3D打印行業(yè)研究：“蠟型3D打印+熔模鑄造”技術路線
Chapter 1 : 3D打印行業(yè)背景1.3D打印定義3D打印定義：根據國標《增材制造術語》（GB/T35351-2017），增材制造（Additive Manufacturing；AM）是指以三維模型數(shù)據為基礎，通過材料堆積的方式制造零件或實物的工藝。三維打印（3D printing）是指利用打印頭、噴嘴或其他打印技術，通過材料堆積的方式來制造零件或實物的工藝，此術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雜度。2.中國3D打印行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀我國3D打印技術于上世紀八九十年代開始探索，早期以清華大學、華中科技大學、西安交通大學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3D產業(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)務的上市公司有20余家（含新三板），2021年國內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，企業(yè)在產品設計研發(fā)、生產復雜產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，在經歷了初期產業(yè)鏈分離、原材料不成熟、技術標準不統(tǒng)一與不完善及成本昂貴等問題后，當前中國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打印產業(yè)發(fā)展，近年來，中國3D打印市場應用程度不斷深化，在各行業(yè)均得到了越來越廣泛的應用。2017-2020年，中國3D打印產業(yè)規(guī)模呈逐年增長趨勢，2020年中國3D打印產業(yè)規(guī)模為208億元，同比增長32.06%。根據前瞻產業(yè)研究院預測，到2025年我國3D打印市場規(guī)模將超過630億元，2021-2025年復合年均增速20%以上。
隨著關鍵技術的不斷突破及設備、工藝水平的顯著提升，我國3D打印在航空航天、汽車、醫(yī)療等下游領域的應用水平和規(guī)模都在快速提升，為3D打印的發(fā)展提供了巨大空間。以航空航天領域為例，根據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、維修服務等）年均復合增速為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），預測未來十年（2020年~2029年）中國航空制造業(yè)的價值年均復合增速為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，假設未來十年3D打印在航空制造業(yè)占據的份額提升至1%，據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.服務市場規(guī)模持續(xù)擴大，鑄造等領域將迎來爆發(fā)Wohlers Report報告數(shù)據顯示，國際3D打印服務企業(yè)占比逐年增加，2021年3D打印服務市場規(guī)模約為62.5億美元，占整個市場規(guī)模的41%，也意味著服務已經成為行業(yè)發(fā)展的重要推動力量。國內3D打印服務商目前仍然較少，根據調研企業(yè)統(tǒng)計數(shù)據顯示僅為21%左右。未來，3D打印服務供應商將逐漸成長為涵蓋設計、制造、后處理為一體的方案系統(tǒng)解決供應商。根據中鑄協(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打印技術持續(xù)賦能鑄造行業(yè)，假設3D打印在砂型鑄件市場占據的份額提升至10%，市場規(guī)模將達到120億元。Chapter 2 : 3D打印的應用場景3D打印目前已被廣泛應用于航空航天、汽車、醫(yī)療等領域，并逐漸被嘗試應用于更多的領域中。根據Wohlers Report 2022報告顯示，2021年3D打印主要應用于航空航天、汽車、消費及電子產品、醫(yī)療/牙科、學術科研等領域，占比情況如下：
