3D打印机设计

北京科技大学天津学院本科生毕业设计 论文 选题报告 1 北北京京科科技技大大学学天天津津学学院院 本科生毕业设计 论文 选题报告 题目 金属液滴成型与铣销复合3D 打印机床身结构设计 系 机械工程系 班级 机械1203 班 姓名 魏浩然 学号 指导教师1 黄明吉 指导教师2 20 年 月 日 北京科技大学天津学院本科生毕业设计 论文 选题报告 2 目 录 1 文献综述 2 1 1 本课题国外研究进展 2 1 2 本课题国内研究进展 2 2 课题背景及开展研究的意义 3 2 1 课题背景 3 2 2 开展研究的意义 3 3 研究内容 方法及预期目的 4 3 1 研究内容 4 3 2 研究方法 4 3 3 预期目的 6 4 进度安排 8 参 考 文 献 9 指导教师意见 10 北京科技大学天津学院本科生毕业设计 论文 选题报告 3 1文献综述 1 1 1 1本本课课题题国国外外研研究究进进展展 日前 欧洲空间局 ESA 的 以实现高技术金属产品的高效生产与零浪费为目标 的增材制造项目 AMAZE 提出 将首次实现3D 打印金属件的大规模生产 这些3D 打印的金属零部件可用于喷气式飞机 航天器以及核聚变等项目 波音公司已经利用三维打印技术制造了大约300 种不同的飞机零部件 包括将冷 空气导入电子设备的形状复杂导管 波音公司和霍尼韦尔正在研究利用 3D 打印技术打 印出机翼等更大型的产品 空客在A380 客舱里使用3D 打印的行李架 在 台风 战斗 机中也使用了3D 打印的空调系统 空客公司最近提出 透明飞机概念 计划 制定了 一张 路线图 从打印飞机的小部件开始 一步一步发展 最终在 2050 年左右用3D 打印机打印出整架飞机 概念飞机 本身有许多令人眼花缭乱的复杂系统 比如仿 生的弯曲机身 能让乘客看到周围蓝天白云的透明机壳等 采用传统制造手段难以实 现 3D 打印或许是一条捷径 1 1 2 2本本课课题题国国内内研研究究进进展展 中国航天科技集团公司六院7103 厂自行研制的某型号软管顺利通过2 万次疲劳试 验考核 各项指标均达到设计要求 这意味着长期困扰一线职工的软管工艺攻关项目 获得成功 这是该厂继去年年底突破大直径高温合金筒体缝焊技术之后 再次突破小 直径大壁厚异件缝焊工艺 进一步提升了发动机制造工艺能力 北京航空航天大学同我国主要飞机设计研究所等单位通过 产学研 紧密合 作 瞄准大型飞机 航空发动机等国家重大战略需求 历经 17 年研究在国际上首次全 面突破了钛合金 超高强度钢等难加工大型复杂整体关键构件激光成形工艺 成套装 备和应用关键技术 并已在飞机大型构件生产中研发出五代 10 余型装备系统 已经 受近十年的工程实际应用考验 使我国成为迄今 为止唯一掌握大型整体钛合金关键构 件激光成形技术并成功实现装机工程应用的国家 北京科技大学天津学院本科生毕业设计 论文 选题报告 4 2 课题背景及开展研究的意义 2 1背景 3D 打印听起来新鲜 其实这项技术并不是什么新的技术 而是已经发展了大约 30 年了的快速成型技术 Rapid prototyping 的一种 简单地说 即设计人员通过计算 机绘成的三维模型 或是以三维扫描仪对实物进行三维建模 将这些数据输入 3D 打印 机形成指令 使用堆叠的方法使材料一层一层堆积起来并形成最终的成品 目前国内 有一些3D 打印的概念股 如中航重机 苏大维格 南风股票等 股价一直在飙升 这 也多少与3D 打印的炒作和关注度提升有关 国内3D 打印技术的应用上至航空航天 下至个人爱好都有所应用 北京航空航天大学的王华明教授因为运用 3D 打印技术打印 飞机钛合金部件并实际运用而获得国家科技发明一等奖 几千块的桌面级 3D 打印机也 在淘宝上有售 只是所使用的材料为ABS 工程塑料或PLA 食物降解高分子材料 所成 型的成品一般精度和粗糙度较差 成型体积有限 只能制作一些初级样件 国外的 3D 打印技术和市场较国内成熟很多 主要技术来自美国 德国 日本和以色列等国家 其中以美国的3D Systems Stratasys 和Makerbot 等为代表的企业 引领着全球3D 打 印行业的方向 2 2 2 2 研研究究意意义义 3D 打印技术相对传统制造技术来讲的确是一次重大的技术革命 用 颠覆 传统 制造技术来形容也不过分 能够解决传统制造所不能解决的技术难题 能够为传统制 造业的创新发展注入新鲜动力 但是 传统制造业经过了数千年的积累和发展 已经 在生产工艺 