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1、第一章 认识3D 打印学习目标1.掌握3D 打印的概念、基本原理与分类。2.掌握3D 打印的特点。3.了解国外3D 打印的发展历程。1-13D 打印的概念、基本原理与分类一、3D 打印的概念3D 打印技术在国外叫作快速成型RP（Rapid Prototyping）技术。随着科学技术的进步，部分快速成型设备的操作与传统的纸张打印机基本相同，为了便于推广，目前的快速成型设备常被通俗的称为“3D 打印机”，快速成型技术常被通俗的称为“3D 打印技术”。当前企业或研究机构普遍喜欢用“增材制造”AM（Additive Manufacture）来表示3D 打印技术。2009年美国材料实验协会ASTM 将A
2、M 定义为：与传统的去除材料加工方法完全相反，通过三维模型数据来实现增材成型，通常用逐层添加材料的方式直接制造产品。3D 打印技术是机械工程技术、CAD 技术、电子技术、数控技术、激光技术、材料科学等多学科相互渗透与交叉的产物，被称为21世纪制造业最具影响的技术之一。二、3D 打印的基本原理3D 打印技术是基于“离散/堆积成形”的成型思想，用层层叠加的方法将成形材料“堆积”而形成实体工件的技术。从原理上来说，3D 打印技术是通过计算机及相应的切片软件将建成的三维数字模型“切片”成逐层的截面数据，再将这些数据传送到3D 打印机上，3D 打印机按照这些切片数据一层层将3D 打印材料堆积起来，直到形
3、成一个实体成型零件的过程。目前，3D 打印技术也常被称为“快速原型制造技术”或“叠加制造技术”。三、3D 打印技术的分类3D 打印技术的分类有很多种，常见的分类方式有按技术原理分类、按原型使用材料的构建技术分类和按打印材料分类等。1.按技术原理分类2.按原型使用材料的构建技术分类3.按打印材料分类按打印材料可分为金属材料打印机、无机非金属材料打印机、有机高分子材料打印机、生物材料打印机等。1-23D 打印的技术的特点和与传统加工的对比一、3D 打印的技术特点1.设计阶段便于交流2.应用领域广泛3.制造过程快速4.废弃物少，近净成型。5.自由成型制造（几何形状无限打印）6.制造复杂工件不增加成本
4、7.零技能制造8.无组装集成制造9.梯度功能材料制造10.技术高度集成11.实体精确复制12.缩短产品研发周期和降低研发成本13.可实现小批量产品制造14.突破制造局限二、3D 打印技术与传统加工的对比1.3D 打印技术与传统减材加工的比较2.3D 打印技术与传统增材加工的比较1-33D 打印的发展历程一、国外3D 打印的发展历程1.产生期3D 打印技术起源于美国。1983年，美国科学家Charles Hull（查尔斯 胡尔）发明光固化成型技术并制造出全球首个3D 打印零件。1986年，Charles Hull 获得了全球第一项增材制造专利，同年成立3D Systems 公司。1988年3D
5、Systems 公司生产出第一台自主研发的3D 打印机SLA-250，SLA-250 的面世是3D 打印技术发展历史上的一个里程碑，其设计思想几乎影响了后续所有的3D 打印设备。目前3D Systems 是全球最大3D 打印设备生产商之一。2.成长发展期1988年，一位美国康涅狄格州工程师Scott Crump（斯特克 鲁姆普）发明了另一种3D 打印技术熔融沉积成型技术FDM 这项3D 打印技术利用蜡、ABS、PLA、尼龙等热塑性材料来制作物体，他在成功发明了这项技术之后也成立了一家名为Stratasys 的公司。1989年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard（德卡德）博士发明
6、了第三种3D 打印技术选择性激光烧结成型技术SLS 这项技术是利用计算机控制高强度激光逐层将尼龙、ABS、金属和陶瓷等材料粉末高温烧结直至成型。凭借这一核心技术，他组建了DTM 公司，之后DTM 一直是SLS 技术的主要领导企业，直到2001年被3D Systems 公司收购。在随后的几年中，三维打印成型技术（3DP）、薄材叠层制造成型技术（LOM）、选择性激光熔融成型技术（SLM）等3D 打印技术不断的出现和发展，为3D 打印技术的广泛应用打下了良好的基础。3.广泛应用期进入21世纪后，3D 打印技术逐渐被大众所接受，特别是2010年后，随着技术的进步，3D 打印技术在工业模具、工业设计、珠