1.航空航天領域在航空航天領域，由于零部件形態(tài)復雜、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)展成為提升設計與制造能力的一項關鍵核心技術，其利用逐層堆積的原理，能夠實現(xiàn)任意復雜構件成形與多材料一體化制造，突破了傳統(tǒng)制造技術對結構尺寸、復雜程度、成形材料的限制，提供了變革性的技術途徑，應用場景日趨多樣化。航空航天領域用于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用最為廣泛，鈦合金主要應用于高強度、輕量化結構部件，鋁合金主要應用于輕量化結構部件，鎳基高溫合金主要應用于高強度熱端部件，通常以粉末床熔融技術和定向能量沉積技術為主進行加工，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(SLS)進行加工。在復雜部件的研制階段，3D打印技術可節(jié)省反復工藝試驗的時間，提高速度的同時降低成本；在零件制造階段，3D打印技術可用于實現(xiàn)復雜內部結構，提高零件性能；此外，3D打印技術還可用于制件修復，延長設備使用壽命、減少經濟損失。利用3D打印可以制作出符合設計標準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打印技術生產火箭點火裝置、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打印技術生產商用航空發(fā)動機零部件、軍機機身部件、飛機風管、艙內件等。同時，3D打印的構件也已在國內航空航天領域廣泛應用，先后成功參與了天問一號、實踐衛(wèi)星、北斗導航系統(tǒng)等數(shù)十次發(fā)射和飛行任務。3D打印技術已成為提高航天設計和制造能力的關鍵技術，應用規(guī)模近年來增長迅速，未來市場空間巨大。2.汽車制造領域伴隨3D技術的創(chuàng)新升級，其在汽車制造領域的應用將逐漸深入，從概念模型打印到功能模型打印，目前逐步應用于功能部件制造，并向打造整車方向拓展。汽車制造領域3D打印，主要應用已覆蓋汽車設計、零部件開發(fā)、內外飾應用等方面，主要技術為SLS、SLM等。在設計方面，3D打印技術的應用可以實現(xiàn)無模具設計和制造，幫助企業(yè)縮短產品概念模型的設計及制作周期，幫助整車廠和零配件廠商優(yōu)化設計，同時，可以在安全性測試環(huán)節(jié)打印部分非關鍵部件作為替代，加速產品驗證流程，有助于企業(yè)實現(xiàn)快速小批量定制，降低成本并縮短產品上市時間，此外，3D打印可以在設計階段引導零件輕量化、一體化、個性化、功能化方面的創(chuàng)新；在制造方面，3D打印技術可提升零件的制造效率和生產質量，實現(xiàn)零件輕量化制造和降低質量的位移途徑，進行復雜結構模具的加工，加強對制造精度的控制，同時，3D打印一體化成形技術允許將多個零件整合為一個零件，可減輕復雜關鍵部件的重量；在維修方面，3D打印技術可以進行門把手、輪轂、汽缸、變速器和其他基礎部件的制作，從而保證了維修的效率和經濟收益。汽車行業(yè)是最早使用3D打印技術的行業(yè)之一，在3D打印技術應用中占據重要位置，隨著近年來汽車保有量和產量的上升，汽車行業(yè)巨大的市場規(guī)模將持續(xù)為3D打印技術的應用提供廣闊的空間。3.醫(yī)療領域基于人體存在個體差異而傳統(tǒng)制造醫(yī)療器械多為標準化樣式或尺寸的現(xiàn)狀，3D打印憑借可個性化定制的特點在醫(yī)療領域內應用逐步廣泛，主要應用方向包括制造醫(yī)療模型、手術導板、外科/口腔科植入物、康復器械等（主要材料包括塑料、樹脂、金屬、高分子復合材料等），以及生物3D打印人體組織、器官等。3D打印技術在口腔醫(yī)學中已逐漸成熟應用于義齒打印、矯正器制作、預演手術模型制作、手術導板制作等，有助于提高精度和效率，降低手術風險。