3D打印增材制造技术

3D打印（增材制造）------现在与未来什么是3D打印？3D打印，即快速成形技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。

《经济学人》杂志曾评价：“伟大发明所能带来的影响，在当时那个年代都是难以预测的，1750年的蒸汽机如此，1450年的印刷术如此，1950年的晶体管也是如此。而今，我们仍然无法预测，3D打印将在漫长的时光里如何改变这个世界。”3D打印现有关键工艺要有先进的设计软件及数字化工具打印设备必须高精度、高稳定性原材料必须能够液化、粉末化、丝化3D打印技术需要依托多个学科领域的尖端技术，主要包括以下方面：

信息技术精密机械材料科学3D打印主要优势制造复杂物品（目前已显现）产品多样化不增加成本生产周期短（最大的优点）零技能制造（不需要特殊技能）不占空间、便携制造（战场、灾区）节省材料（相对于传统加工方式）主要内容一、原理与方法二、发展现状三、应用研究四、研究发展五、发展趋势六、未来畅想莫比乌斯带

一、原理与方法一、原理与方法3D打印---为什么能够制造快速复杂结构O、原理与方法3D打印---过程一、原理与方法工艺方法的大变革ΔM＜0（减材）材料去除（车、铣、磨）ΔM＝0（等材）材料成形（铸、锻、焊）ΔM＞0（增材）材料累加（3D打印、快速成型、快速制造、复材铺层工艺）信息化制造的代表全数字化制造全柔性制造：任意形状与内部结构控形控性：材料与外形一体化高度自动化、智能化、网络化一、原理与方法增材制造（AdditiveManufacturing，AM）ASTM（美国材料与试验协会）定义：三维CAD数据自动化分层连接材料制造物体。技术名称的变化材料累加制造MaterialIncreseManufacturing快速原型技术RapidPrototyping,RP分层制造LayeredManufacturing1990年代2000年代2010年代增材制造

AdditiveManufacturing3D打印3DPrinting快速成形制造RapidPrototyping&Manufacturing自由实体制造SolidFree-formFabrication一、原理与方法增材制造工艺过程示意图一、原理与方法3D打印机一、原理与方法3D打印机--多种工艺方法激光固化（SL）-紫外光熔丝堆积（FDM）-电热选择烧结（SLS）-CO2，固体激光器3D打印（3DP）-粘接剂粘接金属直接成形：金属粉、丝激光（CO2、固体、光纤激光器）电子束、离子束、电弧材料与工艺特点划分一、原理与方法主要工艺方法光固法：SL—Stereolithography材料：光固化树脂特点：精度高价格：高光固化法简介光固化成型工艺过程原理图光固化法简介光固化法简介因为树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难在短时间内迅速流平，这将会影响实体的精度。采用刮板刮切后，所需数量的树脂便会被十分均匀地凃敷在上一叠层上，这样经过激光固化后可以得到较好的精度，使产品表面更加光滑和平整。

光固化法简介吸附式涂层结构光固化法简介

成型过程自动化程度高光固化成型技术的特点：优点：

尺寸精度高SLA系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动化，直至原型制作完成。SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm。

优良的表面质量虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面仍可得到玻璃状的效果。

可以制作结构十分复杂的模型

可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型光固化法简介

制件易变形缺点：

设备运转及维护成本较高液态树脂材料和激光器的价格较高

使用的材料较少目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料

液态树脂有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性。成型过程中材料发生物理和化学变化

需要二次固化经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化。

较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料光固化法简介光固化快速原型的工艺过程：光固化快速原型的制作一般可以分为前处理、原型制作和后处理三个阶段。光固化法简介a)CAD三维原始模型

b)CAD模型的STL数据模型

c)模型的摆放方位

d)模型施加支撑

光固化快速原型前处理光固化法简介光固化成型的支撑结构光固化法简介主要工艺方法叠层法：LOM—LaminatedObjectManufacturing没落的快速成型工艺材料：纸、塑料特点：精度低价格：高（退出市场）叠层法简介主要工艺方法熔融沉积法：FDM(FusedDepositionModeling)材料：热塑性塑料特点：精度低价格：低熔融沉积法简介熔融沉积工艺的基本原理

