大工22秋《3D打印原理及應用》大作業(yè)答案

大連理工大學遠程與繼續(xù)教育學院《3D打印原理及應用》大作業(yè)PAGEPAGE8遠程與繼續(xù)教育學院《3D打印原理及應用》大作業(yè)學習中心：奧鵬學習中心專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化年級：2021年秋學號：學生：完成日期：2023年2月15日1、3D打印的工藝規(guī)劃過程主要包括哪些步驟？面向3D打印的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性分析中需要考慮哪些問題？答（一）三維設(shè)計先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。切片處理打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術(shù)的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。完成打印三維打印機的分辨率對大多數(shù)應用來說已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當前的三維打印機打出稍大一點的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。（二）存在幾個關(guān)鍵的考慮因素:（1）使用場景從原型到生產(chǎn)質(zhì)量，產(chǎn)品的任一部件都可以使用3D打印部件來代替。每個應用程序的要求都是獨一無二的，需要仔細檢查和規(guī)劃，以確定合適的3D打印過程和材料，從而滿足項目的需要。例如，在創(chuàng)建原型時，設(shè)計團隊通常需要使用性價比高的材料進行快速周轉(zhuǎn)，同時仍然需要精確的呈現(xiàn)出最終產(chǎn)品的形式和功能。另一方面，生產(chǎn)部件必須作為最終產(chǎn)品加以制作，并且需要滿足一定的質(zhì)量、測試、化學和結(jié)構(gòu)要求。（2）打印件性能需求根據(jù)3D打印部件的性能需求，合適的工藝和材料將有所不同。如果部件需要在外觀上與最終產(chǎn)品相似，或者需要保持其形狀為靜態(tài)模型，那么噴射技術(shù)可能是最好的方法，因為它的周轉(zhuǎn)速度快，其表面光滑、自然。立體光刻對于如娛樂道具或大型概念模型等部件也是很好的選擇，它們需要輕量的后期處理來拋光表面。如果打印功能原型組件需要能抵御沖擊或高溫，可以利用FDM，從高性能材料中獲取功能強大，耐用的部件。如果零件的設(shè)計需要復雜的底切，實現(xiàn)空氣流動或耐用的活鉸鏈，激光系統(tǒng)熱塑性塑料可能是理想之選。以上因素需要復雜的整合在一起，但是仔細考慮部件性能需求有助于簡化選擇適當?shù)?D打印工藝。3、打印件所處環(huán)境許多3D打印部件需要在高溫或潮濕的環(huán)境下進行作業(yè)。一些3D打印工藝和材料很快被這些參數(shù)排除在外。例如，戶外應用可能需要紫外線穩(wěn)定的材料，但是光聚合物在紫外線照射下會迅速降解。水分會對某些材料產(chǎn)生不利影響，導致部件翹曲、卷曲或尺寸精度下降。這是由于某些3D打印材料固有的吸水性。在某些應用中，該部件可能需要食品安全級材料。在這種情況下，熱塑性塑料將是最好的選擇。2、試述熔融沉積3D打印加工的工藝原理和優(yōu)缺點。答:（1）融沉積快速成型(FusedDeposionModeling,FDM)是繼光固化快速成型和疊層實體快速成型工藝后的另一種應用比較廣泛的快速成型工藝。該技術(shù)是當前應用較為廣泛的一種3D打印技術(shù)，同時也是最早開源的3D打印技術(shù)之一。該工藝方法以美國Sratasys公司開發(fā)的FDM制造系統(tǒng)應用最為廣泛。該公司自1993年開發(fā)出第一臺FDM1650機型后，先后推出了FDM2000、FDM3000、FDM8000及1998年推出的引人注目的FDMQuantum機型。FDMQuantum機型的最大造型體積達到600mm×500mm×600mm。國內(nèi)的清華大學也較早地進行了FDM工藝商品化系統(tǒng)的研制工作，并推出熔融擠壓制造設(shè)備MEM250等。熔融沉積又叫熔絲沉積，它是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來。噴頭可沿著X軸方向移動，而工作臺則沿Y軸方向移動。如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型部分的溫度稍低于固化溫度，那么就能保證熱熔性材料噴出噴嘴后，即與前一層面熔結(jié)在一起。一個層面沉積完成后，工作臺按預定的增量下降一個層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個實體造型。將實芯絲材原材料纏繞在供料棍上，由電機驅(qū)動棍子旋轉(zhuǎn)，輥子和絲材之間的摩擦力便絲材向噴頭的出口送進。