機械制造基礎第7章 3D打印與快速成型

機械制造基礎賈穎蓮教授二〇二〇年二月7.1快速成形7.23D打印第7章3D打印與快速成型了解快速成型的概念與種類，掌握快速成型的原理與應用，掌握3D打印的概念及特點，了解3D打印的應用領域，了解3D打印相比傳統(tǒng)制造技術的優(yōu)勢及缺點。學習目標快速成型、3D打印、三維模型。知識點技能點會使用常用3D打印機等快速成型設備將三維模型打印成實物。第7章3D打印與快速成型快速成形（RP，RapidPrototyping）技術是運用堆積成形法，由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造任意復雜形狀三維實體零件的技術總稱。3D打印是一種典型的快速成型技術，它以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產(chǎn)成品不同，3D打印將三維實體變?yōu)槿舾蓚€二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產(chǎn)，大大降低了制造的復雜度。第7章3D打印與快速成型快速成形技術的成形原理不同于常規(guī)制造的去除法（切削加工廠、電火花加工等）和變形法（鑄造、鍛造等），而是利用光、電、熱等手段，通過固化、燒結、粘結、熔結、聚合作用或化學作用等方式，有選擇地固化（或粘結）液體（或固體）材料，實現(xiàn)材料的遷移和堆積，形成所需要的原型零件。因此，RP制造技術好像燕子銜泥壘窩一樣，是一種分層制造的材料累加方法。RP制造技術可直接從CAD模型中產(chǎn)生三維物體，它綜合了機械工程、自動控制、激光、計算機和材料等學科的技術。7.1快速成形RP技術是一種基于離散堆積成形思想的數(shù)字化成型技術。根據(jù)生產(chǎn)需要，先由三維實體CAD軟件設計出所需要零件的計算機三維曲面或?qū)嶓w模型（亦稱電子模型），然后根據(jù)工藝要求，將其按一定厚度進行分層，把原來的三維實體模型變成二維平面（截面）信息；再將分層后的數(shù)據(jù)進行一定的處理，加入工藝參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼；最后在計算機控制下，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式，把原來很復雜的三維制造轉化為一系列有序的低維（二維）薄片層的制造并使它們自動粘結疊加成形。7.1.1快速成形技術的工作原理１．選擇性液體固化選擇性液體固化又稱光固化法。該方法的典型實現(xiàn)工藝有立體光刻（SL，StereoLithography），其工藝原理如圖7.1.1所示。成形過程中，計算機控制的紫外激光束按零件的各分層截面信息在樹脂表面進行逐點掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。頭一層固化完后，升降臺下移一個層厚的距離，再在原先固化好的樹脂表面上覆蓋一層液態(tài)樹脂，再進行掃描加工，新生成的固化層牢固地粘結在前一層上。重復上述步驟，直到形成一個三維實體零件。7.1.2快速成形技術的工藝方法圖7.1.1光固化法工藝原理圖7.1.2快速成形技術的工藝方法光固化法２．選擇性層片粘結選擇性層片粘結又稱分層實體制造、疊層制造法（LOM，LaminatedObjectManufacturing）。其工藝原理如圖7.1.2所示。疊層法在成形過程中首先在基板上鋪上一層箔材（如紙箔、陶瓷箔、金屬箔或其他材質(zhì)基的箔材），再用一定功率的CO2激光器在計算機控制下按分層信息切出輪廓，同時將非零件的多余部分按一定網(wǎng)絡形狀切成碎片去除掉。加工完上一層后，重新鋪上一層箔材，用熱輥碾壓，使新鋪上的一層箔材在粘結劑作用下粘結在已成形體上，再用激光器切割該層形狀。重復上述過程，直至加工完畢。最后去除掉切碎的多余部分即可得到完整的原形零件。7.1.2快速成形技術的工藝方法圖7.1.2疊層法工藝原理圖7.1.2快速成形技術的工藝方法疊層制造法（LOM）３．選擇性粉末熔結/粘結選擇性粉末熔結/粘結又稱激光選區(qū)燒結法（SLS，SelectiveLaserSintering），其工藝原理如圖7.1.3所示。激光選區(qū)燒結法采用CO2激光器作為能源，成形材料常選用粉末材料（如鐵、鈷、鉻等金屬粉，也可以是蠟粉、塑料粉、陶瓷粉等）。成形過程中，先將粉末材料預熱到稍低于其熔點的溫度，再在平整滾筒的作用下將粉末鋪平壓實（約100～200μm厚），CO2激光器在計算機控制下，按照零件分層輪廓有選擇地進行燒結，燒結成一個層面。