d打印技術(shù)的由來課件

撰寫人員莫中凱完成時(shí)間2017-3-261、3D打印技術(shù)的由來目錄1.1什么是3D打印技術(shù)1.23D打印的起源及開展1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏1.4中國3D打印的現(xiàn)狀1.1什么是3D打印技術(shù)3D打印技術(shù)，即增材制造，是一種以數(shù)字三維模型文件為根底，運(yùn)用高能束源或者熱熔等方式，將液體、粉末等特殊材料堆積黏結(jié)，最終疊加成型，直接構(gòu)造出實(shí)體的一種技術(shù)。增材制造-減材制造〔普通〕3D打印技術(shù)原理將計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分層割片，得到各層數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)根據(jù)隔層數(shù)據(jù)信息來控制激光器〔或噴嘴〕有選擇地逐層燒結(jié)〔固化，熱熔凝結(jié)等〕形成一層層微小厚度的實(shí)體，再熔結(jié)、聚合、黏結(jié)使各層黏結(jié)成一體，最終造出實(shí)體模型、模具。3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理根本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料〞，是實(shí)實(shí)在在的原材料。通俗地說，3D打印機(jī)是可以“打印〞出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備，比方打印一個(gè)機(jī)器人、打印玩具車，打印各種模型，甚至是食物等等。3D打印存在著許多不同的技術(shù)。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構(gòu)建創(chuàng)立部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。1.1.13D打印技術(shù)的分類根據(jù)所用材料及生成層片方式的區(qū)別，總體可歸納為：擠出成型、粒狀粉末物料成型、光聚合成型。1〕擠出成型主要代表有熔融沉積成型〔FDM〕技術(shù)。它是唯一使用工業(yè)級(jí)熱塑料〔PLA、尼龍等〕作為成型材料的層積制造方法。成品可耐受一定溫度、化學(xué)腐蝕，還可抗菌和抗一定的應(yīng)力，主要用于制造概念模型、功能原型、零部件以及生產(chǎn)工具等。Stratasys斯特塔西fortus900mc1.1.13D打印技術(shù)的分類2〕粒狀粉末物料成型主要分為兩類：一類是通過激光或者電子束有選擇地在顆粒層中熔化打印材料，而未熔化的材料那么作為物體的支撐，無需其他支撐材料。另一類采用噴頭式粉末成型打印技術(shù)，該打印機(jī)在每一層噴射石膏或者在樹脂粉末之間添加黏結(jié)劑，通過橫截面進(jìn)行黏合，重復(fù)至每一層打印完成。3〕光聚合成型主要分為三種：一種是由美國3DSystems公司開發(fā)的立體光刻成型〔SL〕技術(shù)。該技術(shù)具有成型過程自動(dòng)化程度高、制作模型外表質(zhì)量好、尺寸精度高等特點(diǎn)，但由于液態(tài)光敏聚合物的特性，要求SLA設(shè)備的工作環(huán)境較為苛刻。成型件多為樹脂類，強(qiáng)度、剛度及耐熱性有限，不利于長時(shí)間保存。1.1.13D打印技術(shù)的分類第二種是Objet公司的PolyJet噴頭打印技術(shù)，才用紫外光對噴頭噴射出直徑為16-30μm的光聚合物材料進(jìn)行照射固化，直至部件制作完成。第三種是德國EnvisionTec公司的Ultra3D打印數(shù)字光處理〔DLP〕成型系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠構(gòu)建組合型的3D部件，使用高分辨率的數(shù)字光處理器投影儀來固化液態(tài)光聚合物，從而快速精準(zhǔn)地完成模型制造。

3DSystemsSLAObjet

PolyJetEnvisionTecUltra3D1.1.23D打印是一種多學(xué)科復(fù)合制造技術(shù)3D打印技術(shù)是數(shù)字化技術(shù)、新材料技術(shù)、軟件技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、機(jī)械工程等多學(xué)科開展的產(chǎn)物。3D打印可以分為兩個(gè)過程：一是數(shù)據(jù)處理，利用三維掃描儀和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)獲取模型數(shù)據(jù)，將模型數(shù)據(jù)進(jìn)行切片分層處理，將三維數(shù)據(jù)分解成為二維數(shù)據(jù)；其二是制造過程，依據(jù)分層的二維數(shù)據(jù)，采用所選定的制造工藝方法制作與數(shù)據(jù)分層厚度相同的層片，將層片按順序疊加起來，構(gòu)成了最終的三維實(shí)體，實(shí)現(xiàn)從二維層片到三維實(shí)體的過程。