《快速成型系统》课件

快速成型系统快速成型系统是一种先进的制造技术,可以快速制造出各种复杂的三维物体。它不仅提高了生产效率,还大大缩短了产品研发周期。课程背景和目标课程背景随着制造业和技术的快速发展,3D打印技术在各个领域得到广泛应用。本课程将全面介绍快速成型系统的工作原理、关键技术和典型应用案例。培养目标通过本课程的学习,学生能够掌握3D打印的基本原理和技术,并能够根据实际需求选择合适的3D打印方案。课程内容课程将系统地介绍快速成型的历史发展、技术分类、工作原理、优缺点、材料应用以及典型案例。快速成型技术历史回顾1980年代快速成型技术雏形出现,3D打印机开始问世。1990年代快速成型技术快速发展,开始广泛应用于工业设计、制造等领域。2000年代3D打印技术不断进步,成本大幅下降,迅速普及到更广泛的行业和消费领域。2010年代快速成型技术不断创新,新材料、新工艺不断涌现,应用范围进一步扩大。快速成型技术概述快速成型技术是一种利用计算机辅助设计(CAD)模型数据直接制造出实体产品的技术。它通过层层累积的方式,快速地将数字模型转化成实际的三维实体产品。这种技术可大大缩短产品研发周期,提高产品的开发效率。快速成型技术涉及多个领域,包括3D打印设备、软件工具、材料以及后处理等多个环节。它已广泛应用于工业设计、汽车制造、医疗器械等诸多行业,成为现代制造业不可或缺的重要工艺。定义快速成型技术快速成型技术是一种基于数字三维模型数据,通过加法制造的一种制造技术。数字三维模型通过计算机辅助设计(CAD)软件制作的三维虚拟模型是快速成型的基础。加法制造快速成型技术通过逐层添加材料的方式,将数字模型转化为实体模型。应用领域广泛快速成型技术广泛应用于工业制造、医疗、艺术设计等领域。优势快速制造快速成型技术可以显著缩短制造周期,大大提高产品响应速度。成本优势相比传统制造,快速成型技术可以降低材料、人工和设备成本。设计自由度快速成型技术可以实现复杂结构和定制化产品,设计自由度极高。高精度制造先进的快速成型技术可以实现极高的制造精度和表面质量。快速成型系统组成核心组件快速成型系统由3D打印机、3D建模软件和材料三大核心组件组成。这些系统协调工作,实现从数字模型到实体零件的快速制造。辅助设备除了主要部件,系统还需要后处理设备如清洗机、抛光机等,以确保生产的工件品质。整个系统的协同工作确保了快速成型的整体流程。3D打印机主要组件3D打印机由打印平台、喷头、挤出机、光源、控制系统等关键组件组成。这些部件协调工作,完成从3D模型到实体产品的制造过程。打印技术3D打印机采用多种不同的打印技术,如熔融沉积成型(FDM)、光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)等,每种技术都有其独特的优缺点。材料选择3D打印机可使用多种材料,如塑料、金属、陶瓷等。不同材料具有不同的特性,需根据应用场景进行选择。打印分辨率3D打印机的打印分辨率决定了制品的细节程度和表面质量。高分辨率可以制造出细节精致的产品。3D建模软件创建复杂模型3D建模软件提供强大的建模工具,可以帮助用户创建出质量卓越的三维模型。快速迭代设计通过3D建模软件,用户可以快速进行设计修改,并及时反馈到生产流程中。操作界面友好3D建模软件的用户界面设计简洁明了,新手也能快速上手使用。支持多种导出格式3D建模软件可导出多种文件格式,以适配不同的后续制造和应用需求。3D打印材料塑料材料3D打印常用的塑料材料包括ABS、PLA、尼龙、TPU等,具有成本低、加工便捷的特点。这些材料可用于制造各种生活日用品和工业零件。金属材料金属3D打印使用粉末烧结技术,可以打印不锈钢、铝合金等金属零件。这些金属3D打印件具有高强度和耐磨性,适用于制造工业模具和机械零部件。陶瓷材料陶瓷3D打印可制造各种装饰品和艺术品。常见的陶瓷3D打印材料有氧化铝、氧化锆等,具有优异的耐高温和耐化学腐蚀性能。复合材料3D打印复合材料将塑料与金属、陶瓷等材料复合,结合了不同材料的优点,可广泛应用于工业和航空领域。后处理设备清洗设备3D打印件通常需要进行清洗,以去除残留的粉末或树脂。清洗设备包括超声波清洗机和喷淋清洗设备,能有效去除打印表面的杂质。