3D打印技术原理及应用

3D打印器件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。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。技术背景技术背景传统的制造加工工艺----等材制造工艺铸造是一种金属热加工工艺，是将液体金属（铜、铁、铝、锡、铅等）浇铸到与零件形状相适应的空腔（称为铸模，材料可以是砂、金属甚至陶瓷）中，待其冷却凝固后，以获得零件或毛坯的方法。人类在几千年前就掌握了这种制造工艺，比如出土的春秋战国时期的青铜器皿就是通过铸造制造的。锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的制造工艺。人类在几千年前也掌握了这种制造工艺，就是民间俗称的“打铁”工艺。一般地，由于锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。锻造车间环境冲压是靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件（冲压件）的成形加工工艺。比如汽的车身、仪器仪表、家用电器、生活器皿等，都是冲压件。由于这些加工工艺在加工物品的过程中，材料只是从一种形式变到另一种形式，材料并没有增加或减少，因此称为等材制造工艺。一般是指在数控机床上进行零件加工的工艺方法，车铣刨磨是四种基本的加工方式，包括车削加工、铣削加工、刨削加工、磨削加工，不同零件所需的加工方式不同，有的零件需使用其中多种方式才可完成零件的加工。由于这种加工工艺将多余的材料从工件中削除，被削除的材料是浪费（称为废料）的，因此称为减材制造工艺。传统的制造加工工艺----减材制造工艺铣削加工内容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什么是3D打印？3D打印并不神秘：它只是一种新型的制造和加工工艺；3D打印技术出现在上世纪80年代末至90年代初（也称为快速成型技术），至今也就30年不到的时间。其原理很简单：以3D数字模型文件为输入，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。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由于3D打印是将材料一层一层堆积而成，因此也称为增材制造工艺。3D打印并不神秘，相对于具有千年的等材制造工艺和具有百年的减材制造工艺，它只是一种制造成型的新工艺，只有30年不到的历史。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先进的设计软件及数字化工具打印设备必须高精度、高稳定性原材料必须能够液化、粉末化、丝化3D打印技术需要依托多个学科领域的尖端技术，主要包括以下方面：信息技术精密机械材料科学内容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、无需任何模具，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打印技术的应用与典型案例典型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全球首辆3D打印汽车时速可达112公里。汽车制造世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。随着技术的发展，甚至可以打印出具有活性的人体组织等。医疗行业美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究。科学研究3D打印步枪完成首次实弹试射兵工产业微软的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出来模型，能够让设计制造部门更好的改良产品，打造出更出色的产品。在建筑业，已开始用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。产品模型建筑设计制造业也需要很多3D打印产品，因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处，甚至连质量控制都不再是个问题。没错，就是“打印”食品。研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然，到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。制造业食品产业在未来不管是你的个性笔筒，还是有你半身浮雕的手机外壳，或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指，都有可能通过3D打印机打印出来。甚至不用等到未来，现在就可以实现。这是最广阔的一个市场。工艺品服饰产业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3D打印的工艺光固化3D打印液态光敏树脂熔积成型石蜡、塑料、低熔点合金丝等三维粘结打印陶瓷、金属、塑料等粉体选择性激光烧结尼龙、ABS、金属、陶瓷等粉末成型原理：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）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4.2薄材叠层制作LOM分层实体制造原理：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