3D打印技術(shù)制作的?鋼鐵俠?手掌1.23D打印的起源及開展3D打印技術(shù)的核心制造思想最早起源于18世紀(jì)末19世紀(jì)初的美國。20世紀(jì)50年代后出現(xiàn)了幾百個(gè)關(guān)于3D打印的專利。直至20世紀(jì)80年代中期開始，至今經(jīng)過三十年的開展，該技術(shù)已趨于成熟，并初步形成規(guī)?；w系，全球3D綜合競爭態(tài)勢也呈現(xiàn)出“美國主導(dǎo)、歐洲協(xié)同開展、日本追隨、中國后發(fā)〞的根本格局。特別是2021年，美國率先將3D打印納入開展工作方案之中，自此在全球迅速形成了3D打印技術(shù)熱潮，3D打印技術(shù)的開展實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。因而，2021年可稱為“3D打印元年〞。1.23D打印的起源及開展縱觀近年3D打印開展史，3D打印已逐步從單純的技術(shù)研發(fā)轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力，廣泛應(yīng)用于汽車制造、醫(yī)療、科學(xué)研究、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。3D打印正逐步步入拐點(diǎn)期，技術(shù)層面的突破性進(jìn)展將成為3D打印推開工業(yè)4.0革命，引領(lǐng)“中國制造〞向“中國智造〞轉(zhuǎn)變的著力點(diǎn)。1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復(fù)雜，制造本錢越高。對3D打印機(jī)而言，制造一個(gè)華美的形狀復(fù)雜的物品并不比打印一個(gè)簡單的方塊消耗更多的時(shí)間、技能或本錢。優(yōu)勢1：制造復(fù)雜物品不增加本錢1.3.13D打印的優(yōu)勢----傳統(tǒng)制造業(yè)無法企及1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏優(yōu)勢2：產(chǎn)品多樣化不增加本錢一臺(tái)3D打印機(jī)可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。傳統(tǒng)的制造設(shè)備功能較少，做出的形狀種類有限。3D打印省去了培訓(xùn)機(jī)械師或購置新設(shè)備的本錢，一臺(tái)3D打印機(jī)只需要不同的數(shù)字設(shè)計(jì)藍(lán)圖和一批新的原材料。1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏優(yōu)勢3：一次成型，無須組裝傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)建立在組裝線根底上，產(chǎn)品組成部件越多，組裝消耗的時(shí)間和本錢就越多。3D打印機(jī)通過分層制造可以同時(shí)打印一扇門及上面的配套鉸鏈，不需要組裝。省略組裝就縮短了供給鏈，節(jié)省在勞動(dòng)力和運(yùn)輸方面的花費(fèi)。供給鏈越短，污染也越少。1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏與傳統(tǒng)制造模式相比，3D打印能在短時(shí)間內(nèi)快速的完成用戶需求的小批量定制化物件，降低新產(chǎn)品開發(fā)研制的本錢和投資風(fēng)險(xiǎn)，縮短新產(chǎn)品研制和投放市場的周期，同時(shí)也減少了運(yùn)輸和庫存的本錢。優(yōu)勢4：零時(shí)間交付，快速制造1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏優(yōu)勢5：設(shè)計(jì)空間無限傳統(tǒng)制造技術(shù)和工匠制造的產(chǎn)品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如，傳統(tǒng)的木制車床只能制造圓形物品，軋機(jī)只能加工用銑刀組裝的部件，制模機(jī)僅能制造模鑄形狀。3D打印機(jī)可以突破這些局限，開辟巨大的設(shè)計(jì)空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏優(yōu)勢6：零技能制造傳統(tǒng)工匠需要當(dāng)幾年學(xué)徒才能掌握所需要的技能，傳統(tǒng)的制造機(jī)器仍然需要熟練的專業(yè)人員進(jìn)行機(jī)器調(diào)整和校準(zhǔn)。3D打印機(jī)做同樣復(fù)雜的物品，3D打印機(jī)所需要的操作技能甚至比注塑機(jī)更少。1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏優(yōu)勢7：不占空間、便攜制造就單位生產(chǎn)空間而言，與傳統(tǒng)制造機(jī)器相比，3D打印機(jī)的制造能力更強(qiáng)。同時(shí)，所需的物理空間也更小。