增材制造工藝與應(yīng)用任務(wù)1認(rèn)識增材制造設(shè)備及原理項目1增材制造設(shè)備基本操作4分組討論3新課講授2任務(wù)描述1教學(xué)目標(biāo)目錄教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)：技能目標(biāo)：素質(zhì)目標(biāo)：1、認(rèn)識常用增材制造設(shè)備；2、理解增材制造設(shè)備的工藝原理。了解增材制造技術(shù)的前沿發(fā)展，具備將新技術(shù)與設(shè)備結(jié)合的初步探索能

力。使學(xué)生養(yǎng)成安全使用設(shè)備和工具的良好職業(yè)習(xí)慣。任務(wù)描述任務(wù)描述內(nèi)容：

從1988年世界上第一臺快速成型機(jī)問世以來，增材制造技術(shù)的工藝方法目前已有十余種。在目前所有的增材制造工藝方法中，光固化成型法(SLA)、激光選區(qū)燒結(jié)法(SLS)、熔融沉積法(FDM)得到了世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，而不同工藝、不同廠家、不同結(jié)構(gòu)的增材設(shè)備種類多達(dá)數(shù)百種。對于一臺全新的增材制造設(shè)備，應(yīng)快速了解其主要技術(shù)參數(shù)。通過對增材制造設(shè)備結(jié)構(gòu)的近距離觀察、打印過程的演示及老師的講解，了解不同增材制造設(shè)備的工藝原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠觸類旁通的分析出該設(shè)備所能成型的原材料種類，以及該設(shè)備的常用應(yīng)用領(lǐng)域。1、認(rèn)識FDM增材制造設(shè)備工作原理：FDM（FusedDepositionModeling）國內(nèi)翻譯為熔融沉積成型，是將熱熔性材料（ABS、尼龍或蠟）通過加熱器熔化，擠壓噴出并堆積一個層面，然后將第二個層面用同樣的方法建造出來，并與前一個層面熔結(jié)在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實體。新課講授知識講解熔融沉積（FusedDepositonModeling，F(xiàn)DM）增材制造技術(shù)由美國學(xué)者Dr.ScottCrump于1988年研發(fā)成功的，并由美國Stratasys公司推出了商業(yè)化的設(shè)備。FDM是將各種熱熔性的絲狀材料（如蠟、工程塑料和尼龍等）通過加熱熔化，擠壓噴出并堆積一個層面，然后將第二個層面用同樣的方法建造出來，并與前一個層面熔結(jié)在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實體。桌面3D打印機(jī)主要由硬件、軟件和打印耗材構(gòu)成。硬件結(jié)構(gòu)中包括機(jī)體框架、機(jī)械軸、控制電路、噴嘴、熱床、擠出機(jī)、電源組成。知識講解(1)機(jī)體框架

機(jī)體框架通常采用金屬、亞克力、木板等材料，對框架有一個主要的要求，就是結(jié)構(gòu)的剛性，各款打印機(jī)主要采用三角形如圖1-1所示、矩形如圖1-2所示來作為機(jī)體結(jié)構(gòu)的基本形狀。因為打印機(jī)工作的時候，x軸、y軸是在不斷運(yùn)動的，所以為了保證打印機(jī)的精度，所以噴頭運(yùn)動時的動量對機(jī)體的影響越小越好，解決方法就是減輕噴頭質(zhì)量和提高機(jī)體剛性。圖1-1三角形結(jié)構(gòu)（Reprap系列）圖1-2矩形桿結(jié)構(gòu)（Printrbot系列）知識講解（2）機(jī)械軸

機(jī)械軸就是XYZ軸運(yùn)動的部件，主要有2種類型：直角坐標(biāo)型：XYZ軸成互為直角樣子的，XY軸通常是由同步帶接步進(jìn)電機(jī)來定位

的，Z軸則是由絲桿控制的。三角爪型：其數(shù)學(xué)原理是跟直角坐標(biāo)型一樣，用笛卡爾坐標(biāo)系原理的。只是將XY軸通過三角函數(shù)來映射到三個爪的位置上。知識講解（3）控制電路

