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从而使得大家能够更好的了解3D打印这个技术,初步认识到3D打印这个技术产业的价值,从而对机械制造行业有更全面更新颖的认识,对机械制造技术有更深入的了解。
关键词:
增材制造;
3D打印;
限制因素;
应用领域;
社会评价AbstractAdditiveManufacturingtechnology.,Commonlyknownasthe3Dprintingtechnology,isoneoftheadvancedmanufactur-ingtechnologywhichhasdevelopedrapidlyinrecent30years.asoneoftherepresentativeofdigitalmanufacturingtechnology,itisadeptatrapidandfree一formingfabricationof3Dstructures,savedlotsoftimetoprepareinthepastfromdesigntomanufacturingandchangedthelarge-scalemanufacturingmodel,cansimplifythemodeloftheprocessfromdesigntomanufacturing,leadtoliberalization,facilitation,andpersonalizationinmanufacturing,evenformedawiderangeofmanufacturingnetworkcomposedofindividualfactories.Itswidelyusedinnewproductsdevelopmentandsingle一pieceorsmall一batchproduction.Thispaperintroducestheprincipleofadditivemanufacturingtechnologyandequipmentdevelopment,expoundstheclassificationofsomeprocessesandcomparestheircharacteristicsandapplicationsituation,summarizesthefacedby3Dprinting,suchas:
cost,material,strength,accuracy,efficiencyandsoonaseriesoftechnicalproblems.Analysisof3Dprintingtechnologyinthedevelopedcountriesanddevelopmentdirection,characteristics,andthe3Dindustrydevelopmentstatus,compare3DprintinginChinaandabroad,todiscoverthemainproblemsfacedbyour3Dprintingindustryanddirectionofdevelopment.Referenceinstanceofadditivemanufacturingtechnologybothathomeandabroad.Throughexampleshowsandanalyzestheachievementofthe3Dprintingtechnologyandtheprominentproblemsarefaced,Tryingtosumsupthecorrespondingsolutionsandproductionrequirementsandthetrendoftechnologicalprogress,Tocorrectlygraspthe3dprintingintheequipmentmanufacturingindustryandtheproductionstatusoflifeandtheroleitwillplayinthefuture.Thustoenablesustobetterunderstand3Dprintingtechnology,Preliminaryrealizethevalueof3Dprintingtechnologyindustry,HaveamorecomprehensiveandnewunderstandingtoMachinerymanufacturingindustryandabetterunderstandingofmechanicalmanufacturingtechnology.Keywords:
additivemanufacturing;
3Dprinting;
limitingfactor;
Applicationfield;
Socialevaluation;
目录摘要1第1章绪论3第2章3D打印原理及打印过程32.13D打印技术介绍32.23D打印原理42.2.1使用软件及文件格式42.2.2切片处理52.33D打印不同的技术52.4打印过程62.5完成打印8第3章应用领域及实例83.1产品设计领域83.2建筑设计领域83.3模具制造领域93.4机械制造和家电制造领域93.5生物医学领域93.6学科教学领域93.7商品描绘领域10第4章社会评价104.1从技术原理上评价104.2从制造工艺上评价114.3从生产应用与要求上评价12第5章限制因素135.1材料问题135.1.1材料种类少、问题多135.1.2材料研发难度大、价格高、价值有限145.2产品性能问题145.3工业化大批量生产技术问题155.4产业链上企业整合度低155.5缺乏教育培训和社会推广15第6章发展趋势166.1个人化、小型化、家庭化166.2太空领域的更多发展166.3打印人体器官176.4建筑领域的进一步发展17第7章结论18参考文献19第1章绪论增材制造概念的提出始于20世纪80年代后期,我国则始于90年代初开始研究。
经过短短20余年的时间,在全世界范围内这一技术已取得了飞速发展,在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多领域的应用前景十分广阔。
而3D打印机作为3D领域的一种前瞻性产品,正成为一种潮流迅猛发展。
被称为改变末来世界的创造性科技的3D打印机不仅将改变许多工厂的生产方式,给制造业带来一场革命,还将进入到我们的家庭,给工业生产和我们的生活带来巨大的革命性改变。
随着3D打印技术为代表的数字化制造技术而带来的这场工业变革,对我国的装备制造业、国民经济和国家整体竞争力都具有深远的意义,我国应该紧跟时代发展浪潮,融入其中,争取在接下来的工业革命中占得一席之地。
第2章3D打印原理及打印过程2.13D打印技术介绍打印技术介绍3D打印(3Dprinting)技术又称三维打印技术,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。
是新兴的特种加工技术。
3D打印机由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成,主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型,然后再进行打印输出。
