增材制造技術(shù)的應(yīng)用課前討論1.你身邊有哪些事物是工業(yè)制造產(chǎn)生的？2.你知道什么是模具嗎？什么是分型面呢？3.如果給你一臺3D打印機(jī)，你最想要一臺什么3D打印機(jī)來改善你的日常生活？課前討論2課程內(nèi)容1增材制造技術(shù)的特點(diǎn)2模具領(lǐng)域的應(yīng)用3生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用45藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用其他領(lǐng)域的應(yīng)用31增材制造技術(shù)的特點(diǎn)41增材制造技術(shù)的特點(diǎn)5231■操作工序上傳統(tǒng)的制造工藝是對原材料進(jìn)行剪裁、拼接后連接而成；3D打印是通過軟件設(shè)計(jì)，一層一層堆積材料把產(chǎn)品做出來。■制造模式上傳統(tǒng)制造業(yè)是生產(chǎn)線規(guī)?；a(chǎn)；3D打印是個(gè)性化的定制生產(chǎn)；■生產(chǎn)成本上3D打印無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，大幅減少材料浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)制造業(yè)與3D打印的區(qū)別1增材制造技術(shù)的特點(diǎn)增材制造技術(shù)即3D打印，是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)，技術(shù)的應(yīng)用不外乎技術(shù)本身的優(yōu)勢所在，但一般來說，沒有一項(xiàng)技術(shù)是萬能的，作為一種產(chǎn)品制造技術(shù)或加工方法，增材制造技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：增材制造不受產(chǎn)品零件形狀的限制加工余量小，材料利用率高成型件組織細(xì)密、性能優(yōu)異零件生產(chǎn)周期短62模具領(lǐng)域的應(yīng)用模具是以特定的結(jié)構(gòu)形式通過一定方式使材料成型的一種工業(yè)產(chǎn)品，同時(shí)也是能成批生產(chǎn)出具有一定形狀和尺寸要求的工業(yè)產(chǎn)品零部件的一種生產(chǎn)工具?？焖倌＞咧圃焓且?D打印技術(shù)為核心并由其發(fā)展而來的一類模具快速制造的新方法、新工藝。其目的是為開發(fā)、試制新產(chǎn)品以及小批量生產(chǎn)提供快速、低成本的模具?？焖倌＞咧圃旆譃橹苯又圃炷＞吆烷g接制造模具。72模具領(lǐng)域的應(yīng)用直接制造模具是指模具直接由3D打印獲得。例如SLS直接制模。間接制造模具是指以增材制造技術(shù)制造的快速原形零件為母模，采用直接或間接的方法，實(shí)現(xiàn)硅膠模、金屬模、陶瓷模等模具的快速制造。82模具領(lǐng)域的應(yīng)用快速模具制造與傳統(tǒng)模具制造相比，主要優(yōu)點(diǎn)如下所示：制模周期短；制造成本降低；更大設(shè)計(jì)自由度；9圖9.3快速模具制造工藝流程圖2.1硅橡膠快速制模硅橡膠模具的快速制作是RT技術(shù)中非常重要的一種方法。硅橡膠模具由于具有良好的柔性和彈性，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、花紋精細(xì)、無拔模斜度或具有倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件，在制件澆注完成后均可直接取出，這是硅橡膠模具相對于其他模具來說具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于硅橡膠具有耐高溫的性能和良好的復(fù)制性和脫模性。因此，在塑料制件和低合金件的制作中具有廣泛的用途。硅橡膠模具的制作采用快速原型零件作母模，采用硫化的有機(jī)硅橡膠進(jìn)行澆注，直接制作成硅橡膠模具，這種快速翻制硅橡膠模具的方法(間接制模方法)是快速制模技術(shù)中一種重要的制模方法。