3D打印技术

材料成形与模具技术重点实验室StateKeyLabrotoryofMaterialProcessingandDie&MouldTechnology快速成型技术（3D打印）郑小飞2013.07前言随着科学技术的发展，生产完成了从工厂业手工向机器大工业的过渡，从而改变了人们生活与工作方式。在日新月异的信息化、智能化浪潮中，人们个性化的需求意见日渐增长。未来的产业将是生产那些个性化的产品，未来的制造工厂也会渐渐被分散的个人取代，实现“社会制造”。社会制造的关键是主动、实时地将社会需求和社会制造能力有机地衔接起来，从而实现和供应之间的相互转换。而3D打印是一种可以快速实现社会需求-“数据模型”向个性化产品转化的技术，将互联网、物联网、物流网和3D打印技术组成社会制造的网络，通过众包的方式让民众充分参与产品的全生命制造过程，必会促进个性化、实时化、经济化的生产和消费模式，形成新的产业革命。3D打印模型概述快速成型(RapidPrototyping,简称RP)技术是20世纪80年代后期发展起来的,快速成型技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。其对制造业的影响可与20世纪50-60年代的数控技术相比，快速成型技术可以自动、直接、快速精确的将设计思路转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。内容3D打印技术的原理、特点3D打印典型案例与行业发展现状典型3D打印技术215343D打印技术的重大意义3D打印技术与行业的前景展望制造技术分类去除制造切削加工等切削机床受迫制造铸造、锻造等锻造机等粉、片、液体等3D打印制造装备仿生制造？？原理工艺设备方法论1.3D打印技术原理1.13D打印技术原理3D打印技术（学术界称为增材制造、快速成形等）是通过对CAD数据离散分析，得到堆积的约束、路径及方法，通过材料叠加堆积而形成三维实体模型基于离散和堆积原理也称为“叠层制造”学习3D打印技术因具备计算机基本操作知识、三维设计软件、机械基础、控制基础、网络信息等多学科知识。3D打印技术原理图快速制造原理示意图三维——二维——三维的转换CAD模型堆积成形产品1.23D打印技术特点3D打印技术变“减材”加工为“立体打印”将三维实体变为二维平面，降低制造复杂度1.23D打印技术特点特别适合复杂结构、个性化制造及创新构思的快速验证3D打印技术具有成形材料广、零件性能优的突出特点内容3D打印技术的原理、特点3D打印典型案例与行业发展现状典型3D打印技术215343D打印技术的优点3D打印技术与行业的前景展望拓展产品创意与创新空间、无需任何夹具，设计和制造一体化。：设计人员不再受传统工艺和制造资源约束，专注于产品形态创意和功能创新，在“设计即生产”、“设计即产品”理念下，追求“创造无极限”在零部件的设计上可以采用最优的结构设计，无需考虑加工问题，解决了传统的航空航天、船舶、汽车等动力装备高端复杂精细结构零部件的制造难题。2.13D打印技术为社会制造提供创新的原动力极大降低产品研发创新成本、缩短创新研发周期，提高新产品投产的一次成功率：由于简化或省略了工艺准备、试验等环节，产品数字化设计、制造、分析高度一体化，显著缩短新产品开发定型周期，降低成本，实现同步并行工程的实施。设计试验工艺准备制造缩短周期设计工艺准备制造六缸发动机缸盖传统砂型铸造工装模具设计制造周期长达5个月，3D打印只需一周便可制成。2.13D打印技术为社会制造提供创新的原动力简化制造提高产品质量与性能据悉，一架“空客A380”飞机或“波音747”飞机，分别约有450多万个零部件，从理论上说，零部件越多越不安全，结合部往往就是隐患。3D打印技术的一个明显优势就是可以将多个零部件集合成一个整体制造出来，减少零部件的数量，不但大大简化了之后的装配工作，也是其安全性和可靠性随之提高。