逆向工程与快速成型技术应用 第4版 思考题及答案 项目四 快速成型技术概述

《项目四快速成型技术概述》思考题参考答案4-1物体的成型方式有哪些？各自的最主要特点是什么？答：有四种：（1）去除成型。车铣刨磨都是该种成型方式，在成型过程中重量逐渐减少，因此，被称之为“减材”制造。受迫成型。在该成型过程中，材料的重量不发生变化，因此被称为“等材”制造。传统的锻压、铸造、粉末冶金等都属于受迫成型，现代的冲压成型、注塑成型等也属于这种成型方式。添加成型，又称堆积成型。在该过程中物体的重量通过逐渐添加材料而增加，直至最后成型，因此被称为“增材”制造。生长成型。利用材料的活性进行成型的方法。自然界中的生物（植物、动物，包括人）个体发育均属于生长成型。这是最高层次的成型方法，也是人类一直追求的一种制造方法。现在所讲的3D生物打印技术、4D打印、5D打印都属于该种。4-2快速成型技术的别称有哪些？为什么获得这些称谓？答：别称有（1）“增材制造”（AdditiveManufacturing，AM)，因为成型过程中成型材料层层叠加，成型件的重量逐渐增加。“材料累加制造”(MaterialIncreaseManufacturing，MIM)，理由同（1）。“分层制造”(LayeredManufacturing，LM)，因为设计模型需要进行分层处理，转化为二维层片数据；在成型中一层层加工，叠加成三维实体。“实体自由制造”(SolidFree-FormFabrication，FFF)，因为快速成型技术的成型特点，将三维的模型用降维的形式，变成二维，甚至一维的来加工，使得其加工过程简单化，与设计模型的复杂性没有关系，“所想即所得”，因此，被称之为“自由制造”。“3D打印”(3DPrinting)，因为快速成型每一层的加工过程如同我们采用办公室的打印机来进行文件的打印一样，只不过平时所说的打印为“2D”。快速成型时，有高度方向的叠加，因此，被称之为“3D打印”。4-3快速成型技术的工作原理是什么？与传统减材制造相比，该技术具有哪些特点？答：工作原理：与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD三维几何模型出发，通过切片软件和成型设备，用特殊的工艺方法(熔融、烧结、粘结等）将材料层层堆积而形成实体零件。因此，快速成型是基于数据离散—物理堆积的思想，将一个三维模型通过切片处理离散成一系列二维层片,在成型设备中逐点、逐面进行材料的堆积成型，加工制造出实物的。优点：（1）制造复杂形状的物体不增加成本。（2）一体化制造，无须装配。（3）按需制造成为可能，复杂程度和批量大小与产品单价无关。（4）材料利用率提高，“净成型”制造成为可能，也使得快速成型成为更环保的加工方式。（5）释放了设计自由度，真正实现了“所想即所得”。（6）真正实现拓扑优化。（7）便携制造、清洁环保。缺点：（1）存在台阶效应，加工精度不高。（2）所能使用的材料有限4-4为什么各国都在大力发展“增材制造”？答：世界各国纷纷将增材制造作为未来产业发展新增长点。全球著名的麦肯锡报告认为，增材制造将是决定2025年经济的12大颠覆技术之一。美国《时代》周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志认为增材制造将“与其他数字化生产模式一起，推动实现第三次工业革命”，认为该技术将改变未来生产与生活模式，实现社会化制造。以云计算、大数据、增材制造等为核心、以“工业4.0”为标志的新一轮产业革命正在来临，制造业将成为国家经济竞争力的关键所在。欧美等发达国家将增材制造作为“再工业化”、“重新夺回制造业”、“重振经济”的国家战略，德国长期在金属零件增材制造技术方面处于领先地位。