D打印技术在产品开发中的应用研究.docx

3D打印技术在产品开发中的应用研究摘 要3D打印技术从美国起先发展，这项新的技术是通过光固化和纸层叠等技术的最新快速成型技术，是伴随激光技术、计算机数控技术、计算机辅助设计与制造技术、材料科学与控制工程技术等多项新技术的出现而产生并发展的高新技术。在产品的设计和生产步骤中， 经过国内外近三十年来的研究和应用，这项技术已经彻底改变了传统的产品设计、技术管理和工作方式随着3D打印技术的飞快发展，众多行业将运用这项新的前沿技术打开创新创意空间，进而推动工作和生产模式的不断创新。关键词：新技术；3D打印；应用研究Error! No text of specified style in document.目录目录i第一章绪论11.1 3D打印技术及其发展11.2 3D打印技术在国内外的应用现状2第二章三维打印技术发展与主要原理42.1熔融堆积（FDM）的技术原理42.2薄材叠层（LOM）的技术原理42.3树脂光固化(SLA)的技术原理42.4 粉末选择性烧结(SLS)的技术原理5第三章目前存在的问题63.1 3D打印的耗材63.2 3D打印机本身63.3 3D打印的价格73.4 知识产权的保护73.5 3D打印机的操作技能73.6政策方面7第四章课题的实例（如实例的加工过程、具体操作）8第五章总结与展望9致谢10参考文献11i第一章绪论1.13D打印技术及其发展3D打印技术来源于19世纪末的美国，并且在20世纪80年代得以演变和发展。这项新技术是通过光固化和纸层叠等技术的最新快速成型技术，也叫增材制造技术。其重要技术是激光技术、计算机数控技术、材料科学与工程技术等一些新兴的技术。3D打印在美国是第一个“制造创新国家项目”1，在智能生产、器官再造、多零件集成等几个方向均有极大影响。在中国，近年来这项新技术已经引起中国高层领导的高度重视。3D打印的特色是通过计算机三维图形数据设计能直接打印生成所有形状的物体，不必需要模具和机械的加工，进而很大程度节省了产品的生产成本，减少了产品的生产周期，加速了新产品的开发进度。以前开发一个复杂形状的零部件，要有许多有关系的模具和卡具，与此同时还要有配合专用的机械加工设备才可以完成，开发出满足市场需要的新产品的步骤不仅困难而且漫长。利用3D打印技术不将要依赖工具、模具和卡具等的辅助，于是能完成新零件部件的制造，很大程度地加速了产品的开发和生产速度。3D打印和普通打印的差别在于：普通打印机仅仅只能打出文字和图片等平面纸张资料，但是采用3D打印技术不只只能打印出立体的物体，并且成本低廉，还能激起人们一定的想象力和创造力。这个新技术出现以来，中国对这项技术也进行了积极的研究。从德国之后，中国借助863计划和自然科学基金等的资助，在中国领先研发成功了采用半导体泵浦和光纤激光器并且投入应用，社会效益和经济效益非常明显2。这个新技术使产品从设计到生产步骤的技术方式和管理模式产生了变化，尤其是可以为复杂精细金属零件迅速成形创造新的设计方法和制造模式。到现在为止3D打印技术已经在模具制造、军事国防、医疗、汽车制造、航空航天、地理信息系统、珠宝等领域推广和应用而且获得了很好的成绩。之前是制造商和消费者分散，目前是制造商和消费者成为一体，很大程度增加了产品的生产效率。1.23D打印技术在国内外的应用现状3D打印，又称作增材制造技术，也就是把计算机三维设计模型作为基础，经过数控成型和软件分层离散系统，应用材料累加原理，在工业设计、模具制造等方面从无到有地直接制造零件的新型制造技术。伴随着这项新技术的持续推进和利用，除了已经在航空航天、工业设计、建筑工程、医疗产业、珠宝、汽车、鞋类、教育、地理信息系统、土木工程等方面利用这个技术打印产品以外，这个技术还可以用在食品生产、枪支制造、儿童玩具等地方。所谓的激光3D打印，实质上是参考了普通打印机的技术原理3，3D打印分层加工的工作步骤与喷墨打印很相像。3D打印机与普通打印机工作机制大多类似，只是打印的材质不一样。现在人们在工作和生活中运用的普通打印机打印的是电脑设计的平面物体，打印材料是墨水和纸张，然而3D打印机的打印材料却是装在打印机内的塑料、金属、石膏、陶瓷、尼龙、砂、橡胶等实物原材料。在中国，3D打印技术起源于上个世纪八九十年代，那个时候国外一些科技大国尽管提出这个概念已大约有十年，然而还没有进行大规模的研究开发。中国政府和科研人员对这个技术也相当看重，从1991年以来研究3D打印，那时的名称为快速原型技术（Rapid Prototyping），也就是开发样品之前的实物模型。