9.3D设计与打印技术的初步应用

1、3D打印技术三维智能数字化创造3D打印的起源什么是3D打印3D打印机的构成和组装3D打印应用领域3D打印技术的优势3D打印的流程3D打印软件的涉及与使用关于市场3D打印机的初步调查13D打印的起源打印的起源3D打印技术时间简史源自18603D打印技术的发展最早可以追溯到19世纪，快速成型技术就是从这一时期开始萌芽。最初的打印技术萌芽于照相实体雕塑。但直到20世纪80年代后期，3D打印技术才真正开始发展成熟并被广泛的商业应用。1986年，查尔斯W哈儿（Charles W.Hull）成立了第一家生产3D打印设备的公司：3D Systems 公司，并研发了现在通用的STL文件格式。两年后推出了第一台

2、工业级打印机SLA-250。1992年DTM公司推出首台选择性激光烧结（SLS）打印机。1993年，美国麻省理工MIT的Emanual Sachs教授发明了三维打印技术（3DP）。并着手开发基于3DP技术的打印机。3D打印技术时间简史源自18602001年，Solido开发出第一代桌面级3D打印机。2005年，Zcorp公司推出世界上第一台高精度彩色打印机Specrum Z510。2008年，第一款开源的桌面级3D打印机RepRap发布，从此，3D打印大众化，3D打印机成本大大降低。桌面级的开源3D打印机为轰轰烈烈的3D打印普及化浪潮揭开了序幕。2012年，英国著名经济学杂志声称3D打印将引发

3、全球第三次工业革命。2013年，麦肯锡公司将3D打印列为12项颠覆性技术之一，并预测到2025年，3D打印对全球经济的价值贡献将为2-6千亿美元23D打印技术基本内打印技术基本内容容3D打印技术的概念3D打印，又称快速成型（RP）。是一种采用增材制造的原理，以3D数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方法来构造物体的技术。在将3D数字化模型输出到3D打印机前，需对3D模型进行分层，切成成百上千个薄片。然后将描述这些薄层的数字化文件输出到打印机，3D打印机逐层打印出来，直接将整个形状叠加成型。3D打印技术的原理 3D打印采用分层加工、叠加成型，即通过逐层增加材料来生

4、成3D实体，与传统的去材加工技术（如用机床切削）完全不同。之所以称为打印机，是因为分层加工的过程与打印机十分相似，组成上也都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等构成的。 3D打印是断层扫描的逆过程，断层扫描是把某个物体切成无数叠加的片，3D打印就是一层一层的打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。 3D打印时，软件通过计算机辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，然后将连续的薄型层面叠加起来，直到一个固态物体形成。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的墨水是实实在在的原材料。主流3D打印技术 FDM：熔融沉积成型（FFF：熔丝制造） 该工艺

5、属于“丝材挤出热熔成型”这一大类。 流程：将丝状的热塑性材料通过喷头加热融化，喷头底部带有微细喷嘴（0.20.6），材料以一定的压力挤喷出来，同时碰头沿水平方向移动，挤出的材料与前一个层面熔结在一起。一层沉积完成后，工作台垂直下降一个层的厚度，在继续熔积，直至完成整个实体制造。优点：优点： 1.可桌面进行，操作环境安全、干净。可桌面进行，操作环境安全、干净。 2.价格便宜，工艺简单。价格便宜，工艺简单。 3.材料材料利用率高，选择多样利用率高，选择多样 4.材料材料具有较好的化学稳定性，可消毒用于具有较好的化学稳定性，可消毒用于医用医用缺点缺点： 1.表面粗糙，精度低表面粗糙，精度低 2.尺寸

6、大易变型尺寸大易变型 3.速度慢速度慢 4.浪费材料浪费材料主流3D打印技术 3DP：三维打印黏结成型（喷墨沉积） 该工艺属于“液体喷印成型”这一大类。 流程：首先铺粉机构在加工平台上精准地铺上一层粉末材料。然后喷墨打印机根据这一层的截面形状在粉末上喷出一层特殊胶水，喷到胶水的薄层粉末发生固化。然后在这一层上再铺上一层一定厚度的粉末，打印头按下一截面的形状喷胶水。 优点： 1.成型快，耗材便宜成型快，耗材便宜 2.成型无需支撑，适合做空腔成型无需支撑，适合做空腔 3.直接打印彩色，无需上色。直接打印彩色，无需上色。 缺点： 1.石膏粉强度低，只能做概念模型，不能做功能性试验。石膏粉强度低，只能

