3D打印技術(shù)與應(yīng)用課件

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。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漸漸被分散的個(gè)人取代，實(shí)現(xiàn)“社會制,造,社會制造的關(guān)鍵是主動、實(shí)時(shí)地將社會需求和社會制造能力有機(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

2、程，必會促進(jìn)個(gè)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

3、具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，極,大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。其對制造業(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、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?造零件，從而可以對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評估、修改及功能試驗(yàn),大大縮短了產(chǎn)品的研制周期,內(nèi),容,1,3D,打印技術(shù)的原理、特點(diǎn),2,3D,打印技術(shù)的重大意義,3,4,3D,打印典型案例與行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,典型,3D,打印技術(shù),5,3D,打印技術(shù)與行業(yè)的前景展望,1. 3D,打印技術(shù)原理,去除制造,切削加工等,切削機(jī)床,受迫制造,制,造,技,術(shù),分,類,鑄造、鍛造等,粉、片、液體,等,鍛造

4、機(jī)等,3D,打印,制造裝備,設(shè),備,方法論,仿生制造,原,理,工,藝,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,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、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,3D,打印技術(shù)原理圖,快速制造原理示意圖,CAD,模型,堆積成形,產(chǎn)品,三維,二維,三維的轉(zhuǎn)換,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

5、 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,1,3D,打印技術(shù)的原理、特點(diǎn),2,3D,打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),3,4,3D,打印典型案例與行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,典型,3D,打印技術(shù),5,3D,打印技術(shù)與行業(yè)的前景展望,2.1 3D,打印技術(shù)為社會制造提供創(chuàng)新的原動力,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

6、空航天、船舶、汽車等動力裝備高端復(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)為社會制造提供創(chuàng)新的原動力,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,設(shè)計(jì),試驗(yàn),工,藝,準(zhǔn),備,工藝準(zhǔn)備,制造,設(shè)計(jì),制造,縮短周期,六缸發(fā)動機(jī)缸蓋傳統(tǒng)砂型鑄造工,裝模具設(shè)計(jì)制造周期長達(dá),5,個(gè)月,3D,打印只需一周便可制成,2.2 3D,打印技術(shù)可提升社會制造的工藝能力,簡化制造提高產(chǎn)品質(zhì)量與性能,據(jù)悉，一架“空客,A380,飛機(jī)或“波

7、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)可提升社會制造的工藝能力,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,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

8、規(guī)結(jié)構(gòu)特征，這種工藝能力對于實(shí)現(xiàn)零部件輕量化、優(yōu)化性能,有極其重要的意義,力,航空發(fā)動機(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,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,整體式鎳合金轉(zhuǎn)子,生物材料人體器官修復(fù)體,2.3 3D,打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)社會制造的綠色可持續(xù)發(fā)展,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

9、造，節(jié)約資源能源,2.3 3D,打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)社會制造的綠色可持續(xù)發(fā)展,3D,打印制造技術(shù)促進(jìn)綠色制造模式,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,內(nèi),容,1,3D,打印技術(shù)的原理、特點(diǎn),2,3D,打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),3,3D,打印典型案例與行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,4,典型,3D,打印技術(shù),5,3D,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

10、藝,結(jié)合，實(shí)現(xiàn)航空航天、汽車,國防等領(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,3.2 3D,打印典型案例,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,隨形冷卻流道設(shè)計(jì)與冷卻效果模擬,復(fù)合制造工藝,模具冷卻周期縮短,68,以上，溫度梯度由,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,3.2 3D,打印典型案例,工業(yè),3D,打印與,傳統(tǒng)熱等靜壓工藝,結(jié)合，

11、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,美國,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,3.2 3D,打印典型案例,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,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“火龍”工藝品,文物復(fù)制（西漢長裙女傭,栩栩,如生,的彩,色金,剛鸚,鵡,3.2.1 3D,打印國內(nèi)外應(yīng)用案例,日常生活

12、,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,衣,用,3D,打印機(jī)在家中“打印”鞋子（美國,食：用,3D,打印機(jī)制造巧克力、肉類,3.3 3D,打印行業(yè)現(xiàn)狀,2012,年,3D,打印行業(yè)產(chǎn)值增長,28.6,達(dá)到了,22.04,億美金,3D,打印行業(yè)連續(xù)三年增長量超過,20,3D,打印行業(yè)歷年產(chǎn)值變化,Wohlers Report 2013,內(nèi),容,1,3D,打印技術(shù)的原理、特點(diǎn),2,3D,打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),3D,典型案例與行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,3,4,典型,3D,打印技術(shù),5,3D,打印技術(shù)與行業(yè)的前景展望,4.1,快速成型典型工藝,光固化成形,Stereo Lithography Appa

