3D打印技术介绍-郝庆栋.

山东大学3D打印技术介绍报告人：郝庆栋ResearchCenterforSustainableManufacturing2报告提纲发展瓶颈应用领域/发展趋势国内外现状3D打印机的几种技术简介3D打印技术定义相关技术难点3D打印成品鉴赏ResearchCenterforSustainableManufacturing33D打印这个名称是近年来该产品针对民用市场而出现的一个新词，是通俗叫法，其实在专业领域它有其它学术名称“快速成形技术”(及“快速原型制造技术”、“增量制造技术”、“增材制造技术”)。一、3D打印技术定义3DCADFile三维CAD文件3DPrinter三维打印机3DModel三维模型ResearchCenterforSustainableManufacturing4快速成形技术诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状，根据零件或物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。一、3D打印技术定义SpreadLayerofPowder铺开一层粉末PrintCross-Section打印横截面12SpreadLayerofPowder打印粉末层3ResearchCenterforSustainableManufacturing5二、3D打印机的几种技术简介3D打印机的技术：现在市面上已经有十几种不同的3D打印机的技术，其中比较成熟的有SLS、SLA、LOM和FDM等方法。ResearchCenterforSustainableManufacturing6二、3D打印机的几种技术简介SLS(SelectiveLaserSintering)选择性激光烧结SLS最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carlckard（C.R.Dechard）于1989年在其硕士论文中提出的。后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备SinterSation。SLS技术3D打印机的工作原理：整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。ResearchCenterforSustainableManufacturing7二、3D打印机的几种技术简介SLA(StereolithographyAppearance)立体光固化成型法用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料(液态光敏树脂原料)表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。材料为感光树脂。ResearchCenterforSustainableManufacturing8二、3D打印机的几种技术简介分层实体制造LOM（LaminatedObjectManufacturing）它以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。ResearchCenterforSustainableManufacturing9二、3D打印机的几种技术简介FDM（FusedDepositionModeling）熔积成型该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。ResearchCenterforSustainableManufacturing10二、3D打印机的几种技术简介3DP(Three-DimensionalPrinting)微喷射粘结技术将制件的CAD三维模型根据工艺要求进行离散分层得到一系列的层片，按照这些层片的轮廓信息，铺粉装置逐层铺粉，且喷头喷射粘结剂微滴选择性地固化一层一层的粉末，形成各截面轮廓，并逐步有序地叠加成三维实体。但3DP工艺通过粉末的粘连而堆积成形，成形的制件具有疏松多孔的结构，这种结构会使制件的强度偏低，成形的制件需采用后处理强化工艺使组织致密化以提高其强度，且后处理工艺（如高温烧结、热等静压）会使制件体积严重收缩。ResearchCenterforSustainableManufacturing11三、国内外研究现状23451996年，3DSystems公司推出Actua2100，第一次使用了3D打印机称谓2005年，ZCroporation发布SpectrumZ510，世界上第一台彩色3D打印机以色列objet公司，是快速成型和快速制造的光固化技术先锋南非科工研究理事会在一种最新的快速成型制造技术上取得突破2011年3D打印市场规模17.1亿美元。