1、工程訓練I大作業-3D打印機的技術原理學院名稱 專業班級 學 號學生姓名 成 績 2018年03月18日3D打印機的技術原理?3D打印(3D?printing )，是制造業領域正在迅速發展的一項 新興技術，被稱為“具有工業革命意義的制造技術”。運用該技術進 行生產的主要流程是：應用計算機軟件，設計出立體的加工樣式，然 后通過特定的成型設備(俗稱“ 3D打印機”)，用液態、粉末、絲 狀的固體材料逐層“打印”出產品。？?？3D打印是“增材制造” (Additive?Manufacturing )的主要實 現形式。“增材制造”的理念區別于傳統的“去除型”制造。傳統數 控制造一般是在原材料基礎上，使用

2、切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法, 去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產品。 而“增材制造”與之截然不同，無需原胚和模具，就能直接根據計算 機圖形數據，通過疊加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產品的(簡稱am來表示制造程序，縮短產品的研制周期，提咼效率并降低成本。？國際上喜歡用“ Additive?Manufacturing3D打印技術，國內專業術語是增量制造、增材制造或添加制造。2009 年 美 國 ASTM 成 立 了 F42 委 員 會 ， 將 AM 定 義 為 ： “ Process?of?joining?materials?to?make?objects?from

3、?3d?mode l?data,usually?layer?upon?layer,?as?opposed?to?subtractive? manufacturing?methodologies. ”?即：一種與傳統的材料去處加工 方法截然相反的，通過增加材料、基于三維CAD模型數據，通常采用逐層制造方式， 直接制造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模 型的制造方法。 ?目前主流的3D打印技術有：？1、SLS激光粉末燒結成型(Se1ected?Laser?Sintering ) ； ?2、 3DP三維打印(3Dimension?Printer )； ?3、SLA激光光固化(Stereo?lit

4、hography )； ?4、FDM容融沉積造型(Fused?Deposition?Modeling )?3D打印機的用途，能夠實現哪些功能?3D打印能夠發揮的作用，按照產品設計研發的流程來說：？?3D打印不僅僅可以快速制作設計原型，從最初的概念設計到最 終產品制造， 3D 打印在產品設計制造的各個環節都具備變革性優 勢。 ?許多企業在產品設計早期，就會使用3D打印設備快速制作足夠多的模型用于評估，不僅節省了時間，而且減少了設計缺陷。隨著產 品設計研發的進展，他們會采用3D打印反復制作手板模型用于設計溝通、設計驗證、裝配測試和宣傳展示，以實現產品功能改善、生產成本降低、品質更好、市場接受度提升

5、的目標。在產品小批量試制階 段，3D打印為快速打樣提供了最佳方案，3D打印出來的樣品可以用 于宣傳展示、市場調查、試銷售等。而在產品量產環節，也已經有越 來越多的企業在采用3D打印方式來加快交付周期、降低個性化定制 價格、改善產品交付質量，以及提高生產效率。 ?3D打印能夠發揮的作用，按照不同應用行業來說：？近年來， 3D 打印技術發展迅速，通過與數控加工、鑄造、金屬 冷噴涂、硅膠模等制造手段結合，該技術已成為現代模型、模具和零 件制造的有效手段，在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫學、文 化創意等領域得到了一定應用， 在工程和教學研究等應用領域也占有 獨特地位。具體應用領域包括：1、工業制造

6、：產品概念設計、原型制作、產品評審、功能驗證； 制作模具原型或直接打印模具，直接打印產品。 3D 打印的小型無人 飛機、小型汽車等概念產品已問世。 3D 打印的家用器具模型，也被 用于企業的宣傳、營銷活動中； ？2、文化創意和數碼娛樂：形狀和結構復雜、材料特殊的藝術表 達載體。科幻類電影阿凡達運用3D打印塑造了部分角色和道具， 3D打印的小提琴接近了手工藝的水平；？3、航空航天、國防軍工：復雜形狀、尺寸微細、特殊性能的零 部件、機構的直接制造； ？4、 生物醫療：人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等；？5、消費品：珠寶、服飾、鞋類、玩具、創意 DIY 作品的設計和制造；?6、建筑工程：建筑模型風動實

7、驗和效果展示，建筑工程和施工(AEC模擬；？7、教育：模型驗證科學假設，用于不同學科實驗、教學。在北 美的一些中學、普通高校和軍事院校， 3D 打印機已經被用于教學和 科研； ？8、個性化定制：基于網絡的數據下載、電子商務的個性化打印 定制服務。 ？什么樣的三維數據才能夠用于 3D打印?3D打印的標準數據格式STL?STL( Stereo?Lithography?Interface?Specification )格式是 目前 3D 打印/增材 制造 設備 使用的 通用 接口 格式， 是由 美國 3Dsystems公司于1988年制定的一個接口協議，是一種為 3D打印/ 增材制造技術服務的三維圖

