逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用 第4版 課件 4-6 快速成型技術(shù)的發(fā)展

蘇州職業(yè)大學(xué)孫春華了解快速成型技術(shù)的發(fā)展（介紹快速成型技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史、發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)）目錄CONTENTS1.快速成型技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史以時(shí)間軸的方式展示主要工藝的發(fā)展3.快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)基于現(xiàn)狀問(wèn)題，提出發(fā)展趨勢(shì)2.快速成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀講述該技術(shù)發(fā)展較好的幾個(gè)國(guó)家的發(fā)展情況Part1快速成型技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史1860年，法國(guó)人FranoisWillème申請(qǐng)到了多照相機(jī)實(shí)體雕塑（Photosculpture）的專利。1892年，美國(guó)人J.E.Blanther登記了一項(xiàng)采用層合方法制作三維地圖模型的專利技術(shù)。1902年，CarloBaese在專利(#774549)提出用光敏聚合物制造塑料件的原理(StereoLithography)。1940年，Perera提出了在硬紙板上切割輪廓線，然后將這些紙板粘結(jié)成三維地形圖的方法。1964年，E.E.Zang細(xì)化了該方法，用透明紙板，且每一塊均帶有詳細(xì)的地貌形態(tài)標(biāo)記，制作地貌圖。1972年，K.Matsubara使用光固化材料，光線有選擇地投射或掃射，將規(guī)定的部分硬化，不斷堆積成型。Part1快速成型技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史1976年，P.L.DiMatteo提出這種堆積技術(shù)能夠用來(lái)制造用普通機(jī)加工設(shè)備難以加工的曲面。1977年，W.K.Swainson在專利中提出通過(guò)選擇性的三維光敏聚合物體激光照射直接制造塑料模型工藝。1979年，日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的中川威雄教授發(fā)明了疊層模型造型法。1979年，日本東京大學(xué)T.Nakagawa教授等用薄板技術(shù)制造落料模、成形模和注射模等，復(fù)雜冷卻通道。1980年，日本人小玉秀男提出了光造型法?！?860~1980，增材制造（3D打印）技術(shù)，在模型切片、打印路徑規(guī)劃、打印參數(shù)等方面形成了基礎(chǔ)技術(shù)框架。Part1快速成型技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史增材制造的出現(xiàn)最早可以追溯到20世紀(jì)80年代。1986年Chuck