控制電路的基本結(jié)構(gòu)是由單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、控制噴嘴熱床的場效應(yīng)管還有各種外出接口構(gòu)成的。單片機(jī)現(xiàn)在有兩大種類：知識講解1）基于ATMEL芯片的ARDUINO嵌入式開發(fā)母板如圖1-3所示+集線板+電機(jī)驅(qū)動器如圖1-4所示+LCD控制板如圖1-5所示。主要代表就是Ramps、Ultimaker。這樣的好處是減少了維護(hù)成本，把控制板分為核心板、擴(kuò)展板和驅(qū)動板，這樣在其中某一個板損壞時只需要更換壞的部分就可恢復(fù)使用，而且arduinoMEGA的資源較為豐富，擴(kuò)展功能會比ATMEGA644P、ATMEGA1284芯片要多。這種設(shè)計的缺點(diǎn)就是初次投入成本高，而且體積也會比單一控制板要大。圖1-3開發(fā)母板圖1-4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板圖1-5LCD控制板知識講解

2）直接用AMTELATMEGA644P、ATMEGA1284等芯

片直接將單片機(jī)和控制電路做在一起。主要代表是：Sanguinololu、Printrboard、GEN6、Melzi。這樣的好處是體積較為小、初始成本稍微比第一類少一點(diǎn)。缺點(diǎn)就是后期維護(hù)困難。

知識講解

（4）噴嘴噴嘴主要分為兩種：

一種是J-head：J-head的重量較輕，適合用在一些精度要求較高，或者機(jī)械軸負(fù)載能力較弱的結(jié)構(gòu)中（三角爪型就用這個。）

另一種是Budaschnozzle：種噴頭有主動散熱和被動散熱兩種方式，MK7噴頭就是采用這種結(jié)構(gòu)的主動式散熱。makebot、reprappro的機(jī)器都是采用這種噴頭結(jié)構(gòu)作為默認(rèn)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)然這兩種結(jié)構(gòu)同樣也是沒有優(yōu)劣之分，只有適合與不適合之分。知識講解（5）擠出機(jī)

擠出機(jī)主要分為直接擠絲(directdriverExtruder)、齒輪擠絲(Wade‘sExtruder)二種類型。齒輪擠出機(jī)：步進(jìn)電機(jī)用個小齒輪帶動個大齒輪進(jìn)行擠絲的；直接擠絲：步進(jìn)電機(jī)直接接個擠絲輪進(jìn)行擠絲的，這需要用較大扭矩的步進(jìn)電機(jī)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、好維護(hù)，但是不適合長距離擠絲。知識講解（6）電源

一般采用的ATX電源（電腦主機(jī)電源）、開關(guān)電源、Xbox360203w電源。這個只需要考慮電源是否在12-24V，電流是否在8A以上就可以了，整個打印機(jī)的最大消耗電源部件是噴嘴和熱床。知識講解1）圖1-6所示為一桌面型FDM3D打印機(jī)，為常見的全封閉式XYZ結(jié)構(gòu)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1-1。圖1-6桌面型FDM3D打印機(jī)知識講解表1-1BS-200F技術(shù)參數(shù)知識講解設(shè)備選擇時需要重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)參數(shù)如下：－成型工藝：說明該設(shè)備的工藝原理；－噴頭溫度：FDM設(shè)備最高工作溫度，是打印耗材選擇時的重要參考參數(shù)；－成型尺寸：說明該設(shè)備的最大成型空間，是打印設(shè)備選擇的重要參考參數(shù)；－耗材直徑：設(shè)備所用耗材規(guī)格。其他主要技術(shù)參數(shù)還有：－噴嘴直徑：噴嘴的直徑越大,成型效率越高但打印曲面質(zhì)量會下降，一般FDM推薦0.4mm直徑噴嘴。而大部分FDM增材制造設(shè)備都支持更換噴嘴，需要注意的是切片時噴嘴直徑的設(shè)置與實際一致；－打印層厚：打印層厚直接影響成型效率和質(zhì)量，與噴嘴直徑有一定關(guān)系，一般推薦值為噴嘴直徑的0.5倍；－斷料檢測：指耗材通過特有的斷絲檢測裝置實時檢測耗材異常并進(jìn)行保護(hù)處理,當(dāng)發(fā)生斷料或絲材耗盡時，設(shè)備將暫停打印，并支持耗材更換后的繼續(xù)打印；－斷電續(xù)打：指設(shè)備在打印過程中發(fā)生斷電時，3D打印機(jī)內(nèi)置有蓄電池可以存儲打印數(shù)據(jù)后再關(guān)機(jī)，待重新開機(jī)時選擇繼續(xù)打印，打印機(jī)就可以自動回到斷電時的位置繼續(xù)打印了。－熱床溫度：熱床是FDM打印機(jī)特有的配件，主要目的是為了增加材料附著力、降低溫差防止翹邊，熱床所能達(dá)到的最高溫度決定了該設(shè)備能不能成型ABS等熱變形系數(shù)比較大的材料。知識講解2）圖1-7所示為并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)（三角洲）的FDM3D打印機(jī)，是一種非常典型且常見的FDM3D打印機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、方便維護(hù)、打印速度快等特點(diǎn)，很多創(chuàng)客在設(shè)計自己的3D打印機(jī)時就借鑒了并聯(lián)臂的特點(diǎn)。圖1-7并聯(lián)臂FDM3D打印機(jī)知識講解

