1、目錄第1頁，共29頁。1.概述3D打印技術的核心思想最早起源于19世紀末的美國，當時進行的是照相雕塑和地貌成型技術研究。到20世紀80年代中期已有雛形，1986年美國人Charles Hull發(fā)明了第一臺 3D 打印機。3D打印這個名詞也是由麻省理工學院在1995年創(chuàng)造的。我國從1991年開始研究3D打印技術。90年代末期，大家開始研究金屬材料快速成形技術，但難度很大。2000年前后，這些工藝從實驗室研究逐步向工程化、產品化轉化。當時叫快速原型技術（RP），即開發(fā)樣品之前的實物模型?，F(xiàn)在也有叫快速成型技術，增材制造。但為便于公眾接受，把這種新技術統(tǒng)稱為 3D 打印。2012年4月，英國經濟學人

2、刊文認為，3D打印技術將與其他數(shù)字化生產模式一起，推動第三次工業(yè)革命的實現(xiàn)。背景第2頁，共29頁。1.1 涵義及原理3D打印技術是指由數(shù)字模型（CAD）直接驅動的，運用金屬、塑料、陶瓷、樹脂、蠟、紙、砂等可粘合材料，在快速成形設備里通過逐層疊加的方式來構造物理實體的技術。什么是3D打印技術？涉及領域第3頁，共29頁。不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成形材料不同，成形原理和系統(tǒng)特點也各有不同。但都是基于離散堆積原理分層制造，逐層疊加?；驹砘玖鞒痰?頁，共29頁。1.2 組成第5頁，共29頁。3D打印機是3D打印的核心裝備。它是一種利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置。它與普通打印機工作原理基

3、本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。3D打印機3D打印材料基本上可以分為高分子材料和金屬材料兩大類。高分子材料如光敏樹脂、ABS、PC、尼龍粉、石膏粉、蠟等是打印主力材料；金屬材料受工藝及自身特性局限，應用并不廣泛。打印材料第6頁，共29頁。1.3 類型3D打印有很多種工藝，如直接金屬激光燒結（DMLS）、數(shù)字光處理（DLP）、熔絲制造(FFF）、融化壓膜（MEM）、分層實體制造（LOM）、電子束熔化成型（EBM）、選擇性熱燒結（SHS）、粉末層3D打?。≒P）等等。 打印紫外光照射固化的液體，精度

4、可以達到每層厚度 (0.050.15) mm。在高強度激光照射下將粉末材料燒結在一起形成物體截面。將高溫熔化成液態(tài)的材料通過噴嘴擠壓出一個個很小的球狀顆粒， 這些顆粒噴出后立刻固化并逐層形成物體。用激光切割一個薄層，然后一層層疊加。第7頁，共29頁。1.4 特點及適用場合3D打印技術處理的是計算機模型，人們能設計出全新的形狀而不用考慮制造上可能存在的局限性；它無需機械加工或制造出任何磨具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成零件；可縮短產品研制周期與加工流程，提高生產率；可提高材料利用率，降低成本；還可以通過不同的定制，滿足人們個性化需求。3D打印是以數(shù)字化、網(wǎng)絡化為基礎，以個性化、短流程為特征，實

5、現(xiàn)直接制造、桌邊制造和批量定制。優(yōu)點適用場合3D打印技術特別適用于單件小批量生產，形狀復雜，多層嵌套和具有空腔結構的零件或物體的制造。第8頁，共29頁。1.5 應用領域近年來，3D打印技術發(fā)展迅速，在各領域都取得了長足發(fā)展，已成為現(xiàn)代模型模具和零部件制造的有效手段。目前主要應用于汽車、航天軍工、家電、船舶、醫(yī)療、影視、食品、創(chuàng)意等領域。第9頁，共29頁。2011年，英國科學家利用3D打印技術打印了一輛可以騎行的自行車，這輛尼龍自行車重量只有普通鋼鋁自行車的1/3，但堅固度毫不遜色。2011年底，英國南安普頓大學打印了一架翼展2米、最高時速可達160公里的無人駕駛小飛機。蘇格蘭科學家使用人類細胞