1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏優(yōu)勢8：減少廢棄副產(chǎn)品與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比，3D打印機(jī)制造金屬時(shí)產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。傳統(tǒng)金屬加工的浪費(fèi)量驚人，大量金屬原材料被丟棄在工廠車間里。3D打印制造金屬時(shí)浪費(fèi)量減少。隨著打印材料的進(jìn)步，“凈成形〞制造可能成為更環(huán)保的加工方式。1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏優(yōu)勢9：材料無限組合對當(dāng)今的加工制造機(jī)器而言，將不同原材料結(jié)合成單一產(chǎn)品是件難事，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的制造機(jī)器在切割或模具成型過程中不能輕易地將多種原材料融合在一起。隨著多材料3D打印技術(shù)的開展，我們有能力將不同原材料融合在一個(gè)產(chǎn)品中。1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏優(yōu)勢10：精確的實(shí)體復(fù)制三維掃描技術(shù)與3D打印技術(shù)的結(jié)合，共同提高了實(shí)體世界與數(shù)字世界之間的形態(tài)轉(zhuǎn)換和分辨率，我們可以掃描、編輯和復(fù)制實(shí)體對象，創(chuàng)立精確的副本或優(yōu)化原件。1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏1：材料的限制1.3.23D打印的挑戰(zhàn)及產(chǎn)業(yè)開展瓶頸材料瓶頸已經(jīng)成為限制3D打印開展的首要問題。因?yàn)槲磥?D打印的真正開展將在高端領(lǐng)域即工業(yè)應(yīng)用,而目前高端打印材料的開展尚無法滿足3D打印技術(shù)開展的需要。1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏1：材料的限制理論上來說,所有的材料都可以用于3D打印,但目前主要以石膏、光敏樹脂、塑料為主,這很難滿足群眾用戶的需求。工業(yè)級(jí)的3D打印材料更是十分有限,目前適用的金屬材料只有10余種,而且只有專用的金屬粉末材料才能滿足金屬零件的打印需要。需要用到金屬粉末材料的3D打印為工業(yè)級(jí)打印機(jī),即選擇性激光燒結(jié)(SLS)和選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)。“目前在工業(yè)級(jí)打印材料方面存在的問題主要是,第一,可適用的材料成熟度跟不上3D市場的開展;第二,打印流暢性缺乏;第三,材料強(qiáng)度不夠;第四,材料對人體的平安性與對環(huán)境的友好性的矛盾;第五是材料標(biāo)準(zhǔn)化及系列化標(biāo)準(zhǔn)的制定。3D打印對粉末材料的粒度分布、松裝密度、氧含量、流動(dòng)性等性能要求很高。但目前還沒有形成一個(gè)行業(yè)性的標(biāo)準(zhǔn),因此在材料特性的選擇上前期要花很長的時(shí)間。1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏2：機(jī)器的限制3D打印要成為主流技術(shù)，它對機(jī)器的材料和功能要求都不會(huì)低。目前很多形狀都可以被打印出來，但是要保證成品的精度、復(fù)原度，就對機(jī)器提出了很高的要求。特別是多材料、多功能、高精度的3D打印設(shè)備要進(jìn)入普通家庭還是有很長的路要走。1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏3：知識(shí)產(chǎn)權(quán)的憂慮多個(gè)行業(yè)可能會(huì)感到3D打印以及它可能繞過知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)而構(gòu)成的威脅。盡管相關(guān)法律問題十分復(fù)雜難纏，但這也難以阻止一些公司，比方汽車零部件行業(yè)〔每年產(chǎn)值為1400億美元〕通過法律渠道保護(hù)自己的利益，從而讓3D打印技術(shù)或其應(yīng)用長期寸步難行。相比知識(shí)產(chǎn)權(quán)盜用而言，還有些問題層次更深。擔(dān)保、設(shè)計(jì)授權(quán)、相關(guān)責(zé)任——從法律觀點(diǎn)看，相關(guān)問題還遠(yuǎn)不止于這些。3D打印涉及的領(lǐng)域非常廣泛，因此這個(gè)行業(yè)暫時(shí)不需要考慮太多的監(jiān)管問題。即使要通過某項(xiàng)監(jiān)管措施，那也會(huì)是針對某種應(yīng)用〔比方打印武器〕而非技術(shù)本身。但這并不意味著訴訟及其他法律問題完全不會(huì)阻礙3D打印加速開展的腳步。