3D打印技術(shù)及應(yīng)用 （課堂PPT）

1、快速成型技術(shù)（快速成型技術(shù)（3D打?。┐蛴。?2017/11/08隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)完成了從工廠業(yè)手工向機(jī)器大工業(yè)的過隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)完成了從工廠業(yè)手工向機(jī)器大工業(yè)的過渡，從而改變了人們生活與工作方式。在日新月異的信息化、智能化浪渡，從而改變了人們生活與工作方式。在日新月異的信息化、智能化浪潮中，人們個性化的需求意見日漸增長。未來的產(chǎn)業(yè)將是生產(chǎn)那些個性潮中，人們個性化的需求意見日漸增長。未來的產(chǎn)業(yè)將是生產(chǎn)那些個性化的產(chǎn)品，未來的制造工廠也會漸漸被分散的個人取代，實現(xiàn)化的產(chǎn)品，未來的制造工廠也會漸漸被分散的個人取代，實現(xiàn)“社會制社會制造造” 。社會制造的關(guān)鍵是主動、實時地將社會需求

2、和社會制造能力有機(jī)地社會制造的關(guān)鍵是主動、實時地將社會需求和社會制造能力有機(jī)地銜接起來，從而實現(xiàn)和供應(yīng)之間的相互轉(zhuǎn)換。而銜接起來，從而實現(xiàn)和供應(yīng)之間的相互轉(zhuǎn)換。而3D打印是一種可以快打印是一種可以快速實現(xiàn)社會需求速實現(xiàn)社會需求-“數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型”向個性化產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的技術(shù)，將互聯(lián)網(wǎng)、向個性化產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的技術(shù)，將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)和3D打印技術(shù)組成社會制造的網(wǎng)絡(luò)，通過眾包的方式打印技術(shù)組成社會制造的網(wǎng)絡(luò)，通過眾包的方式讓民眾充分參與產(chǎn)品的全生命制造過程，必會促進(jìn)個性化、實時化、經(jīng)讓民眾充分參與產(chǎn)品的全生命制造過程，必會促進(jìn)個性化、實時化、經(jīng)濟(jì)化的生產(chǎn)和消費模式，形成新的產(chǎn)業(yè)革命。

3、濟(jì)化的生產(chǎn)和消費模式，形成新的產(chǎn)業(yè)革命。3D打印模型 快速成型快速成型(Rapid Prototyping,簡稱簡稱RP)技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的, 快速成型技術(shù)是近年來發(fā)展起來的直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)總稱，它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。與傳統(tǒng)制造方法不同，快速成型從零件的CAD幾何模型出發(fā)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束或其他方法將材料堆積而形成實體零件。由于它把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和

4、制造柔性。其對制造業(yè)的影響可與20世紀(jì)50-60年代的數(shù)控技術(shù)相比，快速成型技術(shù)可以自動、直接、快速精確的將設(shè)計思路轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而可以對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行快速評估、修改及功能試驗，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期。3D打印技術(shù)的原理、特點打印技術(shù)的原理、特點21534制造技術(shù)分類制造技術(shù)分類去除制造去除制造切削加工等切削加工等切削機(jī)床切削機(jī)床受迫制造受迫制造鑄造、鍛造等鑄造、鍛造等鍛造機(jī)等鍛造機(jī)等粉、片、液體粉、片、液體等等3D打印打印制造裝備制造裝備仿生制造仿生制造？原原 理理工工 藝藝設(shè)設(shè) 備備方法論方法論3D打印技術(shù)（學(xué)術(shù)界稱為增材制造、快速成形等）打印技術(shù)（學(xué)術(shù)界稱為增

5、材制造、快速成形等）是通過對是通過對CAD數(shù)據(jù)離散分析，得到堆積的約束、路徑及方法，通過材料疊加堆積數(shù)據(jù)離散分析，得到堆積的約束、路徑及方法，通過材料疊加堆積而形成三維實體模型而形成三維實體模型基于離散和堆積原理基于離散和堆積原理也稱為也稱為“疊層制造疊層制造”學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)因具備計算機(jī)基本操作知識、三維設(shè)計軟件、機(jī)械打印技術(shù)因具備計算機(jī)基本操作知識、三維設(shè)計軟件、機(jī)械基礎(chǔ)、控制基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)信息等多學(xué)科知識?；A(chǔ)、控制基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)信息等多學(xué)科知識?？焖僦圃煸硎疽鈭D快速制造原理示意圖三維三維 二維二維 三維的轉(zhuǎn)換三維的轉(zhuǎn)換 CAD模型模型堆積成形堆積成形產(chǎn)品產(chǎn)品n3D打印技術(shù)變打印技術(shù)變“減

