《逆向建模与产品创新设计思考与练习习题及答案（刘永利）.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《逆向建模与产品创新设计思考与练习习题及答案（刘永利）.docx（30页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、逆向建模与产品创新设计思考与练习参考答案1.1 课堂讨论请同学们根据自己对3D打印的理解，分组讨论以下问题：可以从哪些方面入手，了解增材制造技术。同学们之间相互提出3D打印技术相关的 话题。3D打印技术有什么用？从身边的实例讲解3D打印的作用、看到的相关的新闻报道、一些生产企业的介绍等。在学习增材造技术的过程中，准备采用什么样的学习方法？搜索相关资料、进行比较、归纳，认真完成实训课程内容等。思考与练习1 .增材制造方法与传统制造方法有什么区别？与传统的两种制造方法相比，通过CAD软件设计三维打印，并将模型分割成切片，获 得各层接口的二维轮廓信息，然后由打印机逐层打印成形的制造模式。3D打印不需
2、要传统 的工具夹具和多重处理程序，相对于传统的、对原材料去除切削、组装的加工模式不同，是 一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，产品结构越复杂，制造速度越快。2 .增材制造方法与传统制造方法有什么联系？两者之间的关系是相辅相成、相互补充、密不可分的。增材制造技术.主要是制造样品， 也就是将设计者的设计思想、设计模型迅速转化为实实在在的、看得见、摸得着的三维实体 样件。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。3
3、.简述增材制造成形过程可以分为哪几个步骤？增材制造过程主要分为四个步骤：步骤I：使用CAD软件设计模型；步骤2：预处理；步骤3：打印：步骤4：后期加工。4 .增材制造技术有什么作用？首先，它可以打印几乎任何三维形状，使设计者能够自由地创造出比传统替代品性能更 好或成本更低的零件。其次，由于不需要模具或固定工具，机器生产的每个零件都可以是独一无二的，为大规FDM工艺是一种将各种热熔性的丝状材料（PLA、ABS等）加热熔化，在计算机控制下逐层堆积成形的工艺方法，又称为熔丝沉积制造。其工作原理是，丝状的热塑性材料通过加热棒加热到熔融状态，从打印喷头底部的喷头 中挤制，打印喷头按照控制系统指令沿着零件
4、截面轮廓轨迹运动，将熔融状态的材料按照自 动生成的路径选择性地涂覆在工作台上，迅速冷却后形成截面轮廓，当前层成形后，工作台 下降特定高度再进行下一层的涂覆，材料按照分层数据逐层堆积形成三维产品。5 .熔融沉积快速成形技术的优缺点有哪些？1）FD1工艺原理简单，操作容易实现，有利于该工艺3D打印设备实现小型化和便携化。2） FDM工艺设备不需要激光器、扫描振镜等昂贵部件，设备费用低。另外原材料的利 用效率高且没有毒气或化学物质的污染，使得成形成本大大降低。3）后处理过程比较简单。FDM所采用的支撑结构很容易去除，尤其是模型的变形比较 微小，原型制件的支撑结构只需要经过简单的剥离就能直接使用。4）
5、成形材料种类很多、来源广泛，主要有PLA、ABS、石蜡、铸蜡、尼龙、人造橡胶等 熔点较低的材料及低熔点金属、陶瓷等丝材，成本相对较低。缺点：打印喷头的速度和成形速度慢，效率低，不适合构建大型零件。打印后的模型尺 寸精度较低。成形制件在厚度方向上的结构强度较弱，需要设计和制作支撑结构喷头容易 发生堵塞，不便维护。6 .如何利用熔融沉积成形技术打印出符合设计要求的产品呢？根据需要通过CAD软件设计出需要打印的模型，然后利用切片软件对模型进行处理，在 对打印机操作前，先要通过切片软件对层高、壁厚、填充密度、打印速度、喷头温度、支撑 类型等参数进行设置，生成分层打印路径，将模型切片后，保存到SD卡里。
6、3.2课堂讨论请同学们根据自己对3D打印的理解，分组讨论以下问题： SLA技术与其他打印技术有什么显著特点呢？L精度高、表面光滑、可制作大尺寸产品；.刚性较好、锐角极好、收缩小；2 .表面细节极佳，极具质感，制作速度较快；.树脂种类繁多（白色，半透明、全透明、高韧性等）以满足各种性能需求。3 .快速加工高精度、高表面质量、多细节手板样件，可用于汽车模具，医疗生物，消费电子、 游戏动漫、建筑设计、雕塑造型、家居装饰等领域概念模型、一般部件、外观验证、装配校 核，某些情况下可用于功能测试。4 .针对特殊要求有相应的特性材料，比如耐热树脂、全透明树脂。5 .SLA光固化成型法是最早出现的快速原型制造