Hull獲得申請(qǐng)專利。同年,在加利福尼亞州成立了3DSystems公司,致力于將光固化技術(shù)商業(yè)化。Chuck

Hull被譽(yù)為“3D打印之父”。1988年,3DSystems推出全球第一臺(tái)商業(yè)設(shè)備SLA-250,至此光固化快速成型技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速而廣泛的應(yīng)用。SLA-250的面世成為了3D打印技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑事件,其設(shè)計(jì)思想和風(fēng)格幾乎影響了后續(xù)所有的3D打印設(shè)備。現(xiàn)在這臺(tái)設(shè)備被3D打印文化博物館永久收藏和展示。Part1快速成型技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史1988年，美國(guó)人斯科特·克朗普發(fā)明了一種新的成型工藝——熔融沉積成型FDM。1989年，美國(guó)人德卡德發(fā)明了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，這種技術(shù)的特點(diǎn)是選材范圍廣泛，比如尼龍、臘、ABS、金屬和陶瓷粉末等都可以作為原材料。——1981-1989增材制造的主流技術(shù)、平臺(tái)技術(shù)FDM，SLA，SLS誕生于美國(guó)。主要用于塑料件的快速成型。1992年，美國(guó)人赫利塞思發(fā)明層片疊加制造技術(shù)LOM。1995年，美國(guó)麻省理工學(xué)院研制出三維粉末粘結(jié)成型技術(shù)3DP。也是從這一年開(kāi)始，增材制造被稱為3D打印?！?991-1999全球制造戰(zhàn)略的變遷，加速了增材制造技術(shù)（快速成型）的應(yīng)用發(fā)展；激光、CAD軟件、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展提升了工業(yè)級(jí)增材制造（快速成型/模具）的技術(shù)成熟度；FDM，3DP，SLA，SLS等技術(shù)形成了成熟的工藝過(guò)程；材料適用性較廣、成本較低的工業(yè)級(jí)增材制造技術(shù)3DP、LENS誕生于美國(guó)。Part1快速成型技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史進(jìn)入21世紀(jì)，該技術(shù)迅速發(fā)展。2000年，Objet發(fā)布噴射光固化技術(shù)，使用紫外線光感和液滴綜合技術(shù)，是第一臺(tái)能夠同時(shí)使用幾種不同的打印原料的3D打印機(jī)，可大幅提高制造精度2003年，金屬3D打印主流工藝開(kāi)發(fā)DMLS（SLM）激光燒結(jié)技術(shù)，誕生于德國(guó)EOS。2005年，ZCorp.公司推出世界上第一臺(tái)高精度彩色3D打印機(jī)SpectrumZ510，3D打印由此有了精致的色彩。2007年，3D打印服務(wù)創(chuàng)業(yè)公司ShapeWays正式成立，提供個(gè)性化產(chǎn)品定制服務(wù)。Part1快速成型技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史2009年，BrePettis創(chuàng)立了著名的桌面級(jí)3D打印機(jī)公司──MakerBot，并出售DIY套件，購(gòu)買者可自行組裝3D打印機(jī)，將3D打印技術(shù)進(jìn)一步推廣開(kāi)來(lái)；2010年，生物打印技術(shù)公司Organovo公開(kāi)第一個(gè)利用生物打印技術(shù)打印完整血管的數(shù)據(jù)。2008年，第一臺(tái)開(kāi)源的桌面級(jí)3D打印機(jī)RepPap發(fā)布，其目的是開(kāi)發(fā)一種能自我復(fù)制的3D打印機(jī)。桌面級(jí)的開(kāi)源3D打印機(jī)為轟轟烈烈的3D打印普及化浪潮揭開(kāi)了序幕。——2000-2010金屬3D打印技術(shù)進(jìn)步快速，開(kāi)源的FDM打印機(jī)誕生，為后續(xù)全球大量的FDM桌面打印機(jī)的出現(xiàn)埋下伏筆。Part1快速成型技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史2012年，英國(guó)著名經(jīng)濟(jì)學(xué)雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》封面文章，聲稱3D打印將引發(fā)全球第三次工業(yè)革命。自此各國(guó)政府開(kāi)始制定政策，支持該技術(shù)的研究和應(yīng)用，大大地推動(dòng)了該技術(shù)的發(fā)展。2012年，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬提出投資10億美元在全美建立15家制造業(yè)創(chuàng)新研究所。來(lái)自MIT的團(tuán)隊(duì)成立Formlabs公司，發(fā)布了世界上第一臺(tái)廉價(jià)且高精度的SLA。中國(guó)宣布是世界上唯一掌握大型結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件激光成型技術(shù)的國(guó)家。2013年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）測(cè)試3D打印的火箭部件。Part1快速成型技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史2015年，美國(guó)Carbon3D公司發(fā)布一種新的光固化技術(shù)——連續(xù)液態(tài)界面制造CLIP，利用氧氣和光連續(xù)地從樹(shù)脂材料中逐出模型。CLIP在SLA技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的具有革命性的3D打印技術(shù)，將3D打印的速度提高了100倍。且可以使用部分生物材料。此外，還有許多3D打印技術(shù)在汽車制造、首飾設(shè)計(jì)、食品、藝術(shù)、生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域的成功案例。Part1快速成型技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史2016年，美國(guó)DesktopMetal發(fā)布基于3DP技術(shù)的桌面金屬3D打印系統(tǒng)。2017年，澳大利亞SPEE3D推出基于超音速3D沉積技術(shù)（SP3D）的金屬3D打印系統(tǒng)。2018年，美國(guó)惠普HP正式發(fā)布基于粘結(jié)劑噴射的金屬打印系統(tǒng)。2018年，美國(guó)GE公司完成了第30,000個(gè)增材制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴。

