電子課件《3D打印技術概論》B0338291第一章認識3D打印

1、第一章 認識3D打印學習目標1.掌握3D打印的概念、基本原理與分類。2.掌握3D打印的特點。3.了解國外3D打印的發(fā)展歷程。1-13D打印的概念、基本原理與分類一、3D打印的概念3D打印技術在國外叫作快速成型RP（Rapid Prototyping）技術。隨著科學技術的進步，部分快速成型設備的操作與傳統(tǒng)的紙張打印機基本相同，為了便于推廣，目前的快速成型設備常被通俗的稱為“3D打印機”，快速成型技術常被通俗的稱為“3D打印技術”。當前企業(yè)或研究機構普遍喜歡用“增材制造”AM（Additive Manufacture）來表示3D打印技術。2009年美國材料實驗協(xié)會ASTM 將AM定義為：與傳統(tǒng)的去

2、除材料加工方法完全相反，通過三維模型數(shù)據(jù)來實現(xiàn)增材成型，通常用逐層添加材料的方式直接制造產品。3D打印技術是機械工程技術、CAD技術、電子技術、數(shù)控技術、激光技術、材料科學等多學科相互滲透與交叉的產物，被稱為21世紀制造業(yè)最具影響的技術之一。二、3D打印的基本原理3D打印技術是基于“離散/堆積成形”的成型思想，用層層疊加的方法將成形材料“堆積”而形成實體工件的技術。從原理上來說，3D打印技術是通過計算機及相應的切片軟件將建成的三維數(shù)字模型“切片”成逐層的截面數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)傳送到3D打印機上，3D打印機按照這些切片數(shù)據(jù)一層層將3D打印材料堆積起來，直到形成一個實體成型零件的過程。目前，3D打

3、印技術也常被稱為“快速原型制造技術”或“疊加制造技術”。三、3D打印技術的分類3D打印技術的分類有很多種，常見的分類方式有按技術原理分類、按原型使用材料的構建技術分類和按打印材料分類等。1.按技術原理分類2. 按原型使用材料的構建技術分類3.按打印材料分類按打印材料可分為金屬材料打印機、無機非金屬材料打印機、有機高分子材料打印機、生物材料打印機等。1-23D打印的技術的特點和與傳統(tǒng)加工的對比一、3D打印的技術特點1.設計階段便于交流2.應用領域廣泛3.制造過程快速4.廢棄物少，近凈成型。5.自由成型制造（幾何形狀無限打?。?.制造復雜工件不增加成本7.零技能制造8.無組裝集成制造9.梯度功能材

4、料制造10.技術高度集成11.實體精確復制12.縮短產品研發(fā)周期和降低研發(fā)成本13.可實現(xiàn)小批量產品制造14.突破制造局限二、3D打印技術與傳統(tǒng)加工的對比1.3D打印技術與傳統(tǒng)減材加工的比較2.3D打印技術與傳統(tǒng)增材加工的比較1-33D打印的發(fā)展歷程一、國外3D打印的發(fā)展歷程1.產生期3D打印技術起源于美國。1983年，美國科學家Charles Hull（查爾斯胡爾）發(fā)明光固化成型技術并制造出全球首個3D打印零件。1986年，Charles Hull獲得了全球第一項增材制造專利，同年成立3D Systems公司。1988年3D Systems公司生產出第一臺自主研發(fā)的3D打印機SLA-250，

5、SLA-250的面世是3D打印技術發(fā)展歷史上的一個里程碑，其設計思想幾乎影響了后續(xù)所有的3D打印設備。目前3D Systems是全球最大3D打印設備生產商之一。2.成長發(fā)展期1988年，一位美國康涅狄格州工程師Scott Crump（斯特克魯姆普）發(fā)明了另一種3D打印技術熔融沉積成型技術FDM這項3D打印技術利用蠟、ABS、PLA、尼龍等熱塑性材料來制作物體，他在成功發(fā)明了這項技術之后也成立了一家名為Stratasys的公司。1989年，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard（德卡德）博士發(fā)明了第三種3D打印技術選擇性激光燒結成型技術SLS這項技術是利用計算機控制高強度激光逐層將尼

6、龍、ABS、金屬和陶瓷等材料粉末高溫燒結直至成型。憑借這一核心技術，他組建了DTM公司，之后DTM一直是SLS技術的主要領導企業(yè)，直到2001年被3D Systems公司收購。在隨后的幾年中，三維打印成型技術（3DP）、薄材疊層制造成型技術（LOM）、選擇性激光熔融成型技術（SLM）等3D打印技術不斷的出現(xiàn)和發(fā)展，為3D打印技術的廣泛應用打下了良好的基礎。3.廣泛應用期進入21世紀后，3D打印技術逐漸被大眾所接受，特別是2010年后，隨著技術的進步，3D打印技術在工業(yè)模具、工業(yè)設計、珠寶、建筑、汽車、航空航天、醫(yī)療、教育以及其他許多領域發(fā)揮了巨大的作用。目前3D打印技術的發(fā)展已經呈現(xiàn)以下特點：

