基于增材思維的創(chuàng)成式正向設(shè)計 課件 0章增材制造技術(shù)概述

基于增材思維的創(chuàng)成式正向設(shè)計

第一章增材制造技術(shù)引發(fā)的革命增材制造技術(shù)引發(fā)的革命

目錄增材制造技術(shù)簡介增材制造的優(yōu)勢增材制造在生產(chǎn)領(lǐng)域的典型應(yīng)用增材制造技術(shù)引發(fā)的設(shè)計革命第1課授課教師：增材制造技術(shù)簡介

增材制造技術(shù)簡介增材制造，即3D打印，它是一種全新的制造工藝，完全不同于傳統(tǒng)材料“去除型”的加工工藝。這種加工方法主要是一個不斷添加的過程，在計算機控制下層疊原材料。增材制造的內(nèi)容可以源于三維模型或其他電子數(shù)據(jù)，其打印出的三維物體可以擁有任何形狀和幾何特征。生物3D打印機圖片來源CREALITY

增材制造技術(shù)簡介最早的增材制造技術(shù)出現(xiàn)于20世紀80年代，1981年，日本名古屋市工業(yè)研究所的小玉秀男發(fā)明了兩種利用光硬化聚合物的增材制造三維塑料模型的方法；1984年，美國3D系統(tǒng)公司的查克·赫爾發(fā)明了立體光刻，用紫外激光固化高分子光聚合物，將原材料層疊起來。上世紀90年代中期，美國史丹佛大學(xué)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)開發(fā)出了材料沉積新技術(shù)，包括微鑄造和噴涂材料，他們的成果使增材制造技術(shù)真正成熟起來。3D打印技術(shù)之父——查克·赫爾圖片來源搜狐

增材制造技術(shù)簡介增材制造的概念的闡述可以從“廣義”和“狹義”兩個角度出發(fā)，如圖所示。從“廣義”的角度出發(fā)，增材制造的基本特征是材料的累加，它是以直接制造零件為目標的大范疇技術(shù)群。而從“狹義”的角度出發(fā)，增材制造則是指不同的能量源與CAD/CAM技術(shù)結(jié)合、分層累加材料的技術(shù)體系。增材制造的概念

增材制造技術(shù)簡介目前，圍繞增材制造出現(xiàn)了許多令人眼花繚亂的稱謂：快速成型、直接數(shù)字制造、增量制造、“3D打印”、“實體自由制造”、增層制造等。2009年美國材料實驗協(xié)會（ASTM）專門成立了F42委員會，將各種以材料堆積為特征的加工技術(shù)統(tǒng)稱為“增材制造”技術(shù)，在國際上取得了廣泛認可與應(yīng)用。部分增材制造產(chǎn)品圖片來源魔猴

增材制造技術(shù)簡介實際上在我們的日常生產(chǎn)、生活中類似“增材”的例子很多，例如：機械加工的堆焊、建筑物（樓房、橋梁、水利大壩等）施工中的混凝土澆筑、陶瓷回轉(zhuǎn)體成型等。增材方法的基本原理就是將三維物體的模型模擬成若干個二維的薄片狀平面層，然后利用設(shè)備分別制造各薄片層，并逐層堆積，最終完成所需的三維零件。增材制造的原理圖片來源Wikipedia

增材制造技術(shù)簡介增材制造模型可以使用CAD軟件包或三維掃描儀生成。手動搜集制作3D圖像所需的幾何數(shù)據(jù)過程同雕塑等造型藝術(shù)類似，通過3D掃描，可以生成關(guān)于真實物體的形狀、外表等的電子數(shù)據(jù)并進行分析。以3D掃描得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，就可以生成被掃描物體的三維數(shù)字模型。需要特別指出的是，無論使用哪種3D建模軟件，生成的3D模型（通常為.skp、.dae、.3ds或其它格式）都需要轉(zhuǎn)換成.STL或.OBJ這類打印機可以讀取的格式。.STL格式下的三維模型

增材制造技術(shù)簡介使用STL格式文件打印3D模型前需要先進行“流形錯誤”檢查，這一步通常稱為“修正”。對于采用3D掃描獲得的模型來說，STL文件“修正”尤其重要，因為這樣的模型通常會有大量流形錯誤。常見的流形錯誤包括，各表面沒有相互連接，或是模型上存在空隙等。Meshmixer修正軟件的交互界面

增材制造技術(shù)簡介完成修正后，用戶可以使用“切片機”軟件功能將存儲為STL文件的數(shù)字模型轉(zhuǎn)換成一系列薄層，同時生成G代碼（加工代碼）文件，其中包括針對某種增材制造打印機（如FDM打印機）的定制指令。接下來，用戶可以用打印客戶端軟件打印G代碼文件，這種客戶端軟件可以利用加載的G代碼指示3D打印機完成打印過程。增材制造設(shè)備根據(jù)G代碼從不同的橫截面將液體，粉末，紙張或板材等材料一層層組合在一起。這些層次與計算機輔助設(shè)計模型中的虛擬層次都是相對應(yīng)的。這些真實的材料層或人工或自動地拼接起來形成增材制造成品。模型切片

