增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)：從概念到產(chǎn)品 課件 第1章 增材制造概述

第1章增材制造概述增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)：從概念到產(chǎn)品目錄contents321451.4增材制造優(yōu)勢及局限性1.3增材制造歷史1.2增材制造定義1.1增材制造前沿1.5增材制造產(chǎn)業(yè)應(yīng)用這樣的高智能、高性能的人形機(jī)器人是如何制造出來的？哪些零部件采用了增材制造技術(shù)？它究竟有怎樣神奇的魅力？案例導(dǎo)入智能人形機(jī)器人是仿生學(xué)和機(jī)構(gòu)學(xué)的結(jié)合與應(yīng)用，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀與人類相似，能夠移動(dòng)、操作、感知，以及擁有記憶和自治能力等特點(diǎn)。本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1、認(rèn)知目標(biāo)

掌握增材制造技術(shù)的逐層堆積原理。了解增材制造技術(shù)的起源和發(fā)展。全面認(rèn)識(shí)增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域與案例，分析增材制造技術(shù)在不同領(lǐng)域中解決問題的優(yōu)勢和局限性。2、能力目標(biāo)

通過探索增材制造技術(shù)在各大領(lǐng)域中的應(yīng)用，培養(yǎng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思考能力。3、素養(yǎng)目標(biāo)

增強(qiáng)學(xué)生對增材制造技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)精益求精的職業(yè)素養(yǎng)和大國工匠精神。1.1增材制造前沿

增材制造技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的新型制造技術(shù)，是當(dāng)前國際先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的前沿，同時(shí)也是目前智能制造體系的重要組成部分。美國“AmericaMakes”、歐盟“Horizon2020”、德國“工業(yè)4.0”等戰(zhàn)略計(jì)劃均將其列入提升國家競爭力、應(yīng)對

未來挑戰(zhàn)亟需發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)。我國也將增材制造列入了“中國制造2025”強(qiáng)國戰(zhàn)略，在“十五五”期間進(jìn)行了重點(diǎn)布局和發(fā)展規(guī)劃。如圖所示，增材制造技術(shù)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，從概念到產(chǎn)品全流程覆蓋。技術(shù)發(fā)展的一般性規(guī)律如圖所示，一種新技術(shù)的發(fā)展一般會(huì)經(jīng)歷發(fā)展初期，然后迅猛發(fā)展到頂峰期，在這時(shí)會(huì)淘汰一部分技術(shù)回落到低谷期，然后篩選下來的技術(shù)進(jìn)入復(fù)蘇期，經(jīng)歷復(fù)蘇期后穩(wěn)定發(fā)展進(jìn)入生產(chǎn)成熟期，目前增材制造技術(shù)就處于復(fù)蘇期邁向生產(chǎn)成熟期的階段。減材制造增材制造

增材制造與傳統(tǒng)減材制造相比，有哪些顯著的優(yōu)勢？“增材制造”的理念區(qū)別于傳統(tǒng)的“減材”制造。減材制造是在原材料基礎(chǔ)上，借助工裝模具使用切削、磨削、腐蝕、熔融等辦法去除多余部分得到最終零件，然后用裝配拼裝、焊接等方法組成最終產(chǎn)品。而“增材制造”與之不同，無需毛坯和工裝模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)建模數(shù)據(jù)對材料進(jìn)行層層疊加生成任何形狀的物體。1.2增材制造定義定義：

增材制造（AdditiveManufacturing，AM），也被稱為3D打印技術(shù)，是一種通過逐層累加材料來制造實(shí)體零件的方法，通過三維數(shù)字化設(shè)計(jì)將材料（如液體、粉末、線材或塊材等）一層層疊加，形成實(shí)體結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)相比，增材制造是一種“自下而上”的制造方法。增材制造的基本原理和核心思想是什么？

作為先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，3D打印能夠快速、高效地制造新產(chǎn)品的物理原型，為產(chǎn)品研發(fā)提供了一種快捷的技術(shù)途徑。如圖所示，利用FDM技術(shù)通過熱塑性塑料的熱熔性、粘結(jié)性，在計(jì)算機(jī)控制下利用增材制造技術(shù)逐層堆積形成三維實(shí)體玩偶擺件。

其次，從概念的角度看，增材制造的外延也在不斷擴(kuò)展。關(guān)橋院士提出的“廣義”和“狹義”增材制造的概念，就體現(xiàn)了這種外延。狹義的增材制造主要關(guān)注不同能量源與CAD/CAM技術(shù)結(jié)合、分層累加材料的技術(shù)體系；而廣義的增材制造則是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，包括了更多的技術(shù)分支和應(yīng)用領(lǐng)域。

