3D打印讲义

13D打印讲义数控教研室上海工商职业技术学院2前言3D打印是一种快速成型技术，它以3D数字模型为原型，通过逐层堆叠累积的方式将3D模型构建成为真实的物体。3D打印技术为各行各业带来了新的发展机遇，美国《时代》周刊把3D打印技术列为“美国十大增长最快的工业”；英国《经济学人》杂志认为3D打印将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。上海工商职业技术学院是一所以发展工科专业为主的高职院校，建院二十多年，一直走在新学科、新技术的前沿，研究开发3D打印技术是学院的一个发展方向。数控教研室2015年10月3目录第一章3D打印技术概论第一节打印技术概论第二节3D打印技术第二章CAD基础第一节CAD基础知识第二节二维绘图第三节三维绘图第四节绘制实体例题第三章3D打印机第一节3D打印机结构第二节3D打印机工艺第三节3D打印机操作第四节作品制作4第一章3D打印技术概论第一节打印技术概论一、3D打印起源3D打印技术的理念最早起源于19世纪照相雕塑（Photosculpture）技术和地貌成形（Topography）技术（如图1-1-1所示），这是快速成型技术（3D打印技术）的核心思想。虽然3D打印技术起源很早，但是受限于当时的材料技术，以及计算机技术等众多因素，因此没有实现广泛应用与商业化，3D打印技术正式研究开始于20世纪70年代，在80年代3D打印技术开始走向成熟，取名为“快速成形”。图1-1-1地貌成形二、3D打印分类3D打印技术（3DPrinting）有很多个名称，学术上称之为快速成型技术(RapidPrototypingManufacturing，简称RPM)，制造工艺技术称之为增材制造（AdditiveManufacturing，简称AM）。3D打印技术以3D设计模型文件为基础，运用不同的打印技术、方式，使用特定的材料，通过逐层堆叠、叠加的方式来制造物体。目前国内还没有一个明确的3D打印机分类标准，根据市场定位简单分成三个等级：个人级、专业级、工业级3D打印机。1、个人级3D打印机以国内各大电商网站上销售的个人3D打印机为例（如图1-1-2所示），大部分国产3D打印机都是基于国外开源技术延伸，由于开发成本低，销售价格在3千至1万不等，对于个人5购买十分有吸引力，国外进口品牌个人3D打印机价格在2万至4万之间，这类设备都采用熔丝堆积技（FDM）。3D打印使用的打印材料主要是ABS塑料或者是PLA塑料。这类设备能满足个人用户生活需要，各项技术指标并不突出，优点在于体积小巧，性价比高，因此称之为个人级3D打印机。图1-1-2个人3D打印机2、专业级的3D打印机图1-1-3专业级3D打印机6专业级3D打印机（如图1-1-3所示），打印材料比个人3D打印机要丰富很多，可选用塑料、尼龙、光敏树脂、高分子、金属粉末等，设备结构和技术原理更先进，自动化程度则更高，应用软件的功能，以及设备稳定性也是个人3D打印机望尘莫及，这类设备售价都在十几万至上百万人民币。3、工业级3D打印机工业级3D打印机要满足材料的特殊需求（如图1-1-4所示），结构尺寸的特殊要求还需要符合一些列特殊应用的标准，往往这类3D打印机还要通过研发成功才能直接应用，比如飞机制造中使用钛合金材料，对3D打印的构件还要有强度、刚性、韧性的要求，由此可见，定制设备的价格很难估计了。图1-1-4工业级3D打印机7第二节3D打印技术一、3D打印材料1、ABS（工程塑料）2、PLA（环保无毒塑料）3、尼龙4、橡胶5、聚苯乙烯6、聚碳酸7、金属8、陶瓷二、3D打印技术1、FDM熔融沉积成型技术FDM熔融沉积成型技术采用丝状材料，如塑料丝和金属丝，利用电加热方式将丝状材料熔化（比熔点高10），如图1-2-1所示，在计算机控制下，喷头作X-Y平面运动，将熔化材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件一层截面，通过逐层涂覆堆积形成实体，涂覆层厚度由挤出丝直径决定，通常是0.25-0.5㎜。