《學(xué)科前沿專題講座》課程報(bào)告

1、 4/4學(xué)科前沿專題講座課程報(bào)告 湖南工程學(xué)院 學(xué)科前沿專題講座課程報(bào)告 報(bào)告名稱3D打印技術(shù) 學(xué)號(hào) 班級(jí) 姓名 任課老師 2013年12 月17 日 3D打印技術(shù)前沿報(bào)告 接形成最終產(chǎn)品的一種制造理念。 3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。 “3D打印”稱呼起源于1990年美國麻省理工學(xué)院申請的“三維印刷技術(shù)”專利。該學(xué)院的四名科研人員從噴墨打印機(jī)原理出發(fā)，研制出一種能在平鋪著“塑料”粉末的平面上噴灑各種顏色“膠水”的打印機(jī)。當(dāng)打印生成一層平面后，在平面上薄薄地鋪一層新粉末，再繼續(xù)打印。打印完畢后，吹走多余的粉末，就

2、能得到一個(gè)彩色的實(shí)體物品。自這項(xiàng)專利見諸報(bào)端后，所有的增材制造技術(shù)就逐漸被媒體統(tǒng)稱為“3D打印”了。 可見，“3D打印技術(shù)”，是基于增材制造理念，利用先進(jìn)的信息技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)和材料科學(xué)，進(jìn)行快速成型的新興制造技術(shù)。也是快速成型技術(shù)的通俗稱呼。 三、“3D打印”原理及技術(shù)類型 “3D打印技術(shù)”的基本原理，是在計(jì)算機(jī)控制下，對(duì)部件生成三維信息，控制多維成型系統(tǒng)，將材料由點(diǎn)到面，逐層疊加堆積形成零件或部件?？焖俪尚图夹g(shù)類型主要包括以下幾種類型： 1.光固化成形，SLA(Stereo lithography Apparatus)工藝也稱光造型、立體光刻及立體印刷，其工藝過程是以液態(tài)光敏樹脂為材料充

3、滿液槽，由計(jì)算機(jī)控制激光束跟蹤層狀截面軌跡，并照射到液槽中的液體樹脂，而使這一層樹脂固化，之后升降臺(tái)下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，然后再進(jìn)行新一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)零件制造完畢，得到1個(gè)三維實(shí)體模型。該工藝的特點(diǎn)是：原型件精度高，零件強(qiáng)度和硬度好，可制出形狀特別復(fù)雜的空心零件，生產(chǎn)的模型柔性化好，可隨意拆裝，是間接制模的理想方法。缺點(diǎn)是需要支撐，樹脂收縮會(huì)導(dǎo)致精度下降，另外光固化樹脂有一定的毒性而不符合綠色制造發(fā)展趨勢等。 2.分層實(shí)體制造，LOM(Laminated Object Manufacturing)工藝或稱為疊層實(shí)體制造，其工藝原

4、理是根據(jù)零件分層幾何信息切割箔材和紙等，將所獲得的層片粘接成三維實(shí)體。其工藝過程是：首先鋪上一層箔材，然后用CO，激光在計(jì)算機(jī)控制下切出本層輪廓，非零件部分全部切碎以便于去除。當(dāng)本層完成后，再鋪上一層箔材，用滾子碾壓并加熱，以固化黏結(jié)劑，使新鋪上的一層牢固地粘接在已成形體上，再切割該層的輪廓，如此反復(fù)直到加工完畢，最后去除切碎部分以得到完整的零件。該工藝的特點(diǎn)是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點(diǎn)是前、后處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。 3.選擇性激光燒結(jié)，SLS(Selective Laser Sintering)工藝，常采用的材料有金屬、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作為成形材料

