逆向設(shè)計(jì)與3D打印案例教程 課件 2-2 3D打印的種類及應(yīng)用

3D打印的種類及應(yīng)用一、3D打印技術(shù)分支圖2-13D打印技術(shù)的分支快速成型（rapidprototyping，RP）技術(shù)又稱快速原型，其可以快速、自動(dòng)地將設(shè)計(jì)思想物化為具有結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零部件?？焖俪尚秃?D打印技術(shù)都是“增材制造”的子技術(shù)，前者側(cè)重的是成形用于形體觀測(cè)的樣品，后者側(cè)重的是成形功能構(gòu)件，并使構(gòu)件材質(zhì)的力學(xué)、電氣、化學(xué)性能等盡可能地趨近真實(shí)可用?？梢詫⒖焖俪尚闻c3D打印統(tǒng)稱為廣義3D打印，廣義的3D打印主要有五大分支二、光固化成型技術(shù)（SLA）光固化成型技術(shù)（stereolithographyappearance，SLA）又稱立體光刻造型技術(shù)。它主要采用液態(tài)光敏樹脂原料，通過(guò)3D設(shè)計(jì)軟件（CAD）設(shè)計(jì)出三維數(shù)字模型，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)掃描路徑，按設(shè)計(jì)的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面，分層掃描固化疊加成三維工件原型。圖2-2光固化成型技術(shù)工作原理示意圖1.成型原理圖2-3典型SLA設(shè)備2.典型SLA設(shè)備與原料二、光固化成型技術(shù)（SLA）（1）設(shè)備光固化成型設(shè)備由光學(xué)系統(tǒng)、樹脂容器、數(shù)字控制和數(shù)字軟件系統(tǒng)組成，主要包括激光器、激光掃描裝置和液槽、升降臺(tái)和刮刀。2.典型SLA設(shè)備與原料二、光固化成型技術(shù)（SLA）（2）原料①光固化實(shí)體材料

主要是指光敏樹脂。光敏樹脂即UltravioletRays（UV）樹脂，一般為液態(tài)，由齊聚物、反應(yīng)性稀釋劑和光引發(fā)劑組成。在一定波長(zhǎng)的紫外線（250～300nm）照射下能立刻引起聚合反應(yīng)完成固化，可用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水材料。②支撐材料

