3d打印技術(shù)進(jìn)展 課件

1、3D打印技術(shù)目錄1.概述2.典型技術(shù)分析3.打印材料的制備4.總結(jié)1.概述3D打印技術(shù)的核心思想最早起源于19世紀(jì)末的美國(guó)，當(dāng)時(shí)進(jìn)行的是照相雕塑和地貌成型技術(shù)研究。到20世紀(jì)80年代中期已有雛形，1986年美國(guó)人Charles Hull發(fā)明了第一臺(tái) 3D 打印機(jī)。3D打印這個(gè)名詞也是由麻省理工學(xué)院在1995年創(chuàng)造的。我國(guó)從1991年開始研究3D打印技術(shù)。90年代末期，大家開始研究金屬材料快速成形技術(shù)，但難度很大。2000年前后，這些工藝從實(shí)驗(yàn)室研究逐步向工程化、產(chǎn)品化轉(zhuǎn)化。當(dāng)時(shí)叫快速原型技術(shù)（RP），即開發(fā)樣品之前的實(shí)物模型?，F(xiàn)在也有叫快速成型技術(shù)，增材制造。但為便于公眾接受，把這種新技術(shù)統(tǒng)稱

2、為 3D 打印。2012年4月，英國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)人刊文認(rèn)為，3D打印技術(shù)將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起，推動(dòng)第三次工業(yè)革命的實(shí)現(xiàn)。背景1.1 涵義及原理3D打印技術(shù)是指由數(shù)字模型（CAD）直接驅(qū)動(dòng)的，運(yùn)用金屬、塑料、陶瓷、樹脂、蠟、紙、砂等可粘合材料，在快速成形設(shè)備里通過逐層疊加的方式來(lái)構(gòu)造物理實(shí)體的技術(shù)。什么是3D打印技術(shù)？3D打印技術(shù)機(jī)械工程控制工程光學(xué)熱學(xué)軟件材料科學(xué)涉及領(lǐng)域不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成形材料不同，成形原理和系統(tǒng)特點(diǎn)也各有不同。但都是基于離散堆積原理分層制造，逐層疊加?；驹砘玖鞒淘O(shè)計(jì)三維模型把三維數(shù)字模型離散為面、線和點(diǎn)再通過3D 打印設(shè)備分層堆積三維的實(shí)物1.2 組成3D

3、打印設(shè)備主要指3D打印機(jī)設(shè)計(jì)與控制軟件輔助設(shè)計(jì)人員制作產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并根據(jù)模型自動(dòng)分析出打印的程序， 自動(dòng)控制打印機(jī)和材料的操作。打印材料原材料必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結(jié)合起來(lái)， 并具有合格的物理、 化學(xué)性能。3D打印機(jī)是3D打印的核心裝備。它是一種利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。它與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。3D打印機(jī)3D打印機(jī)噴射系統(tǒng)成型環(huán)境子系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)高精度機(jī)械系統(tǒng)3D打印材料基本上可以分為高分子材料和金屬材料兩大類。高分子

4、材料如光敏樹脂、ABS、PC、尼龍粉、石膏粉、蠟等是打印主力材料；金屬材料受工藝及自身特性局限，應(yīng)用并不廣泛。打印材料1.3 類型3D打印有很多種工藝，如直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、數(shù)字光處理（DLP）、熔絲制造(FFF）、融化壓膜（MEM）、分層實(shí)體制造（LOM）、電子束熔化成型（EBM）、選擇性熱燒結(jié)（SHS）、粉末層3D打?。≒P）等等。3D打印工藝分層實(shí)體制造LOM立體光固造型SLA選擇性激光燃結(jié)SLS熔融沉積成型FDM 打印紫外光照射固化的液體，精度可以達(dá)到每層厚度 (0.15) mm。在高強(qiáng)度激光照射下將粉末材料燒結(jié)在一起形成物體截面。將高溫熔化成液態(tài)的材料通過噴嘴擠壓出一個(gè)個(gè)很

