3D打印在创客教育中的作用及意义

2.5 3D打印技术将催生新的制造模式 网友参与设计的个性化产品
来源：Shapeways公司
来源：Quirky公司
汇报内容
3D打印技术在制造业中的地位 3D打印技术对制造业的意义
3D打印技术的发展趋势
3D打印技术在创客教育中的应用
3.1 由单色向全彩色方向发展
单色
多色、乃至表面纹理、全彩色
催生专业化创新服务模式
催生提供产品快速制造相 关服务的中小企业生产性 服务模式，实现“聚合服 务制造”
催生以创意与设计创新为 主的创意产业
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.5 3D打印技术将催生新的制造模式
随着3D打印技术的发展，已出现了社会制造模式雏形。
✓ Shapeways：该公司于2007年创立于荷兰，后将总部移至
美国纽约市，至今获得了数千美元的风险投资。2012年10月， 该公司在纽约皇后区的“未来工厂”投入运营。“未来工厂”里 的机器，就是50台工业3D打印机，通过Facebook和Twitter等 社会媒体，接受顾客的各种产品的三维设计方案，并在数天内完 成产品的打印生产，然后寄送给客户。同时，该公司还为商家和 设计者建立了平台，使他们可以再利用该公司的3D打印机生产 并销售自己设计或收集的产品。目前该公司已有15万平台会员， 6000余名设计师。至2012年6月20，已经打印了100多万3D 产品。
社会化制造
汇报内容
3D打印技术在制造业中的地位 3D打印技术对制造业的意义 3D打印技术的发展趋势
3D打印技术在创客教育中的应用
4.1 3D打印在创客教育中的重要价值与意义
发达国家的3D打印技术早已进入教育领域。如美国几乎所 有的大学、中学、小学都开设了3D打印创客课堂，通过3D 打印技术的学习，对青少年进行创新意识、技术手段的培养， 3D打印成为“美国智造”的有力手段。
具有内部网状结构的钛合金发动机叶片 材料使用量减少70%，选择性激光熔化（SLM）制造时间降低60% 技术难点：（1） 传统制造方法无法成形；
（2） 网状结构设计，优化性能。
2.4 3D打印技术实现制造的绿色可持续发展 优化零件设计
3D打印技术可优化零件设计 不同制造方案材料、能耗、碳排放量对比
形状复杂性 材料复杂性 层次复杂性 功能复杂性
几乎任意复杂程度的形状特征
对
各
全彩色、异质材料、功能梯度材料
行 各
业
多尺度（宏、介、微观）工艺结构
必
将
整体成形，简化甚至取消装配
带
来
深
远
影
响
复杂形状全彩色工艺品 彩色异质结构眼镜
整体成形，免装配
2.2 3D打印技术为制造提供创新的原动力
拓展产品创意与创新空间：设计人员不再受传统工艺和制造 资源约束，专注于产品形态创意和功能创新，在“设计即生 产”、“设计即产品”理念下，追求“创造无极限”。
工艺寻优
知识库 材料设计 材材料料制制备备 性性能能表表征征 服役行为
成本控制
3.8 3D打印指定结构和性能的材料-创材
3D打印与材料基因工程 基于前述的多尺度工艺结构3D打印技术，我
们可以基于材料基础数据库“打印”出指定 结构、性能的材料并构成预期的宏观形状！
材料
基础 数据 集成 与知
多尺度材料模拟 材料设计
液态金属
柔性电路板及光电贺卡
3.7 生命体的再造
用3D打印培育的人体血管系统 3D打印的迷肝脏
3.8 3D打印指定结构和性能的材料-创材
3D打印与材料基因工程 美国材料基因组计划（Materials Genome Initiative，简称MGI）：本
质在于通过促进材料科学中实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共 享建立材料多尺度结构（从原子排列、相的形成、显微组织的形成）到材 料性能与使用寿命之间的相互关系的数据库，并与计算材料设计结合起来， 以期加快新材料研发速度
锻造机等 3000年
制 造 技 术 分 类 方法论
减材制造 增材制造 ？？？
原理
切削加工等
切削机床 300年
粉、片、液、 丝等
？？？
工艺
制造装备 30年 ？？？ 设备
汇报内容