国际上已有一些纯熟的工艺制造：分层实体制造、立体光刻、激光烧结等，中国也在持续跟踪研发。2000年前后，这些工艺从实验室研发逐步向工程化、产品化转换。清华大学在这一方面的研究比较早，这里面颜永年教授是这一方面研发的带头人之一，从美国访学回来后，颜教授曾多次邀请美国学者来中国讲学，而且建立了清华大学激光快速成形中心和北京殷华快速成型模具技术有限公司。从这没多久久，北京航空航天大学、西北工业大学、大连理工大学等高等学校均逐步加入很多人力物力从事这方面技术的研发，成立了各种很有特色的激光制造工程研究中心，而且研发制造出了先进的激光3D打印机4。西北工业大学的科研人员也用激光立体成型技术打出C919国产大飞机中央翼缘条大型钛合金构件，这一项收获获得收到了世界的广泛关注，预示着中国在激光3D打印方面开始进入了世界先进行列。在中国，3D打印技术除了一些知名学校和科研院所在积极研究和利用外，有些高科技公司也在积极开始这项新技术的研发和运用5。富士康科技集团公司、深圳市瑞贝思三维成型技术有限公司、上海悦瑞三维科技股份有限公司、江苏永年激光成形技术有限公司等，在这一方面的研发和应运用已经达到了世界的先进水平。2012年8月，湖南华曙高科技有限责任公司生产的选择性激光尼3D打印配置就在湖南长沙下线而且第一次向美国出口。这个新技术的产生和应用，毫不犹豫在促进中国传统制造转型领域拥有协助商业和个人的巨大潜在能力。11第二章三维打印技术发展与主要原理2.1熔融堆积（FDM）的技术原理丝状材料选择性熔覆(Fused Deposition Modeling)快速原型工艺是一类不靠激光作为成型能源，让各类丝材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)加热熔化从而累积成型的形式，简单称作FDM6。这个技术原理为热塑性丝状材料(如直径为1.75mm的塑料丝)由供丝机构运到喷头，而且在喷头中以23012以上的温度加热和熔化为半液态，然后被向外挤出，可以选择性的涂抹覆盖在工作台上面，很快冷却后产生一层薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台降低到一些高度，持续下个阶段的熔覆。用热熔的材质一层层堆积出截面轮廓，这样循环，拿出后去掉支撑材料，最后成为三维产品零件。2.2薄材叠层（LOM）的技术原理薄材叠层实体制造(Laminated Object Manufacturing)是薄片材料叠加工艺，简单叫作LOM。经过三维模型各个截面的轮廓线，计算机发送控制切割系统的命令，以致切割头或激光分别向x和Y方向的移动。供料机构将涂有热熔胶的薄材一段段的送到工作台的上面。切割系统通过计算机提出的待加工模型的截面轮廓用切割头沿轮廓线将工作台上的打印材料切出轮廓线，随后，从热压机构将每层打印材料按压并黏在一起。可升降工作台支持正在成型的工件，而且在每层成型以后，拉低一个层厚，促以发送、粘合和切掉新的那层打印材料7。打印完成的三维模型与周边的废料块需剥离开来，取得最后的三维产品。2.3树脂光固化(SLA)的技术原理光敏树脂选择性固化就是利用立体雕刻(Stereo-lithography)方法的一类工艺，简单叫作SLA。成型起初的时候，工作台在液面接下来一层截面层厚的高度，聚焦以后的激光束，顺着液面作扫描，让扫描区域的树脂被固定化。因而获得薄片。或着运用喷射头喷出树脂，然后用紫外激光沿线固化。随后，工作台向下一层薄片的高度，新的液态树脂覆盖己经被固化的一层薄片，从而进行第二层固化，就这样一直重复，一直到整个产品成型以后。以致升降台浮上液体树脂表面，也就是可拿出工件，从而来清理和覆盖面光洁处理。2.4粉末选择性烧结(SLS)的技术原理粉末选择性烧结利用二氧化碳激光器对粉末材料进行选择性烧结，是一类由粉末状的离散点逐步积累成三维模型的工艺方式。技术原理和SLA类似。不一样的是在SLS中激光用在烧结和熔化固体的粉末，而非聚合液的固态化。成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动。首先在工作平台上铺一层粉末材料，随后激光束在计算机管理下根据截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末固化成对应的轮廓。第一层完成后，工作台下降一截面层的高度，再加一层粉末，从而开始下一层制作，就这样循环，形成三维的原型零件。拿出零件，去掉其它的粉末后得到模型。