目前，我国制造业传统的低成本竞争优势不断减弱，正面临欧美发达国家“再工业化”和发展中国家低成本承接产业转移的“双重挤压”。增材制造与信息网络技术、新材料技术、新设计理念的深度融合，将给传统制造业带来变革性影响，被称为新一轮工业革命的标志性技术之一。当前，增材制造已经成为航空航天等高端设备制造及修复领域的重要技术手段，初步成为产品研发设计、创新创意及个性化产品的实现手段以及临床诊断与治疗的工具，并且应用范围不断扩展。因此，借助云计算、物联网、大数据为代表的新兴信息技术，大力发展增材制造等颠覆性技术，是实现“中国制造”向“中国智造”转变的时代选择，是实现制造业弯道超速，打造我国制造业新优势，实现“制造强国梦”的必然选择，也是力争抢占未来科技和产业制高点的必然选择。4-5如何客观地评价我国增材制造的发展水平？答：我国增材制造技术在国家政策的支持下，经过近三十年的发展，其产业化步伐明显加快，科技创新成果显著增加，关键技术、装备性能不断提升，涌现出一批具有一定竞争力的骨干企业，应用领域日益拓展，形成了若干个产业集聚区，生态体系初步形成，2020年的产业规模已经突破220亿元。针对材料、工艺和设备的研究成果部分已实现产业化，应用范围覆盖航空航天、装备制造、汽车、生物医疗和文化创意等重要领域。但增材制造技术与产业相比世界先进水平仍有差距；国内多数制造企业还处于接触增材制造技术、开展探索应用阶段，没有达到全面掌握、转化应用、创造增量价值的目标；结合国情开展的增材制造技术规划与产业发展研究也不够深入和充分。4-6快速成型技术在哪些领域获得很好的应用？为什么？答：快速成型技术可以低成本、高质量来制造如下产品：（1）个性化定制类产品，如医疗医学上的假肢和组织器官，个性化的衣服鞋帽。（2）复杂产品，如点阵结构、拓扑结构类产品。（3）多功能材料产品，如磁电功能件。因此，快速成型规范应用在医疗、工业制造、技术开发、汽车模具、航空航天、教育创新等领域。4-7快速成型技术有哪些成熟的工艺方法？答：见表4-4.表4-4几大主流工艺名称简称发展时期（年）立体光固化成型SLA1986-1988逐层固化法SGC1986-1988（消失于1999年）分层实体制造LOM1985-1991熔丝沉积制造FDM1988-1991选择性激光烧结SLS1987-1992三维喷涂粘接3DP1985-19974-8熔融沉积快速成型的技术特点是什么？为什么FDM工艺在快速成型技术的大众化方面起到了积极作用？答：FDM成型时不依靠激光作为成型能源，而是利用加热器件将各种丝材加热到熔点，进行熔化堆积成型。使用的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。因此，FDM成型设备结构简单，设备成本低，安全性较好；FDM所使用的材料无毒且易于回收，制作的模型强度适中，因此被广泛应用于桌面式快速成型设备。该技术的出现，对快速成型技术的推广和大众化起到了很好的推动作用。4-9金属增材制造的热源有哪几种？所采用的成形材料有哪几种形式？答：详细见图4-33。目前所采用的热源有：激光、电子束、电弧，所用的材料形式为：粉末和熔丝材料。4-10试比较SLA与DLP两种光固化类快速成型工艺的区别。答：相同点：利用光敏树脂的光固化效应，进行凝固成型。不同点：（1）光源不同。SLA采用激光器作为光源，产生紫色激光来固化光敏树脂；DLP采用的是数字光处理器产生的数字光来固化光敏树脂。（2）成型方式：SLA是通过点激光单点凝固，成型过程：由点到线、到面，再到体。DLP是面凝固，直接由面到体。（3）设备成本。SLA设备成本高、DLP的设备成本低。4-11生物3D打印的材料具有什么特点？