1、項目編號南京工程學院大學生科技創新基金項目立項申報書項目名稱：基于振鏡掃描的激光燒結打印機項目類別：本科生科技創新訓練項目負責人(學號):丁州杰(234140819)指導教師：陳巍老師單位:創新學院聯系電話表日期：2016/12/8共青團南京工程學院委員會印制負姓 名丁州杰學號234140819班級 D自集成142責人專業自動化（系統集成）聯系電名陳巍專業/研究方向電子信息指 導職稱/職務副教授聯系電師姓名專業/研究方向職稱/職務聯系電話負責人近年來承接、 組織、參與的學術科技活動情況 （含科技項目、學術論文名稱、

2、完成時間、鑒定、發展以及獲獎情況等）組織：2015年大學生科技創新基金項目：基于 arduino mega2560的雙色3D打印機 2015年江蘇省大學生實踐創新項目：自適應蠕動式管道機器人。參與：2015年挑戰杯項目：滑翔與仿生結合的水下機器人。獎項： 蘇州市技能大賽三等獎。 蘇州市創新大賽三等獎。項目組其他成員情況序號姓名學號班級專業項目分工簽名1吳連申機工151機械工程結構設計2重柯文234140720D自集成141自動化（系統集 成）硬件設計 與調試3李思達203150916機器人151機器人軟件開發、 上位機4郭雨薇234150503D自集成151自動化（系統集 成）文獻整理、 軟件

3、開發項目組其他成員近年來承接、組織、參與的學術科技活動情況（含科技項目、學術論文名稱、完成時間、鑒定、發展以及獲獎情況等）吳連申 承接： 激光雕刻機 參與：2015年大學生科技創新基金項目：智能鑰匙盒。2015年江蘇省大學生實踐創新項目：自適應蠕動式管道機器人。2016年中國機器人大賽robocub獎項：南京工程學院第五屆CAD應用能力大賽一等獎。 李思達獎項：哈爾濱航模火箭發射回收第二名遙控直升機第一名火箭自主創新項目團體第四名全國工程機器人大賽工程越野項目二等獎研究 項目名稱基于振鏡掃描的激光燒結打印機項目類別申請經費一、項目的研究意義、國內外研究現狀、水平和發展趨勢，研究預期達到的 科學

4、技術水平、社會和經濟效益。項目研究意義：該項目使用增材加工方式，耗料極少，且材料可回收 利用；與傳統FDM打印相比，精度更高；打印自由，制件難度與工件復雜程 度無關，無需支撐結構輔助打?。粚o2激光管作為光源，極大的降低成本， 增加行業競爭力，將該技術普及。國內外現狀水平和發展趨勢：SLS技術最初是由美國德克薩斯大學奧 斯汀分校于1989年提出的。后來美國DTM公司于1992年推出該工藝的商品 化生產設備。幾十年來，奧斯汀分校和DTM公司在SLS領域做了大量研究工作，在設備研制和工藝、材料開發上取得了豐碩的成果。德國的EOS公司在這一領域也做了很多研究工作，并開發了相應的系列成型設備。在國內

5、，很多單位進行了 SLS的相關研究工作，如華中科技大學、南京航空航天大學、 西北工業大學、華北工學院和北京隆源自動成型有限公司等也取得了許多重 大成果。如北京隆源自動成型有限公司開發的AFS-300激光快速成型的商品化設備。1、利福尼亞的工程師bran do nfosdick 在一次講話中透露了自己打造 的sls3d打印機ester的進展情況。經過3年不斷嘗試，bran do nfosdick終于設計出一款不成熟的ester3d 打印機。收集了這款打印機的部分規格：成型技術：sls打印材料：塑料（bran do nfosdick 下一步將開發金屬材料）打印精度：150微米（下一步將打印精度降低

6、至100微米以下）打印速度：50mm/s制作成本：2500美元。2011年9月，我國首臺選擇性激光燒結設備 一一“ Farsoon40宣告面世，華曙高 科成為繼美國3D Systems公司、德國EOS公司之后，世界上第三家高端選擇性 激光燒結設備制造商。比起國際領先的同類產品，這個設備在溫度控制方面有了 提升，在使用尼龍材料制造時精度可以控制在0.1毫米以內。2、2012年8月，國內首臺出口美國的選擇性激光尼龍燒結設備，從華曙高 科啟運。在經歷反復的試驗和不斷改進后，華曙高科還成功研制出用于激光燒結技術 的尼龍玻璃微珠、礦物纖維和碳纖維等一系列復合材料，打破了德國對這一材料的壟斷，并成功銷往美

