关于3D打印技术研究课题的策划报告

3D 打印技术研究课题 策划报告 参与人员 参与人员 一 课题表述 3D 打印机这个名称是近年该产品来针对民用市场而出现的一个新词 其实在专业领域他有 另一个名称 快速成形技术 即利用三维 CAD 的数据 用激光熔融的方法将材料逐层堆 积得到实体原型 3D 打印技术是快速成型技术的一种 它是一种以数字模型文件为基础 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 该技术在 珠宝 鞋类 工业设计 建筑 工程和施工 AEC 汽车 航空航天 牙科和医疗产业 教育等方面均得到了广泛运用 二 研究目的和意义 全球工业正在经历第三次工业革命 与以往不同 本次革命对制造业的发展也会带来巨大 影响 其中一类最重要的新技术就是快速成型技术 今天的 3D 技术 主要特指基于电脑 和互联网的数字化立体技术 是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置 把计算机上 的蓝图变成实物 在成本 速度和精确度上都远胜于传统制造技术 其工作原理是将一项 设计物品转化为 3D 数据 然后采用分层加工 叠加成形 即通过逐层增加材料来 打印 成 3D 实体 与传统的材料加工技术完全不同 3D 打印具有仿真性强 速度快 价格便宜 高易用性等优点 是对传统制造业的颠覆性变革 有人甚至将 3D 打印机看成是第三次工 业革命的影子 与蒸汽机和电力相提并论 从消费市场来说 传统的大批量制造生产几乎能提供任何人们最基本的吃穿住行玩等消费 产品 但是这些产品都是标准化的 千篇一律 手工生产的个性化产品虽然地道 品质精 良 内涵丰富 但耗时巨大 而 3D 打印技术既可满足人们越来越苛刻的对个性化产品的 追求欲 还可大大提高生产效率 从人力成本来说 一个技术工人可看管数台 3D 打印机 就像纺织工人看管织布机一样 而劳动效率却有数倍甚至数十倍的提高 正因为如此 美国政府捷足先登 将 3D 打印揽 入怀中 试图成为新一轮工业革命的领导者 继续占据全球工业的制高点 鉴于这一技术的现有的发展成果及其广阔的发展前景 我们确立了我们的课题 即针对这 一技术做出相对较为深入的研究 通过对这一技术的了解 学习掌握相关知识 我们试图 通过对 3D 打印技术的研究 全方位的认识 理解这种技术 初步掌握与 3D 打印有关的理 论知识 在这个基础上 我们可以对比国内外的研究成果 指出国内 3D 打印研究的不足 并提出建议 预测 3D 打印技术的未来发展方向 三 国内外研究成果 医疗行业医疗行业 一位 83 岁的老人由于患有慢性的骨头感染 因此换上了由 3D 打印机 打印 出来的下颚骨 这是世界上首位使用 3D 打印产品做人体骨骼的案例 文物行业文物行业 美国德雷赛尔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 同时还做了比例缩减 更适合研究 建筑设计建筑设计 在建筑业里 工程师和设计师们已经接受了用 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 制造业制造业 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 食品产业食品产业 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 四 优势劣势 作为一种新兴的制造技术 3D 打印技术有着其他任何制造技术无法媲美的优势 以下只列 举其中几条 优势优势 1 制造复杂物品不增加成本 制造复杂物品不增加成本 就传统制造而言 物体形状越复杂 制造成本越高 对 3D 打印机而言 制造形状复杂的 物品成本不增加 制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的 时间 技能或成本 制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式 并改变我们计算 制造成本的方式 优势优势 2 产品多样化不增加成本 产品多样化不增加成本 一台 3D 打印机可以打印许多形状 它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品 传统 的制造设备功能较少 做出的形状种类有限 3D 打印省去了培训机械师或购置新设备的成 本 一台 3D 打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料 优势优势 3 无须组装 无须组装 3D 打印能使部件一体化成型 传统的大规模生产建立在组装线基础上 在现代工厂 机器 生产出相同的零部件 然后由机器人或工人 甚至跨洲 组装 产品组成部件越多 组装 耗费的时间和成本就越多 3D 打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链 不需要组装 省略组装就缩短了供应链 节省在劳动力和运输方面的花费 供应链越短 污染也越少 优势优势 4 零时间交付 零时间交付 3D 打印机可以按需打印 即时生产减少了企业的实物库存 企业可以根据客户订单使用 3D 打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求 