3D打印研究报告

关于AM和3D打印的介绍

1S0/ASTM52900 术语窃过 andard 将快速成型制造定义为10111111111g mate rials 来制造零件的过程，通常是层层叠加，而不是子廿主动和成型制造方法。 历史上的术语包括快速成型、快速成型、快速成型工艺、快速成型技术、快速成型层制造、层状制造、层状制造、固体自由成型、快速成型等。

在这个充满活力的行业中，术语的演变速度很快。在ISO/ASTM 52900标准中，3D打印被定义为使用打印头、喷嘴或其他打印机技术，通过材料的沉积来制造物体。该术语经常被用于非技术性的语境中syr10nyrnously withl1additive manufa cttiring，并已成为了一个非技术性的术语。
术语，是指该技术的标准术语。然而，快速成型制造和3D打印的含义相同，在本报告中可以互换使用。

2020年3月，在谷歌上搜索 "Additive manufactzll'ing "产生了近8500万次引用。同时，3D打印这个词产生了6.73亿次，而3D打印（带连字符）则产生了24.3亿次引用。这些结果说明了一个词比另一个词更受欢迎。前夜，AM的使用范围不断扩大，部分原因是它强调了该技术如何生产真正的终端产品。

AM被用于塑料、金属、陶瓷、玻璃、复合材料和生物材料等领域的物理模型、原型、图案、模具和生产设备。

AM包含了ISO/ASTM 52900标准中定义的七个不同的过程。可以通过挤压、喷射、光固化、光固化、层压、喷塑或热熔材料等方式逐层制造出样品。这些材料和工艺在本报告的PAT2中进行了描述。

设计和制造机构在消费、工业、医疗和军事等领域的产品中使用AM零件。汽车手机、飞机、电动工具、手持式电子电器和电子电器的零部件。

医疗设备只是从AM技术中获益的一长串产品的开始。

作为快速产品开发的工具，AM技术可以缩短产品上市时间，提高产品质量，降低成本。使用AM技术的快速产品迭代可以简化和加快产品的开发过程。作为一个可视化的工具，AM流程可以帮助企业减少向市场交付有缺陷或错误产品的可能性。模型允许公司从客户、客户和其他方面获得早期反馈。

AM在模具方面的应用也在发展，早期的努力主要集中在全模具的快速交付，如注塑模具，但大多数都失败了。最近的发展主要集中在利用AM来提高注塑模具的性能，并增加了保形冷却通道。其他的努力主要集中在利用AM来生产出
制造和装配工具，如夹具、夹具、夹具、量具、钻头和切割导轨等。

AM正在对一些公司的产品生产方式产生重大影响。大公司和小公司都成功地将该技术应用到了成品生产中。Wohlers Associates相信，这种实践面11将成为AM技术最大和最重要的应用。在未来，它对制造业的影响很可能比任何其他技术都要大。

经过三十多年的研究、开发和使用AM的研究、开发和使用，随着新技术、metl1ods、材料、应用、工作流程和商业模式的不断扩展，AM的产业链也在不断扩大。越来越多的工业部门和地理区域都在拥抱AM。预计未来它的影响将变得更加重要。

2020年3月，默克公司与Additive Ma nufactu ring Custo mized Machines公司签订了合作协议。
pal甘1ered开发了一种PBF系统，用于印制药片形式的药丸，该系统将支持药品的生产，同时加快其发展。


行业

25年来，Wohlers Asso ciates公司在编写本年度报告的过程中，向行业内部人士、机器和材料生产商、服务供应商和其他人士征求意见。从这些来源获得的信息的广度和深度使我们能够跟踪AM行业的发展，估计其规模并预测未来的发展。在AM行业中，没有任何其他来源能在多年收集和分析数据的基础上提供如此多的信息和细节。我们非常感谢过去二十五年来无数人和机构提供的信息。

在这一期的调查报告中，全球129家服务供应商对详细的调查问卷进行了回答。此外，11家工业AM系统制造商（售价在5000美元以上的制造商）和40家第三方材料和桌面3D打印机的生产商也做出了回应。这些广泛的数据被用于本报告和其他部分。这些公司提供的信息是基于对其客户的了解，估计有15万以上的AM用户。总共有283家公司参与了调查。
回应我们的SM71eys对本期Repo rt。2019年版的数据由228家公司提供，2018年版的数据为175家。

在1 29家企业中，有50家来自美国，14家来自德国，8家来自印度，6家来自意大利，5家来自瑞典。加拿大、瑞士和英国各4家，澳大利亚、比利时、法国和新西兰各3家。中国、捷克、Denmar k、Is rae l、非洲南部、西班牙和土耳其各2名。奥地利、匈牙利、爱尔兰、菲律宾、葡萄牙、沙特阿拉伯、韩国和台湾各1家。

