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（中职）3D打印技术综合实训项目一 认识3D打印技术教学课件（工信版）教学课件（工信版）项目一 认识3D 打印技术任务1 3D打印技术概述任务2 3D打印技术工艺类型任务3 3D打印系统配置学习目标l 能知道3D打印技术的发展历程。l 能理解和掌握3D打印原理。l 能理解3D打印技术各种工艺类型原理。l 能理解和掌握3D打印技术各种工艺类型应用特点及其之间区别。l 能知道3D打印系统配置要求。一、发展史二、技术区别三、基本原理四、技术专利任务1 3D打印技术概述 一、发展史3D打印并非一夜之间冒出来的新技术，起源于19世纪末的美国。在20世纪80年代主要在模具加工行业得以发展和推广。在国内叫做“快速成形（Rapid Prototyping,RP）”技术。任务1 3D打印技术概述表1-1 3D打印技术的发展历程任务1 3D打印技术概述任务1 3D打印技术概述任务1 3D打印技术概述l国内发展情况：20世纪90年代中后期我国的清华大学、西安交通大学、北京航空航天大学、华中科技大学等高校与单位率先开展了3D打印相关技术的研究、开发和推广应用。任务1 3D打印技术概述l表1-2 国内3D打印五大力量任务1 3D打印技术概述任务1 3D打印技术概述任务1 3D打印技术概述二、技术区别3D打印技术，国内专业术语称为“增材制造”。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。任务1 3D打印技术概述 1、传统“减材制造”即机械制造就是在原材料基础上，借助工装模具使用切削、磨削、腐蚀、熔融等办法去除多余部分得到最终零件，然后用装配拼装、焊接等方法组成最终产品。2、“增材制造”与传统减材制造不同，无需毛坯和工装模具，就能直接根据计算机建模数据对材料进行层层叠加生成任何形状的物体。任务1 3D打印技术概述三、原理增材制造技术是由CAD模型直接驱动快速制造任意复杂形状三维实体零件或模型的技术总称。3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和计算机数字控制系统，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，最终叠加成形，制造出实体产品。任务1 3D打印技术概述图1-1 3D打印工艺过程任务1 3D打印技术概述四、技术专利3D打印行业的双雄，是美国Stratasys与3D Systems两家公司被全球会认为3D打印领域的行业巨头，完全是靠自己拥有的3D打印原始专利来起家的。任务1 3D打印技术概述l 3D Systems的创始人查尔斯胡尔，专利有“立体光刻造型（SLA）技术、选择性激光烧结（SLS）技术”，被广泛引用在当今的快速成形设备中。l Stratasys的创立者斯科特克伦普，则在1989年研发了3D打印的另一种技术专利“熔融沉积成型（FDM）技术”，并在1993年开发出了第一台基于熔融沉积成形技术的设备。l“双雄”的成长历程：发明家技术专利企业商业化，其经验值得借鉴。任务1 3D打印技术概述一、光固化成型（SLA）技术二、熔丝堆积成型（FDM）技术三、立体喷印（3DP）技术四、选择性激光烧结（SLS）技术五、分层实体制造(LOM)技术任务2 3D打印技术工艺类型 一、光固化成型（SLA）技术SLA是“Stereo lithography Appearance”的缩写，即立体光固化成型法。任务2 3D打印技术工艺类型1、SLA 技术的发展概述 1988年查尔斯.胡尔（Charles W.Hull），发明了光固化成型技术SLA。任务2 3D打印技术工艺类型2、工艺原理 采用激光一点点照射光固化液态树脂使之固化的方法成形，是当前应用最广泛的一种高精度成形工艺。任务2 3D打印技术工艺类型l 在液槽中充满液态光敏树脂，其在激光器所发射的紫外线光束照射下，会快速固化，在成型开始时，可升降工作台处于液面一下，刚好一个截面层厚的高度。通过透镜聚焦后的激光束，按照机器指令将截面轮廓沿液面进行扫描。扫描区域的树脂快速固化，从而完成一层截面的加工过程，得到一层塑料薄片。然后，工作台下降一层截面层厚的高度，再固化另一层截面，这样层层叠加构成建构三维实体，工作原理如图1-3所示。