此外，從材料的角度看，增材制造的外延也涉及到更多的材料類型。按照加工材料的類型和方式分類，增材制造可以分為金屬成形、非金屬成形、生物材料成形等。這意味著增材制造可以處理更多種類的材料，為制造業(yè)提供了更大的靈活性。3

總的來說，增材制造的外延是一個(gè)不斷發(fā)展的概念，它涉及到技術(shù)的創(chuàng)新、應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展以及材料類型的豐富。隨著科技的進(jìn)步和市場的需求，增材制造的外延還將繼續(xù)擴(kuò)大，為制造業(yè)帶來更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。412關(guān)于增材制造的外延，可以從多個(gè)角度進(jìn)行理解。

首先，從技術(shù)的角度看，增材制造的外延涉及到其應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)創(chuàng)新。隨著技術(shù)的發(fā)展，增材制造的應(yīng)用已經(jīng)從簡單的原型制造和間接制造擴(kuò)展到了直接制造金屬功能零件，并在航空航天、國防軍工、醫(yī)療器械、汽車制造、注塑模具等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，隨著新材料的研發(fā)和新工藝的出現(xiàn)，增材制造的技術(shù)也在不斷創(chuàng)新，為制造業(yè)帶來了更多的可能性。

1.3增材制造歷史增材制造（AdditiveManufacturing，AM）理念起源于19世紀(jì)末美國的快速原型制造(Rapidprototypingmanufacturing)，并在20世紀(jì)80年代開始得到廣泛的推廣和應(yīng)用，增材制造的發(fā)展歷程如圖所示。目前增材制造技術(shù)發(fā)展至今，中國與國外頂尖技術(shù)相比仍有不小差距。1.4增材制造優(yōu)勢及局限性增材制造與傳統(tǒng)的制造方式的不同之處，在于其不像傳統(tǒng)制造那樣通過切割或模具塑造來制造物品。增材制造通過層層堆積的方式來形成實(shí)體物品，恰好從物理的角度擴(kuò)大了數(shù)字概念的范疇。當(dāng)人們要求具有精確的內(nèi)部凹陷或互鎖部分的形狀設(shè)計(jì)時(shí)，3D打印技術(shù)便具備了與生俱來的優(yōu)勢，增材制造和傳統(tǒng)制造的本質(zhì)區(qū)別決定了增材制造在部分領(lǐng)域擁有一定優(yōu)勢。通過具體分析，增材制造技術(shù)至少包含了5個(gè)方面的優(yōu)勢。

生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高性能產(chǎn)品，依托輕量化降低全生命周期成本：3D打印制造一個(gè)形狀復(fù)雜的物品與打印一個(gè)簡單的方塊所消耗的成本是相同的。就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復(fù)雜，制造成本越高。如圖所示，但對于增材制造而言，制造形狀復(fù)雜的物品其成本并不會(huì)相應(yīng)增長，使得增材制造可以生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化、質(zhì)量更輕的零部件。增材制造在輕量化應(yīng)用方面表現(xiàn)出色。通過精確控制材料分布和結(jié)構(gòu)形態(tài)，在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域，輕量化應(yīng)用尤為重要，增材制造技術(shù)的引入極大地推動(dòng)了這些領(lǐng)域的發(fā)展。1.4.1增材制造的優(yōu)勢1

縮短研發(fā)周期，降低成本：增材制造可以縮短“設(shè)計(jì)-驗(yàn)證-生產(chǎn)”全流程周期，提高產(chǎn)品制造效率。傳統(tǒng)制造模式中產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證需要經(jīng)歷大量的定型前產(chǎn)品試制，不斷對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)定型。增材制造技術(shù)能夠使用建模軟件進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速制造，以鈦排氣裝置為例，增材制造可以實(shí)現(xiàn)裝置的整合式設(shè)計(jì)與制作，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間從6周縮短到6天，零部件數(shù)量從20個(gè)降低到1個(gè)，此外生產(chǎn)時(shí)間也僅為之前的1/4，大大縮短了流程周期，提高制造效率。2

