3D打印技術(shù)工藝研究分析課件

1、3D打印技術(shù)工藝研究分析第1頁，共75頁。Contents3D打印的定義13D打印的發(fā)展歷史23D打印過程33D打印的優(yōu)缺點(diǎn)4第2頁，共75頁。3D打印技術(shù)目前存在的問題53D打印的應(yīng)用63D打印材料73D打印各項(xiàng)技術(shù)的工藝原理及其特點(diǎn)8第3頁，共75頁。3D打印產(chǎn)品精度影響因素及工藝參數(shù)的控制9打印件翹曲原因分析103D打印技術(shù)減少翹曲變形的措施11第4頁，共75頁。3D打印的定義 3D打印即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。第5頁，共75頁。第6頁，共75頁。第7頁，共75頁。第8頁，共75頁。3D打印的

2、發(fā)展歷史1986年，Charles Hull開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)。1993年，麻省理工學(xué)院獲3D印刷技術(shù)專利。1995年，美國ZCorp公司從麻省理工學(xué)院獲得唯一授權(quán)并開始開發(fā)3D打印機(jī)。2005年，市場(chǎng)上首個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。2010年11月，世界上第一輛由3D打印機(jī)打印而成的汽車Urbee問世。第9頁，共75頁。3D打印汽車Urbee第10頁，共75頁。2011年6月6日，發(fā)布了全球第一款3D打印的比基尼。2011年7月，英國研究人員開發(fā)出世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī)。世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī)巧克力打印機(jī)的作品第11頁，共75

3、頁。2011年8月，南安普敦大學(xué)的工程師們開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)。第一架3D打印的飛機(jī)2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞首次用3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織。 第12頁，共75頁。2013年10月，全球首次成功拍賣一款名為“ONO之神”的3D打印藝術(shù)品。第13頁，共75頁。2013年11月，美國德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司“固體概念”設(shè)計(jì)制造出3D打印金屬手槍。第14頁，共75頁。3D打印金屬手槍缺點(diǎn)： 僅限于短周期或者是短時(shí)間內(nèi)的使用，沒有辦法在長時(shí)間內(nèi)滿足使用的要求。通過3D打印得到的武器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需要進(jìn)一步論證。第15頁，共75頁。3D打印過程模型后處理進(jìn)行3D模型打印

4、 切片處理生成二維圖形信息三維設(shè)計(jì)建立模型 完成模型打印第16頁，共75頁。3D打印的優(yōu)缺點(diǎn)3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：1、制造復(fù)雜物品不增加成本2、產(chǎn)品多樣化不增加成本3、無須組裝4、設(shè)計(jì)空間無限，能設(shè)計(jì)出傳統(tǒng)機(jī)械難以制造的 形狀5、減少廢棄副產(chǎn)品6、精確的實(shí)體復(fù)制第17頁，共75頁。3D打印技術(shù)的缺點(diǎn)：1、打印能使用的材料有限（現(xiàn)階段個(gè)人級(jí)用戶使用的3D打印機(jī)大部分都使用的是塑料這一載體）、打印出來產(chǎn)品的耐用的性不高2、對(duì)設(shè)備性能要求高，設(shè)備比較昂貴。第18頁，共75頁。3D打印的應(yīng)用航空領(lǐng)域 在美國太空探索技術(shù)公司的不載人飛船“龍” 向空間站運(yùn)送的大量日常物資與科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備中有這臺(tái)3D打印機(jī)。宇

5、航員可以在太空“打印”零部件，制造出國際空間站30%零部件隨“龍”飛船上太空的3D打印機(jī)第19頁，共75頁。美國弗吉尼亞大學(xué)的學(xué)生史蒂芬伊斯特(Steven Easter)和喬納森圖爾曼(Jonathan Turman)通過3D打印技術(shù)制造出一架飛機(jī)模型并成功試飛。第20頁，共75頁。通用電氣航空集團(tuán)(GE Aviation)使用3D打印機(jī)制造飛機(jī)噴氣引擎體育領(lǐng)域耐克拋棄傳統(tǒng)制鞋的過程，使用3D打印制造的“Vapor Laser Talon”鞋子第21頁，共75頁。醫(yī)療領(lǐng)域3D打印的人體器官3D打印的第一顆人類心臟3D打印的配義肢及髖關(guān)節(jié)第22頁，共75頁。3D打印材料（1）金屬(metals

