快速成型技术-第一章

第一章快速成型技术概论快速成形技术（RPT）RapidPrototypingTechnology本章目标了解快速成型技术的起源和发展历史掌握快速成型的技术特点了解快速成型技术的应用领域了解快速成型技术的发展趋势1.1快速成型技术简介1.2快速成型技术的应用领域1.3快速成型产业现状与趋势1.1.1技术背景1.1.2发展历史1.1.3技术原理1.1.4技术优势1.1.5技术局限1.2.1工业制造1.2.2文化创意1.2.3生物医疗1.2.4其他应用1.3.1国际：机遇与挑战并存1.3.2国内：后发优势明显本章内容快速成型技术（RapidPrototyping，简称RP），亦通常所说的3D打印技术。该技术诞生于20世纪80年代，不同于传统的通过去除材料来获得零件的方法,基于离散/堆积原理采用不同方法堆积材料最终完成零件的成形与制造的技术，它突破了传统的制造模式，是近20几年来全球制造业领域的一项重大技术成就。1.1快速成型技术简介快速成型技术是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、电子束等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层的堆积和黏结，最终叠加出成型的实体产品。传统的“材料去除法”加工过程快速成型技术又称之为增材制造技术,是将之相对于传统的材料去除加工工艺(如传统的车、钳、铣、刨、磨等机械加工工艺,以及锻造、铸造等材料塑性变形制造工艺)。1.1快速成型技术简介快速成型(RapidPrototyping)离散堆积快速成形的“材料叠加法”加工过程产品三维CAD模型分层离散逐层叠加生成实体模型二维粘接、熔结1.1快速成型技术简介快速成形制造的基本过程CAD建模分层层面信息处理层面加工与粘接层层堆积后处理根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码清理零件表面，去除辅助支撑结构由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体1.1快速成型技术简介RP技术与传统加工方法的比较去除成型与添加成型:去除成型，运用分离的方法，把一部分材料有序的从基体上分离出去的成型方法。传统的机械加工方法，如车、铣、刨、磨、钻、电火花加工和激光线切割等都属于去除成型。添加成型又称堆积成型，它是利用机械、物理、化学等方式通过按照一定轨迹有序的进行添加材料的方法，最终将所需的产品堆积成型。快速成型技术属于添加成型，它在成型工艺上突破了传统的成型方法，通过快速自动的成型系统与计算机三维数据模型有机的结合，无需任何附加的模具或机械加工，就能快速的制造出各种形状复杂原型或零件。1.1快速成型技术简介RP技术与传统加工方法的比较：1.1快速成型技术简介项目传统机床加工RP加工制造零件的复杂程度受刀具或模具的限制，无法制造太复杂的曲面或异形深孔等可制造任意复杂（曲面）形状的零件材料利用率产生切屑，利用率低利用率高，材料基本无浪费加工方法去除成型，切削加工添加成型，逐层加工加工对象个体（金属树脂片，木片等）液体、图像、粉末、纸、其他工具切削工具光束、热束与传统材料加工技术相比，RP技术具有的鲜明特点：（1）数字化制造，直接CAD模型驱动，如同使用打印机。（2）高度柔性和适应性。可制造任意复杂形状的零件。（3）快速。从CAD设计到零件加工完毕，只需几小时。（4）才来类型丰富且利用率高。（5）产品单价基本与复杂程度无关。（6）应用领域广泛。按照成型方法分类，目前业内常用的快速成型技术主要有以下几种：1.1快速成型技术简介1.1.1技术背景快速成型技术的产生，源于以下两个方面：源于制造业市场的迫切需求；得益于现代科学技术的飞速发展。制造业竞争剧烈，工业产品设计不同于其他设计，它是对三维、物质实体的设计，难以纸上谈兵，因此要有实际的三维实体模型，快速成型可以取代传统、手工模型的的制作，做到更加准确、快速直观。