3d打印成型技术论文.docx

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3d打印成型技术论文

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3D打印技术

一、简介：

3D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。

它无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。

灯罩、身体器官、珠宝、根据球员脚型定制的足球靴、赛车零件、固态电池以及为个人定制的手机、小提琴等都可以用该技术制造出来。

3D打印机则出现在上世纪90年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。

它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

如今这一技术在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。

二、过程原理：

每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。

然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。

这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。

三、3D打印过程：

打印耗材由传统的墨水、纸张转变为胶水、粉末，当然胶水和粉末都是经过处理的特殊材料，不仅对固化反应速度有要求，对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。

3D打印技术能够实现600dpi分辨率，每层厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。

受到喷打印原理的限制，打印速度势必不会很快，较先进的产品可以实现每小时25毫米高度的垂直速率，相比早期产品有10倍提升，而且可以利用有色胶水实现彩色打印，色彩深度高达24位。

四、优势：

1：

制造复杂物品不增加成本

就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。

对3D打印机而言，制造形状复杂的物品成本不增加，制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。

制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，并改变我们计算制造成本的方式。

2：

产品多样化不增加成本

一台3D打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。

传统的制造设备功能较少，做出的形状种类有限。

3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。

3：

无须组装

3D打印能使部件一体化成型。

传统的大规模生产建立在组装基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后由机器人或工人（甚至跨洲）组装。

产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。

3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装。

省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。

供应链条越短，污染也越少。

4：

零时间交付

3D打印机可以按需打印。

即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求，所以新的商业模式将成为可能。

如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。

5：

设计空间无限

传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。

例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。

3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。

6：

零技能制造

传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。

批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求，然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。

3D打印机从设计文件里获得各种指示，做同样复杂的物品，3D打印机所需要的操作技能比注塑机少。

非技能制造开辟了新的商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。

7：

不占空间、便携制造

就单位生产空间而言，与传统制造机器相比，3D打印机的制造能力更强。

例如，注塑机只能制造比自身小很多的物品，与此相反，3D打印机可以制造和其打印台一样大的物品。

3D打印机调试好后，打印设备可以自由移动，打印机可以制造比自身还要大的物品。

较高的单位空间生产能力使得3D打印机适合家用或办公使用，因为它们所需的物理空间小。

8：

减少废弃副产品

与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。

传统金属加工的浪费量惊人，90%的金属原材料被丢弃在工厂车间里。

3D打印制造金属时浪费量减少。

随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。

9：

材料无限组合

对当今的制造机器而言，将不同原材料结合成单一产品是件难事，因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。

随着多种材料3D打印技术的发展，我们有能力将不同原材料融合在一起。

以前无法混合的原料混合后将形成新的材料，这些材料色调种类繁多，具有独特的属性或功能。

10：

精确的实体复制

数字音乐文件可以被无休止地复制，音频质量并不会下降。

未来，3D打印将数字精度扩展到实体世界。

扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率，我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。