6、) 1）黑色金屬(ferrous metals)不銹鋼(stainless steel)高溫合金(superalloy)3D打印的不銹鋼飾物3D打印的IN718鎳基高溫合金轉(zhuǎn)子第23頁，共75頁。2）有色金屬(non-ferrous metals)鈦(titanium) rvnDSGN團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)將鈦粉快速而高效地打印成精致的手表。 英國的Metalysis公司利用鈦金屬粉末成功打印了葉輪和渦輪增壓器等汽車零件3D打印的鈦手表3D打印的渦輪葉輪第24頁，共75頁。鎂鋁合金(magnesium-aluminum alloy) 日本佳能公司利用3D打印技術(shù)制造出了頂級(jí)單反相機(jī)殼體上的鎂鋁合

7、金特殊曲面頂蓋。3D打印的頂級(jí)單反相機(jī)殼體上的鎂鋁合金特殊曲面頂蓋第25頁，共75頁。鎵(gallium)3D打印的液態(tài)金屬鎵鎵-銦合金(gallium-indium alloy)3D打印的鎵-銦液態(tài)合金第26頁，共75頁。3）稀貴金屬(rare and precious metals)金(gold)純銀(sterling sver)黃銅(brass)3D打印的葉形金戒指3D打印的菌絲銀戒指3D打印的黃銅戒指第27頁，共75頁。（2）聚合物(poymer)ABS丙烯腈-丁二烯-苯乙烯EP彈性塑料PLA聚乳酸Endur，一種先進(jìn)的仿聚丙烯材料3D打印的Elasto Plastic鞋3D打印的PL

8、A螺栓和螺母3D打印的筆筒第28頁，共75頁。（3）陶瓷(ceramic)（4）復(fù)合材料(composite)3D打印的陶瓷茶杯3D打印的超強(qiáng)聚合物部件第29頁，共75頁。3D打印各項(xiàng)技術(shù)的工藝原理及其特點(diǎn)物體成型的方式主要有以下四類：減材成型、受壓成型、增材成型、生長成型。 3D打印技術(shù)從狹義上來說主要是指增材成型技術(shù)。第30頁，共75頁。LOM：分層實(shí)體成型工藝第31頁，共75頁。LOM分層實(shí)體成型工藝LOM分層實(shí)體成型工藝設(shè)備分層實(shí)體成型系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)、原材料存儲(chǔ)與運(yùn)送部件、熱粘壓部件、激光切系統(tǒng)、可升降工作臺(tái)等部分組成。第32頁，共75頁。LOM：分層實(shí)體成型工藝LOM技

9、術(shù)的基本原理圖第33頁，共75頁。LOM分層實(shí)體成型工藝特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1、LOM工藝采用的原料價(jià)格便宜，因此制作成本極為低廉2、其適用于大尺寸工件的成型，成型過程無需設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，多余的材料也容易剔除，精度也比較理想。缺點(diǎn)：由于LOM技術(shù)成型材料的利用率不高，材料浪費(fèi)比較嚴(yán)重。第34頁，共75頁。SLA：立體光固化成型工藝第35頁，共75頁。SLA：立體光固化成型工藝原理SLA：立體光固化成型工藝第36頁，共75頁。SLA：立體光固化成型工藝特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1、SLA工藝成型效率高，系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定；2、成型精度高，適合制作結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的模型。缺點(diǎn)：1、成型尺寸也有較大的限制，不適合制作體積龐大的工件；

10、2、成型過程中伴隨的物理變化和化學(xué)變化可能會(huì)導(dǎo)致工件變形，因此成型工件需要有支撐結(jié)構(gòu)；第37頁，共75頁。3、SLA工藝所支持的材料還相當(dāng)有限且價(jià)格昂貴，液態(tài)的光敏樹脂具有一定的毒性和氣味，材料需要避光保存以防止提前發(fā)生聚合反應(yīng)。4、SLA成型的成品硬度很低而相對(duì)脆弱，使用SLA成型的模型還需要進(jìn)行二次固化，后期處理相對(duì)復(fù)雜。第38頁，共75頁。SLS：選擇性激光燒結(jié)工藝第39頁，共75頁。SLS：選擇性激光燒結(jié)工藝原理SLS：選擇性激光燒結(jié)工藝第40頁，共75頁。SLS特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1、SLS工藝支持多種材料；2、成型工件無需支撐結(jié)構(gòu)；3、材料利用率較高；4、在成型的過程中，未經(jīng)燒結(jié)的粉末對(duì)模