3D打印技術在骨科植入方面也發(fā)展迅速，目前開始采用金屬3D打印技術生產全膝關節(jié)植入物、髖臼杯、脊柱植入物等，金屬3D打印技術有利于模擬人體骨骼的層狀結構，通過多孔設計可以更好地與人體組織融合，促進骨骼生長，此外3D打印技術亦為植入物設計帶來了更高設計自由度。隨著未來經濟水平和精準醫(yī)療要求的不斷提升，3D打印技術在醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展將擁有巨大空間。4.其他行業(yè)領域消費品領域：消費品領域范圍廣泛，3D打印技術有助于加速消費品行業(yè)產品設計、優(yōu)化和迭代，提升并豐富產品性能，如為運動員量身定制輕量化、個性化運動設備等。模具領域：3D打印已廣泛應用于鞋模及隨形冷卻模具等領域，優(yōu)化冷卻水路設計，不受水路復雜程度的限制，提升模具的冷卻效率和生產效率。電子電器領域：3D打印技術在產品的研發(fā)和生產階段，如裝配和功能驗證、外觀及性能測試、人體工程學、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，提高產品利潤。Chapter 3 : 3D打印的幾種技術3D打印技術包含多種工藝類型，國標《增材制造術語》（GB∕T 35351-2017）根據3D打印技術的成形原理，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）。主要工藝原理對應的代表性工藝技術如下：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。優(yōu)勢：加工過程中粉末完全熔化且不需要粘結材料，所以加工所形成零件的精度以及力學性能都要比較好。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?？梢院唵尾⑶抑苯拥闹圃斐鰪碗s形狀的金屬件。劣勢：設備昂貴，操作復雜，需要專業(yè)人員來操作。后處理復雜，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。應用領域：航空航天、模具、汽車、醫(yī)療、核工業(yè)、科研教育等領域。（2）選區(qū)激光燒結(SLS)選區(qū)激光燒結(SLS)是一種用激光束來燒結預先加熱過的提前鋪設在粉末床上的金屬粉末，由計算機控制進行分層燒結、分層堆積的零件加工技術。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，在打印過程中未經燒結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的，為粉粒狀，所以表面質量不高。金屬顆粒結合度低，需要進一步熱處理。如果采用氮氣作為保護氣體的話，會產生有害氣體。應用領域：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。優(yōu)勢：在真空條件下預熱溫度很高，可以熔解高熔點金屬，減小了熱應力集中，避免了成型件產生彎曲變形的現(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先的鋪設位置，由于靜電的排斥力導致粉末產生潰散。“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生伽瑪射線，可能會導致泄漏，污染環(huán)境等。應用領域：醫(yī)學、航空航天、工業(yè)等領域。（4）多射流熔融成形(MJF)多射流熔融成形(MJF)是一種使用噴墨陣列，將熔融劑和細節(jié)劑沉積在粉末材料床中，然后將其熔合成固體層的技術。優(yōu)勢：打印速度快。與其他3D打印技術具備同樣的精度和強度。劣勢：設備的消耗成本居高。制造過程中受到化學試劑的影響，打印零件顏色一般是多為灰色或黑色。應用領域：航空航天、醫(yī)療保健、汽車等領域。2、激光近凈成形(LENS)激光近凈成形(LENS)是一種利用激光束將機體金屬熔化后將不同成分、不同性能的金屬粉末送入熔池中熔化的技術。