3D打印技术原理及应用

铣削加工
内容
1 3D打印技术的原理、特点 2 3D打印技术的重大意义 3 3D打印典型案例与行业发展现状 4 典型3D打印技术
5 3D打印技术与行业的前景展望
什么是3D打印？
3D 打 印 并 不 神 秘 ： 它 只 是 一 种新型的制造和加工工艺； 3D 打 印 技 术 出 现 在 上 世 纪 80 年代末至90年代初（也称为快 速成型技术），至今也就30年 不到的时间。其原理很简单： 以 3D 数 字 模 型 文 件 为 输 入 ， 运用粉末状金属或塑料等可粘 合材料，通过逐层打印的方式 来构造物体的技术。
3.2 3D打印典型案例
医疗：研究直接细胞直接打印技术，制造出血管、肝脏等软组织。
医学上的应用
3.2 3D打印典型案例
文化创意：制造形状复杂、彩色的工艺品，可实现文物的复 制以及创新的设计。
3D打印制造的“火龙”工艺品
栩栩 如生 的彩 色金 刚鹦 鹉
文物复制（西汉长裙女佣）
3.2.1 3D打印国内外应用案例
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。
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1 3D打印技术的原理、特点 2 3D打印技术的优点 3 3D打印技术的应用与典型案例 4 典型3D打印技术
5 3D打印技术与行业的前景展望
先进的设计软件及数字化工具Biblioteka Baidu
精密机械
打印设备必须高精度、高稳定性
材料科学
原材料必须能够液化、粉末化、丝化
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1 3D打印技术的原理、特点 2 3D打印技术的优点 3 3D打印典型案例与行业发展现状 4 典型3D打印技术
5 3D打印技术与行业的前景展望
2.1 3D打印技术为社会制造提供创新的原动力
拓展产品创意与创新空间、无需任何模具，设计和制造一体 化。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”
原理：激光烧结 材料：陶瓷、金属粉等等； 截层厚度：0.1~0.2mm 优缺点：材料使用广；适 合中小型制件；成型效率 不高；后处理复杂
缩减，更适合研究。
兵工产业
3D打印步枪完成首次实弹试射
产品模型
建筑设计
微软的3D模型打印车间，在产品设计 出来之后，通过3D打印机打印出来模 型，能够让设计制造部门更好的改良 产品，打造出更出色的产品。
在建筑业，已开始用3D打印机打印的 建筑模型，这种方法快速、成本低、 环保，同时制作精美。完全合乎设计 者的要求，同时又能节省大量材料。
工艺品
在未来不管是你的个性笔筒，还是有你半身 浮雕的手机外壳，或是你和爱人拥有的世界 上独一无二的戒指，都有可能通过3D打印机 打印出来。甚至不用等到未来，现在就可以 实现。这是最广阔的一个市场。
服饰产业
3.2.1 3D打印典型案例
工业：3D打印与传统铸造工艺结合，实现航空航天、汽车、 国防等领域大型复杂异形关键零部件件的快速制造，实现 新产品的快速低成本开发。
光固化3D打印
液态光敏树脂
3D打印的工艺
选择性激光烧结
尼龙、ABS、金属、 陶瓷等粉末
三维粘结打印
陶瓷、金属、 塑料等粉体
4.1 SLA光固化（立体光刻）
采用激光一点点照射光固化液态树脂使之固化的方法成 形，是当前应用最广泛的一种高精度成形工艺。
成型原理：光照 成型材料：光敏树脂 截层厚度：0.04~0.07mm 可控精度：0.1mm 优缺点：表面质量好，精度 较高；应用 小件；需要支撑 结构；材料有污染
3D打印是一种可以快速实现社会需求-“数据模型”向个性化产品转化 的技术，将互联网、物联网、物流网和3D打印技术组成社会制造的网络，通 过众包的方式让民众充分参与产品的全生命制造过程，必会促进个性化、实 时化、经济化的生产和消费模式，形成新的产业革命。
技术背景
传统的制造加工工艺 ----等材制造工艺
1.2 3D打印技术特点
3D打印技术变“减材”加工为“立体打印”
将三维实体变为二维平面，降低制造复杂度
1.2 3D打印技术特点
特别适合复杂结构、个性化制造及创新构思的快速验证
3D打印技术具有成形材料广、零件性能优的突出特点
3D打印技术需要依托多个学科领域的尖端技术，主 要包括以下方面：
信息技术
日常生活：3D打印已经进入我们的生活，开始影响我们的衣食住行
衣:用3D打印机在家中“打印”鞋子（美国）
食：用3D打印机制造巧克力、肉类
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1 3D打印技术的原理、特点 2 3D打印技术的优点 3 3D典型案例与行业发展现状 4 典型3D打印技术
5 3D打印技术与行业的前景展望
熔积成型
石蜡、塑料、低熔 点合金丝等
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打印技术可提升社会制造的工艺能力
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。
施加压力，使其产生塑性变形以获 得具有一定机械性能、一定形状和 尺寸锻件的制造工艺。 人类在几千年前也掌握了这种制造 工艺，就是民间俗称的“打铁”工艺。 一般地，由于锻造能消除金属在冶 炼过程中产生的铸态疏松等缺陷， 优化微观组织结构，锻件的机械性 能一般优于同样材料的铸件。
锻造车间环境
冲压是靠压力机和模具对板材、带材、
3D打印器件
技术背景
随着科学技术的发展，生产完成了从工厂业手工向机器大工业的过渡， 从而改变了人们生活与工作方式。在日新月异的信息化、智能化浪潮中，人 们个性化的需求意见日渐增长。未来的产业将是生产那些个性化的产品，未 来的制造工厂也会渐渐被分散的个人取代，实现“社会制造”。社会制造的 关键是主动、实时地将社会需求和社会制造能力有机地衔接起来，从而实现 和供应之间的相互转换。
3D打印技术加速航天航空、汽车等领域关键零部件的快速开发与制 造，提高相关领域的创新能力与水平。