7、做概念模型，不能做功能性试验。 2.表面粗糙。表面粗糙。主流3D打印技术 SLS：选择性激光烧结 该工艺属于“粉末/丝状材料高能束烧结或融化成型”这一大类。 流程：首先铺一层粉末材料，并刮平。将材料预热到接近融化点，再使用高强度的CO2激光器有选择性的在该层截面上扫描，使粉末温度升至融化点，然后烧结形成黏结，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型。 优点： 1.材料广泛材料广泛 2.构建时间短构建时间短 3.材料可以循环利用材料可以循环利用 4.打印出的金属成品具有与金属零件相近的机械性能打印出的金属成品具有与金属零件相近的机械性能 缺点： 1.表面粗糙表面粗糙 2.大型材料易发生曲翘

8、大型材料易发生曲翘 3.预热时间长，冷却时间长预热时间长，冷却时间长主流3D打印技术 SLA：光固化立体成型（立体光刻） 该工艺属于“液态树脂光固化成型”这一大类。 流程：首先铺一层粉末材料，并刮平。将材料预热到接近融化点，再使用高强度的CO2激光器有选择性的在该层截面上扫描，使粉末温度升至融化点，然后烧结形成黏结，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型。 优点： 1.最早出现成熟度高最早出现成熟度高 2.成型速度快成型速度快 3.可制作大件可制作大件 4.精度高，表面质量好精度高，表面质量好 缺点： 1.设备造价昂贵，维护成本高设备造价昂贵，维护成本高 2.工作环境要求苛刻工作环境要

9、求苛刻 3.光敏树脂材料有污染光敏树脂材料有污染 4.需支撑结构需支撑结构主流3D打印技术 LOM：分层实体制造 该工艺属于“片/板/块材黏接或焊接成型”这一大类。 流程：利用激光或刀具切割薄纸层、塑料薄板等片材，非零件区域切割成若干小方格，便于后续去除。然后通过热压或其他形式层层黏结，叠加获得三维实体零件。 优点： 1.成本低，零件可制作很大成本低，零件可制作很大 2.快速成型工艺快速成型工艺 3.不存在变形不存在变形 4.无需支撑结构无需支撑结构 缺点： 1.无法制造中空结构无法制造中空结构 2.浪费材料浪费材料 3.可实际应用的原材料较少可实际应用的原材料较少主流3D打印技术 DLP：数

10、字光处理 该工艺属于“液态树脂光固化成型”这一大类。 流程：与SLA光固化成型技术比较相似，不过它是采用高分辨率的数字光处理器投影仪来固化液态光聚合物并逐层进行光固化。 优点：1.分辨率高分辨率高 2.不用激光头去固化成型，却而代之的是使用成本极为便宜的不用激光头去固化成型，却而代之的是使用成本极为便宜的 灯泡照射灯泡照射 3.无喷头堵塞问题无喷头堵塞问题 缺点：1.材料强度低材料强度低 2.污染严重污染严重 主流3D打印技术 PolyJet：多喷头技术 该工艺属于“液体喷印成型”和“液态树脂光化模型”这两大类的结合体。 流程：一层一层的喷树脂，同时紫外灯快速固化， 优点： 1.快速成型工艺快

11、速成型工艺 2.样品精度很高，最高可达样品精度很高，最高可达16微米微米 3.易清洗易清洗 缺点： 1.材料强度低材料强度低 3D打印的耗材1. ABS：丙烯晴-丁二烯-苯乙烯2. PLA：聚乳酸，植物淀粉衍生物3. 石膏粉末4. PC：聚碳酸酯5. 尼龙6. 光敏树脂7. 纸张8. 彩色和木质耗材9. 金属类： 氧化铝 不锈钢 纯银 钛 黄金 黄铜 青铜 高细节不锈钢 镀金10.塑料和高聚合物： BendLay 高细节塑料 弹性塑料 聚酰胺 透明树脂 灰色树脂 类橡胶 耐用塑料11.其他类： 食品 陶瓷33D打印机的打印机的构成和组装构成和组装RepRap开源3D打印机 RepRap是一个3