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，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随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。熔融沉积法简介熔融沉积法简介主要工艺方法激光选区烧结法：SLS—SelectiveLaserSintering材料：塑料、砂、金属特点：精度低价格：高激光选区烧结法简介激光选区烧结法简介主要增材制造工艺三维喷射法，又称三维印刷(3DP)（狭义）－高速多彩的快速成型工艺材料：塑料、陶瓷特点：精度低价格：低三维印刷(3DP)工艺是美国麻省理工学院EmanualSachs等人研制的。3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。制作大型铸件的快速成型工艺无模铸型制造技术（PCM，PatternlessCastingManufacturing）是由清华大学激光快速成形中心开发研制。该将快速成形技术应用到传统的树脂砂铸造工艺中来。首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型。由铸型CAD模型的STL文件分层，得到截面轮廓信息，再以层面信息产生控制信息。造型时，第一个喷头在每层铺好的型砂上由计算机控制精确地喷射粘接剂，第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂，两者发生胶联反应，一层层固化型砂而堆积成形。粘接剂和催化剂共同作用的地方型砂被固化在一起，其他地方型砂仍为颗粒态。固化完一层后再粘接下一层，所有的层粘接完之后就得到一个空间实体。O、原理与方法金属烧结：材料：金属粉特点：精度较高

尺寸小价格：高一、原理与方法金属熔覆材料：金属粉特点：精度较高

尺寸大价格：高一、原理与方法电子束成形：材料：金属粉特点：精度较高

效率高

尺寸小价格：很高概念验证和呈现工业设计交易会/展览会投标组合包装设计产品设计设计验证和测试设计验证/分析反复设计和优化成型、装配和功能性测试生产与制造直接制造金属零件制造陶瓷或复合材料零件制模和二次操作热成型砂型铸造金属镀层EDM加工小批量生产、大批量生产失蜡铸造吹塑制模塑料挤塑环氧制模主要应用一、原理与方法可能引发生产方式和社会生活变革适应个性化产品趋势将一个车间简化为一个设备中国未来竞争的出路富士康公司---产业特点不开放产品代工生产利润来源：降低成本负面问题：劳工利益中国企业发展普遍模式能持续下去吗？出路---自主研发产品二、发展现状3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商3D打印技术发展及厂商二、发展状况行业发展报告二、发展状况行业发展报告WohlersReport—国际增材制造行业发展报告2013年全球直接产值--30亿美元2013年增长率34.9%特点：服务超过设备产值二、发展状况全球发展历年发展发展预测：2021年—预计100多亿美元设备服务

USD（Million)二、发展状况技术应用领域---2013年报告消费商品和电子：23.7%→20.3%→21.8%航空器：9.9%→12.1%→10.2%医学：：13.6%→15.1%→16.4%车辆飞行器工业/商用机器消费电子产品医疗/口腔医学学术研究政府/军事建筑其他二、发展状况

应用功能直接生产零件：14.9%→19.2%→28.1%展示模型功能模型装配实验视觉教具其他研究教育直接生产零件模具零件铸造模型模具原型增材制造设备的数量比例一定程度上表现了国家的经济活力与创新能力中国

6.5%→8.6%美国41.1%→38.3%

二、发展现状1988－2011主要国家与地区的AM设备量二、发展现状最新发展个人三维打印机2011年增长290%二、发展现状日常生活与日常生活结合创新更加简单人人可以做到二、发展现状日常生活新技术融入日常生活二、发展现状日常生活二、发展现状设备小型化低成本工业品向消费品发展二、发展现状产品创新二、发展现状产品创新二、发展现状医疗领域一、发展现状金属零件二、发展现状

