增材制造简介

主要内容1、增材制造的概述2、增材制造的原理与方法3、3D打印发展与现状4、4D打印技术增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多种称谓，其内涵仍在不断深化，外延也不断扩展，这里所说的“增材制造”与“快速成形”、“快速制造”意义相同。工业化的LSF-V大型激光立体成形装备所谓数字化增材制造技术就是一种三维实体快速自由成形制造新技术，它综合了计算机的图形处理、数字化信息和控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高技术的优势，学者们对其有多种描述。西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东教授称这种新技术为“数字化增材制造”，中国机械工程学会宋天虎秘书长称其为“增量化制造”，其实它就是不久前引起社会广泛关注的“三维打印”技术的一种。西方媒体把这种实体自由成形制造技术誉为将带来“第三次工业革命”的新技术。关桥院士提出了“广义”和“狭义”增材制造的概念（如图所示），“狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系；而“广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。如果按照加工材料的类型和方式分类，又可以分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等（如图所示）。一是材料单元的控制技术。即如何控制材料单元在堆积过程中的物理与化学变化是一个难点，例如金属直接成型中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界气氛控制直接影响制造精度和制件性能。二是设备的再涂层技术。增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序，再涂层的工艺方法直接决定了零件在累加方向的精度和质量。分层厚度向0.01mm发展，控制更小的层厚及其稳定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的关键。三是高效制造技术。增材制造在向大尺寸构件制造技术发展，例如金属激光直接制造飞机上的钛合金框睴结构件，框睴结构件长度可达6m，制作时间过长，如何实现多激光束同步制造，提高制造效率，保证同步增材组织之间的一致性和制造结合区域质量是发展的难点。此外，为提高效率，增材制造与传统切削制造结合，发展材料累加制造与材料去除制造复合制造技术方法也是发展的方向和关键技术。工艺方法的大变革△M＜0（减材）材料去除（车、铣、刨、磨）△M=0（等材）材料成型（锻、铸、焊、塑）△M＞0（增材）材料累加（3D打印、快速成型、快速制造、复材铺层工艺）信息化制造的代表全数字化制造全柔性制造：任意形状和内部结构控形柔性：材料与外形一体化高度自动化、智能化、网络化技术名称的变化原理：目前增材制造的主要方法就是3D打印技术（3DPrinting），它的基本原理是，把一个通过设计或者扫描等方式做好的3D模型按照某一坐标轴切成无限多个剖面，然后一层一层的打印出来并按原来的位置堆积到一起，形成一个实体的立体模型。优势：1.制造复杂物品。（没有传统加工的限制）2.产品多样化不增加成本。（一台打印机，不需要改动模具）3.生产周期短。（最大的优点）4.零技能制造。（相对于传统制造所需要的操作技能很少）5.不占空间，便携制造。（可应用于灾区，战场）6.节省材料。（没有废料、回料等）7.精确的实体复制。（3D照相馆）缺点：1.材料限制：目前可用材料有限，无法支持各种各样的材料。2.机器限制：对机器要求高，无法打印动态物体。3.花费负担：成本昂贵，暂时难以进入大众家庭。1.SLA(光固化技术)：立体光固化成型工艺(StereolithographyApparatus，SLA)，又称立体光刻成型。原理：液槽中会先盛满液态的光敏树脂，氦—镉激光器或氩离子激光器发射出的紫外激光束在计算机的操纵下按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描，这使扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化从形成工件的一个薄层。当一层树脂固化完毕后，工作台将下移一个层厚的距离以使在原先固化好的树脂表面上再覆盖一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平然后再进行下一层的激光扫描固化。优点：1.成型过程自动化程度高。2.尺寸精度高。SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm。3.表面质量优良。4.系统分辨率较高，可以制作结构比较复杂的模型或零件。缺点：1.零件较易弯曲和变形，需要支撑。2.设备运转及维护成本较高。3.可使用的材料种类较少。4.液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护。5.液态树脂固化后的零件较脆、易断裂。2.SLS(粉末烧结技术)：选择性激光烧结工艺(SelectiveLaserSintering，SLS)。原理：先采用压辊将一层粉末平铺到已成型工件的上表面，数控系统操控激光束按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射而使粉末的温度升至熔化点，从而进行烧结并于下面已成型的部分实现粘合。当一层截面烧结完后工作台将下降一个层厚，这时压辊又会均匀地在上面铺上一层粉末并开始新一层截面的烧结，如此反复操作直接工件完全成型。优点：1.可直接制作金属制件(独有)；2.材料选择广泛;3.可制造复杂构件或模具；4.不需要增加基座支撑；5.材料利用率高。缺点：1.样件表面粗糙，呈现颗粒状;2.加工过程会产生有害气体。3.FDM(熔融沉积技术)：熔融沉积成型工艺(FusedDepositionModeling，FDM)是继LOM工艺和SLA工艺之后发展起来的一种3D打印技术。原理：将丝状的热熔性材料进行加热融化，通过带有微细喷嘴的挤出机把材料挤出来。