机械制造技术是研究产品设计、生产、加工制造、销售使用、维修服务乃至回收再生的整个过程的工程学科,是以提高质量、效益、竞争力为目标,包含物质流、信息流和能量流的完整的系统工程。
区别于传统的制造技术车、铣、刨、磨等去除材料的制造方法,3D打印技术是通过添加材料的方法获得需要的物体。
传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品,而三维打印技术则可以以更快,更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。
一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要的物体。
2.23D打印原理打印原理3D打印机技术的原理与普通的打印机将一层墨水喷到纸的表面形成一幅二维图像的原理类似,3D打印机多了一维,即Z轴。
3D打印时,软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,然后通过X-Y-Z轴的运动,将原料逐层堆积成电脑上设计的三维模型。
日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品,而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料。
2.2.1使用软件及文件格式使用软件及文件格式设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。
一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。
三角面越小其生成的表面分辨率越高。
PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器,其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。
机械设计软件:
UG、Pro/E、CATIA、SOLIDWORK等都能够直接支持。
工业设计软件:
Rhino、Alias等。
CG设计软件:
3DMAX、MAYA、Zbrush等不能直接使用,但可以将OBJ文件转换为STL文件使用2.2.2切片处理切片处理打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。
这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。
打印机打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的。
一般的厚度为100微米,即0.1毫米,也有部分打印机如ObjetConnex系列还有三维SystemsProJet系列可以打印出16微米薄的一层。
而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。
打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。
用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天,根据模型的尺寸以及复杂程度而定。
而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。
2.33D打印不同的技术打印不同的技术3D打印存在着许多不同的技术。
它们的不同之处在于以可用的材料的方式,并以不同层构建创建部件。
3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。
表3.13D打印技术类型累积技术基本材料挤压熔融沉积式,(FDM)热塑性,塑料,共晶,系统金属,可食用材料线电子束自由成形制造(EBF)几乎任何合金粒状直接金属激光烧结(DMLS)几乎任何合金电子束熔化成型(EBM)钛合金选择性激光熔化成型(SLM)钛合金,钴铬合金,不锈钢,铝选择性热烧结(SHS)热塑性粉末选择性激光烧结(SLS)热塑性塑料,金属粉末,陶瓷粉末粉末层喷头3D打印石膏3D打印,(PP)石膏层压分层实体制造(LOM)纸,金属膜,塑料薄膜光聚合立体平板印刷(SLA)光硬化树脂数字光处理,(DLP)光硬化树脂2.4打印过程打印过程先通过计算机建模软件建模,如果你有现成的模型也可以,比如动物模型、人物、或者微缩建筑等等。
然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中,进行打印设置后,打印机就可以把它们打印出来。
2.5完成打印完成打印三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够(在弯曲的表面可能会比较粗糙,像图像上的锯齿一样),要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法:
先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体,再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。
有些技术可以同时使用多种材料进行打印。
有些技术在打印的过程中还会用到支撑物,比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西(如可溶的东西)作为支撑物。
第3章应用领域及实例经过多年的发展,3D打印技术已初步形成了一套体系同时该技术可应用的领域也逐渐扩大,已涵盖产品设计、模具设计与制造、材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等各个领域,前景远大。
显然,只有不断提高3D打印技术的应用水平,才能持续推动3D技术的发展。
3D打印技术的实际应用主要集中在以下几个方面。
3.1产品设计领域产品设计领域在新产品造型设计过程中,应用3D打印技术能快速、直接、准确地将设计者的想法转化为具有一定功能的实物样件,缩短了工业产品的设计开发周期和降低了开发成本,该技术建立了一种全新的产品开发模式。
3.2建筑设计领域建筑设计领域传统的建筑模型设计制作模式已难以满足现代化的高端设计要求,借助打印技术强大的优势和无可比拟的逼真效果,现今大多设计机构在大型设施或大型场馆设计中采用3D打印技术先期构建精准的建筑模型来进行效果测试。
3.3模具制造领域模具制造领域传统的玩具模具制造耗时长,制作成本高,3D打印技术在降低生产成本的同时也大大缩减了开发周期,提高了生产效率,3D打印技术在模具制造方面采用直接制模和间接制模两种,前者是指利用3D打印技术直接堆积模具,后者是先制出快速成型零件,再由零件复制得到所需要的模具。
3.4机械制造和家电制造领域机械制造和家电制造领域3D打印技术在机械制造领域内主要用于单件制造和小批量金属零件的制造,具有成本低和周期短的优势,在家电行业,许多大型家电企业!