科发与服务基地快速成形应用服务中心－2000年西安交通大学－西北生产力促进中心华中科技大学－武汉生产力促进中心全国个省市服务中心宁波温州河南新疆深圳贵州二、发展现状宁波合创服务中心产品开发周期时间缩短1/3～1/10费用比传统方法节约30%～50%已服务当地企业800余家，服务百强企业80余家，共计做件12万多件，其中服务：二、发展现状

问题企业应用应用面窄大型企业：逐渐增加运用汽车企业，航空企业中小企业：应用程度高南方企业：活跃技术发展新技术与新产品不足3DPrinter2005年：增长35%高性能制件与材料金属直接成型精度与材质二、发展现状

研发基地西安交通大学制造系统工程国家重点实验室快速制造国家工程研究中心华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室 清华大学先进成形制造教育部重点实验室北京隆源公司北京航空航天大学－金属直接制造西北工业大学－金属直接制造湖南华曙高科二、发展现状

我们工作应用发展－高附加值应用复杂零件制造－发动机空冷叶片生物医疗航空领域－飞机风洞模型研究发展－新技术低成本－LED金属直接成形陶瓷材料成形复合材料成形研究应用三、应用研究3D打印技术的研究方向快速铸造生物医疗风洞模型3D打印技术的应用领域3D打印技术应用领域3D打印应用领域工业制造：产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证；制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品。3D打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D打印的家用器具模型，也被用于企业的宣传、营销活动中。文化创意和数码娱乐：形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D打印塑造了部分角色和道具，3D打印的小提琴接近了手工艺的水平。航空航天、国防军工：复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、机构的直接制造。生物医疗：人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等。消费品：珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造。建筑工程：建筑模型风动试验和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模拟。教育：模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被用于教学和科研。个性化定制：基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。3D打印技术应用领域3D打印部分实例3D打印技术应用领域3D打印部分实例3D打印技术应用领域3D打印应用实例——枪支威斯康星州工程师、业余枪械师迈克尔·格斯林克(MichaelGuslick)日前使用Stratasys3D打印机以及从网络上下载的设计图，成功打印出了AR-15步枪的下机匣，并把它变成了一支枪，他还在博客上对此进行了分享。3D打印技术应用领域3D打印应用实例——赛车比利时的16名工程师利用3D打印机制造了一辆全尺寸赛车，名为“阿里翁”，时速从零提升至60英里(约合每小时96公里)只需要短短4秒钟，最高时速可达到141公里。在德国的霍根海姆赛道，这辆3D打印赛车成功完成测试。3D打印技术应用领域3D打印应用实例——胎儿模型日本公司Fasotec和HirooLadies诊所合作推出了胎儿3D打印服务“天使的形状”，可通过母亲躯干的CT或MRI扫描图打印出胎儿的3D树脂模型。打印这个大约7盎司(约200克)重的3D模型，大约需要支付10万日元(约8100元)。3D打印技术应用领域3D打印应用实例——建筑模型建筑/土木工程/结构领域使用ZCorp3D打印技术

使用3D打印的模型部件作为设计过程的一个步骤：

a.早期概念模型

b.城市景观

c.复杂建筑外嵌和内陷的研究学习

d.增强设计者与客户之间的交流世界上首款3D打印比基尼。内衣轮廓由彼此相连的圆形贴片“编织”而成，最薄处仅为0.7毫米。由于采用了尼龙12材料，质地非常柔软而且不易破裂。据制造者称，这款内衣在浸湿之后穿戴起来非常清爽舒服。3D打印技术应用领域3D打印应用实例——服饰荷兰设计师爱丽丝

赫本（Iris

Van

Herpen）使用3D打印机来为比约克和Lady

GaGa进行时尚设计。Freedom

OfCreation公司和NaimJosefi公司使用3D打印机制作的华丽高跟鞋，能让凯莉•布拉德心动不已。ContinuumFashion使用MakerBot公司的Replicator打印机创造了第一款3D打印版比基尼和眼镜，成为2012年时装周上的佳话。3D打印应用实例——医用3D打印技术应用领域隐适美牙箍的制造商Align

