1、工程訓(xùn)練I大作業(yè)-3D打印機(jī)的技術(shù)原理學(xué)院名稱 專業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 成 績(jī) 2018年03月18日1 / 213D打印機(jī)的技術(shù)原理 3D打印（3D printing），是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”。運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的主要流程是：應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件，設(shè)計(jì)出立體的加工樣式，然后通過(guò)特定的成型設(shè)備（俗稱“3D打印機(jī)”），用液態(tài)、粉末、絲狀的固體材料逐層“打印”出產(chǎn)品。   3D打印是“增材制造”（Additive Manufacturing）的主要實(shí)現(xiàn)形式。“增材制造”的理念區(qū)別于傳統(tǒng)的

2、“去除型”制造。傳統(tǒng)數(shù)控制造一般是在原材料基礎(chǔ)上，使用切割、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(chǎn)品。而“增材制造”與之截然不同，無(wú)需原胚和模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過(guò)疊加材料的方法生成任何形狀的物體，簡(jiǎn)化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并降低成本。 國(guó)際上喜歡用“Additive Manufacturing”（簡(jiǎn)稱AM）來(lái)表示3D打印技術(shù)，國(guó)內(nèi)專業(yè)術(shù)語(yǔ)是增量制造、增材制造或添加制造。2009年美國(guó)ASTM成立了F42委員會(huì)，將AM定義為：“Process of joining 

3、materials to make objects from 3d model data,usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies.” 即：一種與傳統(tǒng)的材料去處加工方法截然相反的，通過(guò)增加材料、基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通常采用逐層制造方式，直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維物理實(shí)體模型的制造方法。 

4、目前主流的3D打印技術(shù)有：  1、 SLS激光粉末燒結(jié)成型（Se1ected Laser Sintering）； 2、 3DP三維打印（3Dimension Printer）；  3、SLA激光光固化（Stereo lithography）； 4、FDM熔融沉積造型（Fused Deposition Modeling）  3D打印機(jī)的用途，能夠?qū)崿F(xiàn)哪些功能  3D打印能夠發(fā)揮的作用，按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的流程來(lái)說(shuō)：  &

5、#160;3D打印不僅僅可以快速制作設(shè)計(jì)原型，從最初的概念設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品制造，3D打印在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)都具備變革性優(yōu)勢(shì)。  許多企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期，就會(huì)使用3D打印設(shè)備快速制作足夠多的模型用于評(píng)估，不僅節(jié)省了時(shí)間，而且減少了設(shè)計(jì)缺陷。隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的進(jìn)展，他們會(huì)采用3D打印反復(fù)制作手板模型用于設(shè)計(jì)溝通、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、裝配測(cè)試和宣傳展示，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能改善、生產(chǎn)成本降低、品質(zhì)更好、市場(chǎng)接受度提升的目標(biāo)。在產(chǎn)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(lái)的樣品可以用于宣傳展示、市場(chǎng)調(diào)查、試銷售等。而在產(chǎn)品量產(chǎn)環(huán)節(jié)，也已經(jīng)有越來(lái)越多的企業(yè)在采用3D打印方式

6、來(lái)加快交付周期、降低個(gè)性化定制價(jià)格、改善產(chǎn)品交付質(zhì)量，以及提高生產(chǎn)效率。 3D打印能夠發(fā)揮的作用，按照不同應(yīng)用行業(yè)來(lái)說(shuō)：  近年來(lái)，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，通過(guò)與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段結(jié)合，該技術(shù)已成為現(xiàn)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(yī)學(xué)、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用，在工程和教學(xué)研究等應(yīng)用領(lǐng)域也占有獨(dú)特地位。具體應(yīng)用領(lǐng)域包括：1、 工業(yè)制造：產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、原型制作、產(chǎn)品評(píng)審、功能驗(yàn)證；制作模具原型或直接打印模具，直接打印產(chǎn)品。3D打印的小型無(wú)人飛機(jī)、小型汽車等概念產(chǎn)品已問(wèn)世。3D打印的家用器具模型，也被用

