3D打印创新实验室建设方案

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。

原材料存储与运送部件将把存储在其中的原材料（底面涂有粘合剂的薄膜材料）逐步送至工作台上方。

激光切割器将沿着工件截面轮廓线对薄膜进行切割，可升降的工作台能支撑成型的工件，并在每层成型之后降低一个材料厚度以便送进将要进行粘合和切割的新一层材料，最后热粘压部件将会一层一层地把成型区域的薄膜粘合在一起，就这样重复上述的步骤直到工件完全成型。

LOM工艺采用的原料价格便宜，因此制作成本极为低廉，其适用于大尺寸工件的成型，成型过程无需设置支撑结构，多余的材料也容易剔除，精度也比较理想。

尽管如此，由于LOM技术成型材料的利用率不高，材料浪费严重颇被诟病，又随着新技术的发展LOM工艺将有可能被逐步淘汰。

4) SLA：立体光固化成型工艺
立体光固化成型工艺（Stereolithography Apparatus，SLA），又称立体光刻成型。

该工艺最早由Charles W.Hull于1984年提出并获得美国国家专利，是最早发展起来的3D打印技术之一。

Charles W.Hull在获得该专利后两年便成立了3D Systems公司并于1988年
发布了世界上第一台商用3D打印机SLA-250。

SLA工艺也成为了目前世界上研究最为深入、技术最为成熟、应用最为广泛的一种3D打印技术。

SLA工艺以光敏树脂作为材料，在计算机的控制下紫外激光将对液态的光敏树脂进行扫描从而让其逐层凝固成型，SLA工艺能以简洁且全自动的方式制造出精度极高的几何立体模型。

如图所示为SLA 技术的基本原理：
液槽中会先盛满液态的光敏树脂，氦—镉激光器或氩离子激光器发射出的紫外激光束在计算机的操纵下按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描，这使扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化从形成工件的一个薄层。

当一层树脂固化完毕后，工作台将下移一个层厚的距离以使在原先固化好的树脂表面上再覆盖一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平然后再进行下一层的激光扫描固化。

因为液态树脂具有
高粘性而导致流动性较差，在每层固化之后液面很难在短时间内迅速抚平，这样将会影响到实体的成型精度。

采用刮板刮平后所需要的液态树脂将会均匀地涂在上一叠层上，这样经过激光固化后将可以得到较好的精度，也能使成型工件的表面更加光滑平整。

新固化的一层将牢固地粘合在前一层上，如此重复直至整个工件层叠完毕，这样最后就能得到一个完整的立体模型。

当工件完全成型后，首先需要把工件取出并把多余的树脂清理干净，接着还需要把支撑结构清除掉，最后还需要把工件放到紫外灯下进行二次固化。

SLA工艺成型效率高，系统运行相对稳定，成型工件表面光滑精度也有保证，适合制作结构异常复杂的模型，能够直接制作面向熔模精密铸造的中间模。

尽管SLA的成型精度高，但成型尺寸也有较大的限制而不适合制作体积庞大的工件，成型过程中伴随的物理变化和化学变化可能会导致工件变形，因此成型工件需要有支撑结构。

目前，SLA工艺所支持的材料还相当有限且价格昂贵，液态的光敏树脂具有一定的毒性和气味，材料需要避光保存以防止提前发生聚合反应。

SLA成型的成品硬度很低而相对脆弱，小编在一次3D打印体验活动（iCader带您走进中科院探秘3D打印”活动简报：华南地区的3D打印技术产业联盟呼之欲出）中看到了SLA成品触地碎裂的情况。

此外，使用SLA成型的模型还需要进行二次固化，后期处理相对复杂。

5) 3DP：三维印刷工艺
三维印刷工艺（Three-Dimension Printing，3DP），该技术由美国麻省理工大学的Emanual Sachs教授发明于1993年，3DP的工作原理类似于喷墨打印机，是形式上最为贴合“3D打印”概念的成型技术之一。

3DP工艺与SLS工艺也有着类似的地方，采用的都是粉末状的材料，如陶瓷、金属、塑料，但与其不同的是3DP使用的粉末并不是通过激光烧结粘合在一起的，而是通过喷头喷射粘合剂将工件的截面“打印”出来并一层层堆积成型的，如图所示为3DP的技术原理：
首先设备会把工作槽中的粉末铺平，接着喷头会按照指定的路径将液态粘合剂（如硅胶）喷射在预先粉层上的指定区域中，此后不断重复上述步骤直到工件完全成型后除去模型上多余的粉末材料即可。

