1、 4/4學科前沿專題講座課程報告 湖南工程學院 學科前沿專題講座課程報告 報告名稱3D打印技術 學號 班級 姓名 任課老師 2013年12 月17 日 3D打印技術前沿報告 接形成最終產品的一種制造理念。 3D打印技術，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。 “3D打印”稱呼起源于1990年美國麻省理工學院申請的“三維印刷技術”專利。該學院的四名科研人員從噴墨打印機原理出發(fā)，研制出一種能在平鋪著“塑料”粉末的平面上噴灑各種顏色“膠水”的打印機。當打印生成一層平面后，在平面上薄薄地鋪一層新粉末，再繼續(xù)打印。打印完畢后，吹走多余的粉末，就

2、能得到一個彩色的實體物品。自這項專利見諸報端后，所有的增材制造技術就逐漸被媒體統稱為“3D打印”了。 可見，“3D打印技術”，是基于增材制造理念，利用先進的信息技術、精密機械技術和材料科學，進行快速成型的新興制造技術。也是快速成型技術的通俗稱呼。 三、“3D打印”原理及技術類型 “3D打印技術”的基本原理，是在計算機控制下，對部件生成三維信息，控制多維成型系統，將材料由點到面，逐層疊加堆積形成零件或部件。快速成型技術類型主要包括以下幾種類型： 1.光固化成形，SLA(Stereo lithography Apparatus)工藝也稱光造型、立體光刻及立體印刷，其工藝過程是以液態(tài)光敏樹脂為材料充

3、滿液槽，由計算機控制激光束跟蹤層狀截面軌跡，并照射到液槽中的液體樹脂，而使這一層樹脂固化，之后升降臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，然后再進行新一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復直到整個零件制造完畢，得到1個三維實體模型。該工藝的特點是：原型件精度高，零件強度和硬度好，可制出形狀特別復雜的空心零件，生產的模型柔性化好，可隨意拆裝，是間接制模的理想方法。缺點是需要支撐，樹脂收縮會導致精度下降，另外光固化樹脂有一定的毒性而不符合綠色制造發(fā)展趨勢等。 2.分層實體制造，LOM(Laminated Object Manufacturing)工藝或稱為疊層實體制造，其工藝原

4、理是根據零件分層幾何信息切割箔材和紙等，將所獲得的層片粘接成三維實體。其工藝過程是：首先鋪上一層箔材，然后用CO，激光在計算機控制下切出本層輪廓，非零件部分全部切碎以便于去除。當本層完成后，再鋪上一層箔材，用滾子碾壓并加熱，以固化黏結劑，使新鋪上的一層牢固地粘接在已成形體上，再切割該層的輪廓，如此反復直到加工完畢，最后去除切碎部分以得到完整的零件。該工藝的特點是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點是前、后處理費時費力，且不能制造中空結構件。 3.選擇性激光燒結，SLS(Selective Laser Sintering)工藝，常采用的材料有金屬、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作為成形材料

5、。其工藝過程是：先在工作臺上鋪上一層粉末， 在計算機控制下用激光束有選擇地進行燒結(零件的空心部分不燒結，仍為粉末材料)，被燒結部分便固化在一起構成零件的實心部分。一層完成后再進行下一層，新一層與其上一層被牢牢地燒結在一起。全部燒結完成后，去除多余的粉末，便得到燒結成的零件。該工藝的特點是材料適應面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、金屬、蠟等材料的零件。造型精度高，原型強度高，所以可用樣件進行功能試驗或裝配模擬。 4.燒融沉積成形，FDM(Fused Deposition Manufacturing)工藝又稱為熔絲沉積制造，其工藝過程是以熱塑性成形材料絲為材料，材料絲通過加熱器的擠壓頭熔化

6、成液體，由計算機控制擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準確運動，使熔化的熱塑材料絲通過噴嘴擠出，覆蓋于已建造的零件之上，并在極短的時間內迅速凝固，形成一層材料。之后，擠壓頭沿軸向向上運動一微小距離進行下一層材料的建造。這樣逐層由底到頂地堆積成一個實體模型或零件。該工藝的特點是使用、維護簡單，成本較低，速度快，一般復雜程度原型僅需要幾個小時即可成型，且無污染。 除了上述4種最為熟悉的技術外，還有許多技術也已經實用化，如三維打印技術、光屏蔽工藝、直接殼法、直接燒結技術、全息干涉制造等。 三維打印：3D-P（Three-Dimensional Printing），也稱粉末材料選擇性粘結。噴頭在計算機控制下

