3D打印技术及其应用

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1、3D3D打印技术及其应用打印技术及其应用郑华德郑华德副教授副教授EmailEmail：什么是什么是3D3D打印？打印？3D3D打印可以做什么打印可以做什么一一、原理与方法、原理与方法一、一、原理与方法原理与方法 快速原型制造快速原型制造Rapid Prototyping (RP)Rapid Prototyping (RP) 增材制造技术增材制造技术- -Additive ManufacturingAdditive Manufacturing（AMAM） 实体自由制造实体自由制造Solid FreeSolid Free- -form Fabricationform Fabrication（SFF

2、SFF） 3D3D打印打印3D Printer 3D Printer （3DP)3DP) 原理：“自下而上”（原理：“自下而上”（bottombottom- -upup）制造方法）制造方法 高度柔性高度柔性-不受零件复杂程度限制不受零件复杂程度限制 个性化制造个性化制造 全全数字化数字化制造制造 网络化制造网络化制造多种“名称”多种“名称”一一、原理与方法、原理与方法 制造技术分类制造技术分类 切削加工（车、铣、刨）切削加工（车、铣、刨）MM0 0（减材制造减材制造） 热成型加工（铸造、锻压）热成型加工（铸造、锻压） MM0 0（等材制造等材制造） 增材制造增材制造（快速原型）（快速原型）MM

3、0 0 （增材制造增材制造）3 3D D打印技术打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本是以计算机三维设计模型为蓝本 ，通过软件分层离散和数控成型系统通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光利用激光 束束、热熔喷嘴等方式将金属粉末热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末陶瓷粉末、塑塑 料料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最最 终叠加成型终叠加成型，制造出实体产品制造出实体产品。一一、原理与方法原理与方法 工艺过程工艺过程*模型制作定向 *分层处理 *加支撑图1.1 快速成型技术工艺过程示意图CAD造型系统STL模型 CAD模型加工文件快速成型系统数据准备处理成型

4、过程成型制作*实体造型方法 *STL输出接口 *其它数据接口成型零件一、一、原理与方法、原理与方法 主要工艺方法主要工艺方法 光固法（光固法（SLSLStereolithographyStereolithography） 叠层法（叠层法（LOMLOMLaminated Object ManufacturingLaminated Object Manufacturing） 激光选区烧结法（激光选区烧结法（SLSSLSSelective Laser SinteringSelective Laser Sintering) ) 熔融沉积法（熔融沉积法（FDMFDMFused Deposition Mo

5、delingFused Deposition Modeling） 三维印刷法（三维印刷法（3DP3DPThree Dimensional PrintingThree Dimensional Printing）一一、原理与方法、原理与方法 主要工艺方法主要工艺方法 光固法：光固法：SLSLStereolithographyStereolithography材料：光固化树脂特点：精度高一一、原理与方法原理与方法 主要工艺方法主要工艺方法 叠层法：叠层法：LOMLOMLaminated Object ManufacturingLaminated Object Manufacturing材料：纸、塑料

6、特点：精度低一一、原理与方法、原理与方法 主要工艺方法主要工艺方法 熔融沉积法：熔融沉积法：FDMFDMFused Deposition Fused Deposition ModelingModeling材料：热塑性塑料特点：精度低一一、原理与方法、原理与方法 主要工艺方法主要工艺方法 激光选区烧结法：激光选区烧结法：SLSSLSSelective Laser Selective Laser SinteringSintering材料：塑料、砂、 金属特点：精度低一、一、原理与方法、原理与方法 主要快速成型工艺主要快速成型工艺 三维三维喷腊喷腊：3DP3DPThree Dimensional P

7、rintingThree Dimensional Printing材料：塑料、陶瓷特点：精度低价格：2050万金属直接制造金属直接制造桌面型桌面型3 3D D打印机打印机高性价比高性价比一、发展现状一、发展现状 大尺寸大尺寸激光激光成形设备成形设备 大型客机大型客机C919C919等多型重点型号飞机研制生产中得到等多型重点型号飞机研制生产中得到 应用应用 大尺寸金属熔覆成形大尺寸金属熔覆成形 LSF LSF 系统系统 成形范围成形范围：L L50005000W W25002500H H600600 沉积效率沉积效率：300 300 cmcm3 3/h/h3D3D技术制造出的航天结构件技术制造出

8、的航天结构件多层叶轮多层叶轮NASA使用使用3D打印技打印技 术改装无人机术改装无人机Admatec推出新型陶瓷推出新型陶瓷3D打印技术打印技术 紫外线激光固化光敏树脂与陶瓷粉的混合物紫外线激光固化光敏树脂与陶瓷粉的混合物国际国际3D3D打印技术打印技术- -20122012年，年，20132013消费商品和电子：消费商品和电子：23.7% 23.7% 20.3%20.3% 航天：航天：9.9% 9.9% 12.1% 12.1% 医学和牙科：医学和牙科：13.13.7 7% % 15.15.1 1% % 车辆车辆飞行器飞行器工业工业/商用机器商用机器消费电子产品消费电子产品医疗医疗/口腔医学口

9、腔医学学术研究学术研究政府政府/军事军事建筑建筑其他其他3 3D D打印技术在打印技术在 工业设计工业设计中的应用中的应用3D 打印是制造技术的原理创新，随着技术的愈发成熟，在为制造业带来新一轮革命的同时，也为研发、设计特别是工业设计，提供和发挥了强有力的技术支撑和引领作用。3D 3D 打印带给工业设计打印带给工业设计 全新的体验全新的体验技术应用存在的问技术应用存在的问 题和前景展望题和前景展望3D 3D 打印带给工业设计打印带给工业设计 全新的体验全新的体验工业设计，以产品造型设计为核心，融合科技、文化、艺术工业设计，以产品造型设计为核心，融合科技、文化、艺术、经济等多门类学科，服务于原始

