2023學(xué)年完整公開(kāi)課版D打印

智能花盆設(shè)計(jì)3D打印一3D打印技術(shù)選題的背景

3D打印是快速成形技術(shù)的一種，它運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)一層又一層的多層打印方式，來(lái)構(gòu)造零物件。

與傳統(tǒng)的加些加工方法相比，3D打印可以大大減少零部件數(shù)量，另外復(fù)雜的零件形狀可以一次打印成型，不需要再進(jìn)行裝配。3D打印技術(shù)的發(fā)展

雖然在多數(shù)人看來(lái)3D打印機(jī)還是一個(gè)新生事物，但事實(shí)上，早在20世紀(jì)80年代3D打印就開(kāi)始發(fā)展，3D打印機(jī)的設(shè)想就已經(jīng)隨著3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(3DCAD)技術(shù)的誕生和發(fā)展始醞釀了。那時(shí)候，3D打印還被稱(chēng)為快速成型(RapidPrototyping，簡(jiǎn)稱(chēng)，RP)技術(shù)。早期的3D打印機(jī)3D打印技術(shù)的發(fā)展近幾年，由于互聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)，使得3D打印的“軟件核心”—“數(shù)字模型”得以高速發(fā)展。隨著技術(shù)的革新和生產(chǎn)力的提高，使得3D打印的機(jī)的成本不斷下降，各式打印機(jī)層出不窮，3D打印的“硬件基礎(chǔ)”也業(yè)已成型，3D打印的黃金時(shí)代正式到來(lái)。2012年英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志認(rèn)為3D打印技術(shù)作為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志”，將成為改變未來(lái)世界新的創(chuàng)造性科技。3D打印技術(shù)的發(fā)展年鑒1986年，美國(guó)科學(xué)家CharlesHull開(kāi)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(zhuān)利。1995年，美國(guó)ZCorp公司從麻省理工學(xué)院獲得唯一授權(quán)并開(kāi)始開(kāi)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)SpectrumZ510由ZCorp公司研制成功。2010年11月，美國(guó)JimKor團(tuán)隊(duì)打造出世界上第一輛由3D打印機(jī)打印而成的汽車(chē)Urbee問(wèn)世。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(guó)研究人員開(kāi)發(fā)出世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī)。2011年8月，南安普敦大學(xué)的工程師們開(kāi)發(fā)出世界上第一架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。2013年10月，全球首次成功拍賣(mài)一款名為“ONO之神”的3D打印藝術(shù)品。2013年11月，美國(guó)德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司“固體概念”(SolidConcepts)設(shè)計(jì)制造出3D打印金屬手槍。二3D打印快速成型技術(shù)

分類(lèi)分類(lèi)1、熔絲沉積成型(FusedDepositionModeling，簡(jiǎn)寫(xiě)FDM);等四種。以下對(duì)這些典型工藝原理，特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。2、光固化成形(StereoLithographyApparatus，簡(jiǎn)寫(xiě)SLA);3、選擇性激光燒結(jié)(SelectiveLaserSintering，簡(jiǎn)寫(xiě)SLS);4、薄材疊層制作(LaminatedObjectManufactur-ing簡(jiǎn)寫(xiě)LOM)5、三維打印黏結(jié)成型（噴墨沉積）（Three-DimensionalPrinting）3DP熔絲沉積成形－FDM將絲狀的熱塑性材料ABS、蠟絲，尼龍絲等）通過(guò)噴頭加熱熔化，噴頭底部帶有微細(xì)噴嘴（直徑一般為0.2-0.6mm），在計(jì)算機(jī)的控制下、可根據(jù)截面輪廓信息，做X-Y平面的運(yùn)動(dòng)和高度Z方向運(yùn)動(dòng)。絲狀熱塑性材料由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭，并在碰頭加熱至熔融狀態(tài)，然后杯選擇性地涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成了截面輪廓。一層成形完成后，噴頭上升一個(gè)截面層高度，再進(jìn)行第二層的涂覆，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)：1.可桌面進(jìn)行，操作環(huán)境安全、干凈。2.價(jià)格便宜，工藝簡(jiǎn)單。3.材料利用率高，選擇多樣4.材料具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，可消毒用于醫(yī)用缺點(diǎn)：1.表面粗糙，精度低2.尺寸大易變型3.速度慢4.浪費(fèi)材料光固化成形－SLASLA技術(shù)是基于液態(tài)光敏樹(shù)脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長(zhǎng)和強(qiáng)度的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng),分子量急劇增大,材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。原理：