喷头可以沿X轴的方向进行移动，工作台则沿Y轴和Z轴方向移动(当然不同的设备其机械结构的设计也许不一样)，熔融的丝材被挤出后随即会和前一层材料粘合在一起。一层材料沉积后工作台将按预定的增量下降一个厚度，然后重复以上的步骤直到工件完全成型。优点：1.整个系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。可以使用无毒的原材料，设备系统可在办公环境中安装使用；2.工艺干净、简单、易于操作且不产生垃圾；3.独有的水溶性支撑技术，使得去除支撑结构简单易行，可快速构建瓶状或中空零件以及一次成型的装配结构件；4.原材料以材料卷的形式提供，易于搬运和快速更换；5.可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料ABS、PC、PPSF以及医用ABS等。缺点：1.成型精度相对SLA工艺较低，精度0.178mm；2.成型表面光洁度不如SLA工艺；3.成型速度相对较慢。4.3DP(3D喷射打印技术)：聚合物喷射技术是以色列Objet公司于2000年初推出的专利技术，PolyJet技术也是当前最为先进的3D打印技术之一。原理：3D打印材料以超薄层被喷射到构建托盘上，用紫外线固化，并且可以同时喷射两种不同机械特性的材料。完成一层的喷射打印和固化后，设备内置的工作台会极其精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化。就这样一层接一层，直到整个工件打印制作完成。优点：1.同时制作两种及以上材料组合件；2.皮革纹理清晰，尤其适合内饰件试制(方向盘、扶手、排档等)；3.密封条、密封圈试制；4.一次性制作复杂分总成零件；5.更细致表现细节；6.内外饰小模型制作。缺点：材料强度受限制。5.PUG(真空注型技术)：真空注型技术基于硅胶模而翻制样件的技术，硅胶模制造工艺是一种比较普及的快速模具制造方法。原理：在真空状态下，将液态硅橡胶浇注到模框中，液态硅橡胶在真空负压的作用下，释放气泡并牢固地贴敷在原型表面，固化后形成硅橡胶模具；再次在真空状态下，将液态浇注料浇注到硅橡胶模具的空腔中，液态浇注料在真空负压的作用下，释放气泡并固化，最终形成所需的零件。优点：1.小批量生产；2.工艺相对简单，易操作；3.只需简易硅胶模，制作时间短；4.可选择多种材料。缺点：1.类批量材料在性能上受限制；2.易发生起泡、缺料等表面缺陷。3D打印技术出现在20世纪90年代中期，自从1986年美国科学家CharlesHull开发了第一台商业3D印刷机，目前该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。1986年，美国科学家CharlesHull开发了第一台商业3D印刷机。1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机SpectrumZ510由ZCorp公司研制成功。2010年11月，美国JimKor团队打造出世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。2011年6月6日，发布了全球第一款3D打印的比基尼。2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。2013年10月，全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪。1.应用于快速铸造技术-陶瓷型铸造东方气轮机厂：空心涡轮叶片嘉陵集团：摩托车发动机缸头2.应用于生物医疗-骨、关节替代物2001年首例，钛合金颌骨替代物第四军医大骨科：钛合金膝关节置换3.应用于航空航天-飞机风洞模型测力-时间缩短30-50%，成本降低10-30%测压-时间缩短60-70%，成本降低40-50%4.应用于建筑和艺术-创意产品开发艺术模型：满城尽带黄金甲建筑模型第三次工业革命--标准？正在重塑全球制造业竞争格局•美国《时代》周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”•英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”改变未来生产和生活模式•社会化制造•那么每个人都会成为一个工厂•它将改变制造商品的方式•并改变世界的经济格局•进而改变人类的生活方式4D打印技术与3D打印技术从字面相比较，多了一个“D”，多出的这个“D”是指时间纬度，准确地说是一种新型能够自动变形的材料，不需要借助于任何复杂的机电设备，就能够按照事先所设计的产品自动折叠成相应的形状，并满足性能要求。4D打印的关键是记忆合金，4D打印由MIT（MassachusettsInstituteofTechnology，麻省理工学院）与Stratasys（斯特塔西有限公司）教育研发部门合作研发的一种能让材料快速成型的革命性新技术。2013年2月25号，在美国加州举办的TED2013大会上，来自美国麻省理工学院的斯凯拉·蒂比茨展示了4D打印技术。在展示过程中，一根复合材料在水中完成了自动变形。据介绍，这根复合材料由3D打印机“打印”，所使用的原材料为一根塑料和一层能够吸水的“智能”材料。尽管4D打印技术出现的时间还非常短，但这并不影响它的发展。这不，美国麻省科技设计公司“NervousSystem”2015年研发出一种利用4D打印技术，制造弹性贴身布料，并打印出了全球第一件“4D裙”。该裙子就解决了不合身的问题，并且会根据穿戴者的体型情况进行自我改变。更神奇的是还可以自动变化造型，这或许正是女性衣柜里缺的那件衣服。而制作该裙子的布料纤维由2279个三角形和3316个连接点相扣而成，三角形与连接点之间的拉力，可随人体形态变化，即使变胖或变瘦，4D裙也不会不合身。每条裙需48小时制作，造价则达1900英镑(约合人民币18393元)。2016年3月28日，第四军医大学第二附属医院唐都医院胸腔外科利用国际最新技术,成功把一个4D打印的支架放置在气管外侧,完成一例因气管狭窄导致呼吸困难的手术案例。女性患者吴某今年46岁,因气管软化性狭窄,长期呼吸、排痰困难,危及生命。因为狭窄处位于胸腔内,且长度为6厘米,超过了气管切除的极限长度；其次,最窄处仅有3毫米,放置内支架几乎是不可能的。唐都医院联合了第四军医大学3D打印研究中心、西安交通大学机械工程学院,为患者量身制作了以生物材料