優(yōu)勢：成型效率高。金屬零件的致密度極高，可達100%。進行金屬零件表面噴涂，結合強度高于傳統(tǒng)噴涂和電鍍工藝。可以進行零件表面缺陷的修復。劣勢:零件的成型精度稍低。零件需要后處理才能進一步提高精度。應用領域：航空航天、汽車、船舶等領域。3、光固化成形(SLA3D打印)光固化成形(SLA3D打印)是一種采用紫外波長的激光束對液態(tài)光敏樹脂進行掃描，液體自下而上逐層固化的技術。優(yōu)勢：原材料利用率很高。加工出的實體表面光滑，質量優(yōu)異。劣勢：成本高，可利用的原材料十分有限。打印出的實體在光照下也極易分解。應用領域：航空航天、工業(yè)制造、生物醫(yī)學、大眾消費、藝術等領域。4、粘結劑噴射(BJ)粘結劑噴射(BJ)是一種使用噴墨打印頭將粘結劑噴到粉末里，從而粉末粘合層層疊加的技術。其中，粘結劑噴射(BJ)技術中的砂型/蠟型3D打印技術在應用場景中具備較突出的價值和優(yōu)勢。（后續(xù)章節(jié)詳細描述）優(yōu)勢：可選擇的材料種類很多，并且開發(fā)新材料的過程相對簡單。適合制造一些使用激光或電子束燒結（或熔融）有難度的材料。成型過程中不需要支撐。常適合用于大尺寸的制造和大批量的零件生產。可以得到高精度的零件。劣勢：直接制造金屬或陶瓷材料時的低密度問題。整個制造流程耗時較長。應用領域：航空航天、醫(yī)療、汽車、消費等領域。5、熔融沉積成形(FDM)熔融沉積成形(FDM)是一種通過熔融噴頭將熔融材料熔化后擠出，在特定環(huán)境下和指定位置處完成沉積、冷卻凝固成型的技術。優(yōu)勢：成本低。加工體積小巧。操作簡單。劣勢：凝固成型的實體表面結合處會有明顯的裂紋。結合強度不能保證。應用領域：文化創(chuàng)意、消費、教育、娛樂、醫(yī)療、電子、汽車、建筑等領域。6、材料噴射成形(MJ)材料噴射成形(MJ)是一種使用噴射出液體光聚合物液滴，并在紫外光的照射下固化成型的技術。優(yōu)勢：在不影響構建速度的情況下生產多個零件。零件具有非常光滑的表面，是制作美學原型的理想選擇。可進行全彩色和多材料打印。劣勢：成本較高。打印部件的強度不高。應用領域：醫(yī)療、消費、工業(yè)工具、電子、汽車等領域。7、薄材疊層(LOM)薄材疊層(LOM)是一種使用激光光束對材料層進行輪廓切割從而成型的技術。優(yōu)勢：制造成本低。無需填充材料。產品成型率高。劣勢：表面質量較差。材料利用率很低。應用領域：汽車、機械設備、儀器儀表、醫(yī)療、通訊、制鞋等領域。Chapter 4 ：砂型/蠟型3D打印簡介1.砂型/蠟型3D打印簡介（1）砂型3D打印砂型3D打印技術，是粘結劑噴射(BJ)技術的一種。砂型3D打印的工作原理如圖所示：系統(tǒng)先在工作平臺上鋪一層砂料（預混好固化劑）；噴墨打印頭根據CAD數(shù)據生成的截面形狀在粉床上選擇性地噴出粘結劑（呋喃樹脂），打印出一個截面；工作臺面下降一個層厚（0.2~0.4mm）；系統(tǒng)重復鋪砂、噴粘結劑、下降一個層厚，層層堆疊，全部打印完畢，然后去除未黏結的浮砂，最后得到我們想要的砂型。操作人員只需將鑄型三維數(shù)據導入3D打印機的控制電腦中，系統(tǒng)自帶的軟件會將三維數(shù)據自動切片轉換為二維截面，利用噴墨打印頭打印出粘結劑將砂粒粘接在一起，層層疊加，直接生產砂型/芯。較傳統(tǒng)工藝，一是省略了制模環(huán)節(jié)，縮短了產品生產周期；二是可以直接制作任意復雜形狀的砂型，不受模具加工工藝限制；三是保證了砂型精度。結合合理的澆鑄系統(tǒng)設計，可大幅提高鑄件成品率，降低生產成本。據目前已實施的案例，采用砂型3D打印技術，可以使產品試制周期從3個月縮短至3周，從而大大增加開發(fā)迭代次數(shù)，顯著提高批量生產成品率和質量，整個過程無需人工編程，操作簡單。同時由于目前該技術的成型尺寸最大達到4,000*2,000*1,000mm，對于中小尺寸的砂型一次可以制作幾百上千件，完全可以滿足小批量生產的要求。（2）蠟型3D打印蠟型3D打印設備與砂型3D打印相同，流程及技術相類似，區(qū)別為打印材料選為PMMA（有機玻璃）。