3D打印机设计

北京科技大学天津学院

本科生毕业设计（论文）选题报告题目：金属液滴成型与铣销复合3D

打印机床身结构设计

系：机械工程系

班级：机械1203班

姓名：魏浩然

学号：12413336

指导教师1：黄明吉

指导教师2：

20 年月日

目录

1文献综述 (3)

1.1本课题国外研究进展 (3)

1.2本课题国内研究进展 (3)

2课题背景及开展研究的意义 (3)

2.1课题背景 (4)

2.2开展研究的意义 (4)

3研究内容、方法及预期目的 (4)

3.1研究内容 (5)

3.2研究方法 (5)

3.3预期目的 (6)

4 进度安排 (8)

参考文献 (9)

指导教师意见 (10)

1文献综述

1.1本课题国外研究进展

日前，欧洲空间局（ESA）的“以实现高技术金属产品的高效生产与零浪费为目标的增材制造项目”（AMAZE）提出，将首次实现3D打印金属件的大规模生产。这些3D 打印的金属零部件可用于喷气式飞机、航天器以及核聚变等项目。

波音公司已经利用三维打印技术制造了大约300种不同的飞机零部件，包括将冷空气导入电子设备的形状复杂导管。波音公司和霍尼韦尔正在研究利用3D打印技术打印出机翼等更大型的产品。空客在A380客舱里使用3D打印的行李架，在“台风”战斗机中也使用了3D打印的空调系统。空客公司最近提出?“透明飞机概念”计划，制定了一张“路线图”，从打印飞机的小部件开始，一步一步发展，最终在2050年左右用3D打印机打印出整架飞机。“概念飞机”本身有许多令人眼花缭乱的复杂系统，比如仿生的弯曲机身，能让乘客看到周围蓝天白云的透明机壳等，采用传统制造手段难以实现，3D 打印或许是一条捷径。

1.2本课题国内研究进展

中国航天科技集团公司六院7103厂自行研制的某型号软管顺利通过2万次疲劳试验考核，各项指标均达到设计要求。这意味着长期困扰一线职工的软管工艺攻关项目获得成功。这是该厂继去年年底突破大直径高温合金筒体缝焊技术之后，再次突破小直径大壁厚异件缝焊工艺，进一步提升了发动机制造工艺能力。

北京航空航天大学同我国主要飞机设计研究所等单位通过“产学研”紧密合作，瞄准大型飞机、航空发动机等国家重大战略需求，历经17年研究在国际上首次全面突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂整体关键构件激光成形工艺、成套装备和应用关键技术，并已在飞机大型构件生产中研发出五代、10余型装备系统，已经受近十年的工程实际应用考验，使我国成为迄今为止唯一掌握大型整体钛合金关键构件激光成形技术并成功实现装机工程应用的国家。

2课题背景及开展研究的意义

2.1背景

3D打印听起来新鲜，其实这项技术并不是什么新的技术，而是已经发展了大约30年了的快速成型技术（Rapid prototyping)的一种，简单地说，即设计人员通过计算机绘成的三维模型，或是以三维扫描仪对实物进行三维建模，将这些数据输入3D打印机形成指令，使用堆叠的方法使材料一层一层堆积起来并形成最终的成品。目前国内有一些3D打印的概念股，如中航重机，苏大维格，南风股票等，股价一直在飙升，这也多少与3D打印的炒作和关注度提升有关。国内3D打印技术的应用上至航空航天，下至个人爱好都有所应用。北京航空航天大学的王华明教授因为运用3D打印技术打印飞机钛合金部件并实际运用而获得国家科技发明一等奖，几千块的桌面级3D打印机也在淘宝上有售，只是所使用的材料为ABS工程塑料或PLA食物降解高分子材料，所成型的成品一般精度和粗糙度较差，成型体积有限，只能制作一些初级样件。国外的3D打印技术和市场较国内成熟很多，主要技术来自美国、德国、日本和以色列等国家，其中以美国的3D Systems、Stratasys和Makerbot等为代表的企业，引领着全球3D打印行业的方向。

2.2研究意义

3D打印技术相对传统制造技术来讲的确是一次重大的技术革命，用“颠覆”传统制造技术来形容也不过分，能够解决传统制造所不能解决的技术难题，能够为传统制造业的创新发展注入新鲜动力。但是，传统制造业经过了数千年的积累和发展，已经在生产工艺、生产技术、材料等方面非常成熟，并形成了配套完善、功能齐全、社会各界广泛认可的产业基础。

从3D打印的技术原理来看，传统制造方式不能生产的产品，利用3D打印技术都可以轻松地打印出来。但是，传统制造业所擅长的批量化规模化生产、精益化生产，恰恰是3D打印技术的短腿。比较来看，3D打印技术擅长的解决个性化、复杂化、高难度的生产技术，而传统制造业则擅长的是批量化和规模化。彼此之间优劣态势正好形成互补关系，而不是谁替代谁的问题。因此，3D打印技术本身不是要取代传统制造业，也不能取代传统制造业。

3研究内容、方法及预期目的

3.1研究内容

3D打印技术是指由计算机辅助设计模型(CAD)直接驱动的，运用金属、塑料、陶瓷、树脂、蜡、纸、砂等材料，在快速成形设备里分层制造任何复杂形状的物理买体的技术。基本流程是，先用计算机软件设计三维模型，然后把三维数字模型离散为面、线和点，再通过3D打印设备分层堆积，最后变成一个三维的买物。

传统制造技术是“减材制造技术”，3D打印则是“增材制造技术”，具有制造成本低、生产周期短等明显优势，被誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。3D打印将多维制造变成简单的由下而上的二维叠加，从而大大降低了设计与制造的复杂度。同时，3D打印还可以制造传统方式无法加工的奇异结构，尤其适合动力设备、航空航天、汽车等高端产品上的关键零部件的制造。

3.2研究方法

选区激光熔化技术（Selective Laser Melting，SLM）: SLM 技术成型原理与选区激光烧结（SLS）基本相同，作为金属零件3D打印技术的重要组成部分，两者都可以直接进行金属零件直接制造，不需要后处理。SLM成型材料多为单一组分金属粉末，包括奥氏体不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴-铬合金和贵重金属等。激光束快速熔化金属粉末并获得连续的熔道，可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合、高精度的近乎致密金属零件，是极具发展前景的金属零件3D打印技术。其应用范围已经扩展到航空航天、微电子、医疗、珠宝首饰等行业。

激光净成形技术（Laser Engineered Net Shaping，LENS） : LENS技术是在激光熔覆技术的基础上发展起来的一种金属零件3D打印技术。采用中、大功率激光熔化同步供给的金属粉末，按照预设轨迹逐层沉积在基板上，最终形成金属零件。1999年，LENS工艺获得了美国工业界中“最富创造力的25项技术”之一的称号。

电子束选区熔化技术（Electron Beam Selective Melting，EBSM）:EBSM技术是20世纪90年代发展起来的一种金属零件3D打印技术，其与SLM系统的差别主要是热源不同，在成型原理上基本相似。与以激光为能量源的金属零件3D打印技术相比，EBSM工艺具有能量利用率高、无反射、功率密度高、聚焦方便等许多优点。在目前3D 打印技术的数十种方法中，EBSM技术因其能够直接成型金属零部件而受到人们的高度关注。国外对EBM工艺理论研究相对较早，瑞典的Arcam AB公司研发了商品化的EBSM 设备EBM S12系列，而国内对EBSM工艺的研究相对较晚。