逆向工程與快速成型技術應用 第4版 課件 4-6 快速成型技術的發(fā)展

蘇州職業(yè)大學孫春華了解快速成型技術的發(fā)展（介紹快速成型技術的發(fā)展簡史、發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢）目錄CONTENTS1.快速成型技術的發(fā)展簡史以時間軸的方式展示主要工藝的發(fā)展3.快速成型技術的發(fā)展趨勢基于現(xiàn)狀問題，提出發(fā)展趨勢2.快速成型技術的發(fā)展現(xiàn)狀講述該技術發(fā)展較好的幾個國家的發(fā)展情況Part1快速成型技術的發(fā)展簡史1860年，法國人FranoisWillème申請到了多照相機實體雕塑（Photosculpture）的專利。1892年，美國人J.E.Blanther登記了一項采用層合方法制作三維地圖模型的專利技術。1902年，CarloBaese在專利(#774549)提出用光敏聚合物制造塑料件的原理(StereoLithography)。1940年，Perera提出了在硬紙板上切割輪廓線，然后將這些紙板粘結成三維地形圖的方法。1964年，E.E.Zang細化了該方法，用透明紙板，且每一塊均帶有詳細的地貌形態(tài)標記，制作地貌圖。1972年，K.Matsubara使用光固化材料，光線有選擇地投射或掃射，將規(guī)定的部分硬化，不斷堆積成型。Part1快速成型技術的發(fā)展簡史1976年，P.L.DiMatteo提出這種堆積技術能夠用來制造用普通機加工設備難以加工的曲面。1977年，W.K.Swainson在專利中提出通過選擇性的三維光敏聚合物體激光照射直接制造塑料模型工藝。1979年，日本東京大學生產(chǎn)技術研究所的中川威雄教授發(fā)明了疊層模型造型法。1979年，日本東京大學T.Nakagawa教授等用薄板技術制造落料模、成形模和注射模等，復雜冷卻通道。1980年，日本人小玉秀男提出了光造型法。——1860~1980，增材制造（3D打?。┘夹g，在模型切片、打印路徑規(guī)劃、打印參數(shù)等方面形成了基礎技術框架。Part1快速成型技術的發(fā)展簡史增材制造的出現(xiàn)最早可以追溯到20世紀80年代。1986年Chuck

