3D打印科普讲座

原理 现状和未来 3D打印的魅力世界 汇报人 朱言言2017年5月5日 主要内容 一 3D打印的原理二 3D打印技术分类和特点三 3D打印在各行各业中的应用四 3D打印的流程五 3D打印的未来 什么是3D D Dimension维 1D 线 2D 面 3D 体 3D 3维 一 3D打印的原理 传统 2D 打印 3D打印 打印出来的东西是立体的 一 3D打印的原理 俗称 3D打印专业用语 增材制造 整体 离散 整体 一 3D打印的原理 根据零件的三维数模 通过计算机程序控制 逐点 逐层 二维 增加材料成形三维复杂结构的数字制造技术 制造复杂品 产品多样化 缩短生产周期 制造技能简化 减少空间占用 节省材料 3D打印主要优势 一 3D打印的原理 增材制造 3D打印 改变社会生产模式改变人类生活方式 第三次工业革命 主要内容 一 3D打印的原理二 3D打印技术分类和特点三 3D打印在各行各业中的应用四 3D打印的流程五 3D打印的未来 第2类 金属增材制造 1977 1992 年开始用途 装备关键金属零部件的直接制造与升级再制造 第1类 非金属增材制造 1984年提出 RP RPM新产品开发 间接制造 产品定制化 生产离散化 增材制造 3D打印 三大类 第3类 生物组织增材制造 2003年开始用途 人体组织及器官的体外 体内 培养 二 3D打印技术分类和特点 第1类 非金属增材制造 1984年提出 RP RPM新产品开发 间接制造 产品定制化 生产离散化 五种基本方法 二 3D打印技术分类和特点 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 成本较高 1 SLA光固化 立体光刻 成形材料 液态光敏树脂 制件性能 相当于工程塑料或蜡模 主要用途 高精度塑料件 铸造用蜡模 样件或模型 二 3D打印技术分类和特点 1 SLA光固化 立体光刻 典型SLA设备 SLA成形的典型零件 二 3D打印技术分类和特点 1 SLA光固化的升级 CLIP技术 连续液体界面提取技术 CLIP从底部投影 使光敏树脂固化 不需要固化的部分通过控制氧气 形成死区 抑制光固化反应而保持稳定的液态区域 这样就保证了固化的连续性 二 3D打印技术分类和特点 1 SLA光固化的升级 CLIP技术 连续液体界面提取技术 科幻电影 终结者2 科幻与现实 二 3D打印技术分类和特点 1 SLA光固化的升级 CLIP技术 连续液体界面提取技术 第一款商业化3D打印机 carbonM1型 优势 连续液态界面成形 表面光滑 比普通SLA打印速度快25 100倍劣势 价格贵 目前租用 每年需要支付4万美元的费用 零件尺寸较小144mmx81mmx330mm 适用5种材料 硬聚氨酯 柔性聚氨酯 弹性聚氨酯 氰酸酯 一般树脂 二 3D打印技术分类和特点 2 叠层实体制造 LOM 原理 激光切割材料 纸 塑料 金属箔片特点 每层厚度70 150 m精度低 材料浪费 适合中大型零件价格 高 基本退出市场 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 二 3D打印技术分类和特点 2 叠层实体制造 LOM LOM成形的典型零件 LOM原材料 纸 早期的LOM设备 二 3D打印技术分类和特点 3 熔丝挤出造型 FDM 是一种不依靠激光作为成型能源 利用加热高温将丝材 如工程塑料ABS 聚碳酸酯PC等 熔化 通过打印头挤出成细丝 在构件平台堆积成型 冷却后硬化的成型方法 成形材料 固体丝状工程塑料 制件性能 相当于工程塑料或蜡模 主要用途 塑料件 铸造用蜡模 样件或模型 FDM是最简单也是最常见的3D打印技术 通常应用于桌面级3D打印设备 成本低 二 3D打印技术分类和特点 3 熔丝挤出造型 FDM 方便的打印彩色物品 ABS塑料类 PLA塑料类 二 3D打印技术分类和特点 3 熔丝挤出造型 FDM 基于FDM技术的3D打印机种类最多 从个人家庭桌面打印机到企业工业打印机 全范围覆盖网上就可以买到 个人家庭使用 二 3D打印技术分类和特点 3 熔丝挤出造型 FDM 个人家用3D打印机 随心所欲自由设计 自由想象 二 3D打印技术分类和特点 4 粉末激光烧结技术SLS 