在供料棍與噴頭之間有一個導向套，導向套采用低摩擦材料制成，以便絲材能順利、準確地由供料混送到噴頭的內(nèi)腔(最大送料速度為10～25mm/s，推薦速度為5～18mm/s)。噴頭的前端有電阻絲式加熱器，在其作用下，絲材被加熱熔融(熔模鑄造蠟絲的熔融溫度為74℃，機加工蠟絲的熔融溫度為96℃，聚烯烴樹脂絲為106℃，聚酰胺絲為155℃，ABS塑料絲為270℃)，然后通過出口(內(nèi)徑為0.25~1.32mm，隨材料的種類和送料速度而定)，涂覆至工作臺上，并在冷卻后形成界面輪廓。由于受結(jié)構(gòu)的限制，加熱器的功率不可能太大，因此絲材一般為熔點不太高的熱塑性塑料或蠟。絲材熔融沉積的層厚隨噴頭的運動速度(最高速度為380mm/s)而變化，通常層厚為0.15～0.25mm。熔融沉積快速成型工藝在原型制作時需要同時制作支撐，為了節(jié)省材料成本和提高沉積效率，新型FDM設(shè)備采用了雙噴頭。一個噴頭用于沉積模型材料，一個噴頭用于沉積支撐材料。一般來說，模型材料絲精細而且成本較高，沉積的效率也較低。而支撐材料絲較粗且成本較低，沉積的效率也較高。雙噴頭的優(yōu)點除了沉積過程中具有較高的沉積效率和降低模型制作成本以外，還可以靈活地選擇具有特殊性能的支撐材料，以便于后處理過程中支撐材料的去除，如水溶材料、低于模型材料熔點的熱熔材料等。（2）熔融沉積3D打印加工的的優(yōu)點FDM的優(yōu)點主要表現(xiàn)在：操作環(huán)境安全，干凈，不產(chǎn)生垃圾，可以在辦公室進行；工藝簡單、易于操作；尺寸精度高，表面質(zhì)量好，易于裝配，可快速構(gòu)建瓶狀或者中空零件；原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運和快速更換；原料價格便宜，材料利用率高；可選用的材料較多。如染色的ABS和醫(yī)用ABS、PC、PPSF、人造橡膠和鑄造用蠟。降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期，大大地提高了生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟效益。（3）熔融沉積3D打印加工的的缺點FDM的缺點主要表現(xiàn)在：相對精度較低，表面質(zhì)量差；難以構(gòu)建結(jié)構(gòu)復雜的零件；與截面垂直方向的強度??；懸臂結(jié)構(gòu)需加支撐;成型速度相對較慢，不適合構(gòu)建大型零件。3、選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)的前處理及后處理過程包括哪些內(nèi)容？答：激光選區(qū)燒結(jié)(SelectedLaserSintering,SLS)采用CO：激光器對粉末材料(塑料粉、陶瓷與粘結(jié)劑的混合粉、金屬與粘結(jié)劑的混合粉等)進行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點一層層堆積成三維實體的工藝方法，其工藝過程原理如圖8一7所示，典型設(shè)備如美國DTM公司的Sinterstation一2500型粉末材料激光燒結(jié)站。激光選區(qū)燒結(jié)在開始加工之前，先將充有氮氣的工作室升溫，并保持在粉末的熔點以下。成形時，送料筒上升，鋪粉滾筒移動，先在工作平臺上鋪一層粉末材料，然后激光束在計算機控制下按照截面輪廓對實心部分所在的粉末進行燒結(jié)，使粉末熔化繼而形成一層固體輪廓。第一層燒結(jié)完成后，工作臺下降一截面層的高度，再鋪上一層粉末，進行下一層的燒結(jié)，如此循環(huán)，形成三維的原型零件。最后經(jīng)過10h冷卻，即可從粉末缸中取出零件。未經(jīng)燒結(jié)的粉末能承托正在燒結(jié)的工件，當燒結(jié)工序完成后，取出零件，未經(jīng)燒結(jié)的粉末基本可自動脫掉，并重復利用。因此，SLS工藝不需要建造支撐，事后也不要為清除支撐而煩惱。（1）與其他工藝相比，能生產(chǎn)最硬的模具。（2）可以采用多種原料，例如絕大多數(shù)工程用塑料、蠟、金屬、陶瓷等。（3）SLS選擇性激光燒結(jié)是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。

其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。（4）整個工藝裝置由粉末缸和成型缸組成，工作時粉末缸活塞。4、簡要敘述3D打印技術(shù)的發(fā)展及應用場合。答：3D打印技術(shù)的萌芽產(chǎn)生于19世紀末的美國，目的就是突破二維打印實現(xiàn)三維打印，讓立體模型能夠快速成型，但技術(shù)條件的限制，一直未能實現(xiàn)，知道20世紀90年代中期，意大利發(fā)明家恩里科·迪尼設(shè)計出第一臺3D打印機，讓3D打印從概念變?yōu)楝F(xiàn)實。從現(xiàn)在的角度來理解，其實3D打印技術(shù)的工作原理也很簡單，首先是通過計算機軟件建立需要打印物體的模型，然后進行切片，分割成無數(shù)個面，然后傳輸給3D打印機，然后打印機層層疊加式的打印，直至打印出完整的模型。