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增材制造技术发展史

三维-小维尼
2021-05-01 09:18:00

增材制造(Additive Manufacturing,AM)俗称3D打印,融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础,通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料,按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积,制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除-切削、组装的加工模式不同,是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法,从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束,而无法实现的复杂结构件制造变为可能。

近二十年来,AM技术取得了快速的发展,“快速原型制造(Rapid Prototyping)”、“三维打印(3D Printing )”、“实体自由制造(Solid Free-form Fabrication) ”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。

一、19世纪

1、1860年,法国人Franois Willème申请到了多照相机实体雕塑(Photosculpture)的专利。

2、1892年,美国人J.E.Blanther登记了一项采用层合方法制作三维地图模型的专利技术。

二、1900-1980

增材制造(3D打印)技术,在模型切片、打印路径规划、打印参数等方面形成了基础技术框架。

l 1902年,Carlo Baese在专利(# 774549)提出用光敏聚合物制造塑料件的原理 (StereoLithography)。

l 1940年,Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线,然后将这些纸板粘结成三维地形图的方法。

l 1964年,E.E.Zang细化了该方法,用透明纸板,且每一块均带有详细的地貌形态标记,制作地貌图。

l 1972年,K.Matsubara使用光固化材料,光线有选择地投射或扫射,将规定的部分硬化,不断堆积成型。

l 1976年,P.L.DiMatteo提出这种堆积技术能够用来制造用普通机加工设备难以加工的曲面。

l 1977年,W.K.Swainson在专利中提出通过选择性的三维光敏聚合物体激光照射直接制造塑料模型工艺。

l 1979年,日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法。

l 1979年,日本东京大学T. Nakagawa教授等用薄板技术制造落料模、成形模和注射模等,复杂冷却通道。

l 1980年,日本人小玉秀男提出了光造型法。

三、1981-1989

增材制造的主流技术、平台技术FDM,SLA,SLS诞生于美国。主要用于塑料件的快速成型。

l 1981年,H.Kodama首先提出了一套功能感光聚合物快速成型系统,应用了三种不同的方法制作叠层。

l 1984年,美国人Charles W.Hull申请了立体光固化SLA的专利。

l 1986年,美国人Charles W.Hull成立了世界上第一家3D打印设备公司3D Systems,研发了STL文件格式。

l 1988年,3D Systems公司在成立两年后,推出了世界上第一台基于SL技术的3D工业级打印机SLA-250。

l 1988年,美国人Scott Crump发明了熔融沉积成型(FDM)技术。

l 1989年,美国人Scott Crump成立了Stratasys公司。

l 1989年,美国得克萨斯大学奥斯汀分校的C. R.Dechard发明了选择性激光烧结工艺(SLS)。

四、1991-1999

1、全球制造战略的变迁,加速了增材制造技术(快速成型)的应用发展。

2、激光,CAD软件,数控技术的发展提升了工业级增材制造(快速成型/模具)的技术成熟度。

3、FDM,3DP,SLA,SLS等技术形成了成熟的工艺过程。

4、材料适用性较广、成本较低的工业级增材制造技术3DP、LENS诞生于美国。

五、2000-2010

金属3D打印主流工艺DMLS(SLM)诞生于德国。

l 2000年,Objet发布喷射光固化技术,使用紫外线光感和液滴综合技术,大幅提高制造精度。

l 2003年,EOS开发DMLS激光烧结技术。

l 2007年,3D打印服务创业公司ShapeWays正式成立,提供个性化产品定制服务。

l 2008年,第一款开源的桌面级3D打印机RepRap发布。

l 2008年,Objet发布第一台能够同时使用几种不同的打印原料的3D打印机。

l 2010年,生物打印技术公司Organovo公开第一个利用生物打印技术打印完整血管的数据。

总结:

(1)、金属3D打印技术进步快速

(2)、开源的FDM打印机诞生,为后续全球大量的FDM桌面打印机的出现埋下伏笔

六、2011-2015

美国英国政府大力推行增材制造在国防、航空、交通、能源等事业的应用,支持关键技术的研发。

l 2011年,Kor Ecologic推出全球第一辆3D打印的汽车Urbee。

l 2012年,英国《经济学人》封面文章,声称3D打印将引发全球第三次工业革命。

l 2012年,美国总统奥巴马提出投资10亿美元在全美建立15家制造业创新研究所。

l 2012年,来自MIT的团队成立Formlabs公司,发布了世界上第一台廉价且高精度的SLA。

l 2012年,中国宣布是世界上唯一掌握大型结构关键件激光成型技术的国家。

l 2013年,美国国家航空航天局(NASA)测试3D打印的火箭部件。

l 2015年,美国Carbon3D公司发布连续液态界面制造技术:速度比常规技术快25-100倍。

 

七、2016-2020

基于FDM、3DP工艺的金属增材制造技术不断涌现;基于SLM、EBM技术的工业级增材实现规模化生产。增材制造向传统制造挑战。

l 2016年,美国DesktopMetal发布基于3DP技术的桌面金属3D打印系统。

l 2017年,澳大利亚SPEE3D推出基于超音速3D沉积技术(SP3D)的金属3D打印系统。

l 2018年,美国惠普HP正式发布基于粘结剂喷射的金属打印系统。

l 2018年,美国GE公司完成了第30,000个增材制造的航空发动机燃油喷嘴;

l 2019年,基于FDM工艺的Markforged发布镍合金、铜合金材料工艺;

l 2019年,美国公司VELO 3D首创无需支撑的金属3D打印技术;

l 2020年,搭载100多个零件的天问号火星探测器运载火箭发射;

l 2020年,搭载多个金属3D打印零件的龙飞船火箭发射;

l 2020年,金属微铸锻同步复合增材制造技术与装备获得国家科技进步奖提名。

八、重要节点

1、1860年,朴素的增材制造概念诞生

2、1983年,光固化(SLA)

3、1989年,熔融层积成型技术(FDM)

4、1992年,激光烧结(SLS)

5、1995年,激光熔化(SLM)

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