Hull獲得申請專利。同年,在加利福尼亞州成立了3DSystems公司,致力于將光固化技術商業(yè)化。Chuck

Hull被譽為“3D打印之父”。1988年,3DSystems推出全球第一臺商業(yè)設備SLA-250,至此光固化快速成型技術在世界范圍內(nèi)得到了迅速而廣泛的應用。SLA-250的面世成為了3D打印技術發(fā)展史上的一個里程碑事件,其設計思想和風格幾乎影響了后續(xù)所有的3D打印設備。現(xiàn)在這臺設備被3D打印文化博物館永久收藏和展示。Part1快速成型技術的發(fā)展簡史1988年，美國人斯科特·克朗普發(fā)明了一種新的成型工藝——熔融沉積成型FDM。1989年，美國人德卡德發(fā)明了選擇性激光燒結技術，這種技術的特點是選材范圍廣泛，比如尼龍、臘、ABS、金屬和陶瓷粉末等都可以作為原材料。——1981-1989增材制造的主流技術、平臺技術FDM，SLA，SLS誕生于美國。主要用于塑料件的快速成型。1992年，美國人赫利塞思發(fā)明層片疊加制造技術LOM。1995年，美國麻省理工學院研制出三維粉末粘結成型技術3DP。也是從這一年開始，增材制造被稱為3D打印?！?991-1999全球制造戰(zhàn)略的變遷，加速了增材制造技術（快速成型）的應用發(fā)展；激光、CAD軟件、數(shù)控技術的發(fā)展提升了工業(yè)級增材制造（快速成型/模具）的技術成熟度；FDM，3DP，SLA，SLS等技術形成了成熟的工藝過程；材料適用性較廣、成本較低的工業(yè)級增材制造技術3DP、LENS誕生于美國。Part1快速成型技術的發(fā)展簡史進入21世紀，該技術迅速發(fā)展。2000年，Objet發(fā)布噴射光固化技術，使用紫外線光感和液滴綜合技術，是第一臺能夠同時使用幾種不同的打印原料的3D打印機，可大幅提高制造精度2003年，金屬3D打印主流工藝開發(fā)DMLS（SLM）激光燒結技術，誕生于德國EOS。2005年，ZCorp.公司推出世界上第一臺高精度彩色3D打印機SpectrumZ510，3D打印由此有了精致的色彩。2007年，3D打印服務創(chuàng)業(yè)公司ShapeWays正式成立，提供個性化產(chǎn)品定制服務。Part1快速成型技術的發(fā)展簡史2009年，BrePettis創(chuàng)立了著名的桌面級3D打印機公司──MakerBot，并出售DIY套件，購買者可自行組裝3D打印機，將3D打印技術進一步推廣開來；2010年，生物打印技術公司Organovo公開第一個利用生物打印技術打印完整血管的數(shù)據(jù)。2008年，第一臺開源的桌面級3D打印機RepPap發(fā)布，其目的是開發(fā)一種能自我復制的3D打印機。桌面級的開源3D打印機為轟轟烈烈的3D打印普及化浪潮揭開了序幕?！?000-2010金屬3D打印技術進步快速，開源的FDM打印機誕生，為后續(xù)全球大量的FDM桌面打印機的出現(xiàn)埋下伏筆。Part1快速成型技術的發(fā)展簡史2012年，英國著名經(jīng)濟學雜志《經(jīng)濟學人》封面文章，聲稱3D打印將引發(fā)全球第三次工業(yè)革命。自此各國政府開始制定政策，支持該技術的研究和應用，大大地推動了該技術的發(fā)展。2012年，美國總統(tǒng)奧巴馬提出投資10億美元在全美建立15家制造業(yè)創(chuàng)新研究所。來自MIT的團隊成立Formlabs公司，發(fā)布了世界上第一臺廉價且高精度的SLA。中國宣布是世界上唯一掌握大型結構關鍵件激光成型技術的國家。2013年，美國國家航空航天局（NASA）測試3D打印的火箭部件。Part1快速成型技術的發(fā)展簡史2015年，美國Carbon3D公司發(fā)布一種新的光固化技術——連續(xù)液態(tài)界面制造CLIP，利用氧氣和光連續(xù)地從樹脂材料中逐出模型。CLIP在SLA技術的基礎上開發(fā)的具有革命性的3D打印技術，將3D打印的速度提高了100倍。且可以使用部分生物材料。此外，還有許多3D打印技術在汽車制造、首飾設計、食品、藝術、生物醫(yī)療、航空航天等領域的成功案例。Part1快速成型技術的發(fā)展簡史2016年，美國DesktopMetal發(fā)布基于3DP技術的桌面金屬3D打印系統(tǒng)。2017年，澳大利亞SPEE3D推出基于超音速3D沉積技術（SP3D）的金屬3D打印系統(tǒng)。2018年，美國惠普HP正式發(fā)布基于粘結劑噴射的金屬打印系統(tǒng)。2018年，美國GE公司完成了第30,000個增材制造的航空發(fā)動機燃油噴嘴。

2019年，基于FDM工藝的Markforged發(fā)布鎳合金、銅合金材料工藝。2019年，美國公司VELO3D首創(chuàng)無需支撐的金屬3D打印技術。2020年，中國搭載100多個零件的天問號火星探測器運載火箭發(fā)射?！贔DM、3DP工藝的金屬增材制造技術不斷涌現(xiàn)；基于SLM、EBM技術的工業(yè)級增材實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。增材制造向傳統(tǒng)制造挑戰(zhàn)。Part1快速成型技術的發(fā)展簡史Part1快速成型技術的發(fā)展簡史幾個重要的時間節(jié)點：1、1860年，樸素的增材制造概念誕生2、1983年，光固化（SLA）3、1989年，熔融層積成型技術(FDM)4、1992年，激光燒結(SLS)5、1995年，激光熔化(SLM）

3D打印是19世紀的構想，20世紀的基礎，21世紀的市場。隨著多年的發(fā)展，3D打印產(chǎn)業(yè)已形成較為成熟的基礎技術和不斷創(chuàng)新的技術體系，逐漸成為航空航天、汽車、消費電子、醫(yī)療等領域的熱門技術。Part2快速成型技術的發(fā)展現(xiàn)狀1、各國的發(fā)展水平歐美等發(fā)達國家和新興經(jīng)濟國家將其作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，紛紛制定發(fā)展戰(zhàn)略，投入資金，加大研發(fā)力量，推進產(chǎn)業(yè)化。作為全球第一科技強國的美國，增材制造發(fā)源于此。美國不僅擁有世界最前沿的增材制造技術，而且還誕生了兩大增材制造行業(yè)巨頭Stratasys和3DSystems。該技術在美國的應用，無論是在軍事、航空航天、醫(yī)療、工業(yè)，還是在民用方面，都走在世界前列。美國成為增材制造領先的國家，主要的引領要素是低成本快速成型設備的社會化應用和金屬零件直接制造技術在工業(yè)界的應用。Part2快速成型技術的發(fā)展現(xiàn)狀俄羅斯在增材制造領域中的作用或許被外界小看了，因為鮮有報道。但其實俄羅斯是一個激光技術產(chǎn)業(yè)大國，其在激光技術領域處于國際上數(shù)一數(shù)二的地位。目前，俄羅斯增材制造技術在其激光技術的輔助下發(fā)展迅速，并通過與世界發(fā)達國家的技術交流與合作，在增材制造領域走入了世界前列。在增材制造應用方面，俄羅斯也緊跟世界腳步，其在工業(yè)制造、航空、軍事與醫(yī)療等領域都已有不小的進展。