三维打印技术还有其他重要的优点。

大多数金属和塑料零件为了生产而设计，这就意味着它们会非常笨重，并且含有与制造有关但与其功能无关的剩余物。

三维打印技术不是这样的。

在三维打印技术中，原材料只为生产所需要的产品，借用三维打印技术，他的团队生产出的零件更加精细轻盈。

当材料没有了生产限制后，就能以最优化的方式来实现其功能，因此，与机器制造出的零件相比，打印出来的产品的重量要轻60%，并且同样坚固。

五、应用状况：

美国麻省理工学院的博士生彼得·施密特就打印出了一个类似于过去的钟表的物品。

在进行了几次尝试之后，他最终用打印机打印出了会动的塑料钟表，将其挂在墙上。

三维打印机的应用领域也在随着技术进步而不断扩展。

美国科学家已经研发出了能打印皮肤、软骨、骨头和身体其他器官的三维“生物打印机”。

人们还使用三维打印机来制造雕塑并修复雕塑，制造由塑料和聚合物制成的三维物体并打印出了实品。

三维打印技术排除了使用工具加工、机械加工和手工加工，而且改动技术细节的效率极高。

在英国，相同的技术被戈登·默里设计公司用来帮助制造前卫的T.25型城市“生态汽车”。

如今很多建筑公司达标都是用手工制作的沙盘，做不了很漂亮的设计。

而用3D打印技术做出来的沙盘很漂亮。

再有，我们看到的鞋类皮鞋的设计和鼠标之类的手柄的设计，往往都是电子消费类的设计，这类设计往往有很多。

一个鼠标或者是一个手柄里面大概有几十个这样的模具，这个模具往往设计师是独立操作

的，独立操作的时候要等到把模具做出来，做出来之后组装起来最后看看好不好，这样的成本非常高，用3D打印技术就可以到下班的时候把设计弄完，晚上自己打印。

第二天就可以把它装起来，好就可以做，这个是将来大量应用的。

如今国内已经有很多人已经在用3D打印了，比如说很多透明牙套，原来我们校正牙齿用的不锈钢这类的金属，而如今已经有一种新的透明的塑料牙齿套件，这种东西套在牙齿上，你看不出来，这个校正套是3D打印打出来的。

六、现状：

现今，将3D打印技术成熟应用的就是3D照相馆项目了，国内主要城市均出现了他们的身影，不过投资额较高。

在国外特别是美国，3D打印技术要比在国内发展早，企业早已熟知这种可能对世界加工制造业带来革命的新技术。

所以相较于国内，美国对3D打印技术的研发生产投资都远远胜于我国。

3D打印创造了很多新的机会，小批量制造和个性化产品制造已经成为生意。

而且，互联网与3D打印跨界组合将产生更多创新和创业机会。

展望未来，3D打印将让制造业供应链链条缩短，使得设计、打印、物流更好的整合。

由于三维打印技术的诸多优点，它在医学，军事，工业领域中都有比较广泛的应用。

不仅节省了时间，而且使生产成本大大降低并且提高了精度。

七、国内发展：

近年来，我国积极探索3D打印技术的研发，初步取得成效。

在3D打印设备制造技术、3D打印材料技术、3D设计与成型软件开发等研究方面，开展了积极的探索。

其中，激光直接加工金属技术发展较快，基本满足特种零部件的机械性能要求。

在传统的战斗机制造流程当中，飞机的3D模型设计好后，需要进行长期的投入来制造水压成型设备，而使用3D打印制造技术后，零件的成型速度、应用速度得以大幅度提高。

如今，中国已具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，成为当今世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国家。

在解决了材料变形和缺陷控制的难题后，中国生产的钛合金结构部件迅速成为中国航空力量的一项独特优势，中国先进战机上的钛合金构件所占比例已超过20%。

三维打印技术带来的变化或将改变制造业的经济面貌。

许多人认为，这项技术将让商业完全中心化，逆转伴随着工业化到来的城市化进程，人们将不再需要工厂，届时，每个村庄都将拥有一个由打印机组成的制造厂，制造所需的物品。

但是，也有人认为城市的经济和社会利益远远超出吸引工人到装配线上工作的能力。

八、面临问题：

3D打印的魅力是非常大的，它吸引着我们把目光及注意力不断投入它的身上。

但是与它给我们的吸引力相反的是，3D打印机距离普及还有非常长的路要走。

制约3D打印普及的原因很简单，主要是价格太贵，即使它非常热门。

业内人士表示，小型桌面3D打印机已经变得很便宜了，售价大概为1.8万元。

不过便宜也是相对而言，对桌面设备来说，1.8万对于普通大众阶层还是过于偏高，并且它的成品率也并不能保证是百分之百的成功，有一定良品率限制，打印材料不光种类少，价格也相对较贵。

此外，3D打印机打印速度是还是相对比较慢，和成熟的工业流水线生产相比，不具优势。

生物三维打印机也面临着诸多挑战，其中之一是其打印出的物体如何与身体其他器官尤其是大的组织更好地结合，因为任何打印出来的器官或身体组织都需要同身体的血管相连，而这可能非常难实现。