Technology公司，基于已扫描的牙齿数据，使用3D打印机打印牙齿矫正工具，营业额接近5亿美元。和传统的戴金属牙箍不同，这种方式是打印出一系列稍微不同的透明牙箍，而且解决了以往微笑时露出金属牙箍的问题。3D打印版的关节和骨头现在正在帮助大约三万名病人正常行走，而一千万人正使用3D打印版适合自己的助听器，在不远的将来，3D打印机还可以打印药物处方。3D打印——航空领域3D打印技术应用领域这个飞机是由美国弗吉尼亚大学工程系学生研制的，它的机翼宽6.5英尺，是由打印零件装配构成。今年8月和9月初，研究小组在弗吉尼亚州米尔顿机场附近进行了4次飞行测试，这是迄今第三架用于建造飞行的3D打印飞机，巡航速度可达到45英里/小时。美国弗吉尼亚大学工程师大卫-舍弗尔称，五年前为了设计建造一个塑料涡轮风扇发动机需要两年时间，成本大约25万美元。但是使用3D技术，我们设计和建造这架3D飞机仅用4个月时间，成本大约2000美元。3D打印——火箭零件3D打印技术应用领域NASA的工程师正在尝试用3D激光打印系统制造下一代空间发射系统（SpaceLaunchSystem,SLS）火箭上复杂的金属件；这种3D激光打印系统使用的是选择性激光熔融技术（selectivelasermelting,SLM），可以以大大的降低制造工艺难度，并极大的降低生产成本。NASA用来激光熔融的原型机是德国HoffmanInnovationGroupofLichtenfels旗下ConceptLaser生产的M2CusingMachine。M2看起来和一般激光熔融3D打印机一样，但打印的材料不是聚合物，而是不锈钢、铝、钛和镍合金等金属。M2的光纤激光器有200W。这种高能激光金属熔融技术生产零件的灵活性相当强，可以直接从设计图纸生产出零件来，而且有很好的加工精度和机械性能。这次NASA用M2来打印的是J-2X引擎的零件，这些零件如果通过结构测试和耐火测试的话，也许有一天能更多的载人登月甚至火星等。美国的下一代空间发射系统预计在2017年底试飞。3D打印——再造完美鹰钩3D打印技术应用领域2005年，名为“美丽”的白头海雕被一名偷猎者用枪击中面部，喙部受伤严重，不能自己进食。动物救援人员发现时，它已奄奄一息。猛禽专家简·芬克·康特威尔联合动力工程集团的机械工程师内特·卡尔文等科学家设计出一种将完全替代“美丽”失去的上颌的尼龙聚合物喙。卡尔文先用3D模拟程式研发出这种新喙，然后用3D打印机把它打印出来。艰巨的修复手术后，“美丽”现在已经可以靠自己吃食、喝水和整理羽毛了。三、应用研究方向－快速铸造技术陶瓷型铸造铸型外壳、内芯和浆料包裹层一体化设计为许多带内腔复杂件提供技术途径陶瓷型铸造空心涡轮叶片－东方气轮机厂,西安航空发动机公司日本三菱进口，价格极高（一个叶片＝一个奥迪车）一级叶轮：90多个三、应用研究方向－快速铸造技术无需铸型型芯和型壳的装配保证相对精度：壁厚位置精度三、应用研究方向－快速铸造技术陶瓷型铸造空心涡轮叶片－东方气轮机厂铸造：西安航空发动机公司三、应用研究方向－快速铸造技术陶瓷型铸造空心涡轮叶片－东方气轮机厂三、应用研究方向－快速铸造技术快速精铸技术光固化原型精铸三、应用研究方向－快速铸造技术快速精铸技术光固化原型精铸烧蚀工艺－TGA曲线－确定铸型烧蚀工艺参数热解速度在375.71℃时达到峰值在553.94℃时，残留物仅为0.2066％三、应用研究方向－快速铸造技术快速精铸技术嘉陵集团:摩托车发动机缸头研制数量：2件材料：ZL101A时间周期：10天传统：铸型多次组合新技术：一次完成三、应用研究方向－快速铸造技术快速铸造技术光固化原型与砂型结合铸造技术绵阳新晨动力机械有限公司－新型四缸柴油发动机缸盖CAD数据原型三、应用研究方向－快速铸造技术快速铸造技术光固化原型与砂型结合铸造技术绵阳新晨动力机械有限公司－新型四缸柴油发动机缸盖制芯缸体三、应用研究方向－快速铸造技术压蜡模具快速制造小批量精铸技术－增材制造原型直接制造蜡型模具传统金属模具3万元，1－2个月增材制造模具0.8万元，2天寿命：30件无损伤三、应用研究方向－快速铸造技术压蜡模具快速制造研究了水冷流道的设计规范水流道模型截面圆：半径4.5mm四流道温度场对比温度点4温度点3三、应用研究方向－快速铸造技术压蜡模具快速制造建立了实验系统三、应用研究方向－生物医疗骨替代物制造－颌面修复首例定制化修复图象处理CT图象轮廓数据提取颌面外科定制化骨骼设计与制造个体化颌面替代物三维数据构造病变区设计（1）三维结构设计（1）切除病变区数据个体化颌面替代物三维结构设计（2）右侧数据右侧数据镜像映射到左侧（病变区）设计（2）三维结构设计（3）主体结构连接翼板假牙桩位个体化颌面替代物加工数据处理制造（1）快速成型制造出模型个体化颌面替代物铸造出的钛合金替代骨制造（2）个体化颌面替代物病人术后20天的情况康复个体化颌面替代物二、应用研究方向－生物医疗骨替代物制造－优化设计应力屏蔽－影响骨生长0.001～0.0015处于骨平衡状态0.0015～0.005之间促进骨增加0.005以上骨损伤，生成编织骨0.03则引起骨断裂*弹性结构*DucanRLTurnerCHMechanotransductionandthefunctionalresponseofbonetomechanicalstrainCalcifTissueInt199557344~358三、应用研究方向－生物医疗骨替代物制造－半关节置换定制化钛合金半膝关节假体复合大段骨移植患者，男性，14岁，再诊单位：第四军医大学西京医院骨科。