1国外研究现状ResearchCenterforSustainableManufacturing三、国内外研究现状国外3D打印实例2012年8月，世界上第一辆3D打印赛车“阿里翁”使用Stratasys3D打印机以及从网络上下载的设计图，成功打印出了AR-15步枪的下机匣，并把它变成了一支枪3D打印做成的鲜肉特别有弹性，而且烹饪后肉质松散有嚼头，丝毫不逊于真正的肉ResearchCenterforSustainableManufacturing13三、国内外研究现状2345中国从1994年开始研究3D打印北京隆源公司于1995年成功研发了一台AFS激光快速成型机北京航空航天大学“变形开裂”和内部缺陷和内部组织”控制等“瓶颈难题”是快速成型和快速制造的光固化技术先锋2012年，南风股份决定投资“重型金属构件电熔精密成型技术产业化项目”2012年在北京召开3D打印技术研讨会1国内研究现状ResearchCenterforSustainableManufacturing三、国内外研究现状国内3D打印实例王华明教授及其科研团队在飞机钛合金大型整体主承力结构件激光快速成形工艺研究、工程化成套装备研发与装机应用关键技术攻关等方面取得了突破性的进展，无需大型锻造工业装备、大型锻造模具及锻坯制备加工；机械加工余量小、材料利用率高、生产周期短；加工过程实现结构件“近净成形”，只需一步完成；加工设计灵活度高，可以实现特殊功能零部件的“原位”铸造；所制备的零件具有优异的综合力学性能等。该技术大大降低了制造成本，提高了制造效率与加工质量，被国内外公认为是对飞机、发动机、燃气轮机等重大工业装备研制与生产具有重要影响的核心关键制造技术之一。北京航空航天大学首创3D打印制造飞机大型钛合金风挡ResearchCenterforSustainableManufacturing三、国内外研究现状国内3D打印实例通过对这一技术的应用，福特汽车的工程师就可以快速制作出一系列具有细微差异的可测试部件来帮助开发出最合适的部件，从而确保其最后生产的车型是选用了最好的零部件。而由此带来的好处是提高了整个开发效率，缩短了上市周期，并降低了时间和成本ResearchCenterforSustainableManufacturing16软件开发中的算法专用的3D打印成形工艺金属材料最佳烧结参数软件大功率光纤激光器粉末处理系统粉末床预热温度场均匀控制装置硬件But四、3D打印相关技术难点ResearchCenterforSustainableManufacturing17五、应用领域/发展趋势到目前为止，各类3D打印机设备上所使用的材料种类有很多，树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末。从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用3D打印机技术，使得3D打印机技术有着广阔的前景。3D打印技术已在工业造型、产品设计（实物模型/样件）、机械制造、模具制造、航空航天(风洞用实体模型)、军事、建筑设计、影视、家电(开发新产品)、轻工、医学(人体器官模型、骨骼)、艺术创作、考古/文物复制、数字雕刻、首饰等领域都得到了较为广泛的应用。应用领域ResearchCenterforSustainableManufacturing18五、应用领域/发展趋势打印机价格目前，3D打印机的发展在走两条完全不同的路，一条是面向工业和行业应用，成为彻底的工业生产工具，另一个方向则是3D打印的个人桌面化，为极客们的创意提供变现的可能。工业级3D打印机较为昂贵，价格从1.5万美元到100多万美元不等，主要用在高端产品设计或者研究领域。在打印的精细程度以及打印材料的广泛程度上，工业级3D打印机远超个人桌面级机器，当然，价格也在另一个层级上。伴随一些3D打印商纷纷将目标客户拓展至个人，低价策略也成为了一种趋势。比如3DSYSTEM公司的竞争对手STRATASYS，就推出了适合个人的MOJO3D打印机（售价9900美元)。该机型不依靠激光作为成型能源，可以将各种丝材加热溶化成型。+ResearchCenterforSustainableManufacturing19六、3D打印瓶颈成本（耗材的价格）目前已经研究出可以使用在3D打印机上的材料约有14种，在此基础上又可混搭出107种。这些材料多为粉末或者黏稠的液体，从价格上来看，便宜的几百块一公斤，最贵的一公斤则要4万元以上。目前该技术做做样品和教学还可以。打印材料（耗材）的多样性/可用性耗材的局限性是3D打印不得不面对的现实。目前，3D打印的耗材非常有限，现有的市场上的耗材多为石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等。如果真要“打印”房屋或汽车，光靠这些材料是远远不够的。比如最重要的金属构件，这恰恰是3D打印的软肋。打印的精度成型精度和质量问题，也在困扰先临三维。他们称，由于3D打印工艺发展还不完善，特别是对快速成型软件技术的研究还不成熟，目前快速成型零件的精度及表面质量大多不能满足工程直接使用，不能作为功能性部件，只能做原型使用。打印的速度现阶段，3D打印机无法作为大规模生产的手段，只能作用于原型开发或者单件制造。在生产效率上，3D打印技术虽发端于“快速成型”，耗时还是得以小时来计，尚难满足批量生产的要求。成品力学性能3D打印出来的成品的力学性能，如强度、构件疲劳、断裂韧性等主要力学性能，与铸件、锻件相比，往往不如山东大学3D成型打印机三维模型案例ResearchCenterforSustainableManufacturing建筑与地形三维成型打印案例ResearchCenterforSustainableManufacturingResearchCenterforSustainableManufacturingResearchCenterforSustainableManufacturingResearchCenterforSustainableManufacturingResearchCenterforSustainableManufacturingResearchCenterforSustainableManufact