利用特定強(qiáng)度的激光聚焦照射在光固化材料的表面（材料主要為樹(shù)脂），使之點(diǎn)到線、線到面的完成一個(gè)層上的打印工作，一層完成之后進(jìn)行下一層，依次方式循環(huán)往復(fù)，直至最終成品的完成。世界上第一臺(tái)3D打印機(jī)采用的就是SLA工藝。

缺點(diǎn)：1.設(shè)備造價(jià)昂貴，維護(hù)成本高；2.工作環(huán)境要求苛刻；3.光敏樹(shù)脂材料有污染；4.需支撐結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：1.最早出現(xiàn)成熟度高；2.成型速度快；3.可制作大件；4.精度高，表面質(zhì)量好。選擇性激光燒結(jié)－SLS

SLS利用粉末材料在激光照射下燒結(jié)的原理。首先鋪一層粉末材料，并刮平。將材料預(yù)熱到接近熔化點(diǎn)，再使用高強(qiáng)度的激光器有選擇地在該層截面上掃描，使粉末溫度升至熔化點(diǎn)，然后燒結(jié)形成黏結(jié)。

優(yōu)點(diǎn):1.材料廣泛；2.構(gòu)建時(shí)間短；3.材料可以循環(huán)利用；4.打印出的金屬成品具有與金屬零件相近的機(jī)械性能

缺點(diǎn)：1.表面粗糙；2.大型材料易發(fā)生曲翹；3.預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，冷卻時(shí)間長(zhǎng)。薄材疊層制作(分層實(shí)體制作)－LOM

LOM主要采用激光切割箔材，箔材之間靠熱熔膠在熱壓輥的壓力和傳熱作用下熔化并實(shí)現(xiàn)粘接，一層層疊加制造原型。

流程：采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時(shí)，熱壓輥、熱壓、片材，使之與下面已成形的工件粘接；用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對(duì)齊的網(wǎng)格；激光切割完成后，工作臺(tái)帶動(dòng)已成形的工件下降，與帶狀片材(料帶)分離。優(yōu)點(diǎn)：1.成本低，零件可制作很大

2.快速成型工藝

3.不存在變形

4.無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)：1.無(wú)法制造中空結(jié)構(gòu)

2.浪費(fèi)材料

3.可實(shí)際應(yīng)用的原材料較少三維打印(噴墨沉積)－3DP

3DP：工藝類(lèi)似于傳統(tǒng)的2D噴墨打印機(jī)，屬于“液體噴印成型”，是最為貼合“3D打印”概念的成型技術(shù)之一。

流程：首先鋪粉機(jī)構(gòu)在加工平臺(tái)上精確地鋪上一薄層粉末材料，然后噴墨打印頭根據(jù)這一層的截面形狀在粉末上噴出一層特殊的膠水，噴到膠水的薄層粉末發(fā)生固化。然后在這一層上再鋪上一層一定厚度的粉末，打印頭按下一截面的形狀噴膠水。優(yōu)點(diǎn)

1.成型快，耗材便宜；2.成型無(wú)需支撐，適合做空腔；3.直接打印彩色，無(wú)需上色。缺點(diǎn)

1.石膏粉強(qiáng)度低，只能做概念模型，不能做功能性試驗(yàn)；2.表面粗糙。二3D打印工藝過(guò)程

制造技術(shù)的分類(lèi)制造技術(shù)分類(lèi)去除制造切削加工等切削機(jī)床受迫制造鑄造、鍛造等鍛造機(jī)等粉、片、液體等3D打印制造裝備原理工藝設(shè)備方法論傳統(tǒng)制造技術(shù)的工藝銑床：主要是加工平面，或者斜面，通過(guò)銑刀盤(pán)去掉平面。沖床：就是通過(guò)沖壓的方法使零件成型。車(chē)床：主要是加工軸類(lèi)或者回轉(zhuǎn)體零件，通過(guò)車(chē)刀的車(chē)削使其達(dá)到應(yīng)有的形狀。3D打印的工藝流程

