增材制造簡(jiǎn)介

增材制造概述

增材制造技術(shù)是指基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)直接制造零件的科學(xué)技術(shù)體系。基于不同的分類(lèi)原則和理解方式，增材制造技術(shù)還有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多種稱(chēng)謂，其內(nèi)涵仍在不斷深化，外延也不斷擴(kuò)展，這里所說(shuō)的“增材制造”與“快速成形”、“快速制造”意義相同。工業(yè)化的LSF-V大型激光立體成形裝備所謂數(shù)字化增材制造技術(shù)就是一種三維實(shí)體快速自由成形制造新技術(shù)，它綜合了計(jì)算機(jī)的圖形處理、數(shù)字化信息和控制、激光技術(shù)、機(jī)電技術(shù)和材料技術(shù)等多項(xiàng)高技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，學(xué)者們對(duì)其有多種描述。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的黃衛(wèi)東教授稱(chēng)這種新技術(shù)為“數(shù)字化增材制造”，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)宋天虎秘書(shū)長(zhǎng)稱(chēng)其為“增量化制造”，其實(shí)它就是不久前引起社會(huì)廣泛關(guān)注的“三維打印”技術(shù)的一種。西方媒體把這種實(shí)體自由成形制造技術(shù)譽(yù)為將帶來(lái)“第三次工業(yè)革命”的新技術(shù)。一、什么是增材制造技術(shù)第一頁(yè)，共23頁(yè)。關(guān)橋院士提出了“廣義”和“狹義”增材制造的概念（如圖所示），“狹義”的增材制造是指不同的能量源與CAD/CAM技術(shù)結(jié)合、分層累加材料的技術(shù)體系；而“廣義”增材制造則以材料累加為基本特征，以直接制造零件為目標(biāo)的大范疇技術(shù)群。如果按照加工材料的類(lèi)型和方式分類(lèi)，又可以分為金屬成形、非金屬成形、生物材料成形等（如圖所示）。

二、增材制造的分類(lèi)第二頁(yè)，共23頁(yè)。一是材料單元的控制技術(shù)。即如何控制材料單元在堆積過(guò)程中的物理與化學(xué)變化是一個(gè)難點(diǎn)，例如金屬直接成型中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界氣氛控制直接影響制造精度和制件性能。二是設(shè)備的再涂層技術(shù)。增材制造的自動(dòng)化涂層是材料累加的必要工序，再涂層的工藝方法直接決定了零件在累加方向的精度和質(zhì)量。分層厚度向0.01mm發(fā)展，控制更小的層厚及其穩(wěn)定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的關(guān)鍵。三是高效制造技術(shù)。增材制造在向大尺寸構(gòu)件制造技術(shù)發(fā)展，例如金屬激光直接制造飛機(jī)上的鈦合金框睴結(jié)構(gòu)件，框睴結(jié)構(gòu)件長(zhǎng)度可達(dá)6m，制作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，如何實(shí)現(xiàn)多激光束同步制造，提高制造效率，保證同步增材組織之間的一致性和制造結(jié)合區(qū)域質(zhì)量是發(fā)展的難點(diǎn)。此外，為提高效率，增材制造與傳統(tǒng)切削制造結(jié)合，發(fā)展材料累加制造與材料去除制造復(fù)合制造技術(shù)方法也是發(fā)展的方向和關(guān)鍵技術(shù)。三、增材制造的關(guān)鍵技術(shù)第三頁(yè)，共23頁(yè)。增材制造的原理與方法工藝方法的大變革△M＜0（減材）材料去除（車(chē)、銑、刨、磨）△M=0（等材）材料成型（鍛、鑄、焊、塑）△M＞0（增材）材料累加（3D打印、快速成型、快速制造、復(fù)材鋪層工藝）信息化制造的代表全數(shù)字化制造全柔性制造：任意形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)控形柔性：材料與外形一體化高度自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)名稱(chēng)的變化第四頁(yè)，共23頁(yè)。增材制造的原理與方法第五頁(yè)，共23頁(yè)。3D打印發(fā)展與現(xiàn)狀