生产技术 材料等方面非常成熟 并形成了配套完善 功能齐全 社会 各界广泛认可的产业基础 从3D 打印的技术原理来看 传统制造方式不能生产的产品 利用 3D 打印技术都 可以轻松地打印出来 但是 传统制造业所擅长的批量化规模化生产 精益化生产 恰恰是3D 打印技术的短腿 比较来看 3D 打印技术擅长的解决个性化 复杂化 高难 度的生产技术 而传统制造业则擅长的是批量化和规模化 彼此之间优劣态势正好形 北京科技大学天津学院本科生毕业设计 论文 选题报告 5 成互补关系 而不是谁替代谁的问题 因此 3D 打印技术本身不是要取代传统制造业 也不能取代传统制造业 3 研究内容 方法及预期目的 3 1研究内容 3D打印技术是指由计算机辅助设计模型 CAD 直接驱动的 运用金属 塑料 陶瓷 树脂 蜡 纸 砂等材料 在快速成形设备里分层制造任何复杂形状的物理买体的技术 基本流程是 先用计算机软件设计三维模型 然后把三维数字模型离散为面 线和点 再通过3D打印设备分层堆积 最后变成一个三维的买物 传统制造技术是 减材制造技术 3D 打印则是 增材制造技术 具有制造 成本低 生产周期短等明显优势 被誉为 第三次工业革命最具标志性的生产工具 3D 打印将多维制造变成简单的由下而上的二维叠加 从而大大降低了设计与制造 的复杂度 同时 3D 打印还可以制造传统方式无法加工的奇异结构 尤其适合动力 设备 航空航天 汽车等高端产品上的关键零部件的制造 3 2研究方法 选区激光熔化技术 Selective Laser Melting SLM SLM 技术成型原理与选 区激光烧结 SLS 基本相同 作为金属零件3D 打印技术的重要组成部分 两者都可 以直接进行金属零件直接制造 不需要后处理 SLM 成型材料多为单一组分金属粉末 包括奥氏体不锈钢 镍基合金 钛基合金 钴 铬合金和贵重金属等 激光束快速熔化 金属粉末并获得连续的熔道 可以直接获得几乎任意形状 具有完全冶金结合 高精 度的近乎致密金属零件 是极具发展前景的金属零件 3D 打印技术 其应用范围已经扩 展到航空航天 微电子 医疗 珠宝首饰等行业 激光净成形技术 Laser Engineered Net Shaping LENS LENS 技术是在激光 熔覆技术的基础上发展起来的一种金属零件3D 打印技术 采用中 大功率激光熔化同 步供给的金属粉末 按照预设轨迹逐层沉积在基板上 最终形成金属零件 1999 年 LENS 工艺获得了美国工业界中 最富创造力的25 项技术 之一的称号 电子束选区熔化技术 Electron Beam Selective Melting EBSM EBSM 技术是 20 世纪90 年代发展起来的一种金属零件3D 打印技术 其与SLM 系统的差别主要是热 北京科技大学天津学院本科生毕业设计 论文 选题报告 6 源不同 在成型原理上基本相似 与以激光为能量源的金属零件 3D 打印技术相比 EBSM 工艺具有能量利用率高 无反射 功率密度高 聚焦方便等许多优点 在目前 3D 打印技术的数十种方法中 EBSM 技术因其能够直接成型金属零部件而受到人们的高度 关注 国外对EBM 工艺理论研究相对较早 瑞典的Arcam AB 公司研发了商品化的EBSM 设备EBM S12 系列 而国内对EBSM 工艺的研究相对较晚 光固化立体造型技术 stereo lithography apparatus SLA SLA 技术是用特定波 长与强度的激光聚焦到光固化材料表面 使之由点到线 由线到面顺序凝固 完成一 个层面的绘图作业 然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度 再固化另一个层面 这样层层叠加构成一个三维实体 SLA 是最早实用化的快速成形技术 采用液态光固化 树脂原料 SLA 技术主要用于制造多种模具 模型等 还可以在原料中通过加入其它 成分 用SLA 原型模代替熔模精密铸造中的蜡模 SLA 技术成形速度较快 精度较高 但由于树脂固化过程中产生收缩 不可避免地会产生应力或引起形变 因此开发收缩 小 固化快 强度高的光敏材料是其发展趋势 熔融沉积成型技术 fused deposition modeling FDM FDM 技术 该方法使用丝 状材料 石蜡 金属 塑料 低熔点合金丝 为原料 利用电加热方式将丝材加热至 略高于熔化温度 约比熔点高1 在计算机的控制下 喷头作x y 平面运动 将熔 融的材料涂覆在工作台上 