103D打印制件硅橡膠澆注硅橡膠模具模擬分析CAD建模2.1硅橡膠快速制模硅膠模制作方法主要有真空澆注法和簡便澆注法。普通硅橡膠澆注時(shí)會產(chǎn)生很多氣泡，影響成形品質(zhì)，為此常采用真空澆注法。真空澆注法又分為刀割分型面制作法和哈夫式制作法兩種。112.1硅橡膠快速制模刀割分型面制作法刀割分型面制作法適用于透明硅橡膠、分型面比較規(guī)則的情況，其制作步驟如右圖所示。12使用透明硅橡膠澆注模具的步驟1模框與原型樣件的間距2澆注系統(tǒng)3支撐模具的橫梁4排氣口5著色膠帶標(biāo)志的分模線6?？?原型樣件8透明RTV硅橡膠9著色膠帶10鎖栓和定位線用于切成分模線2.1硅橡膠快速制模哈夫式制作法哈夫式制作法適用于不透明硅橡膠或分型面形狀比較復(fù)雜的情況，如下圖所示的透明勺子，刀割分型面的方法很難使刀割的軌跡與實(shí)際要求的分型面相吻合，因此采用哈夫式制作法較為合適。13圖9.7利用橡皮泥的哈夫式制模法1出氣口2澆注系統(tǒng)3硅橡膠4出氣口5?？?模具分型線7橡皮泥2.1硅橡膠快速制模簡便澆注法①在普通工作室中，混合少量的硅橡膠和固化劑；②將混合后的硅橡膠涂覆在母體的表面，構(gòu)成厚度為1～2mm的薄涂層；③在固化過程中，使涂覆的硅橡膠層充分脫氣，用刀片或針劃破無法自行消失的氣泡；④待該薄層硅橡膠模初步固化和脫氣后，將大量混合的硅橡膠和固化劑注入固定有原型零件的?？騼?nèi)，構(gòu)成模具。⑤待硅橡膠模初步固化后，稱去原型零件，再將硅橡膠模置于烘箱中，使其完全固化。142.1硅橡膠快速制模硅膠模的制模工藝基于快速成形與硅膠模技術(shù)快速制作塑料件的工藝流程如右圖所示，硅膠模的制作過程主要包括下面三個(gè)階段：15制作定型樣件制作硅橡膠模具真空注型基于快速成形與硅膠模技術(shù)快速制作塑料件的工藝流程2.1硅橡膠快速制模制作硅膠模的注意事項(xiàng)在硅膠模的制作過程需要注意以下事項(xiàng)：（1）脫模操作要小心（2）原形零件應(yīng)滿足一定的性能要求（3）選擇合理的澆注方式（4）模具必須放置平整（5）盡量減少氣泡問題（6）避免粘模16基于快速成形與硅膠模技術(shù)快速制作塑料件的工藝流程2.1硅橡膠快速制模硅膠快速制模的特點(diǎn)：（1）易于操作（2）快速性（3）高柔性（4）離散性佳（5）耐高溫（6）硅橡膠制模成本低（7）可以更好地發(fā)揮RP技術(shù)的優(yōu)勢（8）為并行工程的實(shí)施創(chuàng)造良好的條件（9）可提高硅橡膠模具質(zhì)量（10）制件性能優(yōu)良172.2金屬電弧噴涂快速制模電弧噴涂制模技術(shù)是一種基于電弧噴涂、3D打印、數(shù)控加工和材料科學(xué)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、快速的模具制造工藝，是通過電弧噴涂工藝制作模具金屬外殼，并通過材料累加方法制造出具有材料梯度、功能梯度機(jī)構(gòu)的模具，是一種近凈成形的模具制造技術(shù)?？捎糜诮饘贈_壓模具、熱壓成形模具以及塑料模具等。其制模的技術(shù)工藝流程如下圖所示：182.2金屬電弧噴涂快速制模電弧噴涂是利用在噴涂金屬絲材端部產(chǎn)生的電弧來直接熔化噴涂金屬，然后用壓縮空氣流對熔化的噴涂金屬進(jìn)行霧化、噴射，從而在原型表面形成涂層。其原理如下圖所示：19（a）電弧噴涂原理簡圖（b）電弧噴涂槍結(jié)構(gòu)簡（c）電弧噴涂設(shè)備系統(tǒng)簡圖2.2金屬電弧噴涂快速制模在電弧噴涂過程中，高壓空氣一方面使飛行中的熔融金屬液滴易于散熱而降溫，另一方面也對涂層和基體有冷卻作用。電弧噴涂制模工藝實(shí)質(zhì)上是利用電弧熔化金屬材料，并用高壓空氣將液態(tài)金屬吹覆在樣件的外表面，形成一層金屬殼，然后利用填料將金屬殼體填充為實(shí)體模具。下圖為基于電弧噴涂快速制模技術(shù)的樣件工藝流程：202.2金屬電弧噴涂快速制模電弧噴涂快速制模工藝的主要優(yōu)點(diǎn)如下所示：21制模周期短02024231模具性能好電弧噴涂制模成本低模具制作工藝簡單2.3金屬樹脂快速制模金屬樹脂模具就是以環(huán)氧樹脂與金屬粉填料（如鋁粉、鐵粉、銅粉）為基體材料，以樣件為基準(zhǔn)澆鑄而成的模具。