利用此技术，可以快速的制作出物理原型，进行修改，最短的时间投放市场，抢占市场。另一方面，由于互联网经济的发展，消费者的需求趋于主体化、个性化和多样化，这要求制造技术必须具备较强的灵活性，能以小批量甚至单件的规模进行生产，同时还不明显增加成本。技术飞速发展：快速成型技术，原理并不复杂，但能够成熟的进行应用，得益于现代技术的高速发展，涉及到一系列的技术：微电子技术、计算机技术、数控技术、激光技术、材料科学，这些技术的发展为快速成型技术提供所需的软硬件基础。1.1.2发展历史1.萌芽期1860年，法国艺术家FranoisWillème申请到了多照相机实体雕塑（Photosculpture）。该技术将24台照相机绕物体围城一个360度的圆并进行拍照，然后使用与切割机相连的比例绘图仪绘制物体轮廓。1892年，美国人J.E.Blanther的地貌成形（Topography）专利，原理是将地形图轮廓线印在一系列的蜡片上，然后按轮廓线切割蜡片，最后将其粘结在一起，熨平平面，就能得到三维地形图。快速成型技术并非是一项完全崭新的技术，其核心思想可以追溯到19世纪照相雕塑和地貌成形专利。但，受限于当时材料技术与计算技术等众多因素，这些早期的快速成型技术实践并没有得到广泛的商业化应用。现代意义上的快速成型技术研究始于20世纪70年代，直到80年代，该技术才得以变为现实。2.奠基期20世纪最后30年是现代快速成型技术的奠基期，期间，美国、日本、德国、法国的科研人员各自独立的提出了现代快速成型技术的基本概念，即叠加制造的方法产生三维实体的思想，现代成型的核心技术因而相继问世，为商业化应用奠定基础。。1984年，CharlesW.Hull发明了光固化成型技术（Sterelithography，简称SLA）并取得专利。该技术利用紫外激光，对液态树脂进行逐点扫描，使被扫描的树脂薄层产生聚合反应，由点逐渐形成线，最终形成零件的整体模型。1988年，由Hull创立的3DSystems公司生产出世界上第一台现代快速成型机SLA-250，开创了快速成型技术发展的新纪元。除此之外，3DSystems还研发了著名的STL文件格式，该格式已逐渐成为CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准。由于对快速成型技术的开创性贡献，Hull被尊称为“3D打印之父”。2.奠基期1986年，分层实体制造成型技术（LOM）由MichaelFeygin发明并申请专利，该技术使用薄片材料、激光与热熔胶来进行制件的层压成型。1990年前后，Feygin组建的Helisys公司在美国国家科学基金会的赞助下，研发出第一台投入商用的快速成型机LOM-1015，成为快速成型技术商业化应用的先驱。2.奠基期1986年，选择性激光烧结成型技术（SLS）由美国得克萨斯州大学奥斯丁分校的CarlDechard博士研发成功并获得专利，该技术利用高强度激光将粉末烧结，直至成型。1993年Dechard创立的DTM公司发布了第一台成功的商业SLS设备Sinterstation2000。SLS技术以用高强度的激光烧结粉末的方法来成型制件，潜力巨大，被公认为影响最深远的快速成型技术。1989年，熔丝堆积成型（FusedDepositionModeling，简称FDM）技术由的S.ScottCrump研发成功并申请专利，该技术利用高温，把材料熔化后再喷出重新凝固成型来制作物体。1992年，Crump成立的Stratasys公司开发了第一台商业机型3D-Modeler，成为桌面级快速成型机的鼻祖，目前国内常见的桌面级快速成型机都是基于该技术改进而来的。1989年，麻省理工学院教授EmanualSaches申请了三维印刷（Three-DimensionalPrinting，简称3DP）技术的专利，该技术使用黏结剂，将金属、陶瓷等粉末粘接为成型物体。1995年，麻省理工学院的毕业生JimBredt和TimAnderson获得麻省理工大学的授权，改进了3DP技术，并成立了ZCorporation公司，成为彩色快速成型技术领域的先行者。