7、于企業(yè)的宣傳、營(yíng)銷活動(dòng)中； 2、 文化創(chuàng)意和數(shù)碼娛樂(lè)：形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊的藝術(shù)表達(dá)載體。科幻類電影阿凡達(dá)運(yùn)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(guó)防軍工：復(fù)雜形狀、尺寸微細(xì)、特殊性能的零部件、機(jī)構(gòu)的直接制造； 4、生物醫(yī)療：人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等； 5、消費(fèi)品：珠寶、服飾、鞋類、玩具、創(chuàng)意DIY作品的設(shè)計(jì)和制造； 6、建筑工程：建筑模型風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模擬； 7、教育：模型驗(yàn)證科學(xué)假設(shè)，用于不同學(xué)科實(shí)驗(yàn)、教學(xué)。在北美的一些中學(xué)、普通高校和軍事院校，

8、3D打印機(jī)已經(jīng)被用于教學(xué)和科研；  8、個(gè)性化定制：基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)下載、電子商務(wù)的個(gè)性化打印定制服務(wù)。   什么樣的三維數(shù)據(jù)才能夠用于3D打印     3D打印的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式STL      STL（Stereo Lithography Interface Specification）格式是目前3D打印/增材制造設(shè)備使用的通用接口格式，是由美國(guó)3Dsystems公司于1988年制定的一個(gè)接口協(xié)議，是一種為3

9、D打印/增材制造技術(shù)服務(wù)的三維圖形文件格式，目前已成為3D打印/增材制造的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)格式。    STL格式是存儲(chǔ)三維模型信息的一種簡(jiǎn)單方法，它將復(fù)雜的數(shù)字模型以一系列的三維三角形面片來(lái)近似表達(dá)。STL模型是一種空間封閉的、有界的、正則的唯一表達(dá)物體的模型，具有點(diǎn)、線、面的幾何信息，能夠輸入給增材制造設(shè)備，用于快速制作實(shí)物樣品。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，STL文件格式也得到了各CAD/CAM軟件公司的廣泛支持。在醫(yī)學(xué)、自然科學(xué)和工程領(lǐng)域里，STL技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。     利用三維掃描儀等三維

10、數(shù)字化工具對(duì)物理原型進(jìn)行多方位三維掃描，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理與優(yōu)化，得到物體完整的三維數(shù)據(jù)模型，對(duì)該數(shù)據(jù)模型進(jìn)行表面三角形小平面化處理，類似于有限元的網(wǎng)格劃分，即用許多空間三角形面片來(lái)逼近CAD模型，當(dāng)三角形面片小到一定程度，其近似性可達(dá)到工程允許的精度范圍內(nèi)，其數(shù)據(jù)文件稱為STL文件，可以直接輸入3D打印/增材制造設(shè)備，用于3D打印/增材制造。  STL文件格式化對(duì)3D打印/增材制造精度影響  3D打印時(shí)，由于要將復(fù)雜的三維加工轉(zhuǎn)化為一系列簡(jiǎn)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3

11、D打印機(jī)本身而言，可以將X、Y、Z三方向的運(yùn)動(dòng)位置精度控制在微米級(jí)水平，因而能得到精度相當(dāng)高的工件。因此，特別在加工復(fù)雜的自由曲面及內(nèi)型腔時(shí)，3D打印/增材制造比傳統(tǒng)的加工方法表現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢(shì)。然而影響工件最終精度的因素不僅有3D打印機(jī)本身的精度，還有一些其它因素，其中比較重要的是CAD模型的前期處理造成的誤差。對(duì)于絕大多數(shù)增材制造設(shè)備而言，開始成型前，必須對(duì)工件的三維CAD模型進(jìn)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(yè)事實(shí)上的通用標(biāo)準(zhǔn)。在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力足夠的前提下，進(jìn)行STL格式化時(shí)，應(yīng)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

12、，這樣可以降低由STL格式化所帶來(lái)的誤差影響。   中國(guó)3D打印前景展望   3D打印機(jī)對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)會(huì)帶來(lái)哪些沖擊   3D打印產(chǎn)業(yè)上游包括材料技術(shù)、控制技術(shù)、光機(jī)電技術(shù)、軟件技術(shù)，中游是立足于信息技術(shù)的數(shù)字化平臺(tái)，下游涉及國(guó)防科工、航空航天、汽車摩配、家電電子、醫(yī)療衛(wèi)生、文化創(chuàng)意等行業(yè)，其發(fā)展將會(huì)深刻影響先進(jìn)制造業(yè)、工業(yè)設(shè)計(jì)業(yè)、生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng)意業(yè)、電子商務(wù)業(yè)及制造業(yè)信息化工程。       3D打印機(jī)給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)的沖擊，大致

