3D打印技术和应用概论第一章 概论

3D打印技术和应用概论授课老师：陈森昌联系方式：1299676191@目录3D打印技术的基本原理3D打印技术的优点21343D打印技术的发展历程3D打印技术未来发展的趋势名称：3D打印技术，又称增材制造技术、生长型制造技术、快速成形技术、快速原型制造技术等”是一项将要改变世界的技术”什么是3D打印技术？1.13D打印技术的基本原理1.13D打印技术的基本原理1.13D打印技术的基本原理基本原理技术实现

以数字三维CAD模型文件为基础将液体、熔融体、粉末、丝、片等特殊材料进行逐层堆积粘贴

通过计算机设计结构

离散-堆积原理运用高能束源或其他方式叠加成型，直接构造出实体1.13D打印技术的基本原理目录3D打印技术的基本原理3D打印技术的优点21343D打印技术的发展历程3D打印技术未来发展的趋势2、3D打印技术的发展历程2、3D打印技术的发展历程2、3D打印技术的发展历程

2、3D打印技术的发展历程目录3D打印技术的基本原理3D打印技术的优点21343D打印技术的发展历程3D打印技术未来发展的趋势形状复杂性几乎任意复杂程度的形状特征材料复杂性全彩色、异质材料、功能梯度材料层次复杂性多尺度（宏、介、微观）工艺结构功能复杂性整体成形，简化甚至取消装配对各行各业必将带来深远影响整体成形，免装配复杂形状全彩色工艺品彩色异质结构眼镜3.13D打印技术突破了传统制造技术的4个复杂性拓展产品创意与创新空间：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。3.23D打印技术为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：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“今日完成设计，明天得到成品”。设计试验工艺准备制造缩短周期设计工艺准备制造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。3.23D打印技术为制造提供创新的原动力学生的创新设计不再是“纸上谈兵”3D打印出塑料和金属实物本科生课外创新设计大赛作品“液压回路演示系统”模型一周内3.23D打印技术为制造提供创新的原动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。3.33D打印技术可提升制造的工艺能力能制造出传统工艺无法加工的零部件，极大增强了工艺实现能力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。航空发动机的复杂关键零部件3.33D打印技术可提升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整体式镍合金转子生物材料人体器官修复体高能束加工陶瓷、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。3.33D打印技术可提升制造的工艺能力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造，节约资源能源。3.43D打印技术实现制造的绿色可持续发展关键创新思路：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。3D打印制造技术促进绿色制造模式3.43D打印技术实现制造的绿色可持续发展3D打印技术可优化零件设计优化零件设计飞机客舱零件设计对比制造工艺产品重量原材料重量能耗碳排放量a机加工0.8Kg2.4Kg680.3MJ102KgCO2bSLM0.31Kg0.33Kg138.6MJ21KgCO2cSLM0.37Kg0.4Kg169.8MJ25KgCO2（a）（b）（c）不同制造方案材料、能耗、碳排放量对比3.43D打印技术实现制造的绿色可持续发展变革传统制造模式，形成新型制造体系：集成与融合材料制备、IT软件、设计技术、制造工艺、装备等，生产个性化、高性能、复杂零部件的3D打印制造系统全面变革产品研发、制造、服务模式。复杂零件/高性能零件/医用零件/生活用品功能结构设计反求设计分析仿真设计方法光固化成形激光烧结熔融沉积成形制造工艺合金材料/复合材料/纳米材料/分子材料材料制备3D打印制造装备专业软件工艺装备产品零部件服务研发制造2.53D打印技术将催生新的制造模式2.53D打印技术将催生新的制造模式2.53D打印技术将催生新的制造模式南安普顿大学制作的全球首个无人飞机与传统制造工艺复合日本松浦金属激光造型复合加工机LUMEXAdvance-25纯激光三维打印加工的表面粗糙制件复合成形技术加工的精细制件DMGMori混合铣床Lasertec65AdditiveManufacturing激光三维打印精细化铣削加工2.53D打印技术将催生新的制造模式支撑个性化定制等高级创新模式实现：3D打印使“按需而制”、“因人定制”和“泛在制造”等得以实现催生专业化创新服务模式催生提供产品快速制造相关服务的中小企业生产性服务模式，实现“聚合服务制造”催生以创意与设计创新为主的创意产业2.53D打印技术将催生新的制造模式随着3D打印技术的发展，已出现了社会制造模式雏形。Shapeways：该公司于2007年创立于荷兰，后将总部移至美国纽约市，至今获得了数千美元的风险投资。2012年10月，该公司在纽约皇后区的“未来工厂”投入运营。“未来工厂”里的机器，就是50台工业3D打印机，通过Facebook和Twitter等社会媒体，接受顾客的各种产品的三维设计方案，并在数天内完成产品的打印生产，然后寄送给客户。同时，该公司还为商家和设计者建立了平台，使他们可以再利用该公司的3D打印机生产并销售自己设计或收集的产品。目前该公司已有15万平台会员，6000余名设计师。至2012年6月20，已经打印了100多万3D产品。2.63D打印技术将催生新的服务+制造模式Quirky：该公司于2009年成立于美国纽约，至今已获得了近亿美金的风险投资，创始人BenKaufman仅25岁。Quirky的特色是众包：公司通过Facebook和Twitter等社会媒体接受公众的产品设计思路，并由公司注册的用户进行评价和投票，如此每周挑出一个产品进行3D打印生产，参与产品的设计和修正过程的众包人员可分享30%的营业额。公司还进一步将众包设计改进的过程同时转化为通过社会媒体来推荐相关产品的过程，从而创造性地拓展了销售市场。目前，该公司每年仅生产60种产品，产品的提交费由最初的99美元降至现在的10美元，公司注册的用户每月以20%增长。2.63D打印技术将催生新的服务+制造模式网友参与设计的个性化产品来源：Quirky公司来源：Shapeways公司2.63D打印技术将催生新的服务+制造模式目录3D打印技术的基本原理3D打印技术的优点21343D打印技术的发展历程3D打印技术未来发展的趋势单色多色、乃至表面纹理、全彩色Objet500connex3打印出的彩色异质结构眼镜ZPrinter850打印出的工艺品McorIRIS的彩色喷墨打印与LOM复合实现全彩色打印4.1由单色向全彩色方向发展单材料多材料和功能梯度材料ObjetConnex500打印出的由7种不同材料混合的小车模型德国斯图加特大学打印的功能梯度混凝土，其强度、导热系数、气密性都较传统工艺混凝土有了提高4.2由单材料向多材料和功能梯度材料方向发展宏观工艺结构多尺度工艺结构一体化具有内部微孔结构描述的三维模型控制温度等参数