去支撑设备3D打印件在打印过程中会使用支撑结构,需要后期手动或自动去除这些支撑结构。常见的去支撑设备有切割刀、钳子等工具。涂装设备3D打印后的零件可能需要进行涂装,以改善表面质量和外观。涂装设备包括喷枪、滚涂设备等,能够均匀覆盖表面。抛光设备抛光是提升3D打印件表面光洁度的关键步骤。抛光设备有手动抛光工具和自动抛光机,可以去除细小的表面瑕疵。3D打印机分类喷墨打印通过将液态材料喷射到工作平台上逐层构建模型的3D打印技术。适合小批量快速制造。熔融沉积成型加热熔融塑料材料并将其挤出形成细线条,逐层叠加建立模型的技术。成本低,适合家用打印机。光固化利用光能固化树脂材料的原理,通过光束逐层扫描固化形成模型的技术。打印精度高,适合高端制造。粉末烧结利用激光或热源选择性熔融粉末材料,逐层累积融合形成实体模型的技术。材料选择性强,可打印金属。喷墨打印高效喷洒喷墨打印通过精密控制微小墨滴的喷洒,在打印表面上形成所需图像。多彩输出喷墨打印可以输出高质量的彩色图像,色彩丰富,再现性强。快速打印喷墨技术可以实现快速打印,生产效率较高。熔融沉积成型技术1工作原理将热熔塑料材料挤出并层层堆积,形成最终的3D实体模型。2成型过程3D打印机喷头加热并熔融塑料丝,逐层绘制出3D模型。3优势材料种类丰富、操作简单、成本较低,适合家用和小型商用打印。4缺点精度有限、表面粗糙、打印速度较慢,不适用于高精度工业制造。光固化光源利用激光、紫外线等光源对材料进行固化成型。光敏树脂材料需要含有对应光源敏感的树脂成分。逐层固化通过逐层照射的方式实现三维模型的逐层构建。粉末烧结3D打印技术工作原理该技术使用高功率激光或电子束选择性地熔融或烧结金属、陶瓷或塑料粉末,逐层建造3D零件。材料优势可加工的材料种类广泛,包括金属合金、陶瓷和先进复合材料,满足各种应用需求。制件精度通过精确控制激光或电子束,可实现高度复杂的几何形状和优秀的表面质量。层叠沉积3D打印技术1工作原理该技术通过连续分层制作零件,每层均由数字模型切片图形控制打印头沉积材料而成。2多材料打印支持使用多种材料的同时打印,可实现复杂零件的制造。3高精度和细节由于逐层累积成型,可实现高精度和丰富的细节效果。4适用范围广适用于从小型精密零件到大型工业应用的各种3D打印需求。喷墨3D打印技术喷墨3D打印技术是一种采用喷墨打印机原理进行三维打印的技术。它通过将液体树脂材料喷洒到指定位置进行逐层叠加,从而构建出所需的三维实体。这种技术具有打印精度高、制造速度快等优点,广泛应用于工业生产和艺术创作等领域。喷墨3D打印技术工作原理喷墨3D打印技术利用喷墨打印头将液态树脂喷洒到打印平台上,通过光源固化树脂层层堆叠,最终实现3D模型的打印。制造流程首先将3D模型数据转换成切片数据,然后喷墨打印头按照切片信息逐层将树脂喷洒在打印台上,最后利用光源进行固化。优势特点该技术打印速度快,材料种类丰富,可打印出高精度、高细节的3D模型,广泛应用于工业设计、医疗等领域。喷墨3D打印技术优点喷墨3D打印技术具有打印精度高、表面光洁度好、打印速度快等优点。该技术可以直接将3D模型数据转化为实体零件，无需中间加工步骤。缺点喷墨3D打印技术所用材料有限、打印尺寸小、成本相对较高。同时还存在后处理工艺复杂的问题，需要经过清洗、固化等步骤。熔融沉积成型技术熔融沉积成型(FusedDepositionModeling,FDM)是一种广泛应用的3D打印技术。它通过加热和挤出热塑性材料,逐层堆积形成最终产品。这种方法简单易行,具有成本低、速度快、材料选择广等优点,是最早被商业化的3D打印技术之一。FDM打印机通过挤出机将热熔塑料材料挤出成细线,逐层堆积在打印平台上。这种打印方式能够制造出复杂的三维实体模型,广泛应用于各行各业。熔融沉积成型技术1构建过程通过挤出加热塑料熔体,逐层搭建3D模型。塑料材料从挤出机喷出,然后快速冷却固化。2操作原理3D打印机通过控制喷头精准移动,挤出和堆积塑料材料,逐层构建出最终的3D实物。3工艺优势制造速度快、材料种类多、表面光滑、机械强度高,适合大批量生产。熔融沉积成型技术优点设备结构简单、操作方便,能制造出形状复杂的产品。成本相对较低,材料选择范围广。