原理：目前增材制造的主要方法就是3D打印技術(shù)（3DPrinting），它的基本原理是，把一個(gè)通過(guò)設(shè)計(jì)或者掃描等方式做好的3D模型按照某一坐標(biāo)軸切成無(wú)限多個(gè)剖面，然后一層一層的打印出來(lái)并按原來(lái)的位置堆積到一起，形成一個(gè)實(shí)體的立體模型。

優(yōu)勢(shì)：1.制造復(fù)雜物品。（沒(méi)有傳統(tǒng)加工的限制）2.產(chǎn)品多樣化不增加成本。（一臺(tái)打印機(jī)，不需要改動(dòng)模具）3.生產(chǎn)周期短。（最大的優(yōu)點(diǎn)）

4.零技能制造。（相對(duì)于傳統(tǒng)制造所需要的操作技能很少）5.不占空間，便攜制造。（可應(yīng)用于災(zāi)區(qū)，戰(zhàn)場(chǎng)）6.節(jié)省材料。（沒(méi)有廢料、回料等）

7.精確的實(shí)體復(fù)制。（3D照相館）

缺點(diǎn)：1.材料限制：目前可用材料有限，無(wú)法支持各種各樣的材料。

2.機(jī)器限制：對(duì)機(jī)器要求高，無(wú)法打印動(dòng)態(tài)物體。

3.花費(fèi)負(fù)擔(dān)：成本昂貴，暫時(shí)難以進(jìn)入大眾家庭。

一、概述第六頁(yè)，共23頁(yè)。

1.SLA(光固化技術(shù))

：立體光固化成型工藝(StereolithographyApparatus，SLA)，又稱(chēng)立體光刻成型。原理：液槽中會(huì)先盛滿(mǎn)液態(tài)的光敏樹(shù)脂，氦—鎘激光器或氬離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在計(jì)算機(jī)的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹(shù)脂表面進(jìn)行逐行逐點(diǎn)掃描，這使掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化從形成工件的一個(gè)薄層。當(dāng)一層樹(shù)脂固化完畢后，工作臺(tái)將下移一個(gè)層厚的距離以使在原先固化好的樹(shù)脂表面上再覆蓋一層新的液態(tài)樹(shù)脂，刮板將粘度較大的樹(shù)脂液面刮平然后再進(jìn)行下一層的激光掃描固化。二、常見(jiàn)的3D打印技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：1.成型過(guò)程自動(dòng)化程度高。2.尺寸精度高。SLA原型的尺寸精度可以達(dá)到±0.1mm。3.表面質(zhì)量?jī)?yōu)良。4.系統(tǒng)分辨率較高，可以制作結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的模型或零件。缺點(diǎn)：1.零件較易彎曲和變形，需要支撐。2.設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)成本較高。3.可使用的材料種類(lèi)較少。4.液態(tài)樹(shù)脂具有氣味和毒性，并且需要避光保護(hù)。5.液態(tài)樹(shù)脂固化后的零件較脆、易斷裂。第七頁(yè)，共23頁(yè)。

2.SLS(粉末燒結(jié)技術(shù))：選擇性激光燒結(jié)工藝(SelectiveLaserSintering，SLS)。原理：先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表面，數(shù)控系統(tǒng)操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進(jìn)行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，從而進(jìn)行燒結(jié)并于下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘合。當(dāng)一層截面燒結(jié)完后工作臺(tái)將下降一個(gè)層厚，這時(shí)壓輥又會(huì)均勻地在上面鋪上一層粉末并開(kāi)始新一層截面的燒結(jié)，如此反復(fù)操作直接工件完全成型。優(yōu)點(diǎn)：1.可直接制作金屬制件(獨(dú)有)；2.材料選擇廣泛;3.可制造復(fù)雜構(gòu)件或模具；4.不需要增加基座支撐；5.材料利用率高。缺點(diǎn)：1.樣件表面粗糙，呈現(xiàn)顆粒狀;2.加工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生有害氣體。二、常見(jiàn)的3D打印技術(shù)第八頁(yè)，共23頁(yè)。