1984年至2000年，快速成型最核心的4大专利技术SLA、SLS、FDM、3DP相继问世3Dsystems、strategys、EOS等企业开启了快速成型商业化时代，行业由此步入初始发展期。3.爆发期“3D打印（3DPrinting）”这一名词正式出现于1995年。1996年，3DSystems、Stratasys、ZCorporation分别推出了Actua2100、Genisys、Z402等机型，第一次使用了“3D打印机”的名称，此后快速成型业内也逐渐接受并使用这个名称，实现了从“快速成型”到“3D打印”的更名。与此同时，随着一系列突破性技术成果的问世，快速成型产业也进入了爆发式增长的阶段。2005年，ZCorporation公司发布世界第一台使用3DP技术的彩色快速成型机SpectrumZ510，标志着快速成型技术买入彩色时代。2007年，英国巴斯大学讲师AdrianBowyer博士开发出世界首台可自我复制的快速成型设备“达尔文”。其是开源项目RepRap的成果，最大的特点是允许任何人使用并改造它，是快速成型设备研发的一个重要里程碑。2009年，首款基于RepRap开源技术的商业化成型机MakerBot推出。2008年，以色列的ObjectGeometries公司推出Connex500快速成型机，这是世界第一台可以同时使用多种原材料成型的快速成型设备，开创了混合材料成型的先河。由于混合材料成型理论上可以将多种材料组成的复杂产品一步制作到位，颠覆了传统的加工-组合模式，极大地提高了劳动生产率，因此已成为快速技术研发的热点领域，目前，业界已经能够制造出混合100种以上材料的快速成型机。2010年，美国Organovo公司研制出全球首台生物材料快速成型机，该成型机能够用人体脂肪或骨髓制造出新的人体组织，使得用快速成型技术制造人体器官成为可能。同年，世界第一辆快速成型技术制造的汽车Urbee问世。2011年，桌面级快速成型设备收入增速首次超过工业级设备。同年，世界第一架使用快速成型技术制造的飞机由英国南安普顿大学工程师设计、制造并放飞，成为飞机设计行业的一项革命性成就。2012年，4月，在快速成型产业迅猛发展的大背景下，英国著名经济学杂志《经济学人》推出了《3D打印推动第三次工业革命》的封面文章，认为3D打印技术将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”，2012年也因此被称为“3D打印技术的科普元年”。纵观全球，欧美日等发达国家已将快速成型技术视为实现“再工业化”的重要契机。2012年，美国建立国家增材制造创新研究院（NAMII），将发展快速成型技术提升至国家战略高度；欧盟及成员国致力于发展金属快速成型技术，相关产业发展和技术均走在世界前列；俄罗斯凭借在激光领域的技术优势，积极发展激光快速成型技术研究及应用；日本则全力推进快速成型与制造业的深度融合，意图借助快速成型技术重塑制造业的国际竞争力。2013年以来，快速成型技术已进入爆发式增长阶段，新技术、新材料或者新型应用成果陆续发布。2013年5月，3D打印产业联盟正式成立。1.1.3技术原理快速成型技术集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，能够自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的实物制件，为产品原型制作、新设计校验等工作提供了一种高效的手段。整个快速成型过程可分为两大阶段：离散分解阶段与堆积结合阶段。具体过程如下：借助计算机辅助设计或实物逆向工程方法，采集相关原型或零件的几何形状、结构与材料的综合信息，从而获得目标原型的三维模型。对模型进行网格化处理，通过分层操作获取模型各层截面的二维轮廓信息，根据轮廓信息自动生成加工路径。将加工路径输出到快速成型设备，使成型头在成型系统的控制下，沿加工路径逐点、逐面进行材料的“三维堆砌”成型。对成型