3D打印在创客教育中的作用和意义

材料成形与模具技术国家重点实验室StateKeyLabrotoryofMaterialProcessingandDie&MouldTechnology3D打印技术及教学应用报告人：周钢湖北嘉一三维高科股份有限公司华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室湖北省3D打印产业技术创新战略联盟2016.093D打印在创客教育中的作用及意义汇报内容3D打印技术在制造业中的地位3D打印技术对制造业的意义3D打印技术的发展趋势3D打印技术在创客教育中的应用1.13D打印技术在制造业中的地位制造技术分类减材制造切削加工等切削机床粉、片、液、丝等增材制造制造装备？？？？？？？？？原理工艺设备方法论等材制造铸造、锻造等锻造机等3000年300年30年汇报内容3D打印技术在制造业中的地位3D打印技术对制造业的意义3D打印技术的发展趋势3D打印技术在创客教育中的应用形状复杂性几乎任意复杂程度的形状特征材料复杂性全彩色、异质材料、功能梯度材料层次复杂性多尺度（宏、介、微观）工艺结构功能复杂性整体成形，简化甚至取消装配对各行各业必将带来深远影响整体成形，免装配复杂形状全彩色工艺品彩色异质结构眼镜2.13D打印技术突破了传统制造技术的4个复杂性拓展产品创意与创新空间：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。2.23D打印技术为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：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“今日完成设计，明天得到成品”。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。2.23D打印技术为制造提供创新的原动力学生的创新设计不再是“纸上谈兵”3D打印出塑料和金属实物本科生课外创新设计大赛作品“液压回路演示系统”模型一周内2.23D打印技术为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。2.33D打印技术可提升制造的工艺能力能制造出传统工艺无法加工的零部件，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2.33D打印技术可提升制造的工艺能力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。2.33D打印技术可提升制造的工艺能力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。2.43D打印技术实现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2.43D打印技术实现制造的绿色可持续发展3D打印技术可优化零件设计优化零件设计飞机客舱零件设计对比制造工艺产品重量原材料重量能耗碳排放量a机加工0.8Kg2.4Kg680.3MJ102KgCO2bSLM0.31Kg0.33Kg138.6MJ21KgCO2cSLM0.37Kg0.4Kg169.8MJ25KgCO2（a）（b）（c）不同制造方案材料、能耗、碳排放量对比2.43D打印技术实现制造的绿色可持续发展变革传统制造模式，形成新型制造体系：集成与融合材料制备、IT软件、设计技术、制造工艺、装备等，生产个性化、高性能、复杂零部件的3D打印制造系统全面变革产品研发、制造、服务模式。复杂零件/高性能零件/医用零件/生活用品功能结构设计反求设计分析仿真设计方法光固化成形激光烧结熔融沉积成形制造工艺合金材料/复合材料/纳米材料/分子材料材料制备3D打印制造装备专业软件工艺装备产品零部件服务研发制造2.53D打印技术将催生新的制造模式支撑个性化定制等高级创新模式实现：3D打印使“按需而制”、“因人定制”和“泛在制造”等得以实现催生专业化创新服务模式催生提供产品快速制造相关服务的中小企业生产性服务模式，实现“聚合服务制造”催生以创意与设计创新为主的创意产业2.53D打印技术将催生新的制造模式随着3D打印技术的发展，已出现了社会制造模式雏形。Shapeways：该公司于2007年创立于荷兰，后将总部移至美国纽约市，至今获得了数千美元的风险投资。2012年10月，该公司在纽约皇后区的“未来工厂”投入运营。“未来工厂”里的机器，就是50台工业3D打印机，通过Facebook和Twitter等社会媒体，接受顾客的各种产品的三维设计方案，并在数天内完成产品的打印生产，然后寄送给客户。同时，该公司还为商家和设计者建立了平台，使他们可以再利用该公司的3D打印机生产并销售自己设计或收集的产品。目前该公司已有15万平台会员，6000余名设计师。至2012年6月20，已经打印了100多万3D产品。2.53D打印技术将催生新的制造模式Quirky：该公司于2009年成立于美国纽约，至今已获得了近亿美金的风险投资，创始人BenKaufman仅25岁。Quirky的特色是众包：公司通过Facebook和Twitter等社会媒体接受公众的产品设计思路，并由公司注册的用户进行评价和投票，如此每周挑出一个产品进行3D打印生产，参与产品的设计和修正过程的众包人员可分享30%的营业额。