7、工艺，成熟度高，经过时间的检验。8 .由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具。9 .加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具。思考与练习1 .什么是光固化快速成形技术？光固化成形技术，是基于离散堆积的思想，以液态光敏树脂作为成形原料，激光光束通 过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内 的一层树脂固化，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面，然后升降台下降一定距离， 固化层上覆盖另一层液态树脂,再进行第二层扫描,笫二固化层牢固地黏结在前一固化层上, 这样一层层叠加而成三维工件原型。2 .光固化快速成形技术的
8、优缺点有哪些？主要有如下优点：光固化成形技术是最早出现的快速成形制造工艺，成熟度最高；成形 速度较快，系统工作相对稳定；可以打印的尺寸也比较大；后期处理特别是上色都比较容易； 尺寸精度高，表面质量较好，比较适合做小件及较精细件。光固化成形技术的不足之处在于：设备造价较高，使用和维护成本高；对工作环境要求 苛刻；成形件多为树脂类，强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存；这种成形产品对 贮藏环境有很高的要求，温度过高会熔化。需要设计工件的支撑结构，以便确保在成形过程 中制作的每一个结构部位都能可靠定位。3.3课堂讨论请同学们根据自己对3D打印的理解，分组讨论SLS快速成形技术原理，理解SLS快速
9、成 形技术特点。选择性激光烧结（以下简称SLS）技术最初是由美国德克萨斯于1989年在其硕士论文中 提出的。后美国公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。几十年来， 在SLS领域做了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国 公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。国内也有多家单位进行SLS的相关研究工作，也取得了许多重大成果，如研制的RAP-I 型激光烧结快速成型系统和开发的AFS - 300激光快速成型的商品化设备。选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠 加生成所需形状的零件。
10、其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以 及后处理等。SLS快速成形整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞（送粉活塞）上 升，由铺粉柜将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型 控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成 一层后，工作活塞下降个层厚，铺粉系统铺上新粉.控制激光束再扫描烧结新层。如此循 环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成 型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中 的热变形，并利于层与层之间的结合。与其
11、它快速成型（RP）方法相比，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。 从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目 前，可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末 材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS 无需设计和制造复杂的支撑系统，所以SLS的应用越来越广泛。思考与练习1 .什么是选择性激光烧结技术（SLS）技术？它的原理是什么？SLS技术利用粉末状材料在激光照射下高温烧结的基本原理，通过计算机控制光源定位 装置实现精确定位，然后逐层烧结堆枳成形。利用高强度激光（通常