減少設(shè)計(jì)約束，增加設(shè)計(jì)自由度：增材制造使得設(shè)計(jì)師能夠更加自由地發(fā)揮創(chuàng)意。如圖所示，他們可以設(shè)計(jì)出更加復(fù)雜、獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，選擇更加合適的材料，從而創(chuàng)造出更具創(chuàng)新性和競爭力的產(chǎn)品。這種設(shè)計(jì)自由度的增加不僅提升了產(chǎn)品的美觀性和實(shí)用性，還推動(dòng)了制造業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。3D打印機(jī)從設(shè)計(jì)文件中自動(dòng)分割計(jì)算出生產(chǎn)需要的各種指令集，制造同樣復(fù)雜的物品，3D打印機(jī)所需要的操作技能將比傳統(tǒng)設(shè)備少很多。這種擺脫原來高門檻的非技能制造業(yè)，將可以進(jìn)一步引導(dǎo)出眾多新的商業(yè)模式，并能在遠(yuǎn)程環(huán)境或極端情況下為人們提供新的生產(chǎn)方式。3

模塊化設(shè)計(jì)、便攜制造：增材制造的優(yōu)點(diǎn)還在于可以自由移動(dòng)設(shè)備，并制造出比自身體積還要龐大的物品。就單位生產(chǎn)空間而言，如注塑機(jī)只能制造比自身小很多的物品，與此相反，3D打印機(jī)卻可以制造和其打印臺(tái)一樣大的物品。4

節(jié)約原材料、增強(qiáng)功能性：相對于傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)來說，3D打印機(jī)制造時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)品更少。不同原材料價(jià)格差異較大。某些應(yīng)用領(lǐng)域的原材料價(jià)格昂貴。3D打印逐層堆疊的特點(diǎn)可以減少原材料的浪費(fèi)，較大程度提升了原料利用率，從而降低核心零部件的制造成本。隨著打印材料的進(jìn)步，“凈成形”制造可能取代傳統(tǒng)工藝成為更加節(jié)約環(huán)保的加工方式。

增材制造還可以實(shí)現(xiàn)多材料打印，將不同性能的材料結(jié)合在一起，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的功能性并可以多種材料無限組合。如圖所示手術(shù)前假肢打?。河膊牧夏７鹿穷^、軟材料模仿肌肉、空心結(jié)構(gòu)模仿血管。5金無足赤，人無完人。任何新技術(shù)都不可能一出現(xiàn)便完美無缺、無所不能，一定既存在優(yōu)勢同時(shí)又有缺點(diǎn)，3D打印技術(shù)也是如此，多種限制因素，阻礙增材產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。雖然技術(shù)在發(fā)展歷程中不斷迭代，但增材制造的本質(zhì)仍是對材料進(jìn)行不同方式的熔融后逐層堆積形成產(chǎn)品，這個(gè)過程實(shí)際上對原材料、設(shè)備都提出了不同于傳統(tǒng)制造的各種要求，它最少還存在4個(gè)方面的局限性。

加工工藝的局限性：鋁合金，銅合金等材料在激光燒結(jié)后力學(xué)性能變差，疲勞強(qiáng)度低，高溫下抗蠕變的性能差；還有鉭金屬、多主元合金等在高溫下難融難加工；一些熱固性塑料，酚醛塑料等，還沒有很好的替代材料；還有陶瓷漿料成型，由于3D打印需要一定流動(dòng)性,而噴頭擠出的粘流態(tài)材料容易堵頭，固陶瓷成分占比很難超過70%；打印件的后處理工藝也是限制增材制造產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素，例如鈦合金打印件表面粗糙等。11.4.2增材制造的局限性

原材料有限、成本高昂：原材料種類有限，約束產(chǎn)品生產(chǎn)范圍，目前可供3D打印機(jī)使用的材料只有少數(shù)的幾種，為了保證原材料能夠完成較好的熔融燒結(jié)并逐層堆積，3D打印使用的粉末有特殊性質(zhì)要求，粉末的含氧量、流動(dòng)性、粒度等都有不同要求，使得新材料的研發(fā)成本較高，原材料范圍有限。整體來看，在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起步時(shí)期增材制造的新型材料應(yīng)用周期較長，限制了3D打印技術(shù)在部分細(xì)分領(lǐng)域/場景的應(yīng)用。如圖所示，要使用3D打印進(jìn)行液體或金屬材料加工，即使只是一些常見的材料，前期設(shè)備投人也普遍都在數(shù)百萬元以上，其成本高昂可想而知。2

