逆向工程與快速成型技術應用 第4版 思考題及答案 項目四 快速成型技術概述

《項目四快速成型技術概述》思考題參考答案4-1物體的成型方式有哪些？各自的最主要特點是什么？答：有四種：（1）去除成型。車銑刨磨都是該種成型方式，在成型過程中重量逐漸減少，因此，被稱之為“減材”制造。受迫成型。在該成型過程中，材料的重量不發(fā)生變化，因此被稱為“等材”制造。傳統(tǒng)的鍛壓、鑄造、粉末冶金等都屬于受迫成型，現(xiàn)代的沖壓成型、注塑成型等也屬于這種成型方式。添加成型，又稱堆積成型。在該過程中物體的重量通過逐漸添加材料而增加，直至最后成型，因此被稱為“增材”制造。生長成型。利用材料的活性進行成型的方法。自然界中的生物（植物、動物，包括人）個體發(fā)育均屬于生長成型。這是最高層次的成型方法，也是人類一直追求的一種制造方法?，F(xiàn)在所講的3D生物打印技術、4D打印、5D打印都屬于該種。4-2快速成型技術的別稱有哪些？為什么獲得這些稱謂？答：別稱有（1）“增材制造”（AdditiveManufacturing，AM)，因為成型過程中成型材料層層疊加，成型件的重量逐漸增加?！安牧侠奂又圃臁?MaterialIncreaseManufacturing，MIM)，理由同（1）?！胺謱又圃臁?LayeredManufacturing，LM)，因為設計模型需要進行分層處理，轉化為二維層片數據；在成型中一層層加工，疊加成三維實體?！皩嶓w自由制造”(SolidFree-FormFabrication，F(xiàn)FF)，因為快速成型技術的成型特點，將三維的模型用降維的形式，變成二維，甚至一維的來加工，使得其加工過程簡單化，與設計模型的復雜性沒有關系，“所想即所得”，因此，被稱之為“自由制造”?！?D打印”(3DPrinting)，因為快速成型每一層的加工過程如同我們采用辦公室的打印機來進行文件的打印一樣，只不過平時所說的打印為“2D”?？焖俪尚蜁r，有高度方向的疊加，因此，被稱之為“3D打印”。4-3快速成型技術的工作原理是什么？與傳統(tǒng)減材制造相比，該技術具有哪些特點？答：工作原理：與傳統(tǒng)制造方法不同，快速成型從零件的CAD三維幾何模型出發(fā)，通過切片軟件和成型設備，用特殊的工藝方法(熔融、燒結、粘結等）將材料層層堆積而形成實體零件。因此，快速成型是基于數據離散—物理堆積的思想，將一個三維模型通過切片處理離散成一系列二維層片,在成型設備中逐點、逐面進行材料的堆積成型，加工制造出實物的。優(yōu)點：（1）制造復雜形狀的物體不增加成本。（2）一體化制造，無須裝配。（3）按需制造成為可能，復雜程度和批量大小與產品單價無關。（4）材料利用率提高，“凈成型”制造成為可能，也使得快速成型成為更環(huán)保的加工方式。（5）釋放了設計自由度，真正實現(xiàn)了“所想即所得”。（6）真正實現(xiàn)拓撲優(yōu)化。（7）便攜制造、清潔環(huán)保。缺點：（1）存在臺階效應，加工精度不高。（2）所能使用的材料有限4-4為什么各國都在大力發(fā)展“增材制造”？答：世界各國紛紛將增材制造作為未來產業(yè)發(fā)展新增長點。全球著名的麥肯錫報告認為，增材制造將是決定2025年經濟的12大顛覆技術之一。美國《時代》周刊將增材制造列為“美國十大增長最快的工業(yè)”，英國《經濟學人》雜志認為增材制造將“與其他數字化生產模式一起，推動實現(xiàn)第三次工業(yè)革命”，認為該技術將改變未來生產與生活模式，實現(xiàn)社會化制造。以云計算、大數據、增材制造等為核心、以“工業(yè)4.0”為標志的新一輪產業(yè)革命正在來臨，制造業(yè)將成為國家經濟競爭力的關鍵所在。歐美等發(fā)達國家將增材制造作為“再工業(yè)化”、“重新奪回制造業(yè)”、“重振經濟”的國家戰(zhàn)略，德國長期在金屬零件增材制造技術方面處于領先地位。目前，我國制造業(yè)傳統(tǒng)的低成本競爭優(yōu)勢不斷減弱，正面臨歐美發(fā)達國家“再工業(yè)化”和發(fā)展中國家低成本承接產業(yè)轉移的“雙重擠壓”。