7、（1）產業(yè)格局基本形成3D打印產業(yè)已基本形成了美、歐等發(fā)達國家和地區(qū)主導，亞洲國家和地區(qū)后起追趕的發(fā)展態(tài)勢。（2）應用范圍不斷拓展近年來，越來越多的企業(yè)將3D打印技術用于突破研發(fā)瓶頸或解決設計難題，助力智能制造、綠色制造等新型制造模式。（3）企業(yè)持續(xù)發(fā)展、不斷重組隨著一大批企業(yè)進入3D打印制造領域，全球范圍內的產業(yè)競爭不斷加劇，小的3D制造服務企業(yè)不斷被大企業(yè)兼并，全球較大的3D制造服務企業(yè)不斷通過并購提升競爭力。（4）增材制造市場前景廣闊據(jù)中國3D打印產業(yè)市場需求與投資潛力分析報告預測，到2020年全球3D打印市場規(guī)模將達三百五十億美元。我國預計到2020年，3D打印市場規(guī)模也將發(fā)展到100

8、億元左右。一、國內3D打印的發(fā)展歷程我國自20世紀80年代初，開始發(fā)展3D打印技術，國內3D打印技術的發(fā)展大致經歷了艱難起步、逐步發(fā)展和開始產業(yè)化三個階段。1.艱難起步1988年，正在美國加州大學做訪問學者清華大學教師顏永年教授偶然得到了一張工業(yè)展覽宣傳單，其中介紹了快速成型技術。顏永年教授回國后立刻啟動相關技術的研發(fā)，并建立了清華大學激光快速成形中心。西安交通大學的盧秉恒教授在1992年赴美訪問時發(fā)現(xiàn)了3D打印技術在汽車制造業(yè)中的應用，回國后隨即轉向研究這一領域并于1994年成立先進制造技術研究所。2.逐步發(fā)展經過20多年的發(fā)展，我國己涌現(xiàn)出許多從事3D打印設備制造與服務的企業(yè)，比如北京殷華

9、激光快速成型與模具技術有限公司（清華大學），武漢濱湖機電技術產業(yè)有限公司（華中科技大學），陜西恒通智能機器有限公司（西安交通大學），北京太爾時代科技有限公司等。其中部分企業(yè)的3D打印技術和設備已經達到了國際領先水平。北京航空航天大學從2000年開始攻關，在5年時間里突破了鈦合金等高性能金屬結構件激光快速成型關鍵技術及關鍵成套工藝裝備技術，制造出了C919客機機頭工程樣件所需的鈦合金主風擋窗框，使我國躋身于國際上少數(shù)幾個全面掌握這項技術的國家行列，并成為繼美國之后第二個掌握飛機鈦合金結構件激光快速制造技術的國家。3.發(fā)展現(xiàn)狀雖然20多年來，我國3D打印產業(yè)化不斷推進，我國3D打印產業(yè)的規(guī)模依然很

10、小，我國目前在產業(yè)化技術發(fā)展和應用方面仍落后于美國和歐洲。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）技術研發(fā)落后我國3D打印裝備的部分技術水平與國外先進水相當，但在關鍵器件、打印材料和應用范圍等方面較國外落后。（2）工藝控制水平低國外是基于理論基礎的工藝控制，而我國則更多依賴于經驗和反復的試驗驗證，導致我國增材制造工藝控制關鍵技術整體落后。（3）智能化水平低目前絕大部分3D打印工藝裝備我國都有研制，但在智能化程度與國外先進水相比還有差距。（4）核心部件依賴進口我國部分3D打印設備的核心元器件還主要依靠進口。特別是高端3D打印設備核心元器件在質量、壽命等方面較國外還有很大出差距。三、3D打印快速發(fā)展的原因1.價格下降現(xiàn)在普通3D打印機的價格已降至幾千美元，國產3D打印機甚至只需幾千元，價格的下降直接促成了3D打印機的普及。近些年，3D打印材料也在不斷進步與發(fā)展。隨著3D打印機、打印材料和零部件價格的下降，使得3D打印機正日益成為一臺能制造萬物的神奇機器。2.技術進步隨著3D打印技術的進步以及3D打印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面不斷提升，3D打印技術被廣泛應用于各個領域，特備是航空航天、生物醫(yī)學等尖端領