3D打印技術(shù)也稱(chēng)為“疊層制造”，它是基于離散和堆積原理。學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)之前必須具備計(jì)算機(jī)基本操作知識(shí)、三維設(shè)計(jì)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(shí)。原型制作工藝圖3D模型二維圖形信息（STL文件）三維模型后期處理成品三維軟件分割：逐層3D打印逐層制造掃描3D打印的工藝流程-產(chǎn)品三維模型三維掃描反求建模CAD/CAM軟件直接建模3D打印的工藝流程-STL文件生成第一步第二步第三步第四步第五步第六步第七步3D打印的工藝流程-3D打印機(jī)設(shè)置3D打印的工藝流程-成型加工

在計(jì)算機(jī)控制下，相應(yīng)的成型頭按各截面輪廓信息做掃描運(yùn)動(dòng)，在工作臺(tái)上一層一層地堆積材料，各層相粘結(jié)，最終得到原型產(chǎn)品。三3D打印材料

常用3D打印技術(shù)及材料類(lèi)型累積技術(shù)基本材料擠壓熔融沉積式(FDM）塑料，金屬、可食用材料、石蠟、低熔點(diǎn)合金絲線電子束自由成形制造(EBF)幾乎任何合金粒狀直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）幾乎任何合金電子束熔化成型（EBM）鈦合金選擇性激光熔化成型(SLM)鈦合金，鈷鉻合金，不銹鋼，鋁選擇性激光燒結(jié)（SLS）尼龍、臘、ABS、金屬和陶瓷粉末。粉層噴3D打印石膏3D打印(PP)石膏層壓分層實(shí)體制造（LOM）紙、金屬膜、塑料薄膜光聚合立體平板印刷（SLA）光硬化樹(shù)脂、液態(tài)光敏材料數(shù)字光處理(DLP)光硬化樹(shù)脂、3D打印常用塑料

在3D打印領(lǐng)域，塑料是最常用的打印材料，常用塑料的種類(lèi)有：ABS塑料、PLA(聚乳酸）、尼龍、PC、玻璃填充聚胺，通過(guò)不同比例的材料混合，可以產(chǎn)生出將近120種軟硬不同的新材料。1、尼龍材料說(shuō)明：尼龍12，具有良好的力學(xué)性能和生物相容性，經(jīng)認(rèn)證達(dá)到食品安全等級(jí)，高精細(xì)度，性能穩(wěn)定，能承受高溫烤漆和金屬?lài)娡?，適用于制作展示模型、功能部件、真空鑄造原型、最終產(chǎn)品和零配件。它的表面是有一種沙沙的、粉末的質(zhì)感，也略微有些疏松。材料應(yīng)用：汽車(chē)、家電、電子消費(fèi)品材料顏色：白色材料熱變形溫度：110℃市場(chǎng)價(jià)位：20元-27元/千克。

3D打印常用塑料2、ABSABS是常用的一種3D打印塑料之一。ABS塑料具有優(yōu)良的綜合性能，有極好的沖擊強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性好、電性能、耐磨性、抗化學(xué)藥品性、染色性，成型加工和機(jī)械加工較好。

ABS樹(shù)脂耐水、無(wú)機(jī)鹽、堿和酸類(lèi)，不溶于大部分醇類(lèi)和烴類(lèi)溶劑，而容易溶于醛、酮、酯和某些氯代烴中。

ABS塑料的缺點(diǎn)：熱變形溫度較低，可燃，耐候性較差。

價(jià)格：25元-35元/千克。3、PLA

熱穩(wěn)定性好，加工溫度170～230℃，有好的抗溶劑性，可用多種方式進(jìn)行加工。由聚乳酸制成的產(chǎn)品除能生物降解外，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性好，有的聚乳酸（PLA）還具有一定的抗菌性、阻燃性和抗紫外性。使用可再生的植物資源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。淀粉原料經(jīng)由發(fā)酵過(guò)程制成乳酸，再通過(guò)化學(xué)合成轉(zhuǎn)換成聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水，不污染環(huán)境。價(jià)格：25元-35元/千克。