增材制造與信息網絡技術、新材料技術、新設計理念的深度融合，將給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來變革性影響，被稱為新一輪工業(yè)革命的標志性技術之一。當前，增材制造已經成為航空航天等高端設備制造及修復領域的重要技術手段，初步成為產品研發(fā)設計、創(chuàng)新創(chuàng)意及個性化產品的實現(xiàn)手段以及臨床診斷與治療的工具，并且應用范圍不斷擴展。因此，借助云計算、物聯(lián)網、大數據為代表的新興信息技術，大力發(fā)展增材制造等顛覆性技術，是實現(xiàn)“中國制造”向“中國智造”轉變的時代選擇，是實現(xiàn)制造業(yè)彎道超速，打造我國制造業(yè)新優(yōu)勢，實現(xiàn)“制造強國夢”的必然選擇，也是力爭搶占未來科技和產業(yè)制高點的必然選擇。4-5如何客觀地評價我國增材制造的發(fā)展水平？答：我國增材制造技術在國家政策的支持下，經過近三十年的發(fā)展，其產業(yè)化步伐明顯加快，科技創(chuàng)新成果顯著增加，關鍵技術、裝備性能不斷提升，涌現(xiàn)出一批具有一定競爭力的骨干企業(yè)，應用領域日益拓展，形成了若干個產業(yè)集聚區(qū)，生態(tài)體系初步形成，2020年的產業(yè)規(guī)模已經突破220億元。針對材料、工藝和設備的研究成果部分已實現(xiàn)產業(yè)化，應用范圍覆蓋航空航天、裝備制造、汽車、生物醫(yī)療和文化創(chuàng)意等重要領域。但增材制造技術與產業(yè)相比世界先進水平仍有差距；國內多數制造企業(yè)還處于接觸增材制造技術、開展探索應用階段，沒有達到全面掌握、轉化應用、創(chuàng)造增量價值的目標；結合國情開展的增材制造技術規(guī)劃與產業(yè)發(fā)展研究也不夠深入和充分。4-6快速成型技術在哪些領域獲得很好的應用？為什么？答：快速成型技術可以低成本、高質量來制造如下產品：（1）個性化定制類產品，如醫(yī)療醫(yī)學上的假肢和組織器官，個性化的衣服鞋帽。（2）復雜產品，如點陣結構、拓撲結構類產品。（3）多功能材料產品，如磁電功能件。因此，快速成型規(guī)范應用在醫(yī)療、工業(yè)制造、技術開發(fā)、汽車模具、航空航天、教育創(chuàng)新等領域。4-7快速成型技術有哪些成熟的工藝方法？答：見表4-4.表4-4幾大主流工藝名稱簡稱發(fā)展時期（年）立體光固化成型SLA1986-1988逐層固化法SGC1986-1988（消失于1999年）分層實體制造LOM1985-1991熔絲沉積制造FDM1988-1991選擇性激光燒結SLS1987-1992三維噴涂粘接3DP1985-19974-8熔融沉積快速成型的技術特點是什么？為什么FDM工藝在快速成型技術的大眾化方面起到了積極作用？答：FDM成型時不依靠激光作為成型能源，而是利用加熱器件將各種絲材加熱到熔點，進行熔化堆積成型。使用的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。因此，F(xiàn)DM成型設備結構簡單，設備成本低，安全性較好；FDM所使用的材料無毒且易于回收，制作的模型強度適中，因此被廣泛應用于桌面式快速成型設備。該技術的出現(xiàn)，對快速成型技術的推廣和大眾化起到了很好的推動作用。4-9金屬增材制造的熱源有哪幾種？所采用的成形材料有哪幾種形式？答：詳細見圖4-33。目前所采用的熱源有：激光、電子束、電弧，所用的材料形式為：粉末和熔絲材料。4-10試比較SLA與DLP兩種光固化類快速成型工藝的區(qū)別。答：相同點：利用光敏樹脂的光固化效應，進行凝固成型。不同點：（1）光源不同。SLA采用激光器作為光源，產生紫色激光來固化光敏樹脂；DLP采用的是數字光處理器產生的數字光來固化光敏樹脂。（2）成型方式：SLA是通過點激光單點凝固，成型過程：由點到線、到面，再到體。DLP是面凝固，直接由面到體。（3）設備成本。SLA設備成本高、DLP的設備成本低。4-11生物3D打印的材料具有什么特點？所采用的生物3D打印工藝具有什么特點？答：生物3D打印材料為載細胞的水凝膠材料（稱為生物墨水），成形變?yōu)樗z所特有的交聯(lián)成形，加工后處理變?yōu)榧毎墓δ芑T導。