在蠟型3D打印完成后，使用熔模鑄造工藝完成結構件的制造。主要流程如圖：2、砂型/蠟型3D打印在應用場景中的優(yōu)勢（1）砂型3D打印給傳統(tǒng)鑄造帶來變革砂型3D打印技術具備了解決鑄造業(yè)轉型升級的優(yōu)勢，適于工業(yè)領域的應用，也更適于實現(xiàn)產業(yè)化應用。砂型3D打印、傳統(tǒng)鑄造流程對比隨著市場競爭和技術進步，采用砂型3D打印技術的成本優(yōu)勢將逐步顯現(xiàn)，在500~1,000件的中小批量鑄件的生產上逐步替代傳統(tǒng)砂鑄工藝。由此將給國內砂鑄行業(yè)帶來深遠的影響，為鑄造行業(yè)提供一套非常有用的工具。砂型3D打印技術的產業(yè)化應用給傳統(tǒng)鑄造帶來顛覆性的變革，鑄件制造棄繁從簡，提質增效，制造過程以人為本，綠色制造，為鑄造行業(yè)的轉型升級提供示范作用，具體為：縮短鑄造生產流程。鑄件工藝直接從三維圖形數(shù)據制造出復雜的砂型，變革了傳統(tǒng)使用模具、制型、造型、合箱的鑄造方法。提高鑄件質量，提升生產效率。此工藝生產的產品精度高，砂型快速一體成形，大幅縮短了產品的研發(fā)和生產周期。設計靈活，節(jié)約成本，降低制造難度。此工藝具有靈活的修改模型設計等優(yōu)勢，對提高產品精度，降低砂鐵比效果突出，特別適用于內部結構復雜鑄件的生產。以人為本，綠色鑄造，智能鑄造。大幅改善鑄造現(xiàn)場環(huán)境，降低工人勞動強度；機器換人，人力成本大幅下降；典型數(shù)字化制造，大幅提高鑄造生產的智能化水平。鑄造3D打印技術的產業(yè)化應用對鑄造行業(yè)的轉型升級、鑄造智能制造及未來鑄造智能工廠的建設將產生變革性的意義，影響深遠。（2）“蠟型3D打印+熔模鑄造”有望解決我國商業(yè)衛(wèi)星輕質結構件“卡脖子”問題我國發(fā)布的“十四五規(guī)劃和2035遠景目標”明確提出“打造全球覆蓋、高效運行的通信、導航、遙感空間基礎設施體系，建設商業(yè)航天發(fā)射場。”商業(yè)衛(wèi)星成為數(shù)字新基建的重要組成部分，發(fā)展前景明確。SpaceX的星鏈計劃預計發(fā)射4萬多顆小衛(wèi)星，組成地球低軌道衛(wèi)星通訊網絡，不僅具有獨特的民用價值，還伴隨無限想象的軍事應用。我國于2021年專門成立了注冊資金達百億的中國衛(wèi)星網絡集團公司，計劃發(fā)射一萬多顆小衛(wèi)星，組建中國自己的“星鏈”。2021年我國共發(fā)射102顆衛(wèi)星（占比7.6%）。根據華泰研究測算未來商業(yè)衛(wèi)星需求，以星座規(guī)模16,451顆衛(wèi)星、組網周期7年為例，對衛(wèi)星發(fā)射需求進行估算，未來七年國內市場對衛(wèi)星的年均需求約為2,350顆，衛(wèi)星產能缺口巨大。航天載荷發(fā)射成本高昂，動輒每公斤近萬美元，結構件占衛(wèi)星整體比重為15%-20%，對于輕量化的需求最為迫切。除選擇輕質材料外，主要依靠計算機輔助的拓撲優(yōu)化/點陣結構等手段，來實現(xiàn)輕量化設計。由于結構復雜，傳統(tǒng)加工手段無法實現(xiàn)，需要依靠3D打印等先進制造技術。目前我國制造該類結構件的技術路線之一是使用金屬直接3D打印技術，該技術路線采用激光對金屬粉末進行點狀燒結的方式，單機生產效率難以提升，由于成品率低導致的不能按時交付的情況屢屢出現(xiàn)，甚至大幅延長衛(wèi)星生產周期，無法滿足航班化發(fā)射的要求。以隸屬于中國航天科技集團公司的中國空間技術研究院（航天五院）為例，受結構件生產效率限制，目前小衛(wèi)星生產能力遠不能滿足每年1,000+以上的發(fā)射需求。另外，由于金屬直接3D打印技術路線的原理性限制，存在尺寸小（不大于800mm*800mm）的問題，商業(yè)衛(wèi)星的大尺寸結構件生產成本居高不下。在此背景下，國內有望解決商業(yè)衛(wèi)星“卡脖子”問題的3D打印公司加速崛起，其中包括湖州美邁科技有限公司、康碩電氣集團有限公司和共享裝備股份有限公司。
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