公司还进一步将众包设计改进的过程同时转化为通过社会媒体来推荐相关产品的过程，从而创造性地拓展了销售市场。目前，该公司每年仅生产60种产品，产品的提交费由最初的99美元降至现在的10美元，公司注册的用户每月以20%增长。2.53D打印技术将催生新的制造模式网友参与设计的个性化产品来源：Quirky公司来源：Shapeways公司2.53D打印技术将催生新的制造模式汇报内容3D打印技术在制造业中的地位3D打印技术对制造业的意义3D打印技术的发展趋势3D打印技术在创客教育中的应用单色多色、乃至表面纹理、全彩色Objet500connex3打印出的彩色异质结构眼镜ZPrinter850打印出的工艺品McorIRIS的彩色喷墨打印与LOM复合实现全彩色打印3.1由单色向全彩色方向发展单材料多材料和功能梯度材料ObjetConnex500打印出的由7种不同材料混合的小车模型德国斯图加特大学打印的功能梯度混凝土，其强度、导热系数、气密性都较传统工艺混凝土有了提高3.2由单材料向多材料和功能梯度材料方向发展宏观工艺结构多尺度工艺结构一体化具有内部微孔结构描述的三维模型控制温度等参数定向结晶组织控制10μm微观结构3.3由宏观结构向多尺度结构一体化方向发展微结构用同一种材料，打印出不同弹性模量的组织结构使用一种材料，实现毛绒玩具各部位不同的柔软度及触感（红硬、绿软）用3D打印实现了“超材料（Metamaterial）”----以一种材料为基础制造的单元构造块，几乎可任意控制弹性模量（杨氏模量和泊松比）--迪士尼瑞士研究所3.4用同一种材料打印出不同弹性模量的结构纳米尺度的微观3D打印原理：基于DNA结构稳定、易于排列的特点，建立“分子支架”和“纳米模具”，然后在此基础上将指定材料分子固定在上面，形成稳定的、纳米尺度的微观工艺结构。实现方法：通过计算模型将纳米尺度的形状映射为特定的DNA序列，基于“DNA折纸”(DNAorigami)技术的方法，用DNA制造一些微小的二维结构，再以增材制造的原理拓展到三维空间形成三维结构。--MIT3.5纳米尺度的微观3D打印3.63D打印柔性光电器件剑桥大学以石墨烯为材料，使用喷墨打印机，打印出透明薄膜晶体管。美国施乐PARC研发中心使用油墨喷射的方式，印制多种部件的电路，包括柔性显示屏、传感器和射频防盗标签天线。美国Kateevas公司喷墨打印屏幕北卡州立大学研究一种液态金属打印技术中科院理化所采用室温液态金属打印柔性电子电路柔性电路板及光电贺卡液态金属3.7生命体的再造用3D打印培育的人体血管系统3D打印的迷肝脏3D打印与材料基因工程美国材料基因组计划（MaterialsGenomeInitiative，简称MGI）：本质在于通过促进材料科学中实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共享建立材料多尺度结构（从原子排列、相的形成、显微组织的形成）到材料性能与使用寿命之间的相互关系的数据库，并与计算材料设计结合起来，以期加快新材料研发速度知识库材料设计服役行为工艺寻优成本控制材料制备性能表征材料制备性能表征3.83D打印指定结构和性能的材料-创材3.83D打印指定结构和性能的材料-创材3D打印与材料基因工程基于前述的多尺度工艺结构3D打印技术，我们可以基于材料基础数据库“打印”出指定结构、性能的材料并构成预期的宏观形状！材料合成制备器件集成微观机制与结构-性能关系微结构表征性能测量多尺度材料模拟材料设计材料基础数据集成与知识库原子尺度介观尺度宏观尺度尺度问题光电材料热电材料储能节能材料铁电压电复合材料透明陶瓷器件设计结构功能一体结构设计力热稳定性系统集成服役失效机制工艺寻优与传统制造工艺复合日本松浦金属激光造型复合加工机LUMEXAdvance-25纯激光三维打印加工的表面粗糙制件复合成形技术加工的精细制件DMGMori混合铣床Lasertec65AdditiveManufacturing激光三维打印精细化铣削加工3.93D打印与传统制造工艺复合走进医院、教育、千家万户在不久的将来，平民化的价格和傻瓜式的操作使每个人都能拥有一台桌面型的3D打印机，3D打印机会像智能手机一样得到普及，足不出户就能在家中、在办公室中随心所欲打印自己想要的模型。3.10走进医院、教育、千家万户，……未来的家庭3.10走进医院、教育、千家万户，……未来的工厂3.10走进医院、教育、千家万户，……社会化制造3.11形成社会化制造汇报内容3D打印技术在制造业中的地位3D打印技术对制造业的意义3D打印技术的发展趋势3D打印技术在创客教育中的应用4.13D打印在创客教育中的重要价值与意义发达国家的3D打印技术早已进入教育领域。如美国几乎所有的大学、中学、小学都开设了3D打印创客课堂，通过3D打印技术的学习，对青少年进行创新意识、技术手段的培养，3D打印成为“美国智造”的有力手段。通过新技术来吸引学生投入到科学、技术、工程和数学学习中，成为新一代高级设计师和工程师，在未来国家科技竞争中起到引领作用。每个孩子都是天生的创造者，都潜能无限，发展无限，自由的发现与创造是他们生命的需要。教育工作者要尊重每个学生的需求，尤其是在他们最有创造力的时候。实现虚拟世界与实体世界的有机结合，3D打印进校园将使得学生在创新能力和动手实践能力上得到训练，将学生的创意、想象变为现实，将极大发展学生动手和