所以新的商业模式将成为可能 如果 人们所需的物品按需就近生产 零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本 优势优势 5 减少废弃副产品 减少废弃副产品 与传统的金属制造技术相比 3D 打印机制造金属时产生较少的副产品 传统金属加工的浪 费量惊人 90 的金属原材料被丢弃在工厂车间里 3D 打印制造金属时浪费量减少 随着 打印材料的进步 净成形 制造可能成为更环保的加工方式 当然 作为一种尚不成熟的技术 3D 打印技术也不可避免得存在着诸多弊端 劣势劣势 1 材料的限制 材料的限制 虽然高端工业印刷可以实现塑料 某些金属或者陶瓷打印 但无法实现打印的材料都是比 较昂贵和稀缺的 另外 打印机也还没有达到成熟的水平 无法支持我们在日常生活中所 接触到的各种各样的材料 研究者们在多材料打印上已经取得了一定的进展 但除非这些 进展达到成熟并有效 否则材料依然会是 3D 打印的一大障碍 劣势劣势 2 机器的限制 机器的限制 3D 打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平 几乎任何静态的形状 都可以被打印出来 但是那些运动的物体和它们的清晰度就难 以实现了 这个困难对于制 造商来说也许是可以解决的 但是 3D 打印技术想要进入普通家庭 每个人都能随意打印 想要的东西 那么机器的限制就必须得到解决才行 劣势劣势 3 知识产权的忧虑 知识产权的忧虑 在过去的几十年里 音乐 电影和电视产业中对知识产权的关注变得越来越多 3D 打印技 术也会涉及到这一问题 因为现实中的很多东西都会得到更 加广泛的传播 人们可以随意 复制任何东西 并且数量不限 如何制定 3D 打印的法律法规用来保护知识产权 也是我 们面临的问题之一 否则就会出现泛滥的现象 劣势劣势 4 道德的挑战 道德的挑战 道德是底线 什么样的东西会违反道德规律是很难界定的 如果有人打印出生物器官和活 体组织 在不久的将来会遇到极大的道德挑战 劣势劣势 5 花费的承担 花费的承担 3D 打印技术需要承担的花费是高昂的 第一台 3D 打印机的售价为 1 万 5 如果想要普及 到大众 降价是必须的 但又会与成本形成冲突 五 技术原理 3D 打印技术 即快速成型技术 的基本原理简而言之即是 分层制造 逐层叠加 类似 于数学上的积分过程 其层数需要根据打印机的技术指标它所支持的 层厚 来决定 形 象地讲 快速成形系统就像是一台 立体打印机 因此得名 3D 打印机 每一层的打印过程分为两步 首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水 胶水液滴本身很 小 且不易扩散 然后是喷洒一层均匀的粉末 粉末遇到胶水会迅速固化黏结 而没有胶 水的区域仍保持松散状态 这样在一层胶水一层粉末的交替下 实体模型将会被 打印 成 型 打印完毕后只要扫除松散的粉末即可 刨 出模型 而剩余粉末还可循环利用 打印耗材由传统的墨水 纸张转变为胶水 粉末 当然胶水和粉末都是经过处理的特殊材 料 不仅对固化反应速度有要求 对于模型强度以及 打印 分辨率都有直接影响 目前 的 3D 打印技术能够实现 600dpi 分辨率 每层厚度只有 0 01 毫米 即使模型表面有文字或 图片也能够清晰打印 当然受到喷印原理的限制 打印速度势必不会很快 目前较先进的 产品可以实现每小时 25 毫米高度的垂直速率 相比早期产品有 10 倍提升 而且可以利用 有色胶水实现彩色打印 色彩深度高达 24 位 下面举例说明 3D 打印原理 以苹果为例 1 使用 CAD 或其他电脑程序设计一个苹果 2 电脑被告知苹果的尺寸 形状 材料 进行定制 3 电脑发送信息发给一台可以使用塑料和橡胶类原材料的 3D 打印机 4 系统控制激光器 或喷嘴 在第一层截面图的范围烧结液体原料 5 一台紫外线照射灯打开 把液体干燥成固体 这些固体是苹果的第一层 即最底层 6 放置第一层的打印机托盘下降 7 第二层液体被放置在第一层上 让它凝固 8 这个过程一再重复 直到苹果完全形成 六 研究计划 计划结题时间 计划结题时间 4 64 6 个月个月 自本周至明年自本周至明年 5 5 月结题 月结题 第一阶段第一阶段 2013 12 1 2013 12 5 讨论确定研究课题并制定研究计划 第二阶段第二阶段 2013 12 9 2013 12 31 以对 3D 打印机的研究为契机 了解相关的边缘知识 主要包括通过查阅有关书籍及借助网络对过去的普通打印机的原理的学习 了解喷墨打印 机的压电喷墨技术和热喷墨技术以及激光打印机的激光打印机的核心技术即电子成像技术 并进行组内交流讨论 第三阶段第三阶段 2014 1 18 2014 2 28 第一部分第一部分 深入了解 3D 打印机的相关知识 针对目前所存在的 3D 打印机的六种工艺 包括 SLA 工艺 光固化 立体光刻 FDM 工艺 熔融沉积成形 SLS 工艺 选择性激光烧 结 LOM 工艺 分层实体制造 3DP 工艺 三维印刷 PCM 工艺 无木模铸造 进行初 步了解 要求组员做出相关记录及学习结果 并准备组内答辩 第二部分第二部分 要求每个组员自学 CAD 的相关使用方法 为后续制作 CAD 模型进行初步准 备 要求掌握平面绘图 三维绘图 绘图辅助工具 编辑图形 标注尺寸 书写文字 图 层管理等多项 CAD 基本功能 第四阶段第四阶