12、D打印机原型机，它具有一定程度的自我复制能力，能够打印出大部分自身的组件。该原型机从软件到硬件等各种资料都是免费和开源的，由此引发了全世界的创客纷纷加入到3D打印机制作的狂潮。RepRap基于流行的开放源码的Arduino硬件平台，当前版本使用的是Arduino的衍生版本Sanguino主板。 由于机器具有自我复制能力，发明者设想可以廉价地传播RepRap给个人和社区，使他们能够在家制造复杂的设备和产品，而不需要昂贵的工业设施。而且，在此过程中RepRap是可以不断进化的，同时它的数量可以按指数成倍地复制增长。MakerBot3D打印机 MakerBot是一家位于美国布鲁克林的创业公司，他们发

13、明的MakerBot目标是家用型的、简易的3D打印机。MakerBot是FDM型打印机，使用ASB或者PLA塑料作为原料。最初的产品都是发轫于RepRap开源项目并且都是开源的。 MakerBot还开发了自己的软件MakerWare，用来在打印前进行各项参数设定以及模型的可视化预览。Ultimaker3D打印机 Ultimaker是由3位来自荷兰的年轻创客共同开发的，相比于前两种打印机，Ultimaker具有更快的速度，更高的性价比，可打印更大的尺寸，同时还是一款完全开源的3D打印机。Ultimaker首次路面便受到了极大的好评。 Ultimaker自称是最快、最精准的3D打印机，采用PLA为

14、耗材的Ultimaker分辨率最高可达到12.5微米。和前一种打印机一样，Ultimaker也是使用ASB塑料或者PLA塑料来制作产品的，同属于FDM型打印机。另外，其具有良好的稳定性以及更大的打印尺寸。Ultimaker3D打印机的构成和组装一、Ultimaker打印机的工作原理 通过X、Y轴伺服电机带动打印机，从送料口送入一根热塑性细丝材料，经过打印头加热后，再用挤出头把熔融物挤出成一层薄片，这一层薄片在载物平台上冷却后迅速变硬。然后Z轴电机将打印头略微向上移动一层，在继续挤出堆积到上一层，这样反复操作，层层堆积，几个小时后，一个3D实体模型就打印出来了。二、Ultimaker打印机的组装

15、 1. 搭建框架 第一步：安装限位开关（确保传输架不会抵达机器边缘） 第二步：组装立体框架 第三步：安装各种部件 2.安装 X/Y/Z 轴电机 第一步：XY轴电机装配 第二步：安装XY轴电机 第三步：Z轴电机 Ultimaker3D打印机的构成和组装3.安装X/Y轴承 第一步：插入球轴承 第二步：组装X/Y套管模块 第三步：安装卡钳（用于卡住同步带） 第四步：组装轴承帽 第五步：安装轴承4.安装挤出头 第一步：组装挤出头 第二步：组装冷却风扇 第三步：将挤出头装到XY轴上5.安装Z轴载物平台 第一步：驱动螺母组装 第二步：组装左臂 第三步：组装右臂 第四步：组装所有部件 第五步：插入调整水平的

16、螺钉 第六步：准备底座（注意胶带黏合） 第七步：把Z轴平台安装在机器上 Ultimaker3D打印机的构成和组装 第八步：涂润滑油 6. 安装送料机 第一步：安装驱动机的主体 第二步：驱动螺栓的组装7. 电路板的安装 第一步：安装电路板 第二步：组装电子冷却系统 第三步：安装电子冷却系统 第四步：连接加热器 第五步：连接打印头的电子器件 第六步：连接电机4 3D打印打印应用领域应用领域医学 因为钛具有良好的生物相容性，所以钛现在已经成为医疗上常用的人体骨骼替代材料。主要用作假牙，人体修复用关节（髋关节、肘关节、膝关节），骨科用接骨板，髓内针以及人工心脏瓣膜支架，埋葬式心脏起搏器的外壳等等。3D

17、打印的钛合金“骨骼”有两大优势。一是想做什么形状的“骨骼”都可以，根据每一个需要的形状不同，个性打印。第二个优点是，该类植入物带有可供骨头长入的孔隙，相邻骨头在生长的过程中会进入孔隙，使真骨与假骨之间结成一体。 原理是在X光片定位创伤位置之后，3D扫描设备扫描伤者的创伤肢体，然后设备根据采集到的数据绘制3D模型，模型在经过镂空处理后传给3D打印设备。建筑 一名德国建筑师正在着手利用 3D 打印技术建造房子，他将计划使用砂和无机粘合剂将54个单独的建筑模块结合在一起，然后填入纤维混凝土。这幢房子就是一个“莫比乌斯环”天花板向前延伸成为地板，建筑内部延伸变成外墙。枪械 这算是3D打印最引起争议的一

