1、快速成型技術(shù)（3D打印）,2017/11/08,前 言,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)完成了從工廠業(yè)手工向機(jī)器大工業(yè)的過渡，從而改變了人們生活與工作方式。在日新月異的信息化、智能化浪潮中，人們個(gè)性化的需求意見日漸增長(zhǎng)。未來的產(chǎn)業(yè)將是生產(chǎn)那些個(gè)性化的產(chǎn)品，未來的制造工廠也會(huì)漸漸被分散的個(gè)人取代，實(shí)現(xiàn)“社會(huì)制造” 。 社會(huì)制造的關(guān)鍵是主動(dòng)、實(shí)時(shí)地將社會(huì)需求和社會(huì)制造能力有機(jī)地銜接起來，從而實(shí)現(xiàn)和供應(yīng)之間的相互轉(zhuǎn)換。而3D打印是一種可以快速實(shí)現(xiàn)社會(huì)需求-“數(shù)據(jù)模型”向個(gè)性化產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的技術(shù)，將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)和3D打印技術(shù)組成社會(huì)制造的網(wǎng)絡(luò)，通過眾包的方式讓民眾充分參與產(chǎn)品的全生命制造過程，必會(huì)促進(jìn)個(gè)

2、性化、實(shí)時(shí)化、經(jīng)濟(jì)化的生產(chǎn)和消費(fèi)模式，形成新的產(chǎn)業(yè)革命。,3D打印模型,概述,快速成型(Rapid Prototyping,簡(jiǎn)稱RP)技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的, 快速成型技術(shù)是近年來發(fā)展起來的直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)總稱，它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。與傳統(tǒng)制造方法不同，快速成型從零件的CAD幾何模型出發(fā)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束或其他方法將材料堆積而形成實(shí)體零件。由于它把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，極大地提高

3、了生產(chǎn)效率和制造柔性。其對(duì)制造業(yè)的影響可與20世紀(jì)50-60年代的數(shù)控技術(shù)相比，快速成型技術(shù)可以自動(dòng)、直接、快速精確的將設(shè)計(jì)思路轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩梢詫?duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評(píng)估、修改及功能試驗(yàn)，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期。,內(nèi) 容,3D打印技術(shù)的原理、特點(diǎn),3D打印典型案例與行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,典型3D打印技術(shù),2,1,5,3,4,3D打印技術(shù)的重大意義,3D打印技術(shù)與行業(yè)的前景展望,1. 3D打印技術(shù)原理,1.1 3D打印技術(shù)原理,3D打印技術(shù)（學(xué)術(shù)界稱為增材制造、快速成形等）是通過對(duì)CAD數(shù)據(jù)離散分析，得到堆積的約束、路徑及方法，通過材料疊加堆積而形成三維實(shí)體模型 基于離散和

4、堆積原理 也稱為“疊層制造” 學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)因具備計(jì)算機(jī)基本操作知識(shí)、三維設(shè)計(jì)軟件、機(jī)械基礎(chǔ)、控制基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)信息等多學(xué)科知識(shí)。,3D打印技術(shù)原理圖,快速制造原理示意圖,三維 二維 三維的轉(zhuǎn)換,CAD模型,堆積成形,產(chǎn)品,1.2 3D打印技術(shù)特點(diǎn),3D打印技術(shù)變“減材”加工為“立體打印”,將三維實(shí)體變?yōu)槎S平面，降低制造復(fù)雜度,1.2 3D打印技術(shù)特點(diǎn),特別適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)、個(gè)性化制造及創(chuàng)新構(gòu)思的快速驗(yàn)證,3D打印技術(shù)具有成形材料廣、零件性能優(yōu)的突出特點(diǎn),內(nèi) 容,3D打印技術(shù)的原理、特點(diǎn),3D打印典型案例與行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,典型3D打印技術(shù),2,1,5,3,4,3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),3D打印技術(shù)與行業(yè)的

5、前景展望,拓展產(chǎn)品創(chuàng)意與創(chuàng)新空間、無需任何夾具，設(shè)計(jì)和制造一體化。：設(shè)計(jì)人員不再受傳統(tǒng)工藝和制造資源約束，專注于產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新，在“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”、“設(shè)計(jì)即產(chǎn)品”理念下，追求“創(chuàng)造無極限”,在零部件的設(shè)計(jì)上可以采用最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無需考慮加工問題，解決了傳統(tǒng)的航空航天、船舶、汽車等動(dòng)力裝備高端復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)零部件的制造難題。,2.1 3D打印技術(shù)為社會(huì)制造提供創(chuàng)新的原動(dòng)力,極大降低產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新成本、縮短創(chuàng)新研發(fā)周期，提高新產(chǎn)品投產(chǎn)的一次成功率 ：由于簡(jiǎn)化或省略了工藝準(zhǔn)備、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)，產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、分析高度一體化，顯著縮短新產(chǎn)品開發(fā)定型周期，降低成本，實(shí)現(xiàn)同步并行工程的實(shí)施。,六缸發(fā)

