大型多喷头列阵熔融沉积“3D打印”设备与产业化

（1）项目来源

黑龙江科技大学。

（2）项目依托单位实力概述

项目依托单位黑龙江科技大学现代制造工程中心/“3D制造”研究院。

现代制造工程中心/“3D制造”研究院与2005年成立，下设四个研究所，即：粉末先进技术及装备研究所、逆向测量技术及装备研究所、高速精密加工与检测研究所和煤矿智能结构域智能系统研究所，还拥有数控加工基地，设备资产超过5000万元。

经过多年的积累，凝练和形成了“快速制造集成技术及装备”科研体系。先后完成和承担国家重大863计划项目、国家科技重大专项、国家自然科学基金项目、黑龙江省自然科学基金重点项目、教育部重点项目、黑龙江省教育厅振兴老工业基地重大项目、哈尔滨市产业化重大项目等。受理授权国家发明专利39项，其中授权16项。中心的三维测量方向、快速成形方向和高速精密加工方向在国内处于领先水平。研发的具有完全自主知识产权的系列结构光面扫描三维测量设备已经实现产业化，累计销售105台套，并在国防、航空航天、发电、汽车、教育教学等领域的100多个单位得到应用。研发的金属“3D打印”设备和熔融沉积“3D打印”已经商品化和产业化，整体水平国内领先。先后获得教育部科技进步一等奖、黑龙江省技术发明一等奖、中国机械工业科学技术一等奖、黑龙江省科技进步二等奖和黑龙江省青年科技奖。

已形成国防、航空服务特色，是全国高校具有航空发动机关键零件叶轮批量生产能力的两所高校之一，也是全国高校唯一一家直升机批量生产合格产品供应商，曾三次获得哈尔滨飞机工业集团有限公司合格供应商质量金牌荣誉。创造直接和间接经济效益超过5.95亿元，显著提升了学校的社会声誉。

（3）基础条件及创新发展能力

2008年，现代制造工程中心/“3D制造”研究院成立了粉末先进成形技术及装备研究所，专门从事“3D打印”的科研与社会服务工作，现有科研人员8人，辅助人员2人，研究所占地面积360平方米。在研发成功系列金属激光烧结“3D打印”设备基础上，又研发成功了系列熔融沉积“3D打印”机，有ZM-FDM、CZM-FDM和ZD-FDM三大类产品，分桌面级到工业级，成形尺寸从直径170mm×高210mm、直径270mm×高300mm、直径270mm ×高380mm到直径500mm×高1100mm（3个喷头），其中尺寸500mm×1100mm并联机构“3D打印”机为国内成形空间之最，填补了国内空白（见下图），并实现了产业化，设备销往香港理工大学、北京航空航天大学、华中科技大学、哈尔滨工程大学、哈尔滨理工大学、东北林业大学、黑龙江省机械科学研究院、哈尔滨安龙迪环保有限公司、沈阳巨子模具有限公司、浙江圣泓工业创意有限公司等单位。

科研人员在打印机构杆长机构综合分析、打印轨迹数值模拟和优化、新型挤丝机的设计与制造、喷头的优化设计与与制造、快速打印运动学与动力学分析等方面开展了大量的研究工作。下一步的重点工作是：继续提高打印质量，特别是提高打印速度和设备的稳定性，并把设备推广到更多的应用领域，如：大型打印设备用于生产现场的铸造、雕塑艺术品的成形、打印塑料件的直接使用等。根据国防和航空航天领域的需要，研发更大成形尺寸的打印机，为提高打印工作效率研发列阵多喷头成形机。受理的发明专利为：

Ø 金属激光烧结（3D打印）快速逐层检测技术；

Ø 熔融沉积法“3D打印”温度控制调平一体化方法；

Ø 熔融沉积混料彩色“3D打印”关键技术与方法；

Ø 双并联机构熔融沉积高速“3D打印”轨迹实现方法。

（4）技术水平

黑龙江科技大学的“3D打印”起步较早，是目前我省唯一一家设计生产销售系列并联机构熔融沉积“3D打印”机（FDM）的单位，整体技术水平省内领先，国内先进，特别是大型“3D打印”机成形空间国内最大，填补了国内空白，这些工作为大型多喷头列阵“3D打印”机的产业化工作奠定了很好的基础。首先，在原有基础上，进行大型多喷头列阵“3D打印”机方案的确定，论证合适的成形空间尺寸、列阵的喷头数量和布置形式，做结构设计（足够的刚度和稳定性）和控制系统设计（关键是同步）。然后，通过机构综合确定打印杆长，检验控制系统，编制多喷头列阵打印软件，确定辅助功能等。再次，做打印轨迹实验，控制系统实验，多喷头打印实验，快速打印实验，分析打印动载荷，找出打印振动规律等，并提出改进意见。最后，确定方案，组装调试，做整体性实验。大型工业级打印设备在工业领域应用前景广阔，并联机构多喷头列阵打印的目的是继续大幅度提高工作效率。由于打印机已经产业化，现有大型打印机技术较为成熟，现场已经得到应用，通过进一步提高完善，有望扩大市场占有率。