18、项应用。美国一个名为Defense Distribute的团队目标是创造模型图，方便任何人下载，然后打印出功能完备的军火。在去年11月，他们发布了一段测试视频并宣布首支3D打印军火将投入使用。但随后发生的校园枪击案令3D打印枪支的前途扑朔迷离。 食品 3D食物打印技术是利用计算机软件，设计出立体的加工样式，再通过特定的成型设备（即3D打印机），用液化的、粉末化原材料通过逐层“打印”，叠加增量，从而制造出原来输入到计算机中的真实食物。 国家对于3D食物打印的扶持也在进程当中，对于我国食品打印，当前趋势是对粮油必需品的普及，随之而来的就是需要解决改进设备技术，生产适合中国传统食物原料的3D打印机，

19、解决针对中国传统原材料所产生的问题，3D食物打印结束后对产品的熟制，微生物检测和剩余食品的保藏以及设备的自动化清洗等问题。3D食物打印技术日趋成熟，作为未来食物加工行业的新星，是食物行业的发展趋势。欧美已将3D打印技术视为提升航空航天领域水平的关键支撑技术之一。3D打印技术在航空领域的应用主要集中在3类：外形验证、直接产品制造和精密熔模铸造的原型制造等。艺术53D打印软件的打印软件的涉及与应用涉及与应用3D打印常用软件Cura前台软件 Cura软件是基于Ultimaker平台下的前台控制软件，也被称为上位机控制软件、主机软件，是运行在计算机而不是3D打印机上的软件。 Cura包含切片软件工具，

20、可对3D模型文件进行分层切片，以导出可被3D打印机识别的Gcode控制文件。之后我们将文件复制到SD卡，插入到3D打印机的卡槽中。最后，固化在3D打印机里主板上的软件便开始读取SD卡上的Gcode文件，并以此控制电机开始逐层打印3D模型。 流程： 固件固件前台控制前台控制切片软件工具切片软件工具 Cura的使用：的使用： 安装完成安装完成Cura后，单击后，单击“Load model”按钮，选择需要打印按钮，选择需要打印的的STL文件，再单击文件，再单击Prepare print按钮，软件自动在按钮，软件自动在STL文件的文件的同一目录下生成同名的同一目录下生成同名的gcode后缀文件。将文件

21、复制到后缀文件。将文件复制到SD卡，即卡，即可放入可放入3D打印机中打印了。打印机中打印了。3D打印常用软件MakerWare前台软件 MakerBot软件是基于MakerBot平台下的前台控制软件， MakerBot包含新的切片软件工具Miracle Grue。其界面简单，软件打开速度也很快。与众不同的是，这款软件可以同时打开多个3D模型文件进行设置，可以同时打印多个模型。 MakerBot的使用：的使用： 打开软件，单击窗口顶部的打开软件，单击窗口顶部的ADD按钮，在弹出的对话框中选取按钮，在弹出的对话框中选取文件。文件。3D模型将出现在中心地网格灰色区域，该区域表示着实际模型将出现在中心

22、地网格灰色区域，该区域表示着实际的打印平台。的打印平台。操作键：操作键：Home View 将场景恢复到默认视图。将场景恢复到默认视图。 +/- 放大或放小放大或放小 Look 查看模式 Move 拖动物体 Turn 旋转物体 Scale 缩放 Object 决定物件的各个部分由哪个喷头出料 Add 添加另一个模型到打印平台 Make it 开始打印 Save 保存以供日后打印 63D打印技术的打印技术的 优势优势优势1：制造复杂物品不增加成本。就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3D打印机而言，制造形状复杂的物品成本 不增加，制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消

23、耗更多的时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，并改变我们计算制造成本的方式。 优势2：产品多样化不增加成本。一台3D打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。传统的制造设备功能较少，做出的形状种类有限。3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。3D打印技术的优势3D打印技术的优势优势3：无须组装。3D打印能使部件一体化成型。传统的大规模生产建立在组装线基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后由机器人或工人（甚至跨洲）组装。产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。3D打印机通

24、过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装。省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短，污染也越少。 优势4：零时间交付。3D打印机可以按需打印。即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求，所以新的商业模式将成为可能。如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。3D打印技术的优势优势5：设计空间无限。传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以