13、ratus,簡寫,SLA,薄材疊層制作,Laminated Object Manufactur-ing,簡寫,LOM,選擇性激光燒結(jié),Selective Laser Sintering,簡寫,SLS,熔絲沉積成形,Fused Deposition Modeling,簡寫,FDM,等四,種,以下對這些典型工藝原理，特點(diǎn)進(jìn)行簡單的介紹,4.1 SLA,光固化（立體光刻,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,成型原理：光照,紫外激光,光敏樹脂,成形零件,刮平器,液面,升降臺,Z,成型材料：光敏樹脂,成本高,截層厚度,0.040.07mm,可控精度

14、,0.1mm,優(yōu)缺點(diǎn)：表面質(zhì)量好，精度,較高；應(yīng)用,小件；需要支撐,結(jié)構(gòu)；材料有污染,4.1,光固化快速成形制造技術(shù)及其應(yīng)用,華中科技大學(xué)研制的第一代,SLA,設(shè)備,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,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,10,m,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,4.2,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,加工平面,升降臺,CO,

15、2,激光器,熱壓輥,原理：激光切割,材料：金屬箔、紙,控制計(jì)算機(jī),截層厚度,0.070.15mm,精度：與切割材質(zhì)有關(guān),料帶,收料軸,供料軸,優(yōu)缺點(diǎn)：適合大中型制件,成型速度快；精度不高,材料浪費(fèi)；廢料清理困難,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,華中科技大學(xué)研制的,LOM,材料,LOM,成形的典型零件,4.2,薄材疊層快速成形制造技術(shù)及其應(yīng)用,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,小型發(fā)動機(jī)零件原型件,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,原理：激光燒

16、結(jié),掃描鏡,平整滾,激光器,材料：陶瓷、金屬粉等等,截層厚度,0.10.2mm,優(yōu)缺點(diǎn)：材料使用廣；適,合中小型制件；成型效率,不高；后處理復(fù)雜,激光束,粉末,4.3,粉末材料,3D,打印技術(shù)及其應(yīng)用,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,109,109,1011mm,3,4.3,粉末材料,3D,打印技術(shù)及其應(yīng)用,非金屬制件快速成形制造技術(shù),塑料制件,熔模精密鑄造,SLS,鑄造,熔模,鋁合金鑄件,摩托車引擎缸體,253.8,253.7,181.8 mm,3,金屬粉末燒結(jié),蠟件,4.3,粉末材料,3D,打印技術(shù)及其應(yīng)用,非金屬制件快速成形制造技術(shù),塑料制件,熔模精密鑄

17、造,SLS,鑄造,熔模,鑄件,大型薄壁鑄件，最小壁厚,3.0mm,851.12,523.20,380.35 mm,3,砂制件,4.3,粉末材料,3D,打印技術(shù)及其應(yīng)用,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,非金屬制件,3D,打印技術(shù),樹脂覆膜砂制件,用覆膜砂型,的液壓閥體鑄件及其,芯,澆注,剖分圖,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,原理：激光熱熔,噴頭,料絲,材料：塑料絲,成本低,截層厚度,0.0250.76mm,成型精度：低,優(yōu)缺點(diǎn)：成形材料廣泛,成形過程對環(huán)境無污染,容易制成桌

18、面化和工業(yè)化,RP,系統(tǒng),噴頭,成形工件,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)行成本對比,80,70,60,22,50,22,40,30,20,50,40,18,6,10,15,15,0,4,光固化,固,光固化,氣,熔融擠壓,分層實(shí)體,粉末燒結(jié),材料每,小時(shí)費(fèi),用,激光器,每小時(shí),損耗折,損,內(nèi),容,1,3D,打印技術(shù)的原理、特點(diǎn),2,3

19、D,打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),3D,打印典型案例與行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,3,4,典型,3D,打印技術(shù),5,3D,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,打印是社會制造的基礎(chǔ)和動力,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,建立社會制造網(wǎng)絡(luò)與管理模式,3D,打印技術(shù)是社會需求,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制造網(wǎng)絡(luò)和管理模式,3D,技術(shù)廣泛的融化生活,3D,打印技術(shù)將會在各行各業(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?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,NASA,啟動太空,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,2011,年,7,月