5、小的球狀顆粒， 這些顆粒噴出后立刻固化并逐層形成物體。用激光切割一個(gè)薄層，然后一層層疊加。1.4 特點(diǎn)及適用場(chǎng)合3D打印技術(shù)處理的是計(jì)算機(jī)模型，人們能設(shè)計(jì)出全新的形狀而不用考慮制造上可能存在的局限性；它無(wú)需機(jī)械加工或制造出任何磨具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成零件；可縮短產(chǎn)品研制周期與加工流程，提高生產(chǎn)率；可提高材料利用率，降低成本；還可以通過不同的定制，滿足人們個(gè)性化需求。3D打印是以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)，以個(gè)性化、短流程為特征，實(shí)現(xiàn)直接制造、桌邊制造和批量定制。優(yōu)點(diǎn)適用場(chǎng)合3D打印技術(shù)特別適用于單件小批量生產(chǎn)，形狀復(fù)雜，多層嵌套和具有空腔結(jié)構(gòu)的零件或物體的制造。1.5 應(yīng)用領(lǐng)域近年來(lái)，3

6、D打印技術(shù)發(fā)展迅速，在各領(lǐng)域都取得了長(zhǎng)足發(fā)展，已成為現(xiàn)代模型模具和零部件制造的有效手段。目前主要應(yīng)用于汽車、航天軍工、家電、船舶、醫(yī)療、影視、食品、創(chuàng)意等領(lǐng)域。2011年，英國(guó)科學(xué)家利用3D打印技術(shù)打印了一輛可以騎行的自行車，這輛尼龍自行車重量只有普通鋼鋁自行車的1/3，但堅(jiān)固度毫不遜色。2011年底，英國(guó)南安普頓大學(xué)打印了一架翼展2米、最高時(shí)速可達(dá)160公里的無(wú)人駕駛小飛機(jī)。蘇格蘭科學(xué)家使用人類細(xì)胞打印出了世界上第一個(gè)人造肝臟組織。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室可一次打印超過5m的鈦合金飛機(jī)部件,2014年投產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)客機(jī)C919制造翼梁。殲-15主承力整體框等很多部件就是鈦合金和M100

7、鋼3D打印的，目前中國(guó)先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上3D打印部件所占比例已超20%。國(guó)產(chǎn)客機(jī)C919制造翼梁殲15戰(zhàn)斗機(jī)巧克力茶杯2.典型技術(shù)分析把材料用高溫熔化成熔融狀態(tài)，然后通過細(xì)小的噴嘴擠壓并排列填充出一個(gè)截面，一層一層截面在堆疊起來(lái)形成三維實(shí)物。2.1 熔融沉積成型FDM基本原理特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：成型機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，材料廣泛，強(qiáng)度較高，可以彩色成型，無(wú)環(huán)境污染；缺點(diǎn)：成型的精度稍差，成型表面較粗糙，操作溫度較高。打印材料通常為熱縮性高分子，如ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯等。FDM工藝的主要技術(shù)指標(biāo)是原型精度和成型時(shí)間。影響精度誤差的原因主要有以下幾方面：技術(shù)指標(biāo)精度誤差CAD模型前處理噴頭導(dǎo)致的誤

8、差材料收縮成形過程中的層差FDM工藝參數(shù)設(shè)置為了獲得高精度的FDM原型, 一方面要通過試驗(yàn)研究FDM工藝的參數(shù)優(yōu)化；另一方面就是在加工前數(shù)據(jù)處理時(shí)要給予精確的補(bǔ)償。通過大量研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可知影響原型精度和成型時(shí)間的最主要的因素有以下幾種：原材料的變化噴頭結(jié)構(gòu)成形過程中的層差材料相變時(shí)的收縮應(yīng)力應(yīng)變影響精度為提高精度，應(yīng)減小材料的收縮率，最基本的方法是設(shè)計(jì)時(shí)考慮收縮量進(jìn)行尺寸補(bǔ)償。傳統(tǒng)開關(guān)轉(zhuǎn)閥響應(yīng)速度慢慣性的作用使多余的殘料繼續(xù)擠出可改為螺桿結(jié)構(gòu)，或電磁閥式結(jié)構(gòu)。相鄰兩層輪廓不同時(shí)成形軌跡不同上下層之間約束不一致復(fù)雜的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)囼?yàn)表明，基于分形掃描的路徑可以減少層層之間應(yīng)力，從而減少層差。擠

