3D打印技术与应用课件

1、快速成型技术,3D,打印,2017/11/08,前,言,随着科学技术的发展，生产完成了从工厂业手工向机器大工业的过,渡，从而改变了人们生活与工作方式。在日新月异的信息化、智能化浪,潮中，人们个性化的需求意见日渐增长。未来的产业将是生产那些个性,化的产品，未来的制造工厂也会渐渐被分散的个人取代，实现“社会制,造,社会制造的关键是主动、实时地将社会需求和社会制造能力有机地,衔接起来，从而实现和供应之间的相互转换。而,3D,打印是一种可以快,速实现社会需求,数据模型”向个性化产品转化的技术，将互联网,物联网、物流网和,3D,打印技术组成社会制造的网络，通过众包的方式,让民众充分参与产品的全生命制造过

2、程，必会促进个性化、实时化、经,济化的生产和消费模式，形成新的产业革命,3D,打印模型,概述,快速成型,Rapid Prototyping,简称,RP,技术是,20,世纪,80,年代后期发展起来的,快速成型技术是近年来发展起来的直接根,据,CAD,模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了,CAD,技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果,是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速,成型从零件的,CAD,几何模型出发，通过软件分层离散和数控成,型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由,于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可,以在不用模具和工

3、具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极,大地提高了生产效率和制造柔性。其对制造业的影响可与,20,世,纪,50-60,年代的数控技术相比，快速成型技术可以自动、直接,快速精确的将设计思路转变为具有一定功能的原型或直接制,造零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验,大大缩短了产品的研制周期,内,容,1,3D,打印技术的原理、特点,2,3D,打印技术的重大意义,3,4,3D,打印典型案例与行业发展现状,典型,3D,打印技术,5,3D,打印技术与行业的前景展望,1. 3D,打印技术原理,去除制造,切削加工等,切削机床,受迫制造,制,造,技,术,分,类,铸造、锻造等,粉、片、液体,等,锻造

4、机等,3D,打印,制造装备,设,备,方法论,仿生制造,原,理,工,艺,1.1 3D,打印技术原理,3D,打印技术（学术界称为增材制造、快速成形等,是通过对,CAD,数,据离散分析，得到堆积的约束、路径及方法，通过材料叠加堆积而,形成三维实体模型,基于离散和堆积原理,也称为“叠层制造,学习,3D,打印技术因具备计算机基本操作知识、三维设计软件、机械,基础、控制基础、网络信息等多学科知识,3D,打印技术原理图,快速制造原理示意图,CAD,模型,堆积成形,产品,三维,二维,三维的转换,1.2 3D,打印技术特点,3D,打印技术变“减材”加工为“立体打印,将三维实体变为二维平面，降低制造复杂度,1.2

5、 3D,打印技术特点,特别适合复杂结构、个性化制造及创新构思的快速验证,3D,打印技术具有成形材料广、零件性能优的突出特点,内,容,1,3D,打印技术的原理、特点,2,3D,打印技术的优点,3,4,3D,打印典型案例与行业发展现状,典型,3D,打印技术,5,3D,打印技术与行业的前景展望,2.1 3D,打印技术为社会制造提供创新的原动力,拓展产品创意与创新空间,无需任何夹具，设计和制造一体,化,设计人员不再受传统工艺和制造资源约束，专注于产,品形态创意和功能创新，在“设计即生产”、“设计即产品,理念下，追求“创造无极限,在零部件的设计上可以采用最优的结构设计，无需考虑加工问题,解决了传,统的航

6、空航天、船舶、汽车等动力装备高端复杂精细结构零部件的制造难题,2.1 3D,打印技术为社会制造提供创新的原动力,极大降低产品研发创新成本、缩短创新研发周期，提高新产,品投产的一次成功率,由于简化或省略了工艺准备、试验等,环节，产品数字化设计、制造、分析高度一体化，显著缩短,新产品开发定型周期，降低成本,实现同步并行工程的实施,设计,试验,工,艺,准,备,工艺准备,制造,设计,制造,缩短周期,六缸发动机缸盖传统砂型铸造工,装模具设计制造周期长达,5,个月,3D,打印只需一周便可制成,2.2 3D,打印技术可提升社会制造的工艺能力,简化制造提高产品质量与性能,据悉，一架“空客,A380,飞机或“波

7、音,747,飞机，分别约有,450,多万个零部件，从理论上说,零部件越多越不安全，结合部往往就,是隐患,3D,打印技术的一个明显优势就是可以将,多个零部件集合成,一个整体制造出来，减少零部件的数量，不但大大简化了之后的装,配工作，也是其安全性和可靠性随之提高,此钛合金复杂大型主承力构,件，传统制造方式需要分体,制造，然后焊接，而使用激,光,3D,打印整体可实现成形,安全性和可靠性大大提高,2.2 3D,打印技术可提升社会制造的工艺能力,能制造出传统工艺无法加工的零部件,解决常规机械,加工或手工无法解决的问题，极大增强了工艺实现能,3D,打印突破了结构几何约束，能够制造出传统方法无法加工的非,常

