机械制造基础第7章 3D打印与快速成型

机械制造基础贾颖莲教授二〇二〇年二月7.1快速成形7.23D打印第7章3D打印与快速成型了解快速成型的概念与种类，掌握快速成型的原理与应用，掌握3D打印的概念及特点，了解3D打印的应用领域，了解3D打印相比传统制造技术的优势及缺点。学习目标快速成型、3D打印、三维模型。知识点技能点会使用常用3D打印机等快速成型设备将三维模型打印成实物。第7章3D打印与快速成型快速成形（RP，RapidPrototyping）技术是运用堆积成形法，由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体零件的技术总称。3D打印是一种典型的快速成型技术，它以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。第7章3D打印与快速成型快速成形技术的成形原理不同于常规制造的去除法（切削加工厂、电火花加工等）和变形法（铸造、锻造等），而是利用光、电、热等手段，通过固化、烧结、粘结、熔结、聚合作用或化学作用等方式，有选择地固化（或粘结）液体（或固体）材料，实现材料的迁移和堆积，形成所需要的原型零件。因此，RP制造技术好像燕子衔泥垒窝一样，是一种分层制造的材料累加方法。RP制造技术可直接从CAD模型中产生三维物体，它综合了机械工程、自动控制、激光、计算机和材料等学科的技术。7.1快速成形RP技术是一种基于离散堆积成形思想的数字化成型技术。根据生产需要，先由三维实体CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型（亦称电子模型），然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，把原来的三维实体模型变成二维平面（截面）信息；再将分层后的数据进行一定的处理，加入工艺参数，产生数控代码；最后在计算机控制下，数控系统以平面加工方式，把原来很复杂的三维制造转化为一系列有序的低维（二维）薄片层的制造并使它们自动粘结叠加成形。7.1.1快速成形技术的工作原理１．选择性液体固化选择性液体固化又称光固化法。该方法的典型实现工艺有立体光刻（SL，StereoLithography），其工艺原理如图7.1.1所示。成形过程中，计算机控制的紫外激光束按零件的各分层截面信息在树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。头一层固化完后，升降台下移一个层厚的距离，再在原先固化好的树脂表面上覆盖一层液态树脂，再进行扫描加工，新生成的固化层牢固地粘结在前一层上。重复上述步骤，直到形成一个三维实体零件。7.1.2快速成形技术的工艺方法图7.1.1光固化法工艺原理图7.1.2快速成形技术的工艺方法光固化法２．选择性层片粘结选择性层片粘结又称分层实体制造、叠层制造法（LOM，LaminatedObjectManufacturing）。其工艺原理如图7.1.2所示。叠层法在成形过程中首先在基板上铺上一层箔材（如纸箔、陶瓷箔、金属箔或其他材质基的箔材），再用一定功率的CO2激光器在计算机控制下按分层信息切出轮廓，同时将非零件的多余部分按一定网络形状切成碎片去除掉。加工完上一层后，重新铺上一层箔材，用热辊碾压，使新铺上的一层箔材在粘结剂作用下粘结在已成形体上，再用激光器切割该层形状。重复上述过程，直至加工完毕。最后去除掉切碎的多余部分即可得到完整的原形零件。7.1.2快速成形技术的工艺方法图7.1.2叠层法工艺原理图7.1.2快速成形技术的工艺方法叠层制造法（LOM）３．选择性粉末熔结/粘结选择性粉末熔结/粘结又称激光选区烧结法（SLS，SelectiveLaserSintering），其工艺原理如图7.1.3所示。激光选区烧结法采用CO2激光器作为能源，成形材料常选用粉末材料（如铁、钴、铬等金属粉，也可以是蜡粉、塑料粉、陶瓷粉等）。成形过程中，先将粉末材料预热到稍低于其熔点的温度，再在平整滚筒的作用下将粉末铺平压实（约100～200μm厚），CO2激光器在计算机控制下，按照零件分层轮廓有选择地进行烧结，烧结成一个层面。再铺粉用平整滚筒压实，让激光器继续烧结，逐步形成一个三维实体，再去掉多余粉末，经打磨、烘干等处理后便获得所需零件。这种方法直接制造粉末型工程材料，可做成各类真实零件，应用前景看好。7.1.2快速成形技术的工艺方法图7.1.3激光选区烧结法工艺原理图7.1.2快速成形技术的工艺方法选择性激光烧结法1．主要特点用RP制造技术可以制造任意复杂的三维几何实体零件。并且在制造过程中省掉了一系列技术准备，无需专用夹具和工具，也无需人工干预或较少干预。因此零件制造的设备少，占地少，时间快，成本低。通过CAD模型的直接驱动对原型的快速制造、检验、实样分析研究，可以将新产品开发的风险减到最小程度。2．用途（1）能用于制造业中快速产品开发（不受形状复杂限制）、快速工具制造、模具制造、微型机械制造、小批零件生产。（2）用于与美学有关的工程设计，如建筑设计、桥梁设计、古建筑恢复等，以及结婚纪念品、旅游纪念品、首饰、灯饰等的制作设计。（3）在医学上可用于颅外科、体外科、牙科等制造颅骨、假肢、关节、整形。（4）可用于文物修复等考古工程。（5）可制作三维地图、光弹模型制作等。7.1.3快速成形技术的特点和用途7.2.13D打印的概念及工作原理“3D打印”被誉为自20世纪90年代兴起互联网以来最热门的技术，甚至将其称为是第三次工业革命，可以做到无所不能的打印技术。3D-P（three-dimensionalprinting）三维打印也称粉末材料选择性粘结。其工作原理如图7.2.1所示。喷头在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，在铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射粘结剂，使部分粉末粘结，形成截面层。一层完成后，工作台下降一个层厚，铺粉，喷粘结剂，再进行后一层的粘结，如此循环形成三维产品。