12、是红外激光束）把极细 的粉末颗粒状高分子材料熔化。激光对水平压紧的粉末面进行逐层扫描，扫描完一层后工作 平台下沉，然后在顶层喷上新的粉末进行下一步扫描，利用激光烧结使得熔化的粉末颗粒相 互融合黏结。2 .选择性激光烧结技术（SLS）技术的优缺点有哪些？（1） SLS 3D打印技术的优点1）SLS可使用的材料多。2）精度较高。3）不需要外加支撑。4）材料的利用率高。（2） SLS 3D打印技术的缺点1）打印的成品零件会收缩变形。2）后期处理工序复杂。3）颜色易变、易潮湿变形。4） 加工机械昂贵，材料损耗大。5）每次都必须更新粉末。3 .如何利用选择性激光烧结技术（SLS）打印出符合设计要求的产品
13、？选择性激光烧结技术主要的应用可以体现在：新产品的外形研制和开发。可以快速制造 出模型，缩短从设计到制造出产品的时间，使客户更加快速直观地看到最终产品的模型。人 工器宜移植领域；创作抽象的艺术品；制作复杂的熔模和砂型构件；应用SLS技术可以直接 制作熔模模具进行工业应用；微型机械设备的研究和开发。3.4课堂讨论根据自己对3D打印的理解，分组讨论以下问题： 3DP打印快速原型的精度由什么决定？（1）粉末材料以及与之匹配粘接溶液的性能；（2）粉末层厚度和压实密度；（3）喷射粘 滴的定位精度；（4）喷射粘滴对粉末的冲击作用。思考与练习1 .三维打印成形技术（3DP）技术是怎样打印成形工件的？请简述其
14、工艺过程。从工作方式来看，三维打印和传统二维喷墨打印最为接近。与SLS 3D打印工艺一样， 3DP也是通过将粉末黏结成整体来进行零部件的制造。两者的不同之处在于，3DP技术不是 通过激光熔融粉末的方式进行黏结，而是通过喷头上的喷嘴喷出的黏结剂，使粉末颗粒相互 粘结起来。3DP工作原理如图3-12所示，其通过喷头喷射胶黏剂，将粉末一层层堆积黏结 成形。2 .三维打印成形技术（3DP）技术的优缺点有哪些？3DP打印技术的优点是成形速度快，设备价格相对低廉，粉末通过黏合剂结合，而不是 用其他的工艺在保护状态下进行烧结。并且可以一个喷头使用多个喷嘴进行工作。可实现有 渐变色的全彩色3D打印，可以完美体
15、现设计师在色彩上的设计思想和意图。可以采用有颜 色的黏结剂，使用多种粉末材料进行打印。打印过程中无须支撑材料，不但避免去除支撑材 料的后处理过程，而且也降低了材料成本。可以实现大型工件的打印。工作环境比较清洁。3DP打印技术的缺点是产品力学性能差，强度、韧性相对较低，通常只能作为样品展示, 无法适用于功能性试验。需要综合考虑粉末材料及黏结材料的性能和粒度、形状及成分对成 形件的影响。模型精度和表面质量都比较差。工件成形后需进行去除粉末、固化、包覆等后 处理。材料的快速成形特性不仅和材料本身性质有关，还和成形的方法、制件的三维结构等 有关。原材料价格比较贵。3 .制约该技术快速成形精度的影响因素
16、有哪些？3DP打印技术，粉末粘接的直接成品强度并不高，只能作为测试原型：其次粉末粘接的工作原理使得其成品表面不如SLA产品光洁，精细度也有劣势。此外，制造相关材料粉木的 技术比较复杂，成本较高，也是造成3DP技术应用不够广泛的原因。4. 1课堂讨论 3D打印产品为什么要进行后处理？FI前桌面型3D打印机模型的几何精度和表面粗糙度级别是非常有限的，表面光泽和颜 色也较为单一。从快速成形机上取下的制品往往需要进行剥离，以便去除废料和支撑结构， 对于需要进行后续装配的打印件通常需要打磨处理，有些要求具有艺术效果的作品则需要手 工上色或利用丙酮熏蒸使表面光亮，有的还需要进行后固化、修补、打磨、抛光和表
17、面强化 处理等。 分组讨论后处理的类型。剥离、修补、打磨、抛光和表面涂覆等表面后处理方法 3D打印技术后处理的发展会有什么趋势？将后处理工艺进行集成和自动化。实现除粉、化学蒸汽平滑、着色、零件分拣和质量检 查等一系列的后处理工作，全程自动化。一是将后处理系统和31）打印系统进行整合，实现 真正的端到端自动化生产，二是要兼容更多的材料，包括金属和热固性材料。思考与练习1 . 3D打印技术后处理方法有哪些？剥离、修补、打磨、抛光和表面涂覆等表面后处理方法2 .后处理过程中，如何保证产品的质量？为了获得最佳的表面光洁度，需要针对选择的3D打印技术把握好零件关键面的成型方 向。还有一个考虑的因素是打印
