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1、北京太尔时代科技有限公司,3D打印技术与应用,第三次工业革命的提出引起全球三维打印机热潮,2012年4月21日英国經濟學人雜称以3D打印为代表，以数字化、人工智能化制造与新型材料的应用为标志的第三次工业革命已经到来，3D打印機將像蒸汽機、內燃機和計算機一樣,開創一個嶄新的工業時代。,工业4.0,三大主题 一是“智能工厂”-重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现； 二是“智能生产”-主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等 三是“智能物流”-主要通过互联网、物联网、物流网，整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快
2、速获得服务匹配，得到物流支持。,德国联邦教研部与联邦经济技术部在2013年汉诺威工业博览会上提出的概念，旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴。其技术基础是网络实体系统及物联网。,中国制造2025,中国制造2025,中国制造2025是中国版的“工业4.0”规划。规划经李克强总理签批，由国务院于2015年5月8日公布。 规划提出了中国制造2025提出，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，坚持“市场主导、政府引导，立足当前、着眼长远，整体推进、重点突破，自主发展、开放合作”的基本原则，通过
3、“三步走”实现制造强国的战略目标：第一步，到2025年迈入制造强国行列；第二步，到2035年我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；第三步，到新中国成立一百年时，我制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。,国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）,2015年2月28日工业和信息化部、发展改革委、财政部联合印发国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年） 计划提出的目标，到2016年初步建立较为完善的增材制造产业体系，整体技术水平保持与国际同步，在航空航天等直接制造领域达到国际先进水平，在国际市场上占有较大的市场份额。 着力突破增材制造专用材料 ，加快提升增
4、材制造工艺技术水平 ，加速发展增材制造装备及核心器件 建立和完善产业标准体系 大力推进应用示范,全球3D打印行业信息统计,权威调研机构Gartner的报告正式出炉，2014年全球3D打印机出货量为108151台。 Wohlers2014年度报告指出，全球个人3D打印机市场在2013年明显提速扩张，销售收入实现了同比116.7%的增长，达到了8700.6万美元，在3D打印产业整体市场的占比从过去的6.5%显著增长到了9%。,创客运动,安德森说：“人们用数字化工具在线制造可以触摸的实实在在的物品，这就是创客运动 线下真实世界产业革命的基础是3D打印技术，它就像代码之于网络,大众创业 万众创新,传统
5、厂商的加入推动3D打印市场发展,苹果 微软 谷歌 Adobe autodesk 惠普 海尔 联想,Structure sensor,谷歌模块化手机-Project Ara Spiral 2,思考：,3d打印+物联网+大数据+云计算+互联网？,什么是三维打印？,三维打印（快速原型或增材制造）是根据分析CAD数据得到加工路径，通过材料叠加堆积而形成三维实体模型的工艺总称。,三维打印技术的研究,20世纪70年代末到80年代初，美国的Alan J.Hebert、日本的小玉秀、美国UVP公司的Chareles W.Hull等人相继提出了快速原型(Rapid Prototyping，RP）的概念。 国内，
6、清华大学激光快速成形中心最早于1992年前后进行了快速成形（三维打印）技术的研究，是国内最早从事快速成形技术研究的机构,三维打印技术的常见工艺,各种工艺的诞生,1989年，C.R.Dechard发明SLS技术，利用高强度激光将材料粉末烤结，直至成型。后来，美国DTM公司（现已并入美国3DSystems公司）于1992 年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。 1992年，Helisys发明LOM技术，利用薄片材料、激光、热熔胶来制作物体。 1993年，麻省理工大学教授Emanual Sachs发明Three-Dimensional Printing技术（3DP技术）， 199
7、5年，Z Corporation（现已被3D System收购）获得麻省理工大学的许可，利用该技术来生产第一台彩色3D打印机。 2008年，开源3D打印项目RepRap发布“Darwin”，3D打印机制造进入新纪元； 2008年，以色列objet公司（现已与美国Stratasys公司合并）推出Conne*500，让多材料3D打印成为可能。,SLA光固化（立体光刻）,采用激光一点点照射光固化液态树脂使之固化的方法成形，是当前应用最广泛的一种高精度成形工艺。,SLA展件,液态光敏树脂 在一定波长（=325/355nm）和功率（P=3040mW）的光源照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料
8、也从液态转变成固态 紫外光敏树脂 可见光敏树脂,SLA的成型材料,SLA工艺对光敏树脂的要求,固化收缩率小 光敏树脂在由液态转化为固态的过程中会产生内应力收缩 导致原型件在制作过程中的变形、翘曲、开裂等，成型件的精度降低，机械性能下降 是SLA制件精度最主要的影响因素 机械性能良好 一定的硬度、强度等以满足使用的需要,SLA工艺对光敏树脂的要求,溶胀小 湿态成型件在液态树脂中的溶胀会造成零件尺寸偏大 储存稳定性好 不发生缓慢聚合反应 不发生因其中组分挥发而导致粘度增大 不被氧化而变色 毒性小 成本低 目前进口材料约1200元/公斤,LOM 分层实体制造,采用激光切割箔材，箔材之间靠热熔胶在热压
