電子課件《3D打印技術(shù)概論》B0338291第一章認(rèn)識(shí)3D打印

1、第一章 認(rèn)識(shí)3D打印學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握3D打印的概念、基本原理與分類。2.掌握3D打印的特點(diǎn)。3.了解國外3D打印的發(fā)展歷程。1-13D打印的概念、基本原理與分類一、3D打印的概念3D打印技術(shù)在國外叫作快速成型RP（Rapid Prototyping）技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，部分快速成型設(shè)備的操作與傳統(tǒng)的紙張打印機(jī)基本相同，為了便于推廣，目前的快速成型設(shè)備常被通俗的稱為“3D打印機(jī)”，快速成型技術(shù)常被通俗的稱為“3D打印技術(shù)”。當(dāng)前企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)普遍喜歡用“增材制造”AM（Additive Manufacture）來表示3D打印技術(shù)。2009年美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM 將AM定義為：與傳統(tǒng)的去

2、除材料加工方法完全相反，通過三維模型數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)增材成型，通常用逐層添加材料的方式直接制造產(chǎn)品。3D打印技術(shù)是機(jī)械工程技術(shù)、CAD技術(shù)、電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、材料科學(xué)等多學(xué)科相互滲透與交叉的產(chǎn)物，被稱為21世紀(jì)制造業(yè)最具影響的技術(shù)之一。二、3D打印的基本原理3D打印技術(shù)是基于“離散/堆積成形”的成型思想，用層層疊加的方法將成形材料“堆積”而形成實(shí)體工件的技術(shù)。從原理上來說，3D打印技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的切片軟件將建成的三維數(shù)字模型“切片”成逐層的截面數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)傳送到3D打印機(jī)上，3D打印機(jī)按照這些切片數(shù)據(jù)一層層將3D打印材料堆積起來，直到形成一個(gè)實(shí)體成型零件的過程。目前，3D打

3、印技術(shù)也常被稱為“快速原型制造技術(shù)”或“疊加制造技術(shù)”。三、3D打印技術(shù)的分類3D打印技術(shù)的分類有很多種，常見的分類方式有按技術(shù)原理分類、按原型使用材料的構(gòu)建技術(shù)分類和按打印材料分類等。1.按技術(shù)原理分類2. 按原型使用材料的構(gòu)建技術(shù)分類3.按打印材料分類按打印材料可分為金屬材料打印機(jī)、無機(jī)非金屬材料打印機(jī)、有機(jī)高分子材料打印機(jī)、生物材料打印機(jī)等。1-23D打印的技術(shù)的特點(diǎn)和與傳統(tǒng)加工的對(duì)比一、3D打印的技術(shù)特點(diǎn)1.設(shè)計(jì)階段便于交流2.應(yīng)用領(lǐng)域廣泛3.制造過程快速4.廢棄物少，近凈成型。5.自由成型制造（幾何形狀無限打?。?.制造復(fù)雜工件不增加成本7.零技能制造8.無組裝集成制造9.梯度功能材

4、料制造10.技術(shù)高度集成11.實(shí)體精確復(fù)制12.縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和降低研發(fā)成本13.可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品制造14.突破制造局限二、3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)加工的對(duì)比1.3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)減材加工的比較2.3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)增材加工的比較1-33D打印的發(fā)展歷程一、國外3D打印的發(fā)展歷程1.產(chǎn)生期3D打印技術(shù)起源于美國。1983年，美國科學(xué)家Charles Hull（查爾斯胡爾）發(fā)明光固化成型技術(shù)并制造出全球首個(gè)3D打印零件。1986年，Charles Hull獲得了全球第一項(xiàng)增材制造專利，同年成立3D Systems公司。1988年3D Systems公司生產(chǎn)出第一臺(tái)自主研發(fā)的3D打印機(jī)SLA-250，

5、SLA-250的面世是3D打印技術(shù)發(fā)展歷史上的一個(gè)里程碑，其設(shè)計(jì)思想幾乎影響了后續(xù)所有的3D打印設(shè)備。目前3D Systems是全球最大3D打印設(shè)備生產(chǎn)商之一。2.成長(zhǎng)發(fā)展期1988年，一位美國康涅狄格州工程師Scott Crump（斯特克魯姆普）發(fā)明了另一種3D打印技術(shù)熔融沉積成型技術(shù)FDM這項(xiàng)3D打印技術(shù)利用蠟、ABS、PLA、尼龍等熱塑性材料來制作物體，他在成功發(fā)明了這項(xiàng)技術(shù)之后也成立了一家名為Stratasys的公司。1989年，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard（德卡德）博士發(fā)明了第三種3D打印技術(shù)選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)SLS這項(xiàng)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)控制高強(qiáng)度激光逐層將尼

6、龍、ABS、金屬和陶瓷等材料粉末高溫?zé)Y(jié)直至成型。憑借這一核心技術(shù)，他組建了DTM公司，之后DTM一直是SLS技術(shù)的主要領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，直到2001年被3D Systems公司收購。在隨后的幾年中，三維打印成型技術(shù)（3DP）、薄材疊層制造成型技術(shù)（LOM）、選擇性激光熔融成型技術(shù)（SLM）等3D打印技術(shù)不斷的出現(xiàn)和發(fā)展，為3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。3.廣泛應(yīng)用期進(jìn)入21世紀(jì)后，3D打印技術(shù)逐漸被大眾所接受，特別是2010年后，隨著技術(shù)的進(jìn)步，3D打印技術(shù)在工業(yè)模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、珠寶、建筑、汽車、航空航天、醫(yī)療、教育以及其他許多領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。目前3D打印技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