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 烧到的地方就成型了 未烧到的地方还是粉末 成型材料和成型件的物理性能很好 持久耐用 金属粉末可部分熔化粘接而不需要粘接剂 二 3D打印技术分类和特点 4 粉末激光烧结技术SLS 成形材料 粉末 金属或塑料 制件性能 相当于工程塑料 蜡模 砂型 主要用途 样件或模型 金属件 SLS优点 1 可采用多种材料 2 制造工艺比较简单 3 高精度 一般能够达到工件整体范围内 0 05 2 5 mm的公差 当粉末粒径为0 1mm以下时 成型后的原型精度可达 0 1mm 4 材料利用率高 价格便宜 成本低 5 无需支撑结构 二 3D打印技术分类和特点 4 粉末激光烧结技术SLS 摩托车引擎缸体 253 8 253 7 181 8mm3 SLS 熔模 铸造 铝合金铸件 塑料制件 熔模精密铸造 二 3D打印技术分类和特点 4 粉末激光烧结技术SLS 复杂尼龙零件的直接3D打印 二 3D打印技术分类和特点 5 粉末床喷射3D打印 3DP 3DP即三维打印快速成型技术 其与传统二维喷墨打印接近 从喷头喷出粘结剂 彩色粘结剂可以打印出彩色制件 将平台上的粉末粘结成型 通常用采用石膏粉作为成型材料 3DP技术目前主要应用有两个 全彩3D打印及砂模铸造 二 3D打印技术分类和特点 5 粉末床喷射3D打印 3DP 3DP成形工艺过程示意图 材料 塑料 陶瓷特点 精度低价格 低 全彩色3DP 先铺一薄层粉末材料 然后利用喷嘴选择性地在粉层表面喷射粘接剂 将粉末材料粘接在一起形成实体层 逐层粘接 最终形成三维零件 二 3D打印技术分类和特点 5 粉末床喷射3D打印 3DP 二 3D打印技术分类和特点 5 粉末床喷射3D打印 3DP 3DP砂型 砂型铸造 铝合金发动机零件 间接制造 第2类 金属增材制造 1977 1992 年开始用途 装备关键金属零部件的直接制造与升级再制造 第1类 非金属增材制造 1984年提出 RP RPM新产品开发 间接制造 产品定制化 生产离散化 增材制造 3D打印 三大类 第3类 生物组织增材制造 2003年开始用途 人体组织及器官的体外 体内 培养 2003年提出 激光 电子束 尺寸小 600mm 效率低 100g h 成本高 粉床 铺粉 选区熔化SLM SEBM 小型复杂构件 金属增材制造 方法一 发展方向1 增大尺寸及精度 工艺 设备2 提高效率及质量 工艺 材料 设备3 降低制造成本 粉末 设备 工艺 二 3D打印技术分类和特点 激光SLM 电子束SEBM 粉末 零件数模 少量加工 最终零件 零件精坯 激光熔化沉积 增材制造 送粉 丝金属增材制造 大型承力构件 1992年开始 激光 电子束 电弧 激光束 高性能材料制备与复杂零件 近净成形 一体化非平衡材料 多材料复合 梯度材料高性能构件 无需大型锻造装备及锻压模具材料利用率高 加工时间短 成本低 周期短 超常 快速反应能力 高柔性 快速修复 材料技术 制造技术 高性能大型复杂整体构件制造技术发展方向 金属增材制造 方法二 二 3D打印技术分类和特点 送粉 丝金属增材制造 大型承力构件3D打印技术中 难度最大 工艺最复杂 对国家工业装备制造影响力最大的一种3D打印技术 是3D打印领域的明星 e E s L DT a DL 难以制造 大型构件 构件严重 变形或开裂 技术挑战一 内应力难以控制 变形 开裂 技术挑战二 内部质量 难控多变 力学性能低且不稳定 无法用作关键主承力构件 内部缺陷 微观结构 内部晶粒 方法2 送粉 丝熔化堆积 大型整体构件 第2类 金属构件增材制造 第2类 金属增材制造 1977 1992 年开始用途 装备关键金属零部件的直接制造与升级再制造 第1类 非金属增材制造 1984年提出 RP RPM新产品开发 间接制造 产品定制化 生产离散化 增材制造 3D打印 三大类 第3类 生物组织增材制造 2003年开始用途 人体组织及器官的体外 体内 培养 活性细胞 3D打印 人体器官 制造 第3类 生物组织增材制造 人体硬 软组织或器官体内或体外 培养 活性细胞 3D打印 人体器官 制造 第3类 生物组织及人体器官增材制造 用途 人体硬 软组织或器官体内或体外 培养 