6、動(dòng)機(jī)缸蓋傳統(tǒng)砂型鑄造工裝模具設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月，3D打印只需一周便可制成。,2.1 3D打印技術(shù)為社會(huì)制造提供創(chuàng)新的原動(dòng)力,簡(jiǎn)化制造提高產(chǎn)品質(zhì)量與性能,據(jù)悉，一架“空客A380”飛機(jī)或“波音747”飛機(jī)，分別約有450多萬個(gè)零部件，從理論上說，零部件越多越不安全，結(jié)合部往往就是隱患。3D打印技術(shù)的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)就是可以將多個(gè)零部件集合成一個(gè)整體制造出來，減少零部件的數(shù)量，不但大大簡(jiǎn)化了之后的裝配工作，也是其安全性和可靠性隨之提高。,此鈦合金復(fù)雜大型主承力構(gòu)件，傳統(tǒng)制造方式需要分體制造，然后焊接，而使用激光3D打印整體可實(shí)現(xiàn)成形，安全性和可靠性大大提高。,2.2 3D打印技術(shù)可提升社會(huì)制造的工

7、藝能力,能制造出傳統(tǒng)工藝無法加工的零部件、解決常規(guī)機(jī)械加工或手工無法解決的問題，極大增強(qiáng)了工藝實(shí)現(xiàn)能力,3D打印突破了結(jié)構(gòu)幾何約束，能夠制造出傳統(tǒng)方法無法加工的非常規(guī)結(jié)構(gòu)特征，這種工藝能力對(duì)于實(shí)現(xiàn)零部件輕量化、優(yōu)化性能有極其重要的意義。,航空發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜關(guān)鍵零部件,2.2 3D打印技術(shù)可提升社會(huì)制造的工藝能力,提高了難加工材料可加工性，拓展了工程應(yīng)用領(lǐng)域,整體式鎳合金轉(zhuǎn)子,生物材料人體器官修復(fù)體,高能束加工陶瓷、鈦合金等傳統(tǒng)難加工材料零件拓展了高性能材料的工程應(yīng)用范圍；采用金屬/無機(jī)/有機(jī)生物材料制成的人體器官修復(fù)體等醫(yī)用零部件則拓展了工業(yè)制品的應(yīng)用范圍。,2.2 3D打印技術(shù)可提升社會(huì)制造的

8、工藝能力,3D打印制造技術(shù)促進(jìn)綠色制造模式,非接觸和無壓力成形、近凈成形能耗低、節(jié)約材料、污染物排放少；利用3D打印實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜零部件的修復(fù)再制造，節(jié)約資源能源。,2.3 3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)社會(huì)制造的綠色可持續(xù)發(fā)展,關(guān)鍵創(chuàng)新思路：將零件內(nèi)部設(shè)計(jì)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，替代實(shí)心，從而減少材料使用量，降低制造時(shí)間和能源消耗量。,具有內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片 材料使用量減少70%，選擇性激光熔化（SLM）制造時(shí)間降低60%,技術(shù)難點(diǎn)：（1） 傳統(tǒng)制造方法無法成形； （2） 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化性能。,3D打印制造技術(shù)促進(jìn)綠色制造模式,2.3 3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)社會(huì)制造的綠色可持續(xù)發(fā)展,內(nèi) 容,3D打印技術(shù)的原理

9、、特點(diǎn),3D打印典型案例與行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,典型3D打印技術(shù),2,1,5,3,4,3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),3D打印技術(shù)與行業(yè)的前景展望,3.2.1 3D打印典型案例,工業(yè)：3D打印與傳統(tǒng)鑄造工藝結(jié)合，實(shí)現(xiàn)航空航天、汽車、國(guó)防等領(lǐng)域大型復(fù)雜異形關(guān)鍵零部件件的快速制造，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的快速低成本開發(fā)。,3D打印技術(shù)加速航天航空、汽車等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的快速開發(fā)與制造，提高相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力與水平。,工業(yè)：3D打印與傳統(tǒng)模具制造工藝結(jié)合，提高復(fù)雜模具的冷卻效率，減少產(chǎn)品缺陷，縮短制造周期，大幅降低制造成本。,3.2 3D打印典型案例,復(fù)合制造工藝,隨形冷卻流道設(shè)計(jì)與冷卻效果模擬,模具冷卻周期縮短68%以上，溫度梯