9、辊的压力和传热作用下熔化并实现粘接，一层层叠加制造原型。,LOM展件,LOM成型材料,薄材，如纸、塑料薄膜 涉及三个方面的问题： 纸 热熔胶 涂布工艺,LOM工艺对纸的性能要求,抗拉强度 保证在加工过程中不被拉断 浸润性 保证良好的涂胶性能 抗湿性 不易吸水 收缩率小 不因水份损失而变形 易打磨 表面光滑 稳定性 零件可长期保存 易剥离 垂直方向抗拉强度不是很大,LOM工艺对热熔胶的性能要求,热熔胶的主要成份 EVA树脂+增粘剂+蜡+抗氧化剂等 热熔胶的性能指标 熔融粘度、流动性、收缩性、粘接强度、浸润性、热分解温度等,SLS 选择性激光烧结,采用激光逐点烧结粉末材料，使包覆于粉末材料外的固体
10、粘接剂或粉末材料本身熔融实现材料的粘接。,SLS展件,“球化”现象,粉末熔化后，液体质点对固体金属粉末的作用力远比松散的固体金属粉末之间的作用力大，结果导致金属粉末被液体质点粘结形成较大的球体，激光功率越大，球的直径也越大,烧结机理模型,“球化”现象的解决办法,多元系液相烧结 （1）使用具有不同化学性质的粉末混合料，该混合料的液相来自低熔点组元的熔化或者低熔共晶物的形成。如：聚合物包裹的金属粉末或陶瓷粉末 （2）将预合金化的粉末加热到固相线温度和液相线温度之间的温度，进行超固相线温度烧结。如：金属粉末、塑料颗粒,铺粉与铺粉密度,铺粉时，铺粉辊筒一边向前平移，一边自转。粉末在辊筒压力的作用下，克
11、服粉末颗粒间微弱的吸附力(结合力及摩擦力)互相滚动或滑动而变得致密。 因此，在铺粉厚度、铺粉辊筒平移及自转速度不变的情况下，粉末颗粒的大小及形状是影响铺粉密度的重要因素。,SLS的材料,粉末或颗粒 蜡粉、聚苯乙烯（PS)、工程塑料（ABS）、聚碳酸酯（PC)、尼龙（PA)、金属粉末、覆膜砂、覆膜陶瓷粉等 近年来更多的采用复合粉末，粉粒直径为50125m SLS工艺最大的优点 选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（Poly Carbonates）、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象,SLS对材料性能的基本要求,成型材料应具有： 良好的热塑（固）性、一定的导热性和足够的
12、粘接强度 良好的烧结性能，即无需特殊工艺即可快速、精确地成型原型 对直接应用的零件 机械性能和物理性能要满足使用要求 对间接使用的原型 要求有利于快速、方便的后续处理,SLS工艺的特点,材料适应面广 不仅能制造塑料制件，还能制造蜡模、陶瓷和金属零件；能直接制造制件 成型精度一般 制件翘曲变形相对较小，对于容易发生变形的地方应设计有支撑结构 适合中小零件的生产 实心零件成型时间较长 与铸造工艺的关系极为密切 烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯，蜡型可做蜡模，热塑性材料烧结的模型可做消失模,SLS工艺的应用与发展,直接金属激光选区烧结（DMLS） 激光选区熔化（SLM） 激光近净成形（LENS）
13、电子束选区熔化（EBM） 电子束自由制造（EBF3） 高熔点材料等离子熔射,直接制造金属零件,高能束流快速制造技术,3DP工艺,采用逐点喷射粘接剂来粘接粉末材料的方法制造原型，该工艺可以制造彩色模型，在概念型应用方面很有竞争力,3DP工艺,3DP工艺过程,每一层粉末粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.0130.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实 喷头在计算机控制下，按下一层的成形数据有选择地喷射粘结剂建造该片层，铺粉辊铺粉时将多余的粉末收集回供粉缸 如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维实体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，
14、在成形过程中起支撑作用，成形结束后，比较容易去除,FDM熔融沉积成形,采用丝状热塑性成形材料，连续地送入喷头后在其中加热熔融并挤出喷嘴，逐步堆积成形。,FDM,FDM的材料,FDM工艺要求材料具有以下特点 粘度低 流动性好，阻力小，有助于材料顺利挤出 熔融温度低 有利于提高喷头的寿命和整个机械系统的寿命 粘结性好 保证层与层间的结合强度，从而保证零件成型后的强度 收缩率小 利于防止零件翘曲、开裂,FDM工艺的特点,不使用激光，使用、维护简单，成本低 用蜡成形的零件原型可直接用于失蜡铸造 用ABS工程塑料制造的原型具有较高强度，在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用 制件精度较低翘曲变形 FD
15、M工艺一般在80120C进行，材料的收缩必然会引起尺寸误差，同时会产生热应力 需要设计支撑结构 FDM工艺适合成型小塑料件 填充式扫描，成型时间较长 可采用多个热喷头同时进行涂覆，提高成型效率,适于3D打印机的特点,成型速度较快 FDM工艺可通过减小原型密实程度的方法提高成型速度 塑料丝材，清洁，更换容易 与使用粉末和液态材料的3DP工艺相比，丝材更清洁，易于更换、保存，不会在设备中或附近形成污染 后处理简单 无需二次固化；支撑剥离仅需要几分钟到一刻钟 不使用激光，维护简单，成本低 价格是成型工艺是否适于3DP的一个重要因素,3D打印之材,工程塑料-工程塑料指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑
16、料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料，常见的有ABS类材料、PC类材料、尼龙类材料等。 光敏树脂-光敏树脂即UV树脂，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外光）引发剂（或称为光敏剂）。在一定波长的紫外光（250300nm）照射下能立刻引起聚合反应完成固化光敏树脂一般为液态，可用于制作高强度、耐高温、防水材料目前，研究光敏材料3D打印技术的主要有美国3D System公司和以色列Object公司。常见的光敏树脂有Somos Next材料、树脂Somos 11122材料、Somos 19120材料和环氧树脂。 橡胶类材料-橡胶类具备多种级别的弹性材料特征，这些材料所具备的肖氏 A 级硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度，使其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域，如消费类电子产品、医疗设备和汽车内饰、轮胎、垫片等。材料热变形温度为40。 金属材料-3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前，应用于
