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3D打印技术-简介主讲：刘波机电工程系·模具教研室什么是3D打印11、3D打印名词解释•3D打印技术（3DPrinting）有很多个称呼，学术上称之为快速成型技术(RapidPrototypingManufacturing，简称RPM)，3D打印技术从制造工艺的技术上划分它叫做增材制造（AdditiveManufacturing，简称AM）。•它是一种以3D设计模型文件为基础，运用不同的打印技术、方式使特定的材料，通过逐层堆叠、叠加的方式来制造物体的技术。•2、快速成型技术产生的背景—全球制造战略的变迁全球制造业企业的整体发展战略已经从上世纪60年代“如何做的更多”、70年代“如何做的更便宜”、80年代“如何做的更好”发展到90年代的“如何做的更快”。3、快速成型系统的组成快速成型系统是下面若干先进技术集成的。（1）计算机辅助设计(CAD)（2）计算机辅助制造(CAM)（3）计算机数字控制(CNC)（4）激光（5）精密伺服驱动（6）新材料关于3D打印机23D打印机的类型•目前国内还没有一个明确的3D打印机分类标准，但是我们可以根据设备的市场定位将它简单的分成三类：个人级、专业级、工业级。1、个人级3D打印机•国内各大电商网站上销售的个人3D打印机为例，大部分国产的3D打印机都是基于国外开源计术延伸的，由于采用了开源技术，技术成本得到了很大的压缩因此售价在3千至1万不等，十分有吸引力。国外进口的品牌个人3D打印机价格都在2万至4万之间。这类设备都属于熔丝堆积技术（FDM技术为代表），•设备打印材料都以ABS塑料或者PLA塑料为主。主要满足个人用户生活中的使用要求，因此各项技术指标都并不突出，优点在于体积小巧，性价比高。92、专业级3D打印机•专业级的3D打印机，可供选择的成型技术和耗材（塑料、尼龙、光敏树脂、高分子、金属粉末等）就要比个人3D打印机要丰富很多。设备结构和技术原理相比起来更先进自动化更高，应用软件的功能以及设备的稳定性也是个人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。国内外部分选择性激光烧结快速成型设备一览表第二节选择性激光烧结的材料及设备3、工业级3D打印机•工业级的设备除了要满足材料上面的特殊性，制造大尺寸的物件等要求。更关键是物品制造后它需要符合一些列的特殊应用的标准，因为这类设备制造出来的物体是直接应用的。•比如飞机制造中用到的钛合金材料，就需要对物件的刚性、任性、强度等等参数有一系列的要求。由于很多设备是根据需求定制的因此价格很难估量了。4、全彩色打印机•这里说的彩色可不是几个简单的颜色没有过度混合起来。能否支持彩色打印还是需要看3D打印机所采用的技术是否在打印过程中给材料进行染色或者混色。•目前实现彩色打印主要两种方式•采用的3D打印技术是否有条件在打印过程中给材料染色。•采用的3D打印技术是否支持多种耗材，不同颜色的耗材在打印的时候进行混色。现有3D打印技术3141、叠层实体快速成型工艺(LOM)152、选择性光固化快速成型工艺（SLA）163、选择性激光烧结（SLS）174、选择性激光烧结-塑料184、熔融沉积视频：专访立模激光，日本OPM金属粉末激光造型(金属3D打印)复合加工打印人体器官（选看）3D打印的特点41、3D打印的优势•就目前的发展情况来分析，3D打印机并不适合用来大批量生产，与传统制造模式相比，它的优越性在于可以短时间内快速的完成用户需求的小批量定制化物件，降低新产品开发研制的成本和投资风险，缩短了新产品研制和投放市场的周期。2、3D打印的局限性快速成型技术发展到目前阶段，主要存在两大局限：（1）由于成型材料种类和成本的限制，原型多为模型而非实际需要的工作零件；（2）因数据处理及制作工艺等限制，快速成型系统制作的原型很难达到与CAD设计相同的尺寸精度和实际使用要求的表面质量。