13、有以下幾點(diǎn)：  1、3D打印技術(shù)的發(fā)展?jié)M足了消費(fèi)者的需求，將導(dǎo)致工業(yè)制造模式的變化      相比生產(chǎn)大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的模具制造，3D打印可以在一定約束下隨意生產(chǎn)制作個(gè)性化產(chǎn)品，可稱之為“大規(guī)模定制制造模式”，是以互聯(lián)網(wǎng)為支撐的智能化大規(guī)模定制的方式，或者是“分散生產(chǎn)，就地銷售”方式，標(biāo)志著個(gè)性化消費(fèi)時(shí)代的到來(lái)。從前，消費(fèi)者都是在店里挑選、購(gòu)買已經(jīng)生產(chǎn)好的商品，現(xiàn)在則可以根據(jù)各自的需求，在“3D打印店”定制，邊生產(chǎn)邊體驗(yàn)，及時(shí)獲得自己喜歡的產(chǎn)品。  2. 3D打印技術(shù)具備傳統(tǒng)模具制造沒(méi)

14、有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)  3D打印技術(shù)是不受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和形狀的限制的，任何復(fù)雜的造型和結(jié)構(gòu)，只要有CAD數(shù)據(jù)，都可以輕松完成，這樣就給個(gè)性化、定制化提供了可能性；而且使用3D打印技術(shù)，是不需要開模具的，實(shí)現(xiàn)了無(wú)模化制造，可使新產(chǎn)品研制的成本下降為傳統(tǒng)方式的1/3-1/5 ，周期縮短為1/5-1/10 。再加上3D打印設(shè)備大部分可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、24小時(shí)不間斷加工，也就為廠商節(jié)約了人工成本，提高了生產(chǎn)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(shù)據(jù)泄密和時(shí)間跨度，尤其適合一些高保密性的行業(yè)，如軍工、核電領(lǐng)域。 

15、 3D打印技術(shù)“打印”的產(chǎn)品是自然無(wú)縫連接的，一體成型，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。   3. 3D打印技術(shù)符合低碳環(huán)保的發(fā)展理念  “第三次工業(yè)革命”概念的真正興起和全球化傳播，與全球可持續(xù)發(fā)展面臨的壓力息息相關(guān)。具體來(lái)說(shuō)： 一是至20世紀(jì)80年代，石油和其他化石能源的日漸枯竭，及隨之而來(lái)的全球氣候變化給人類的持續(xù)生存帶來(lái)了危機(jī)。二是化石燃料驅(qū)動(dòng)的原有工業(yè)經(jīng)濟(jì)模式，不再能支撐全球的可持續(xù)發(fā)展，需要尋求一種使人類進(jìn)入“后碳”時(shí)代的新模式。3D打印技術(shù)適逢其會(huì)，以綠色、節(jié)能、低碳、環(huán)保的全新姿態(tài)迅速

16、得到了全球政府和機(jī)構(gòu)的認(rèn)可和信賴。       3D打印采用的是加法式制造技術(shù)，區(qū)別與傳統(tǒng)的減法式、銑削式制造方式，基本上是生產(chǎn)多少重量的東西，所耗費(fèi)的也就是同等重量的材料，因此所耗費(fèi)的材料明顯減少；個(gè)性化定制以后也不產(chǎn)生產(chǎn)品庫(kù)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(chǎn)效率。3D打印的原材料使用僅為傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的1/10，這在如今資源珍貴的時(shí)代無(wú)疑具備巨大優(yōu)勢(shì)。 4. 3D打印能有效促進(jìn)工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而全球制造業(yè)未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)在于高附加值的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié) 原先的制造業(yè)是生產(chǎn)、加工環(huán)節(jié)制約著研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，新產(chǎn)品的研制