SLA技術(shù)常用來(lái)進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造，這些零件通常會(huì)出現(xiàn)鏤空或者懸空的設(shè)計(jì)，為了避免在打印過(guò)程中產(chǎn)生變形影響制品的外形，因此需要用支撐材料填補(bǔ)零件的鏤空部分。打印完成時(shí)再對(duì)支撐材料進(jìn)行清除，最后得到完整的制品。對(duì)支撐材料的要求是便于去除且不能損壞實(shí)體模型。常用作支撐材料的有相變臘支撐材料和光固化支撐材料。（1）SLA工藝的優(yōu)點(diǎn)①SLA技術(shù)出現(xiàn)時(shí)間早，技術(shù)成熟度高；②打印速度快，光敏反應(yīng)過(guò)程便捷，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短；③打印精度高，可打印結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜或傳統(tǒng)技術(shù)難以制作的原型和模具；④配套軟件功能完善，可聯(lián)機(jī)操作及遠(yuǎn)程控制，有利于生產(chǎn)的自動(dòng)化。（2）SLA工藝的缺點(diǎn)①SLA設(shè)備普遍價(jià)格昂貴，使用和維護(hù)成本高；②需要對(duì)毒性液體進(jìn)行精密操作，對(duì)工作環(huán)境要求苛刻；③受材料所限，可使用的材料多為樹脂類，使得打印成品的強(qiáng)度、剛度及耐熱性能都非常有限，并且不利于長(zhǎng)時(shí)間保存。④由于樹脂固化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生收縮，不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。3.SLA工藝的優(yōu)缺點(diǎn)二、光固化成型技術(shù)（SLA）二、光固化成型技術(shù)（SLA）4.SLA應(yīng)用（1）制造模具用SLA工藝快速制成的立體樹脂?？梢源嫦?zāi)＿M(jìn)行結(jié)殼，型殼焙燒時(shí)去除樹脂模，得到中空型殼，即可澆注出具有高尺寸精度和幾何形狀、表面光潔度較好的合金鑄件或直接用來(lái)制造注射模的型腔。（2）對(duì)樣品形狀及尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行直觀分析采用SLA可以快速制造樣品，供設(shè)計(jì)者和用戶直觀測(cè)量，并可迅速反復(fù)修改和制造，可大大縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)符合預(yù)期的形狀和尺寸要求。二、光固化成型技術(shù)（SLA）4.SLA應(yīng)用（3）產(chǎn)品性能測(cè)試與分析在塑料制品加工企業(yè)，由于SLA制件有較好的機(jī)械性能，可用于制品的部分性能測(cè)試與分析，提高制品設(shè)計(jì)的可靠性。（4）進(jìn)行單件或小批量產(chǎn)品的制造在一些特殊行業(yè)，有些制件只需單件或小批量生產(chǎn)，這樣的產(chǎn)品通過(guò)制模再生產(chǎn)，成本高、周期長(zhǎng)，一般可用SLA直接進(jìn)行成型，成本低、周期短。（5）在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用光固化快速成型技術(shù)為不能制作或難以用傳統(tǒng)方法制作的人體器官模型提供了一種新的方法，基于CT圖像的光固化成型技術(shù)是應(yīng)用于假體制作、復(fù)雜外殼手術(shù)的規(guī)劃、口腔頜面修復(fù)的有效方法。二、光固化成型技術(shù)（SLA）5.SLA發(fā)展趨勢(shì)（1）數(shù)據(jù)處理軟件性能需要進(jìn)一步提高；（2）成型速度需要進(jìn)一步提升；（3）成型材料性能多樣化、功能化；（4）設(shè)備的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提高。三、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）圖2-4SLS工藝原理選擇性激光燒結(jié)工藝是利用粉末狀材料（主要有塑料粉、蠟粉、金屬粉、表面附有粘結(jié)劑的覆膜陶瓷粉、覆膜金屬粉及覆膜砂等）在激光照射下燒結(jié)的原理，在計(jì)算機(jī)控制下按照界面輪廓信息進(jìn)行有選擇的燒結(jié)，層層堆積成型）。SLS技術(shù)使用的是粉狀材料，從理論上講，任何可熔的粉末都可以用來(lái)打印成型。1.成型原理三、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）2.典型SLA設(shè)備與原料（1）設(shè)備圖2-5典型SLS設(shè)備SLS設(shè)備主要由機(jī)械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制下協(xié)調(diào)工作，自動(dòng)完成制件的加工成型。機(jī)械系統(tǒng)主要由機(jī)架、工作平臺(tái)、鋪粉機(jī)構(gòu)、兩個(gè)活塞缸、集料箱、加熱火燈和通風(fēng)除塵裝置組成。三、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）2.典型SLA設(shè)備與原料（2）原料表2-1SLS工藝原料特點(diǎn)3.SLS工藝的優(yōu)缺點(diǎn)三、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）（1）SLS工藝的優(yōu)點(diǎn)①成型材料品種多、價(jià)格低廉；②對(duì)制件形狀幾乎沒有要求；③材料利用率高

未燒結(jié)的粉末可以重復(fù)利用；④制件精度高

一般能夠達(dá)到工件整體范圍內(nèi)（0.05-2.5）mm的公差；⑤可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化

。

（2）SLS工藝的缺點(diǎn)①設(shè)備成本高昂；②制件內(nèi)部疏松多孔、表面粗糙度較大、機(jī)械性能不高；③制件質(zhì)量受粉末的影響較大，提升不易；④可制造零件的最大尺寸受到限制；⑤成型過(guò)程消耗能量大，后處理工序復(fù)雜。4.SLS應(yīng)用三、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）（1）快速原型制造

SLS工藝可快速制造所設(shè)計(jì)零件的原型，并對(duì)產(chǎn)品及時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)、修正，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。（2）新型材料的制備及研發(fā)

利用SLS工藝可以開發(fā)一些新型的顆粒，如復(fù)合材料上的增強(qiáng)顆粒和硬質(zhì)合金。（3）小批量、特殊零件的制造加工

采用SLS技術(shù)可快速、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)小批量和形狀復(fù)雜零件的制造。（4）快速模具和工具制造