6、打印出了世界上第一個人造肝臟組織。第10頁，共29頁。西北工業(yè)大學凝固技術國家重點試驗室可一次打印超過5m的鈦合金飛機部件,2014年投產的國產客機C919制造翼梁。殲-15主承力整體框等很多部件就是鈦合金和M100鋼3D打印的，目前中國先進戰(zhàn)斗機上3D打印部件所占比例已超20%。國產客機C919制造翼梁殲15戰(zhàn)斗機第11頁，共29頁。巧克力茶杯第12頁，共29頁。2.典型技術分析把材料用高溫熔化成熔融狀態(tài)，然后通過細小的噴嘴擠壓并排列填充出一個截面，一層一層截面在堆疊起來形成三維實物。2.1 熔融沉積成型FDM基本原理特點優(yōu)點：成型機結構簡單，成本低，材料廣泛，強度較高，可以彩色成型，無環(huán)境

7、污染；缺點：成型的精度稍差，成型表面較粗糙，操作溫度較高。打印材料通常為熱縮性高分子，如ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯等。第13頁，共29頁。FDM工藝的主要技術指標是原型精度和成型時間。影響精度誤差的原因主要有以下幾方面：技術指標為了獲得高精度的FDM原型, 一方面要通過試驗研究FDM工藝的參數(shù)優(yōu)化；另一方面就是在加工前數(shù)據(jù)處理時要給予精確的補償。通過大量研究及實驗驗證，可知影響原型精度和成型時間的最主要的因素有以下幾種：第14頁，共29頁。原材料的變化噴頭結構成形過程中的層差為提高精度，應減小材料的收縮率，最基本的方法是設計時考慮收縮量進行尺寸補償?？筛臑槁輻U結構，或電磁閥式結構。

8、試驗表明，基于分形掃描的路徑可以減少層層之間應力，從而減少層差。擠出速度填充速度擠出速度和填充速度越快，成型時間越短。為了保證連續(xù)平穩(wěn)地出絲，需要將擠出速度和填充速度進行合理匹配。第15頁，共29頁。影響因素影響說明分層厚度噴嘴直徑分層厚度較小、噴絲較細時，原型精會較高，但成型時間較長。為保證上下層牢固粘結，分層厚度需小于噴嘴直徑。噴頭溫度環(huán)境溫度影響成形件的熱應力大小。如噴頭溫度太低 , 則材料粘度加大，造成噴嘴堵塞，材料層間粘結強度降低。為了順利成形，應該把成形室的溫度設定為比擠出絲的熔點溫度低 12。理想輪廓線的補償量理想輪廓補償量設置不合理直接影響成形件的尺寸和幾何精度。應依據(jù)擠出絲截

9、面的寬度來進行補償。第16頁，共29頁。2.2 選擇性激光燒結SLS工藝參數(shù)與成形質量之間的關系是SLS技術的研究熱點，國內對此進行了大量的研究。而由于燒結過程的復雜性，進行實時觀察比較困難，因此，人們?yōu)榱烁玫睦斫鉄Y過程，對燒結過程也進行了一定量的研究?；驹硐劝逊勰┎牧箱伜茫儆酶邚姸鹊募t外激光掃描，將零件截面內的粉末燒結在一起，通過一層一層燒結，最終成型。特點優(yōu)點：成型材料十分廣泛，加工速度快，且無需使用支撐材料，打印物體結實；缺點：成型產品表面較粗糙，需后處理。主要是金屬粉末、陶瓷、石蠟、塑料以及它們的復合粉末等打印材料第17頁，共29頁?；玖鞒痰?8頁，共29頁。3.打印材料的

10、制備目前3D打印材料主要類型是塑料，液態(tài)樹脂和金屬粉末。在家用領域，有石膏、光敏樹脂、塑料等；在工業(yè)應用中，適用的金屬材料只有10余種。在航空航天等隱性材料上，打印材料逐漸向碳化硅復合材料、高介電陶瓷等超穎材料發(fā)展。此外納米材料在3D打印技術中也有很大的優(yōu)勢。3D打印金屬材料主要用的韌性好的不銹鋼和鈦合金。打印材料有哪些？第19頁，共29頁。3.1 高分子粉末材料的制備高分子材料具有粘彈性，在常溫下粉碎時，產生的粉碎熱會增加其粘彈性，使粉碎困難，同時被粉碎的粒子還會重新粘合而使粉碎效率降低，甚至會出現(xiàn)熔融拉絲現(xiàn)象，因此不能用常規(guī)粉碎法。低溫粉碎法基本原理：在低溫下高分子材料有一脆化溫度Tb，當