11、型的空腔和懸臂起著支撐的作用，因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那樣需要支撐結(jié)構(gòu)。第41頁，共75頁。缺點(diǎn)：1、SLS設(shè)備的價(jià)格和材料價(jià)格仍然十分昂貴；2、燒結(jié)前材料需要預(yù)熱，燒結(jié)過程中材料會(huì)揮發(fā)出異味，設(shè)備工作環(huán)境要求相對(duì)苛刻。第42頁，共75頁。SLS與SLA區(qū)別相似之處：都需要借助激光將物質(zhì)固化為整體。不同之處：1、SLA使用的是紫外激光，SLS 工藝使用的是紅外激光束；2、材料則由光敏樹脂變成了塑料、蠟、陶瓷、金屬或其復(fù)合物的粉末。SLS工藝使用的材料與SLA相比相對(duì)豐富些，主要有石蠟、聚碳酸酯、尼龍、纖細(xì)尼龍、合成尼龍、陶瓷甚至還可以是金屬。第43頁，共75頁。FDM：熔融

12、沉積成型工藝第44頁，共75頁。FDM：熔融沉積成型工藝原理FDM：熔融沉積成型工藝第45頁，共75頁。FDM：熔融沉積成型工藝特點(diǎn)FDM工藝無需激光系統(tǒng)的支持，所用的成型材料也相對(duì)低廉，總體性價(jià)比高。第46頁，共75頁。熔融沉積成型技術(shù)（FDM）中目前常用的打印材料有ABS與PLA兩種。兩種材料的比較:ABS即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，它是非晶體，具有強(qiáng)度高、韌性好、熔點(diǎn)高、凝固快、流動(dòng)性低的特點(diǎn)，是一種易于加工成型的熱塑型高分子材料，應(yīng)用較為廣泛，但ABS在加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生刺激性氣味且收縮率較大，且成型精度不易控制。PLA是聚乳酸的簡(jiǎn)稱，主要以玉米、木薯等為原料，具有可降解性，加熱融化時(shí)氣

13、味小，成型時(shí)收縮率較低，打印大型零件模型時(shí)邊角不易，且熔點(diǎn)較低，所以在實(shí)際中選擇PLA作為打印材料。第47頁，共75頁。FDM注意要點(diǎn)：采用FDM工藝制作具有懸空結(jié)構(gòu)的工件原型時(shí)需要有支撐結(jié)構(gòu)的支持，為了節(jié)省材料成本和提高成型的效率；新型的FDM設(shè)備會(huì)采用了雙噴頭的設(shè)計(jì)，一個(gè)噴頭負(fù)責(zé)擠出成型材料，另外一個(gè)噴頭負(fù)責(zé)擠出支撐材料。第48頁，共75頁。 一般來說，用于成型的材料絲相對(duì)更精細(xì)一些，而且價(jià)格較高，沉積效率也較低。用于制作支撐材料的絲材會(huì)相對(duì)較粗一些，而且成本較低，但沉積效率會(huì)更高些。支撐材料一般會(huì)選用水溶性材料或比成型材料熔點(diǎn)低的材料，這樣在后期處理時(shí)通過物理或化學(xué)的方式就能很方便地把支

14、撐結(jié)構(gòu)去除干凈。第49頁，共75頁。3DP：三維印刷工藝第50頁，共75頁。3DP：三維印刷工藝原理3DP：三維印刷工藝第51頁，共75頁。3DP技術(shù)特點(diǎn)： 3DP技術(shù)成型速度非?？?，適用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，也適用于制作復(fù)合材料或非均勻材質(zhì)材料的零件。第52頁，共75頁。3DP工藝與SLS工藝比較相同之處：采用的都是粉末狀的材料，如陶瓷、金屬、塑料。不同之處：3DP使用的粉末并不是通過激光燒結(jié)粘合在一起的，而是通過噴頭噴射粘合劑將工件的截面“打印”出來并一層層堆積成型的。第53頁，共75頁。PolyJet：聚合物噴射技術(shù)第54頁，共75頁。PolyJet：聚合物噴射技術(shù)PolyJet：聚合物