17、從一開始就需要考慮到最終能否被生產(chǎn)出來(lái)；而3D打印技術(shù)對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)沒(méi)有限制，只要能設(shè)計(jì)得出來(lái)，完成CAD建模，任何結(jié)構(gòu)和形狀都可以被生產(chǎn)出來(lái)，如此一來(lái)，工業(yè)設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)意和能量將被無(wú)限釋放，誰(shuí)具備突出的工業(yè)設(shè)計(jì)能力，誰(shuí)就將成為未來(lái)全球制造業(yè)的領(lǐng)頭羊，創(chuàng)造高額利潤(rùn)。中國(guó)制造業(yè)，如果還是停留在國(guó)外設(shè)計(jì)、國(guó)內(nèi)制造或者來(lái)料加工的階段，那么未來(lái)只能在低附加值的加工制造環(huán)節(jié)上苦苦掙扎，因此，中國(guó)政府和制造業(yè)的有識(shí)之士都已經(jīng)開始積極呼吁和大力傳播3D打印技術(shù)，國(guó)內(nèi)的工業(yè)設(shè)計(jì)教育和產(chǎn)業(yè)也得到了越來(lái)越多的關(guān)注和重視。 國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)市場(chǎng)現(xiàn)狀 3D打印技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)開始被廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域，幫助人們提高開發(fā)效率，

18、降低生產(chǎn)成本，3D打印機(jī)已經(jīng)開始普及開來(lái)。 而在國(guó)內(nèi)，由于起步較晚，目前還被能夠得到廣泛普及，主要原因體現(xiàn)在： 1、 市場(chǎng)培育還有一長(zhǎng)段路要走。目前，我國(guó)多數(shù)制造企業(yè)尚未接受“數(shù)字化設(shè)計(jì)”、“批量個(gè)性化生產(chǎn)”等先進(jìn)制造理念，對(duì)3D打印這一新興技術(shù)的戰(zhàn)略意義認(rèn)識(shí)不足，不了解到這種新興技術(shù)能夠做什么，可以創(chuàng)造多大的價(jià)值。 2、 企業(yè)級(jí)、專業(yè)級(jí)的3D打印設(shè)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(jīng)有一些價(jià)格低至幾千元的3D打印機(jī)，但是這種入門級(jí)的3D打印機(jī)更多適合個(gè)人、發(fā)燒友購(gòu)買使用，很難用于工業(yè)制造、建設(shè)工程等領(lǐng)域，更別說(shuō)航空航天和醫(yī)療等專業(yè)應(yīng)用了。而專業(yè)級(jí)的3D打印設(shè)備動(dòng)輒幾十萬(wàn)乃

19、至上百萬(wàn)，讓許多關(guān)注3D打印技術(shù)的企業(yè)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(shù)的推廣。盡管就塑料材料來(lái)說(shuō)，就已經(jīng)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(tǒng)制造所擁有的材料種類。 4 三維數(shù)字化技術(shù)尚未普及，也限制了3D打印機(jī)的市場(chǎng)空間。因?yàn)?D打印的前提是計(jì)算機(jī)里面有一個(gè)三維數(shù)據(jù)可供打印，而三維數(shù)據(jù)的獲取和創(chuàng)建對(duì)于普通大眾來(lái)說(shuō)還是一個(gè)技術(shù)活。國(guó)內(nèi)專業(yè)數(shù)字化領(lǐng)域?qū)嵙ψ顝?qiáng)的是杭州先臨三維科技股份有限公司，他們自主研發(fā)了多種面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的三維掃描儀，可以幫助快速獲取物體的三維數(shù)據(jù)，輸

20、出的STL數(shù)字模型就可以用于3D打印，比起CAD建模來(lái)門檻更低、速度更快。目前，現(xiàn)在市面上已經(jīng)有十幾種不同的3D打印機(jī)成型技術(shù)，包括SLS、DMLS、FDM、SLA、DLP、FFF、MEM、LOM、EBM、SHS、3DP等，不同技術(shù)類型的3D打印機(jī)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 Appearance） SLA 即立體光固化成型法，用特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料(液態(tài)光敏樹脂原料)表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面順序凝固，完成一個(gè)層

21、面的繪圖作業(yè)，然后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，再固化另一個(gè)層面。這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。圖2 SLA技術(shù)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(diǎn)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(diǎn)高1），在計(jì)算機(jī)的控制下，噴頭作平面運(yùn)動(dòng)，將熔融的材料涂覆在工作臺(tái)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(jìn)行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。圖3 FDM技術(shù)成型原理圖3.3 SLS （Selective Laser Sintering） SLS即選擇性激光燒結(jié)，其整個(gè)工藝裝置由粉末缸和成型缸組成，工作時(shí)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(jì)算機(jī)根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個(gè)層面。粉末完成一層后，工作活塞下降