参会的114家系统制造商中，美国25家，中国11家，德国10家，意大利8家，奥地利7家。加拿大、法国、以色列、波兰、韩国、瑞典、土耳其和英国各3名。丹麦、俄罗斯和台湾各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。


调查要求每家公司说明他们所服务的行业，以及他们从每个行业获得的大概收入（占比）。下面的柱形图显示了结果。领先的工业领域是汽车，其次是消费品/电子和航空航天。其他 "类别包括了广泛的行业，如采矿、化工、水处理、木材/石油等行业，以及其他不属于指定类别的行业。

費品/電子產品的種類繁多，包括手機、家電、家用電器、電器、手工具、玩具等。这些行业通常会大量生产零部件，产品的生命周期相对较短。AM通过支持这些行业的企业快速设计迭代和优化，加快了产品的开发速度。AM公司还为高复杂度、低产量和大规模定制化的新产品提供支持。



Olaf Diegel和Avid产品开发公司提供的使用聚合物PBF生产的Wohlers Associates定制笔的设计。
汽车工业在1980年代后期商业化后不久就对AM进行了投资。它主要用于概念设计和有限的原型设计。汽车公司继续广泛使用AM技术进行设计验证、配合和功能测试以及某些类型的模具制造。主流汽车的量产通常对大多数零件的批量生产来说太高了，尽管宝马、布加迪和福特等公司也开始出现了一些例外。

宝马在其i8 Roadster车型上使用了一个印有30的车窗导轨，用于量产。如下图所示，该零件是在HP（Multi Jet Fusion）MJF系统上用尼龙材料制成的Mamtfachired。这个AM零件代表了宝马在10年内生产的第100万个零件。戴姆勒卡车公司为其大型卡车生产AM公司生产的备件，也体现在以下几个方面。

车窗导轨（左图），宝马公司提供；风道（右上图）和用PA12激光烧结技术制造的修复控制单元部件（右下图），戴姆勒公司提供。




医疗行业采用了AM技术进行外科手术。

功能原型一般是指工程师用来测试形状、配合和功能的模型。这些模型有助于消除工程图纸和CAD模型的模糊性和不确定性，通过对装配体及其使用的物理性的反思，帮助消除工程图纸和CAD模型的不确定性。通常情况下，这些模型可以帮助验证设计，并在生产贴片之前确定公差、干涉和孔的对齐问题。在早期阶段发现这些问题，可以节省数千甚至数百万美元的重新设计、模具成本和报废费用。










电机外壳的功能原型，由CRP Meccanica公司提供。
多年来，制作原型模具的母模图案一直是AM系统的一个重要应用。将硅橡胶浇注在AM母模上，形成一个软工具，然后用它来铸造多个聚氨酯零件。浇注过程中使用的是双派热固性树脂，它模仿了注塑成型的热塑性塑料的特性。
硅橡胶模具和聚氨酯铸造，又称真空铸造。
铸造，几十年来一直被用于生产原型、预生产，甚至是生产零件的小批量生产。一个硅橡胶模具可以浇注25-50个零件，但实际数量取决于零件的特性。






硅橡胶模具和铸造聚氨酯部件，由Reynolds Advanced Materials公司提供。
AM也可用于生产金属零件的投资铸造图案。这就省去了昂贵而耗时的蜡型模具。多种AM材料可以熔化或烧制出陶瓷外壳，用于投资铸造工艺。这项技术已经成为珠宝行业的一大特色。

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铸造金属件，由3D打印彩绘公司提供。
AM工艺也能生产出用于砂型铸造的模具和型芯。多年来，福特公司一直在使用AM砂模铸造原型车、汽车零部件和制动部件。金属铸造工艺在wohlersassociates.com/castmetal2020.pdf上有详细说明。

大型金属铸造用的30印砂芯，由ExOne公司提供。

金属AM工艺可用于生产模具，如模具内的模具，其优点之一是在模具或刀片内形成保形冷却槽。保形冷却槽比直孔冷却槽能更快、更有效地去除模具中的热量。

通道。这样可以缩短成型周期，延长模具寿命。与传统的冷却通道不同，这些通道可以直接设计和印刷到模具中。利用保形槽优化冷却，还可以提高零件质量。

复杂的模具嵌件（右）与显示内部保形冷却道的CAD数据（左），由雷尼绍提供
AM工艺也可用于生产许多其他类型的工具。
包括夹具、夹具、固定件、模板、量具、钻头和切割工具。由于这些工具通常是小批量生产的，因此AM是自然而然地适合这些应用。此外，使用传统的方法和材料生产这些工具可能会很昂贵，也很耗时。在医疗切割和钻孔工具的情况下，这些零件都是按照有机的轮廓，用传统的方法和材料来精确生产。