9、出速度填充速度擠出速度和填充速度越快，成型時(shí)間越短。為了保證連續(xù)平穩(wěn)地出絲，需要將擠出速度和填充速度進(jìn)行合理匹配。影響因素影響說(shuō)明分層厚度噴嘴直徑分層厚度較小、噴絲較細(xì)時(shí)，原型精會(huì)較高，但成型時(shí)間較長(zhǎng)。為保證上下層牢固粘結(jié)，分層厚度需小于噴嘴直徑。噴頭溫度環(huán)境溫度影響成形件的熱應(yīng)力大小。如噴頭溫度太低 , 則材料粘度加大，造成噴嘴堵塞，材料層間粘結(jié)強(qiáng)度降低。為了順利成形，應(yīng)該把成形室的溫度設(shè)定為比擠出絲的熔點(diǎn)溫度低 12。理想輪廓線的補(bǔ)償量理想輪廓補(bǔ)償量設(shè)置不合理直接影響成形件的尺寸和幾何精度。應(yīng)依據(jù)擠出絲截面的寬度來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。2.2 選擇性激光燒結(jié)SLS工藝參數(shù)與成形質(zhì)量之間的關(guān)系是SLS技

10、術(shù)的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。而由于燒結(jié)過程的復(fù)雜性，進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察比較困難，因此，人們?yōu)榱烁玫睦斫鉄Y(jié)過程，對(duì)燒結(jié)過程也進(jìn)行了一定量的研究?；驹硐劝逊勰┎牧箱伜?，再用高強(qiáng)度的紅外激光掃描，將零件截面內(nèi)的粉末燒結(jié)在一起，通過一層一層燒結(jié)，最終成型。特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：成型材料十分廣泛，加工速度快，且無(wú)需使用支撐材料，打印物體結(jié)實(shí)；缺點(diǎn)：成型產(chǎn)品表面較粗糙，需后處理。主要是金屬粉末、陶瓷、石蠟、塑料以及它們的復(fù)合粉末等打印材料由鋪粉輥將粉末均勻鋪在成型缸活塞上計(jì)算機(jī)根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個(gè)層面粉末完成一層后，工作活塞下降一個(gè)層厚，鋪粉

11、系統(tǒng)鋪上新粉控制激光束再掃描燒結(jié)新層如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，直到三維零件成型基本流程3.打印材料的制備目前3D打印材料主要類型是塑料，液態(tài)樹脂和金屬粉末。在家用領(lǐng)域，有石膏、光敏樹脂、塑料等；在工業(yè)應(yīng)用中，適用的金屬材料只有10余種。在航空航天等隱性材料上，打印材料逐漸向碳化硅復(fù)合材料、高介電陶瓷等超穎材料發(fā)展。此外納米材料在3D打印技術(shù)中也有很大的優(yōu)勢(shì)。3D打印金屬材料主要用的韌性好的不銹鋼和鈦合金。打印材料有哪些？3.1 高分子粉末材料的制備高分子材料具有粘彈性，在常溫下粉碎時(shí)，產(chǎn)生的粉碎熱會(huì)增加其粘彈性，使粉碎困難，同時(shí)被粉碎的粒子還會(huì)重新粘合而使粉碎效率降低，甚至?xí)霈F(xiàn)熔融拉絲現(xiàn)象，因

12、此不能用常規(guī)粉碎法。低溫粉碎法基本原理：在低溫下高分子材料有一脆化溫度Tb，當(dāng)溫度低于Tb時(shí)，物料變脆，有利于采用沖擊式粉碎方式進(jìn)行粉碎。低溫粉碎法正是利用高分子材料的這種低溫脆性來(lái)制備粉末材料的。適用材料：常見的高分子材料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚酯等都可采用低溫粉碎法制備粉末材料。制備微米級(jí)高分子粉末方法溶劑沉淀法低溫粉碎法制備高分子粉末材料時(shí)，首先將原料冷凍至液氮溫度（-196），將粉碎機(jī)內(nèi)部溫度保持在合適的低溫狀態(tài)，加入冷凍好的原料進(jìn)行粉碎。粉碎溫度越低，粉碎效率越高，制得的粉末粒徑越小，但制冷劑消耗量大?？筛鶕?jù)原料性質(zhì)而定，對(duì)于脆性較大的原料如聚苯乙烯、聚甲基丙