膝关节整体装配

图术后一周X光片

患者股骨CT数据

术后12月三、应用研究方向－生物医疗人工骨支架制造基于光固化原型的支架制作-TCP材料光固化快速成形制备负型树脂原型填充生物材料800℃去模可控微管道结构支架微管道负型结构设计二、应用研究方向－生物医疗人工骨支架制造轮廓算术平均偏差Ra＝2.16轮廓最大高度Ry＝18.47Ra值在0.30～6.66范围内有利三、应用研究方向－生物医疗人工骨支架制造快速原型主管＋造孔球TCP烧结制备的支架结构三、应用研究方向－生物医疗人工骨支架制造－临床应用研究定制化人工胫骨半关节大段骨重建术患者：女性，14岁，左胫骨上端骨肉瘤内管道髓腔钛合金定制化设计制作复合结构TCP：微结构三、应用研究方向－生物医疗骨-软骨支架制造骨－软骨支架设计界面设计多孔复合流道骨支架设计软骨/骨梯度组织工程支架三、应用研究方向－生物医疗骨-软骨支架制造陶瓷直接快速成形SPS450B陶瓷激光光固化激光光固化β-TCP生物陶瓷坯体多孔+界面三、应用研究方向－生物医疗骨-软骨支架制造-动物实验

(a)(b)(c)实验动物6月取材大体标本(a)复合支架组，(b)Ⅰ型胶原支架组，(c)β-TCP支架组

新生软骨弹性模量检测试验装置软骨应力-应变曲线取曲线接近于直线的应变10%处为研究对象，计算软骨弹性模量。结果显示，新生软骨的弹性模量为2.43MPa，自然软骨的弹性模量为1.33MPa。

三、应用研究方向－生物医疗骨-软骨支架制造-弹性模量三、应用研究方向－生物医疗肝组织支架制造微结构－血管分布的规律肝脏内血管间的夹角呈正态分布，平均夹角约为78°13425BloodinBloodout