3D打印技术在制造业中的地位
3D打印技术对制造业的意义
3D打印技术的发展趋势 3D打印技术在创客教育中的应用
2.1 3D打印技术突破了传统制造技术的4个复杂性
3D打3印D在打创印客技教术育及中教的作学用应及用意义
报告人：周钢
湖北省3D打印产业技术创新战略联盟 2016.09
汇报内容
3D打印技术在制造业中的地位
3D打印技术对制造业的意义 3D打印技术的发展趋势 3D打印技术在创客教育中的应用
1.1 3D打印技术在制造业中的地位
等材制造
铸造、锻造等
3.3 由宏观结构向多尺度结构一体化方向发展
宏观工艺结构
多尺度工艺结构一体化
控制温度 等参数 定向结晶 组织控制
10μm
具有内部 微孔结构 描述的 三维模型
微观结构
3.4 用同一种材料打印出不同弹性模量的结构
微结构 用同一种材料，打印出不同弹性模量的组织结构 使用一种材料，实现毛绒玩具各部位不同的柔软度及触感（红硬、绿软） 用3D打印实现了“超材料（Metamaterial）”----以一种材料为基础
2.4 3D打印技术实现制造的绿色可持续发展
3D打印制造技术促进绿色制造模式
非接触和无压力成形、近净成形能耗低、节约材料、污染物排放少； 利用3D打印实现大型复杂零部件的修复再制造，节约资源能源。
2.4 3D打印技术实现制造的绿色可持续发展
3D打印制造技术促进绿色制造模式
关键创新思路：将零件内部设计为网状结构，替代实心，从而减少 材料使用量，降低制造时间和能源消耗量。
简化制造提高产品质量与性能
据悉，一架“空客A380”飞机或“波音747”飞机，分别约有450 多万个零部件，从理论上说，零部件越多越不安全，结合部往往就 是隐患。3D打印技术的一个明显优势就是可以将多个零部件集合成 一个整体制造出来，减少零部件的数量，不但大大简化了之后的装 配工作，也是其安全性和可靠性随之提高。
纯激光三维打印加 日本松浦金属激光造型复合加 工的表面粗糙制件 工机LUMEX Advance-25
复合成形技术加 工的精细制件
激光三维打印
精细化铣削加工
DMG Mori 混合铣床Lasertec 65 AdditiveManufacturing
3.10 走进医院、教育、千家万户，……
走进医院、教育、千家万户
实现虚拟世界与实体世界的有机结合，3D打印进校园将使得 学生在创新能力和动手实践能力上得到训练，将学生的创意、 想象变为现实，将极大发展学生动手和动脑的能力，从而实现 学校培养方式的变革。
通过新技术来吸引学生投入到科学、技术、工程和 数学学习中，成为新一代高级设计师和工程师，在 未来国家科技竞争中起到引领作用。
4.1 3D打印在创客教育中的重要价值与意义
每个孩子都是天生的创造者，都潜能无限，发展无限，自由的 发现与创造是他们生命的需要。教育工作者要尊重每个学生的 需求，尤其是在他们最有创造力的时候。
3.6 3D打印柔性光电器件
剑桥大学以石墨烯为材料，使用喷 墨打印机，打印出透明薄膜晶体管。
美国施乐PARC 研发中心使用油墨喷 射的方式，印制多种部件的电路，包 括柔性显示屏、传感器和射频防盗标 签天线。
美国Kateevas 公司喷墨打印屏幕 北卡州立大学研究一种液态金属打 印技术 中科院理化所采用室温液态金属打 印柔性电子电路
微观机制与结构-性能关系
识库
材料合成制备 微结构表征
器件集成
性能测量
尺度
问题
原子尺度 介观尺度 宏观尺度
光电材料 热电材料 储能节能材料 铁电压电 复合材料 透明陶瓷 器件设计 结构功能一体 结构设计 力热稳定性 系统集成 服役失效机制 工艺寻优
3.9 3D打印与传统制造工艺复合
与传统制造工艺复合
（b）
（a）
（c）
飞机客舱零件设计对比
2.5 3D打印技术将催生新的制造模式
变革传统制造模式，形成新型制造体系：集成与融合材料制备、
IT软件、设计技术、制造工艺、装备等，生产个性化、高性能、复杂零 部件的3D打印制造系统全面变革产品研发、制造、服务模式。
服务
复杂零件/高性能零件/医用零件/生活用品
此钛合金复杂大型主承力构 件，传统制造方式需要分体 制造，然后焊接，而使用激 光3D打印整体可实现成形， 安全性和可靠性大大提高。