18、速度，打印速度和表面光洁度是负相关的两个因素。很多后 处理工艺都涉及某种程度的材料去除，因而在设计零部件的几何形状时需要考虑到后处理工 艺，并考虑怎样来补偿这些去除量。收集后处理的结果及数据，并用于接下来一轮的设计优 化。3 .树脂产品和金属产品的后处理方法有什么不同？树脂产品的后处理，剥离、修补、打磨、抛光和表面涂覆等表面后处理方法。金属产品 的后处理，热处理、线切割、去支撑、打磨、机加工、抛光、喷砂等步骤。4 .2课堂讨论 3D打印技术的精度是指什么？3D打印技术的精度包括3D打印设备的精度以及设备所能制作出的成形件精度。成形件误差产生的原因有哪些？1）数据处理产生的误差：2）成形加工包括
19、层准备和层制造与层叠加。成形件的表面质量有哪些方面？成形件的表面误差有台阶、波浪和粗糙度，台阶误差常见于自由曲面处，以差值Ah来 衡量，波浪误差是成形件表面的明显起伏不平，以全长L上波峰与波谷的相对差值h/L以 及波峰的间距来衡量。粗糙度应在成形件各结构部分的侧面和上、下表面进行测量，并 取其最大值。思考与练习1 .如何提高3D打印的打印精度？（1）更换打印机：（2）更换耗材品种：（3）降低打印层高；（4）控制喷嘴温度；（5） 减小喷嘴直径2 .哪些因素会影响FDM成形件的精度？一是材料性能。二是分层厚度。三是喷头温度。四是填充速度和挤出速度。3 .如何提高FDM成形件的精度呢？（1）通过软件
20、对STL文件进行修复。（2）选择合适的工艺参数，包括层厚、补偿、挤压速度、填充速度、开关延迟、喷嘴 温度、成型室温等。（3）增加基底厚度，增加填充间隔，可降低物体弯曲变形程度。（4）保持平台清洁，校准Z轴印刷的初始高度。4.3课堂讨论分组讨论从CAD模型到增材制造获得实体零件的整个过程有哪些步骤？（1）CAD设计；（2） STL格式转换和文件处理；（3）打印；（4）打印件取出；（5） 后处理过程 3D打印产业链包含哪些方面？31）打印产业链主要分为三个部分：上游原材料及基础配件，中游3D打印耗材及3D打 印设备的研发制造，下游3D打印服务及应用。你还了解到有哪些3D打印技术相关的厂商呢?是通过
21、什么渠道了解的呢？通过一些相关的网站，了解到3D打印技术相关的厂商，如弘瑞北京汇天威科技有限公司、浙江闪铸三维科技有限公司、深圳市创想三维科技有限公司。思考与练习1 .主要3D打印方法的优、缺点有哪些？优点：一、成品速度快；二、构型精准多样；三、无须机械加工；四、产品定制化。缺点：一、打印效果受材料限制；二、成品是否坚固耐用；三、知识产权的忧虑；四、 难以克服环境因素。2 . 3D打印的优缺点是如何影响到3D打印技术的实际应用的呢?讨论并举例说明。虽然高端工业可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但目前无法实现打印的材料都是 比较昂贵、稀缺的。从整个产业来看，材料质量的稳定性、易用性等还有待提高
22、，新型材料 研发面临的瓶颈也难以在短时间内取得突破。此外，一些3D打印设备还没有达到成熟的水 平，无法支持在日常生活中人们所接触到的各种材料。3 .搜索并了解至少一家国内的3D打印厂商的相关信息。闪铸科技/FLASHFORGE浙江闪铸三维科技有限公司成立2011年，是中国首批专业3D 打印设备及耗材研发生产企业。公司致力于推广3D打印技术,打造友好的3D打印生态系统。 目前闪铸科技拥有9大系列，几十款产品，建立了涵盖3D扫描仪、3D设计软件、3D打印机、 3D打印耗材和3D打印服务的完整产业链：产品分为民用级、商业级、工业级3个层次，满 足不同类型的用户需求；同时在技术研发、渠道建设、售后服务
23、等多方面均处于行业领先水 平。4 .如何选用3D打印技术?打印技术的选择主要基于以下几方面：1.应用方向；2.材料；3.操作性和使用环境。5. 1课堂讨论面对种类繁多的3D打印机，该如何来选择合适的打印机呢？关键要从以下几方面去考 虑。1 .使用目的这一点是至关重要的，在选择3D打印机之前，首先应该想清楚，为什么要购买3D打 印机，是想用于商业制作模型进行出售？或者是用于工业领域？或者用于教育领域？还是只 是为了个人的爱好？想清楚使用目的，以免造成后续不必要的浪费。2 .打印尺寸要确认打印的物品有多大，这个物品的尺寸跟打印平台是否合适。在考虑到尺寸时，还 需要了解清楚机器的技术参数，例如：机器