SLS制造的零件可直接作為模具使用，如熔模鑄造、砂型鑄造、注塑模型、高精度形狀復(fù)雜的金屬模型等；也可以將成型件經(jīng)后處理后作為功能零件使用。（5）在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

SLS工藝燒結(jié)的零件由于很高的孔隙率，因此可用于人工骨的制造，根據(jù)國(guó)外對(duì)于用SLS技術(shù)制備的人工骨進(jìn)行的臨床研究表明，人工骨的生物相容性良好。5.SLS發(fā)展趨勢(shì)三、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）（1）材料先進(jìn)化、實(shí)用化；（2）SLS燒結(jié)機(jī)理研究定量化；（3）SLS工藝參數(shù)優(yōu)化；（4）SLS燒結(jié)過(guò)程仿真化。目前，SLS系統(tǒng)的速度、精度和表面粗糙度還不能完全滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，SLS設(shè)備成本也較高，并且激光工藝參數(shù)對(duì)零件質(zhì)量影響敏感，需要較長(zhǎng)的時(shí)間摸索。針對(duì)目前SLS工藝出現(xiàn)的問(wèn)題，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下幾方面。四、熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）1.成型原理圖2-6FDM工作原理圖熔融沉積又叫熔絲沉積，它是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過(guò)帶有一個(gè)微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來(lái)。噴頭可沿著X軸方向移動(dòng)，而工作臺(tái)則沿Y軸方向移動(dòng)。如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型部分的溫度稍低于固化溫度，那么就能保證熱熔性材料噴出噴嘴后，即與前一層面熔結(jié)在一起。一個(gè)層面沉積完成后，工作臺(tái)按預(yù)定的增量下降一個(gè)層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個(gè)實(shí)體造型。2.典型SLA設(shè)備與原料（1）設(shè)備四、熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）圖2-7FDM設(shè)備典型FDM設(shè)備常見形式為桌面打印機(jī)。FDM3D打印設(shè)備由箱體結(jié)構(gòu)、控制X、Y、Z方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、噴射結(jié)構(gòu)、控制部分組成。2.典型SLA設(shè)備與原料四、熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）（2）原料①ABS塑料

ABS塑料具有優(yōu)良的綜合性能，其強(qiáng)度、柔韌性、機(jī)械加工性優(yōu)異，并具有更高的耐溫性，是工程機(jī)械零部件的優(yōu)先塑料。ABS塑料的缺點(diǎn)是在打印過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣味，而且由于ABS的冷收縮性，在打印過(guò)程中模型易與打印平板產(chǎn)生脫離。②PLA塑料