3DP技术成型速度非常快，适用于制造结构复杂的工件，也适用于制作复合材料或非均匀材质材料的零件。

6) PolyJet：聚合物喷射技术
PolyJet聚合物喷射技术是以色列Objet公司于2000年初推出的专利技术，PolyJet技术也是当前最为先进的3D打印技术之一，它的成型原理与3DP有点类似，不过喷射的不是粘合剂而是聚合成型材料，如图所示为PolyJet聚合物喷射系统的结构：
PolyJet的喷射打印头沿X轴方向来回运动，工作原理与喷墨打印机十分类似，不同的是喷头喷射的不是墨水而是光敏聚合物。

当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，UV紫外光灯将沿着喷头工作的方向发射出UV紫外光对光敏聚合材料进行固化。

完成一层的喷射打印和固化后，设备内置的工作台会极其精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化。

就这样一层接一层，直到整个工件打印制作完成。

工件成型的过程中将使用两种不同类型的光敏树脂材料，一种是用来生成实际的模型的材料，另一种是类似胶状的用来作为支撑的树脂材料。

这种支撑材料由过程控制被精确的添加到复杂成型结构模型的所需位置，例如是一些悬空、凹槽、复杂细节和薄壁等等的结构。

当完成整个打印成型过程后，只需要使用Water Jet水枪就可以十分容易地把这些支撑材料去除，而最后留下的是拥有整洁光滑表面的成型工件。

使用PolyJet聚合物喷射技术成型的工件精度非常高，最薄层厚能达到16微米。

设备提供封闭的成型工作环境，适合于普通的办公室环境。

此外，PolyJet技术还支持多种不同性质的材料同时成型，能够制作非常复杂的模型。

4、3D打印材料
选择性激光烧结（SLS）热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末
粉末层喷头3D
石膏3D打印 (PP) 石膏
打印
层压分层实体制造（LOM）纸、金属膜、塑料薄膜
立体平板印刷（SLA）光硬化树脂
光聚合
数字光处理 (DLP) 光硬化树脂[6]
5、3D打印机类型
按照功能级别分为三个：桌面级与工业级。

桌面级：多使用FDM技术，加工尺寸300mm左右，加工精度0.1-0.2mm 左右，体积小，重量轻，一般家庭或办公室使用。

工业级：多使用SLS、SLA技术，加工尺寸可以达到300mm以上，加工精度最小可达到0.016mm，体积较大，一般为工业生产、产品研发。

二3D打印创新实验室建设规划
1、3D打印创新实验室功能
1）搭建我校师生创新创业作品的孵化平台，助推我校师生的创新创业热情。

师生的创意都可以在本实验室打印出模型，便于交流、分析、检讨，进一步完善自己的作品。

2）构建Solid Learning 教学模式
Solid Learning 是在3D打印的基础上提出的一种新型教学模式，并在教育中集成快速成型和数字制造技术，为教师和学生提供可下载的资源对象文件，通过这些对象文件可以直接使
用3D打印系统创建物理原型。

在Solid Learning模式中，教师和学生能够下载并打印课程所需要的3D对象模型资源。

学校级建模可以通过低价的3D打印机实现简单的模型打印。

复杂的模型需要高性能的3D打印系统。

3）革新教学方式
当前，教学工具盒一起一般由专门的教学设备制作机构制作发行，更新慢；多媒体课件中展示的教学内容模型也无法使学生直接接触和观察教学实体对象。

3D打印使得每位教师都可以方便的打印模型，以有形的三维格式展示教科书中提取的二维信息，并可以设计个性
化的教学模型以适应教学内容的要求，同时，3D打印可以帮助学校制作特殊的教学模型。

4）创新课程教学设计
很多学科可以通过打印制作相关的模型，进行课程内容的学习和实验设计，如建筑、医学、
生物学、汽车工程绘画、图形设计、历史考古等。

在教学活动中，生动的DIY和立体的学
习方式越来越受到学生的欢迎。

5）推动SETM教育
STEM教育指科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering ）、数学
（Mathematics）教育。