6、材減材”加工為加工為“立體打印立體打印”n將三維實體變?yōu)槎S平面，降低制造復(fù)雜度將三維實體變?yōu)槎S平面，降低制造復(fù)雜度n特別適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)、個性化制造及創(chuàng)新構(gòu)思的快速驗證特別適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)、個性化制造及創(chuàng)新構(gòu)思的快速驗證n3D打印技術(shù)具有成形材料廣、零件性能優(yōu)的突出特點打印技術(shù)具有成形材料廣、零件性能優(yōu)的突出特點215343D打印技術(shù)的優(yōu)點打印技術(shù)的優(yōu)點n拓展產(chǎn)品創(chuàng)意與創(chuàng)新空間拓展產(chǎn)品創(chuàng)意與創(chuàng)新空間、無需任何夾具，設(shè)計和制造一體無需任何夾具，設(shè)計和制造一體化?；＃涸O(shè)計人員不再受傳統(tǒng)工藝和制造資源約束，專注于產(chǎn)：設(shè)計人員不再受傳統(tǒng)工藝和制造資源約束，專注于產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新，在品形態(tài)創(chuàng)意和功能

7、創(chuàng)新，在“設(shè)計即生產(chǎn)設(shè)計即生產(chǎn)”、“設(shè)計即產(chǎn)品設(shè)計即產(chǎn)品”理念下，追求理念下，追求“創(chuàng)造無極限創(chuàng)造無極限”，解決了傳，解決了傳統(tǒng)的航空航天、統(tǒng)的航空航天、船舶船舶、汽車等動力裝備高端復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)零部件的制造難題。、汽車等動力裝備高端復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)零部件的制造難題。n極大降低產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新成本、縮短創(chuàng)新研發(fā)周期，提高新產(chǎn)極大降低產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新成本、縮短創(chuàng)新研發(fā)周期，提高新產(chǎn)品投產(chǎn)的一次成功率品投產(chǎn)的一次成功率 ：由于簡化或省略了工藝準(zhǔn)備、試驗等：由于簡化或省略了工藝準(zhǔn)備、試驗等環(huán)節(jié)，產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計、制造、分析高度一體化，顯著縮短環(huán)節(jié)，產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計、制造、分析高度一體化，顯著縮短新產(chǎn)品開發(fā)定型周期，降

8、低成本，新產(chǎn)品開發(fā)定型周期，降低成本，實現(xiàn)同步并行工程的實施。實現(xiàn)同步并行工程的實施。設(shè)計設(shè)計試驗試驗工藝準(zhǔn)備工藝準(zhǔn)備制造制造縮短周期縮短周期設(shè)計設(shè)計工工藝藝準(zhǔn)準(zhǔn)備備制造制造六缸發(fā)動機(jī)缸蓋傳統(tǒng)砂型鑄造工六缸發(fā)動機(jī)缸蓋傳統(tǒng)砂型鑄造工裝模具設(shè)計制造周期長達(dá)裝模具設(shè)計制造周期長達(dá)5個月，個月，3D打印只需一周便可制成。打印只需一周便可制成。n簡化制造提高產(chǎn)品質(zhì)量與性能簡化制造提高產(chǎn)品質(zhì)量與性能 據(jù)悉，一架據(jù)悉，一架“空客空客A380”飛機(jī)或飛機(jī)或“波音波音747”飛機(jī)，分別約有飛機(jī)，分別約有450多萬個零部件，從理論上說，多萬個零部件，從理論上說，零部件越多越不安全，結(jié)合部往往就零部件越多越不安全，