3D打印常用塑料4、PC材料、PC-ISO材料、PC-ABS材料材料說(shuō)明：PC材料是真正的熱塑性材料，具備工程塑料的所有特性。高強(qiáng)度，耐高溫，抗沖擊，抗彎曲，可以作為最終零部件使用。使用PC材料制作的樣件，可以直接裝配使用，廣泛應(yīng)用于交通工具及家電行業(yè)。PC的強(qiáng)度比ABS材料高出60%左右，具備超強(qiáng)的工程材料屬性！材料應(yīng)用：電子消費(fèi)品、家電、汽車(chē)制造、航空航天、醫(yī)療器械材料顏色：白色材料熱變形溫度：138℃市場(chǎng)價(jià)格：20元-42元/千克5、多色樹(shù)脂材料說(shuō)明：系列材料集尺寸穩(wěn)定性和細(xì)節(jié)可視性于一身，適用于模擬標(biāo)準(zhǔn)塑料和制作模型，可實(shí)現(xiàn)逼真的最終產(chǎn)品效果。非常適用于：廣泛的裝配與外觀測(cè)試、活動(dòng)部件與組裝部件、展覽與營(yíng)銷(xiāo)模型、電子元件的組裝、非常適用于硅膠模具

材料應(yīng)用：電子消費(fèi)品、家電、汽車(chē)制造、航空航天、醫(yī)療器械材料顏色：白色藍(lán)色黑色材料熱變形溫度：45℃市場(chǎng)價(jià)位：25元-30元/千克3D打印光敏樹(shù)脂光敏樹(shù)脂：即是UV樹(shù)脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光（紫外光）引發(fā)劑（或稱(chēng)為光敏劑）。在一定波長(zhǎng)的紫外光（250-300納米）照射下立刻引起聚合反應(yīng)完成固化。樹(shù)脂材料Soms11122材料說(shuō)明：Somos11122看上去更像是真實(shí)透明的塑料,具有防水和尺寸穩(wěn)定性。應(yīng)用：Somos11122提供多種類(lèi)似工程塑料的特性。這些特性使它很適合用在汽車(chē)、醫(yī)藥、電子類(lèi)消費(fèi)、透鏡、包裝、流體分析、RTV翻模、耐用的概念模型、

風(fēng)洞試驗(yàn)、快速鑄造等。材料應(yīng)用：汽車(chē)、家電、電子消費(fèi)品材料顏色：透明市場(chǎng)價(jià)位：800元-880元/千克3D打印不銹鋼材料說(shuō)明:不銹鋼材料，具有很好的抗腐蝕及機(jī)械性能，適用于功能性原型件和系列零件，被廣泛應(yīng)用于工程和醫(yī)療領(lǐng)域。不銹鋼打印在金屬打印上來(lái)講算是最便宜的一種打印形式，既具有高強(qiáng)度，又適合打印大物品。材料應(yīng)用：家電、汽車(chē)制造、航空航天、醫(yī)療器械材料顏色：玫瑰金、鈦金、紫金、銀白色、藍(lán)色材料熱變形溫度：不同規(guī)格有不同的溫度渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，薄壁、復(fù)雜零部件中空的手術(shù)器械，個(gè)性化定制3D打印尼龍鋁