10、创新、集成创新和引进吸、经济等多门类学科，服务于原始创新、集成创新和引进吸收再创新的全过程收再创新的全过程工业设计，是工业化、信息化时代一项系统性、集成性、创工业设计，是工业化、信息化时代一项系统性、集成性、创造性的设计活动。造性的设计活动。工业设计，是“形”和结构的艺术，是物质实体性的立体三工业设计，是“形”和结构的艺术，是物质实体性的立体三维设计。维设计。立体模型立体模型（俗称手板俗称手板）在开模具和生产前在开模具和生产前，根据产品外观或结构设计根据产品外观或结构设计图纸做出的功能样板图纸做出的功能样板，用来检查外观用来检查外观、结构和人机的合理性结构和人机的合理性。传统机械加工采用“去除

11、材料”的方法去除材料法材料堆积法3D3D打印技术打印技术采用“材料堆积”的方法采用“材料堆积”的方法3D 3D 打印带给工业设计打印带给工业设计 全新的体验全新的体验1. 1. 设计和制作协同工作设计和制作协同工作2. 2. 提高设计制造精度提高设计制造精度3. 3. 缩短设计研发周期缩短设计研发周期4. 4. 复杂模型的直接制造复杂模型的直接制造5. 5. 逆向设计的充分运用逆向设计的充分运用6. 6. 启迪概念创新设计启迪概念创新设计传统设计制作模型模型 制作制作外观外观 设计设计结构结构 设计设计设计和制作协同工作设计和制作协同工作1“工匠”“工匠”设计师设计师工程师工程师传统设计制作联

12、想第一代家用电脑的设计联想第一代家用电脑的设计1国庆国庆5050周年彩车设计周年彩车设计国庆国庆5050周年彩车设计周年彩车设计13D 打印技术创意创意设计设计结构结构分析分析制造制造服务服务1协同一体3 3D D 打印带给工业设计打印带给工业设计 全新的体验全新的体验1. 设计和制作协同工作2. 提高设计制造精度3. 缩短设计研发周期4. 复杂模型的直接制造5. 逆向设计的充分运用6. 启迪概念创新设计“工匠”2决定型模样机的作制精度无法保证模型与设计一致性和精度外观仿真程度较差、可装配性不强无法实现复杂内部结构制作3D打印技术2替代“工匠”劳动模型制作合理、精密模型样机可以测试、检验设计、

13、样机和产品一致性强2“工匠”3D打印技术3D 3D 打印带给工业设计打印带给工业设计 全新的体验全新的体验1. 设计和制作协同工作2. 提高设计制造精度3. 缩短设计研发周期4. 复杂模型的直接制造5. 逆向设计的充分运用6. 启迪概念创新设计传统产品设计开发周期长，产品风险成本高、相互关联度差31996年设计开发的“牙科综合治疗机”（图），模型与样机制作、评审历时将近4个月，占整个产品开发周期的42%。333D打印技术提供制造样件, 简化消化图纸时间,快速将概念转化为模型样件，快速完成评价、修改及功能试验。3一款可穿戴的3D打印鞋，这个带有未来主义风格的网状结构主要由3D打印的尼龙组成33D

14、 3D 打印带给工业设计打印带给工业设计 全新的体验全新的体验1. 设计和制作协同工作2. 提高设计制造精度3. 缩短设计研发周期4. 复杂模型的直接制造5. 逆向设计的充分运用6. 启迪概念创新设计3D打印机制作出来的模具几乎不受零件的形状和结构的任何约束，尤其在加工复杂曲面时更显其优越的性能4美国弗吉尼亚大学两位学生通过3D打印技术制造出的一架模型飞机，并成功试飞。他们的飞机翼展达6.5英寸(约2米)，所有零部件都是通过3D打印机制造出来的。这是目前第三架成功试飞的利用3D打印技术制造的模型飞机。43 3D D 打印带给工业设计打印带给工业设计 全新的体验全新的体验1. 设计和制作协同工作

15、2. 提高设计制造精度3. 缩短设计研发周期4. 复杂模型的直接制造5. 逆向设计的充分运用6. 启迪概念创新设计逆向工程技术采用了3D扫描和3D打印技术相结合的方式，实现了产品的快速制造。52001年制作的转基因牛模型，是由雕塑家完成的艺术创作克隆牛克隆牛克隆牛模型克隆牛模型（雕塑雕塑）一是即可以快速的复制实物, 也能够放大、缩小及修改实物模型, 并且可以对已有模具进行创新设计。好莱坞电影Skyfall里面的阿斯顿-马丁DB5豪车就是3D打印的模型。图为电影中那辆经常露面的豪车，它是1960阿斯顿-马丁DB5的1：3模型。二是可以方便地对3D打印技术本身制得的原型产品进行快速、准确的测量, 用以验证由三维CAD设计而制得的零件与原设计的吻合程度, 改进产品设计中的不足,使产品更加完善。图为明基最新推出的一款灵动狐MX100鼠标.三是对于进口模具，旧模具的恢复，受损文物的还原等。53D 3D 打印带给工业设计打印带给工业设计 全新的体验全新的体验1. 设计和制作协同工作2. 提高设计制造精度3. 缩短设计研发周期4. 复杂模型的直接制造5. 逆向设计的充分运用6. 启迪概念创新设计6大众需求发展的趋势多元化个性化小批量多品种图为伦敦设计师Ron Arad（朗阿列德）在2013米兰国际家具展上展示的3D打印