8、规结构特征，这种工艺能力对于实现零部件轻量化、优化性能,有极其重要的意义,力,航空发动机的复杂关键零部件,2.2 3D,打印技术可提升社会制造的工艺能力,提高了难加工材料可加工性，拓展了工程应用领域,高能束加工陶瓷、钛合金等传统难加工材料零件拓展了高性能材,料的工程应用范围；采用金属,无机,有机生物材料制成的人体器,官修复体等医用零部件则拓展了工业制品的应用范围,整体式镍合金转子,生物材料人体器官修复体,2.3 3D,打印技术实现社会制造的绿色可持续发展,3D,打印制造技术促进绿色制造模式,非接触和无压力成形、近净成形能耗低、节约材料、污染物排放少,利用,3D,打印实现大型复杂零部件的修复再制

9、造，节约资源能源,2.3 3D,打印技术实现社会制造的绿色可持续发展,3D,打印制造技术促进绿色制造模式,关键创新思路：将零件内部设计为网状结构，替代实心，从而减少,材料使用量，降低制造时间和能源消耗量,具有内部网状结构的钛合金发动机叶片,材料使用量减少,70,选择性激光熔化,SLM,制造时间降低,60,技术难点：,1,传统制造方法无法成形,2,网状结构设计，优化性能,内,容,1,3D,打印技术的原理、特点,2,3D,打印技术的优点,3,3D,打印典型案例与行业发展现状,4,典型,3D,打印技术,5,3D,打印技术与行业的前景展望,3.2.1 3D,打印典型案例,工业,3D,打印与,传统铸造工

10、艺,结合，实现航空航天、汽车,国防等领域,大型复杂异形关键零部件件,的快速制造，实现,新产品的快速低成本开发,3D,打印技术加速航天航空、汽车等领域关键零部件的快速开发与制,造，提高相关领域的创新能力与水平,3.2 3D,打印典型案例,工业,3D,打印与,传统模具制造工艺,结合，提高复杂模具的冷,却效率，减少产品缺陷，缩短制造周期，大幅降低制造成,本,随形冷却流道设计与冷却效果模拟,复合制造工艺,模具冷却周期缩短,68,以上，温度梯度由,12,降至,4,缺陷率有,60,将至,0,工业,3D,打印与,传统模具制造工艺,结合,3.2 3D,打印典型案例,工业,3D,打印与,传统热等静压工艺,结合，

11、实现复杂难加工材,料零部件的整体净近成形,3.2 3D,打印典型案例,工业,3D,打印直接成形复杂高性能金属功能零部件，直接应,用在航天航空、汽车等领域,美国,AeroMet,公司,使用激光成形技术制造的,次承力结构件,在,F/A-18,战斗机上实现了装机验证,3.2 3D,打印典型案例,医疗,研究直接细胞直接打印技术，制造出血管、肝脏等软组,织,医学上的应用,3.2 3D,打印典型案例,文化创意,制造形状复杂、彩色的工艺品，可实现文物的复,制以及创新的设计,3D,打印制造的“火龙”工艺品,文物复制（西汉长裙女佣,栩栩,如生,的彩,色金,刚鹦,鹉,3.2.1 3D,打印国内外应用案例,日常生活

12、,3D,打印已经进入我们的生活，开始影响我们的衣,食住行,衣,用,3D,打印机在家中“打印”鞋子（美国,食：用,3D,打印机制造巧克力、肉类,3.3 3D,打印行业现状,2012,年,3D,打印行业产值增长,28.6,达到了,22.04,亿美金,3D,打印行业连续三年增长量超过,20,3D,打印行业历年产值变化,Wohlers Report 2013,内,容,1,3D,打印技术的原理、特点,2,3D,打印技术的优点,3D,典型案例与行业发展现状,3,4,典型,3D,打印技术,5,3D,打印技术与行业的前景展望,4.1,快速成型典型工艺,光固化成形,Stereo Lithography Appa

13、ratus,简写,SLA,薄材叠层制作,Laminated Object Manufactur-ing,简写,LOM,选择性激光烧结,Selective Laser Sintering,简写,SLS,熔丝沉积成形,Fused Deposition Modeling,简写,FDM,等四,种,以下对这些典型工艺原理，特点进行简单的介绍,4.1 SLA,光固化（立体光刻,采用激光一点点照射光固化液态树脂使之固化的方法成,形，是当前应用最广泛的一种高精度成形工艺,成型原理：光照,紫外激光,光敏树脂,成形零件,刮平器,液面,升降台,Z,成型材料：光敏树脂,成本高,截层厚度,0.040.07mm,可控精度

