《3D打印原理及应用》大作业答案

大连理工大学远程与继续教育学院《3D打印原理及应用》大作业PAGEPAGE1远程与继续教育学院《3D打印原理及应用》大作业学习中心：专业：机械设计制造及其自动化年级：2022年春学号：学生：完成日期：2023年8月22日1、3D打印的工艺规划过程主要包括哪些步骤？面向3D打印的产品结构工艺性分析中需要考虑哪些问题？答（一）三维设计先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。切片处理打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。完成打印三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。（二）存在几个关键的考虑因素:（1）使用场景从原型到生产质量，产品的任一部件都可以使用3D打印部件来代替。每个应用程序的要求都是独一无二的，需要仔细检查和规划，以确定合适的3D打印过程和材料，从而满足项目的需要。例如，在创建原型时，设计团队通常需要使用性价比高的材料进行快速周转，同时仍然需要精确的呈现出最终产品的形式和功能。另一方面，生产部件必须作为最终产品加以制作，并且需要满足一定的质量、测试、化学和结构要求。（2）打印件性能需求根据3D打印部件的性能需求，合适的工艺和材料将有所不同。如果部件需要在外观上与最终产品相似，或者需要保持其形状为静态模型，那么喷射技术可能是最好的方法，因为它的周转速度快，其表面光滑、自然。立体光刻对于如娱乐道具或大型概念模型等部件也是很好的选择，它们需要轻量的后期处理来抛光表面。如果打印功能原型组件需要能抵御冲击或高温，可以利用FDM，从高性能材料中获取功能强大，耐用的部件。如果零件的设计需要复杂的底切，实现空气流动或耐用的活铰链，激光系统热塑性塑料可能是理想之选。以上因素需要复杂的整合在一起，但是仔细考虑部件性能需求有助于简化选择适当的3D打印工艺。3、打印件所处环境许多3D打印部件需要在高温或潮湿的环境下进行作业。一些3D打印工艺和材料很快被这些参数排除在外。例如，户外应用可能需要紫外线稳定的材料，但是光聚合物在紫外线照射下会迅速降解。水分会对某些材料产生不利影响，导致部件翘曲、卷曲或尺寸精度下降。这是由于某些3D打印材料固有的吸水性。在某些应用中，该部件可能需要食品安全级材料。在这种情况下，热塑性塑料将是最好的选择。2、试述熔融沉积3D打印加工的工艺原理和优缺点。答:（1）融沉积快速成型(FusedDeposionModeling,FDM)是继光固化快速成型和叠层实体快速成型工艺后的另一种应用比较广泛的快速成型工艺。该技术是当前应用较为广泛的一种3D打印技术，同时也是最早开源的3D打印技术之一。该工艺方法以美国Sratasys公司开发的FDM制造系统应用最为广泛。该公司自1993年开发出第一台FDM1650机型后，先后推出了FDM2000、FDM3000、FDM8000及1998年推出的引人注目的FDMQuantum机型。FDMQuantum机型的最大造型体积达到600mm×500mm×600mm。国内的清华大学也较早地进行了FDM工艺商品化系统的研制工作，并推出熔融挤压制造设备MEM250等。熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头可沿着X轴方向移动，而工作台则沿Y轴方向移动。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，那么就能保证热熔性材料喷出喷嘴后，即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。将实芯丝材原材料缠绕在供料棍上，由电机驱动棍子旋转，辊子和丝材之间的摩擦力便丝材向喷头的出口送进。在供料棍与喷头之间有一个导向套，导向套采用低摩擦材料制成，以便丝材能顺利、准确地由供料混送到喷头的内腔(最大送料速度为10～25mm/s，推荐速度为5～18mm/s)。