3D打印科普讲座

大型金属构件增材制造国家工程实验室原理、现状和未来3D打印的魅力世界主要内容一.3D打印的原理二.3D打印技术分类和特点三.3D打印在各行各业中的应用四.3D打印的流程五.3D打印的未来2什么是3D？D=Dimension维•1D=线•2D=面•3D=体•3D=3维一.3D打印的原理传统(2D)打印3D打印：打印出来的东西是立体的3一.3D打印的原理俗称：3D打印专业用语：增材制造出现最早、最形象的3D打印：盖房子图纸/数模砖/水泥逐渐增加三维房子整体——离散——整体4一.3D打印的原理根据零件的三维数模，通过计算机程序控制、逐点-逐层（二维）增加材料成形三维复杂结构的数字制造技术增材方式熔化烧结粘结5制造复杂品产品多样化缩短生产周期制造技能简化减少空间占用节省材料3D打印主要优势一.3D打印的原理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6主要内容一.3D打印的原理二.3D打印技术分类和特点三.3D打印在各行各业中的应用四.3D打印的流程五.3D打印的未来8大型金属构件增材制造国家工程实验室第2类：金属增材制造：1977(~1992)年开始用途：装备关键金属零部件的直接制造与升级再制造第1类：非金属增材制造：1984年提出，RP/RPM新产品开发(间接制造);产品定制化；生产离散化增材制造/3D打印：三大类第3类：生物组织增材制造：~2003年开始用途：人体组织及器官的体外/体内“培养”二.3D打印技术分类和特点第1类：非金属增材制造：1984年提出，RP/RPM新产品开发(间接制造);产品定制化；生产离散化工艺名称原材料增材方式光敏树脂固化：SLA液体树脂光固化叠层实体制造：LOM纸/塑料膜粘结熔丝挤出造型：FDM树脂丝粘结粉床激光烧结：SLS粉末烧结粉床3D打印：3DP粉末粘结五种基本方法10二.3D打印技术分类和特点成型原理：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。（成本较高）1.SLA光固化（立体光刻）成形材料：液态光敏树脂；--制件性能：相当于工程塑料或蜡模；--主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型11二.3D打印技术分类和特点1.SLA光固化（立体光刻）典型SLA设备SLA成形的典型零件12二.3D打印技术分类和特点1.SLA光固化的升级—CLIP技术：连续液体界面提取技术CLIP从底部投影，使光敏树脂固化，不需要固化的部分通过控制氧气，形成死区，抑制光固化反应而保持稳定的液态区域，这样就保证了固化的连续性13二.3D打印技术分类和特点1.SLA光固化的升级—CLIP技术：连续液体界面提取技术科幻电影：终结者2科幻与现实14二.3D打印技术分类和特点1.SLA光固化的升级—CLIP技术：连续液体界面提取技术第一款商业化3D打印机：carbonM1型优势：连续液态界面成形，表面光滑，比普通SLA打印速度快25-100倍劣势：价格贵，目前租用，每年需要支付4万美元的费用；零件尺寸较小144mmx81mmx330mm适用5种材料：硬聚氨酯；柔性聚氨酯；弹性聚氨酯；氰酸酯；一般树脂15二.3D打印技术分类和特点2.叠层实体制造：LOM原理：激光切割材料：纸、塑料、金属箔片特点：每层厚度70-150μm精度低，材料浪费，适合中大型零件价格：高（基本退出市场）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。16二.3D打印技术分类和特点2.叠层实体制造：LOMLOM成形的典型零件LOM原材料-纸早期的LOM设备17二.3D打印技术分类和特点3.熔丝挤出造型：FDM是一种不依靠激光作为成型能源、利用加热高温将丝材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）熔化，通过打印头挤出成细丝，在构件平台堆积成型，冷却后硬化的成型方法。