3.FDM(熔融沉積技術(shù))：熔融沉積成型工藝(FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM)是繼LOM工藝和SLA工藝之后發(fā)展起來(lái)的一種3D打印技術(shù)。原理：將絲狀的熱熔性材料進(jìn)行加熱融化，通過(guò)帶有微細(xì)噴嘴的擠出機(jī)把材料擠出來(lái)。噴頭可以沿X軸的方向進(jìn)行移動(dòng)，工作臺(tái)則沿Y軸和Z軸方向移動(dòng)(當(dāng)然不同的設(shè)備其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也許不一樣)，熔融的絲材被擠出后隨即會(huì)和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積后工作臺(tái)將按預(yù)定的增量下降一個(gè)厚度，然后重復(fù)以上的步驟直到工件完全成型。優(yōu)點(diǎn)：1.整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，系統(tǒng)運(yùn)行安全?？梢允褂脽o(wú)毒的原材料，設(shè)備系統(tǒng)可在辦公環(huán)境中安裝使用；2.工藝干凈、簡(jiǎn)單、易于操作且不產(chǎn)生垃圾；3.獨(dú)有的水溶性支撐技術(shù)，使得去除支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行，可快速構(gòu)建瓶狀或中空零件以及一次成型的裝配結(jié)構(gòu)件；4.原材料以材料卷的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更換；5.可選用多種材料，如各種色彩的工程塑料ABS、PC、PPSF以及醫(yī)用ABS等。缺點(diǎn)：1.成型精度相對(duì)SLA工藝較低，精度0.178mm；2.成型表面光潔度不如SLA工藝；3.成型速度相對(duì)較慢。二、常見(jiàn)的3D打印技術(shù)第九頁(yè)，共23頁(yè)。

4.3DP(3D噴射打印技術(shù))：聚合物噴射技術(shù)是以色列Objet公司于2000年初推出的專(zhuān)利技術(shù)，PolyJet技術(shù)也是當(dāng)前最為先進(jìn)的3D打印技術(shù)之一。原理：3D打印材料以超薄層被噴射到構(gòu)建托盤(pán)上，用紫外線(xiàn)固化，并且可以同時(shí)噴射兩種不同機(jī)械特性的材料。完成一層的噴射打印和固化后，設(shè)備內(nèi)置的工作臺(tái)會(huì)極其精準(zhǔn)地下降一個(gè)成型層厚，噴頭繼續(xù)噴射光敏聚合材料進(jìn)行下一層的打印和固化。就這樣一層接一層，直到整個(gè)工件打印制作完成。優(yōu)點(diǎn)：1.同時(shí)制作兩種及以上材料組合件；2.皮革紋理清晰，尤其適合內(nèi)飾件試制(方向盤(pán)、扶手、排檔等)；3.密封條、密封圈試制；4.一次性制作復(fù)雜分總成零件；5.更細(xì)致表現(xiàn)細(xì)節(jié)；6.內(nèi)外飾小模型制作。缺點(diǎn)：材料強(qiáng)度受限制。二、常見(jiàn)的3D打印技術(shù)第十頁(yè)，共23頁(yè)。

5.PUG(真空注型技術(shù))：真空注型技術(shù)基于硅膠模而翻制樣件的技術(shù)，硅膠模制造工藝是一種比較普及的快速模具制造方法。原理：在真空狀態(tài)下，將液態(tài)硅橡膠澆注到?？蛑校簯B(tài)硅橡膠在真空負(fù)壓的作用下，釋放氣泡并牢固地貼敷在原型表面，固化后形成硅橡膠模具；再次在真空狀態(tài)下，將液態(tài)澆注料澆注到硅橡膠模具的空腔中，液態(tài)澆注料在真空負(fù)壓的作用下，釋放氣泡并固化，最終形成所需的零件。優(yōu)點(diǎn)：1.小批量生產(chǎn)；2.工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，易操作；3.只需簡(jiǎn)易硅膠模，制作時(shí)間短；4.可選擇多種材料。缺點(diǎn)：1.類(lèi)批量材料在性能上受限制；2.易發(fā)生起泡、缺料等表面缺陷。二、常見(jiàn)的3D打印技術(shù)第十一頁(yè)，共23頁(yè)。