7、（1）產(chǎn)業(yè)格局基本形成3D打印產(chǎn)業(yè)已基本形成了美、歐等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)主導(dǎo)，亞洲國家和地區(qū)后起追趕的發(fā)展態(tài)勢(shì)。（2）應(yīng)用范圍不斷拓展近年來，越來越多的企業(yè)將3D打印技術(shù)用于突破研發(fā)瓶頸或解決設(shè)計(jì)難題，助力智能制造、綠色制造等新型制造模式。（3）企業(yè)持續(xù)發(fā)展、不斷重組隨著一大批企業(yè)進(jìn)入3D打印制造領(lǐng)域，全球范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，小的3D制造服務(wù)企業(yè)不斷被大企業(yè)兼并，全球較大的3D制造服務(wù)企業(yè)不斷通過并購提升競(jìng)爭(zhēng)力。（4）增材制造市場(chǎng)前景廣闊據(jù)中國3D打印產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)需求與投資潛力分析報(bào)告預(yù)測(cè)，到2020年全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)三百五十億美元。我國預(yù)計(jì)到2020年，3D打印市場(chǎng)規(guī)模也將發(fā)展到100

8、億元左右。一、國內(nèi)3D打印的發(fā)展歷程我國自20世紀(jì)80年代初，開始發(fā)展3D打印技術(shù)，國內(nèi)3D打印技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了艱難起步、逐步發(fā)展和開始產(chǎn)業(yè)化三個(gè)階段。1.艱難起步1988年，正在美國加州大學(xué)做訪問學(xué)者清華大學(xué)教師顏永年教授偶然得到了一張工業(yè)展覽宣傳單，其中介紹了快速成型技術(shù)。顏永年教授回國后立刻啟動(dòng)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，并建立了清華大學(xué)激光快速成形中心。西安交通大學(xué)的盧秉恒教授在1992年赴美訪問時(shí)發(fā)現(xiàn)了3D打印技術(shù)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用，回國后隨即轉(zhuǎn)向研究這一領(lǐng)域并于1994年成立先進(jìn)制造技術(shù)研究所。2.逐步發(fā)展經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國己涌現(xiàn)出許多從事3D打印設(shè)備制造與服務(wù)的企業(yè)，比如北京殷華

9、激光快速成型與模具技術(shù)有限公司（清華大學(xué)），武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司（華中科技大學(xué)），陜西恒通智能機(jī)器有限公司（西安交通大學(xué)），北京太爾時(shí)代科技有限公司等。其中部分企業(yè)的3D打印技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。北京航空航天大學(xué)從2000年開始攻關(guān)，在5年時(shí)間里突破了鈦合金等高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光快速成型關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵成套工藝裝備技術(shù)，制造出了C919客機(jī)機(jī)頭工程樣件所需的鈦合金主風(fēng)擋窗框，使我國躋身于國際上少數(shù)幾個(gè)全面掌握這項(xiàng)技術(shù)的國家行列，并成為繼美國之后第二個(gè)掌握飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速制造技術(shù)的國家。3.發(fā)展現(xiàn)狀雖然20多年來，我國3D打印產(chǎn)業(yè)化不斷推進(jìn)，我國3D打印產(chǎn)業(yè)的規(guī)模依然很

10、小，我國目前在產(chǎn)業(yè)化技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方面仍落后于美國和歐洲。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）技術(shù)研發(fā)落后我國3D打印裝備的部分技術(shù)水平與國外先進(jìn)水相當(dāng)，但在關(guān)鍵器件、打印材料和應(yīng)用范圍等方面較國外落后。（2）工藝控制水平低國外是基于理論基礎(chǔ)的工藝控制，而我國則更多依賴于經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)的試驗(yàn)驗(yàn)證，導(dǎo)致我國增材制造工藝控制關(guān)鍵技術(shù)整體落后。（3）智能化水平低目前絕大部分3D打印工藝裝備我國都有研制，但在智能化程度與國外先進(jìn)水相比還有差距。（4）核心部件依賴進(jìn)口我國部分3D打印設(shè)備的核心元器件還主要依靠進(jìn)口。特別是高端3D打印設(shè)備核心元器件在質(zhì)量、壽命等方面較國外還有很大出差距。三、3D打印快速發(fā)展的原因1.價(jià)格下降現(xiàn)在普通3D打印機(jī)的價(jià)格已降至幾千美元，國產(chǎn)3D打印機(jī)甚至只需幾千元，價(jià)格的下降直接促成了3D打印機(jī)的普及。近些年，3D打印材料也在不斷進(jìn)步與發(fā)展。隨著3D打印機(jī)、打印材料和零部件價(jià)格的下降，使得3D打印機(jī)正日益成為一臺(tái)能制造萬物的神奇機(jī)器。2.技術(shù)進(jìn)步隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步以及3D打印機(jī)在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面不斷提升，3D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特備是航空航天、生物醫(yī)學(xué)等尖端領(lǐng)