再鋪粉用平整滾筒壓實，讓激光器繼續(xù)燒結，逐步形成一個三維實體，再去掉多余粉末，經(jīng)打磨、烘干等處理后便獲得所需零件。這種方法直接制造粉末型工程材料，可做成各類真實零件，應用前景看好。7.1.2快速成形技術的工藝方法圖7.1.3激光選區(qū)燒結法工藝原理圖7.1.2快速成形技術的工藝方法選擇性激光燒結法1．主要特點用RP制造技術可以制造任意復雜的三維幾何實體零件。并且在制造過程中省掉了一系列技術準備，無需專用夾具和工具，也無需人工干預或較少干預。因此零件制造的設備少，占地少，時間快，成本低。通過CAD模型的直接驅(qū)動對原型的快速制造、檢驗、實樣分析研究，可以將新產(chǎn)品開發(fā)的風險減到最小程度。2．用途（1）能用于制造業(yè)中快速產(chǎn)品開發(fā)（不受形狀復雜限制）、快速工具制造、模具制造、微型機械制造、小批零件生產(chǎn)。（2）用于與美學有關的工程設計，如建筑設計、橋梁設計、古建筑恢復等，以及結婚紀念品、旅游紀念品、首飾、燈飾等的制作設計。（3）在醫(yī)學上可用于顱外科、體外科、牙科等制造顱骨、假肢、關節(jié)、整形。（4）可用于文物修復等考古工程。（5）可制作三維地圖、光彈模型制作等。7.1.3快速成形技術的特點和用途7.2.13D打印的概念及工作原理“3D打印”被譽為自20世紀90年代興起互聯(lián)網(wǎng)以來最熱門的技術，甚至將其稱為是第三次工業(yè)革命，可以做到無所不能的打印技術。3D-P（three-dimensionalprinting）三維打印也稱粉末材料選擇性粘結。其工作原理如圖7.2.1所示。噴頭在計算機的控制下，按照截面輪廓的信息，在鋪好的一層粉末材料上，有選擇性地噴射粘結劑，使部分粉末粘結，形成截面層。一層完成后，工作臺下降一個層厚，鋪粉，噴粘結劑，再進行后一層的粘結，如此循環(huán)形成三維產(chǎn)品。粘結得到的制件要置于加熱爐中，做進一步的固化或燒結，以提高粘結強度。7.23D打印圖7.2.13D打印工作原理7.2.13D打印的概念及工作原理圖7.2.23D打印機7.2.13D打印的概念及工作原理圖7.2.33D打印的產(chǎn)品樣品7.2.13D打印的概念及工作原理1.工業(yè)領域現(xiàn)代工業(yè)中，玩具、手機、家電等工業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新速度加快，在新產(chǎn)品開發(fā)時往往需要事先制作產(chǎn)品原型，設計師通過3D打印可以修改設計，可以打印小批量，看看市場的反應情況，并通過用戶的使用反饋來進一步完善產(chǎn)品。這對于創(chuàng)業(yè)者來說將極大地減少風險和成本。汽車、航天軍工制造業(yè)中的很多產(chǎn)品結構復雜、性能要求高，傳統(tǒng)制造方法除了需要高精度的數(shù)控機設備外，還需設計制造很多工藝裝備，這往往浪費很多的時間和成本，某些技術難度大的產(chǎn)品甚至無法加工。而通過3D打印，一切將變得不那么困難。例如，美國F-22猛禽戰(zhàn)斗機大量使用鈦合金結構件，若使用傳統(tǒng)的整體鍛造方法，最大的欽合金整體加強框材料利用率不到4.9%，使用3D打印利用率接近100%。7.2.23D打印的應用領域2.醫(yī)學領域如果有人因交通事故，需要更換鈦合金的人造骨骼，以前只有大、中、小三種型號，可用而不適用，通過CT掃描獲取患者的圖像數(shù)據(jù)后，利用3D打印機可直接打印出百分百符合需求的人造骨骼。如今，3D打印的骨植人物、牙冠、助聽器已經(jīng)存在于世界各地成千上萬人的體內(nèi)?？茖W家正在嘗試利用3D打印機直接打印活性組織和新器官，如果變成現(xiàn)實，器官捐獻將不再需要，人類將擺脫疾病、殘疾。7.2.23D打印的應用領域3.建筑工程領域在建筑行業(yè)里，設計師已經(jīng)接受了3D打印的建筑模型，這種方法快速、成本低、環(huán)保，而且制作精美。完全符合設計者的要求，同時能節(jié)省大量材料與時間?？蓱糜诮ㄖＰ惋L洞實驗和效果展示。世界上首臺大型建筑3D打印機用建筑材料打印出高4米的建筑物，打印機的底部有數(shù)百個噴嘴，可噴射出鎂質(zhì)戮合物，在戮合物上噴撒沙子可逐漸鑄成石質(zhì)固體，通過一層層的戮合物和沙子結合，最終將形成石質(zhì)建筑物。