78

三、应用研究方向－生物医疗肝组织支架制造双结构系统制造压印－主管道冷冻干燥－制造渗透孔三、应用研究方向－生物医疗肝组织支架制造体外培养与生物反应器养分的供给生物反应器生物反应器系统在培养箱内运行三、应用研究方向－生物医疗肝组织支架制造体外动态培养微流道内肝细胞可保持长久活性

1天4天8天三、应用研究方向－生物医疗肝组织支架制造仿生流道+定向多孔结构促进肝细胞向支架内生长区域1区域2区域3区域4三、应用研究方向－生物医疗肝组织支架制造—细胞打印+压印仿生流道+定向多孔结构促进肝细胞向支架内生长针头式喷头多孔支架三、应用研究方向－生物医疗肝组织支架制造工程化肝脏的体内构建支架/细胞复合体在体内细胞种植密度、体外培养时间对体内工程化肝脏影响研究支架/细胞复合体用于修复肝缺损的有效性大鼠肝脏支架细胞复合体体内植入三、应用研究方向－生物医疗肝组织支架制造工程化肝脏的体内构建血管的形成血管三、应用研究方向－飞机风洞模型

形状复杂外形曲面，薄壁内部测压孔制造速度快难点材料强度复合结构光固化原型＋镀镍强度提高3倍10％40％60％85％一体化镀镍树脂模型工艺流程图设计阶段制造阶段镀镍复合工艺附着力强化研究镀镍工艺研究三、应用研究方向－飞机风洞模型一体化测压模型制造工艺成型性研究最佳成型孔道尺寸孔道设计变半径设计布局设计多层布局共用流道最佳成型孔道尺寸孔道类型流道长度L/mm推荐最小设计半径/mm等半径设计L＝00.20-0.400<L≤500.4050<L≤1500.45L>1500.50变半径设计流道半径≥0.500.30变半径设计变半径孔道设计测压孔道布局三、应用研究方向－飞机风洞模型三、应用研究方向－飞机风洞模型气动弹性风洞试验模型美俄碳纤维制造－难度大－国内无法制造我们的方法－增材制造三、应用研究方向－飞机风洞模型优势实践表明：测力－时间缩短30－50％，成本降低10－30％测压－时间缩短60－70％，成本降低40－50％时间优势成本优势复杂结构成型优势

模型越复杂，增材制造的优势越明显三、应用研究方向－创意产品开发

创意产品新产业的发展点艺术＋技术《满城尽带黄金甲

》艺术模型建筑模型部分参展单位：RURRUR事务所

BIAD事务所

CrystalDesign事务所

ZahaHadidArchitects事务所四、研究发展低成本设备金属直接成形陶瓷直接制造复合材料制造四、研究发展－LED紫外成形系统UV-LED光源的优点—绿色光源能源利用率高、耗电量低、体积小、成本低可瞬时开关，寿命长单色性好，与CPS树脂匹配光谱主要集中在365nm;CPS树脂感光波段：325nm与365nm;UV-LED激光器紫外汞灯LED耗电功率（W）50003002光功率（mW）500300250光斑功率（mW）3503.88能源利用率0.1%0.1%12.5%寿命（h）20000300040000~100000价格（美元）300003000150表：激光器、紫外汞灯与LED的性价比对比四、研究发展－LED紫外成形系统聚焦镜的设计聚焦镜的设计尺寸86mm×Ø31mm6块球面透镜组成的透镜组聚焦镜的聚焦效果光斑大0.44mm光晕分布范围大且强——主要问题LED光学系统光斑与晕环聚焦镜结构阀体叶轮大雁塔海豚四、研究发展－LED紫外成形系统四、研究发展－金属直接制造建立了制造系统四、研究发展－金属直接制造建立多层激光直接成形的自稳定机制利用粉末负离焦制造的薄壁侧面平均粗糙度约Ra=10.04μm扫描速度(mm/s)送粉量(g/min)激光功率(W)粉末负离焦(mm)△Z载气量(l/min)6-108.8250-200-20.08-0.18叶片高度:70mm;壁厚:0.80mm;总层数:840