7、宝、建筑、汽车、航空航天、医疗、教育以及其他许多领域发挥了巨大的作用。目前3D 打印技术的发展已经呈现以下特点：（1）产业格局基本形成3D 打印产业已基本形成了美、欧等发达国家和地区主导，亚洲国家和地区后起追赶的发展态势。（2）应用范围不断拓展近年来，越来越多的企业将3D 打印技术用于突破研发瓶颈或解决设计难题，助力智能制造、绿色制造等新型制造模式。（3）企业持续发展、不断重组随着一大批企业进入3D 打印制造领域，全球范围内的产业竞争不断加剧，小的3D 制造服务企业不断被大企业兼并，全球较大的3D 制造服务企业不断通过并购提升竞争力。（4）增材制造市场前景广阔据中国3D 打印产业市场需求与投资
8、潜力分析报告预测，到2020年全球3D 打印市场规模将达三百五十亿美元。我国预计到2020年，3D 打印市场规模也将发展到100亿元左右。一、国内3D 打印的发展历程我国自20世纪80年代初，开始发展3D 打印技术，国内3D 打印技术的发展大致经历了艰难起步、逐步发展和开始产业化三个阶段。1.艰难起步1988年，正在美国加州大学做访问学者清华大学教师颜永年教授偶然得到了一张工业展览宣传单，其中介绍了快速成型技术。颜永年教授回国后立刻启动相关技术的研发，并建立了清华大学激光快速成形中心。西安交通大学的卢秉恒教授在1992年赴美访问时发现了3D 打印技术在汽车制造业中的应用，回国后随即转向研究这一
9、领域并于1994年成立先进制造技术研究所。2.逐步发展经过20多年的发展，我国己涌现出许多从事3D 打印设备制造与服务的企业，比如北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司（清华大学），武汉滨湖机电技术产业有限公司（华中科技大学），陕西恒通智能机器有限公司（西安交通大学），北京太尔时代科技有限公司等。其中部分企业的3D 打印技术和设备已经达到了国际领先水平。北京航空航天大学从2000年开始攻关，在5年时间里突破了钛合金等高性能金属结构件激光快速成型关键技术及关键成套工艺装备技术，制造出了C919 客机机头工程样件所需的钛合金主风挡窗框，使我国跻身于国际上少数几个全面掌握这项技术的国家行列，并成为继
10、美国之后第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速制造技术的国家。3.发展现状虽然20多年来，我国3D 打印产业化不断推进，我国3D 打印产业的规模依然很小，我国目前在产业化技术发展和应用方面仍落后于美国和欧洲。主要体现在以下几个方面：（1）技术研发落后我国3D 打印装备的部分技术水平与国外先进水相当，但在关键器件、打印材料和应用范围等方面较国外落后。（2）工艺控制水平低国外是基于理论基础的工艺控制，而我国则更多依赖于经验和反复的试验验证，导致我国增材制造工艺控制关键技术整体落后。（3）智能化水平低目前绝大部分3D 打印工艺装备我国都有研制，但在智能化程度与国外先进水相比还有差距。（4）核心部件依赖进
11、口我国部分3D 打印设备的核心元器件还主要依靠进口。特别是高端3D打印设备核心元器件在质量、寿命等方面较国外还有很大出差距。三、3D 打印快速发展的原因1.价格下降现在普通3D 打印机的价格已降至几千美元，国产3D 打印机甚至只需几千元，价格的下降直接促成了3D 打印机的普及。近些年，3D 打印材料也在不断进步与发展。随着3D 打印机、打印材料和零部件价格的下降，使得3D 打印机正日益成为一台能制造万物的神奇机器。2.技术进步随着3D 打印技术的进步以及3D 打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面不断提升，3D 打印技术被广泛应用于各个领域，特备是航空航天、生物医学等尖端领域。在即将进入的工业4.0时代，飞速发展的3D 打印技术为第四次工业革命拉开了序幕。目前，3D 打印技术虽然已经取得了重大进展，但有关材料、设备和软件等方面问题依然存在，具体表现为以下几个方面。1.打印材料的开发2.加工成本的控制3.知识产权的保护4.生产的监管5.生产技能的要求6.标准的建立7.普及工作的宣传四、3D 打印存在的困难与挑战