多喷头列阵及相应软件、高速打印动载荷的抑制、打印过程振动的消除技术是本项目的创新之处。

（5）经济效益和市场前景分析

熔融沉积 “3D打印”机（FDM）是技术较为成熟和最具发展潜力的机型之一，应用广泛。

目前，我校的系列并联机构熔融沉积 “3D打印”机已经产品化，开始走向产业化，已经在香港、黑龙江、北京、武汉、杭州、西安、沈阳等地销售，产生了一定的社会影响。中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军预测，中国3D打印市场有望三年内增至100亿人民币，实现每年至少一倍的增长。熔融沉积 “3D打印”机可应在工业设计创意、产品设计验证、模型制作或仿制、动漫、玩具、考古、生物医学、教育教学、直接制作工业级零部件等等，用途相关广泛，估计可以产生超过10亿元的经济效益。

目前，有两类熔融沉积 “3D打印”机型需求最大。一是高稳定性、低沉本桌面级打印机，市场要求既要好使，又要低成本，满足这些要求不是很容易的事，因此，我们提出 “模块化、傻瓜型、保可靠” 这样一条发展原则。2015年，在习近平主席的关怀下，有超过十万台的熔融沉积 “3D打印”设备将进入中小学，这是一个很好的市场机遇。二是大型高速工业级熔融沉积 “3D打印”机，企业需求很大，可以与传统的铸造技术较为完美结合。目前最大的问题是打印速度不能满足企业需求，因此，在保证打印质量的前提下，把打印速度提高1-2倍是当务之急。这里要解决的问题会很多，如：高速打印的动载荷消除问题，打印过程的振动抑制、精细控制等。

（6）社会效益

“3D打印”技术的发展远远超出人们的预期，已经深入到国民经济和日常生活的方方面面，彰显出巨大的发展潜力。作为战略技术，它必将对我国未来航空航天事业的发展、赶超国际先进水平产生巨大的推动作用，是不可或缺的，甚至是不可替代的，是百年大计。作为战略性新兴产业可以带动上中下游整个产业链条的发展，如：上游的打印用铝合金、钛合金、高分子材料研发与应用、大功率高性能激光器的研制——中游的金属激光烧结设备、选择性高分子激光烧结设备、熔融沉积设备和金属激光融覆设备的发展与应用——下游的国防、航空航天航海、能源动力、生物医学、模具与铸造等工业领域等等，进而创造巨大的经济与社会效益。熔融沉积 “3D打印”技术与其他形式的打印技术形成合力共同推动我国“3D打印”产业的发展和助推我省装备制造业的振兴。

（7）产品产业化能力

产品产业化需要关注一是技术，二是市场。

黑龙江科技大学现代制造工程中心/“3D制造”研究院的运作模式如同企业，拥有超过5000万元的国内一流水平的数控加工与测量装备，获得了ISO9001质量管理体系认证和GJB9001B军队质量管理体系认证，从2004年起，一直为哈飞、东安发动机、汽轮机厂、北京＊＊＊研究所等企业服务，生产国防、航空航天航海产品，积累了较为丰富的生产和管理经验，曾3次荣获哈飞公司合格供应商质量金牌；另一方面，研发的具有自主知识产权的具有国际先进水平的系列三维扫描测量系统（包括设备、软件、标准、精度检测装置等）已经产业化，外销105台套，产生了较为广泛的社会影响，具备了一定的市场能力。目前，现代制造工程中心/“3D制造”研究院与哈尔滨鹰瑞达科技开发有限公司密切合作，产学研相结合，共同致力于系列熔融沉积 “3D打印”机的技术研发和贮备以及产业化运作。学校做技术，公司做市场，两者结合，相得益彰。前景看好。

黑龙江科技大学具有每年生产800-1000台几种型号的并联机构熔融沉积 “3D打印”机的能力，特别是生产大型工业级打印机的生产能力，可以创造超过3000万元/年的经济效益。

目前，超大型（成形尺寸超过3000米）熔融沉积 “3D打印”机在航天和铸造领域有需求，这也是科研人员的研发动力，可以以此为契机，推动“3D打印”产业的发展，赶超国际先进水平。