存在臺(tái)階效應(yīng)：制造精度問題由于分層制造存在臺(tái)階效應(yīng)，每個(gè)層雖然都分解得非常薄，但在一定微觀尺度下，仍會(huì)形成具有一定厚度的多級“臺(tái)階”，如圖所示，如果需要制造的對象表面是圓弧形，那么就不可避免地會(huì)造成精度上的偏差。分層切片厚度決定了打印精度，同時(shí)也決定打印時(shí)間，最終變?yōu)榇蛴⌒实慕?jīng)濟(jì)價(jià)值和打印精度的平衡問題。31.5增材制造產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

增材制造技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展，其應(yīng)用范圍也在日益擴(kuò)大，航空航天、工業(yè)制造、軍事防御、生物醫(yī)學(xué)、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸、汽車高鐵等行業(yè)均有廣泛應(yīng)用。

增材制造在哪些領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用？

工業(yè)制造領(lǐng)域

在工業(yè)制造領(lǐng)域，工業(yè)級3D打印機(jī)能夠高效制造汽車、航天等關(guān)鍵零件，顯著減少了傳統(tǒng)零部件研發(fā)測試所需的高額投入和漫長周期。借助3D打印技術(shù)，關(guān)鍵零部件的可行性測試和調(diào)整得以迅速進(jìn)行，以更經(jīng)濟(jì)的方式規(guī)避了傳統(tǒng)研發(fā)測試的高成本和時(shí)間消耗。福特公司已率先采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)零部件，并預(yù)計(jì)該技術(shù)可將制造周期縮短至數(shù)周內(nèi)。此外，美國宇航局（NASA）、波音和空客等行業(yè)巨頭也已開始利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)零件和組件，如ElonMusk(馬斯克）的SpaceX星艦計(jì)劃，3D打印火箭等等，展現(xiàn)了該技術(shù)在制造業(yè)中的廣闊應(yīng)用前景。1

建筑領(lǐng)域在建筑行業(yè)中，工程師和設(shè)計(jì)師正積極運(yùn)用3D打印技術(shù)來制造建筑。這種方法不僅速度快、成本低，還非常環(huán)保，并且能精準(zhǔn)地呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)者的構(gòu)想。通過3D打印，可以顯著減少建筑材料的浪費(fèi)。建筑3D打印的工作原理與常規(guī)3D打印機(jī)類似，但使用的原料主要是水泥和玻璃纖維的混合物。這種特殊材料不僅可回收再利用，還有效減輕了建筑廢料對環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)。荷蘭的DUSArchitects公司便是成功運(yùn)用3D打印技術(shù)建造房屋的先驅(qū)，為可持續(xù)性和環(huán)保建筑開辟了新的道路。2

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

醫(yī)療領(lǐng)域作為3D打印技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一，尤其是在人體結(jié)構(gòu)的三維宏觀幾何輪廓及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)較為關(guān)注的領(lǐng)域，如圖所示，它能提供醫(yī)學(xué)影像無法比擬的三維實(shí)體，有助于實(shí)現(xiàn)特定?？扑璧膫€(gè)體化、精準(zhǔn)化治療。主要集中牙齒矯正與修復(fù)、人工骨植入物、人體器官、假肢制造、手術(shù)導(dǎo)板、外固定支具等方面。3

現(xiàn)代教育領(lǐng)域

近年來，學(xué)校正在積極探索將3D打印系統(tǒng)與教學(xué)體系相結(jié)合的創(chuàng)新教學(xué)模式。通過使用3D打印機(jī)，學(xué)生能夠更好地掌握技術(shù)，提升自身的科技素養(yǎng)。此外，利用3D打印機(jī)打印出的立體模型能夠顯著提高學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)造能力。目前，在教學(xué)中應(yīng)用最廣泛的兩種3D打印技術(shù)是光固化技術(shù)和熔融沉積技術(shù)。43D打印技術(shù)是近20年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大飛躍。能夠快速、高效地制造出復(fù)雜的產(chǎn)品，并且具有很高的定制化和個(gè)性化特點(diǎn)。3D打印基于三維CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的制造方法，明確其模型的離散化-切片模型的堆積化的打印定義，通過將材料（如液體、粉末、線材或塊材等）一層層疊加，形成實(shí)體結(jié)構(gòu)。3D打印在制造業(yè)、建筑、醫(yī)學(xué)、教育產(chǎn)業(yè)中均具有廣泛應(yīng)用前景。3D打印技術(shù)的優(yōu)勢：生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高性能產(chǎn)品，依托輕量化降低全生命周期成本、縮短研發(fā)周期，降低成本、減少設(shè)計(jì)約束，增加設(shè)計(jì)自由度、模塊化設(shè)計(jì)、便攜制造、節(jié)約原材