2、3D打印的局限性•耗材成本，相同的耗材3D打印机成本高于传统工艺材料。•打印精度、打印尺寸的限制，虽然现在有条件现实大尺寸的打印，但是尺寸做大以后物品变形、缺陷等精度问题也随之而来，因此还是需要实验调整材料配方和制作流程才能使其稳定。•生产效率，与传统的生产线相比3D打印更像个是手工工匠，在确保细节精度的情况下，制作一个16厘米以上的人像，通常需要大于8个小时。3D打印应用领域53D打印应用领域•目前，3D打印技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。1.概念模型可视化计算机软硬件技术的发展使传统的图纸式设计走向现代化的三维概念设计。尽管目前造型软件的功能十分强大，但设计出来的概念模型仍然停留在计算机屏幕上，概念模型的可视化是设计人员修改和完善设计十分渴求而又十分必要的。有人比较形象化地形容，快速成型系统相当于一台三维打印机，能够迅速地将CAD概念设计的物理模型非常高精度地概念设计可视化“打印”出来。这样，在概念设计阶段，设计者就有了初步设计的物理模型，借助于物理模型，设计者可以比较直观地进行进一步的设计，大大提高了产品设计的效率和可靠性。如设计者可以进行模型的合理分析和模型的观感分析，根据原型或零件评价设计正确与否并可加以改正，如图所示。第一节快速原型的基本用途新产品的开发总是从外形设计开始的，外观是否美观和实用往往决定了该产品是否能够被市场接受。传统的加工方法中，二维工程视图在设计加工和检测方面起着重要作用。其做法是根据设计师的思想，先制作出效果图及手工模型，经决策层评审后再进行后续设计。但由于二维工程视图或三维观感图不够直观，表达效果受到很大限制，而手工制作模型耗时又长，精度较差，修改也困难。快速成型制造技术能够迅速地将设计师的设计思想变成三维实体模型，既可节省大量的时间，又能精确地体现设计师的设计理念，为产品评审决策工作提供直接、准确的模型，减少了决策工作中的不正确因素。第一节快速原型的基本用途2.设计评价利用快速成型制造技术制作出的样件能够使用户非常直观地了解尚未投入批量生产的产品外观及其性能并能及时作出评价，使厂方能够根据用户的需求及时改进产品，为产品的销售创造有利条件并避免由于盲目生产可能造成的损失。同时，投标方在工程投标中采用样品，可以直观、全面地提供评价依据，使设计更加完善，为中标创造有利条件。在产品开发与设计过程中，由于设计手段和其他方面的限制，每一项设计都可能存在着一些人为的设计缺陷。如果未能及早发现，就会影响后续工作，造成不必要的损失，甚至会导致整个设计的失败。使用快速成型制造技术可以将这种人为的影响减少到最低限度。快速成型制造技术由于成型时间短、精度高，可以在设计的同时制造高精度的模型，使设计者能够在设计阶段对产品的整体或局部进行装配和综合评价，从而发现设计上的缺陷与不合理因素，改进设计。第一节快速原型的基本用途因此，快速成型制造技术的应用可把产品的设计缺陷消失在设计阶段，最终提高产品整体的设计质量。下图给出的是某新型豪华客车用于外观评估的经过喷漆等处理的RP模型，该模型大小为实际尺寸的1/10某新型豪华客车用于外观评估的RP模型第一节快速原型的基本用途3.装配校核进行装配校核、干涉检查等对新产品开发，尤其是在有限空间内的复杂、昂贵系统（如卫星、导弹）的可制造性和可装配性检验尤为重要。如果一个产品的零件多而且复杂就需要做总体装配校核。在投产之前，先用快速成型制造技术制作出全部零件原型，进行试安装，验证设计的合理性和安装工艺与装配要求，若发现有缺陷，便可以迅速、方便地进行纠正，使所有问题在投产之前得到解决。下图为某发动机气缸部件中气缸盖改进设计后制作的用于装配检验的LOM模型。用于装配检验的气缸盖LOM模型第一节快速原型的基本用途4.性能和功能测试快速原型除了可以进行设计验证和装配校核外，还可以直接用于性能和功能参数试验与相应的研究，如机构运动分析、流动分析、应力分析、流体和空气动力学分析等。