由AM公司提供的定制化种植牙钻孔导板，由think3D公司提供。
增长最快，也可以说是AM的最有趣的应用是最终部件制造。GE航空公司正在使用金属AM来帮助LEAP发动机每年制造数万个燃料喷嘴。2018年10月，该公司以这种方式生产的第30,000个燃油喷嘴已经出厂。GE公司的Avio Aero公司正在使用金属AM制造铝化钛合金的低压tltrbine叶片，和rbus公司已经制造了数千种塑料支架、夹子和夹子，以及使用pol)''lner AM的固定装置，现在正在认证用于飞行的金属设计。

在美国国家空间站上成功地测试了一台Mater ialex甘us1011(MEX)3D打印机后，NASA和欧洲航天局正在研究金属AM在太空中的应用。一些打印食品，如糖果等的3D p门打印机正在开发中，并开始进入市场。3D生物打印也是一个快速发展的领域。目前在3D打印活体组织的研究中，设想了一个从病人自身细胞中制造出身体部位，甚至可能是整个器官的fuhire。


用于打印活体组织的BioAsse mblyBot由Advanced Solutions提供

访问wohl ersassociates.com/ applications2020.pdf，可以找到更多的AM应用。请输入 "wohlers "作为密码。这31页的文件是专为本报告的读者制作的，没有在其他地方发布。

按国家分列的安装情况

下面的柱形图按百分比估计了世界各国安装的工业级AM系统。这些估计是自技术诞生以来到2019年的累计总数。在估算中不包括二手系统的销售量，因此机器不会被多次计算在内。许多AM系统的制造商慷慨地提供了用于提供这些信息的数据。

个性化程度的提高在医疗领域具有很大的潜力。每个人的身体都是不同的，但目前大多数医疗设备都是以标准尺寸生产的。经过多年的发展，在 "个人化 "方面已经取得了进展。它从医学影像的解剖学模型开始，并不断发展。与个性化相关的关键AM应用包括解剖学建模、虚拟手术计划和模板化、患者特定植入物等。邁向以醫院為基礎的製造業，也稱之為 "甘氏製造"。
护理点制造，也正在兴起。
令人惊讶的是，一些最早采用AM的人是外科医生。当需要修复骨骼或更换身体的关节时，他们经常会面临复杂的解剖学问题，需要在手术中解决问题。在这种解决问题的活动中，使用AM的解剖学建模被证明是一个重要的资产。Anatomicmodeling从使用计算机断层扫描(CT)、锥束计算机断层扫描(CBCT)、磁共振成像(MRI)等体积医学影像学建模开始。这些计算机断层扫描技术都能产生较小的断面图像，可以叠加形成三维图像。
CT和CBCT最常用于骨质结构的可视化。而MRI则是区分各种软组织的首选，如心脏、大脑、前列腺等。更多关于医学老化过程的信息，请参见wohIe rsasso ciates.com/medical2020.pdf。
医学上的解剖学模型，可以在将原始影像数据转化为更适合的三维模型，通常是STL或OBJ。根据外科医生的说法，这些模型可用于手术前和手术期间。
-支持在手术前更好地显示复杂解剖结构的可视化。
-帮助在进入手术前更好地准备手术方案
-允许在模型上对手术过程进行物理模拟，以完善手术计划。
-让整个手术团队更有信心
-在手术过程中提供参考指南，帮助进一步了解解剖学，并帮助医生在手术过程中找到自己的位置。
-提供直观的辅助工具，使患者能够更好地了解自己的解剖结构和疾病，从而提高手术的知情同意度。
解剖模型在全世界范围内被外科医生用于许多领域，包括骨科、神经外科、脊柱、口腔和颌面、整形、颅面、耳鼻喉科、贲门和泌尿科等。从医学影像学数据中得到的解剖学AM模型的特点，其复杂性和定义各不相同。它们的范围从单一材料、单色模型到极其复杂的材料和颜色范围。材料能力的biomimic1y吸引了巨大的兴趣。它们允许在许多不同领域工作的医生创造出解剖学复制品，不仅看起来很好，而且感觉也很好。几种生物相容性的AM材料都是可用的，只要在手术室中进行适当的处理就可以使用。
虚拟手术规划和模板化（VST）是AM在医学上的另一个重要应用。它的基础是在计算机上准确规划手术，然后将该计划转移到手术室。通过使用AM来制作GI.1ides、模板和模型来辅助计划的传输。大多数VST技术最初是在2000年代发展起来的，并有matt1red成规划和gi.1idance为1）矫正性截骨术，2）肿瘤切除和替换面小a''''嫁接 "和3）全关节置换。

矫正截骨术是先天性骨畸形，或意外事故导致骨愈合不正常时，需要进行矫正截骨术。矫正畸形的外科手术包括切割骨骼，将其放回一个比较正常的位置。通常情况下，用金属板和螺丝钉将其固定在适当的位置。所需的骨骼运动可能很难在3D中可视化。VST有助于简化和使这一任务更可预测，因为它允许外科医生在计算机上预先规划切割。