喷头的前端有电阻丝式加热器，在其作用下，丝材被加热熔融(熔模铸造蜡丝的熔融温度为74℃，机加工蜡丝的熔融温度为96℃，聚烯烃树脂丝为106℃，聚酰胺丝为155℃，ABS塑料丝为270℃)，然后通过出口(内径为0.25~1.32mm，随材料的种类和送料速度而定)，涂覆至工作台上，并在冷却后形成界面轮廓。由于受结构的限制，加热器的功率不可能太大，因此丝材一般为熔点不太高的热塑性塑料或蜡。丝材熔融沉积的层厚随喷头的运动速度(最高速度为380mm/s)而变化，通常层厚为0.15～0.25mm。熔融沉积快速成型工艺在原型制作时需要同时制作支撑，为了节省材料成本和提高沉积效率，新型FDM设备采用了双喷头。一个喷头用于沉积模型材料，一个喷头用于沉积支撑材料。一般来说，模型材料丝精细而且成本较高，沉积的效率也较低。而支撑材料丝较粗且成本较低，沉积的效率也较高。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率和降低模型制作成本以外，还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料，以便于后处理过程中支撑材料的去除，如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。（2）熔融沉积3D打印加工的的优点FDM的优点主要表现在：操作环境安全，干净，不产生垃圾，可以在办公室进行；工艺简单、易于操作；尺寸精度高，表面质量好，易于装配，可快速构建瓶状或者中空零件；原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换；原料价格便宜，材料利用率高；可选用的材料较多。如染色的ABS和医用ABS、PC、PPSF、人造橡胶和铸造用蜡。降低了产品的生产成本，缩短了生产周期，大大地提高了生产效率，给企业带来了较大的经济效益。（3）熔融沉积3D打印加工的的缺点FDM的缺点主要表现在：相对精度较低，表面质量差；难以构建结构复杂的零件；与截面垂直方向的强度小；悬臂结构需加支撑;成型速度相对较慢，不适合构建大型零件。3、选区激光烧结技术的前处理及后处理过程包括哪些内容？答：激光选区烧结(SelectedLaserSintering,SLS)采用CO：激光器对粉末材料(塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉等)进行选择性烧结，是一种由离散点一层层堆积成三维实体的工艺方法，其工艺过程原理如图8一7所示，典型设备如美国DTM公司的Sinterstation一2500型粉末材料激光烧结站。激光选区烧结在开始加工之前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点以下。成形时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末熔化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，再铺上一层粉末，进行下一层的烧结，如此循环，形成三维的原型零件。最后经过10h冷却，即可从粉末缸中取出零件。未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成后，取出零件，未经烧结的粉末基本可自动脱掉，并重复利用。因此，SLS工艺不需要建造支撑，事后也不要为清除支撑而烦恼。（1）与其他工艺相比，能生产最硬的模具。（2）可以采用多种原料，例如绝大多数工程用塑料、蜡、金属、陶瓷等。（3）SLS选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。