此钛合金复杂大型主承力构件，传统制造方式需要分体制造，然后焊接，而使用激光3D打印整体可实现成形，安全性和可靠性大大提高。2.23D打印技术可提升社会制造的工艺能力能制造出传统工艺无法加工的零部件、解决常规机械加工或手工无法解决的问题，极大增强了工艺实现能力3D打印突破了结构几何约束，能够制造出传统方法无法加工的非常规结构特征，这种工艺能力对于实现零部件轻量化、优化性能有极其重要的意义。航空发动机的复杂关键零部件2.23D打印技术可提升社会制造的工艺能力提高了难加工材料可加工性，拓展了工程应用领域整体式镍合金转子生物材料人体器官修复体高能束加工陶瓷、钛合金等传统难加工材料零件拓展了高性能材料的工程应用范围；采用金属/无机/有机生物材料制成的人体器官修复体等医用零部件则拓展了工业制品的应用范围。2.23D打印技术可提升社会制造的工艺能力3D打印制造技术促进绿色制造模式非接触和无压力成形、近净成形能耗低、节约材料、污染物排放少；利用3D打印实现大型复杂零部件的修复再制造，节约资源能源。2.33D打印技术实现社会制造的绿色可持续发展关键创新思路：将零件内部设计为网状结构，替代实心，从而减少材料使用量，降低制造时间和能源消耗量。具有内部网状结构的钛合金发动机叶片材料使用量减少70%，选择性激光熔化（SLM）制造时间降低60%技术难点：（1）传统制造方法无法成形；（2）网状结构设计，优化性能。3D打印制造技术促进绿色制造模式2.33D打印技术实现社会制造的绿色可持续发展内容3D打印技术的原理、特点3D打印典型案例与行业发展现状典型3D打印技术215343D打印技术的优点3D打印技术与行业的前景展望3.2.13D打印典型案例工业：3D打印与传统铸造工艺结合，实现航空航天、汽车、国防等领域大型复杂异形关键零部件件的快速制造，实现新产品的快速低成本开发。3D打印技术加速航天航空、汽车等领域关键零部件的快速开发与制造，提高相关领域的创新能力与水平。工业：3D打印与传统模具制造工艺结合，提高复杂模具的冷却效率，减少产品缺陷，缩短制造周期，大幅降低制造成本。3.23D打印典型案例复合制造工艺随形冷却流道设计与冷却效果模拟模具冷却周期缩短68%以上，温度梯度由12℃降至4℃，缺陷率有60%将至0。工业：3D打印与传统模具制造工艺结合工业：3D打印与传统热等静压工艺结合，实现复杂难加工材料零部件的整体净近成形。3.23D打印典型案例工业：3D打印直接成形复杂高性能金属功能零部件，直接应用在航天航空、汽车等领域。3.23D打印典型案例美国AeroMet公司使用激光成形技术制造的次承力结构件在F/A-18战斗机上实现了装机验证。医疗：研究直接细胞直接打印技术，制造出血管、肝脏等软组织。3.23D打印典型案例医学上的应用3.23D打印典型案例文化创意：制造形状复杂、彩色的工艺品，可实现文物的复制以及创新的设计。3D打印制造的“火龙”工艺品栩栩如生的彩色金刚鹦鹉文物复制（西汉长裙女佣）衣:用3D打印机在家中“打印”鞋子（美国）食：用3D打印机制造巧克力、肉类3.2.13D打印国内外应用案例日常生活：3D打印已经进入我们的生活，开始影响我们的衣食住行。3.33D打印行业现状2012年3D打印行业产值增长28.6%，达到了22.04亿美金，3D打印行业连续三年增长量超过20%。3D打印行业历年产值变化（WohlersReport2013）内容3D打印技术的原理、特点3D典型案例与行业发展现状典型3D打印技术215343D打印技术的优点3D打印技术与行业的前景展望4.1快速成型典型工艺•光固化成形(StereoLithographyApparatus，简写SLA);•薄材叠层制作(LaminatedObjectManufactur-ing简写LOM)•选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，简写SLS);•熔丝沉积成形(FusedDepositionModeling，简写FDM);等四种。