负离焦负离焦b8mm四、研究发展－金属直接制造空心叶片扫描路径的设计与实验扫描路径的规划STL数据CAD模型RPData/Magics切片轮廓PMR/SLC路径信息激光金属成形设备激光金属直接成形数据流程法算径路空心叶片扫描路径设计与实验研究轮廓+光栅(方向优化)+分区→扫描复杂空心叶片分区的优点：每层扫描时间从930s降到650-850s减少激光器光闸开关次数，延长激光寿命空行程减少，节约粉末四、研究发展－金属直接制造①②③④四、研究发展－金属直接制造高温合金叶片制作140mm(L)×120（H）四、研究发展－金属直接制造空心叶片定向晶组织控制液氮控制冷却梯度液氩冷却实验台

液氩冷却喷嘴

钛合金关节柄制造可以根据需要制造多孔表面三、研究发展－金属直接制造钛合金定制化膝关节制造时间：32小时四、研究发展－金属直接制造带工艺支撑的膝关节四、研究发展－激光烧结设备双激光器选区激光烧结加工尺寸1200*800*800效率高单工作箱，可移动表面加热四、研究发展－激光烧结设备双激光器选区激光烧结三、研究发展面曝光光固化设备逐层面光照固化大幅度提高效率四、研究发展－激光烧结设备为医院定制的专用成形机四、研究发展－陶瓷零件制造成形原理及设备成形原理示意图（下图）光固化成型机（右上）陶瓷树脂铺层装置（右下）磁力搅拌再涂层刮刀：聚四氟乙烯四、研究发展－陶瓷零件制造陶瓷固化特性研究单线固化厚度及宽度固化层厚光敏树脂单线固化断面形态陶瓷树脂单线固化断面形态固化厚度随工艺参数的变化规律四、研究发展－陶瓷零件制造光固化直接制造陶瓷铸型四、研究发展－陶瓷零件制造光子晶体制造工艺研究热重与差热分析（右上）陶瓷零件后处理升温工艺（右下）烧结所得光子晶体零件（下图）四、研究发展－陶瓷零件制造缺陷光子晶体制造面缺陷光子晶体及其传输性能分析单面缺陷样件双缺陷样件光子晶体结构设计与带宽变化渐变半径光子晶体的可控带隙性质为制造宽带隙调控提供结构设计与制造方法四、研究发展－陶瓷零件制造光子晶体变结构r/α比变化到0.28、0.26和0.24r:单胞半径，a:晶格尺寸实验结果四、研究发展－陶瓷零件制造负折射三维全介质超材料---隐身用途全介质可有效避免金属材料在高频段的色散和损耗三维结构复杂，传统工艺难以制造实验使用材料及试样结构Ba0.5Sr0.5TiO3,ε=750；模板结构为14120树脂，ε=3.5谐振单元（下左），三维超材料（下右）负折射三维全介质超材料三维圆柱交叉超材料的能量分布测试结果在10.6到10.625之间观察到了负折射现象在10.6G处的能量分布如下图所示，折射角

=13.3四、研究发展－陶瓷零件制造根据Snell定律：nsin=n0sinn，分别为超材料结构的折射率和入射角，n0，分别为在空气中的折射率和折射角。得出：折射率n=-0.73负折射测试实验台负折射测试实验图四、研究发展－复合材料制造

碳化硅复合材料基于载荷的组织设计实现手段－支撑结构中组织的变化根据承载设计组织载荷－组织匹配克服均质材料的不足四、研究发展－复合材料制造

碳化硅复合材料光固化原型－>制作碳化硅复合材料零件传统思想－先制材料－后成型陶瓷材料难以加工我们的设想－先成型－宏观结构与微观组织－转化材料光固化原型－碳支架－碳硅反应－碳化硅复合构件控制微结构SiC/C比例控制强韧性五、发展趋势第三次工业革命-----标志？正在重塑全球制造业竞争格局美国《时代》周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推