3D打印创新实验室建设方案设计

目录一 3D打印技术.......................................................... - 1 -1、3D打印技术原理................................................... - 1 -2、3D打印流程....................................................... - 2 -1）三维设计...................................................... - 2 - 2）切片处理...................................................... - 2 - 3）模型打印...................................................... - 3 - 4）后续处理...................................................... - 3 -3、常见3D打印技术................................................... - 3 -1) FDM：熔融沉积成型工艺......................................... - 3 -2) SLS：选择性激光烧结工艺....................................... - 5 -3) LOM：分层实体成型工艺......................................... - 7 -4) SLA：立体光固化成型工艺....................................... - 8 -5) 3DP：三维印刷工艺............................................ - 11 -6) PolyJet：聚合物喷射技术...................................... - 12 -4、3D打印材料...................................................... - 13 -5、3D打印机类型.................................................... - 14 -二 3D打印创新实验室建设规划........................................... - 15 -1、3D打印创新实验室功能............................................ - 15 -2、3D打印创新实验室建设规划........................................ - 16 -3、3D打印创新实验室软件............................................ - 19 -三 3D打印创新实验室创新课程体系设计................................... - 20 -1、教学架构......................................................... - 20 -2、教学内容......................................................... - 20 -一 3D打印技术1、3D打印技术原理按照传统的制造技术，一般我们制造一个产品，是先构思产品的外观图，计算出合适的尺寸,然后通过机器加工切割材料（钢材、木材等）的轮廓，这个过程原材料被机器的不断除去直至变成理想中的外观，被称为”减材制造”。

而3D打印技术基于离散-堆积原理，在计算机上构建一个3D数字模型，这个3D打印模型可以通过扫描已经存在的实物获得,也可以先用扫描仪将一个实物的外观完整的扫描成图像，然后通过计算机CAD软件对这些图像进行处理，形成一个完整的3D打印模型。

通过计算机CAD软件将一个立体实物切分成一层一层的平面，3D打印机每打印出一层面就在高度上移动一段距离，这些平面叠加起来就形成了一个立体的实物了。

这个过程产品的材料是不断增加的，称为“增材制造”。

2、3D打印流程1）三维设计三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。

一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。

三角面越小其生成的表面分辨率越高。

PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

2）切片处理打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。

这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。

一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如ObjetConnex 系列还有三维Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。

而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。

打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。

用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。

而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

3）模型打印三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

4）后续处理有些技术可以同时使用多种材料进行打印。

有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

3、常见3D打印技术1) FDM：熔融沉积成型工艺熔融沉积成型工艺（Fused Deposition Modeling，FDM）由Scott Crump于1988年发明，随后Scott Crump创立了Stratasys公司。

1992年，Stratasys公司推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者（3D Modeler）”，这也标志着FDM技术步入商用阶段。

FDM工艺无需激光系统的支持，所用的成型材料也相对低廉，总体性价比高，这也是众多开源桌面3D打印机主要采用的技术方案。

熔融沉积有时候又被称为熔丝沉积，它将丝状的热熔性材料进行加热融化，通过带有微细喷嘴的挤出机把材料挤出来。

喷头可以沿X 轴的方向进行移动，工作台则沿Y轴和Z轴方向移动（当然不同的设备其机械结构的设计也许不一样），熔融的丝材被挤出后随即会和前一层材料粘合在一起。

一层材料沉积后工作台将按预定的增量下降一个厚度，然后重复以上的步骤直到工件完全成型。

热熔性丝材（通常为ABS或PLA材料）先被缠绕在供料辊上，由步进电机驱动辊子旋转，丝材在主动辊与从动辊的摩擦力作用下向挤出机喷头送出。

在供料辊和喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便丝材能够顺利准确地由供料辊送到喷头的内腔。

喷头的上方有电阻丝式加热器，在加热器的作用下丝材被加热到熔融状态，然后通过挤出机把材料挤压到工作台上，材料冷却后便形形成了工件的截面轮廓。

采用FDM工艺制作具有悬空结构的工件原型时需要有支撑结构的支持，为了节省材料成本和提高成型的效率，新型的FDM设备会采用了双喷头的设计，一个喷头负责挤出成型材料，另外一个喷头负责挤出支撑材料。

一般来说，用于成型的材料丝相对更精细一些，而且价格较高，沉积效率也较低。

用于制作支撑材料的丝材会相对较粗一些，而且成本较低，但沉积效率会更高些。

支撑材料一般会选用水溶性材料或比成型材料熔点低的材料，这样在后期处理时通过物理或化学的方式就能很方便地把支撑结构去除干净。

2) SLS：选择性激光烧结工艺选择性激光烧结工艺（Selective Laser Sintering，SLS），该工艺最早是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年在其硕士论文中提出的，随后C.R.Dechard创立了DTM公司并于1992年发布了基于SLS技术的工业级商用3D打印机Sinterstation。

SLS工艺使用的是粉末状材料，激光器在计算机的操控下对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合，就这样材料层层堆积实现成型，如图所示为SLS的成型原理：选择性激光烧结加工的过程先采用压辊将一层粉末平铺到已成型工件的上表面，数控系统操控激光束按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射而使粉末的温度升至熔化点，从而进行烧结并于下面已成型的部分实现粘合。

当一层截面烧结完后工作台将下降一个层厚，这时压辊又会均匀地在上面铺上一层粉末并开始新一层截面的烧结，如此反复操作直接工件完全成型。

在成型的过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂起着支撑的作用，因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那样需要支撑结构。

SLS工艺使用的材料与SLA相比相对丰富些，主要有石蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、陶瓷甚至还可以是金属。

当工件完全成型并完全冷却后，工作台将上升至原来的高度，此时需要把工件取出使用刷子或压缩空气把模型表层的粉末去掉。

SLS工艺支持多种材料，成型工件无需支撑结构，而且材料利用率较高。

尽管这样SLS设备的价格和材料价格仍然十分昂贵，烧结前材料需要预热，烧结过程中材料会挥发出异味，设备工作环境要求相对苛刻。

3) LOM：分层实体成型工艺分层实体成型工艺，这是历史最为悠久的3D打印成型技术，也是最为成熟的3D打印技术之一。

LOM技术自1991年问世以来得到迅速的发展。

由于分层实体成型多使用纸材、PVC薄膜等材料，价格低廉且成型精度高，因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造等方面应用广泛。

LOM分层实体成型系统主要包括计算机、数控系统、原材料存储与运送部件、热粘压部件、激光切系统、可升降工作台等部分组成。

其中计算机负责接收和存储成型工件的三维模型数据，这些数据主要是沿模型高度方向提取的一系列截面轮廓。