9、結(jié)合部往往就是隱患是隱患。3D打印打印技術(shù)的一個明顯優(yōu)勢就是可以將技術(shù)的一個明顯優(yōu)勢就是可以將多個零部件集合成多個零部件集合成一個整體制造出來，減少零部件的數(shù)量，不但大大簡化了之后的裝一個整體制造出來，減少零部件的數(shù)量，不但大大簡化了之后的裝配工作，也是其安全性和可靠性隨之提高配工作，也是其安全性和可靠性隨之提高。此鈦合金復(fù)雜大型主承力構(gòu)此鈦合金復(fù)雜大型主承力構(gòu)件，傳統(tǒng)制造方式需要分體件，傳統(tǒng)制造方式需要分體制造，然后焊接，而使用激制造，然后焊接，而使用激光光3D打印整體可實現(xiàn)成形，打印整體可實現(xiàn)成形，安全性和可靠性大大提高。安全性和可靠性大大提高。n能制造出傳統(tǒng)工藝無法加工的零部件能制造出傳

10、統(tǒng)工藝無法加工的零部件、解決常規(guī)機(jī)械解決常規(guī)機(jī)械加工或手工無法解決的問題，極大增強(qiáng)了工藝實現(xiàn)能加工或手工無法解決的問題，極大增強(qiáng)了工藝實現(xiàn)能力力3D打印突破了結(jié)構(gòu)幾何約束，能夠制造出傳統(tǒng)方法無法加工的非打印突破了結(jié)構(gòu)幾何約束，能夠制造出傳統(tǒng)方法無法加工的非常規(guī)結(jié)構(gòu)特征，這種工藝能力對于實現(xiàn)零部件輕量化、優(yōu)化性能常規(guī)結(jié)構(gòu)特征，這種工藝能力對于實現(xiàn)零部件輕量化、優(yōu)化性能有極其重要的意義。有極其重要的意義。航空發(fā)動機(jī)的復(fù)雜關(guān)鍵零部件航空發(fā)動機(jī)的復(fù)雜關(guān)鍵零部件n提高了難加工材料可加工性，拓展了工程應(yīng)用領(lǐng)域提高了難加工材料可加工性，拓展了工程應(yīng)用領(lǐng)域整體式鎳合金轉(zhuǎn)子整體式鎳合金轉(zhuǎn)子生物材料人體器官修復(fù)體

11、生物材料人體器官修復(fù)體高能束加工陶瓷、鈦合金等傳統(tǒng)難加工材料零件拓展了高性能材高能束加工陶瓷、鈦合金等傳統(tǒng)難加工材料零件拓展了高性能材料的工程應(yīng)用范圍；采用金屬料的工程應(yīng)用范圍；采用金屬/無機(jī)無機(jī)/有機(jī)生物材料制成的人體器有機(jī)生物材料制成的人體器官修復(fù)體等醫(yī)用零部件則拓展了工業(yè)制品的應(yīng)用范圍。官修復(fù)體等醫(yī)用零部件則拓展了工業(yè)制品的應(yīng)用范圍。n3D打印制造技術(shù)促進(jìn)綠色制造模式打印制造技術(shù)促進(jìn)綠色制造模式非接觸和無壓力成形、近凈成形能耗低、節(jié)約材料、污染物排放少；非接觸和無壓力成形、近凈成形能耗低、節(jié)約材料、污染物排放少；利用利用3D打印實現(xiàn)大型復(fù)雜零部件的修復(fù)再制造，節(jié)約資源能源。打印實現(xiàn)大型復(fù)

12、雜零部件的修復(fù)再制造，節(jié)約資源能源。關(guān)鍵創(chuàng)新思路：將零件內(nèi)部設(shè)計為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，替代實心，從而減少關(guān)鍵創(chuàng)新思路：將零件內(nèi)部設(shè)計為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，替代實心，從而減少材料使用量，降低制造時間和能源消耗量。材料使用量，降低制造時間和能源消耗量。具有內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦合金發(fā)動機(jī)葉片具有內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦合金發(fā)動機(jī)葉片材料使用量減少材料使用量減少70%，選擇性激光熔化（，選擇性激光熔化（SLM）制造時間降低）制造時間降低60%技術(shù)難點技術(shù)難點：（：（1） 傳統(tǒng)制造方法無法成形；傳統(tǒng)制造方法無法成形； （2） 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化性能。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化性能。n3D打印制造技術(shù)促進(jìn)綠色制造模式打印制造技術(shù)促進(jìn)綠色制造模式