作為科技強國的日本，增材制造技術在各行業(yè)的應用，如醫(yī)療、工業(yè)制造、技術開發(fā)等方面都讓人耳目一新。

印度的增材制造目前也有一些進展，雖然開始時進展緩慢，但在模具和航空航天領域獲得了一些應用。Part2快速成型技術的發(fā)展現(xiàn)狀我國增材制造技術在國家政策的支持下，經(jīng)過近三十年的發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)化步伐明顯加快，科技創(chuàng)新成果顯著增加，關鍵技術、裝備性能不斷提升，涌現(xiàn)出一批具有一定競爭力的骨干企業(yè)，應用領域日益拓展，形成了若干個產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，生態(tài)體系初步形成，2020年的產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)突破220億元。針對材料、工藝和設備的研究成果部分已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應用范圍覆蓋航空航天、裝備制造、汽車、生物醫(yī)療和文化創(chuàng)意等重要領域。根據(jù)美國國際數(shù)據(jù)集團（IDG）預測，中國未來增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模將維持至少22.3%的年增長率。Part2快速成型技術的發(fā)展現(xiàn)狀Part3快速成型技術的發(fā)展趨勢受技術裝備、新型材料、設計軟件、質(zhì)量安全和公共環(huán)境等制約和影響，目前僅適用于少批量、小尺寸、高精度、造型復雜的零部件和元器件的加工制造，還難以代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造業(yè)大規(guī)模、大批量的加工制造，尚未進入大規(guī)模工業(yè)應用。隨著該技術的發(fā)展，新工藝的不斷出現(xiàn)，新應用的不斷拓展，逐漸呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：（1）向日常消費品制造方向發(fā)展。三維打印是國外近年來的發(fā)展熱點。將三維打印機作為計算機一個外部輸出設備來應用，可以直接將計算機中的三維圖形輸出為三維的彩色物體，在科學教育、工業(yè)造型、產(chǎn)品創(chuàng)意、工藝美術等有著廣泛的應用前景和巨大的商業(yè)價值。其發(fā)展方向是提高精度、降低成本、高性能材料發(fā)展。Part3快速成型技術的發(fā)展趨勢（2）向功能零件制造發(fā)展。采用激光或電子束直接熔化金屬粉，逐層堆積金屬，形成金屬直接成型技術。該技術可以直接制造復雜結構金屬功能零件，制件力學性能可以達到鍛件性能指標。進一步的發(fā)展方向是進一步提高精度和性能，同時向陶瓷零件的增材制造技術和復合材料的增材制造技術發(fā)展。（3）向智能化裝備發(fā)展。目前快速成型設備在軟件功能和后處理方面還有許多問題需要優(yōu)化。例如，成型過程中需要加支撐，軟件智能化和自動化需要進一步提高；制造過程，工藝參數(shù)與材料的匹配性需要智能化；加工完成后的粉料或支撐的需要去除等問題。這些問題直接影響設備的使用和推廣，設備智能化是走向普及的保證。Part3快速成型技術的發(fā)展趨勢當前，已經(jīng)處于第二代增材制造設備時代。第一代增材制造設備主要是滿足我們設計產(chǎn)品的原型制作。通過增材制造設備能夠打印出立體的物品出來，而且形象逼真，但是功能性不強。第二代增材制造設備則能夠打印出我們所需要的功能性產(chǎn)品，包括金屬的、生物的產(chǎn)品，也包括一些大型的結構件產(chǎn)品和柔性產(chǎn)品。未來第三代增材制造設備的智能化、信息化水平更高，與機器人、智能材料等其他先進技術的結合則更為緊密，還可以衍生出很多模塊化的功能。（4）向組織與結構一體化制造發(fā)展。增材制造將實現(xiàn)從微觀組