图1-2-1FDM熔融沉积成型技术8（1）FDM成型技术优点操作环境安全、干净、不产生拉圾，工艺简单、易于操作、尺寸精度较高、表面质量较好、原材料价格便宜，可以构建瓶状或者中空零件，降低生产成本。（2）FDM成型技术缺点相对而言，制造精度较低、表面质量较差、难以构造复杂的零件，截面垂直方向强度低、悬臂结构需要加支撑，成型速度较慢、不适合构建大型零件。（3）FDM成型技术应用1）打印蜡模打印的蜡模主要用于失蜡浇铸，用蜡模做型腔，提高铸模造型精度的铸件的浇铸质量，如浇铸钛合金材料的精密铸件。2）概念设计通过3D打印技术对产品进行工业造型设计，有了直观的实体，经过实体的外观评估，能提高方案评价的正确性和科学性，还为用户提供真实的样品，提高了用户的信任度。3）产品检测有了3D打印的产品，可以对产品进行装配干涉检查，对产品的功能测试，还可以审定设计图纸的正确性，利用3D打印的建模资料进行CAM处理，生成NC加工程序，生成的加工程序可以直接加工零件或者加工模具。2、SLA立体光刻技术如图1-2-2所示，SLA立体光刻技术使用液态光敏树脂为原料，应用CAD创建3D实体模型，再用3D打印软件进行切片处理生成扫描路径和G代码指令，通过数控系统控制扫描镜照射液态光敏树脂表面，使之逐点固化，由点至线，按由线到面的顺序完成每一层面的液态光敏树脂原料的固化，即由固化层叠加形成打印的3D实体。由此打印的实体再经过固化处理、打磨、电镀、喷漆或者着色处理，最终得到所要求的产品。9图1-2-2SLA立体光刻技术（1）FSLA立体光刻技术优点FSLA立体光刻技术是最早开发的快速成型制造工艺，因此技术成熟、制造精度高、打印速度快、能制造外形复杂的零件和模具。（2）SLA立体光刻技术缺点1）设备制造精度与控制精度高，因此设备制造成本高；2）打印树脂类材料，材料本身的强度、刚度和耐热性有限；3）操作技术难度大；4）由于材料的原因，立体光刻技术由少数企业垄断。（3）SLA立体光刻技术应用1）制造模型和模具2）替代精密制造的蜡模如制造涡轮、叶片和叶轮3）航空航天工业用于风洞试验制作各种复杂曲面进行流体（空气或液体）试验4）新产品装配干涉检查5）光弹试验运用模拟技术对重要零件进行动力、强度和刚度分析3、SLS激光烧结技术如图1-2-3所示，SLS激光烧结技术采用激光分层烧结固体粉未，使烧结成型的固化层叠10加生成所需要的零件。整个工艺装置由储粉缸和成形缸组成，储粉缸活塞上升，铺粉辊将粉未在成形缸上均匀铺上一层，计算机根据原型切片模型控制激光束扫描2D轨迹，烧结固体粉未形成打印零件的一个固化层面，接着成形缸活塞下降一层厚度，重复储粉缸活塞上升，铺粉辊将粉未在成形缸上均匀铺上一层，计算机根据原型切片模型控制激光束扫描2D轨迹，烧结固体粉未形成打印零件的一个固化层面的打印工艺，这样通过层层叠加，直至生成3D打印的零件。图1-2-3SLS激光烧结技术（1）SLS激光烧结技术优点1）使用的成型材料广泛，如石蜡、高分子、金属、陶瓷粉未和复合粉未材料；2）成型件用途广泛；3）设备制造成本低（2）SLS激光烧结技术缺点1）由于使用的成型材料广泛，技术不够成熟，工艺参数有待探索；2）制造电火花打印材料的物理性能、化学性能会影响激光参数和烧结参数，以及成型的精度和质量；3）打印的零件强度、精度不高，需要进一步处理提高零件的使用性能；4）金属粉易氧化（需要封闭装置充入保护气体）。11（3）SLS激光烧结技术应用1）任何可以粘结的粉未都可以作为SLS激光烧结的成型材料2）制造电火花加工电极以铁粉作基体原料，加入适量粘结剂烧结成型，再进行后续处理，如烧失粘结剂、高温焙烧、熔渗铜，最终成为电火花加工的电极；3）金属粉未激光烧结复合粉未激光烧结技术已经开始用于航空航天工业，烧结成型高熔点金属，3D打印无法切削加工的高强度零件；4）金属粉未坯料烧结低熔点金属粉未熔化粘结高熔点金属粉未。