增材制造技術(shù)簡介增材制造按照其加工材料的類型和方式，可以分為金屬成形、非金屬成形、生物材料成形等三種分類方式，如圖所示常見分類增材制造技術(shù)簡介增材打印機類型增材打印機類型工藝材料材料擠出成型熔融沉積成型（FDM）或熔絲制造（FFF）熱塑性塑料（例如，PLA、ABS樹脂、HIPS、尼龍）、HDPE、共晶、食用材料、橡膠（萬能橡皮泥）、雕塑粘土、普萊斯蒂辛橡皮泥、室溫硫化有機硅、瓷、金屬粘土（包括貴金屬粘土）自動注漿成型陶瓷材料、金屬合金、金屬陶瓷、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料金屬線路型電子束無模成型制造器（EBF3）幾乎所有金屬合金激光粉末燒結(jié)成型直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）幾乎所有金屬合金電子束熔煉（EBM）包括鈦合金在內(nèi)的幾乎所有金屬合金激光選區(qū)熔化（SLM）鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、鋁選擇性熱燒結(jié)（SHS）熱塑性粉末選擇性激光燒結(jié)（SLS）熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末粘結(jié)劑噴射成型石膏3D打?。≒P）石膏層積型分層實體制造（LOM）紙張、金屬箔、塑料薄膜光敏聚合物固化成型立體光刻（SLA）光聚合物（環(huán)氣樹脂，丙烯酸脂）數(shù)字光處理（DLP）光聚合物第2課授課教師：增材制造的優(yōu)勢

增材制造的優(yōu)勢增材制造技術(shù)有助于促進設(shè)計-生產(chǎn)過程從平面思維向立體思維的轉(zhuǎn)變。盡管CAD為三維構(gòu)想設(shè)計提供了重要的工具，但虛擬數(shù)字三維構(gòu)型仍然不能完全推演出實際結(jié)構(gòu)的裝配特性、物理特征、運動特征等諸多屬性。CATIA構(gòu)建的三維模型圖片來源網(wǎng)絡(luò)

增材制造的優(yōu)勢增材制造技術(shù)可以實現(xiàn)三維設(shè)計、檢驗與優(yōu)化，甚至直接制造，直面零件的三維屬性進行設(shè)計與生產(chǎn)，擺脫了傳統(tǒng)二維制造流程的束縛，極大地簡化設(shè)計流程，促進產(chǎn)品技術(shù)的更新與性能優(yōu)化。增材制造技術(shù)實現(xiàn)了零件制造的“自由”，無需傳統(tǒng)制造的多重加工工序，一臺設(shè)備就可以快速的制造出任意復(fù)雜形狀的并精密的零件，極大地解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件成型的困難，簡化制作流程和制作工序、縮短加工周期?？焖僭停焖衮炞C圖片來源網(wǎng)絡(luò)

增材制造的優(yōu)勢增材制造技術(shù)能夠改造現(xiàn)有的技術(shù)形態(tài)，促進制造技術(shù)提升。利用增量制造技術(shù)提升現(xiàn)有制造技術(shù)水平的典型是鑄造行業(yè)。利用增材制造蠟?zāi)？梢詫⑸a(chǎn)效率提高數(shù)十倍，并且產(chǎn)品質(zhì)量和一致性也得到大大提升；利用三維打印技術(shù)生產(chǎn)用于金屬制造的砂型，大大得提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。增材制造生成的金屬部件圖片來源網(wǎng)絡(luò)增材制造的優(yōu)勢增材制造技術(shù)可以滿足航空/航天器等裝備研制低成本、短周期的需求。統(tǒng)計顯示，我國大型航空鈦合金零件材料的利用率平均不超過10%，利用率極低；并且模鍛、鑄造等傳統(tǒng)加工方式需要大量的工裝模具，將會帶來研制成本的飆升。而通過高能束流增材制造技術(shù)，在節(jié)省三分之二以上材料的同時，還可以減少一般以上的數(shù)控加工時間；并且無須模具，因此能夠?qū)⒀兄瞥杀居绕涫鞘准?、小批量的研制成本大大降低，?jié)省國家寶貴的科研經(jīng)費。增材制造下頜骨圖片來源網(wǎng)絡(luò)

增材制造的優(yōu)勢此外，增材制造技術(shù)也適用于稀缺或停產(chǎn)設(shè)備備件的生產(chǎn)和制造。例如已經(jīng)停產(chǎn)許久的汽車、飛機、國防等設(shè)備的零部件，即使在缺少CAD圖紙和相應(yīng)工模具，甚至設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)倒閉，相關(guān)備件無法取得的情況下，都可以利用逆向工程技術(shù)快速得到其三維CAD模型，并使用增材制造快速產(chǎn)出所需備件。利用增材制造技術(shù)加工的已停產(chǎn)工件圖片來源網(wǎng)絡(luò)

增材制造的優(yōu)勢增材制造技術(shù)還可以制造出極端復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，如超大、超厚、復(fù)雜型腔等，甚至是帶有帶有空間曲面及密集復(fù)雜孔道結(jié)構(gòu)扽，這類外形極端復(fù)雜的中小型零件。用其他方法很難制造，但通過高能束流增量制造技術(shù)，可以節(jié)省三分之二以上的材料，減少一半以上的數(shù)控加工時間，甚至可以實現(xiàn)零件的凈成形，僅需拋光即可裝機使用。利用增材制造技術(shù)加工的復(fù)雜工件圖片來源網(wǎng)絡(luò)

增材制造的優(yōu)勢

通過上述總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，增材制造技術(shù)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）設(shè)計上的高度自由；2）小批量生產(chǎn)經(jīng)濟性；3）材料利用效率高；4）生產(chǎn)可預(yù)測性好；5）簡化生產(chǎn)工序環(huán)節(jié)。

增材制造的優(yōu)勢

增材制造承載著廣闊發(fā)展前景的同時，也擔(dān)負著巨大的挑戰(zhàn)