10、度由12降至4，缺陷率有60%將至0。,工業(yè)：3D打印與傳統(tǒng)模具制造工藝結(jié)合,工業(yè)：3D打印與傳統(tǒng)熱等靜壓工藝結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜難加工材料零部件的整體凈近成形。,3.2 3D打印典型案例,工業(yè)：3D打印直接成形復(fù)雜高性能金屬功能零部件，直接應(yīng)用在航天航空、汽車等領(lǐng)域。,3.2 3D打印典型案例,美國(guó)AeroMet公司使用激光成形技術(shù)制造的次承力結(jié)構(gòu)件在F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)上實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)驗(yàn)證。,醫(yī)療：研究直接細(xì)胞直接打印技術(shù)，制造出血管、肝臟等軟組織。,3.2 3D打印典型案例,醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,3.2 3D打印典型案例,文化創(chuàng)意：制造形狀復(fù)雜、彩色的工藝品，可實(shí)現(xiàn)文物的復(fù)制以及創(chuàng)新的設(shè)計(jì)。,3D打印制造的

11、“火龍”工藝品,栩栩如生的彩色金剛鸚鵡,文物復(fù)制（西漢長(zhǎng)裙女傭）,衣:用3D打印機(jī)在家中“打印”鞋子（美國(guó)）,食：用3D打印機(jī)制造巧克力、肉類,3.2.1 3D打印國(guó)內(nèi)外應(yīng)用案例,日常生活：3D打印已經(jīng)進(jìn)入我們的生活，開始影響我們的衣食住行。,3.3 3D打印行業(yè)現(xiàn)狀,2012年3D打印行業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)28.6%，達(dá)到了22.04億美金，3D打印行業(yè)連續(xù)三年增長(zhǎng)量超過20%。,3D打印行業(yè)歷年產(chǎn)值變化（Wohlers Report 2013）,內(nèi) 容,3D打印技術(shù)的原理、特點(diǎn),3D典型案例與行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,典型3D打印技術(shù),2,1,5,3,4,3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),3D打印技術(shù)與行業(yè)的前景展望,4.1

12、 快速成型典型工藝,光固化成形(Stereo Lithography Apparatus，簡(jiǎn)寫SLA); 薄材疊層制作(Laminated Object Manufactur-ing簡(jiǎn)寫LOM) 選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，簡(jiǎn)寫SLS); 熔絲沉積成形(Fused Deposition Modeling，簡(jiǎn)寫FDM);等四種 。以下對(duì)這些典型工藝原理，特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。,采用激光一點(diǎn)點(diǎn)照射光固化液態(tài)樹脂使之固化的方法成形，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種高精度成形工藝。,4.1 SLA光固化（立體光刻）,（成本高）,華中科技大學(xué)研制的第一代SLA設(shè)備,4.1 光

13、固化快速成形制造技術(shù)及其應(yīng)用,SLA成形的典型零件,SLA成形的可裝配瓶狀模型,4.1 光固化快速成形制造技術(shù)及其應(yīng)用,SLA成形的微小精細(xì)結(jié)構(gòu) 零部件成形：約10m，1小時(shí)左右,4.1 光固化快速成形制造技術(shù)及其應(yīng)用,SLA成形的典型零件,4.1 光固化快速成形制造技術(shù)及其應(yīng)用,4.2 薄材疊層制作LOM 分層實(shí)體制造,采用激光切割箔材，箔材之間靠熱熔膠在熱壓輥的壓力和傳熱作用下熔化并實(shí)現(xiàn)粘接，一層層疊加制造原型。,LOM成形的典型零件,華中科技大學(xué)研制的LOM材料,4.2 薄材疊層快速成形制造技術(shù)及其應(yīng)用,華中科技大學(xué)研制的LOM設(shè)備,摩托車零件,4.2 薄材疊層快速成形制造技術(shù)及其應(yīng)用,

14、小型發(fā)動(dòng)機(jī)零件原型件,4.2 薄材疊層快速成形制造技術(shù)及其應(yīng)用,4.3 SLS 選擇性激光燒結(jié),采用激光逐點(diǎn)燒結(jié)粉末材料，使包覆于粉末材料外的固體粘接劑或粉末材料本身熔融實(shí)現(xiàn)材料的粘接。,為某單位成形的航空航天零部件蠟?zāi)＜熬荑T造鈦合金零部件 零件尺寸：109 1091011mm3,4.3 粉末材料3D打印技術(shù)及其應(yīng)用,摩托車引擎缸體（253.8 253.7 181.8 mm3）,SLS,熔模,鑄造,鋁合金鑄件,非金屬制件快速成形制造技術(shù),塑料制件-熔模精密鑄造,4.3 粉末材料3D打印技術(shù)及其應(yīng)用,金屬粉末燒結(jié),蠟件,非金屬制件快速成形制造技術(shù),塑料制件-熔模精密鑄造,大型薄壁鑄件，最小壁厚