7、，按照截面輪廓信息，在鋪好的一層粉末材料上，有選擇性地噴射粘結劑，使部分粉末粘結，形成截面層。一層完成后，粉末下降一個層厚，鋪粉，噴粘結劑，再進行后一層的粘結，如此往復，形成三維產品。得到的制件，放到加熱爐內，進一步固化或燒結，以提高粘結強度。 固基光敏液相：SGC（Solid Ground Curling）。每層的固化由五部來完成：添料-掩膜紫外光曝光-清除多余的未固化的液體料-向空隙處填蠟料和磨平。 熱塑性材料選擇性噴灑：采用兩個噴嘴，一個噴熱塑性材料，另一個噴支撐成型件的蠟。兩個噴嘴根據截面輪廓信息，在計算機控制下可以做X-Y平面運動，選擇性噴灑熱塑性材料和蠟，兩種材料在工作臺基底上迅速

8、冷卻形成固態(tài)截面層和支撐結構。隨后用一刀具銑平上表面，控制在預定的高度上，每層截面成型后，平臺下降一層的高度，再進行下層的噴灑，如此往復。 四、“3D打印“為何這么火 在歐美，注重創(chuàng)造力的發(fā)達國家，3D打印技術已經成功商用，尤其是消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)。它們不光可以離開傳統的大規(guī)模機床來制造小數量的部件，而且可以用不同方法來制造，比如單個制作噴氣式飛機上的空氣動力導管，而不再需要很多不同的元件來組裝它。 用發(fā)展的眼光來看，3D打印首先會影響的是模具行業(yè)。即便在國內制造行業(yè)不景氣的今天，模具行業(yè)仍然風景獨好，一方面是對技術要求高，另一方面是市場有需求，在產品大規(guī)模生產之前，必須要進行多次

9、打樣和修改。3D打印機的出現，其實是消滅了模具反復打造的流程，能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，極大地縮短產品的研制周期，大幅減少成本投入，對于一些復雜而精細的造型，3D打印機表示毫無壓力。 其次是會引發(fā)個性風潮。對一些小廠家來說，迫于模具制造的高成本，往往會采用公模來生產，雖然在功能上能滿足用戶的需求，但千篇一律的造型，很難迎合時下個性化的發(fā)展趨勢，所以賣不出高價，只能靠低價來吸引消費者。在機械化和流水線盛行的年代，人們對于手工的東西有特別的親切感，即便價格昂貴數倍，也不愁找不到買家，原因是手工制作不可能有相同的，而且品質有保證。3D打印機的出現，一方面滿足人們對個性化產品的追求欲

10、，完全可以量身定制，另一方面在大大提高生產效率的同時，還能降低成本。 第三是激發(fā)了人的想象力。極客牙醫(yī)用它進行牙齒正畸和數字化種牙，減少風險和痛苦；外科醫(yī)生更厲害，直接打印骨頭，只不過把材料換成添加了硅和鋅磷酸鈣，用于臨床手術；汽車維修公司用它來打印稀缺的汽車零部件，原先要等全球物流下2個月才到的一個東西，1個小時搞定了；英國科學家還在3D打印機的基礎上成功改造，使用液態(tài)巧克力作為“油墨”，可以打印各種形狀的巧克力，幾乎所有人都相信，3D打印機會成為食品界殺手級工具。 五、“3D打印技術”的發(fā)展與應用 1.發(fā)展應用概況 1984年美國開發(fā)出“3D打印技術”；1985年，在五角大樓主導下，美國秘