4、3D打印技术列表（如图1-2-4所示）图1-2-4打印技术列表代码3D打印技术基本材料SLS选择性激光烧结热塑性塑料、金属粉未、陶瓷粉未DMLS真接金属激光烧结任何合金FDM熔融沉积成型热塑性塑料、共晶金属、食用材料SLA立体平版印刷光硬树脂DLP数字光处理液态树脂FFF熔丝制造聚乳酸MEM融化压模金属丝、塑料丝LOM分层实体制造纸、金属膜、塑料薄膜EBM电子束熔化成型钛合金SHS选择性热烧结热塑性塑料粉未PP粉未层喷头3D打印石膏三、3D打印软件3D打印软件的功能，导入3D实体模型，输入3D打印工艺参数，将导入实体模型切片，生成层打印轮廓轨迹和打印机可以识别的G-code加工程序，这时讲述Cura3D打印软件的安装和应用。1、3D打印软件安装（1）下载安装文件-点击Cura_14.12.1.exe安装软件（2）如图1-2-5所示，弹出Cura_14.12.1Setup对话框12（3）Browse选择安装路径-点击Next按钮图1-2-5Cura_14.12.1Setup对话框图1-2-6Cura_14.12.1Setup对话框13（4）如图1-2-6所示，弹出Cura_14.12.1Setup对话框（5）勾选OpenSTLfilewithCura选项（6）点击Install按钮（7）如图1-2-7所示，弹出Cura_14.12.1Setup对话框图1-2-7Cura_14.12.1Setup对话框（8）点击点击Next按钮（9）如图1-2-8所示，弹出Cura_14.12.1Setup对话框（10）点击Finish按钮-完成软件安装14图1-2-8Cura_14.12.1Setup对话框2、Cura3D打印软件第一次运行（1）如图1-2-9所示，弹出弹出ConfiguratiomWizard对话框图1-2-9ConfiguratiomWizard对话框15（2）Selectlanguage:English-点击Next按钮（3）如图1-2-10所示，弹出Selestyourmachine对话框图1-2-10Selectyourmachine对话框（4）勾选Ultimaker选项-点击Next按钮（5）选择Skipupgrade(跳过固件更新)-点击Next按钮（6）选择Runcheeks-点击Next按钮（7）修改线材直径-点击Next按钮（8）点击Extrude100㎜filament按钮-点击Seve按钮-点击Finish按钮3、Cura基本设置（1）层高（Layerheight）一般设置0.2㎜，设置过小对打印质量帮助不大，反而影响打印速度。（2）外围层高（Wallthickness）一般设置为喷嘴的2倍，即打印中空的实体，如果大于22㎜没有意义。（3）顶端/底端层厚（Bottom/Topthicknesss）为了一致性，一般设置顶端/底端层厚与普通层高一样厚。（4）填充密度（FillDencity）100%含义打印零件是完整实体，填充80%与100%区别不16大，选择20-30%比较合适。（5）线条数目（LineCount）检查围绕模型画的线是否超越XY平台，一般选择为4。（6）打印速度（PrintSpeed）打印速度高、效率高、易产生毛剌。（7）打印温度（PrintTenmperature）打印PLA材料，设置温度2200；打印ABS材料，设置温度2400。（8）支撑类型（SupportType）可以选择打印地方支承，也可以选择任何打印地方支承。（9）增加底座（Addraft）如果没有热床，在物体下面打印一层，确保打印实体固定在平面上。（10）线材直径（Diameter）输入打印材料的直径，精确测量后填入。（11）打包密度（PackingDensity）打印PLA材料，设置打包密度为1；打印ABS材料，设置打包密度为0.85。4、Cura高级设置（1）喷嘴直径（Nozzlesize）填写实际喷嘴直径（2）机器中心位置（MachinecenterX、MachinecenterY）输入打印平台中心坐标。（3）最小经过距离（Minimaltravel）设置线材回抽参数，设置喷头移动打印