14、,0.1mm,优缺点：表面质量好，精度,较高；应用,小件；需要支撑,结构；材料有污染,4.1,光固化快速成形制造技术及其应用,华中科技大学研制的第一代,SLA,设备,SLA,成形的典型零件,4.1,光固化快速成形制造技术及其应用,SLA,成形的可装配瓶状模型,4.1,光固化快速成形制造技术及其应用,SLA,成形的微小精细结构,零部件,成形：约,10,m,1,小时左右,4.1,光固化快速成形制造技术及其应用,SLA,成形的典型零件,4.2,薄材叠层制作,LOM,分层实体制造,采用激光切割箔材，箔材之间靠热熔胶在热压辊的压力和,传热作用下熔化并实现粘接，一层层叠加制造原型,加工平面,升降台,CO,

15、2,激光器,热压辊,原理：激光切割,材料：金属箔、纸,控制计算机,截层厚度,0.070.15mm,精度：与切割材质有关,料带,收料轴,供料轴,优缺点：适合大中型制件,成型速度快；精度不高,材料浪费；废料清理困难,4.2,薄材叠层快速成形制造技术及其应用,华中科技大学研制的,LOM,设备,华中科技大学研制的,LOM,材料,LOM,成形的典型零件,4.2,薄材叠层快速成形制造技术及其应用,摩托车零件,4.2,薄材叠层快速成形制造技术及其应用,小型发动机零件原型件,4.3 SLS,选择性激光烧结,采用激光逐点烧结粉末材料，使包覆于粉末材料外的固体粘,接剂或粉末材料本身熔融实现材料的粘接,原理：激光烧

16、结,扫描镜,平整滚,激光器,材料：陶瓷、金属粉等等,截层厚度,0.10.2mm,优缺点：材料使用广；适,合中小型制件；成型效率,不高；后处理复杂,激光束,粉末,4.3,粉末材料,3D,打印技术及其应用,为某单位成形的航空航天零部件蜡模及精密铸造钛合金零部件,零件尺寸,109,109,1011mm,3,4.3,粉末材料,3D,打印技术及其应用,非金属制件快速成形制造技术,塑料制件,熔模精密铸造,SLS,铸造,熔模,铝合金铸件,摩托车引擎缸体,253.8,253.7,181.8 mm,3,金属粉末烧结,蜡件,4.3,粉末材料,3D,打印技术及其应用,非金属制件快速成形制造技术,塑料制件,熔模精密铸

17、造,SLS,铸造,熔模,铸件,大型薄壁铸件，最小壁厚,3.0mm,851.12,523.20,380.35 mm,3,砂制件,4.3,粉末材料,3D,打印技术及其应用,复杂尼龙零件的直接,3D,打印,4.3,粉末材料,3D,打印技术及其应用,非金属制件,3D,打印技术,树脂覆膜砂制件,用覆膜砂型,的液压阀体铸件及其,芯,浇注,剖分图,4.4 FDM,熔融沉积成形,采用丝状热塑性成形材料，连续地送入喷头后在其中加热,熔融并挤出喷嘴，逐步堆积成形,原理：激光热熔,喷头,料丝,材料：塑料丝,成本低,截层厚度,0.0250.76mm,成型精度：低,优缺点：成形材料广泛,成形过程对环境无污染,容易制成桌

18、面化和工业化,RP,系统,喷头,成形工件,4.4,北京太尔时代公司的,INSPIRE,系列,4.4,北京太尔时代公司的,MEM,双喷头系统,设备支持双喷头双材料，兼容,BST,剥离型支撑）和,SST,溶解型支,撑）。双材料使支撑更易剥离,4.4,方便快捷的内部网格结构,内部网格结构有效地节约材料成本和时间成本,4.4,常见快速成形工艺运行成本对比,80,70,60,22,50,22,40,30,20,50,40,18,6,10,15,15,0,4,光固化,固,光固化,气,熔融挤压,分层实体,粉末烧结,材料每,小时费,用,激光器,每小时,损耗折,损,内,容,1,3D,打印技术的原理、特点,2,3

19、D,打印技术的优点,3D,打印典型案例与行业发展现状,3,4,典型,3D,打印技术,5,3D,打印技术与行业的前景展望,5. 3D,打印技术与行业的前景展望,提升,3D,打印技术水平,3D,打印是社会制造的基础和动力,高效、高精、高性能、低成本的,3D,打印技术是发展,3D,打印产,业的根本,建立社会制造网络与管理模式,3D,打印技术是社会需求,产品设计、改进、制造和运输高度信息化和智能化的实现手段,需要建立高效的社会制造网络和管理模式,3D,技术广泛的融化生活,3D,打印技术将会在各行各业中取,得应用，不仅跟工业、医学等行业，还可以和农、商、文、教,育等深入融合，改变人们的生活,5. 3D,打印技术与行业的前景展望,3D,打印技术应用前景,目前应用最多的为模,型、原型、高性能塑,料和功能件的制造,未来在模具、医疗,电子、个人消费品,组织工程、智能结构,和其他未知领域都有,很大的潜力,5. 3D,打印技术与行业的前景展望,极限环境按需制造,太空,3D,打印,美国,NASA,启动太空,3D,打印项目,2010,年,8,月,成,立,Made,in,Space,2011,年春季建立,3D,打印实验室；,2011,年夏季,NASA,宇航局飞行项目,通过亚轨道飞行计划,2011,年,7,月