24、与成形的尺寸。要知道，尺寸大一些的机器，费 用也会更高。清楚机器尺寸，才能根据实际合理的选购合适的3D打印机，避免多支出一些 不必要的花费。3 .挤出系统现在大多数的3D打印机都提供的单喷头，虽然双喷头的机器也有，但是对于初学者来 说，单喷头显然更适合，可以去制作一些简单或者中等级复制的模型。而且单喷头打印也相 对比较稳定，打印精度也比较高。3D打印材料热熔以及层层堆积叠加的过程中，材料的挤 出是非常重要的，所以如果不是特别的必要，建议使用单喷头即可。4 .打印材料虽然现在很多厂家在努力寻找可以打印的新材料，但并不是所有的3D打印机都能够支 持新材料。如果需要打印不同材料的模型，那么，为了能保
25、证完成打印，就需要去挑选兼容 性强的3D打印机。思考与练习1 .桌面级3D打印机的特点？桌面级31)打印机，体积小巧，可以放在办公桌面上打印立体实物的打印机。桌面31) 打印机它是一种快速成形技术的一种机器，它是以数字模型文件为基础，运用金属或塑料等 可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。2 .工业级3D打印机的特点？工业级3D打印机是专供工业生产使用的3D打印机，相比桌面级3D打印机，有更完备 的性能和更高的效率，特别注重恶劣环境下的稳定性和可靠性。有非金属打印机，有金属打 印机。由于是一种专业生产设备，体现的一个重要指标就是大打印流量，以及与其相关的高 打印速度，只有在高速打印的
26、前提下，考量其性能的稳定性和可靠性才有意义。3 .如何选择合适的3D打印机?从以下几个方面选择：成本；打印质量和速度；便于使用；可定制的选项；构建体积； 树脂或线材。5.2课堂讨论1 .不同3D打印机的构造有什么相同和不同的地方?rcprap系列打印机基本上是一角形的，而Ultimaker和makobot系列打印机是矩形框， printrbot是矩形支架。2 . 3D打印机的构造对工作流程有什么影响？3d打印机的结构类型有Prusai3结构、箱体结构、三角洲机型等，不同的结构有不同 的优势。（1） Prusa i3结构。Prusa i3是Reprap打印机prusa rnendel的第三代机型
27、。优点 是结构简单，易于上手，适合第一次接触3D打印的diy爱好者。（2）箱体结构。箱式结构是目前市面上较为流行的结构，相比较一般diy机型在外观 上看起来更加商业化。优点是成型精度高，打印速度快。电路板与电源等电子部件可隐藏至 机体内，空间利用率高。（3）三角洲机型。这种结构兴起于90年代，因其速度快、精度高、柔性强等优点使并 联机器人成为了现代工业机器人重要部分。优点是结构简单，方便修理维护，打印速度快， 传动效率高，占地面积小。思考与练习1 . 3D打印机的构造部件有哪些？电子部分、机械部分、软件部分。2 .打印机的工作流程有哪些？启动、调平、装卸耗材、设置参数、开始打印。3 .光固化成
28、形工艺的原理及特点？光固化成型工艺的原理及特点：SLA （Stereo Lithography Apparatus,光敏树脂选择 性固化）技术原理：在液槽中充满液态光敏树脂，其在激光器所发射的紫外激光束照射下， 会快速固化（SLA与SLS所用的激光不同，SLA用的是紫外激光，而SLS用的是红外激光）。 在成型开始时，可升降工作台处于液面以下，刚好一个截面层厚的高度。通过透镜聚焦后的 激光束，按照机器指令将截面轮廓沿液面进行扫描。扫描区域的树脂快速固化，从而完成 层截面的加工过程，得到一层塑料薄片。然后，工作台下降一层截面层厚的高度，再固化另 一层截面。这样层层叠加构成建构三维实体。4 .金石增
29、强版Y-1500FDM打印机组成部分？机械部分、电路部分、软件部分。5.3课堂讨论3D打印机常见问题及解决方法：机器不出料怎么办？机器不出料存在几种情况：1）检查热床和喷头温度是否正常，喷头温度是否到达出料温度（通常为190度以上）， 如果温度为或温度过高时，检查测温线是否有短路断路情况；2）如果温度正常，单击进料时听到电动机声音后向下轻推耗材，即可耗材在往下移动；3）如果温度正常，轻推耗材依然无法进料时，可以先退料，检测耗材端面是否正常，然 后重新进料。打印模型较大无法从平台取下，怎么办？打印完成后通过铲刀从平台上将模型取下即可，如果由于调平等原因导致模型粘太紧， 可以对平台进行预热后在用铲