--成形材料：固体丝状工程塑料；--制件性能：相当于工程塑料或蜡模；--主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。FDM是最简单也是最常见的3D打印技术，通常应用于桌面级3D打印设备。（成本低）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18二.3D打印技术分类和特点3.熔丝挤出造型：FDM方便的打印彩色物品ABS塑料类PLA塑料类19二.3D打印技术分类和特点3.熔丝挤出造型：FDM基于FDM技术的3D打印机种类最多，从个人家庭桌面打印机到企业工业打印机，全范围覆盖网上就可以买到：个人家庭使用20二.3D打印技术分类和特点3.熔丝挤出造型：FDM个人家用3D打印机，随心所欲自由设计、自由想象21二.3D打印技术分类和特点4.粉末激光烧结技术SLS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。烧到的地方就成型了，未烧到的地方还是粉末。成型材料和成型件的物理性能很好，持久耐用。（金属粉末可部分熔化粘接而不需要粘接剂）22二.3D打印技术分类和特点4.粉末激光烧结技术SLS--成形材料：粉末,金属或塑料；--制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型；--主要用途：样件或模型，金属件。SLS优点；1、可采用多种材料。2、制造工艺比较简单。3、高精度。一般能够达到工件整体范围内±(0.05～2.5)mm的公差。当粉末粒径为0.1mm以下时，成型后的原型精度可达±0.1mm。4、材料利用率高，价格便宜，成本低。5、无需支撑结构。23二.3D打印技术分类和特点4.粉末激光烧结技术SLS摩托车引擎缸体（253.8253.7181.8mm3）SLS熔模铸造铝合金铸件塑料制件---熔模精密铸造24二.3D打印技术分类和特点4.粉末激光烧结技术SLS复杂尼龙零件的直接3D打印25二.3D打印技术分类和特点5.粉末床喷射3D打印，3DP3DP即三维打印快速成型技术，其与传统二维喷墨打印接近，从喷头喷出粘结剂（彩色粘结剂可以打印出彩色制件），将平台上的粉末粘结成型，通常用采用石膏粉作为成型材料。3DP技术目前主要应用有两个：全彩3D打印及砂模铸造。26二.3D打印技术分类和特点5.粉末床喷射3D打印，3DP3DP成形工艺过程示意图材料：塑料、陶瓷特点：精度低价格：低27全彩色3DP：先铺一薄层粉末材料，然后利用喷嘴选择性地在粉层表面喷射粘接剂，将粉末材料粘接在一起形成实体层，逐层粘接，最终形成三维零件。二.3D打印技术分类和特点5.粉末床喷射3D打印，3DP28二.3D打印技术分类和特点5.粉末床喷射3D打印，3DP3DP砂型–砂型铸造-铝合金发动机零件间接制造29大型金属构件增材制造国家工程实验室第2类：金属增材制造：1977(~1992)年开始用途：装备关键金属零部件的直接制造与升级再制造第1类：非金属增材制造：1984年提出，RP/RPM新产品开发(间接制造);产品定制化；生产离散化增材制造/3D打印：三大类第3类：生物组织增材制造：~2003年开始用途：人体组织及器官的体外/体内“培养”高能束零件~2003年提出；激光、电子束尺寸小~600mm、效率低~100g/h、成本高粉床(铺粉)选区熔化SLM/SEBM：小型复杂构件金属增材制造：方法一发展方向1.增大尺寸及精度：工艺、设备2.提高效率及质量：工艺、材料、设备3.