缺点部件表面粗糙度较差,精度相对较低。制造速度较慢,大型零件生产效率低。应用场景适合制造快速原型、个性化产品、小批量定制产品等。广泛应用于工业设计、教育、家居等领域。光固化3D打印技术光固化3D打印技术是利用光能将液态光敏树脂固化成固体的一种3D打印方法。该技术通过数字控制器控制光源在光敏树脂表面扫描曝光,逐层完成物体制造。光固化过程快速、精度高,可实现复杂几何结构件的制造。光固化3D打印广泛应用于工业模型、快速成型、公园景观、医疗植入物等领域,是目前最为成熟的3D打印技术之一。光固化3D打印技术工作原理光源利用激光或者紫外线光源照射到光敏树脂表面,使树脂固化成型。光固化池光敏树脂存放在光固化池中,光源照射到表面进行逐层固化。构建平台物品逐层沉积在构建平台上,随着平台的下降不断添加新层。光固化3D打印技术的优缺点工作原理光固化3D打印采用聚合材料通过紫外光照射固化的方式制作3D实体。该技术精度高、表面光滑、适合制作复杂零件。优势可打印复杂结构、几何精度高、表面光滑、适合制造精密零件。还可用于制作模型、工艺品和医疗器械。局限性受制于工作室的尺寸限制,打印尺寸相对较小。同时该工艺成本较高,对材料要求严格,需要特殊设备。粉末烧结3D打印技术粉末烧结3D打印技术是一种常见的3D打印工艺。它通过使用激光或电子束来选择性地熔融或烧结粉末材料,形成所需的三维实体。该技术可以打印多种金属、陶瓷和聚合物材料。相比其他3D打印技术,粉末烧结具有较高的精度和表面光洁度,同时生产效率也较高。不过其能耗较大,需要特殊的保护性气氛环境,且后处理工序较复杂。粉末烧结3D打印技术工作原理粉末烧结3D打印技术利用高能量光束(如激光或电子束)选择性熔融或烧结粉末材料,逐层累积形成所需的3D零件。该技术可用于金属、陶瓷和复合材料等粉末材料的3D打印。成型过程粉末材料均匀铺展在构建平台上光束根据数字模型选择性熔融或烧结粉末构建平台下降一个层厚度新层粉末材料再次铺展重复以上步骤直至完成整个零件粉末烧结3D打印技术的优缺点优点可制造出复杂的金属零件,材料性能优良,尺寸精度高。适合生产小批量定制化产品。缺点需要专业的烧结设备,成本较高。表面光洁度较低,还需要二次加工。能耗较大,环保性不太理想。层叠沉积3D打印技术工作原理层叠沉积技术利用多个机械臂或者喷头来逐层沉积材料,通过精准的位置控制实现复杂零件的制造。这种方式可以灵活选择材料,并能够实现多种材料的自由组合。优缺点优点是可以大幅提高打印速度和生产效率,适合批量生产。缺点是设备结构复杂,材料选择受限,表面光洁度较低。层叠沉积3D打印技术工作原理层叠沉积3D打印技术通过逐层堆积材料来构建三维实体。打印头会从底部开始逐层向上喷洒材料,并让其固化成型,最终完成整个打印过程。工作流程该技术先将3D模型切割成多层,然后逐层打印,最后组装成最终产品。这种逐层打印的方式可以创造出复杂的三维形状。优缺点优点是打印速度快、成本低、材料种类多样,缺点是表面粗糙、精度较低。该技术广泛应用于工业制造、艺术创作等领域。层叠沉积3D打印技术1工作原理采用连续的层状沉积方式,将材料一层一层叠加在基板上直至完成整个零件的制造。2优点制造速度快,材料选择广,操作简单,成本较低。能制造出复杂的三维结构。3缺点制造精度和表面光洁度略差,需要后处理工艺。材料选择受到一定限制。3D建模软件概述3D建模软件是一种用于创建、编辑和优化3D虚拟模型的专业软件工具。它们提供了丰富的功能和工具,使用户能够设计出各种复杂的三维物体。这些软件通常包括建模、渲染、动画等功能,广泛应用于工业设计、游戏开发、视觉特效制作等领域。无论是初学者还是专业人士,3D建模软件都是三维内容创作的重要工具。它们帮助用户从最初的概念到最终的实现,整个设计过程中都发挥着关键作用。建模软件分类CAD软件专业的计算机辅助设计软件,能够创建精确的三维实体模型。常见软件有SolidWorks、AutoCAD等。3D建模软件专门用于3D造型和建模的软件,能够更自由地创作各种复杂的三维造型。代表有3DMAX、Blender等。3D打印专用软件针对3D打印过程优化的软件,可以方便地进行切片、支撑等设置。如Cura、Slic3r等。