PLA塑料是當(dāng)前桌面式3D打印機(jī)使用最廣泛的一種材料。PLA塑料是生物可降解材料，使用可再生的植物資源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。PLA強(qiáng)度高、收縮率極低、成型性能優(yōu)秀、熱成型尺度穩(wěn)定、層與層之間的粘合性好，同時(shí)也擁有良好的光澤性，適用于吹塑、熱塑等各種加工方法，加工方便，應(yīng)用十分廣泛。四、熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）3.FDM工藝的優(yōu)缺點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)①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；②可以使用無(wú)毒的原材料，設(shè)備系統(tǒng)可在辦公環(huán)境中安裝使用；③可以成型任意復(fù)雜程度的零件，常用于成型具有很復(fù)雜的內(nèi)腔、孔等零件；④原材料在成型過(guò)程中無(wú)化學(xué)變化，制件的翹曲變形小；⑤原材料利用率高，且材料壽命長(zhǎng)；⑥支撐去除簡(jiǎn)單，無(wú)須化學(xué)清洗，分離容易。（2）缺點(diǎn)①成型件的表面有較明顯的條紋；②沿成型軸垂直方向的強(qiáng)度比較弱；③需要設(shè)計(jì)與制作支撐結(jié)構(gòu)；④需要對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描涂覆，成型時(shí)間較長(zhǎng)。四、熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）4.FDM應(yīng)用FDM快速成型技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空航天、家電通信、電子、建筑、醫(yī)學(xué)、玩具等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程，如產(chǎn)品外觀評(píng)估、方案選擇、裝配檢查、功能測(cè)試、用戶看樣訂貨、塑料件開模前校驗(yàn)設(shè)計(jì)以及少量產(chǎn)品制造等。與傳統(tǒng)方法相比，以前需要幾個(gè)星期、幾個(gè)月才能制造的復(fù)雜產(chǎn)品原型，在采用FDM成型技術(shù)后，無(wú)須任何刀具和模具，很快便可完成。四、熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）5.FDM發(fā)展趨勢(shì)憑借智能制造技術(shù)的逐漸成熟，以及新的信息技術(shù)、控制技術(shù)等在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，F(xiàn)DM技術(shù)正在朝精密化、智能化、通用化以及便捷化等方向發(fā)展。（1）直接面向產(chǎn)品的制造；（2）通用化；（3）集成化與智能化；（4）擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。五、三維打印成型技術(shù)（3DP）圖2-83DP技術(shù)原理圖按照設(shè)定的層厚進(jìn)行鋪粉，隨后根據(jù)每層疊層的界面信息，利用噴嘴按照指定的路徑將液態(tài)黏結(jié)劑噴在預(yù)先鋪好的粉層特定區(qū)域，之后將工作臺(tái)下降一個(gè)層厚的距離，繼續(xù)進(jìn)行下一疊層的鋪粉，逐層黏結(jié)后去除多余底料得到所需形狀的制件。1.成型原理五、三維打印成型技術(shù)（3DP）2.3DP原料3DP材料應(yīng)用范圍極廣，包括原型制件應(yīng)用材料，如尼龍粉末、ABS粉末、石膏粉末；模具應(yīng)用材料，如各種金屬粉末、陶瓷粉末以及用于砂模鑄造的各種砂粉、高性能尼龍等；快速制造應(yīng)用材料，如貴金屬粉末、輕質(zhì)金屬粉末、高強(qiáng)度金屬粉末、橡膠粉末、結(jié)構(gòu)陶瓷粉末、功能陶瓷粉末等。五、三維打印成型技術(shù)（3DP）3.3DP工藝的優(yōu)缺點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)①成型速度快，適合做桌面型的快速成型設(shè)備；②在粘結(jié)劑中添加顏料，可以制作彩色原型，這是該工藝最具競(jìng)爭(zhēng)力的特點(diǎn)之一；③成型過(guò)程不需要支撐，多余粉末的去除比較方便，特別適合于做內(nèi)腔復(fù)雜的原型。（2）缺點(diǎn)制件強(qiáng)度較低，只能做概念性模型，而不能做功能性試驗(yàn)。五、三維打印成型技術(shù)（3DP）4.3DP應(yīng)用（1）3D照相及創(chuàng)意娛樂(lè)

目前，3DP工藝的最熱門應(yīng)用是在文創(chuàng)娛樂(lè)領(lǐng)域，如當(dāng)下流行的3D攝影，只需一臺(tái)3DP全彩打印機(jī)和一臺(tái)三維掃描儀即可實(shí)現(xiàn)人物模型的全彩打印。（2）金屬零件直接成型

使用3DP工藝制造金屬零件時(shí)，金屬粉末被一種特殊的黏合劑黏結(jié)成型，將制件從成型設(shè)備中取出后，再放入熔爐中燒結(jié)即可得到金屬零件成品。（3）鑄造用砂模成型

使用3DP工藝可以將鑄造用砂制成模具，用于傳統(tǒng)的金屬鑄造，可以間接制造出金屬產(chǎn)品。五、三維打印成型技術(shù)（3DP）5.3DP發(fā)展趨勢(shì)（1）3DP技術(shù)噴頭專用化；（2）噴頭控制程序應(yīng)考慮液體參數(shù)；（3）材料成形過(guò)程研究微觀化；（4）技術(shù)應(yīng)用范圍規(guī)?；?。六、薄材疊層制造成型技術(shù)（LOM）1.成型原理圖2-10LOM工藝原理圖LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠，加工時(shí)，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成型的工件粘結(jié)；用CO2激光器在剛粘結(jié)的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對(duì)齊的網(wǎng)格；激光切割完成后，工作臺(tái)帶動(dòng)已成型的工件下降，與帶狀片材（料帶）分離；供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)收料軸和供料軸，帶動(dòng)料帶移動(dòng)，使新層移到加工區(qū)域；工作臺(tái)上升到加工平面；熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個(gè)料厚；再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)直至零