任务2 3D打印技术工艺类型图1-3 SLA技术原理图任务2 3D打印技术工艺类型3、应用特点 优势在于技术成熟、制件精度高0.05mm、表面质量好，能制造特别精细的零件如戒指模型、需要配合的上下手机盖等。但是设备造价高，对工作环境要求苛刻（温度和温度要求严格）。应用于航空航天、工业制造、生物医学、艺术等精密复杂结构零件快速制作。任务2 3D打印技术工艺类型 图1-4 SLA技术设备及打印样件任务2 3D打印技术工艺类型二、熔丝堆积成型（FDM）技术 FDM是“Fused Deposition Modeling”的简写形式，即为熔融沉积成型。熔丝堆积成型（FDM）技术，也称熔融沉积制造，熔融挤出成型技术。FDM工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低，近几年发展较为迅速。任务2 3D打印技术工艺类型1、FDM 技术的发展概述1988年，美国学者S.Scott Crump斯科特.克伦普发明了FDM（熔融沉积成型技术）图1-5 斯科特.克伦普任务2 3D打印技术工艺类型2、工艺原理 FDM工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成型。将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂数在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度再成型下一层，直至形成整个实体造型。任务2 3D打印技术工艺类型图1-6 FDM工作原理示意图任务2 3D打印技术工艺类型3、应用特点 FDM的优势有操作环境干净、安全，表面质量好，易于装配；原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换，材料费用低、品种多、颜色多、利用率高。成型丝状塑料，零件内壁可估成网状结构或实体结构。适用于产品设计、测试与评估，还涉及汽车、工艺品、仿古、建筑、医学、动漫和教学等领域；精度约为0.2mm。任务2 3D打印技术工艺类型 FDM技术设备及打印样件任务2 3D打印技术工艺类型三、立体喷印（3DP）技术 1993年美国麻省理工大学的Emanual Sachs教授团队发明了三维打印技术（Three-DimensionPrinting，3DP），又称为喷墨粘粉式技术、粘合剂喷射成型，美国材料与测试协会增材制造技术委员会（ASTMF42）将3DP的学名定为Binder Jetting（粘合物喷射）。任务2 3D打印技术工艺类型1、3DP 技术的发展概述 1995年，麻省理工学院把3DP技术授权给Z Corporation公司进行商业应用。Z Corporation公司在得到3DP技术的授权后，自1997年以来陆续推出了一系列3DP打印机，后来该公司被3D Systems收购，并被开发成为了3D Systems的ColorJet系列打印机。任务2 3D打印技术工艺类型2、工艺原理 3DP的工作原理类似于喷墨打印机，是形式上最为贴合“3D打印”概念的成型技术之一。任务2 3D打印技术工艺类型l 3DP设备在控制系统的控制下，喷粉装置在平台上均匀地铺一层粉末，喷粉打印头负责X轴和Y轴的运动，按照模型切片得到的截面数据进行运动，有选择地进行粘合剂喷射，构成平面图案。在完成单个截面图案之后，打印台下降一个层厚单位的高度，同时铺粉辊进行铺粉操作，接着再次进行下一次截面的打印操作。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘合剂，最终完成三维成型件。任务2 3D打印技术工艺类型图1-11 3DP粉末粘合成型工艺任务2 3D打印技术工艺类型图1-12 3DP成型过程任务2 3D打印技术工艺类型3、应用特点1)特点：3DP技术色彩丰富。2）应用：精度约为0.2mm，应用于制造业、医学、建筑业等领域的产品设计原型验证和工艺彩色模型的快速制造，系统成本较低被大量应用于教学。任务2 3D打印技术工艺类型图1-14 3DP设备及打印样件任务2 3D打印技术工艺类型四、选择性激光烧结（SLS）技术 选择性激光烧结（Selective Laser Sintering,SLS）技术是高端制造领域普遍应用的技术。任务2 3D打印技术工艺类型1、SLS 技术的发展概述 最初由美国德克萨斯大学的研究生C.R.Dechard博士（如图1-15所示）提出，并于1989年研制成功。