3D打印生物可降解多孔支架 活性细胞或细胞直接打印后进行 体外或体内培养 2003年开始 尚未应用 TCP PLGA制作的骨组织工程支架 清华大学林峰教授提供 可降解 生物支架 增材制造及生物组织体外或体内培养 第3类 生物组织及人体器官增材制造 可降解 生物支架 增材制造及生物组织体外或体内培养 清华大学林峰教授提供 第3类 生物组织及人体器官增材制造 主要内容 一 3D打印的原理二 3D打印技术分类和特点三 3D打印在各行各业中的应用四 3D打印的流程五 3D打印的未来 医疗 美国一家儿科医学中心利用3D打印技术成功制造出全球第一颗人类心脏 这颗用塑料打印出的心脏可以像正常人类心脏一样正常跳动 外科医生能够利用3D打印心脏来练习复杂的手术 3D打印血管德国Fraunhoferinstitutes的跨学科研究小组宣布 解开了3D打印血管的奥秘 3D打印骨头Open3DP创新小组向世界宣布3D打印在骨头上的应用 三 3D打印在各行各业中的应用 医疗 维克森林大学的安东尼 阿塔拉博士展示一个3D打印肾脏原型 阿塔拉博士使用的3D打印机使用一种类似凝胶的生物可降解材料 逐层打印肾脏 维克森林大学 阿塔拉的研究小组利用3D打印技术打印的耳朵支架 随后在上面 播撒 皮肤细胞 培育出仿真度极高的人造耳 当前的人造耳采用聚苯乙烯泡沫塑料等材料 看起来十分僵硬 很不自然 维克森林大学的实验室 科学家利用3D打印机打印的鼻子支架 随后可借助支架利用患者自身细胞培育人造鼻 由于利用患者自身细胞 患者的身体不会对这个新鼻子产生排斥 三 3D打印在各行各业中的应用 鞋子 耐克推全球第一款3D打印足球鞋这项新技能的运用意味着耐克能够在更短的时刻内依据靴子的原型作出一些改动 并且这款靴子比曾经的鞋子愈加轻盈且能减缩短跑时刻 3d打印鞋美国设计工作室ContinuumFashion发布了他们的第一个可穿3d打印鞋履系列 strvct 纽拜伦利用3D打印技术制造的跑鞋 三 3D打印在各行各业中的应用 服饰 3D打印的服装 白色尼龙制作出来的胸衣配饰 羽毛状衣服 手镯 面饰 类似橡胶的新型材料 三 3D打印在各行各业中的应用 模型 微缩工厂模型Materialise3D打印了一个非常精细的微缩工厂模型 一个植物燃气公司LindeAG的微缩工厂缩小模型 两个月胎儿模型日本公司利用3D打印技术制作胎儿脸部模型父母们不仅可以看到腹中孩子的照片 通过3D打印技术 还可以拿到和孩子等大的宝宝的模型 古罗马城市12名耶鲁学生和他们的教授一起 通过3D打印 重建古罗马城市景观 三 3D打印在各行各业中的应用 模型 奥迪A4和宝马3系列的插值模型DrivAer是奥迪A4和宝马3系列的插值模型 是一款长120厘米 宽45厘米 高40厘米的真实模型 这款模型在慕尼黑工业大学的电脑完成设计 然后由3D打印机使用环氧树脂和石膏打印 无人驾驶的激光烧结飞机南安普敦大学研制出的这种飞机 SULSAUAV 所有的部件 包括机翼 整体操纵面 出入舱口 均由尼龙激光烧结打印机EOSEOSINTP730打印而成 三 3D打印在各行各业中的应用 这是世界上首辆3D打印的汽车 零部件只有40个 工业 建筑 3D打印混凝土成品 OpenReflex单反相机L oMarius用ABS树脂材料打印出来的 除了反光板和一些螺丝外 整部相机分为三大部分 胶片舱 快门 取景器 打印立体的建筑印刷机从喷嘴处喷出以镁为主要原料的粘合胶 这些粘合胶跟沙子结合并在印刷机对其施压后变成岩石 三 3D打印在各行各业中的应用 珠宝首饰 黄金挂件Shapeways上就有大量的设计师设计的TimeKeeperPendant 仿俄罗斯大皇冠斯摩棱斯克钻石珠宝集团引入3D打印技术 扫描原始皇冠和EnvisionTec3D打印机精确复制原版的俄罗斯大皇冠 复刻品采用WIC 100树脂以及14k白金打造 皇冠余下部分采用传统手工技艺完成 3D打印的钛金属腕表设计师ZachRave制造过程是激光使钛粉按设计融合成粉层 一层层叠加直到最后形成产品 每一件产品都是独一无二的 600美元 只 三 3D打印在各行各业中的应用 食物 3D打印出可食用的热狗 肌肉片现代草甸 ModernMeadow 打印出了一块约2cm长 1cm宽 1mm厚的肌肉片 