13、烯酸酯類，粉碎溫度可以高一些，而對(duì)韌性較好的原料如聚碳酸酯、尼龍、ABS 等則應(yīng)保持較低的溫度。粉碎溫度的確定低溫粉碎法工藝較簡(jiǎn)單，能連續(xù)化生產(chǎn)；但需專用深冷設(shè)備，投資大，能量消耗大。而且制備的粉末顆粒形狀不規(guī)則，粒度分布較寬。特點(diǎn)基本原理：溶劑沉淀法是將聚合物溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，然后采用改變溫度或加入第二種非溶劑等方法使聚合物以粉末狀沉淀出來(lái)。適用材料：特別適合于具有低溫柔韌性的高分子材料，這類材料較難低溫粉碎，細(xì)粉收率很低，如尼龍。溶劑沉淀法尼龍 12 粉末制備工藝制備的粉末微粒形狀接近于球形，可以通過控制工藝條件生產(chǎn)出所需細(xì)度的粉末。一般來(lái)說(shuō)，溶劑的用量越大，粉末粒徑越小。3.2 金屬粉

14、末的制備機(jī)械研磨法利用金屬顆粒在不同應(yīng)變速率下因產(chǎn)生變形而破碎細(xì)化的機(jī)理。 其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)物料的選擇性不強(qiáng)可以進(jìn)行多種金屬及合金的粉末制備。氣流粉碎是利用氣流的能量使物料顆粒發(fā)生相互碰撞或與固定板碰撞而粉碎。適用于脆性金屬及其氧化物粉末的制備，工藝成熟，但在金屬粉末的生產(chǎn)過程中消耗大量的惰性氣體或氮?dú)?。金屬粉末制備方法物理法溶膠凝法機(jī)械合金化法霧化法機(jī)械法機(jī)械研磨法冷氣流粉碎法化學(xué)法電解法氣相沉積法氧化還原法霧化法將作為芯核顆粒的金屬(或合金) 非金屬、陶瓷粉末與另一種熔融的金屬或合金熔體混合熔體用高速流體(通常用水空氣氬氣等)對(duì)其進(jìn)行霧化制得金屬粉末和復(fù)合粉末。機(jī)械合金化是通過兩種或兩種以上的

15、金屬或非金屬粉體的球磨在固態(tài)下完成固相反應(yīng)和相變獲得細(xì)晶合金粉體 目前機(jī)械合金化廣泛用于制備納米晶準(zhǔn)晶金屬間化合物和非晶合金等亞穩(wěn)材料。化學(xué)氣相沉積是在熱、光和等離子體等的激活和驅(qū)動(dòng)下使氣態(tài)物質(zhì)在氣相或氣固界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 從而制得穩(wěn)定固態(tài)沉積物。溶膠凝膠法用于超細(xì)粉體表面包覆粒子的制備，包覆用溶膠的制備和包覆層的制備。將所需包覆的顆粒分散于所制備的溶膠中，再在一定的反應(yīng)條件下完成凝膠化即可在顆粒表面形成所需的包覆層。4.總結(jié)3D打印技術(shù)雖然在近20年發(fā)展非常迅速，但是目前還有許多困難。成本偏高打印零件的尺寸有局限可打印材料種類偏少，某些特殊材料較難打印；精度和速度的限制，比如照相機(jī)鏡頭等需

16、要超高精度的零件無(wú)法加工缺乏行業(yè)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制發(fā)展瓶頸3D打印設(shè)備將會(huì)朝著智能化、快速化、精密化、通用化方向發(fā)展，這將對(duì)打印速度與精度提出更高的要求，同時(shí)對(duì)于多學(xué)科、多機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)與創(chuàng)新提出一定的要求。打印材料將會(huì)從樹脂到金屬材料，再到陶瓷材料，直到生物活性材料發(fā)展。技術(shù)應(yīng)用將從快速原型，過渡到產(chǎn)品開發(fā)，再到形狀復(fù)雜，小批量制造階段發(fā)展。制造對(duì)象也將向日常消費(fèi)品制造，生物制造，功能件制造如飛機(jī)的起落架等復(fù)雜零件，個(gè)性化制造方向發(fā)展。即3D打印技術(shù)將朝著成本低廉，零件適應(yīng)性廣，材料適應(yīng)性廣的方向發(fā)展，并且在打印速度和打印質(zhì)量方面有很大的提高。發(fā)展方向參考文獻(xiàn)1 Jack G. Zho

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