這種3D打印機制造建筑物的速度比普通建筑方法快4倍，并且減少一半的成本，幾乎不浪費材料，對環(huán)境十分環(huán)保，它能夠很容易地“打印”其他方式很難建造的高成本曲線建筑。希望以后的某一天可以用這種方式在外星球上輕松建造一個基地。7.2.23D打印的應用領域4.教育領域如何激發(fā)中小學生投身科學、數(shù)學和技術的熱情？3D打印是個不錯的選擇，通過在課堂設置富有想象力和創(chuàng)新性的3D打印應用，讓學生們“邊做邊學”，說不定他們當中會誕生像愛因斯坦一樣“百年一遇”的傳奇人物。5.生活領域我們生活的時代是一個追求個性的時代，“獨一無二”具有巨大的吸引力，個性化的產(chǎn)品會逐漸成為市場主流。3D打印最吸引人的地方就是可以按照我們自己的想法生產(chǎn)物品，比如，打印個性化的手機外殼、珠寶首飾、服飾、鞋類、食品、文化創(chuàng)意作品等，為新婚夫婦打印按比例縮小的夫妻模型，為旅游勝地的游客打印旅游紀念品等等，定制化將隨著3D打印技術的推廣而成為常態(tài)。7.2.23D打印的應用領域3D打印機不像傳統(tǒng)制造機器那樣通過切割或模具塑造制造物品，而是通過層層堆積形成實體物品的方法，這也從物理的角度擴大了數(shù)字概念的范圍。對于要求具有精確的內(nèi)部凹陷或互鎖部分的形狀設計，3D打印機是首選的加工設備，它可以將這樣的設計在實體世界中實現(xiàn)。下面是來自各個行業(yè)、具有不同背景和專業(yè)技術水平的人用類似的方式描述，3D打印幫助他們減少主要成本、時間和復雜性障礙。我們一起來看一下3D打印具有哪些優(yōu)勢。7.2.33D打印的優(yōu)勢1.制造復雜物品不增加成本就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復雜，制造成本越高。對3D打印機而言，制造形狀復雜的物品成本不增加，制造一個華麗的形狀復雜的物品并不比打印一個簡單的方塊消耗更多的時間、技能或成本。制造復雜物品而不增加成本將打破傳統(tǒng)的定價模式，并改變我們計算制造成本的方式。2.產(chǎn)品多樣化不增加成本一臺3D打印機可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。傳統(tǒng)的制造設備功能較少，做出的形狀種類有限。3D打印省去了培訓機械師或購置新設備的成本，一臺3D打印機只需要不同的數(shù)字設計藍圖和一批新的原材料。7.2.23D打印的應用領域3.無須組裝3D打印能使部件一體化成型。傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)建立在組裝線基礎上，在現(xiàn)代工廠，機器生產(chǎn)出相同的零部件，然后由機器人或工人（甚至跨洲）組裝。產(chǎn)品組成部件越多，組裝耗費的時間和成本就越多。3D打印機通過分層制造可以同時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應鏈，節(jié)省在勞動力和運輸方面的花費。供應鏈越短，污染也越少。4.零時間交付3D打印機可以按需打印。即時生產(chǎn)減少了企業(yè)的實物庫存，企業(yè)可以根據(jù)客戶訂單使用3D打印機制造出特別的或定制的產(chǎn)品滿足客戶需求，所以新的商業(yè)模式將成為可能。如果人們所需的物品按需就近生產(chǎn)，零時間交付式生產(chǎn)能最大限度地減少長途運輸?shù)某杀尽?.2.23D打印的應用領域5.設計空間無限傳統(tǒng)制造技術和工匠制造的產(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，軋機只能加工用銑刀組裝的部件，制模機僅能制造模鑄形狀。3D打印機可以突破這些局限，開辟巨大的設計空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。6.零技能制造傳統(tǒng)工匠需要當幾年學徒才能掌握所需要的技能。批量生產(chǎn)和計算機控制的制造機器降低了對技能的要求，然而傳統(tǒng)的制造機器仍然需要熟練的專業(yè)人員進行機器調(diào)整和校準。3D打印機從設計文件里獲得各種指示，做同樣復雜的物品，3D打印機所需要的操作技能比注塑機少。非技能制造開辟了新的商業(yè)模式，并能在遠程環(huán)境或極端情況下為人們提供新的生產(chǎn)方式。7.2.23D打印的應用領域1.材料的限制仔細觀察你周圍的一些物品和設備，你就會發(fā)現(xiàn)3D打印的第一個絆腳石，那就是所需材料的限制。雖然高端