15、3.0mm 851.12523.20 380.35 mm3,熔模,鑄件,SLS,鑄造,4.3 粉末材料3D打印技術(shù)及其應(yīng)用,砂制件,復(fù)雜尼龍零件的直接3D打印,4.3 粉末材料3D打印技術(shù)及其應(yīng)用,用覆膜砂型 (芯) 澆注的液壓閥體鑄件及其剖分圖,非金屬制件3D打印技術(shù),樹脂覆膜砂制件,4.3 粉末材料3D打印技術(shù)及其應(yīng)用,4.4 FDM熔融沉積成形,采用絲狀熱塑性成形材料，連續(xù)地送入噴頭后在其中加熱熔融并擠出噴嘴，逐步堆積成形。,（成本低）,4.4 北京太爾時(shí)代公司的INSPIRE系列,4.4 北京太爾時(shí)代公司的MEM,雙噴頭系統(tǒng),設(shè)備支持雙噴頭雙材料，兼容BST（剝離型支撐）和SST（溶解

16、型支撐）。雙材料使支撐更易剝離。,4.4 方便快捷的內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu),內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有效地節(jié)約材料成本和時(shí)間成本,4.4 常見快速成形工藝運(yùn)行成本對(duì)比,內(nèi) 容,3D打印技術(shù)的原理、特點(diǎn),3D打印典型案例與行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,典型3D打印技術(shù),2,1,5,3,4,3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),3D打印技術(shù)與行業(yè)的前景展望,5. 3D打印技術(shù)與行業(yè)的前景展望,提升3D打印技術(shù)水平：3D打印是社會(huì)制造的基礎(chǔ)和動(dòng)力，高效、高精、高性能、低成本的3D打印技術(shù)是發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)的根本。 建立社會(huì)制造網(wǎng)絡(luò)與管理模式：3D打印技術(shù)是社會(huì)需求、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、改進(jìn)、制造和運(yùn)輸高度信息化和智能化的實(shí)現(xiàn)手段，需要建立高效的社會(huì)制造網(wǎng)絡(luò)和管理模

17、式。 3D技術(shù)廣泛的融化生活：3D打印技術(shù)將會(huì)在各行各業(yè)中取得應(yīng)用，不僅跟工業(yè)、醫(yī)學(xué)等行業(yè)，還可以和農(nóng)、商、文、教育等深入融合，改變?nèi)藗兊纳睢?5. 3D打印技術(shù)與行業(yè)的前景展望,3D打印技術(shù)應(yīng)用前景： 目前應(yīng)用最多的為模型、原型、高性能塑料和功能件的制造； 未來在模具、醫(yī)療、電子、個(gè)人消費(fèi)品、組織工程、智能結(jié)構(gòu)和其他未知領(lǐng)域都有很大的潛力。,5. 3D打印技術(shù)與行業(yè)的前景展望,極限環(huán)境按需制造,太空3D打印,美國(guó)NASA啟動(dòng)太空3D打印項(xiàng)目。 2010年8月成立“Made in Space”； 2011年春季建立3D打印實(shí)驗(yàn)室；、 2011年夏季NASA宇航局飛行項(xiàng)目通過亞軌道飛行計(jì)劃；

18、2011年7月-9月微重力實(shí)驗(yàn)； 2011年12-2013年2月進(jìn)行3個(gè)階段的設(shè)計(jì)、制造項(xiàng)目，計(jì)劃2014年將3D打印設(shè)備送入太空； 當(dāng)前，材料、閉環(huán)控制系統(tǒng)、其他增材制造技術(shù)的研發(fā),5. 3D打印技術(shù)與行業(yè)的前景展望,深海3D打印 遠(yuǎn)洋3D打印 生物制造，細(xì)胞打印 ,STL文件（ ASCII碼和二進(jìn)制） 三維CAD造型，生成STL文件，如solidworks、 ug 、 proe、3dmax 、AutoCAD2000等均支持STL文件輸出 通過CT重構(gòu)或其他反求工程也可以獲得stl文件,文件格式,3D打印原理和普通打印有點(diǎn)相似，普通打印是將油墨等材料噴涂在平面上，一般厚度只有幾個(gè)微米。而3D打印用的材料則變成了樹脂，通過