7、國、瑞典、意大利等海外市場。該公司成為全球唯一一家 既制造設備，又生產材料，還從事終端產品加工服務的企業，獨立構成了完整的 產業鏈。在國際市場上，華曙高科用于激光燒結的尼龍材料，與德國贏創公司（占據 全球絕大部分市場份額）的售價差不多；而首次出口美國的選擇性激光尼龍燒結 第5頁共14頁設備，價格與全球最大的3D打印設備制造商一一美國3D Systems公司的產品， 也幾乎處于同一個水平線上。華曙高科的成功，引起了全球 3D 打印領先制造商的高度關注，多次前來考 察，并拋出合作橄欖枝。2012年，德國EOS公司高層曾先后7次造訪華曙高科。在國內， 華曙高科的成功，也引起了社會各界的廣泛關注。中科

8、院多次派出 專家前來調研考察。2013年1月，3D打印被首次寫進湖南省政府工作報告，聚 焦的目光更是從業內迅速擴展到普通大眾。越來越多的人意識到 3D 技術可能帶給生活和經濟的改變，紛紛瞄準這個市 場。2012年10月以來，華曙高科有6臺3D打印機交付國內用戶。目前，華曙 高科訂單量不斷增加，但受廠房規模限制，生產規模遠跟不上市場需求。2013 年 6 月，華曙高科 3D 打印產業基地在長沙高新區開工建設， 中國科學 院湖南技術轉移中心 3D 打印研發中心也同時掛牌。這個占地 48畝、建設面積 近 3 萬平方米的產業基地， 將于明年投入運行，屆時可形成年產設備 100臺、材 料 100噸的產能

9、，此后將逐年翻番。這意味著湖南 3D 打印技術研究與產品產業 化，即將邁入跨越式發展的新階段。3、拜耳材料科技和德國固體復合材料公司正合作開發選擇性激光燒結TPU粉末。這種創新的制造三維結構的方法是基于使用激光束燒結粉末材料的基礎上 的。新公司位于萊茵河下游費爾德市，且將被授予新的品牌，并以Desmosi nt的名稱來推廣這個新的高科技材料。這項技術為產品擴展了很多的下游應用領域， 比如汽車、運動器材、機器人技術、航空航天工程。固體復合材料是弗勞恩霍夫 環境、安全和能源技術研究所的一個子公司。無需模具：選擇性激光燒結正日益成為塑料疊加式生產中穩固的數字生產方 式。通過對塑料件的結構設計數據可以

10、用 TPU 粉末生產產品。通過 CAD 導向， 激光能在選定的位置融化粉末層。換句話說， 塑料件是一層一層堆起來的。 這種 方法免去了使用模具的必要，也相應地降低了成本。而且和噴射注模相比， 即使 是擁有多腔復雜幾何尺寸和切口的塑料件也能被加工。消除不同材料間差距：目前而言，基本上是軟的、有彈性的材料和硬質熱塑 性塑料，比如尼龍可以用作選擇性激光燒結。但是拜耳的 TPU 產品韌性、彈性 和強度都好，消除了不同等級材料之間的差距。 這就為應用創造了好的條件。 首 先具有代表性的TPU產品是Desmosint X 92 A-1，它的優點之一是生產 TPU時 的溫度只須保持在 80攝氏度左右。而尼龍

11、則需要保持在稍低于溶解溫度。因為 為反應室加熱占了能源成本的大部分， 所以這個方法很大程度上節約了能源。 而 且拜耳的 TPU 不易彎曲，也就是說燒結過程能十分順利地進行。最后一點，反應室中未燒結的粉末不會老化，因此還可以繼續使用，這和傳統的激光燒結材料 PA12相比，是巨大的優點。可用于大量生產：選擇性激光燒結給了設計很大的自由度，特別適合小批量 的疊加式生產，比如生產波紋管、軟管和奢華房車。這個方法還適用于生產矯正 鞋內嵌物、運動鞋、頭盔、假肢等等。除此之外，這項技術還可以用于大量生產， 比如有的部件的幾何體十分復雜，注模成本很高，這些情況下，使用燒結機的能效比將更好。而且產品使用完以后，

12、塑料是完全可以在循環使用的。4. 奔馳卡車Benz擬采用最新的選擇性激光燒結（SLS）打印工藝（一種3D 打印方法）生產塑料零件，并作為客戶服務及零部件部門標準化生產方法。 預計 2016年9月底，原裝配件將通過3D打印機快速、經濟及不定量地預定及供應。可提供的塑料配件包括蓋、墊片、彈簧帽、空氣和電纜導管、夾子、支架和 一些控制元件。所有配件將進行專業編碼，并可在奔馳卡車備件列表中查詢。備件行業的挑戰在于固體供應，包括只有低需求的小批量備件，這種備件可 能已經不再產生。SLS工藝解決了這些挑戰，因為所有的配件都可以在短時間內通過3D打印機提供。盡管SLS在過去幾年中飛速發展，獲得了良好的應用效