第三章目前存在的问题3D 打印技术已获得了明显的发展，然而仍然有着下面几个方面的问题。3.1 3D打印的耗材耗材是现在控制3D打印技术普遍应用的重要原因。到目前已经研制的大部分有塑料、树脂和金属等材料，但是3D打印需获得更多方面的利用，就要研制出更多的可以打印的材质，通过材料特点加深研究加工、结构与材料之间的关系，开发质量测试程序和方式，成立材料性能数据的规范性标准等。除此之外，在一些重要的产业领域，找到合适的材料也是一个非常大的挑战。为了满足这些要求就要有研发新型的复合材料。Xerox PAC 研究中心的研究人员正在专注可以打印电子产品的新工艺研发，然而到现在可用的原料还不多。在打印材料领域，以色列Objet公司在领先的地位。现在，该公司说明为Connex系列多材料3D打印机新研制39种新型的“数字材料”，可以提供客户选取的基本材质已高达107类。这些材料的质地、韧性、刚度、强度都各个不一样。这个企业到现在能供给90 类“数字材料”，这些材料均由企业供给的基本材料复合而形成，这样可让设计师、工程师和制造商可以很准确地模拟它的最终产品的材料性质。用户利用Connex多材料3D打印机，能在一个模型中同时利用高达14类不一样硬度和透明度的材质。除此之外，到现在对金属材料有3D打印的需要非常紧急，如钛合金、镍基合金、银和金等，然而现在这些打印技术并没有完全突破。3.2 3D打印机本身根据报道，世界上到现在仅只一类3D打印机可以同时打印出多种材料的产品。因为3D打印工艺演变还不完善，快速成型零件的精度和表面质量大部分不可以符合工程直接使用需求，仅仅能让原型利用。3D打印产品因为采纳叠加制造工艺，层与层之间联结得再紧密，到现在也非常难与传统锻件相媲美。3.33D打印的价格至现在，3D 打印不拥有规模经济的优点，价格方面的优点到现在并不明显。到现在，1 kg打印材质少的话大概几百块钱，多的话大概需4万块钱，所以3D打印在一段时期里还不可以全部换成传统制造技术。然而在一件小批量、个性化订制方面，相对大部分产品，不论打印几件还是几百件，价格均基本上没区别，因此3D打印拥有无法比较的优点。3.4知识产权的保护3D打印技术的意义不只在于使资本和工作的分配模式变化，并且也在于它可以变化知识产权的规则。这个技术的产生让制造业的辉煌不再决定于生产范围，而是决定于创新。但是，仅仅只靠创意也是非常危险的，模仿者和创新者均可以容易地在市场上迅速推广出新产品，非常有可能就像开始的音乐方面一样存在盗版的威胁。3.5 3D打印机的操作技能3D打印技术需依赖数字模型来从事生产，然而对普通用户来说学会运用计算机辅助设计工具(CAD)还是有一定程度上的困难。但是伴随着社会演变，以后会有更多的学生学习并且控制这方面的能力，而且企业也能提出一些简单的产品数据库，用户不需要学会3D设计技能就可以制作模型，就像傻瓜相机的发展一样。3.6政策方面3D技术的研制要有很大的政府帮助或产业界的金钱支持。如在医疗领域，可能会因为缺乏食品和药品监管部门的准许，导致很多临床医疗产品应用的滞缓等。第四章课题的实例（如实例的加工过程、具体操作）第五章总结与展望到现在，3D打印大多用于制造精密而复杂的工业零部件，3D打印的任意性为产品和装备的创新设计创造了非常大的空间，以后有希望成为万能的的“万能制造机”，利用这个技术不只能为工业产品的设计提出全新的技术手段，并且能省掉产品成本，为各行业带来更大的经济效益。伴随着3D打印技术的推广，这项技术不只在国民经济和国防各方面利用前景广阔，并且信息服务机构也正在尝者运用这种新技术为读者和用户提出了更多的创新和创作空间，将理论用直观、立体的产品表现出来，进而打开读者和用户的思维空间。但是，利用和普及3D打印技术，还有许多方面需要逐渐地研发和完善，如：知识产权保护的研发、人员的专业培训、场地的提供以及成立各类标准等，让其能更大量地运用，形成更大的效益8。毋庸置疑，3D打印这项新技术将为制造业带来革命性的变化，从产品的设计、生产以及产业组织形态和供应链等模式都会被开始形成，与此同时将为产品的设计和生产带来更多的创新和创意空间。致谢本论文是在我的导师某某某副教授的亲切关怀和仔细指导下完成。两年多来，某某某副教授不只在学业上给我以精心指导，而且还在思想、生活上给我以无微不至的关心，在此谨向敬爱的某老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在此，我还要谢谢在一起愉快度过大学生活的同学，是他们的支持、帮助使我克服写论文过程中的一