降低制造成本：粉末、设备、工艺31二.3D打印技术分类和特点激光SLM电子束SEBM32粉末零件数模少量加工最终零件零件精坯激光熔化沉积“增材制造”送粉/丝金属增材制造，大型承力构件~1992年开始，激光/电子束/电弧激光束高性能材料制备与复杂零件“近净成形”一体化非平衡材料、多材料复合、梯度材料高性能构件无需大型锻造装备及锻压模具材料利用率高、加工时间短、成本低、周期短“超常”快速反应能力、高柔性，快速修复材料技术制造技术高性能大型复杂整体构件制造技术发展方向金属增材制造：方法二33二.3D打印技术分类和特点送粉/丝金属增材制造，大型承力构件3D打印技术中，难度最大、工艺最复杂，对国家工业装备制造影响力最大的一种3D打印技术，是3D打印领域的明星！34大型金属构件增材制造国家工程实验室e·E=sL·DT·a＝DL难以制造“大型构件”构件严重“变形或开裂”技术挑战一：内应力难以控制变形开裂技术挑战二：“内部质量”难控多变力学性能低且不稳定无法用作关键主承力构件内部缺陷微观结构内部晶粒36方法2：送粉/丝熔化堆积大型整体构件第2类：金属构件增材制造37大型金属构件增材制造国家工程实验室第2类：金属增材制造：1977(~1992)年开始用途：装备关键金属零部件的直接制造与升级再制造第1类：非金属增材制造：1984年提出，RP/RPM新产品开发(间接制造);产品定制化；生产离散化增材制造/3D打印：三大类第3类：生物组织增材制造：~2003年开始用途：人体组织及器官的体外/体内“培养”“活性细胞”3D打印:人体器官“制造”？第3类：生物组织增材制造人体硬/软组织或器官体内或体外“培养”39“活性细胞”3D打印:人体器官“制造”？第3类：生物组织及人体器官增材制造用途：人体硬/软组织或器官体内或体外“培养”（3D打印生物可降解多孔支架+活性细胞或细胞直接打印后进行“体外或体内培养”）~2003年开始，尚未应用40TCP＋PLGA制作的骨组织工程支架清华大学林峰教授提供可降解“生物支架”增材制造及生物组织体外或体内培养第3类：生物组织及人体器官增材制造41可降解“生物支架”增材制造及生物组织体外或体内培养清华大学林峰教授提供第3类：生物组织及人体器官增材制造42主要内容一.3D打印的原理二.3D打印技术分类和特点三.3D打印在各行各业中的应用四.3D打印的流程五.3D打印的未来43医疗美国一家儿科医学中心利用3D打印技术成功制造出全球第一颗人类心脏，这颗用塑料打印出的心脏可以像正常人类心脏一样正常跳动。外科医生能够利用3D打印心脏来练习复杂的手术。3D打印血管德国Fraunhoferinstitutes的跨学科研究小组宣布，解开了3D打印血管的奥秘。3D打印骨头Open3DP创新小组向世界宣布3D打印在骨头上的应用。三.3D打印在各行各业中的应用医疗维克森林大学的安东尼·阿塔拉博士展示一个3D打印肾脏原型。阿塔拉博士使用的3D打印机使用一种类似凝胶的生物可降解材料，逐层打印肾脏。维克森林大学，阿塔拉的研究小组利用3D打印技术打印的耳朵支架，随后在上面“播撒”皮肤细胞，培育出仿真度极高的人造耳。当前的人造耳采用聚苯乙烯泡沫塑料等材料，看起来十分僵硬，很不自然。维克森林大学的实验室，科学家利用3D打印机打印的鼻子支架，随后可借助支架利用患者自身细胞培育人造鼻。由于利用患者自身细胞，患者的身体不会对这个新鼻子产生排斥。三.3D打印在各行各业中的应用鞋子耐克推全球第一款3D打印足球鞋这项新技能的运用意味着耐克能够在更短的时刻内依据靴子的原型作出一些改动。并且这款靴子比曾经的鞋子愈加轻盈且能减缩短跑时刻。3d打印鞋美国设计工作室ContinuumFashion发布了他们的第一个可穿3d打印鞋履系列——“strvct”。纽拜伦利用3D打印技术制造的跑鞋三.3D打印在各行各业中的应用服饰3D打印的服装白色尼龙制作出来的胸衣配饰、羽毛状衣服手镯面饰类似橡胶的新型材料三.3D打印在各行各业中的应用模型微缩工厂模型Materialise3D打印了一个非常精细的微缩工厂模型：一个植物燃气公司LindeAG的微缩工厂缩小模型。两个月胎儿模型日本公司利用3D打印技术制作胎儿脸部模型父母们不仅可以看到腹中孩子的照片，通过3D打印技术，还可以拿到和孩子等大的宝宝的模型。古罗马城市12名耶鲁学生和他们的教授一起，通过3D打印，重建古罗马城市景观。三.3D打印在各行