具有熱傳導(dǎo)率高、強(qiáng)度高、加工工藝簡單、成本低的特點(diǎn)。金屬樹脂模具的澆注工藝如右圖所示：222.3金屬樹脂快速制模金屬樹脂制模常見問題及解決辦法（1）脫模困難，解決辦法是均勻涂布脫模劑。（2）表面粗糙度差，解決辦法提高原型表面的光潔度；選用較好的膠衣樹脂；均勻涂布脫模劑，既不要有遺漏，又不要留痕跡；在負(fù)壓下澆注樹脂混合體。（3）表面膠衣層與基體產(chǎn)生分離現(xiàn)象，解決辦法在膠衣樹脂剛開始固化但還有粘性時(shí)進(jìn)行澆注。（4）表面裂紋，解決辦法是選擇正確的固化工藝。（5）模具表面有微凸起，解決辦法在對石膏型表面均勻涂布封閉劑，不要有遺漏。（6）填料沉淀、混合體分層，解決辦法一是在混合體中加入適當(dāng)?shù)拇龠M(jìn)劑，以縮短澆注料的凝膠時(shí)間，二是加入ASA防沉降劑。（7）模具尺寸精度較差，解決辦法是通過實(shí)驗(yàn)掌握成型材料、金屬環(huán)氧樹脂混合體、過渡模材料的固化變形規(guī)律，最大可能地消除尺寸誤差，以確保模具型腔的最終尺寸與制件尺寸相吻合。232.4等離子噴涂快速制模等離子噴涂與電弧噴涂工藝相比，區(qū)別在于采用等離子加熱替代了電弧加熱，其他方面基本類似。原理如下圖所示：工作氣體（如氬、氦、氫或氮）通過氣路系統(tǒng)進(jìn)入噴槍，金屬或非金屬（如陶瓷）粉末狀噴涂材料借助送粉氣流（一般用氬氣或氮?dú)猓┧腿雵姌?。工作時(shí)，在鎢電極和噴嘴之間的工作氣體被電離，產(chǎn)生高溫等離子?。ㄆ渲械恼?、負(fù)離子數(shù)相等），從而熔化粉末，并使其跟隨高速火焰流噴射到需噴涂的工件表面。242.4等離子噴涂快速制模等離子噴涂與電弧噴涂工藝相比，區(qū)別在于采用等離子加熱替代了電弧加熱，其他方面基本類似。制模過程如下圖所示：25母體噴涂填充凹槽噴涂填充脫模2.4等離子噴涂快速制模等離子噴涂快速制模的特點(diǎn)（1）等離子弧的能量高度集中不僅可以噴涂金屬粉末，也可以噴涂陶瓷粉末或金屬與陶瓷的復(fù)合粉末。（2）可以制作型腔帶有精密表面圖案的模具。（3）等離子弧氣氛可控，可使用還原性氣體和惰性氣體作為工作氣體。（4）制作周期短，工藝過程簡單，模具制造成本低。2642312.5鑄造模的快速制模技術(shù)27基本原理是利用3D打印技術(shù)直接或間接打印出鑄造用的消失模、蠟?zāi)５?，然后結(jié)合傳統(tǒng)鑄造工藝，快速鑄造出金屬零件。快速鑄造技術(shù)的工藝流程如右圖所示。3D打印與鑄造工藝的結(jié)合充分發(fā)揮了3D打印速度快、成本低、可制造復(fù)雜零件且不受形狀、大小影響、成本低廉的優(yōu)勢。2.5鑄造模的快速制模技術(shù)28砂型鑄造過程如右圖所示，采用的模型常有木模型和金屬模具兩種。木模型常用于單件、小批量鑄造生產(chǎn)，金屬模型可用于大批量鑄造生產(chǎn)?？焖偕靶丸T造是利用樹脂模樣，代替木?；蚪饘倌Ｖ谱魃靶突蛘呱靶具M(jìn)行實(shí)型鑄造，也可用作消失法鑄造代替模型，用于造型后不易起模、精度要求較高的鑄件，從而實(shí)現(xiàn)砂型鑄造的快速化。2.5鑄造模的快速制模技術(shù)增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)熔模鑄造結(jié)合形成快速熔模鑄造。快速熔模鑄造技術(shù)工藝過程的應(yīng)用示例如圖所示。29圖9.30快速熔模鑄造的工藝過程（a）零件的三維數(shù)模，（b）SLA原型制作、后處理，（c）模型組樹，（d）制殼，（e）熔燒脫樹脂，（f）鑄件2.5鑄造模的快速制模技術(shù)石膏型鑄造是將熔模組裝，并固定在專供灌漿用的砂箱平板上，在真空下把石膏漿料灌入，待漿料凝結(jié)干燥后即可脫去熔模，再經(jīng)烘干、焙燒成為石膏型，在真空下澆注獲得鑄件，適于生產(chǎn)尺寸精確，表面光潔的精密鑄件。增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)石膏型鑄造結(jié)合形成快速石膏鑄造。利用SL光固化原型作為石膏型的蠟?zāi)＃梢灾谱鲝?fù)雜件和精密件，如圖所示。