5、。其工藝過程是：先在工作臺(tái)上鋪上一層粉末， 在計(jì)算機(jī)控制下用激光束有選擇地進(jìn)行燒結(jié)(零件的空心部分不燒結(jié)，仍為粉末材料)，被燒結(jié)部分便固化在一起構(gòu)成零件的實(shí)心部分。一層完成后再進(jìn)行下一層，新一層與其上一層被牢牢地?zé)Y(jié)在一起。全部燒結(jié)完成后，去除多余的粉末，便得到燒結(jié)成的零件。該工藝的特點(diǎn)是材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、金屬、蠟等材料的零件。造型精度高，原型強(qiáng)度高，所以可用樣件進(jìn)行功能試驗(yàn)或裝配模擬。 4.燒融沉積成形，F(xiàn)DM(Fused Deposition Manufacturing)工藝又稱為熔絲沉積制造，其工藝過程是以熱塑性成形材料絲為材料，材料絲通過加熱器的擠壓頭熔化

6、成液體，由計(jì)算機(jī)控制擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，使熔化的熱塑材料絲通過噴嘴擠出，覆蓋于已建造的零件之上，并在極短的時(shí)間內(nèi)迅速凝固，形成一層材料。之后，擠壓頭沿軸向向上運(yùn)動(dòng)一微小距離進(jìn)行下一層材料的建造。這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個(gè)實(shí)體模型或零件。該工藝的特點(diǎn)是使用、維護(hù)簡單，成本較低，速度快，一般復(fù)雜程度原型僅需要幾個(gè)小時(shí)即可成型，且無污染。 除了上述4種最為熟悉的技術(shù)外，還有許多技術(shù)也已經(jīng)實(shí)用化，如三維打印技術(shù)、光屏蔽工藝、直接殼法、直接燒結(jié)技術(shù)、全息干涉制造等。 三維打印：3D-P（Three-Dimensional Printing），也稱粉末材料選擇性粘結(jié)。噴頭在計(jì)算機(jī)控制下

7、，按照截面輪廓信息，在鋪好的一層粉末材料上，有選擇性地噴射粘結(jié)劑，使部分粉末粘結(jié)，形成截面層。一層完成后，粉末下降一個(gè)層厚，鋪粉，噴粘結(jié)劑，再進(jìn)行后一層的粘結(jié)，如此往復(fù)，形成三維產(chǎn)品。得到的制件，放到加熱爐內(nèi)，進(jìn)一步固化或燒結(jié)，以提高粘結(jié)強(qiáng)度。 固基光敏液相：SGC（Solid Ground Curling）。每層的固化由五部來完成：添料-掩膜紫外光曝光-清除多余的未固化的液體料-向空隙處填蠟料和磨平。 熱塑性材料選擇性噴灑：采用兩個(gè)噴嘴，一個(gè)噴熱塑性材料，另一個(gè)噴支撐成型件的蠟。兩個(gè)噴嘴根據(jù)截面輪廓信息，在計(jì)算機(jī)控制下可以做X-Y平面運(yùn)動(dòng)，選擇性噴灑熱塑性材料和蠟，兩種材料在工作臺(tái)基底上迅速

8、冷卻形成固態(tài)截面層和支撐結(jié)構(gòu)。隨后用一刀具銑平上表面，控制在預(yù)定的高度上，每層截面成型后，平臺(tái)下降一層的高度，再進(jìn)行下層的噴灑，如此往復(fù)。 四、“3D打印“為何這么火 在歐美，注重創(chuàng)造力的發(fā)達(dá)國家，3D打印技術(shù)已經(jīng)成功商用，尤其是消費(fèi)電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)。它們不光可以離開傳統(tǒng)的大規(guī)模機(jī)床來制造小數(shù)量的部件，而且可以用不同方法來制造，比如單個(gè)制作噴氣式飛機(jī)上的空氣動(dòng)力導(dǎo)管，而不再需要很多不同的元件來組裝它。 用發(fā)展的眼光來看，3D打印首先會(huì)影響的是模具行業(yè)。即便在國內(nèi)制造行業(yè)不景氣的今天，模具行業(yè)仍然風(fēng)景獨(dú)好，一方面是對(duì)技術(shù)要求高，另一方面是市場有需求，在產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)之前，必須要進(jìn)行多次