其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。（4）整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞。4、简要叙述3D打印技术的发展及应用场合。答：3D打印技术的萌芽产生于19世纪末的美国，目的就是突破二维打印实现三维打印，让立体模型能够快速成型，但技术条件的限制，一直未能实现，知道20世纪90年代中期，意大利发明家恩里科·迪尼设计出第一台3D打印机，让3D打印从概念变为现实。从现在的角度来理解，其实3D打印技术的工作原理也很简单，首先是通过计算机软件建立需要打印物体的模型，然后进行切片，分割成无数个面，然后传输给3D打印机，然后打印机层层叠加式的打印，直至打印出完整的模型。原来很简单，3D打印的核心技术在于不同打印机所使用的材料，一般常见的为金属粉末状或线状塑料，两者区别不大，仅仅是使用金属粉末为材料的打印机价格更贵，原理上并无多大区别。而更多领域涉及到不同的打印材料，除了建筑和制造业上的应用，比如食品和生物方面的打印材料在最近几年发展也和迅速。3D打印技术的应用：（1）建筑业和制造业，更多的应用还是在设计环节，而不是批量生产，很多零件在设计过程中，都需要实物要测试，为每一个零件都制造模具然后生产的成本很高，而3D打印就很方便，尤其在少量试验阶段，无需浪费较多成本在制造模具上，并且方便了个性化的定制。目前3D打印机已经能够打印出房屋、衣服、赛车等完整的作品，而不仅仅局限于小的零部件。（2）文物保护，文物的展览和研究过程中，由于保护的不当，肯定回对文物造成不同成都的损害，所以用3D打印技术来复制文物，替代文物进行展览或研究，对保护文物有很大帮助。（3）食品领域，目前已经有很多公司推出3D打印食品，当然以西式快餐为主，中餐对烹饪要求太高，不适合这种流水线的生产模式，并且现在打印的一些汉堡、彩虹糖、巧克力、披萨等其实也没有多大实际意义，无外乎更加精美一点，并不能为食物的口感加分。但并不是3D打印在食品方面就没有价值，美国宇航局NASA在2013年投资了12.5万美元，委托AnjanContractor和他的系统/材料研究公司研发了一款3D食物打印机，这款3D食物打印机由一种名为RepRap三维打印机改装而成，所使用的披萨打印材料不是我们熟悉的面，而是营养粉、油和水。而这些营养粉的制造原料是昆虫、草和水藻。相对有优势的是，原材料的营养粉保质期长达30年，适合长距离的空间旅行。（4）医疗行业，医疗行业现在已经能够成熟应用的是打印各种尺寸的骨骼用于临床研究，甚至可以替代原来损坏的骨骼，目前已经成功给鸟换上3D打印的骨骼和喙。在研究的还有细胞打印，利用病人的细胞不仅能打印耳朵鼻子等外部器官，甚至连心肝脾肺肾都能打印，跟传统从其他捐献者身上移植过来的有很大的优势，就是它的细胞是采自于病人本身的，所以装进去不会有任何排斥反应。目前已经成功给老鼠移植了卵巢并成功生了一只小白鼠。期待这项技术能够早日用在人体上，给有需要的病人提供帮助。（5）教育行业，一个东西能不能普及，就看和教育是否挂钩，就像计算机刚出来一样，计算机相关培训火爆全球，之后计算机就进入每家每户，现在国内更是各样的培训机构也开始推出3D打印课程，配套的还有低龄化的建模软件以及低价格的家庭用3D打印机。学习心得3D打印是一种通过材料逐层添加制造三维物体的变革性、数字化增材制造技术,它将信息、材料、生物、控制等技术融合渗透,将对未来制造业生产模式与人类生活方式产生重要影响。3D打印这种智能制造的逻辑轨迹是控制物质的形状、控制物质的构成和控制行为,也就是实现物体在结构、材料和活性上的有机统一。越来越多的迹象表明,3D打印技术已经从实验室和工厂逐渐走出来了,并且走进学校和家庭,与我们每个普通人的生活息息相关。这样会极大地冲击我们的工作方式,或者增强很多行业的生命力,也或者导致某些行业走向消亡。然而我们必须清醒地意识到3D打印技术也会催生大量前所未有的行业和巨大机遇,我们必须牢牢的抓住机遇,因为第三次工业革命虽然目前国内3D打印还只能制造模型,但3D打印实体建筑领域的优势却不容小觑。3D打印自由成型的特性,让建筑师在设计时能够突破常规,解放思想,更有助于实现建筑与艺术的融合。且由于3D打印建筑可以一次性整体成型,相比起传统建筑由成千上万个砖、混凝土、钢筋等多个“零件”拼接而成,3D打印建筑的强度和抗震性能都得到极大提高。而和传统建筑相同的强度下,3D建筑还可以通过优化结构的方式节省材料,从而实现降低成本。通过实验,我们可以知道采用3D打印建筑比传统建筑方式至少可以节省30%以上的材料。在节省材料的同时,内部结构还可以根据需求结合声学、力学等原理做到最优化,所以它的壁厚可以做得很薄,现在常规的建筑一般是24厘米宽度,打印建筑可以做到18厘米甚至更薄