(jīng)外科,、脊柱,、口腔和頜面、整形,、顱面,、耳鼻喉科、賁門和泌尿科等,。從醫(yī)學(xué)影像學(xué)數(shù)據(jù)中得到的解剖學(xué)AM模型的特點,，其復(fù)雜性和定義各不相同。它們的范圍從單一材料,、單色模型到極其復(fù)雜的材料和顏色范圍,。材料能力的biomimic1y吸引了巨大的興趣,。它們允許在許多不同領(lǐng)域工作的醫(yī)生創(chuàng)造出解剖學(xué)復(fù)制品,，不僅看起來很好，而且感覺也很好。幾種生物相容性的AM材料都是可用的,，只要在手術(shù)室中進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砭涂梢允褂谩?br /> 虛擬手術(shù)規(guī)劃和模板化（VST）是AM在醫(yī)學(xué)上的另一個重要應(yīng)用,。它的基礎(chǔ)是在計算機(jī)上準(zhǔn)確規(guī)劃手術(shù)，然后將該計劃轉(zhuǎn)移到手術(shù)室,。通過使用AM來制作GI.1ides,、模板和模型來輔助計劃的傳輸。大多數(shù)VST技術(shù)最初是在2000年代發(fā)展起來的,，并有matt1red成規(guī)劃和gi.1idance為1）矯正性截骨術(shù),，2）腫瘤切除和替換面小a''''嫁接 "和3）全關(guān)節(jié)置換。

矯正截骨術(shù)是先天性骨畸形,，或意外事故導(dǎo)致骨愈合不正常時,，需要進(jìn)行矯正截骨術(shù)。矯正畸形的外科手術(shù)包括切割骨骼,，將其放回一個比較正常的位置,。通常情況下，用金屬板和螺絲釘將其固定在適當(dāng)?shù)奈恢�,。所需的骨骼運動可能很難在3D中可視化,。VST有助于簡化和使這一任務(wù)更可預(yù)測，因為它允許外科醫(yī)生在計算機(jī)上預(yù)先規(guī)劃切割,。