30、刀铲下。绝对不能使劲掰模型或摇晃模型，否则可能损坏打印 平台。对于没有热床的机器可以在平台上贴上美纹纸。为什么模型设计看起来正常却部分结构打印不出来？由于打印机耗材通过喷嘴挤出，因此出料粗细最小为喷嘴孔径，通常打印机喷嘴孔径为 0. 4或0. 5mm,如果模型厚度小于该值分层会由于该处太薄无法挤出。建议设计模型时将壁 设计为0.5mm、1mm、1.5mm等，使其为喷嘴孔径的倍数，这样打印尺寸更精确，部分悬空等 特殊结构需要添加支撑等，需要根据具体模型调整。为什么模型打印越高精度越低？当模型很高的时候，如果模型竖着打印，打印越高模型晃动越大，从而出现错位，断层 等情况，通常此类模型设计时可以在定
31、高度上加上斜的支撑杆，保证模型顶部不会出现晃 动等。思考与练习1.31）打印机维护保养的意义？为了确保设备能长期性平稳运作,提高效率,增加设备使用期，人们一般需要留意对打印 机的平时维修保养，正确的保养方法能适当地延长3D打印机的使用寿命。一台好的3D打印 机除了精准使用之外，还要做好口常维护。2. 3D打印机常见的故障有哪些？（1）喷嘴漏料；（2）打印平台加热异常；（3）喷管冷却风扇或型号风扇不旋转；（4） 模定制进行试制。第三，消除了耗时的工具制造和加工操作，加快了产品开发和生产，缩短了上市时间。第四，最后，增材制造可以简化产品的维护和支持工作，通过从数字文件中按需生产零 件，可以减少对备
32、件库存的需求。1.2课堂讨论请同学们根据自己对3D打印的理解，分组讨论以卜.问题： 讨论在什么样的情况下，人们产生了 3D打印的想法？19世纪中期的照相雕塑(Photosculpture)技术、地貌成形(Topography)技术。 3D打印技术发展过程中，大家认为可从哪些方面进行突破？设备、工艺、材料等方面。 如何能做到尽快普及31)打印?工艺简单、打印的材料方便获得、设备价格低廉.思考与练习1. 3D打印的发展有哪几个阶段？诞生阶段、发展应用阶段。2. 3D打印技术快速发展的原因有哪些？(1)全国对3D打印技术的认可，注重研发。(2)逐渐丰富打印材料种类，推动3D打印机应用范围扩大。(3)
33、汽车、电子、航天、医疗、制鞋等行业为了加快产品开发、改进产品性能、提高 用户需求响应速度，积极探索3D打印技术在工业生产中的应用。(4)实施3D打印技术普及教育。3. 3D打印技术发展的滞碍因素有哪些？(1)技术限制；(2)材料限制；(3)机器限制;(4)效率问题；(5)知识产权问题;(6)道德 的挑战；(7)费用高昂。4. 简述国内外31)打印发展历史。国外3D打印技术的发展：1892年到1988年属于初期阶段，1988年到1990年属于快速 原型技术阶段，1990年到现在为直接增材制造阶段。国内3D打印技术的发展：自20世纪90年代初，3D打印的概念开始在中国兴起，在国喷嘴加热异常；（5）
34、限位开关故障；（6）打印突然中断；（7）操作屏故障。6. 1课堂讨论在工业领域，3D打印有什么需要改进之处？（1）不适用于大批量生产在大批量生产的情况下，3D打印的成本很高，生产效率也 不如传统的制造方式。比如完全打印一辆车要耗时好几个月，在成本上远高于大规模生产汽 车均摊到每辆汽车上的成本。（2）精度有待提高3D打印技术固有的成形原理及发展还不完善，其打印成形零件的 精度（包括尺寸精度、形状精度和表面粗糙度）、物理性能（如强度、刚度、耐疲劳性等） 及化学性能等大多不能满足工程实际的使用要求,不能作为功能性零件，只能做原型件使用。 由于3D打印采用“分层制造，层层叠加”的增材制造工艺，层与层之
35、间的结合再紧密，也 无法和传统模具整体浇铸而成的零件相媲美。思考与练习1. 3D打印在工业制造领域的优势有哪些？（1）提高生产效率，加快工业产品的开发速度；（2）降低制造成本；（3）生产结构 更杂的产品；（4）提高产品质量。2. 3D打印在工业制造领域还有哪些具体应用例子？（1）工装。3D打印在工业领域的主要应用之一是工具，它设计打印轻巧耐用的夹具、 固定装置、量规。（2）最终用途零件。由于交货时间缩短和原型制作成本低，汽车和航空航天等许多行 业已经开始在其运营中使用增材制造。（3）备件生产。几乎所有零件的设计都可以作为数字副本存储在计算机硬盘中，从而 无需维护库存。通过使用3D打印，可以按需