13、3D打印典型案例與行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀打印典型案例與行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀215343D打印技術(shù)加速航天航空、汽車等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的快速開發(fā)與制打印技術(shù)加速航天航空、汽車等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的快速開發(fā)與制造，提高相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力與水平。造，提高相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力與水平。復(fù)合制造工藝復(fù)合制造工藝隨形冷卻流道設(shè)計與冷卻效果模擬隨形冷卻流道設(shè)計與冷卻效果模擬模具冷卻周期縮短模具冷卻周期縮短68%以上，溫度梯度由以上，溫度梯度由12降至降至4，缺陷率有，缺陷率有60%將至將至0。美國美國AeroMet公司公司使用激光成形技術(shù)制造的使用激光成形技術(shù)制造的次承力結(jié)構(gòu)件次承力結(jié)構(gòu)件在在F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)上實現(xiàn)了裝機(jī)驗證。戰(zhàn)斗機(jī)

14、上實現(xiàn)了裝機(jī)驗證。醫(yī)療：醫(yī)療：研究直接細(xì)胞直接打印技術(shù)，制造出血管、肝臟等軟組研究直接細(xì)胞直接打印技術(shù)，制造出血管、肝臟等軟組織?？棥ａt(yī)學(xué)上的應(yīng)用醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用3D打印制造的打印制造的“火龍火龍”工藝品工藝品栩栩栩栩如生如生的彩的彩色金色金剛鸚剛鸚鵡鵡文物復(fù)制（西漢長裙女傭）文物復(fù)制（西漢長裙女傭）衣衣:用用3D打印機(jī)在家中打印機(jī)在家中“打印打印”鞋子（美國）鞋子（美國） 食：用食：用3D打印機(jī)制造巧克力、肉類打印機(jī)制造巧克力、肉類2012年年3D打印行業(yè)產(chǎn)值增長打印行業(yè)產(chǎn)值增長28.6%，達(dá)到了，達(dá)到了22.04億美金，億美金，3D打印行業(yè)連續(xù)三年增長量超過打印行業(yè)連續(xù)三年增長量超過20%。3

15、D打印行業(yè)歷年產(chǎn)值變化（打印行業(yè)歷年產(chǎn)值變化（Wohlers Report 2013）典型典型3D打印技術(shù)打印技術(shù)215344.1 快速成型典型工藝快速成型典型工藝 升降臺 紫外激光光敏樹脂 成形零件 液面 Z 刮平器 采用激光一點點照射光固化液態(tài)樹脂使之固化的方法成形，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種高精度成形工藝。華中科技大學(xué)研制的第一代華中科技大學(xué)研制的第一代SLA設(shè)備設(shè)備SLA成形的典型零件成形的典型零件SLA成形的可裝配瓶狀模型成形的可裝配瓶狀模型SLA成形的微小精細(xì)結(jié)構(gòu)成形的微小精細(xì)結(jié)構(gòu)零部件零部件成形：約成形：約10 m，1小時左右小時左右SLA成形的典型零件成形的典型零件 CO2激光器

16、熱壓輥 控制計算機(jī) 供料軸 加工平面 升降臺 收料軸 料帶 LOM成形的典型零件成形的典型零件華中科技大學(xué)研制的華中科技大學(xué)研制的LOM材料材料華中科技大學(xué)研制的華中科技大學(xué)研制的LOM設(shè)備設(shè)備摩托車零件摩托車零件小型發(fā)動機(jī)零件原型件小型發(fā)動機(jī)零件原型件 激光器 掃描鏡 激光束 平整滾粉末 為某單位成形的航空航天零部件蠟?zāi)＜熬荑T造鈦合金零部件為某單位成形的航空航天零部件蠟?zāi)＜熬荑T造鈦合金零部件零件尺寸：零件尺寸：109 1091011mm34.3 粉末材料粉末材料3D打印技術(shù)及其應(yīng)用打印技術(shù)及其應(yīng)用摩托車引擎缸體（摩托車引擎缸體（253.8 253.7 181.8 mm3）SLS熔模熔模鑄