8、形文件格式，目前已成為3D打印/增材制 造的事實上的標準格式。 ?STL格式是存儲三維模型信息的一種簡單方法，它將復雜的數 字模型以一系列的三維三角形面片來近似表達。STL模型是一種空間 封閉的、有界的、正則的唯一表達物體的模型，具有點、線、面的幾 何信息，能夠輸入給增材制造設備，用于快速制作實物樣品。隨著增 材制造技術的發展和應用，STL文件格式也得到了各CAD/CAMfc件公 司的廣泛支持。在醫學、自然科學和工程領域里，STL技術也得到了廣泛的應用。 ?利用三維掃描儀等三維數字化工具對物理原型進行多方位三維 掃描，經過點云數據的預處理與優化， 得到物體完整的三維數據模型， 對該數據模型進行

9、表面三角形小平面化處理， 類似于有限元的網格劃 分，即用許多空間三角形面片來逼近 CAD模型，當三角形面片小到一 定程度，其近似性可達到工程允許的精度范圍內，其數據文件稱為STL文件，可以直接輸入3D打印/增材制造設備，用于3D打印/增材 制造。 ?STL文件格式化對3D打印/增材制造精度影響？3D 打印時，由于要將復雜的三維加工轉化為一系列簡單的二維加工的疊加，因此，成型精度主要取決于二維（X，Y）平面上的加工 精度，以及高度（Z）方向上的疊加精度。從3D打印機本身而言，可 以將X、Y、Z三方向的運動位置精度控制在微米級水平，因而能得到 精度相當高的工件。因此，特別在加工復雜的自由曲面及內型

10、腔時， 3D打印/增材制造比傳統的加工方法表現出更明顯的優勢。然而影響 工件最終精度的因素不僅有 3D打印機本身的精度，還有一些其它因 素，其中比較重要的是CAD莫型的前期處理造成的誤差。對于絕大多 數增材制造設備而言，開始成型前，必須對工件的三維CAD莫型進行 STL格式化和切片等前期處理，以便得到一系列的截面輪廓。STL格式己成為3D打印行業事實上的通用標準。在計算機數據處理能力足 夠的前提下，進行STL格式化時，應選擇更小、更多的三角面片，使 之更逼近原始三維模型的表面，這樣可以降低由STL格式化所帶來的 誤差影響。 ？中國 3D 打印前景展望 ?3D 打印機對傳統制造業會帶來哪些沖擊

11、?3D 打印產業上游包括材料技術、控制技術、光機電技術、軟件 技術，中游是立足于信息技術的數字化平臺，下游涉及國防科工、航 空航天、汽車摩配、家電電子、醫療衛生、文化創意等行業，其發展 將會深刻影響先進制造業、 工業設計業、生產性服務業、 文化創意業、 電子商務業及制造業信息化工程。 ?3D打印機給傳統制造業帶來的沖擊，大致有以下幾點：？1、3D打印技術的發展滿足了消費者的需求，將導致工業制造模式的 變化？相比生產大規模標準化產品的模具制造，3D打印可以在一定約束下隨意生產制作個性化產品，可稱之為“大規模定制制造模式”， 是以互聯網為支撐的智能化大規模定制的方式，或者是“分散生產， 就地銷售”

12、方式，標志著個性化消費時代的到來。從前，消費者都是在店里挑選、購買已經生產好的商品，現在則 可以根據各自的需求，在“ 3D 打印店”定制，邊生產邊體驗，及時 獲得自己喜歡的產品。 ？2. ？3D 打印技術具備傳統模具制造沒有的獨特優勢 ？3D 打印技術是不受產品結構和形狀的限制的，任何復雜的造型 和結構，只要有CAD數據，都可以輕松完成，這樣就給個性化、定制 化提供了可能性；而且使用 3D打印技術，是不需要開模具的，實現 了無模化制造，可使新產品研制的成本下降為傳統方式的 1/3-1/5？ ，周期縮短為 1/5-1/10? 。再加上 3D 打印設備大部分可以實現無人值 守、 24 小時不間斷加

13、工，也就為廠商節約了人工成本，提高了生產 效率。 ?3D 打印的后期輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數據泄 密和時間跨度， 尤其適合一些高保密性的行業， 如軍工、核電領域。?3D 打印技術“打印”的產品是自然無縫連接的，一體成型，結 構之間的穩固性和連接強度要遠遠高于傳統方法。 ?3. ?3D 打印技術符合低碳環保的發展理念 ?“第三次工業革命” 概念的真正興起和全球化傳播， 與全球可持 續發展面臨的壓力息息相關。具體來說： ?一是至 20世紀 80 年代，石油和其他化石能源的日漸枯竭， 及隨 之而來的全球氣候變化給人類的持續生存帶來了危機。 二是化石燃料 驅動的原有工業經濟模式， 不再能