一旦克服了这个技术障碍，在未来几十年内，生物打印技术将成为一项标准技术。

除去技术方面的问题，3D打印还将面对一个更严重的社会问题---安全。

3D打印技术即将走进寻常百姓家，只需要枪械的设计图纸，并用于一台3D打印机，即可自行生产出枪。

这将对社会治安带来很大的影响，所以未来是否会有相关的立法和限制措施来进行管控是很重要的。

关于对3D打印技术的看法

胡毅（13013216）经过这一个学期的对于3D打印技术的学习，我通过老师生动的授课内容，以及从网上了解的部分3D打印技术的知识。

我学会了许许多多以前从来没有了解过的知识。

下面就我和部分网上资料做了一个对于3D打印技术的大概了解。

一.起源历史

二.打印原理

三.打印过程

四.应用领域

五.发展前景

一.3D打印技术历史

出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。

它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

这打印技术称为3D打印技术

1986年，CharlesHull开发了第一台商业3D印刷机。

1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。

1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。

2005年，

2011年6月6日，发布了全球第一款3D打印的比基尼。

2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。

2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。

2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。

[3]2013年10月，全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。

[4]

2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”（SolidConcepts）设计制造出3D打印金属手枪。

二.3D打印技术原理

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，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等等。

之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。

这项打印技术称为3D立体打印技术。

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。

三.打印过程

1.三维设计

三维打印的设计过程是：

先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。

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。

2.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Systems'ProJet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。

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。

3.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。

四.应用领域

1.海军舰艇

2014年7月1日，美国海军试验了利用3D打印等先进制造技术快速制造舰艇零件，希望借此提升执行任务速度并降低成本。

[12]

2014年6月24日至6月26日，美海军在作战指挥系统活动中举办了第一届制汇节，开展了一系列“打印舰艇”研讨会，并在此期间向水手及其他相关人员介绍了3D打印及增材制造技术。

美国海军致力于未来在这方面培训水手。

采用3D打印及其他先进制造方法，能够显著提升执行任务速度及预备状态，降低成本，避免从世界各地采购舰船配件。

美国海军作战舰队后勤科副科长PhilCullom表示，考虑到成本及海军后勤及供应链现存的漏洞，以及面临的资源约束，先进制造与3D打印的应用越来越广，他们设想了一个由技术娴熟的水手支持的先进制造商的全球网络，找出问题并制造产品。

[12]

2.航天科技制造火箭发动机的喷射器需要精度较高的加工技术，如果使用3D打印技术，就可以降低制造上的复杂程度，在计算机中建立喷射器的三维图像，打印的材料为金属粉末和激光，在较高的温度下，金属粉末可被重新塑造成我们需要的样子。

火箭发动机中的喷射器内有数十个喷射元件，要建造大小相似的元件需要一定的加工精度，该技术测试成功后将用于制造RS-25发动机，其作为美国宇航局未来太空发射系统的主要动力，该火箭可运载宇航员超越近地轨道，进入更遥远的深空。

马歇尔中心的工程部主任克里斯认为3D打印技术在火箭发动机喷油器上应用只是第一步，我们的目的在于测试3D打印部件如何能彻底改变火箭的设计与制造，并提高系统的性能，更重要的是可以节省时间和成本，不太容易出现故障。

本次测试中，两具火箭喷射器进行了点火，每次5秒，设计人员创建的复杂几何流体模型允许氧气和氢气充分混合，压力为每平方英寸1400磅。

[14]

五.发展前景

随着3D打印技术在各个领域中的普及，人们发现有越来越多不可思议的东西通过这种技术制作出来。

今天向大家展示的就是德国专业小提琴制作公司EOS用3D打印技术制作出来的一把斯特拉迪瓦里小提琴的复制品，此外还有Thingiverse公司3D打印技术制作出来的两个AR-15突击步枪所需的零件。

前者所挑战的是传统手工制琴方法，而后者则直接挑战了人类的法律制度规范。