15、噴射技術(shù)工藝原理PolyJet技術(shù)也是當(dāng)前最為先進(jìn)的3D打印技術(shù)之一，它的成型原理與3DP有點(diǎn)類似，不過噴射的不是粘合劑而是聚合成型材料。PolyJet聚合物噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第55頁，共75頁。PolyJet：聚合物噴射技術(shù)特點(diǎn)1、成型的工件精度非常高；2、支持多種不同性質(zhì)的材料同時(shí)成型，能夠制作非常復(fù)雜的模型。3、工件成型的過程中使用兩種不同類型的光敏樹脂材料，一種是用來生成實(shí)際的模型的材料，另一種是類似膠狀的用來作為支撐的樹脂材料。第56頁，共75頁。最新的打印技術(shù)：CLIP 技術(shù)第57頁，共75頁。CLIP 技術(shù)CLIP 技術(shù)工藝原理第58頁，共75頁。CLIP技術(shù)特點(diǎn)：1、 采用新材料，

16、比如合成橡膠、硅氧樹脂、尼龍、陶瓷和可降解生物材料等，大大擴(kuò)展了3D打印的材料范圍；2、打印速度很快，相比于其他打印技術(shù)速度提高了25100倍；3、 不僅能打印許多前所未有的幾何形狀，而且可以打印非常精細(xì)的物品，精度小于20 mm。第59頁，共75頁。CLIP打印的“埃菲爾鐵塔”作為Science雜志封面CLIP與幾種3D打印技術(shù)的速度比較第60頁，共75頁。3D打印產(chǎn)品精度影響因素及工藝參數(shù)的控制1）打印機(jī)精度及材料性能打印機(jī)本身的制造和裝配精度以及工作過程中的振動(dòng)都會(huì)影響其打印精度，比如XY平面誤差、X-Y軸與導(dǎo)軌垂直度誤差及定位誤差等。此外，打印機(jī)框架結(jié)構(gòu)及所用材料剛度對(duì)其穩(wěn)定性也有著很

17、大影響。同時(shí)，不同的材料，其熔點(diǎn)、流動(dòng)性、收縮率等各不相同，這些也都直接影響制品精度。第61頁，共75頁。2）工藝參數(shù)（1）擠出壓力的影響不同擠出壓力下膏體的擠出情況第62頁，共75頁。（2）溫度擠出頭加熱溫度主要影響材料的粘結(jié)堆積性能及絲材流動(dòng)性溫度過低將使材料難以粘結(jié)到熱床上或是發(fā)生如下圖所示的層間剝離，同時(shí)易造成噴嘴堵塞；過高則會(huì)使材料擠出時(shí)偏于液態(tài)，不易于控制的絲狀。層間剝離接影響打印制品的熱應(yīng)力及其與底板的粘結(jié)力，過低會(huì)造成翹曲、脫落等現(xiàn)象。第63頁，共75頁。層間剝離第64頁，共75頁。（3）噴嘴直徑與層厚 噴嘴直徑?jīng)Q定擠出絲的寬度，進(jìn)而影響成品精細(xì)程度。由于3D打印的材料是一層一

18、層鋪起來的，故層厚的設(shè)置同樣也會(huì)影響制品的粗糙度。若選用大直徑的噴嘴、層厚設(shè)置的厚，則打印耗時(shí)短，但成品較粗糙；反之，則耗時(shí)長，但得到的成品更精細(xì)。打印時(shí)需綜合模型尺寸、用途來合理選用噴嘴設(shè)置層厚。實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)分層厚度為擠出頭直徑的 80% 90% 時(shí)，打印出的零件的成形效果較好。不同分層厚度情況下打印的零件第65頁，共75頁。（4）打印速度 3D打印是一個(gè)打印速度與擠出速度相互配合的過程，二者需要合理匹配才能達(dá)到打印要求。若打印遠(yuǎn)快于擠出，則材料填充不足，導(dǎo)致斷絲；反之則會(huì)使熔絲堆積在擠出頭上，導(dǎo)致材料分布不均，在零件表面形成疙瘩。不同掃描速度下的零件出現(xiàn)的缺陷第66頁，共75頁。（5）填充方