14、支撐全球的可持續發展， 需要尋求 一種使人類進入“后碳”時代的新模式。 3D 打印技術適逢其會，以 綠色、節能、低碳、環保的全新姿態迅速得到了全球政府和機構的認 可和信賴。 ?3D 打印采用的是加法式制造技術，區別與傳統的減法式、銑削 式制造方式， 基本上是生產多少重量的東西， 所耗費的也就是同等重 量的材料， 因此所耗費的材料明顯減少； 個性化定制以后也不產生產 品庫存， 可以在減少碳排放和原材料消耗的前提下， 保持更高的生產 效率。3D打印的原材料使用僅為傳統生產方式的1/10，這在如今資源珍貴的時代無疑具備巨大優勢。4. 3D 打印能有效促進工業設計產業的發展，而全球制造業未來 的競爭在

15、于高附加值的設計環節原先的制造業是生產、 加工環節制約著研發設計環節， 新產品的 研制從一開始就需要考慮到最終能否被生產出來；而 3D 打印技術對 于產品設計沒有限制，只要能設計得出來，完成 CAD建模，任何結構 和形狀都可以被生產出來， 如此一來， 工業設計方面的創意和能量將 被無限釋放， 誰具備突出的工業設計能力， 誰就將成為未來全球制造 業的領頭羊， 創造高額利潤。 中國制造業， 如果還是停留在國外設計、 國內制造或者來料加工的階段， 那么未來只能在低附加值的加工制造 環節上苦苦掙扎， 因此，中國政府和制造業的有識之士都已經開始積 極呼吁和大力傳播 3D 打印技術，國內的工業設計教育和產

16、業也得到 了越來越多的關注和重視。國內 3D 打印技術市場現狀3D 打印技術在國外已經開始被廣泛應用在各領域，幫助人們提 高開發效率，降低生產成本， 3D 打印機已經開始普及開來。而在國內，由于起步較晚，目前還被能夠得到廣泛普及，主要原 因體現在：1、市場培育還有一長段路要走。目前，我國多數制造企業尚未 接受“數字化設計”、“批量個性化生產”等先進制造理念，對 3D 打印這一新興技術的戰略意義認識不足， 不了解到這種新興技術能夠 做什么，可以創造多大的價值。2、企業級、專業級的3D打印設備及其材料還比較昂貴，客戶接 受程度低。雖然目前市面上已經有一些價格低至幾千元的 3D打印機， 但是這種入門

17、級的3D打印機更多適合個人、發燒友購買使用，很難 用于工業制造、 建設工程等領域， 更別說航空航天和醫療等專業應用 了。而專業級的3D打印設備動輒幾十萬乃至上百萬，讓許多關注 3D 打印技術的企業望而卻步。3、材料種類還不是足夠豐富，也限制了 3D打印技術的推廣。盡 管就塑料材料來說，就已經有上百種之多，從彈性的到剛性的，從遇 熱融化的到耐高溫的， 從透明的到不透明的， 從生物相容性的到可鑄 造的，種類繁多，但是目前依然比不上傳統制造所擁有的材料種類。4. 三維數字化技術尚未普及，也限制了 3D打印機的市場空間。 因為 3D 打印的前提是計算機里面有一個三維數據可供打印，而三維 數據的獲取和創

18、建對于普通大眾來說還是一個技術活。 國內專業數字 化領域實力最強的是杭州先臨三維科技股份有限公司， 他們自主研發 了多種面向不同應用領域的三維掃描儀， 可以幫助快速獲取物體的三 維數據，輸出的STL數字模型就可以用于3D打印，比起CAD建模來 門檻更低、速度更快。目前，現在市面上已經有十幾種不同的 3D打印機成型技術，包 括 SLS DMLS FDM SLA DLP FFF MEM LOM EBM SHS 3DP等, 不同技術類型的3D打印機打印出成品所需要的材料是不同的，其中 比較成熟的有 SLS FDM SLA LOM和3DP等。3.1?SLA (Stereo?lithography?Ap

19、pearanee ) ?SLA?即立體光固化成型法，用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料（液態光敏樹脂原料）表面，使之由點到線，由線到面順序凝固,完成一個層面的繪圖作業，然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高 度，再固化另一個層面。這樣層層疊加構成一個三維實體。圖2?SLA技術成型原理圖3.2?FDM （Fused?Deposition?Modeling ）?FDM即熔積成型法，該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、 低熔點合金絲）為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫 度（約比熔點高1C），在計算機的控制下，噴頭作平面運動，將熔 融的材料涂覆在工作臺上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后， 噴頭上移一層高度，進行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。圖3?FDM技術成型原理圖3.3?SLS?（ Selective?Laser?Sintering）?SLS即選擇性激光燒結，其整個工藝裝置由粉末缸和成型缸組成, 工作時粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞 （工作活塞）上均勻鋪上一層，計算機根據原型的切片模型控制激光 束的二維掃描軌跡，有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層 面。粉末完成一層后，工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統鋪上新粉。 控制激光束再掃描燒結新層。如此循環往復，層層疊加，直到三維零 件成型。最后，將未燒結的粉末回收到粉末缸中，并取出成型