采用快速成型制造技术可严格地按照设计将模型迅速地制造出来进行实验测试，对各种复杂的空间曲面更体现快速成型制造技术的优点。如风扇、风毂等设计的功能检测和性能参数确定，可获得最佳扇叶曲面、最低噪音的结构。如果用传统的方法制造原型，这种测试与比较几乎是不可能的。第一节快速原型的基本用途用于运动功能测试的凸轮模型右图给出的是为检验凸轮设计能否实现某机构的机械传动而制作的用于传动功能检测的LOM模型。通过装机运转检测，根据反馈的信息进行了数次改进设计，最终获得了能够完全满足运动要求的凸轮结构。采用SLS工艺快速制造内燃机进气管模型，如图所示，可以直接与相关零部件安装，进行功能验证，快速检测内燃机运行效果以评价设计的优劣，然后进行针对性的改进以达到内燃机进气管产品的设计要求。采用SLS工艺制作的内燃机进气管模型第一节快速原型的基本用途总体来说，通过快速制造出物理原型，可以尽早地对设计进行评估，缩短设计反馈的周期，方便而又快速地进行多次反复设计，大大提高了产品开发的成功率，开发成本大大降低，总体的开发时间也大大缩短。5.快速模具的母模快速原型的另一大类应用就是作为翻制快速经济模具的母模，如硅橡胶模具、聚氨酯模具、金属喷涂膜具、环氧树脂模具等软质模具进行单件小批量的试制以及浇注石膏、陶瓷、金属基合成材料、金属等硬质模具进行塑料件或金属制件的批量生产。快速原型用作快速模具的母模是快速成型制造技术经济效益的延伸和另一亮点。下图给出的是采用LOM原型翻制硅橡胶模具并进行产品快速制作的例子。第一节快速原型的基本用途LOM原型做母模翻制的硅胶模具及产品环氧树脂模具因为成本低廉且制件数量较硅橡胶模具大而适合于小批量产品的试制。环氧树脂模具的制作同样需要RP模型做母模，通过树脂材料及添加材料浇注而成，模具的寿命可以达到数百件，模具的表面质量主要取决于原型母模的表面质量，尺寸精度可以达到±0.1mm。图给出的是环氧树脂模具制作产品的例子。环氧树脂模具及产品第一节快速原型的基本用途6.直接制作快速模具采用快速成型技术可以直接制作不同用途的模具。采用SLS法可直接烧结金属模具和陶瓷模具，用作注塑、压铸、挤塑等塑料成型模及钣金成形模。DTM公司用RapidTool™专利技术，在SLS系统Sinterstation2000上将Rapidsteel粉末（钢质微粒外包裹一层聚酯）进行激光烧结得到模具后放在聚合物的溶液中浸泡一定时间，然后放入加热炉中加热使聚合物蒸发，接着进行渗铜，出炉后打磨并嵌入模架内即可。图给出了采用上述工艺制作的高尔夫球头的模具及产品。采用SLS工艺制作高尔夫球头模具及产品第一节快速原型的基本用途7、复杂金属零件的快速无模具铸造将SLS激光快速成型技术与精密铸造工艺结合起来，特别适宜具有复杂形状的金属功能零件整体制造。在新产品试制和零件的单件小批量生产中，不需复杂工装及模具，可大大提高制造速度，并降低制造成本。下图给出了若干由快速无模具铸造方法制作的产品。由快速无模具铸造方法制作的产品选择性激光烧结工艺应用示例其它技术应用3D打印流程6熔融沉积快速成型的工艺过程可以分为前处理、成型及后处理三个阶段。CAD三维建模工艺参数拟定前处理成型后处理1.前处理—CAD数字建模a)2D图纸b)三维造型图5-10海宝笔筒2D图纸与三维造型•补充:STL文件的格式STL文件的主要优势在于表达简单清晰，文件中只包含相互衔接的三角形片面节点坐标及其外法矢。STL数据格式的实质是用许多细小的空间三角形面来逼近还原CAD实体模型，这类似于实体数据模型的表面有限元网格划分，如图7-5所示。STL模型的数据是通过给出三角形法向量的三个分量及三角形的三个顶点坐标来实现的。STL文件记载了组成STL实体模型的所有三角形面，它有二进制（BINARY）和文本文件（ASCII）两种形式。图采用STL数据格式描述的CAD模型第二节STL数据文件及处理图5-11切层软件界面1.前处理—载入