17、造鑄造鋁合金鑄件鋁合金鑄件塑料制件塑料制件-熔模精密鑄造熔模精密鑄造4.3 粉末材料粉末材料3D打印技術(shù)及其應(yīng)用打印技術(shù)及其應(yīng)用金屬粉末燒結(jié)金屬粉末燒結(jié)蠟件塑料制件塑料制件-熔模精密鑄造熔模精密鑄造大型薄壁鑄件，最小壁厚大型薄壁鑄件，最小壁厚3.0mm851.12 523.20 380.35 mm3熔模熔模鑄件鑄件SLS鑄造鑄造4.3 粉末材料粉末材料3D打印技術(shù)及其應(yīng)用打印技術(shù)及其應(yīng)用砂制件砂制件復(fù)雜尼龍零件的直接復(fù)雜尼龍零件的直接3D打印打印4.3 粉末材料粉末材料3D打印技術(shù)及其應(yīng)用打印技術(shù)及其應(yīng)用用覆膜砂型用覆膜砂型 (芯芯) 澆注澆注的液壓閥體鑄件及其的液壓閥體鑄件及其剖分圖剖分圖3

18、D打印打印樹脂覆膜砂制件樹脂覆膜砂制件4.3 粉末材料粉末材料3D打印技術(shù)及其應(yīng)用打印技術(shù)及其應(yīng)用 成形工件 噴頭 料絲 噴頭 215343D打印技術(shù)與行業(yè)的前景展望打印技術(shù)與行業(yè)的前景展望 提升提升3D打印技術(shù)水平：打印技術(shù)水平：3D打印是社會制造的基礎(chǔ)和動力，打印是社會制造的基礎(chǔ)和動力，高效、高精、高性能、低成本的高效、高精、高性能、低成本的3D打印技術(shù)是發(fā)展打印技術(shù)是發(fā)展3D打印產(chǎn)打印產(chǎn)業(yè)的根本。業(yè)的根本。 建立社會制造網(wǎng)絡(luò)與管理模式：建立社會制造網(wǎng)絡(luò)與管理模式：3D打印技術(shù)是社會需求、打印技術(shù)是社會需求、產(chǎn)品設(shè)計、改進(jìn)、制造和運輸高度信息化和智能化的實現(xiàn)手段，產(chǎn)品設(shè)計、改進(jìn)、制造和運輸

19、高度信息化和智能化的實現(xiàn)手段，需要建立高效的社會制造網(wǎng)絡(luò)和管理模式。需要建立高效的社會制造網(wǎng)絡(luò)和管理模式。 3D技術(shù)廣泛的融化生活：技術(shù)廣泛的融化生活：3D打印技術(shù)將會在各行各業(yè)中取打印技術(shù)將會在各行各業(yè)中取得應(yīng)用，不僅跟工業(yè)、醫(yī)學(xué)等行業(yè)，還可以和農(nóng)、商、文、教得應(yīng)用，不僅跟工業(yè)、醫(yī)學(xué)等行業(yè)，還可以和農(nóng)、商、文、教育等深入融合，改變?nèi)藗兊纳?。育等深入融合，改變?nèi)藗兊纳睢?D打印技術(shù)應(yīng)用前景：打印技術(shù)應(yīng)用前景：目前應(yīng)用最多的為模目前應(yīng)用最多的為模型、原型、高性能塑型、原型、高性能塑料和功能件的制造；料和功能件的制造；未來在模具、醫(yī)療、未來在模具、醫(yī)療、電子、個人消費品、電子、個人消費品、組織

20、工程、智能結(jié)構(gòu)組織工程、智能結(jié)構(gòu)和其他未知領(lǐng)域都有和其他未知領(lǐng)域都有很大的潛力。很大的潛力。極限環(huán)境按需制造極限環(huán)境按需制造 太空太空3D打印打印美國美國NASA啟動太空啟動太空3D打印項目。打印項目。2 0 1 0 年年 8 月 成 立月 成 立 “ M a d e i n Space”；2011年春季建立年春季建立3D打印實驗室；、打印實驗室；、2011年夏季年夏季NASA宇航局飛行項目宇航局飛行項目通過亞軌道飛行計劃；通過亞軌道飛行計劃；2011年年7月月-9月微重力實驗；月微重力實驗；2011年年12-2013年年2月進(jìn)行月進(jìn)行3個階段個階段的設(shè)計、制造項目，計劃的設(shè)計、制造項目，計劃2014年將年將3D打印設(shè)備送入太空；打印設(shè)備送入太空；當(dāng)前，材料、閉環(huán)控制系統(tǒng)、其他當(dāng)前，材料、閉環(huán)控制系統(tǒng)、其他增材制造技術(shù)的研發(fā)增材制造技術(shù)的研發(fā) 深海深海3D打印打印 遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)洋3D打印打印 生物制造，