2019年，基于FDM工藝的Markforged發(fā)布鎳合金、銅合金材料工藝。2019年，美國(guó)公司VELO3D首創(chuàng)無(wú)需支撐的金屬3D打印技術(shù)。2020年，中國(guó)搭載100多個(gè)零件的天問(wèn)號(hào)火星探測(cè)器運(yùn)載火箭發(fā)射?！贔DM、3DP工藝的金屬增材制造技術(shù)不斷涌現(xiàn)；基于SLM、EBM技術(shù)的工業(yè)級(jí)增材實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。增材制造向傳統(tǒng)制造挑戰(zhàn)。Part1快速成型技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史Part1快速成型技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史幾個(gè)重要的時(shí)間節(jié)點(diǎn)：1、1860年，樸素的增材制造概念誕生2、1983年，光固化（SLA）3、1989年，熔融層積成型技術(shù)(FDM)4、1992年，激光燒結(jié)(SLS)5、1995年，激光熔化(SLM）

3D打印是19世紀(jì)的構(gòu)想，20世紀(jì)的基礎(chǔ)，21世紀(jì)的市場(chǎng)。隨著多年的發(fā)展，3D打印產(chǎn)業(yè)已形成較為成熟的基礎(chǔ)技術(shù)和不斷創(chuàng)新的技術(shù)體系，逐漸成為航空航天、汽車、消費(fèi)電子、醫(yī)療等領(lǐng)域的熱門技術(shù)。Part2快速成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1、各國(guó)的發(fā)展水平歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和新興經(jīng)濟(jì)國(guó)家將其作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，紛紛制定發(fā)展戰(zhàn)略，投入資金，加大研發(fā)力量，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。作為全球第一科技強(qiáng)國(guó)的美國(guó)，增材制造發(fā)源于此。美國(guó)不僅擁有世界最前沿的增材制造技術(shù)，而且還誕生了兩大增材制造行業(yè)巨頭Stratasys和3DSystems。該技術(shù)在美國(guó)的應(yīng)用，無(wú)論是在軍事、航空航天、醫(yī)療、工業(yè)，還是在民用方面，都走在世界前列。美國(guó)成為增材制造領(lǐng)先的國(guó)家，主要的引領(lǐng)要素是低成本快速成型設(shè)備的社會(huì)化應(yīng)用和金屬零件直接制造技術(shù)在工業(yè)界的應(yīng)用。Part2快速成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀俄羅斯在增材制造領(lǐng)域中的作用或許被外界小看了，因?yàn)轷r有報(bào)道。但其實(shí)俄羅斯是一個(gè)激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)大國(guó)，其在激光技術(shù)領(lǐng)域處于國(guó)際上數(shù)一數(shù)二的地位。目前，俄羅斯增材制造技術(shù)在其激光技術(shù)的輔助下發(fā)展迅速，并通過(guò)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)交流與合作，在增材制造領(lǐng)域走入了世界前列。在增材制造應(yīng)用方面，俄羅斯也緊跟世界腳步，其在工業(yè)制造、航空、軍事與醫(yī)療等領(lǐng)域都已有不小的進(jìn)展。

作為科技強(qiáng)國(guó)的日本，增材制造技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用，如醫(yī)療、工業(yè)制造、技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面都讓人耳目一新。