粘结得到的制件要置于加热炉中，做进一步的固化或烧结，以提高粘结强度。7.23D打印图7.2.13D打印工作原理7.2.13D打印的概念及工作原理图7.2.23D打印机7.2.13D打印的概念及工作原理图7.2.33D打印的产品样品7.2.13D打印的概念及工作原理1.工业领域现代工业中，玩具、手机、家电等工业的产品创新速度加快，在新产品开发时往往需要事先制作产品原型，设计师通过3D打印可以修改设计，可以打印小批量，看看市场的反应情况，并通过用户的使用反馈来进一步完善产品。这对于创业者来说将极大地减少风险和成本。汽车、航天军工制造业中的很多产品结构复杂、性能要求高，传统制造方法除了需要高精度的数控机设备外，还需设计制造很多工艺装备，这往往浪费很多的时间和成本，某些技术难度大的产品甚至无法加工。而通过3D打印，一切将变得不那么困难。例如，美国F-22猛禽战斗机大量使用钛合金结构件，若使用传统的整体锻造方法，最大的钦合金整体加强框材料利用率不到4.9%，使用3D打印利用率接近100%。7.2.23D打印的应用领域2.医学领域如果有人因交通事故，需要更换钛合金的人造骨骼，以前只有大、中、小三种型号，可用而不适用，通过CT扫描获取患者的图像数据后，利用3D打印机可直接打印出百分百符合需求的人造骨骼。如今，3D打印的骨植人物、牙冠、助听器已经存在于世界各地成千上万人的体内。科学家正在尝试利用3D打印机直接打印活性组织和新器官，如果变成现实，器官捐献将不再需要，人类将摆脱疾病、残疾。7.2.23D打印的应用领域3.建筑工程领域在建筑行业里，设计师已经接受了3D打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，而且制作精美。完全符合设计者的要求，同时能节省大量材料与时间。可应用于建筑模型风洞实验和效果展示。世界上首台大型建筑3D打印机用建筑材料打印出高4米的建筑物，打印机的底部有数百个喷嘴，可喷射出镁质戮合物，在戮合物上喷撒沙子可逐渐铸成石质固体，通过一层层的戮合物和沙子结合，最终将形成石质建筑物。这种3D打印机制造建筑物的速度比普通建筑方法快4倍，并且减少一半的成本，几乎不浪费材料，对环境十分环保，它能够很容易地“打印”其他方式很难建造的高成本曲线建筑。希望以后的某一天可以用这种方式在外星球上轻松建造一个基地。7.2.23D打印的应用领域4.教育领域如何激发中小学生投身科学、数学和技术的热情？3D打印是个不错的选择，通过在课堂设置富有想象力和创新性的3D打印应用，让学生们“边做边学”，说不定他们当中会诞生像爱因斯坦一样“百年一遇”的传奇人物。5.生活领域我们生活的时代是一个追求个性的时代，“独一无二”具有巨大的吸引力，个性化的产品会逐渐成为市场主流。3D打印最吸引人的地方就是可以按照我们自己的想法生产物品，比如，打印个性化的手机外壳、珠宝首饰、服饰、鞋类、食品、文化创意作品等，为新婚夫妇打印按比例缩小的夫妻模型，为旅游胜地的游客打印旅游纪念品等等，定制化将随着3D打印技术的推广而成为常态。7.2.23D打印的应用领域3D打印机不像传统制造机器那样通过切割或模具塑造制造物品，而是通过层层堆积形成实体物品的方法，这也从物理的角度扩大了数字概念的范围。对于要求具有精确的内部凹陷或互锁部分的形状设计，3D打印机是首选的加工设备，它可以将这样的设计在实体世界中实现。下面是来自各个行业、具有不同背景和专业技术水平的人用类似的方式描述，3D打印帮助他们减少主要成本、时间和复杂性障碍。我们一起来看一下3D打印具有哪些优势。7.2.33D打印的优势1.制造复杂物品不增加成本就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3D打印机而言，制造形状复杂的物品成本不增加，制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，并改变我们计算制造成本的方式。2.产品多样化不增加成本一台3D打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。传统的制造设备功能较少，做出的形状种类有限。3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。7.2.23D打印的应用领域3.无须组装3D打印能使部件一体化成型。传统的大规模生产建立在组装线基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后由机器人或工人（甚至跨洲）组装。产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装。省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短，污染也越少。4.零时间交付3D打印机可以按需打印。即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求，所以新的商业模式将成为可能。如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。7.2.23D打印的应用领域5.设计空间无限传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。6.零技能制造传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求，然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3D打印机从设计文件里获得各种指示，做同样复杂的物品，3D打印机所需要的操作技能比注塑机少。非技能制造开辟了新的商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。7.2.23D打印的应用领域1.材料的限制仔细观察你周围的一些物品和设备，你就会发现3D打印的第一个绊脚石，那就是所需材料的限制。虽然高端