36、生产备件。3. 3D打印有哪些不足之处需要改进？（1）材料的限制；（2）机器的限制：（3）知识产权的忧虑；（4）道德的挑战；（5）高昂的价格。6.2课堂讨论3D打印在医疗领域未来还有哪些进步空间？3D打印技术在医疗领域的应用已取得了一定进展，但仍有很大提升空间。设备和材料是 发展医疗3D打印技术的关键。设备是实现3D打印的工具，性能优良的设备能为制造稳定性提供保障，推动先进制造技 术的产业化进程。医疗领域的产品要求高于一般制造业，组织、器官结构更杂需微米级分辨 率,现有的3D打印设备制造精度有待进一步提高,专业软件有待深入开发与集成材料是3D打印技术成果的载体。以骨科植入物为例，材料与人体弹性
37、模量不匹配会出现 “应力屏蔽”导致植入失效;生物相容性不佳的材料进入人体后会对周围组织产生毒副作用。 研制力学性能好、生物相容性佳、成形性能优良的材料是3D打印技术在医疗应用中长足发 展的必经之路。再者,行业标准是一个行业逐步走向成熟的智慧体现。该行业发展至今尚无统一标准，各 厂家开发研制的设备与材料功能品质参差不齐,应制定详细、完善的行业标准促使3D打印技 术逐步规范。综.上所述,结合不同类型医学制品的需求,提高设备性能、开发新材料是该技术发展的重 要突破口，同时也应制定完善的行业标准并不断强化行业核心竞争力,加强对专业技术人员 的培养,推广跨界合作与应用。思考与练习1. 3D打印在医疗领域
38、的优势有哪些？3D打印技术最初在医疗领域的应用在于快速的制造医疗模型，用于协助医疗和患者沟 通、诊断和手术规划使用。还可用于辅助医疗诊断；骨科的临床应用；手术辅助器械；3D 打印活体细胞。2. 3D打印在医疗领域还有哪些具体应用例子？在手足外科中，对于夏科氏足，因解剖畸形使手术变得较复杂，术前规划尤其重要。通 过31）打印模型对手术进行模拟与规划，保证了原本棘手的手术顺利进行。威尔士大学医院的一名口腔癌症患者治愈之后，在治愈康复过程中成功地接受了面部修 复手术。3. 3D打印在医疗领域未来还有哪些进步空间？在生物细胞打印技术方面取得了重点突破，通过打印活细胞、水凝胶等生物细胞材料， 可以直接打
39、印出活性人体器官，如耳朵、肝脏、肾脏单元、血管等。4. 3请同学们根据自己对3D打印的理解，分组讨论以下问题： 31）打印在建筑领域的应用，除材料和安全性方面，还有哪些方面的技术难题需要解 决？设备问题。3D打印建筑技术中，设备因素也是影响其具体市场应用的重要因素。这里主 要指打印设备的尺寸、精度、受环境影响程度等。在此次双层打印建筑的具体打印过程中， 不难发现3D打印设备的尺寸与具体建筑规模是密切相关的。未来3D打印技术广泛应用建筑施工领域,所面对的建筑规模必然不会只局限于几米或几 十米，这对3D打印设备本身是一个巨大的挑战。如，3D打印设备如何适应更大体量的建造 要求？设备尺寸变大，打印精
40、度是否会受影响？设备仪器占地面积变大，受天气、环境因素 影响，如何保证正常打印施工？随着科技的进步，新技术、新工艺、新材料的出现，讨论并设想一下3D打印技术在 建筑领域还会有哪些新突破？1）在建筑设计方面3D打印技术能够进行三维模型设计，将传统图纸与地理信息、建筑扫描等电子数据进行 结合，并以实物形式展现出来，可通过实景建模形式，展现真实三维场景。前期设计模型可 经过分割、单体化和比例缩放等步骤制作成等比例三维模型，再利用3D打印技术便可将模 型1： 1打印出来。3D打印可以灵活处理模型，直接在文件上进行编辑修改，就可实现调整，同时，也可方 便实现多色彩打印，甚至可以给模型增加透明、金属等不同
41、元素。（2）在功能技术方面在今后的发展中31）打印技术的发展更加多元化和多样化，也就是技术的应用不仅仅只是 在某一个行业，而是应用到各个行业中，31）打印的设备也会独立进行设计、施工等过程， 为建筑设计提供了更多的设计空间。3D打卬的设备也会更加智能化，大大提高制作水平及 效率，能够在不同复杂施工环境中应用。思考与练习1. 3D打印建筑主要应用在哪些方面？在建筑行业，3D打印技术顺应产业革命的发展，将使大规模的个性化生产成为可能,逐步实现快速建造和产业化生产，并会创造出大量的传统工艺无法生产的新型材料。2. 3D打印应用于建筑领域的优势有哪些？31）打印技术在建筑领域的应用，有助于缩短工程建设
42、的周期，提高施工的效率，减少 人、财、物等资源的消耗，真正实现绿色、环保。3. 3D打印在建筑领域的应用还有哪些技术难题？目前可以满足3D打印的建筑材料偏少，研究方向多以环保材料为主，但是缺少加工废 料和黏合剂的生产方式和厂商。再如打印出来的房屋牢固性有待提高，因为内部没有钢筋结 构加固。6.4课堂讨论请同学们根据自己对3D打印的理解，分组讨论以下问题：大家认为3D打印在大众消费领域还有哪些应用？在平时生活中，主要用于个性定制、独特手办、动画周边、眼框、3【）人像、个性饰品 等，总之，它的存在确实让我们实现了更多的不可能。他正在巧妙地改变着我们的生活！除 了维修零件，3D打印在日常生活中还有很