印度的增材制造目前也有一些進(jìn)展，雖然開(kāi)始時(shí)進(jìn)展緩慢，但在模具和航空航天領(lǐng)域獲得了一些應(yīng)用。Part2快速成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)增材制造技術(shù)在國(guó)家政策的支持下，經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)化步伐明顯加快，科技創(chuàng)新成果顯著增加，關(guān)鍵技術(shù)、裝備性能不斷提升，涌現(xiàn)出一批具有一定競(jìng)爭(zhēng)力的骨干企業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域日益拓展，形成了若干個(gè)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，生態(tài)體系初步形成，2020年的產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)突破220億元。針對(duì)材料、工藝和設(shè)備的研究成果部分已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用范圍覆蓋航空航天、裝備制造、汽車、生物醫(yī)療和文化創(chuàng)意等重要領(lǐng)域。根據(jù)美國(guó)國(guó)際數(shù)據(jù)集團(tuán)（IDG）預(yù)測(cè)，中國(guó)未來(lái)增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模將維持至少22.3%的年增長(zhǎng)率。Part2快速成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀Part3快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)受技術(shù)裝備、新型材料、設(shè)計(jì)軟件、質(zhì)量安全和公共環(huán)境等制約和影響，目前僅適用于少批量、小尺寸、高精度、造型復(fù)雜的零部件和元器件的加工制造，還難以代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造業(yè)大規(guī)模、大批量的加工制造，尚未進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。隨著該技術(shù)的發(fā)展，新工藝的不斷出現(xiàn)，新應(yīng)用的不斷拓展，逐漸呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：（1）向日常消費(fèi)品制造方向發(fā)展。三維打印是國(guó)外近年來(lái)的發(fā)展熱點(diǎn)。將三維打印機(jī)作為計(jì)算機(jī)一個(gè)外部輸出設(shè)備來(lái)應(yīng)用，可以直接將計(jì)算機(jī)中的三維圖形輸出為三維的彩色物體，在科學(xué)教育、工業(yè)造型、產(chǎn)品創(chuàng)意、工藝美術(shù)等有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價(jià)值。其發(fā)展方向是提高精度、降低成本、高性能材料發(fā)展。Part3快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)（2）向功能零件制造發(fā)展。采用激光或電子束直接熔化金屬粉，逐層堆積金屬，形成金屬直接成型技術(shù)。該技術(shù)可以直接制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬功能零件，制件力學(xué)性能可以達(dá)到鍛件性能指標(biāo)。進(jìn)一步的發(fā)展方向是進(jìn)一步提高精度和性能，同時(shí)向陶瓷零件的增材制造技術(shù)和復(fù)合材料的增材制造技術(shù)發(fā)展。（3）向智能化裝備發(fā)展。目前快速成型設(shè)備在軟件功能和后處理方面還有許多問(wèn)題需要優(yōu)化。例如，成型過(guò)程中需要加支撐，軟件智能化和自動(dòng)化需要進(jìn)一步提高；制造過(guò)程，工藝參數(shù)與材料的匹配性需要智能化；加工完成后的粉料或支撐的需要去除等問(wèn)題。這些問(wèn)題直接影響設(shè)備的使用和推廣，設(shè)備智能化是走向普及的保證。Part3快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)前，已經(jīng)處于第二代增材制造設(shè)備時(shí)代。第一代增材制造設(shè)備主要是滿足我們?cè)O(shè)計(jì)產(chǎn)品的原型制作。通過(guò)增材制造設(shè)備能夠打印出立體的物品出來(lái)，而且形象逼真，但是功能性不強(qiáng)。第二代增材制造設(shè)備則能夠打印出我們所需要的功能性產(chǎn)品，包括金屬的、生物的產(chǎn)品，也包括一些大型的結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品和柔性產(chǎn)品。未來(lái)第三代增材制造設(shè)備的智能化、信息化水平更高，與機(jī)器人、智能材料等其他先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合則更為緊密，還可以衍生出很多模塊化的功能。（4）向組織與結(jié)構(gòu)一體化制造發(fā)展。增材制造將實(shí)現(xiàn)從微觀組