生物3D打印可細分為：噴墨式、激光直寫式、擠出式和光固化式打印等。噴墨式生物3D打印被認為是最早，也是成本最低的生物3D打印技術。但由于噴頭的驅動壓力較小，因此無法打印高黏度和高濃度的生物墨水；另外，在噴墨打印過程中，可能會對細胞產生機械或者熱損傷。這些缺點限制了噴墨式生物3D打印技術的廣泛應用。激光直寫技術是一種無噴頭的噴墨式打印方式。這種技術可以避免生物墨水與處理裝置的直接接觸，從而避免了機械裝置對細胞的損傷，因此，細胞具有很高的活性。另外，該工藝可以打印高黏度的生物材料，而且適用的材料范圍也比噴墨打印廣泛。但由于基于該原理的打印機成本較高，缺乏商業(yè)的打印裝置；每打印一層后，在激光吸收材料上涂覆生物墨水比較耗時，且產生微滴的重復性還不夠，因此目前大部分對此的研究還停留在工藝討論上，限制了其應用。擠出式生物3D打印通過連續(xù)擠出不間斷的纖維，可以打印黏度較高的生物材料，或者是不同黏度的生物材料和不同濃度的細胞，因此可打印材料的適用范圍較廣，也可制造出結構強度較好的組織結構。4-12如何利用快速成型技術來培養(yǎng)“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”能力？答：快速成型技術具有從數字化設計到數字化制造全生命周期的“數字化”特點，且制造與產品的復雜性無關，“所想即所得”。這些特點可以讓設計者將主要精力集中在產品的創(chuàng)新設計環(huán)節(jié)。同時，快速成型設備相當于一個加工廠，且很多的材料綠色環(huán)保，因此，在一個寫字間或辦公室內，就可以進行產品的制造，將設想變?yōu)楝F(xiàn)實。因此，我們可以充分利用快速成型技術的特點，進行“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”。4-13快速成型技術講給我國的制造業(yè)帶來怎樣的影響？答：快速成型技術，將數字化設計與制造結合起來，可以在較短的時間內制造出復雜的、定制的產品。這項技術的出現(xiàn)將對現(xiàn)代制造業(yè)帶來以下影響：（1）縮短了產品從設計到制造的時間，從而提高了生產效率和整體制造水平；（2）降低了制造成本，減少了廢料和能源的浪費，實現(xiàn)了可持續(xù)制造；（3）使得制造業(yè)可以更方便地實現(xiàn)小批量生產和個性化定制；（4）擴大了制造業(yè)的范疇，能夠制造出更復雜、更精密的產品，從而為其他制造業(yè)提供更加高效、便捷的服務。（5）為創(chuàng)新設計提供了較好的制造方式，可助力創(chuàng)新團隊的成長，提升創(chuàng)新設計水平。4-14上網查閱資料，以具體案例說明快速成型技術在新產品或設備開發(fā)上的應用。答：略4-15掃描觀看中國3D打印領域的“教父”盧秉恒院士的“開講啦3D打印技術應用”，思考如下幾個問題：(1)盧院士贈送給主持人的是什么禮物？采用什么方法制造的？答：帶有中國元素的塑料套球，類似于套娃。采用的是3D打印。盧院士是如何描述3D打印技術的未來的？答：未來3D打印的應用領域將越來越廣，會出現(xiàn)太空3D打印，也將在3D打印的基礎上出現(xiàn)4D打?。S著時間的變化，打印件的形狀會發(fā)生變化）、5D打印（隨著時間的變化，打印件的形狀和功能都會發(fā)生變化）。盧院士是如何從工作中尋找樂趣的？答：保持一種開放創(chuàng)新的心態(tài)，不斷學習和探索，認真做事；耐住寂寞，稍安勿躁，確定目標去實現(xiàn)，獲得成就感。(4)在未來實現(xiàn)兩個強國的征程中，盧院士是如何囑咐青年一代？答：盧院士鼓勵當代年輕人：在未來實現(xiàn)兩個強國的征程中，正好是你們年輕人精力最充沛的時候，希望你們都能有所創(chuàng)新，為我們中國的崛起貢獻力量。（5）盧院士在講座的最后，念了自己所賦的一首詩：“聚一束神光，熔女媧晶石。繪天下神奇，鼎中華輝煌?！边@首詩給我們什么樣的啟發(fā)？答：這首詩不僅表達了3D打印技術的成型原理，而且表示出3D打印人“為中華騰飛”的奉獻情懷。(6)試概括一下以盧院士為代表的中國3D打印人，具有什么樣的精神品質？答：以盧院