定向结晶组织控制10μm微观结构4.3由宏观结构向多尺度结构一体化方向发展微结构

用同一种材料，打印出不同弹性模量的组织结构使用一种材料，实现毛绒玩具各部位不同的柔软度及触感（红硬、绿软）用3D打印实现了“超材料（Metamaterial）”----以一种材料为基础制造的单元构造块，几乎可任意控制弹性模量（杨氏模量和泊松比）--迪士尼瑞士研究所4.4用同一种材料打印出不同弹性模量的结构纳米尺度的微观3D打印原理：基于DNA结构稳定、易于排列的特点，建立“分子支架”和“纳米模具”，然后在此基础上将指定材料分子固定在上面，形成稳定的、纳米尺度的微观工艺结构。实现方法：通过计算模型将纳米尺度的形状映射为特定的DNA序列，基于“DNA折纸”(DNAorigami)技术的方法，用DNA制造一些微小的二维结构，再以增材制造的原理拓展到三维空间形成三维结构。--MIT4.5纳米尺度的微观3D打印4.63D打印柔性光电器件剑桥大学以石墨烯为材料，使用喷墨打印机，打印出透明薄膜晶体管。美国施乐PARC研发中心使用油墨喷射的方式，印制多种部件的电路，包括柔性显示屏、传感器和射频防盗标签天线。美国Kateevas公司喷墨打印屏幕北卡州立大学研究一种液态金属打印技术中科院理化所采用室温液态金属打印柔性电子电路柔性电路板及光电贺卡液态金属4.7生命体的再造用3D打印培育的人体血管系统3D打印的迷肝脏3D打印与材料基因工程美国材料基因组计划（MaterialsGenomeInitiative，简称MGI）：本质在于通过促进材料科学中实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共享建立材料多尺度结构（从原子排列、相的形成、显微组织的形成）到材料性能与使用寿命之间的相互关系的数据库，并与计算材料设计结合起来，以期加快新材料研发速度知识库材料设计服役行为工艺寻优成本控制材料制备性能表征材料制备性能表征4.83D打印指定结构和性能的材料-创材4.83D打印指定结构和性能的材料-创材3D打印与材料基因工程基于前述的多尺度工艺结构3D打印技术，我们可以基于材料基础数据库“打印”出指定结构、性能的材料并构成预期的宏观形状！材料合成制备器件集成微观机制与结构-性能关系微结构表征性能测量多尺度材料模拟材料设计材料基础数据集成与知识库原子尺度介观尺度宏观尺度尺度问题光电材料热电材料储能节能材料铁电压电复合材料透明陶瓷器件设计结构功能一体结构设计力热稳定性系统集成服役失效机制工艺寻优多尺度3D打印与传统制造工艺复合日本松浦金属激光造型复合加工机LUMEXAdvance-25纯激光三维打印加工的表面粗糙制件复合成形技术加工的精细制件DMGMori混合铣床Lase