冷却后形成工件的一层截面 一层成形后 喷头上移一层 高度 进行下一层涂覆 这样逐层堆积形成三维工件 该技术污染小 材料可以回收 用于中 小型工件的成形 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 主要用于塑料件 铸造用蜡模 样件或模型 分层实体制造技术 laminated object manufacturing LOM 又称层叠法成形技术 LOM 技术它以片材 如纸片 塑料薄膜或复合材料 为原材料 其成形原理为激光切 割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据 将背面涂有热熔胶的片材用激光切割出 工件的内外轮廓 切割完一层后 送料机构将新的一层片材叠加上去 利用热粘压装 置将已切割层粘合在一起 然后再进行切割 这样一层层地切割 粘合 最终成为三 维工件 LOM 常用材料是纸 金属箔 塑料膜 陶瓷膜等 此方法除了可以制造模具 模型外 还可以直接制造结构件或功能件 LOM 技术的优点是工作可靠 模型支撑性好 北京科技大学天津学院本科生毕业设计 论文 选题报告 7 成本低 效率高 缺点是前 后处理费时费力 且不能制造中空结构件 成形材料主 要 是涂敷有热敏胶的纤维纸 制件性能相当于高级木材 主要用途是快速制造新产品 样件 模型或铸造用木模 3 3 预期目的 在3D 打印技术可以打印假肢 汽车 飞机的今天 它还在创造无限的可能 首先 3D 打印技术可以加工传统方法难以制造的零件 过去传统的制造方法就是一个毛坯 把不需要的地方切除掉 是多维加工的 或者采用模具 把金属和塑料融化灌进去得 到这样的零件 这样对复杂的零部件来说加工起来非常困难 立体打印技术对于复杂 零部件而言具有极大的优势 立体打印技术可以打印非常复杂的东西 其次实现了首件的净型成形 这样后期辅助加工量大大减小 避免了委外加工的 数据泄密和时间跨度 尤其适合一些高保密性的行业 如军工 核电领域 再次由于 制造准备和数据转换的时间大幅减少 使得单件试制 小批量出产的周期和成本降低 特别适合新产品的开发和单件小批量零件的出产 这些速度快 高易用性等优势使得3D 打印成为一种潮流 并且在很多领域得到了 应用 如今3D 打印机已经在建筑设计 医疗辅助 工业模型 复杂结构 零配件 动 漫模型等领域都已经有了一定程度的应用 尤其在飞机 核电和火电等使用重型机械 高端精密机械的行业 3D 打印技术 打印 的产品是自然无缝连接的 结构之间的稳 固性和连接强度要远远高于传统方法 事实上 3D 打印技术要成为主流的生产制造技术还尚需时日 3D 打印机21 世纪初的实际使用仍属于快速成型范畴 即为企业在生产正式的产 品前提供产品原型的制造 业内也将这类原型称作手板 据统计 3D 打印机生产的产 品中80 依旧是产品原型 仅有20 是最终产品 虽然3D 打印机技术在21 世纪初已取 得不小的进步 比如材料增多 打印机和原材料价格逐渐下降 但在 2012 年左右 依 旧是一项年轻的技术 在没有变得更加成熟和廉价前 并不会被企业大规模采用 美国和欧洲在3D 打印技术的研发及推广应用方面处于领先地位 美国是全球 3D 打 印技术和应用的领导者 欧洲十分重视对3D 打印技术的研发应用 除欧美外 其他国 家也在不断加强3D 打印技术的研发及应用 澳大利亚在2013 年制定了金属3D 打印技 北京科技大学天津学院本科生毕业设计 论文 选题报告 8 术路线 南非正在扶持基于激光的大型3D 打印机器的开发 日本着力推动3D 打印技术 的推广应用 中国3D 打印设计服务市场快速增长 已有几家企业利用 3D 打印制造技术 生产设备和提供服务 3D 打印在中国还处于初级阶段 从整个产业角度来看 由于缺少龙头企业的带动 作用 政府暂时缺少针对性的扶植措施 整体产业体量还较小 另一方面中国制造业 还处于粗放形式 各个环节对3D 打印技术带来的冲击认识还不足 接受度较低 从发展情况来看 3D 打印至2013 年为止仍停留在 高级玩具 阶段 并没有实现 成熟的产业化 但是 各个区域都非常认可3D 打印技术可能带来的改变 这些改变将 如何影响现有生产 经济 社会模式是值得关注的问题 国内3D 打印主要有清华大学 华中科技大学 西安交通大学 华南理工大学 北京航空航天大学等高校教授带领的科研团队 在他们的引领下 中国 3D 打印取得了 一定的成效 不少3D 打印联盟相继成立 3D