1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏4：道德的挑戰(zhàn)1999年，世界上第一個(gè)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的器官植入人體，一個(gè)年輕人接受了用3D合成的膀胱。這項(xiàng)技術(shù)開啟了再生器官—的探索之路。這些器官用患者自己的細(xì)胞制成，根本沒有排斥反響的風(fēng)險(xiǎn)。2021年，用器官打印技術(shù)和一臺(tái)3D生物打印機(jī)，打印出第一條血管。相信我們在不久的將來會(huì)遇到極大的道德挑戰(zhàn)。1.33D打印的優(yōu)勢與缺乏5：費(fèi)用的承擔(dān)大多數(shù)桌面級(jí)3D打印機(jī)的售價(jià)在1萬元人民幣以上，一些國內(nèi)的仿制品價(jià)格可以低到3000元。但是國產(chǎn)的3D打印機(jī)雖然價(jià)格低，但質(zhì)量很難保障。普通PLA耗材價(jià)格為50-100元/KG。對于桌面級(jí)3D打印機(jī)來說，由于僅能打印塑料產(chǎn)品，因此使用范圍非常有限，而且對于家庭用戶來說，3D打印機(jī)的使用本錢仍然很高。因?yàn)樵诖蛴∫粋€(gè)物品之前，人們必須會(huì)懂得3D建模，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)能夠讀取的格式，最后再進(jìn)行打印。1.4中國3D打印的現(xiàn)狀自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)多所高校開展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)。清華大學(xué)在現(xiàn)代成型學(xué)理論、分層實(shí)體制造、FDM工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢；華中科技大學(xué)在分層實(shí)體制造工藝方面有優(yōu)勢，并已推出了HRP系列成型機(jī)和成型材料；西安交通大學(xué)自主研制了三維打印機(jī)噴頭，并開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)成型材料，成型精度到達(dá)0.2mm；中國科技大學(xué)自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領(lǐng)域得到應(yīng)用。但總體而言，國內(nèi)3D打印技術(shù)研發(fā)水平與國外相比還有較大差距。2021年?國家增材制造開展推進(jìn)方案〔2021-2021年〕?已初步制定完成，?推進(jìn)方案?對3D打印的開展目標(biāo)、政策保障及未來開展方向做出了明確闡述，為我國3D產(chǎn)業(yè)的開展致命了方向。1.4中國3D打印的現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)如深圳維示泰克、南京紫金立德、北京殷華、江蘇敦超等企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了3D打印機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)和銷售。國內(nèi)與國外行業(yè)的差異在于，中國的市場潛力巨大，世界第一，但是創(chuàng)新和科技實(shí)力弱，材料、信息技術(shù)、理念這些不利于3D打印的上游技術(shù)開展。3D打印開展，工業(yè)、消費(fèi)品并重，短期來看，工業(yè)市場更吸引人。專家方面，清華大學(xué)的顏永年，華科大的史玉升，西交大的盧秉恒，北航的王華明，湖南華曙的許小曙，技術(shù)路徑不一樣，排名沒有價(jià)值。目前王華明、顏永年參與了上市公司產(chǎn)業(yè)化，華科大曾經(jīng)有深圳創(chuàng)投介入，西交大資本化較弱.應(yīng)該說清華、北航、湖南、武漢的應(yīng)用技術(shù)和方向不一樣，互不分伯仲湖南的CTO研究焊接和材料出生出身，這方面有優(yōu)勢。逼近制造業(yè)、替換傳統(tǒng)的鑄造和模具生產(chǎn)的技術(shù)，還是在北航、武漢。1.4中國3D打印的現(xiàn)狀1〕清華大學(xué)顏永年團(tuán)隊(duì)“中國3D打印第一人〞顏永年領(lǐng)導(dǎo)的的激光快速成形中心率先在國內(nèi)進(jìn)行了快速原型制造〔RPM〕技術(shù)的研究，并完成多種功能先進(jìn)的RP設(shè)備以及有關(guān)的軟硬件的開發(fā)與研究，在世界RP領(lǐng)域上占有一定的地位，還進(jìn)行了大量由RP向快速工具RT〔RapidTooling〕制造技術(shù)轉(zhuǎn)化的研究。迄今為止，完成了5臺(tái)套世界級(jí)重型液壓機(jī)設(shè)計(jì)，包括：中國最大的換熱器板片成形壓機(jī)--4萬噸板料成型壓機(jī)〔廣州〕、世界最大的重型厚壁鋼管垂直擠壓機(jī)--3.6萬噸垂直鋼管擠壓機(jī)〔包頭〕、我國最大的精密航空模鍛液壓機(jī)4萬噸航空精密模鍛壓機(jī)〔西安〕、遠(yuǎn)東地區(qū)最大的具有擠壓功能的模鍛液壓機(jī)--3萬噸核電精密模鍛壓機(jī)〔昆山〕。1.4中