2.3 3D打印技术可提升制造的工艺能力
能制造出传统工艺无法加工的零部件，极大增强了工 艺实现能力
3D打印突破了结构几何约束，能够制造出传统方法无法加工的非 常规结构特征，这种工艺能力对于实现零部件轻量化、优化性能 有极其重要的意义。
Objet500 connex3打 印出的彩色异质结构眼 镜
ZPrinter850打印出的工艺品
Mcor IRIS的彩色喷墨打印与LOM复合实现全彩色打印
3.2 由单材料向多材料和功能梯度材料方向发展
单材料
多材料和功能梯度材料
Objet Connex 500打印出的由 7种不同材料混合的小车模型
德国斯图加特大学打印的功能梯度混凝 土，其强度、导热系数、气密性都较传 统工艺混凝土有了提高
在不久的将来，平 民化的价格和傻瓜式的 操作使每个人都能拥有 一台桌面型的3D打印机， 3D打印机会像智能手机 一样得到普及，足不出 户就能在家中、在办公 室中随心所欲打印自己 想要的模型。
3.10 走进医院、教育、千家万户，……
未来的家庭
3.10 走进医院、教育、千家万户，……
未来的工厂
3.11 形成社会化制造
航空发动机的复杂关键零部件
2.3 3D打印技术可提升制造的工艺能力
提高了难加工材料可加工性，拓展了工程应用领域
高能束加工陶瓷、钛合金等传统难加工材料零件拓展了高性能材 料的工程应用范围；采用金属/无机/有机生物材料制成的人体器 官修复体等医用零部件则拓展了工业制品的应用范围。
整体式镍合金转子
生物材料人体器官修复体
制造的单元构造块，几乎可任意控制弹性模量（杨氏模量和泊松比）-迪士尼瑞士研究所
3.5 纳米尺度的微观3D打印
纳米尺度的微观3D打印 原理：基于DNA结构稳定、易于排列的特点，建立“分子支架”和“纳
米模具”，然后在此基础上将指定材料分子固定在上面，形成稳定的、纳 米尺度的微观工艺结构。 实现方法：通过计算模型将纳米尺度的形状映射为特定的DNA序列，基 于“DNA折纸”(DNAorigami)技术的方法，用DNA制造一些微小的二 维结构，再以增材制造的原理拓展到三维空间形成三维结构。 --MIT
在零部件的设计上可以采用最优的结构设计，无需考虑加工问题，解决了传 统的航空航天、船舶、汽车等动力装备高端复杂精细结构零部件的制造难题。
2.2 3D打印技术为制造提供创新的原动力
极大降低产品研发创新成本、缩短创新研发周期：由于简化 或省略了工艺准备、试验等环节，产品数字化设计、制造、 分析高度一体化，显著缩短新产品开发定型周期，降低成本， 实现“今日完成设计，明天得到成品”。
产品零部件
专业软件 3D打印制造装备 工艺装备
研
制
发 设计方法 功能结构设计
制造工艺
造
光固化成形
反求设计
激光烧结
分析仿真
材料制备 熔融沉积成形
合金材料/复合材料/纳米材料/分子材料
2.5 3D打印技术将催生新的制造模式
支撑个性化定制等高级 创新模式实现：3D打印
使“按需而制”、“因人 定制”和 “泛在制造”等 得以实现
设计 试验 工艺准备 制造
工
设计
艺 准
制造
缩短周期
六缸发动机缸盖传统砂型铸造工
备
装模具设计制造周期长达5个月，
3D打印只需一周便可制成。
2.2 3D打印技术为制造提供创新的原动力
学生的创新设计不再是“纸上谈兵”
一周内
本科生课外创新设计大赛作品 “液压回路演示系统”模型
3D打印出塑料和金属实物
2.3 3D打印技术可提升制造的工艺能力
2.5 3D打印技术将催生新的制造模式
✓ Quirky：该公司于2009年成立于美国纽约，至今已获得了近亿美
金的风险投资，创始人Ben Kaufman仅25岁。Quirky的特色是众 包：公司通过Facebook和Twitter等社会媒体接受公众的产品设计 思路，并由公司注册的用户进行评价和投票，如此每周挑出一个产 品进行3D打印生产，参与产品的设计和修正过程的众包人员可分享 30%的营业额。公司还进一步将众包设计改进的过程同时转化为通 过社会媒体来推荐相关产品的过程，从而创造性地拓展了销售市场。 目前，该公司每年仅生产60种产品，产品的提交费由最初的99美元 降至现在的10美元，公司注册的用户每月以20%增长。