这块灰白的肌肉混合有血液和人造脂肪 这种生物原料是一种称之为 bioink 的由数以十万记得活细胞所构成的物质 想要在超市里见到3D打印的人造肉至少还要等上15 20年 打印食物的3D打印机 砂糖 砂糖实验室 用砂糖混合水与酒精 选择合适湿度和硬度的砂糖材料 提高打印分辨率和砂糖的强度 三 3D打印在各行各业中的应用 家具 装饰 设计师Bitonti用3D打印出的桌子 花朵台灯这款花朵台灯的 花瓣 可以慢慢展开 灯光也会随着 花瓣 的展开而变强 这款台灯采用了3D打印技术制得 即整个灯罩是一次成型 连为一体的 包括花瓣之间的连接部分 iMaterialise公司3D打印的灯饰 水晶吊灯PAPERO波兰ToDo设计工作室设计PAPERO看上去像是一块悬挂的水晶 由两部分组成 上面不透明部分为ABS塑料 采用3D打印技术打印而成 下面半透明部分用聚丙烯塑料板 采用激光切割工艺 三 3D打印在各行各业中的应用 娱乐 首款开源微缩模型游戏IllGottenGames团队发明了PocketTactics 口袋战术 首款用3D打印的开源微缩模型游戏 游戏包括了人物小雕像 小棋子 骰子 都可以从Thingiverse下载 然后用MakerBot打印 Tinkercad是一个基于网页的CAD程序 用户可以轻松地扩展和修改游戏 诡异 X Cube 魔方由丹麦学生克里斯蒂安森发明 魔方分为多个坐标轴不同种拼接方式 一共有52个可以活动部件 102个小模块组成 拥有1250000的11次方组不同组合 在线定制Android公仔 吉他3DSystems公司以GibsonLesPaul系列作为蓝本的3D打印吉他的身躯 三 3D打印在各行各业中的应用 枪械 安全 3D打印枪成功通过安检并登上列车 塑料枪械威尔逊和分布式防御组织 DefenseDistributed 成员打算筹集2万美元用以设计一款塑料枪械 并发布其蓝图 然后人们利用RepRap开源3D打印机便可将枪械制造出来 但募得资金目前已被政府冻结 复制高安全性的钥匙西勒奇 Schlage 制锁公司因其高安全性的Primus锁而闻名 黑客开发出一段程序 能够采用3D打印或激光切割技术制作出Primus钥匙模型 采用尼龙材料 每把钥匙5美元 钛合金的钥匙150美元 建议高度安全机构应该使用电子锁 才能达到难以复制的要求 罗马尼亚罪犯使用3D打印机制造ATM设备窃取悉尼居民的资金 三 3D打印在各行各业中的应用 考古 复制250万年的古人类头骨GonzaloMartinez使用的是Objet最新透明VeroClear材料 得到这种光滑的 像冰一样 的模型 3 9亿年前远古生物立体模型借助3D打印技术 一只生活在3 9亿年前浑身尖刺 全身硬甲覆盖的软体动物近日再次展现在人们眼前 揭开名画背后的秘密Coform的科学家使用一台叫做Mini Dome的设备可以将画作上的一笔一画都放大 清晰地看到这幅自画像是如何完成的 故3D可以用于博物馆和文化遗产的修复工作 三 3D打印在各行各业中的应用 工业设计 三 3D打印在各行各业中的应用 主要内容 一 3D打印的原理二 3D打印技术分类和特点三 3D打印在各行各业中的应用四 3D打印的流程五 3D打印的未来 3D打印的具体流程 该如何实现3D打印 第一步 准备一个可打印的3D数据 60 转换为3D打印机分层软件可识别的格式文件 不同打印机格式不同 通用的为STL格式 AutoCAD UG solidworks CATIA CADKEY Pro Engineer 3dmax等 三维扫描 Geomagic Rapidform等 Tinkercad Autodesk123D 3DTin SketchUp等 该如何实现3D打印 第二步 选择一台合适的3D打印机 61 该如何实现3D打印 第三步 把3D数据导入打印机控制软件 点击START 然后泡上一杯咖啡 坐等作品出炉 62 该如何实现3D打印 最后一步 后处理 63 该如何实现3D打印 主要内容 一 3D打印的原理二 3D打印技术分类和特点三 3D打印在各行各业中的应用四 3D打印的流程五 3D打印的未来 65 3D打印与普通民众的距离其实很近 五 3D打印的未来 五 3D打印的未来 3D打印的发展趋势 前景 材料越来越丰富 Objet新推出的大