以下对这些典型工艺原理，特点进行简单的介绍。升降台紫外激光器光敏树脂成形零件液面Z刮平器成型原理：光照成型材料：光敏树脂截层厚度：0.04~0.07mm可控精度：0.1mm优缺点：表面质量好，精度较高；应用小件；需要支撑结构；材料有污染采用激光一点点照射光固化液态树脂使之固化的方法成形，是当前应用最广泛的一种高精度成形工艺。4.1SLA光固化（立体光刻）（成本高）华中科技大学研制的第一代SLA设备4.1光固化快速成形制造技术及其应用SLA成形的典型零件SLA成形的可装配瓶状模型4.1光固化快速成形制造技术及其应用SLA成形的微小精细结构零部件成形：约10m，1小时左右4.1光固化快速成形制造技术及其应用SLA成形的典型零件4.1光固化快速成形制造技术及其应用4.2薄材叠层制作LOM分层实体制造CO2激光器热压辊控制计算机供料轴加工平面升降台收料轴料带原理：激光切割材料：金属箔、纸；截层厚度：0.07~0.15mm精度：与切割材质有关优缺点：适合大中型制件；成型速度快；精度不高；材料浪费；废料清理困难采用激光切割箔材，箔材之间靠热熔胶在热压辊的压力和传热作用下熔化并实现粘接，一层层叠加制造原型。LOM成形的典型零件华中科技大学研制的LOM材料4.2薄材叠层快速成形制造技术及其应用华中科技大学研制的LOM设备摩托车零件4.2薄材叠层快速成形制造技术及其应用小型发动机零件原型件4.2薄材叠层快速成形制造技术及其应用4.3SLS选择性激光烧结激光器扫描镜激光束平整滚筒粉末原理：激光烧结材料：陶瓷、金属粉等等；截层厚度：0.1~0.2mm优缺点：材料使用广；适合中小型制件；成型效率不高；后处理复杂采用激光逐点烧结粉末材料，使包覆于粉末材料外的固体粘接剂或粉末材料本身熔融实现材料的粘接。为某单位成形的航空航天零部件蜡模及精密铸造钛合金零部件零件尺寸：109×109×1011mm34.3粉末材料3D打印技术及其应用摩托车引擎缸体（253.8253.7181.8mm3）SLS熔模铸造铝合金铸件非金属制件快速成形制造技术塑料制件---熔模精密铸造4.3粉末材料3D打印技术及其应用金属粉末烧结蜡件非金属制件快速成形制造技术塑料制件---熔模精密铸造大型薄壁铸件，最小壁厚3.0mm851.12523.20380.35mm3熔模铸件SLS铸造4.3粉末材料3D打印技术及其应用砂制件复杂尼龙零件的直接3D打印4.3粉末材料3D打印技术及其应用用覆膜砂型(芯)浇注的液压阀体铸件及其剖分图非金属制件3D打印技术树脂覆膜砂制件4.3粉末材料3D打印技术及其应用4.4FDM熔融沉积成形成形工件喷头料丝喷头采用丝状热塑性成形材料，连续地送入喷头后在其中加热熔融并挤出喷嘴，逐步堆积成形。原理：激光热熔材料：塑料丝截层厚度：0.025~0.76mm成型精度：低优缺点：成形材料广泛成形过程对环境无污染容易制成桌面化和工业化RP系统（成本低）4.4北京太尔时代公司的INSPIRE系列4.4北京太尔时代公司的MEM双喷头系统•设备支持双喷头双材料，兼容BST（剥离型支撑）和SST（溶解型支撑）。双材料使支撑更易剥离。4.4方便快捷的内部网格结构内部网格结构有效地节约材料成本和时间成本4.4常见快速成形工艺运行成本对比402250224151815601020304050607080光固化(固)光固化(气)熔融挤压分层实体粉末烧结材料每小时费用激光器每小时损耗折损内容3D打印技术的原理、特点3D打印典型案例与行业发展现状典型3D打印技术215343D打印技术的优点3D打印技术与行业的前景展望5.3D打印技术