所采用的生物3D打印工艺具有什么特点？答：生物3D打印材料为载细胞的水凝胶材料（称为生物墨水），成形变为水凝胶所特有的交联成形，加工后处理变为细胞的功能化诱导。生物3D打印可细分为：喷墨式、激光直写式、挤出式和光固化式打印等。喷墨式生物3D打印被认为是最早，也是成本最低的生物3D打印技术。但由于喷头的驱动压力较小，因此无法打印高黏度和高浓度的生物墨水；另外，在喷墨打印过程中，可能会对细胞产生机械或者热损伤。这些缺点限制了喷墨式生物3D打印技术的广泛应用。激光直写技术是一种无喷头的喷墨式打印方式。这种技术可以避免生物墨水与处理装置的直接接触，从而避免了机械装置对细胞的损伤，因此，细胞具有很高的活性。另外，该工艺可以打印高黏度的生物材料，而且适用的材料范围也比喷墨打印广泛。但由于基于该原理的打印机成本较高，缺乏商业的打印装置；每打印一层后，在激光吸收材料上涂覆生物墨水比较耗时，且产生微滴的重复性还不够，因此目前大部分对此的研究还停留在工艺讨论上，限制了其应用。挤出式生物3D打印通过连续挤出不间断的纤维，可以打印黏度较高的生物材料，或者是不同黏度的生物材料和不同浓度的细胞，因此可打印材料的适用范围较广，也可制造出结构强度较好的组织结构。4-12如何利用快速成型技术来培养“创新创业”能力？答：快速成型技术具有从数字化设计到数字化制造全生命周期的“数字化”特点，且制造与产品的复杂性无关，“所想即所得”。这些特点可以让设计者将主要精力集中在产品的创新设计环节。同时，快速成型设备相当于一个加工厂，且很多的材料绿色环保，因此，在一个写字间或办公室内，就可以进行产品的制造，将设想变为现实。因此，我们可以充分利用快速成型技术的特点，进行“创新创业”。4-13快速成型技术讲给我国的制造业带来怎样的影响？答：快速成型技术，将数字化设计与制造结合起来，可以在较短的时间内制造出复杂的、定制的产品。这项技术的出现将对现代制造业带来以下影响：（1）缩短了产品从设计到制造的时间，从而提高了生产效率和整体制造水平；（2）降低了制造成本，减少了废料和能源的浪费，实现了可持续制造；（3）使得制造业可以更方便地实现小批量生产和个性化定制；（4）扩大了制造业的范畴，能够制造出更复杂、更精密的产品，从而为其他制造业提供更加高效、便捷的服务。（5）为创新设计提供了较好的制造方式，可助力创新团队的成长，提升创新设计水平。4-14上网查阅资料，以具体案例说明快速成型技术在新产品或设备开发上的应用。答：略4-15扫描观看中国3D打印领域的“教父”卢秉恒院士的“开讲啦3D打印技术应用”，思考如下几个问题：(1)卢院士赠送给主持人的是什么礼物？采用什么方法制造的？答：带有中国元素的塑料套球，类似于套娃。采用的是3D打印。卢院士是如何描述3D打印技术的未来的？答：未来3D打印的应用领域将越来越广，会出现太空3D打印，也将在3D打印的基础上出现4D打印（随着时间的变化，打印件的形状会发生变化）、5D打印（随着时间的变化，打印件的形状和功能都会发生变化）。卢院士是如何从工作中寻找乐趣的？答：保持一种开放创新的心态，不断学习和探索，认真做事；耐住寂寞，稍安勿躁，确定目标去实现，获得成就感。(4)在未来实现两个强国的征程中，卢院士是如何嘱咐青年一代？答：卢院士鼓励当代年轻人：在未来实现两个强国的征程中，正好是你们年轻人精力最充沛的时候，希望你们都能有所创新，为我们中国的崛起贡献力量。（5）卢院士在讲座的最后，念了自己所赋的一首诗：“聚一束神光，熔女娲晶石。绘天下神奇，鼎中华辉煌。”这首诗给我们什么样的启发？答：这首诗不仅表达了3D打印技术的成型原理，而且表示出3D打印人“为中华腾飞”的奉献情怀。(6)试概括一下以卢院士为代表的中国3D打印人，具有什么样的精神品质？答：以卢院