图1-15 C.R.Dechard博士任务2 3D打印技术工艺类型l 1994年作为国内第一家从事3D打印设备研发的北京隆源自动成型有限公司成立，公司注册资金200万美元，专门进行快速成型设备的生产和销售，并于当年成功制造了中国第一台SLS快速成型设备-AFS-360。任务2 3D打印技术工艺类型2、工艺原理 SLS技术主要是利用粉末材料在激光照射下高温烧结的基本原理，通过计算机控制光源定位装置实现精确定位，然后逐层烧结堆积成型。任务2 3D打印技术工艺类型图1-16 SLS激光烧结成型工艺原理示意图任务2 3D打印技术工艺类型3、应用特点可使用材料广泛、成型效率高、无需支撑、应用范围广。原材料价格及采购维护成本都较高。任务2 3D打印技术工艺类型 SLS技术成型设备及打印样件任务2 3D打印技术工艺类型五、分层实体制造(LOM)技术l 1976年，Paul L Dimatteo在他的专利中提出利用轮廓跟踪器，将三维物体转换成许多的二维薄片，然后用激光切割这些薄片，再利用螺钉、销钉等将这一系列的薄片连接成三维物体，如图1-19所示利用分层堆叠技术设计的模具，该设想便是LOM技术的雏形。图1-19 Dimatteo利用分层堆叠技术设计的模具任务2 3D打印技术工艺类型1、LOM 技术的发展概述 层叠实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM），又称分层实体制造技术，最早由Michael Feygin于1984年提出关于LOM的设想。图1-20 发明LOM技术的Michael Feygin任务2 3D打印技术工艺类型图1-21 第一台设备LOM1015 图1-22 当今LOM设备任务2 3D打印技术工艺类型2、工艺原理 激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的片材进行切割。切割完一层后，送料机构将新的一层片材叠加上去，利用热熔胶在热压辊的压力和传热作用下熔化并实现将已切割层粘合在一起，然后再次重复进行切割。通过逐层地黏合、切割，最终制成三维物件。任务2 3D打印技术工艺类型图1-23 LOM技术原理示意图任务2 3D打印技术工艺类型图1-24 LOM技术成型过程任务2 3D打印技术工艺类型3、应用特点1）可供LOM设备打印的材料包括纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等片材。2）制作纸质或薄膜等材质的功能制件。3）适用于大中型制件，成型速度快；造型材料成本低，成型过程不会收缩和翘曲变形，无需支撑等辅助工艺；使用寿命长，精度可达0.01mm,接近精密铸造水平。任务2 3D打印技术工艺类型l 图1-25 LOM技术打印样件任务2 3D打印技术工艺类型一、一台高配置的计算机二、3D 设计软件三、3D 打印数据处理软件四、3D 扫描仪和逆向工程软件五、3D 打印后处理工具任务3 3D 打印系统配置 一、一台高配置的计算机l 15英寸以上的高清显示器；l 64位Intel酷睿i5以上或者同样处理速度的AMD CPU；l 独立显卡，1GB以上独立显存；8GB以上内存；500GB以上硬盘；l 最好是Windows7/Windows8/Mac的操作系统。任务3 3D 打印系统配置二、3D 设计软件l 3D设计软件是计算机必须要安装有的，其主要是用来进行3D打印模型创建和修改的。目前市面上软件品牌众多，售价不等。任务3 3D 打印系统配置三、3D 打印数据处理软件l 3D打印数据模型目前均使用多边形面体格式的数据模型。由于来源不一，会产生各种几何缺陷导致无法打印，尤其是通过3D扫描获取的3D模型数据几乎都要经过处理才能让3D打印机读取。任务3 3D 打印系统配置四、3D 扫描仪和逆向工程软件l 3D扫描仪：价格从几千元到几十万元不等，主要依据扫描模型的细节分辨率来为选购l 逆向工程软件：简单的有UG NX、Solidworks、PTC Creo、中望3D;更专业的有Geomagic系列、Netfabb StudioPro和Imageware等。任务3 3D 打印系统配置五、3D 打印后处理工具l 有手工或电动工具。l 如小型桌面多功能砂轮机、多功能虎钳等工具，另外要准备丙烯酸颜料和丙酮试剂。任务3 3D 打印系统配置