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，自從1986年美國(guó)科學(xué)家CharlesHull開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)，目前該技術(shù)在珠寶、鞋類(lèi)、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工（AEC）、汽車(chē)，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。1986年，美國(guó)科學(xué)家CharlesHull開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)。1993年，麻省理工學(xué)院獲3D印刷技術(shù)專(zhuān)利。1995年，美國(guó)ZCorp公司從麻省理工學(xué)院獲得唯一授權(quán)并開(kāi)始開(kāi)發(fā)3D打印機(jī)。2005年，市場(chǎng)上首個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)SpectrumZ510由ZCorp公司研制成功。2010年11月，美國(guó)JimKor團(tuán)隊(duì)打造出世界上第一輛由3D打印機(jī)打印而成的汽車(chē)Urbee問(wèn)世。2011年6月6日，發(fā)布了全球第一款3D打印的比基尼。2011年7月，英國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)出世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī)。2011年8月，南安普敦大學(xué)的工程師們開(kāi)發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)。2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞首次用3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織。2013年10月，全球首次成功拍賣(mài)一款名為“ONO之神”的3D打印藝術(shù)品。2013年11月，美國(guó)德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司“固體概念”(SolidConcepts)設(shè)計(jì)制造出3D打印金屬手槍。三、3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀第十二頁(yè)，共23頁(yè)。三、3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1.應(yīng)用于快速鑄造技術(shù)-陶瓷型鑄造東方氣輪機(jī)廠(chǎng)：空心渦輪葉片嘉陵集團(tuán)：摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭第十三頁(yè)，共23頁(yè)。三、3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀2.應(yīng)用于生物醫(yī)療-骨、關(guān)節(jié)替代物2001年首例，鈦合金頜骨替代物第四軍醫(yī)大骨科：鈦合金膝關(guān)節(jié)置換第十四頁(yè)，共23頁(yè)。三、3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀3.應(yīng)用于航空航天-飛機(jī)風(fēng)洞模型測(cè)力-時(shí)間縮短30-50%，成本降低10-30%測(cè)壓-時(shí)間縮短60-70%，成本降低40-50%第十五頁(yè)，共23頁(yè)。三、3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀4.應(yīng)用于建筑和藝術(shù)-創(chuàng)意產(chǎn)品開(kāi)發(fā)藝術(shù)模型：滿(mǎn)城盡帶黃金甲建筑模型第十六頁(yè)，共23頁(yè)。四、3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)第三次工業(yè)革命--標(biāo)準(zhǔn)？正在重塑全球制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局美國(guó)《時(shí)代》周刊將3D打印列為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志則認(rèn)為它將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命”改變未來(lái)生產(chǎn)和生活模式社會(huì)化制造那么每個(gè)人都會(huì)成為一個(gè)工廠(chǎng)它將改變制造商品的方式并改變世界的經(jīng)濟(jì)格局進(jìn)而改變?nèi)祟?lèi)的生活方式第十七頁(yè)，共23頁(yè)。4D打印技術(shù)一、何為4D打印技術(shù)