如江苏的春兰、小天鹅,广东的美的、华宝、科龙,青岛的海尔等,在3D打印技术的普及与应用上都走在了国内前列,这些企业率先采用3D打印技术开发新产品,成效显著。
3.5生物医学领域生物医学领域近年来,随着人们对3D打印技术在生物医学研究领域应用研究的增多,利用3D打印技术制作人体器官模型,进行医疗模型和体外医疗器械制造,个性化和永久化的组织工程植入等,应用前景极为广泛。
3.6学科教学领域学科教学领域3D打印也为教育行业打开了一扇新窗口,一些教育机构和组织正在研究探索如何将该技术应用到教学和学习中,学生不仅可以享受到这种最新潮技术辅助教学的便利以及各种创新用法,还可以此作为促进他们学习设计技能的推动力,更会对他们的技术素养和未来的职业发展产生深远的影响。
3.7商品描绘领域商品描绘领域在新商品外型描绘进程中的运用,3D打印技能为工业商品的描绘开发人员树立了一种簇新的商品开发形式。
运用3D打印技能能够疾速、直接、准确地将描绘思维转化为具有必定功用的什物模型(样件),这不只缩短了开发周期,并且降低了开发费用,也使公司在剧烈的商场竞争中占有先机。
修建描绘范畴修建模型的传统制造办法,逐渐无法满意高端描绘项目的需求。
全数字复原不失真的立体展现和风洞及关联测验的规范,现如今很多描绘机构的大型设备或场馆都运用3D打印技能先期构建准确修建模型来进行作用展现与关联测验,3D打印技能所发扬的优势和无与伦比的传神作用为描绘师所认同。
第4章社会评价4.1从技术原理上评价从技术原理上评价增材制造(additivemanufacturing,AM)技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除(切削加工)技术,是一种“自下而上”材料累加的制造方法。
自20世纪80年代末增材制造技术逐步发展,期间也被称为“材料累加制造”(materialincreasemanufacturing、“快速原型”(rapidprototyping)、“分层制造”(layeredmanufacturing、“实体自由制造”(solidfree一formfabrication)、3D打印技术”(3Dprinting)等。
名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。
美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会对增材制造和3D打印有明确的概念定义。
增材制造是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程,相对于减法制造它通常是逐层累加过程。
3D打印是指采用打印头、喷嘴或其他打印技术沉积材料来制造物体的技术,3D打印也常用来表示“增材制造”技术,在特指设备时,3D打印是指相对价格或总体功能低端的增材制造设备。
从广义的原理来看,以设计数据为基础,将材料(包括液体、粉材、线材或块材等)自动化地累加起来成为实体结构的制造方法,都可视为增材制造技术。
增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件,从而实现“自由制造”,解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形,并大大减少了加工工序,缩短了加工周期。
而且越是复杂结构的产品,其制造的速度作用越显著。
由于3D打印的技术特点决定了它在短周期,个性化,单件小批量等产品生产中所占有的重要优势,不再受规模经济效应的制约,是对目前传统大批量制造技术的一个重要补充。
4.2从制造工艺上评价从制造工艺上评价3D打印适用于机械零件制造的工艺,按照它的制造工艺来分,可以分成有七种工艺:
槽光固化、材料喷射、粘合剂喷射、材料挤出、粉末床熔融、叠层和直接能量沉积。
第一种槽光固化,也就是常见的SLA,这种技术也可以用现在的投影技术DLP来做;
第二种是材料喷射工艺,它可以喷一些聚合物或者蜡的材料;
第三种是喷射一些黏合剂,黏合剂用于黏合金属粉末或者砂等等;
第四种材料挤出工艺也就是我们说的FDM;
第五种可以用于直接的机械零件制造,也就是德国SLM研究的粉末床熔融的直接制造技术;