桌面型三角洲FDM3D打印機(jī)，大尺寸工業(yè)級三角洲FDM3D打印機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1-2所示。與圖1-1的XYZ結(jié)構(gòu)機(jī)型相比，同樣采用FDM成型工藝，但是也有以下典型區(qū)別：成型空間：三角洲FDM3D打印機(jī)因其結(jié)構(gòu)的特殊性，成型空間接近一個圓柱體；XYZ結(jié)構(gòu)的打印機(jī)成型空間一般為一長方體；送料方式：三角洲FDM3D打印機(jī)一般采用遠(yuǎn)程送料，而XYZ機(jī)型既可以采用遠(yuǎn)程送料也可以采用近程送料。遠(yuǎn)程送料的優(yōu)點(diǎn)是擠絲機(jī)構(gòu)不用隨打印頭一起運(yùn)動，因此打印機(jī)可以進(jìn)行高速打印；缺點(diǎn)是遠(yuǎn)程送料需要更長的回抽距離，對一些軟性材料無法成型。知識講解自動調(diào)平：對于增材制造設(shè)備操作員來說，3D打印機(jī)工作平臺的調(diào)平是一項極具挑戰(zhàn)且必須掌握基本技能。而三角洲3D打印機(jī)的調(diào)平補(bǔ)償算法非常成熟，借助壓電傳感器可以實現(xiàn)自動調(diào)平；其他FDM3D打印機(jī)一般采用3DTouch自動調(diào)平傳感器，3DTouch是一種應(yīng)用霍爾效應(yīng)來實現(xiàn)調(diào)平的裝置，可以通過在打印平臺上觸碰來獲取該點(diǎn)的位置，在打印中通過調(diào)整z軸高度來進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而實現(xiàn)在打印平臺不平的情況下也能正常打印。坐標(biāo)系原點(diǎn)：三角洲FDM3D打印機(jī)的系統(tǒng)零點(diǎn)一般在平臺正中心，而XYZ機(jī)構(gòu)的FDM3D打印機(jī)的系統(tǒng)零點(diǎn)一般位于平臺左下角，因此在使用時切片程序必須確認(rèn)與機(jī)型無誤，否則可能出現(xiàn)撞機(jī)危險。知識講解表1-2并聯(lián)臂FDM3D打印機(jī)技術(shù)參數(shù)知識講解2.認(rèn)識光固化增材制造設(shè)備

光固化快速成型工藝，也常被稱為立體光刻成型，英文的名稱為StereoLithography，簡稱SL，也有時被簡稱為SLA（StereoLithographyApparatus），該工藝是由CharlesHull于1984年獲得美國專利，是最早發(fā)展起來的快速成型技術(shù)。自從1988年3DSystems公司最早推出SLA商品化快速成型機(jī)SLA-250如圖1-8所示以來，SLA已成為目前世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種快速成型工藝方法。它以光敏樹脂為原料，通過計算機(jī)控制紫外激光使其凝固成型。這種方法能簡捷、全自動地制造出歷來各種加工方法難以制作的復(fù)雜立體形狀，在加工技術(shù)領(lǐng)域中具有劃時代的意義。知識講解圖1-83DSystems公司的SLA-250機(jī)型

目前，研究光固化成型（SLA）設(shè)備的單位有美國的3DSystems公司、Aaroflex公司，德國的EOS公司、F&S公司，法國的Laser3D公司，日本的SONY/D-MEC公司、TeijinSeiki公司、DenkenEngieering公司、Meiko公司、Unipid公司、CMET公司，以色列的Cubital公司以及國內(nèi)的西安交通大學(xué)、上海聯(lián)泰科技有限公司、華中科技大學(xué)等。知識講解