网络在线建模软件基于浏览器的在线3D建模工具,用户可以在线创作和分享模型。如Tinkercad、Onshape等。主流建模软件介绍CAD软件如AutoCAD、SolidWorks等,擅长机械设计和工业制造领域的3D建模。网格建模软件如3dsMax、Maya等,擅长用于动画、视觉效果和游戏开发的3D建模。参数化建模软件如Fusion360、Creo等,通过参数化设计能快速迭代和优化3D模型。有机建模软件如Blender、ZBrush等,擅长用于雕塑、艺术创作等领域的有机3D建模。3D打印材料3D打印材料是3D打印制造中的关键组成部分。不同的材料拥有独特的物理特性和适用场景,如塑料、金属、陶瓷等。这些材料的选择直接影响最终产品的性能和质量。正确选择适合的3D打印材料对于实现高质量3D打印至关重要。不同材料之间存在着诸多差异,需要根据具体应用场景进行权衡和选择。塑料材料1热塑性塑料可以重复加热熔融的塑料,如ABS、PLA、PETG等,常用于FDM3D打印。2光固化塑料在紫外光或可见光照射下会固化的树脂材料,常用于SLA3D打印。3复合增强塑料将纤维材料如碳纤维、玻璃纤维等与塑料基体复合,提高强度和刚度。4生物可降解塑料由生物质原料制成,可在自然环境中被微生物分解的环保型塑料。金属材料金属3D打印金属3D打印技术能够制造出各种复杂的金属零件,广泛应用于航空航天、医疗、工业等领域。不锈钢材料不锈钢是常见的3D打印金属材料,具有良好的抗腐蚀性和机械性能,适用于制造结构性零件。钛合金材料钛合金是另一种广泛应用的3D打印金属材料,具有极高的强度重量比,常用于航空航天和医疗领域。铝合金材料铝合金是轻质耐腐蚀的3D打印金属,在汽车、电子等行业有广泛应用前景。陶瓷材料特点陶瓷材料以无机非金属矿物为主要原料,具有耐高温、耐腐蚀、机械性能优良等优点。应用广泛,从工艺美术品到工业工程都有涉及。常见类型白陶瓷硬质陶瓷结构陶瓷电子陶瓷生物医用陶瓷制造工艺陶瓷制品制造主要包括配料、成型、干燥、烧结等工序,需要精细的温度和时间控制以保证制品质量。应用领域工艺美术品建筑装饰电子元器件机械零件医疗植入体复合材料聚合物基复合材料结合高强度纤维和工程塑料的优势,广泛应用于航天航空、汽车、体育等领域。金属基复合材料以金属为基体,添加陶瓷或碳纤维等增强相,具有高强度和耐热性。陶瓷基复合材料以陶瓷为基体,添加碳纤维或金属颗粒,具有高温抗氧化和耐磨等特性。后处理设备及工艺清洗设备清洗设备主要用于去除3D打印过程中残留的粉末或树脂。常见的清洗设备包括超声波清洗机和滚筒清洗机。合理的清洗能确保打印件表面干净无残留。去支撑设备许多3D打印过程需要使用支撑结构,打印完成后需要将支撑结构小心移除。使用专用的去支撑设备可以高效、精准地去除支撑结构。清洗设备超声波清洗机利用高频振动产生的声波,可以快速、有效地去除3D打印件表面的杂质和支撑材料。高压水枪喷洒高压水流可以冲掉打印件表面的粉末颗粒和树脂残留物,适用于较大尺寸的零件。化学浸泡将3D打印件浸泡在特定化学溶剂中,可溶解掉表面的支撑材料和附着物。需控制好浸泡时间避免损坏零件。去支撑设备喷砂设备利用高压喷砂的原理去除3D打印件表面的支撑结构。可实现高效、快速的去支撑。机械切割使用铣刀或砂轮等专业切割工具,精准切除3D打印件上的支撑结构。操作灵活,可定制去支撑方式。激光切割采用高功率激光,精准切割3D打印件上的支撑结构。具有高效、无接触的优点,适用于复杂结构。涂装设备喷涂设备利用压缩空气将涂料雾化并均匀喷涂到工件表面的设备。能提供优质的涂装效果。浸涂设备将工件完全浸入涂料中进行涂装的设备。能实现全面均匀涂层,适用于复杂形状工件。电泳涂装设备利用电场作用将带电涂料颗粒吸附到工件表面的设备。能获得致密、耐久的涂层。滚涂设备使用滚筒辊将涂料均匀涂布到工件表面的设备。能实现大面积快速涂装。抛光设备自动抛光机自动抛光机采用高速旋转抛光盘,能够高效快速地对3D打印件进行抛光,提高表面光洁度。手工抛光工具使用砂纸、抛光膏等手工抛光工具,可以精细地调整3D打印件的表面,实现更细腻的抛光效果。配套后处理设备除了抛光设备,3D打印后还需要清洗、去支撑等一系列后处理工序,配套设备可以完成整个生产流程。快速成型应用