19、式 不同的填充方式對(duì)應(yīng)的打印速度、制品的收縮應(yīng)力也不同。例如，直線填充速度較快，而蜂窩狀填充產(chǎn)生的收縮應(yīng)力較小。圖（a）所示為直線填充的圓柱，每層均為互相垂直的線；圖（b）為蜂窩狀填充，其上下兩層為直線填充。第67頁，共75頁。（6）冷卻打印PLA等流動(dòng)性較高的材料時(shí)會(huì)出現(xiàn)前一層尚未完全成型，后一層便開始在其上打印的情況，這無疑會(huì)損害制品精度。所以一般3D打印機(jī)都在擠出頭邊設(shè)有下圖所示的風(fēng)扇，以加快固化過程。打印前應(yīng)設(shè)置合適的轉(zhuǎn)速，從而獲得較好的成型效果。而有些材料，如ABS，本身流動(dòng)性較低，因而不需要風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，否則會(huì)引起制件翹曲。3D打印機(jī)冷卻風(fēng)扇第68頁，共75頁。打印件翹曲原因分析

20、造成翹曲變形主要是由于在分層成型過程中，材料堆積不同步而引起各層間體積收縮不同，進(jìn)而造成內(nèi)應(yīng)力不等而產(chǎn)生的。若新的堆積層能夠自由收縮，則不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，但實(shí)際上，由于新堆積層底面受到已完成部分的外力作用，不能完全收縮，便會(huì)不可避免的產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。第69頁，共75頁。3D打印技術(shù)減少翹曲變形的措施 減緩成形過程中模型尾部尖角部位的熱傳導(dǎo)和對(duì)流散熱，降低冷卻速度，從而減緩該部位凝固收縮應(yīng)力?？梢詮囊韵氯矫孢M(jìn)行控制：降低3D打印層厚，這樣可以減少打印的新增層冷卻時(shí)新增層底部與頂部間的溫差，減少其收縮的不均勻。加快成形速度這樣就減少了同一水平高度上在長軸方向不同部位的溫差，減少了不同部位間的收縮不均

21、勻。第70頁，共75頁。減少模型內(nèi)部填充密度（右圖所示，填充模式由“松散”（填充網(wǎng)格為邊長2mm的正方形）改為“中空”（填充網(wǎng)格為邊長4mm的正方形），這樣就減少模型內(nèi)部的塑料填充量，減少了模型主體區(qū)域的打印時(shí)間并加快了模型主體的冷卻凝固速度，從而減少了模型主體與模型尾部之間的溫差，進(jìn)而減少了模型主體與模型尾部之間的收縮不均勻。第71頁，共75頁。支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置及處理 制件有懸空結(jié)構(gòu)時(shí)，為了不使其塌陷，在打印過程中，首先要在內(nèi)部打出支撐結(jié)構(gòu)，打印結(jié)束時(shí)再將支撐材料剝離。但是在滿足要求的前提下，支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置的盡量少，且所在位置要易于剝離。蜂窩型支撐結(jié)構(gòu)第72頁，共75頁。Thank You !

22、第73頁，共75頁。生活中的辛苦阻撓不了我對(duì)生活的熱愛。8月-228月-22Thursday, August 4, 2022人生得意須盡歡，莫使金樽空對(duì)月。02:54:1002:54:1002:548/4/2022 2:54:10 AM做一枚螺絲釘，那里需要那里上。8月-2202:54:1002:54Aug-2204-Aug-22日復(fù)一日的努力只為成就美好的明天。02:54:1002:54:1002:54Thursday, August 4, 2022安全放在第一位，防微杜漸。8月-228月-2202:54:1002:54:10August 4, 2022加強(qiáng)自身建設(shè)，增強(qiáng)個(gè)人的休養(yǎng)。2022

23、年8月4日2:54 上午8月-228月-22精益求精，追求卓越，因?yàn)橄嘈哦鴤ゴ蟆?4 八月 20222:54:10 上午02:54:108月-22讓自己更加強(qiáng)大，更加專業(yè)，這才能讓自己更好。八月 222:54 上午8月-2202:54August 4, 2022這些年的努力就為了得到相應(yīng)的回報(bào)。2022/8/4 2:54:1002:54:1004 August 2022科學(xué)，你是國力的靈魂；同時(shí)又是社會(huì)發(fā)展的標(biāo)志。2:54:10 上午2:54 上午02:54:108月-22每天都是美好的一天，新的一天開啟。8月-228月-2202:5402:54:1002:54:10Aug-22相信命運(yùn)，讓自己成長，慢慢的長大。2022/8/4 2:54:10Thursday, August 4, 2022愛情，親情，友情，讓人無法割舍。8月-222022/8/4 2:54