11、密開始了鈦合金激光成形技術研究，1992年這項技術才公之于眾。由于在制造過程中鈦合金變形、斷裂的技術難題無法解決，美國始終無法生產高強度、大尺寸的激光成形鈦合金構件。2005年，美國從事鈦合金激光成型制造業(yè)務的商業(yè)公司Aeromet由于始終無法生產出性能滿足主承力要求的大尺寸復雜鈦合金構件，沒能實現有價值的市場應用而倒閉。美國的其他國家實驗室也無法攻克這一難題，只能進行小尺寸鈦合金部件的打印或進行鈦合金零件表面修復。 我國于1999年開始金屬零件的激光快速成形技術研究，在國家“863”、“973”計劃、國家自然科學基金重點項目等的大力支持下，集中開展了鎳基高溫合金及多種鈦合金的成形研究，形成了

12、多套具有工業(yè)化示范水平的激光快速成形系統和裝備；掌握了金屬零件激光快速成形的關鍵工藝及組織性能控制方法，所成形的TC4、TA15、TA12等鈦合金及Inconel 718合金的力學性能均達到或超過鍛件的水平，為該技術在上述材料零件的直接制造方面 奠定了基礎；近年來，我國在飛機鈦合金大型整體結構件的激光快速成形方面取得了重要突破，有效解決了激光快速成形鈦合金大型整體結構件的變形開裂及內部質量控制兩大技術難題，通過對鈦合金零件凝固組織的有效控制，所成形的飛機鈦合金結構件的綜合力學性能達到或超過鈦合金模鍛件，已通過裝機評審并得到應用。 中國已具備了使用激光成形超過12平方米的復雜鈦合金構件的技術和能

13、力，成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件制造、應用的國家。早在2000年前后，中航激光技術團隊就已開始投入“3D激光焊接快速成型技術”研發(fā)，解決了多項世界技術難題、生產出結構復雜、尺寸達到4米量級、性能滿足主承力結構要求的產品在我國殲-15等新機的研制中，鈦合金和M100鋼的“3D打印技術”在主承力部分，包括整個前起落架得到應用。 中國西北工業(yè)大學正嘗試用“電子束熱熔”技術制造飛機用鈦合金零件；2012年度中國國家技術發(fā)明一等獎獲獎項目正是“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”。 另外，隨著“3D打印”設備、材料及應用軟件技術的開發(fā)，該技術在民用領域也得到應用，如： （1）.

14、工業(yè)企業(yè)新產品設計、試制及快速打印成形； （2）.個性化產品設計及快速打印制造； （3）.各種創(chuàng)意產品、玩具、禮物、文物、動漫游戲角色及人物模型等克隆復制；（4）.3D照相館； （5）.醫(yī)療行業(yè)人體器官、醫(yī)療器械打印； （6）.建筑模型制作； （7）.教育、科研等。 2.市場狀況 2010年全球3D打印設備市場規(guī)模達13.25億美元,其中服務收入6.51億美元；國際增材制造行業(yè)發(fā)展報告顯示，3D打印技術2011年全球直接產值為17.14億美元，年增長達29.1%；制造領域國際權威報告沃勒斯報告2012顯示，截至2011年，全球累計銷售4.9萬臺工業(yè)級3D打印機，其中近四分之三由美國制造，以色列

15、和歐洲各國的份額分別為9.3和10.2，中國生產的設備僅占3.6，與日本相當；工業(yè)級3D打印機售價多在四、五十萬元,高的上百萬元；華中科技大學史玉升科研團隊經過十多年努力，已研發(fā)出全球最大的“3D打印機”,這一“3D打印機”可加工零件長寬最大尺寸均達到1.2米,從理論上說，只要長寬尺寸小于1.2米的零件（高度無需限制），都可通過這部機器“打印”出來,如今，該設備被國內外200多家用戶購買使用，每臺價格從幾十萬元到200多萬元不 等。與此同時民用3D打印機市場也快速掘起,國內有家叫北京太爾時代公司生產的個人消費級3D打印機UP2010年全球銷量僅200臺，這一數字在2012年已直逼3000臺,售價僅在萬元左右。 目前全球有兩家3D打印機制造服務巨頭,Stratasys和3DSystems,均在美國納斯達克上市,2011年營業(yè)收入分別為1.7億美元和2.9億美元,2012年股價分別翻了2倍和3倍。在中國比較有名的是華中科技大學濱湖機電公司、銘展科技、太爾時