11、溫度低于Tb時，物料變脆，有利于采用沖擊式粉碎方式進行粉碎。低溫粉碎法正是利用高分子材料的這種低溫脆性來制備粉末材料的。適用材料：常見的高分子材料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚酯等都可采用低溫粉碎法制備粉末材料。制備微米級高分子粉末方法溶劑沉淀法低溫粉碎法第20頁，共29頁。制備高分子粉末材料時，首先將原料冷凍至液氮溫度（-196），將粉碎機內部溫度保持在合適的低溫狀態(tài)，加入冷凍好的原料進行粉碎。粉碎溫度越低，粉碎效率越高，制得的粉末粒徑越小，但制冷劑消耗量大?？筛鶕?jù)原料性質而定，對于脆性較大的原料如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯類，粉碎溫度可以高一些，而對韌性較好的原料如聚碳酸酯

12、、尼龍、ABS 等則應保持較低的溫度。粉碎溫度的確定低溫粉碎法工藝較簡單，能連續(xù)化生產；但需專用深冷設備，投資大，能量消耗大。而且制備的粉末顆粒形狀不規(guī)則，粒度分布較寬。特點第21頁，共29頁?；驹恚喝軇┏恋矸ㄊ菍⒕酆衔锶芙庠谶m當?shù)娜軇┲?，然后采用改變溫度或加入第二種非溶劑等方法使聚合物以粉末狀沉淀出來。適用材料：特別適合于具有低溫柔韌性的高分子材料，這類材料較難低溫粉碎，細粉收率很低，如尼龍。溶劑沉淀法尼龍 12 粉末制備工藝制備的粉末微粒形狀接近于球形，可以通過控制工藝條件生產出所需細度的粉末。一般來說，溶劑的用量越大，粉末粒徑越小。第22頁，共29頁。3.2 金屬粉末的制備機械研磨法

13、利用金屬顆粒在不同應變速率下因產生變形而破碎細化的機理。 其優(yōu)點是對物料的選擇性不強可以進行多種金屬及合金的粉末制備。氣流粉碎是利用氣流的能量使物料顆粒發(fā)生相互碰撞或與固定板碰撞而粉碎。適用于脆性金屬及其氧化物粉末的制備，工藝成熟，但在金屬粉末的生產過程中消耗大量的惰性氣體或氮氣 。第23頁，共29頁。霧化法將作為芯核顆粒的金屬(或合金) 非金屬、陶瓷粉末與另一種熔融的金屬或合金熔體混合熔體用高速流體(通常用水空氣氬氣等)對其進行霧化制得金屬粉末和復合粉末。機械合金化是通過兩種或兩種以上的金屬或非金屬粉體的球磨在固態(tài)下完成固相反應和相變獲得細晶合金粉體 目前機械合金化廣泛用于制備納米晶準晶金屬

14、間化合物和非晶合金等亞穩(wěn)材料?；瘜W氣相沉積是在熱、光和等離子體等的激活和驅動下使氣態(tài)物質在氣相或氣固界面上發(fā)生化學反應 從而制得穩(wěn)定固態(tài)沉積物。溶膠凝膠法用于超細粉體表面包覆粒子的制備，包覆用溶膠的制備和包覆層的制備。將所需包覆的顆粒分散于所制備的溶膠中，再在一定的反應條件下完成凝膠化即可在顆粒表面形成所需的包覆層。第24頁，共29頁。4.總結3D打印技術雖然在近20年發(fā)展非常迅速，但是目前還有許多困難。發(fā)展瓶頸第25頁，共29頁。3D打印設備將會朝著智能化、快速化、精密化、通用化方向發(fā)展，這將對打印速度與精度提出更高的要求，同時對于多學科、多機構的協(xié)調與創(chuàng)新提出一定的要求。打印材料將會從樹脂

15、到金屬材料，再到陶瓷材料，直到生物活性材料發(fā)展。技術應用將從快速原型，過渡到產品開發(fā)，再到形狀復雜，小批量制造階段發(fā)展。制造對象也將向日常消費品制造，生物制造，功能件制造如飛機的起落架等復雜零件，個性化制造方向發(fā)展。即3D打印技術將朝著成本低廉，零件適應性廣，材料適應性廣的方向發(fā)展，并且在打印速度和打印質量方面有很大的提高。發(fā)展方向第26頁，共29頁。參考文獻1 Jack G. Zhou, Daniel, Calvin C. Chen. Parametric Process Optimization to Improve the Accuracy of Rapid Prototyped Ste

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