43、多用途。比如说。3D打印灯具、收纳盒、笔筒、 创意摆件等等。讨论在3D打印食品方面，还有哪些技术难题需要逐步被化解？3D食品打印的安全性3D食品打印机打印出来的每件产品都是用来食用的，必须保证其安全性。止匕外，研究 人员还需对选用的相关食材、打印出的食品的微生物检测、剩余原料的保娥和产品贮藏等 问题进行深入的探索研究。3D食品打印的价格与成本3D打印技术需要以CAD计算机设计为支撑，这就需要精通CAD软件设计和机械制图原 理，同时具有高超的编程实现技术的专业人才，但目前这种人才比较缺少，而且国内的研 究资金投入不足，导致3D食品打印的技术比较薄弱，食品打印效率较低，成本相对较高， 批量化、规模
44、化生产受到限制，商业化能力相对较弱。但是，随着我国人工成本的不断增 长和3D打卬技术的成熟与推广，3D打卬价格会不断下降。此外，在生产个性化、造型复杂的食品生产中，3D打印的成本反而比传统生产方式的成本更低。3D食品打印的推广3D食品打印技术目前还属于起步阶段，对于3D打印技术的认识和了解不多，仅限于 研究学者、产业制造者以及兴趣爱好人士，缺乏教育培训和社会推广。要解决上述问题， 需要加强宣传教育、强化相应技术，还可以将3D打印设为课程，人才培养与资金投入同 步，加强技术强化，推动产业化生产。3D食品打印原料的限制3D打印食品的原料需制成液体、糊状或粉状的食材，目前多适应以浆料状等原料打印 的
45、食品，如巧克力、糕点和糖果等。但中国一些传统原料在打印过程中会产生产品质量得 不到保证的问题，如面粉糊打印精度过高会产生喷头堵塞，导致打印精度降低，产品质量 得不到保障等问题，需要不断改进技术来加以解决。思考与练习1.3D打印技术在珠宝首饰领域的主要应用方式？（1）打印蜡模；（2）直接生产珠宝或零部件；（3）设计沟通、设计展示；（4）个 性化定制；（5）装配、功能测试。2.列举一下3D打印技术在食品领域的应用案例有哪些？巧克力是食品3D打印最完美的原料，它易于融化和冷却，打印的同时又不会改变巧克 力的味道。3. 3D打印可以应用在文化艺术的哪些领域？（1）文物复制；（2）影视道具；（3）艺术创
46、作。4. 3D打印机应用在大众消费领域的优势在哪？优势一：小量生产，制造复杂物品不增加成本，成本均一；优势二：个性化定制，产品多样化，设计空间无限；优势三：精确的实体复制；优势四：简单易上手，无需培训，零技能即可操作。6.5课堂讨论请同学们根据自己对3D打印的理解，分组讨论以下问题: 3D打印在航天航空领域应用的未来发展趋势如何？ 1.缩短新型航空航天装备的研发周期航空航天技术是国防实力的象征，各国之间竞争异常激烈。因此各国都试图以更快的速度研 发出更新的武器，确保在国防领域处于不败之地。而金属3D打印技术让高性能金属零部件 的制造流程大幅缩短，无需研发零件制造过程中使用的模具，极大地缩短产品
47、研发制造周期。 2.提高材料利用率、降低成本航空航天制造领域多采用价格昂贵且较难加工的战略材料，如钛合金、银基高温合金等金属 材料。传统制造方法材料使用率低、机械加工程序兔杂、生产周期长、成本高。3D打印技 术可将材料的使用率普遍提升到60斩甚至高达90%以匕从而降低制造成本、节约原材料。 3.优化零件结构、增加使用寿命对于航空航天、武器装备而言，减轻重量是永恒不变的主题。波音737约重65公吨，若减 重1磅（约（）.45千克），每年则能为航空公司节省几十万美元。据GE航空白皮书所述，将 此数字延伸到全球所有航空器和其节省的资金，将超过一千万美元。传统制造方法已经将零件减重发挥到了极致，但3D
48、打印技术的应用可以优化复杂零部件的 结构，在保证性能的前提卜，将生杂结构变换成简单结构，从而起到减轻重审的效果。3D 打印技术通过优化零件结构，使零件的应力呈现出最合理化的分布，减少疲劳裂纹产生的危 险，从而增加使用寿命。4.修复零件、减少损失目前，金属3D打印技术在修复成型方面所表现出的潜力高于生产制造方面。以高性能整体 涡轮叶盘零件为例，当某一叶片受损，整个涡轮叶盘将报废，直接经济损失高达百万元。而 使用3D打印技术在受损部位进行激光立体成型，就可以恢复零件形状，且性能满足使用要 求，甚至是高于基材的使用性能。我们在感受了 3D打印在航空航天领域的广泛应用后，讨论一下3D打印技术在航空航 天领