3.2 3D打印典型案例
工业：3D打印与传统模具制造工艺结合，提高复杂模具的冷却 效率，减少产品缺陷，缩短制造周期，大幅降低制造成本。
随形冷却流道设计与冷却效果模拟
复合制造工艺
模具冷却周期缩短68%以上，温度梯度由12℃降至4℃，缺陷率有 60%将至0。
航空发动机的复杂关键零部件
2.2 3D打印技术可提升社会制造的工艺能力
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
3D打印技术原理图
快速制造原理示意图
CAD模型
堆积成形
产品
三维 —— 二维 —— 三维的转换
由于3D打印是将材料 一层一层堆积而成， 因此也称为增材制造 工艺。3D打印并不神 秘，相对于具有千年 的等材制造工艺和具 有百年的减材制造工 艺，它只是一种制造 成型的新工艺，只有 30年不到的历史。
工业：3D打印与传统模具制造工艺结合
3.2 3D打印典型案例
工业：3D打印与传统热等静压工艺结合，实现复杂难加工材 料零部件的整体净近成形。
3.2 3D打印典型案例
工业：3D打印直接成形复杂高性能金属功能零部件，直接应 用在航天航空、汽车等领域。
美国AeroMet公司使用激光成形技术制造的次承力结构件在F/A-18战 斗机上实现了装机验证。
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。
2.2 3D打印技术可提升社会制造的工艺能力
能制造出传统工艺无法加工的零部件、解决常规机械加 工或手工无法解决的问题，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。
铸造是一种金属热加工工艺，是将
液体金属（铜、铁、铝、锡、铅等） 浇铸到与零件形状相适应的空腔（称 为铸模，材料可以是砂、金属甚至陶 瓷）中，待其冷却凝固后，以获得零 件或毛坯的方法。
人类在几千年前就掌握了这种制造 工艺，比如出土的春秋战国时期的青 铜器皿就是通过铸造制造的。
锻造是利用锻压机械对金属坯料
华中科技大学研制的LOM设备
华中科技大学研制的LOM材料
LOM成形的典型零件
4.2 薄材叠层快速成形制造技术及其应用
摩托车零件
4.2 薄材叠层快速成形制造技术及其应用
小型发动机零件原型件
4.3 SLS 选择性激光烧结
采用激光逐点烧结粉末材料，使包覆于粉末材料外的固体粘 接剂或粉末材料本身熔融实现材料的粘接。
4.1 光固化快速成形制造技术及其应用
华中科技大学研制的第一代SLA设备
SLA成形的典型零件
4.1 光固化快速成形制造技术及其应用
SLA成形的可装配瓶状模型
4.1 光固化快速成形制造技术及其应用
SLA成形的微小精细结构 零部件成形：约10m，1小时左右
4.2 薄材叠层制作LOM 分层实体制造
管材和型材等施加外力，使之产生塑性 变形或分离，从而获得所需形状和尺寸 的工件（冲压件）的成形加工工艺。比 如汽的车身、仪器仪表、家用电器、生 活器皿等，都是冲压件。由于这些加工 工艺在加工物品的过程中， 材料只是从 一种形式变到另一种形式，材料并没有 增加或减少，因此称为等材制造工艺。
传统的制造加工工艺 ----减材制造工艺
制造业
制造业也需要很多3D打印产品，因为3D打印无 论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造 好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生 产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处， 甚至连质量控制都不再是个问题。
食品产业
没错，就是“打印”食品。研究人员已经开始 尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多 看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机 “打印”出来的。当然，到那时可能人工制作 的食品会贵很多倍。
一般是指在数控机床上进行零件加工的工艺方法，车铣刨磨是四 种基本的加工方式，包括车削加工、铣削加工、刨削加工、磨削 加工，不同零件所需的加工方式不同，有的零件需使用其中多种 方式才可完成零件的加工。由于这种加工工艺将多余的材料从工 件中削除，被削除的材料是浪费（称为废料）的，因此称为减材 制造工艺。
汽车制造
全球首辆3D打印汽车时速可达112公里。
医疗行业
世界上首位使用3D打印产 品做人体骨骼的案例。随 着技术的发展，甚至可以 打印出具有活性的人体组 织等。
科学研究
美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出 了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例
采用激光切割箔材，箔材之间靠热熔胶在热压辊的压力和 传热作用下熔化并实现粘接，一层层叠加制造原型。
原理：激光切割 材料：金属箔、纸； 截层厚度：0.07~0.15mm 精度：与切割材质有关 优缺点：适合大中型制件； 成型速度快；精度不高； 材料浪费；废料清理困难
4.2 薄材叠层快速成形制造技术及其应用
2.3 3D打印技术实现社会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。
2.3 3D打印技术实现社会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。
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。
2.1 3D打印技术为社会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，提高新产 品投产的一次成功率 ：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，实现同步并行工程的实施。