9、打樣和修改。3D打印機(jī)的出現(xiàn)，其實(shí)是消滅了模具反復(fù)打造的流程，能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，大幅減少成本投入，對(duì)于一些復(fù)雜而精細(xì)的造型，3D打印機(jī)表示毫無壓力。 其次是會(huì)引發(fā)個(gè)性風(fēng)潮。對(duì)一些小廠家來說，迫于模具制造的高成本，往往會(huì)采用公模來生產(chǎn)，雖然在功能上能滿足用戶的需求，但千篇一律的造型，很難迎合時(shí)下個(gè)性化的發(fā)展趨勢，所以賣不出高價(jià)，只能靠低價(jià)來吸引消費(fèi)者。在機(jī)械化和流水線盛行的年代，人們對(duì)于手工的東西有特別的親切感，即便價(jià)格昂貴數(shù)倍，也不愁找不到買家，原因是手工制作不可能有相同的，而且品質(zhì)有保證。3D打印機(jī)的出現(xiàn)，一方面滿足人們對(duì)個(gè)性化產(chǎn)品的追求欲

10、，完全可以量身定制，另一方面在大大提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，還能降低成本。 第三是激發(fā)了人的想象力。極客牙醫(yī)用它進(jìn)行牙齒正畸和數(shù)字化種牙，減少風(fēng)險(xiǎn)和痛苦；外科醫(yī)生更厲害，直接打印骨頭，只不過把材料換成添加了硅和鋅磷酸鈣，用于臨床手術(shù)；汽車維修公司用它來打印稀缺的汽車零部件，原先要等全球物流下2個(gè)月才到的一個(gè)東西，1個(gè)小時(shí)搞定了；英國科學(xué)家還在3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上成功改造，使用液態(tài)巧克力作為“油墨”，可以打印各種形狀的巧克力，幾乎所有人都相信，3D打印機(jī)會(huì)成為食品界殺手級(jí)工具。 五、“3D打印技術(shù)”的發(fā)展與應(yīng)用 1.發(fā)展應(yīng)用概況 1984年美國開發(fā)出“3D打印技術(shù)”；1985年，在五角大樓主導(dǎo)下，美國秘

11、密開始了鈦合金激光成形技術(shù)研究，1992年這項(xiàng)技術(shù)才公之于眾。由于在制造過程中鈦合金變形、斷裂的技術(shù)難題無法解決，美國始終無法生產(chǎn)高強(qiáng)度、大尺寸的激光成形鈦合金構(gòu)件。2005年，美國從事鈦合金激光成型制造業(yè)務(wù)的商業(yè)公司Aeromet由于始終無法生產(chǎn)出性能滿足主承力要求的大尺寸復(fù)雜鈦合金構(gòu)件，沒能實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的市場應(yīng)用而倒閉。美國的其他國家實(shí)驗(yàn)室也無法攻克這一難題，只能進(jìn)行小尺寸鈦合金部件的打印或進(jìn)行鈦合金零件表面修復(fù)。 我國于1999年開始金屬零件的激光快速成形技術(shù)研究，在國家“863”、“973”計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等的大力支持下，集中開展了鎳基高溫合金及多種鈦合金的成形研究，形成了

12、多套具有工業(yè)化示范水平的激光快速成形系統(tǒng)和裝備；掌握了金屬零件激光快速成形的關(guān)鍵工藝及組織性能控制方法，所成形的TC4、TA15、TA12等鈦合金及Inconel 718合金的力學(xué)性能均達(dá)到或超過鍛件的水平，為該技術(shù)在上述材料零件的直接制造方面 奠定了基礎(chǔ)；近年來，我國在飛機(jī)鈦合金大型整體結(jié)構(gòu)件的激光快速成形方面取得了重要突破，有效解決了激光快速成形鈦合金大型整體結(jié)構(gòu)件的變形開裂及內(nèi)部質(zhì)量控制兩大技術(shù)難題，通過對(duì)鈦合金零件凝固組織的有效控制，所成形的飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件的綜合力學(xué)性能達(dá)到或超過鈦合金模鍛件，已通過裝機(jī)評(píng)審并得到應(yīng)用。 中國已具備了使用激光成形超過12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能