原來很簡單，3D打印的核心技術(shù)在于不同打印機所使用的材料，一般常見的為金屬粉末狀或線狀塑料，兩者區(qū)別不大，僅僅是使用金屬粉末為材料的打印機價格更貴，原理上并無多大區(qū)別。而更多領(lǐng)域涉及到不同的打印材料，除了建筑和制造業(yè)上的應用，比如食品和生物方面的打印材料在最近幾年發(fā)展也和迅速。3D打印技術(shù)的應用：（1）建筑業(yè)和制造業(yè)，更多的應用還是在設(shè)計環(huán)節(jié)，而不是批量生產(chǎn)，很多零件在設(shè)計過程中，都需要實物要測試，為每一個零件都制造模具然后生產(chǎn)的成本很高，而3D打印就很方便，尤其在少量試驗階段，無需浪費較多成本在制造模具上，并且方便了個性化的定制。目前3D打印機已經(jīng)能夠打印出房屋、衣服、賽車等完整的作品，而不僅僅局限于小的零部件。（2）文物保護，文物的展覽和研究過程中，由于保護的不當，肯定回對文物造成不同成都的損害，所以用3D打印技術(shù)來復制文物，替代文物進行展覽或研究，對保護文物有很大幫助。（3）食品領(lǐng)域，目前已經(jīng)有很多公司推出3D打印食品，當然以西式快餐為主，中餐對烹飪要求太高，不適合這種流水線的生產(chǎn)模式，并且現(xiàn)在打印的一些漢堡、彩虹糖、巧克力、披薩等其實也沒有多大實際意義，無外乎更加精美一點，并不能為食物的口感加分。但并不是3D打印在食品方面就沒有價值，美國宇航局NASA在2013年投資了12.5萬美元，委托AnjanContractor和他的系統(tǒng)/材料研究公司研發(fā)了一款3D食物打印機，這款3D食物打印機由一種名為RepRap三維打印機改裝而成，所使用的披薩打印材料不是我們熟悉的面，而是營養(yǎng)粉、油和水。而這些營養(yǎng)粉的制造原料是昆蟲、草和水藻。相對有優(yōu)勢的是，原材料的營養(yǎng)粉保質(zhì)期長達30年，適合長距離的空間旅行。（4）醫(yī)療行業(yè)，醫(yī)療行業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)能夠成熟應用的是打印各種尺寸的骨骼用于臨床研究，甚至可以替代原來損壞的骨骼，目前已經(jīng)成功給鳥換上3D打印的骨骼和喙。在研究的還有細胞打印，利用病人的細胞不僅能打印耳朵鼻子等外部器官，甚至連心肝脾肺腎都能打印，跟傳統(tǒng)從其他捐獻者身上移植過來的有很大的優(yōu)勢，就是它的細胞是采自于病人本身的，所以裝進去不會有任何排斥反應。目前已經(jīng)成功給老鼠移植了卵巢并成功生了一只小白鼠。期待這項技術(shù)能夠早日用在人體上，給有需要的病人提供幫助。（5）教育行業(yè)，一個東西能不能普及，就看和教育是否掛鉤，就像計算機剛出來一樣，計算機相關(guān)培訓火爆全球，之后計算機就進入每家每戶，現(xiàn)在國內(nèi)更是各樣的培訓機構(gòu)也開始推出3D打印課程，配套的還有低齡化的建模軟件以及低價格的家庭用3D打印機。學習心得3D打印是一種通過材料逐層添加制造三維物體的變革性、數(shù)字化增材制造技術(shù),它將信息、材料、生物、控制等技術(shù)融合滲透,將對未來制造業(yè)生產(chǎn)模式與人類生活方式產(chǎn)生重要影響。3D打印這種智能制造的邏輯軌跡是控制物質(zhì)的形狀、控制物質(zhì)的構(gòu)成和控制行為,也就是實現(xiàn)物體在結(jié)構(gòu)、材料和活性上的有機統(tǒng)一。越來越多的跡象表明,3D打印技術(shù)已經(jīng)從實驗室和工廠逐漸走出來了,并且走進學校和家庭,與我們每個普通人的生活息息相關(guān)。這樣會極大地沖擊我們的工作方式,或者增強很多行業(yè)的生命力,也或者導致某些行業(yè)走向消亡。然而我們必須清醒地意識到3D打印技術(shù)也會催生大量前所未有的行業(yè)和巨大機遇,我們必須牢牢的抓住機遇,因為第三次工業(yè)革命雖然目前國內(nèi)3D打印還只能制造模型,但3D打印實體建筑領(lǐng)域的優(yōu)勢卻不容小覷。3D打印自由成型的特性,讓建筑師在設(shè)計時能夠突破常規(guī),解放思想,更有助于實現(xiàn)建筑與藝術(shù)的融合。且由于3D打印建筑可以一次性整體成型,相比起傳統(tǒng)建筑由成千上萬個磚、混凝土、鋼筋等多個“零件”拼接而成,3D打印建筑的強度和抗震性能都得到極大提高。而和傳統(tǒng)建筑相同的強度下,3D建筑還可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)的方式節(jié)省材料,從而實現(xiàn)降低成本。通過實驗,我們可以知道采用3D打印建筑比傳統(tǒng)建筑方式至少可以節(jié)省30%以上的材料。在節(jié)省材料的同時,內(nèi)部結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)需求結(jié)合聲學、力學等原理做到最優(yōu)化,所以它的壁厚可以做得很薄,現(xiàn)在常規(guī)的建筑一般是24厘米寬度,打印建筑可以做到18厘米甚至更