13、果，但畢竟是一個較 新的發展領域，還存在一下缺點：1、系統的速度、精度、可靠性還不能完全滿足要求。2、零件表面光滑度還有待提高。3、冷卻時間長，對加熱溫度、激光參數比較敏感，工藝參數需要較長時間摸索。4、成本較高市面上最便宜的也要上萬元。因此，SLS工藝未來的發展方向應該主要注意以下方面：1、開發更適合SLS工藝使用的新材料，以制造表面光潔、精度更高更好的零件。2、提高生產效率、減少成本。3、與工業4.0接軌，開發遠程制造等新技術。研究預期：研發一臺比市面FMD SLA精度高；穩定安全（防止出現粉塵爆炸）；易用 （打印和清理粉末方便）的消費級打印機。、項目的研究內容、預計突破或解決哪些技術難題

14、、研究的創新點。研究內容：1、打印機結構設計研究2、打印機控制系統設計研究3、打印機硬件平臺設計研究4、打印機控制算法設計預計突破：1、送粉缸與鋪粉車的鋪粉與收粉模式的配合與控制2 、控制系統各模塊的協調控制。3 、針對粉末燒結時激光功率與燒結速度的平衡創新點：1、以層層余料為支撐、無需考慮制件復雜程度，實現自由打印。2、采用送粉缸與鋪粉車配合鋪粉的模式實現更精密的鋪粉和燒結完成 后收粉。3、將Co2激光源引入激光燒結設備大量降低其成本，增加行業競爭力第14頁共14頁三、項目的研究方法、技術路線、實驗方案及可行性分析項目研究方法及技術路線： 研究方法：1、考察并分析評估已有的技術方案2、設計構

15、造新型的結構與外觀3、建模、仿真、搭建實物完成控制算法4、穩定性測試5、完善結構和控制系統6進行實驗技術路線：信息過程一離散處理。在計算機上建模的 CAD三維立體造型零件，或通 過逆向工程得到的三維實體圖形文件。將其轉換成 STL文件格式。再用一離 散（切片）軟件從STL文件離散出一系列給定厚度的有序片層?；蛘咧苯訌?CAD文件進行切片。這些離散的片層按次序累積起來仍是所設計的零件實體 形狀。然后，將上述的離散（切片）數據傳遞到成型機中去，成型機中的掃 描器在計算機信息的控制下逐層進行掃描燒結。物理過程一疊加成型。成型系統的主體結構是在一個封閉的成型室中安 裝兩個缸體活塞機構，一個用于供粉，另

16、一個用于成型。成型過程開始前， 用紅外線板將粉末材料加熱至恰好低于燒結點的某一溫度。成型開始時，供 粉缸內活塞上移一給定量，鋪粉滾筒將粉料均勻地鋪在成型缸加工表面上， 激光束在計算機的控制下以給定的速度和能量對第一層信息進行掃描。激光 束掃過之處粉末被燒結固化為給定厚度的片層，未燒結的粉末被用來作為支 撐，這樣零件的第一層便制作出來。這時，成型缸活塞下移一給定量，供料 虹活塞上移，鋪粉滾簡再次鋪粉，激光束再按第二層信息進行掃描，所形成 的第二片層同時也被燒結固化在第一層上，如此逐層疊加，一個三維實體零 件就制作出來了。實驗萬案：使用3DMAX等制圖軟件進行建模并生成 STL文件后利用SLI3C

17、等軟件 將模型切片產生GCOD文件導入控制器。控制器控制激光掃描系統、光路水 冷系統、粉缸控制系統，粉末預熱系統進行燒結。建模并導出STL文件成型缸及鋪粉 缸升降控制激光控制模塊鋪粉車運 動控制中央處理器計算Geode文件并控制打印機打印中央處理模塊運動控制模塊聚焦鏡忡縮丁昭 -r-111ICI8 口Tr l打印機結構設計:1罷焦條統2 52徴比胃3 fili駆;葷3疑結丄件E Qi!7】Q升降臺工作時粉末缸升降臺上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸升降臺上均勻鋪上 一層，計算機根據原型的切片模型控制光束的二維掃描軌跡，有選擇的 燒結固體粉末材料形成零件的一個層面，在燒結前，整個工作臺被加溫 至稍低于

18、粉末融化溫度，以減少熱變形，并利用與前一層的結合。粉末 完成一層后，工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統鋪設新粉，控制掃描系 統燒結新層，如此循環往復，層層疊加得到零件?？尚行苑治?該項目原理清晰，工作方式明確，實現基本功能不難項目組成員都曾參與過類似的生產與制造設備研發項目， 擁有一定經驗, 對該項目的研發有巨大幫助項目所涉及的專業方向與項目組成員契合，所設計的專業知識基本具備綜合以上：該項目可行，并且項目組擁有完成該項目的能力四、研究工作條件和基礎(包括前期研究工作基礎，已有研究成果，現有的主要儀器設 備、研究技術及協作條件等)研究工作條件和基礎 前期研究工作基礎：1、項目負責人及團隊成員都曾參與或組織過 3D打印或激光雕刻的項目。2、前期查閱大量資料，充分理解 SLS的原理及實現方式。3、和多家Co2激光管生產廠家進行了足夠的交流， 對該項目的難點有了 充分的認知。4、已完成該部分機械結構設計工作?，F有主要儀器設備：1、工業