3D打印技术概论.pdf

快速成形课程报告刘新摘要：3D 打印作为快速成型领域的一种新兴技术，目前正成为一种迅猛发展的潮流。英国经济学人杂志曾刊载封面文章，认为3D 打印技术将会使大规模的个性化生产成为可能，从而带来生产技术的重大变革。众多国内外媒体也认为：3D 打印产业将成为一个具有广阔前景的朝阳产业。【1】关键词：3D 打印快速成型模型制作一、3D打印技术的含义及其发展情况1、3D 一般含义3D 打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用金属粉末及塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的方式。【2】而 3D 打印机则是根据电脑提供的数据模型，利用激光烧结、压力粘合或粘合剂粘合等方式将打印机中的材料制作成为三维实体的设备，它可以将设计者的设计结果与实体模型用“打印”按钮连接起来，可以实现个人化生产。2、3D 打印的发展情况（1）国际发展经过十多年的探索和发展，3D 打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm 的单层厚度上实现600dpi 的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm 厚度的垂直速率，并可实现 24位色彩的彩色打印。目前，在全球 3D打印机行业，美国 3D Systems和 Stratasys 两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的FabHome 和 Shapeways、英国的 Reprap 等。目前在欧美发达国家，3D 打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D 打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D 打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky 通过在线征集用户的设计方案，以 3D 打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60 种创新产品，年收入达到100 万美元。（2）国内发展自 20 世纪 90 年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM 工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP 系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到0.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。近年来，国内如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现了3D 打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前，国产3D 打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D 打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区3D 打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。【1】二、3D打印技术的优缺点分析1、3D 打印的优点与传统模型加工技术相比，3D 打印技术具有其独特的优势。（1）打印的零件精度高。（2）产品制造周期短，制造流程简单。（3）可实现个性化制造。（4）制造材料具有多样性。（5）制造复杂的一体零件。2、3D 打印技术的问题（1）成本偏高。（2）打印的零件尺寸受限。（3）材料限制，某些特殊材料尚无法利用。（4）精度和速度受到限制。【2】三、3D打印技术的应用1、工业应用“空气单车”是位于英国布里斯托尔的欧洲航空防务和航天公司采用3D 打印机，应用3D 打印技术制造出的世界上第一辆打印自行车。这辆自行车使用像钢铁和铝合金一样结实的尼龙材料，重量比金属材料要轻65%。更有趣的是，“空气单车”无论是车轮、链条还是轴承都是一次打印出来的，无需原来先制造零件再将零件组装在一起的总装流程，打印结束后，自行车就能够活动自如。自行车的制造过程就像在平面打印中打印不连续的线条一样简单，3D 打印机能够打印出空间彼此不相连的物体。2、医学应用在医学上，采用3D 打印将双光子聚合物和生物功能材料组合修饰成毛细血管，不仅具有良好的弹性和人体相容性，还能够用于替换坏死的血管，与人造器官结合，部分取代药物研发中的实验动物。2011 年 10 月在德国生物科技展（Biotechnical Fair）上，用 3D打印机打印出来的人造毛细血管吸引了参会者的关注，这些人造毛细血管已经在临床医学上应用。3、日常生活应用“3D食物打印机”是美国纽约康奈尔大学研制的食物制造设备。这部“3D 食物打印机”采用了类似日常计算机打印机的工作原理，将食材和配料预先放入容器内（墨盒）中，只需输入所需食谱，通过所配套的CAD 软件就能把美食“印”出来。对不少厨师而言，这种烹饪的新厨具意味着他们可以创作新菜品，制作出更多个性美食，获得更高的食物附加值。使用“3D 食物打印机”制作食物，可以大幅地缩减从原材料到成品的环节，从而避免食物加工、运输、包装等环节中的污染与保存等不利影响。由于烹饪的原料和配料必须放置在打印机的容器内，因此食物原料必须是液体或其他可以“打印”的状态。4、IT应用最近，迪士尼的一组研究人员利用3D 打印技术在与有机玻璃同样效果的高透光塑料上，以低廉造价打印出了LCD屏幕与多种传感器，实现了 IT 应用中的新突破。利用 3D 打印光导管可以制造出高科技的国际象棋，这些国际象棋的棋子可以侦测并显示当前位置。尽管这种单色屏与日常生活中见到丰富多彩的显示屏相比有些微不足道，但其拥有3D 打印技术成本低廉、制造工艺简单的优势。除了显示屏，利用 3D打印技术外光来侦测触摸、振动等刺激，并将结果输出。3D 打印技术必将为智慧生活和智慧城市创造出更多的IT 应用。【4】四、3D打印机的发展前景随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D 打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D 打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。提升 3D 打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造；开发更为多样的 3D 打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点；3D 打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更加简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展3D 打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。【3】五、课程体会通过本课程的学习，了解了快速成形技术（3D 打印）的一般原理和工作过程，并且亲身体会了 3D 打印成形的从画图到打印的整个过程，提高了三维作图能力且学会了小型台式3D 打印机的操作方法。课程所用的3D 打印机由直线电机驱动，可实现精确的运动轨迹控制。另外，温度对打印的效果影响也十分大。温度过高，不易成形；温度太低，材料不易粘合。若将喷头改成其他装置，或对打印机的尺寸进行改造，它就可以相当于一台精密的三维操作平台。参考文献【1】3D 打印技术与产业的发展及前景分析，王雪莹。【2】3D 打印的特点及应用简析，吕东旭。【3】3D 打印技术及其发展趋势，王月圆，杨萍。