第六种是叠层,叠层技术已经处于淘汰的边缘,严格来说其不是属于增材制造,虽然零件可以一层一层叠层,但是要把纸张、薄膜割下来,把那部分扔掉;
另外用于直接零件制造还有电子束,但是设备非常昂贵,制造成本也很高。
工艺应用领域举例:
像黏合剂喷射可以用来制造铸造膜,整个工艺制造过程是,从电脑里面的CAD设计模,利用这个模型和软件就可以来做分模的处理,最终把它分层进行Cark造型。
然后利用电脑,根据数据来控制喷头在一些石英砂表面喷私合剂,最后利用砂模喷射。
另外粉末床可以直接制造金属零件的工艺,但是金属粉末床的工艺设备非常昂贵,另外材料可以选择的种类不是很多,目前要做大面积的铺开还是存在各种各样的问题。
并且在工艺应用上还存在着各种技术条件的制约,比如一些核心部件的问题有待解决和提高,像激光器功率的稳定性、实现高精度的振镜以及动态光学聚焦系统,等等。
另外,像材料问题也是制约了金属直接成型的应用;
金属零件的制造上如何解决标准的制定;
如何规定内部缺陷的检测方法;
在工业应用上如何突破零件尺寸的限制,等等。
所有的这些都需要工艺系统的进一步发展。
4.3从生产应用与要求上评价从生产应用与要求上评价3D打印显著地减少了传统减材加工中不可避免的大量材料浪费和能源消耗,更符合节能减排和可持续发展的要求,并且它的精度范围不断提高,材料多样性愈加丰富,产品种类覆盖很广,应用领域越来越广泛。
目前主要应用在工业、医疗、建筑、航天、机械制造等行业的模型制作,包括精密的医疗器械和工艺品等。
在工业生产领域,3D打印机可以为金属铸件直接打印模型、模型插件和图案。
在军工领域甚至可以直接打印飞行器上的结构件。
例如,美国F-22猛禽战斗机大量使用钛合金结构件,若使用传统的整体锻造方法,最大的钦合金整体加强框材料利用率不到4.9%,使用3D打印利用率接近100%。
我国自主研发的大型客机C919机头钦合金主风挡整体窗框,尺寸大、形状复杂,是空间双曲面构件。
国内的飞机制造厂用传统方法无法做出,只有欧洲一家公司能做出来,但是光每件模具费就要价50万美元,而交货周期还要等两年。
2009年,北京航空航天大学的王华明团队利用3D打印仅仅用55天时间就做出了零件,而成本还不足欧洲锻造模具费的十分之一。
在医疗领域,3D生物打印机可以使用来自患者自己身体的细胞,利用一层层的生物构造块,制造真止的活体组织,可打印出皮肤、骨骼和软骨组织等。
在建筑领域,3D打印机能够为曲面异形建筑的重要精密构件快速制作精确模型,实现传统建筑模型制作无法达到的工艺水平,甚至可以“打印”出一幢完整的建筑。
在地理空间领域,3D打印机可以轻松将GIS数据转化为三维地形及城市景观模型或沙盘。
在教育领域,3D打印机能够将抽象慨念带入现实世界,将学生的构思转变为他们可以棒在手中的真实立休彩色模型,令教学更为生动。
在娱乐艺术领域,3D打印机可根据电子游戏、三维动画以及其他创作产生的三维数据轻松制作自定义头像和雕像。
目前最新的应用案例有:
在建筑领域,2010年5月,意大利发明家恩贬科迪尼成功研制出一种叫做“D外形”的大型三维打印机,能够打印出整个立体建筑体。
D外形”三维打印机的底部有数百个喷嘴,可喷洒出沙子和镁质钻合物薄层。
打印机喷失打印出的每个薄层仅有5一l0毫术厚,通过一层层地将黏合物和沙子结合,可逐渐铸成石质固体,最终形成与岩石一样坚固的石质建筑物,已建造出内曲线、分割体、导管和中空柱等各种建筑结构,且打印建筑物的速度是普通建筑方法的4倍,几乎不会产生废弃物,十分环保。
图1D外形在医疗领域,2010年2月,lnvetech公司和Organovo医学公司合作,研制出了首台商业化的3D生物打印机,对提取的活体进行组合排列,打印出所需要的细胞,误差可以控制在20微米之内,能够打印人体的组织和器官,包括动脉和静脉血管以及小到牙齿、大到血管网在内的身体器官。
在食品加工领域,2010年12月,美国康奈尔大学科研人员研制出3D食物打印机,只要把“食物墨水”预先放进一组注射器内,再下载食谱软件“FabApp”,机器便会根据电子设计图,结合计算机辅助设计(CAD)软件,令各种“墨水”按照指令准确落墨,逐行逐层“打印
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