303生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1醫(yī)學(xué)模型快速建造利用3D打印技術(shù)，可將醫(yī)學(xué)道具、模型、用品等材料通過計(jì)算機(jī)影像數(shù)據(jù)信息形成實(shí)體結(jié)構(gòu)，用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和手術(shù)模擬。31圖9.32（a）3D打印的心臟實(shí)物模型，（b）3D打印手術(shù)“導(dǎo)板”3生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.2組織器官替代品制作人體組織器官制造需要“細(xì)胞打印”技術(shù)，即是增材制造技術(shù)與生物制造技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，解決了傳統(tǒng)組織工程難以解決的問題，利用計(jì)算機(jī)控制含細(xì)胞液滴的沉積位置，在指定位置逐點(diǎn)打印，層層疊加形成三維多細(xì)胞/凝膠體系。該技術(shù)對材料的要求很高，但目前已有一些成功的案例，比如復(fù)制人體骨骼、人造血管等。32圖9.33（a）3D打印的人造血管，（b）3D打印的人造下頜骨，（c）3D打印出的人造耳朵3生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.2組織器官替代品制作利用3D打印技術(shù)制作臉部損傷組織，如耳、鼻、皮膚等，可以得到與患者精確匹配的相應(yīng)組織，為患者重新塑造頭部完整形象，達(dá)到美觀效果。33（a）KeithLonsdale手術(shù)后在臉上留下“大洞”（b）以Keith兒子的臉為模型，利用3D打印技術(shù)制作的“假臉”面具4航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用34GE公司采用SLM技術(shù)制造的GE-9X系列發(fā)動機(jī)傳感器殼體先進(jìn)的航空航天制作技術(shù)是體現(xiàn)一個(gè)國家科技水平、軍事實(shí)力和綜合國力的重要標(biāo)志之一，高強(qiáng)度合金及大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件和精密復(fù)雜構(gòu)建的制造使用傳統(tǒng)技術(shù)難以滿足要求，成為先進(jìn)飛機(jī)及航空發(fā)動機(jī)發(fā)展的瓶頸之一，而3D打印技術(shù)則為此提供了最佳新技術(shù)解決途徑。除了直接制造航空零件，采用增材制造技術(shù)對航空零件進(jìn)行修復(fù)外，將增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合以提高成形零件的精度和效率也是目前航空制造領(lǐng)域一個(gè)重要發(fā)展方向。4航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用35空客公司利用增材制造技術(shù)制造的飛機(jī)部件采用LSF技術(shù)制造的飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件西北工業(yè)大學(xué)采用LSF制造的C919大型客機(jī)中央翼肋緣條5藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用5.1在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用通過增材制造，設(shè)計(jì)師可以不考慮產(chǎn)品的復(fù)雜程度，僅專注于產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新，即所謂“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”。36（a）3D打印的個(gè)性花瓶，（b）3D打印的美妙燈具，（c）3D打印的酷炫吉他（d