4D打印技術(shù)與3D打印技術(shù)從字面相比較，多了一個(gè)“D”，多出的這個(gè)“D”是指時(shí)間緯度，準(zhǔn)確地說(shuō)是一種新型能夠自動(dòng)變形的材料，不需要借助于任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，就能夠按照事先所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品自動(dòng)折疊成相應(yīng)的形狀，并滿(mǎn)足性能要求。4D打印的關(guān)鍵是記憶合金，4D打印由MIT（MassachusettsInstituteofTechnology，麻省理工學(xué)院）與Stratasys（斯特塔西有限公司）教育研發(fā)部門(mén)合作研發(fā)的一種能讓材料快速成型的革命性新技術(shù)。第十八頁(yè)，共23頁(yè)。2013年2月25號(hào)，在美國(guó)加州舉辦的TED2013大會(huì)上，來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院的斯凱拉·蒂比茨展示了4D打印技術(shù)。在展示過(guò)程中，一根復(fù)合材料在水中完成了自動(dòng)變形。據(jù)介紹，這根復(fù)合材料由3D打印機(jī)“打印”，所使用的原材料為一根塑料和一層能夠吸水的“智能”材料。二、4D打印的發(fā)展第十九頁(yè)，共23頁(yè)。盡管4D打印技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間還非常短，但這并不影響它的發(fā)展。這不，美國(guó)麻省科技設(shè)計(jì)公司“NervousSystem”2015年研發(fā)出一種利用4D打印技術(shù)，制造彈性貼身布料，并打印出了全球第一件“4D裙”。該裙子就解決了不合身的問(wèn)題，并且會(huì)根據(jù)穿戴者的體型情況進(jìn)行自我改變。更神奇的是還可以自動(dòng)變化造型，這或許正是女性衣柜里缺的那件衣服。而制作該裙子的布料纖維由2279個(gè)三角形和3316個(gè)連接點(diǎn)相扣而成，三角形與連接點(diǎn)之間的拉力，可隨人體形態(tài)變化，即使變胖或變瘦，4D裙也不會(huì)不合身。每條裙需48小時(shí)制作，造價(jià)則達(dá)1900英鎊(約合人民幣18393元)。二、4D打印的發(fā)展第二十頁(yè)，共23頁(yè)。

2016年3月28日，第四軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院唐都醫(yī)院胸腔外科利用國(guó)際最新技術(shù),成功把一個(gè)4D打印的支架放置在氣管外側(cè),完成一例因氣管狹窄導(dǎo)致呼吸困難的手術(shù)案例。女性患者吳某今年46歲,因氣管軟化性狹窄,長(zhǎng)期呼吸、排痰困難,危及生命。因?yàn)楠M窄處位于胸腔內(nèi),且長(zhǎng)度為6厘米,超過(guò)了氣管切除的極限長(zhǎng)度；其次,最窄處僅有3毫米,放置內(nèi)支架幾乎是不可能的。唐都醫(yī)院聯(lián)合了第四軍醫(yī)大學(xué)3D打印研究中心、西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,為患者量身制作了以生物材料為原材料的可降解支架。用4D打印的外支架裹住狹窄的氣管,然后將氣管和支架縫合固定,使塌陷的氣管被外支架吊起來(lái),從而撐開(kāi)、疏通氣管。通過(guò)調(diào)控支架的降解周期,使支架在兩三年內(nèi)逐漸被人體吸收,免除了患者二次手術(shù)取支架的痛苦。目前,患者已基本恢復(fù),手術(shù)的長(zhǎng)期療效還有待臨床觀(guān)察。二、4D打印的發(fā)展第二十一頁(yè)，共23頁(yè)。

1.4D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用及展望美國(guó)陸軍部已投入大量資金開(kāi)發(fā)“自適應(yīng)偽裝作戰(zhàn)服”。該作戰(zhàn)服的研究和開(kāi)發(fā)如果成功，則具有以下三個(gè)方面的典型特色：（1）隱身功能，該服裝能在不同的環(huán)境下自由變換色彩，實(shí)現(xiàn)士兵的自適應(yīng)隱身；（2）適穿功能，根據(jù)溫度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)服裝厚度和透氣性，實(shí)現(xiàn)士兵的自適應(yīng)舒適性；（3）防彈功能，根據(jù)所受外力自動(dòng)調(diào)節(jié)軟服裝外圍硬度，平時(shí)穿著柔軟如織，遇子彈襲擊堅(jiān)硬如鋼，實(shí)現(xiàn)士兵的自適應(yīng)保護(hù)。2.4D打印技術(shù)在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用