材料說(shuō)明：尼龍鋁模型是由一種灰色鋁粉及腈綸混合物制作而成。尼龍鋁是一種高強(qiáng)度并且硬挺的材料，做成的樣件能夠承受較小的沖擊力，并能在彎曲狀態(tài)下抵抗一些壓力。尺寸精度高，高強(qiáng)度，金屬外觀，適用于制作展示模型，模具鑲件、夾具和小批量制造模具。材料應(yīng)用：飛機(jī)、汽車(chē)、火車(chē)、船舶、宇宙火箭、航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、化學(xué)反應(yīng)器、醫(yī)療器械、冷凍裝置材料顏色：銀白色材料熱變形溫度：（熔點(diǎn)660℃）3D打印彩色石膏材料材料說(shuō)明：材料本身基于石膏的，易碎，堅(jiān)固，色彩清晰。材料感覺(jué)起來(lái)很像巖石。按照需要使用不同的浸潤(rùn)方法，如低熔點(diǎn)蠟、Zbond101、ZMax90（強(qiáng)度依次遞減）。全彩色3D打印模型易碎?；谠诜勰┙橘|(zhì)上逐層打印的成型原理，3D打印成品在處理完畢后，表面可能出現(xiàn)細(xì)微的顆粒效果，在曲面表面可能出現(xiàn)細(xì)微的年輪狀紋理。材料應(yīng)用：動(dòng)漫，玩偶，建筑等材料顏色：全彩色材料熱變形溫度：200℃市場(chǎng)價(jià)位：35元-40元/25千克家用3D打印機(jī)打印材料：塑料絲、少量金屬絲特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度低、物品表面粗糙、不考慮力學(xué)性能。分層厚度：0.1mm-0.5mm市場(chǎng)范圍：市場(chǎng)80%的3D打印機(jī)屬于民用消費(fèi)級(jí)。售價(jià)：3000-20000RMB消費(fèi)人群：設(shè)計(jì)愛(ài)好者、小企業(yè)、學(xué)校家用消費(fèi)級(jí)采用的工藝主要為熔積成型FDM。商用3D打印機(jī)打印材料：樹(shù)脂、金屬、石膏、尼龍、玻璃等。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、物品表面質(zhì)量好、基本不考慮力學(xué)性能。分層厚度：0.1mm-0.5mm市場(chǎng)范圍：市場(chǎng)20%的3D打印機(jī)屬于商用級(jí)。售價(jià)：100萬(wàn)-400萬(wàn)RMB消費(fèi)人群：大中型生產(chǎn)制造企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)部門(mén)打印出來(lái)的物品，一般不出售，只作外觀設(shè)計(jì)、模型研發(fā)用，縮短研發(fā)周期。醫(yī)用3D打印機(jī)打印材料：鈦合金、特殊與活體能相容的材料。市場(chǎng)范圍：打印機(jī)的用量很少。主要產(chǎn)品：人體植入物、假肢、假牙、骨骼等。在歐美已經(jīng)有很廣泛的應(yīng)用。消費(fèi)人群：醫(yī)療保健企業(yè)和醫(yī)院。特點(diǎn)：一對(duì)一滿(mǎn)足有需求的人。3D打印生產(chǎn)的假肢在歐美已經(jīng)有30000人以上在應(yīng)用。四應(yīng)用

3D打印技術(shù)的應(yīng)用－醫(yī)療美國(guó)一家兒科醫(yī)學(xué)中心利用3D打印技術(shù)成功制造出全球第一顆人類(lèi)心臟，這顆用塑料打印出的心臟可以像正常人類(lèi)心臟一樣正常跳動(dòng)。外科醫(yī)生能夠利用3D打印心臟來(lái)練習(xí)復(fù)雜的手術(shù)。3D打印血管德國(guó)Fraunhoferinstitutes的跨學(xué)科研究小組宣布，解開(kāi)了3D打印血管的奧秘。3D打印骨頭Open3DP創(chuàng)新小組向世界宣布3D打印在骨頭上的應(yīng)用。3D打印技術(shù)的應(yīng)用－鞋子，衣物耐克推全球第一款3D打印足球鞋3d打印鞋美國(guó)設(shè)計(jì)工作室ContinuumFashion發(fā)布了他們的第一個(gè)可穿3d打印鞋履系列——“strvct”。紐拜倫利用3D打印技術(shù)制造的跑鞋白色尼龍制作出來(lái)的胸衣配飾、羽毛狀衣服3D打印技術(shù)的應(yīng)用－工業(yè)、建筑3D打印混凝土成品OpenReflex單反相機(jī)LéoMarius用ABS樹(shù)脂材料打印出來(lái)的。除了反光板和一些螺絲外，整部相機(jī)分為三大部分：膠片艙、快門(mén)、取景器。打印立體的建筑印刷機(jī)從噴嘴處噴出以鎂為主要原料的粘合膠，這些粘合膠跟沙子結(jié)合并在印刷機(jī)對(duì)其施壓后變成巖石。