13、力，成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造、應(yīng)用的國家。早在2000年前后，中航激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)就已開始投入“3D激光焊接快速成型技術(shù)”研發(fā)，解決了多項(xiàng)世界技術(shù)難題、生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸達(dá)到4米量級(jí)、性能滿足主承力結(jié)構(gòu)要求的產(chǎn)品在我國殲-15等新機(jī)的研制中，鈦合金和M100鋼的“3D打印技術(shù)”在主承力部分，包括整個(gè)前起落架得到應(yīng)用。 中國西北工業(yè)大學(xué)正嘗試用“電子束熱熔”技術(shù)制造飛機(jī)用鈦合金零件；2012年度中國國家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目正是“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”。 另外，隨著“3D打印”設(shè)備、材料及應(yīng)用軟件技術(shù)的開發(fā)，該技術(shù)在民用領(lǐng)域也得到應(yīng)用，如： （1）.

14、工業(yè)企業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試制及快速打印成形； （2）.個(gè)性化產(chǎn)品設(shè)計(jì)及快速打印制造； （3）.各種創(chuàng)意產(chǎn)品、玩具、禮物、文物、動(dòng)漫游戲角色及人物模型等克隆復(fù)制；（4）.3D照相館； （5）.醫(yī)療行業(yè)人體器官、醫(yī)療器械打印； （6）.建筑模型制作； （7）.教育、科研等。 2.市場狀況 2010年全球3D打印設(shè)備市場規(guī)模達(dá)13.25億美元,其中服務(wù)收入6.51億美元；國際增材制造行業(yè)發(fā)展報(bào)告顯示，3D打印技術(shù)2011年全球直接產(chǎn)值為17.14億美元，年增長達(dá)29.1%；制造領(lǐng)域國際權(quán)威報(bào)告沃勒斯報(bào)告2012顯示，截至2011年，全球累計(jì)銷售4.9萬臺(tái)工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)，其中近四分之三由美國制造，以色列

15、和歐洲各國的份額分別為9.3和10.2，中國生產(chǎn)的設(shè)備僅占3.6，與日本相當(dāng)；工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)售價(jià)多在四、五十萬元,高的上百萬元；華中科技大學(xué)史玉升科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十多年努力，已研發(fā)出全球最大的“3D打印機(jī)”,這一“3D打印機(jī)”可加工零件長寬最大尺寸均達(dá)到1.2米,從理論上說，只要長寬尺寸小于1.2米的零件（高度無需限制），都可通過這部機(jī)器“打印”出來,如今，該設(shè)備被國內(nèi)外200多家用戶購買使用，每臺(tái)價(jià)格從幾十萬元到200多萬元不 等。與此同時(shí)民用3D打印機(jī)市場也快速掘起,國內(nèi)有家叫北京太爾時(shí)代公司生產(chǎn)的個(gè)人消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)UP2010年全球銷量僅200臺(tái)，這一數(shù)字在2012年已直逼3000臺(tái),售價(jià)僅在萬元左右。 目前全球有兩家3D打印機(jī)制造服務(wù)巨頭,Stratasys和3DSystems,均在美國納斯達(dá)克上市,2011年?duì)I業(yè)收入分別為1.7億美元和2.9億美元,2012年股價(jià)分別翻了2倍和3倍。在中國比較有名的是華中科技大學(xué)濱湖機(jī)電公司、銘展科技、太爾時(shí)