在上述研究SLA設(shè)備的眾多公司中，美國3DSystems公司的SLA技術(shù)在國際市場上占的比例最大。3DSystems公司在繼1988年推出第一臺商品化設(shè)備SLA-250以來，又于1997年推出了SLA250HR、SLA3500、SLA5000三種機(jī)型，在光固化成型設(shè)備技術(shù)方面有了長足的進(jìn)步。其中，SLA3500和SLA5000使用半導(dǎo)體激勵的固體激光器，掃描速度分別達(dá)到2.54m/sec和5m/sec，成層厚最小可達(dá)0.05mm。知識講解此外，還采用了一種稱之為Zephyerrecoatingsystem的新技術(shù)，該技術(shù)是在每一成型層上，用一種真空吸附式刮板在該層上涂一層0.05~0.1mm的待固化樹脂，使成型時間平均縮短了20%。SLA5000型號設(shè)備圖1-9所示。圖1-93DSystems公司的SLA-5000機(jī)型知識講解該公司于1999年推出SLA7000機(jī)型（如圖1-10所示）。SLA7000與SLA5000機(jī)型相比，成型體積雖然大致相同，但其掃描速度卻達(dá)9.52m/sec，平均成型速度提高了4倍，成型層厚最小可達(dá)0.025mm，精度提高了一倍。圖1-103DSystems公司的SLA-7000機(jī)型知識講解3DSystems公司推出的較新的機(jī)型還有Vipersi2SLA（如圖1-11所示）及ViperProSLA系統(tǒng)（如圖1-12所示）。圖1-113DSystems公司的Vipersi2SLA機(jī)型圖1-123DSystems公司的ViperProSLA機(jī)型知識講解

國內(nèi)西安交通大學(xué)在光固化成型技術(shù)、設(shè)備、材料等方面進(jìn)行了大量的研究工作，推出了自行研制與開發(fā)的SPS、LPS、和CPS三種機(jī)型，每種機(jī)型有不同的規(guī)格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中LPS600成型機(jī)如圖1-13所示。圖1-13LPS600成型機(jī)知識講解西安交通大學(xué)光固化成型機(jī)主要性能指標(biāo)與技術(shù)特征:1）該成型機(jī)激光器、掃描與光聚焦系統(tǒng)兩關(guān)鍵部件從國外引進(jìn)，掃描速度SPS最大可達(dá)7m/s、LPS可達(dá)2m/s，精度達(dá)±0.1mm；全范圍掃描分辨率達(dá)3.6μm，整機(jī)控制精度達(dá)50μm，高于國外同類機(jī)器水平，保證了可靠性；掃描光斑直徑=0.2mm，SPS激光壽命>5000h，LPS激光壽命>2000h，與國外水平相同。

2）采用了快速排序分層法，大大加快分層速度，且具有對分層數(shù)據(jù)自動診斷和修復(fù)功能。3）國際上創(chuàng)新的YLSF成型工藝，大大減小了翹曲等變形誤差，提高了原型件制作質(zhì)量。優(yōu)于美國3DSystems公司的工藝方法；拐角誤差采用自適應(yīng)延時控制，較少了輪廓誤差的影響，此為國際首創(chuàng)。4）零件成型精度達(dá)±0.1mm(<100mm)或0.1%(>100mm)，與國外水平相同；樣件測試尺寸合格率達(dá)到美國3DSystems公司SLA系列機(jī)器的水平，高于日本CMET公司Soup型機(jī)器的水平。5）不同材料與結(jié)構(gòu)，可調(diào)整回流量，從而改善涂層質(zhì)量，此為國際首創(chuàng)；且可以采用不同公司、不同牌號的樹脂，有良好的兼容性和開放性。優(yōu)于美國3DSystems公司、日本CMET公司的同類產(chǎn)品。

6）零件模型管理和成型數(shù)據(jù)生成軟件在自主開發(fā)、整機(jī)自制，用戶界面全部漢化，具有優(yōu)異的交互性和易學(xué)性。而且三維STL模型的檢視、分層過程與編輯、支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計全部實現(xiàn)了圖視化操作；而成型控制軟件是在DOS下開發(fā)，保證滿足了控制的實時性要求，操作界面全部漢化和圖視化。知識講解上海聯(lián)泰科技有限公司開發(fā)的光固化成型設(shè)備主要有RS-350H、RS-350S、RS-600H和RS-600S等機(jī)型，如圖1-14所示。圖1-14RS-600S光固化成型機(jī)知識講解表1-3部