STEM素养由科学、技术、工程和数学学科的素养组成，把学生学习到的各学科知识与机械过程转变成一个探索世界相互联系的不同侧面的过程。

STEM强调学生的设计能力、批判性思维和解决问题的能力。

3D打印技术引入到教育领域，有助于推动SETM教育，培养学生的科技素养和数字化素养。

2、3D打印创新实验室建设规划
.面积:场地面积大约80-100平方，或一间实训车间。

.区域规划：（1）创新作品展示区：（2）桌面级3D打印区；（3）扫描区；（4）工业级3D打印展示及自助体验区；
方案A
区域规划
设备清单
序号设备名称规格数量单价总价
1 桌面级3D打印机打印尺300mm以内；打
印精度0.2mm左右
10台30000 300000
2 3D扫描仪分辨率：20,000 - 400,000
个三角形
2台100000 200000
3 工业级3D打印机打印尺寸达300mm以
上，打印精度达0.016mm
2台600000 1200000
4 电脑AMD A4-6210CPU；4G
内存；500G硬盘19寸彩
显
20台3500 70000
5 工作站联想S30 2台20000 40000
6 工作台木工；定制5张600 3000
7 椅子学生座椅25只20 500
8 展柜玻璃；定制2个1000 2000
9 投影仪待定1个5000 5000
10 打印材料ABS；PLA;光敏树脂等预计20000 总计：1840500元
方案B
区域规划
设备清单
序号设备名称规格数量单价总价
1 3D扫描仪分辨率：20,000 - 400,000
个三角形
2台100000 200000
2 工业级3D打印机打印尺寸达300mm以
上，打印精度达0.016mm
4台500000 2000000
3 工作站联想S30 4台20000 80000
4 工作台木工；定制1张2000 2000
5 椅子学生座椅25只20 500
6 展柜玻璃；定制1个1000 1000
7 投影仪待定1个5000 5000
8 打印材料ABS；PLA;光敏树脂等预计20000 共计：2310500元
3、3D打印创新实验室软件
由Autodesk 中国区教育支持中心发布的一套适用于普通用户的建模软件3D打印创新软件（包含4个模块，三维模型设计软件、手工制作软件、创意3D打印软件、趣味泥塑软件）。

该系列软件为用户提供多种方式生成3D模型：用最简单直接的拖拽3D模型并进行编辑的方式进行建模；或者直接将拍摄好的数码照片在云端处理为3D模型；如果用户喜欢自己动手制作,3D系列软件同样为爱动手的用户提供了多种方式来发挥自己的创造力。

不需要复杂的专业知识，任何人都可以轻松使用3D系列产品。

本软件以世界最大三维软件Autodesk 的123D产品为基础平台开发制作而成，软件底层使用流畅性、稳定性毋庸置疑，产品能直接连接3D打印机并进行3D打印。

三3D打印创新实验室创新课程体系设计
1、教学架构
本创新实验室主要是分为四大模块，分别是三维模型制作模块、创意3D打印模块、个性化手工制作模块、趣味泥塑模块。

2、教学内容
1）、三维模型设计模块
软硬件平台：
三维模型设计软件（3D Design）
讲授内容：
本模块使用三维模型设计软件，提供了一些简单的三维图形，通过对这些简单图形的堆砌和编辑生成复杂形状，类似于堆积木。

可以实现模型设计草图确定、三维模型设计软件使用概念知识、模型设计讲解详细步骤等教学内容。

案例：火车；齿轮等
技术关键：用简单的三维图形堆砌和编辑。

2）、创意3D打印模块
软硬件平台：
创意3D打印软件（3D Orig-Design ）PC、相机
讲授内容：
本模块使用创意3D打印软件软件，利用云计算的强大能力，可将数码照片迅速转换为逼真的三维模型。

可以实现相机使用基础知识、图片信息基本知识、创意3D打印软件使用基础、云合成等的教学内容。

案例：人物；饰品；模具等
技术关键：使用傻瓜相机、手机或高级数码单反相机抓拍物体、人物或场景，物体的每个角度都需要有照片。

3）、个性化手工制作模块
软硬件平台：
个性化手工制作软件（3D Maker）PC
讲授内容：
本模块使用个性化手工制作软件软件，将数字三维模型转换为二维切割图案，用户可利用硬纸板、木料、布料、金属或塑料等低成本材料将这些图案迅速拼装成实物，从而再现原来的数字化模型。

可以实现其它格式模型导入技术、模型剖面手绘技术、个性化手工制作软件使用技术、模型各部分结构图生成技术以及部分结构裁剪技术等的教学内容。

案例：电台灯；泰姬陵；火箭；恐龙等，
技术关键：一个桌子放一个模型，否则到现场会出现纸片错乱的情况打印的模型尽可能简单，否则会降低乐趣由于切割机无法打印数字，所以要打印安装指导（即Make生成的打印文档，上面有数字，可以帮助拼接）打印材质和厚度需要先告诉设计人员，指导生成Make的设计间隙。

4）、趣味泥塑模块
软硬件平台
趣味泥塑软件（3D sculpt）
讲授内容：
本模块使用趣味泥塑软件软件，在iPad上制作出任何的雕塑模型，并且可以在这些雕塑模型上绘画。

可以实现泥塑的基本知识、3D sculpt软件使用基础、具体模型操作详解。

案例：恐龙；野兽；青铜鼎等，
技术关键：通过拉升、推挤、扁平、凸起等等操作完成制作。