快速成型技术的应用与发展快速成型技术的应用与发展

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1-6快速成型技术的应用与发展《快速成型技术与应用》本节学习目标了解快速成型技术的主要应用了解快速成型技术的起源和发展

任务六：快速成型技术的广泛应用3D打印在如今的现实生活中已经崭露头角。比如在医学上，3D打印可以用于替换人体各种部分。2014年初，欧洲的医生和工程师就曾利用3D打印制造一个新的人造下颚替换病人的受损下颚。数天后，病人就从手术中恢复过来。同时，德国的研究人员正在开发采用3D打印技术的生物相容性人造血管。目前青岛一家公司发明了一款用于打印巧克力的3D打印机，客户可以根据自己的想法设计食品，随心所欲地享受各种甜点。更为神奇的是，苏州一家科技公司在2014年三月使用一台3D打印机在24小时内打印了超过10栋楼房。有了这台机器，未来不搭脚手架，不需要工人，人们就能完成造房子的事情。想想3D打印真的几乎无所不能！案例1在制造领域中的应用◎新产品开发◎模具制造◎航空航天、汽车制造

应用（1）设计验证与结构、功能验证1.在新产品开发中的应用航空叶片设计验证吸尘器功能验证外形功能装配干涉检验设计合理性验证把设计缺陷消失在设计阶段，提高产品设计质量。应用（2）运动和功能测试1.在新产品开发中的应用用于运动功能测试的凸轮模型用于功能测试的内燃机进气管模型检测内燃机运行效果以评价设计的优劣，然后进行针对性的改进以达到内燃机进气管产品的设计要求。应用（3）单件、小批量新产品试制及市场宣传。1.在新产品开发中的应用客户提供产品样件，进行市场宣传，快速原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。

利用不同类型的成型工艺（SLA、LOM、SLS）等直接制造出模具。然后进行必要的机加工和后处理获得模具所要求的尺寸精度、力学性能、表面粗糙度等。直接快速模具制造方法可制造出树脂模、陶瓷模、金属模等模具。应用（1）直接制作快速模具采用SLS工艺制作高尔夫球头模具及产品2.在模具制造中的应用应用（2）间接制作快速模具电弧喷涂制模2.在模具制造中的应用利用RP原型间接地翻制模具。主要包括软质模具和硬质模具。应用（3）快速铸造模具铸铁手柄的CAD模型和LOM原型2.在模具制造中的应用

直接或间接制造铸造用的蜡模、消失模、模样、模板、型芯或型壳等，然后结合传统铸造工艺，快捷地制造精密铸件。砂型铸造产品及木模3.在航空航天、汽车制造中的应用

直接成型的金属零件在生产过程中因为反复经受局部接近熔点温度受热，内部热应力状态复杂，在成型某些大型细长体，薄壁体金属构件时，应力处理和控制还不能满足要求，实际上到目前为止一直影响3D打印在航空业的应用也正是因为这个原因。我国歼15采用3D打印的零部件西北工业大学研制出的3D打印机翼应用（1）在航空制造业中3.在航空航天、汽车制造中的应用

3D打印在交通工具制造业的应用目前主要体现在汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。应用（2）在汽车制造业上3D打印的汽车STRATI在接受媒体试驾澳大利亚一支科学家团队研发出一种有机可打印的太阳能电池板，虽然只有纸一样薄厚，但其供电能力却不差，据悉，这项技术将减少一些发达国家对传统能源的依赖，同时为发展中国家处于电网之外的偏远地区提供一种小成本高效率的电力来源。4.在太空领域中3D打印的太阳能电池板

如今，3D打印机已经能够将一些特殊零部件采用更经济的方式生产出来，但相对比较小众。今后，或许会有很多制造商，开始尝试利用3D打印技术来进行原型制造以外的应用。5.

3D打印进入大规模生产社会化3D打印大规模生产5.13D打印与工业制造在医疗领域的应用◎3D模型打印

◎体外医疗器械制造◎个性化永久植入物

2应用（1）3D模型打印3D打印的教学模型3D打印的假肢在医疗领域的应用用于教学和病例讨论、模拟手术、整形手术效果比较等应用（2）体外医疗器械制造包括医疗模型、医疗器械——如假肢、助听器、齿科手术模板等。在医疗领域的应用对人体身体部位的复制是高度定制化的产品，通过3D打印，这些部件可以与身体完全契合，与身体融为一体。应用（3）个性化永久植入物3D打印的人体骨骼3D打印出的牙齿治疗罕见疾病患儿2012年2月，密歇根大学附属C.S.莫特儿童医院的医疗队，组织进行了一次不寻常的手术。手术对象是一名出生刚三个月，患有罕见先天“气管支气管软化”疾病的男婴。在莫特儿童医院里的男婴一直戴着呼吸器，他脆弱的气管组织需要被修复或替换，但手术风险太大，更何况对象还是这么小的一个孩子。医疗队联系了这个男婴在阿克伦儿童医院的主治医生，然后很快做出了用3D打印气管换掉故障气管的决定。密歇根大学医疗队层处理过类似的病例，但这一次他们面临更严峻的挑战。医疗队的研究人员先用CT扫描了男婴的胸腔部位，然后制作出该部位的三维图像模型。基于这模型，医疗队制作和打印出了一块小“夹板”，用来加固男婴脆弱的气管，同时保持气管畅通。这“夹板”坚固且柔软，能够随着男婴的成长而变大。研究人员称，“夹板”要在男婴胸腔内呆三年，直到破损的气管痊愈。因为“夹板”使用一种对人体无害的可溶性材料制成，男婴的气管痊愈后，“夹板”便会在其体内溶解掉。将“夹板”植入男婴体内的三周后，戴着呼吸器的男婴被送回了家中。2013年5月，据《新英格兰医学杂志》报道，男婴已在如常人般长大。案例

3D打印成功救助气管软化婴儿（4）细胞打印1）为再生医学、组织工程、干细胞和癌症等生命科学和基础医学研究领域提供新的研究工具。2）为构建和修复组织器官提供新的临床医学技术，推动外科修复整形、再生医学和移植医学的发展。3）应用于药物筛选技术和药物控释技术，在药物开发领域具有广泛前景。落文字

2013年，康奈尔大学使用3D打印打印出了世界第一个耳朵。他们利用计算机扫描出患者对侧正常耳朵，然后使用3D打印机打印出对称的耳朵模型，在此模型里注入胶原蛋白，作为软骨生长的支架。这样做出来的耳朵形状合适，外观美观。应用（4）3D打印生物组织的材料3D打印的耳朵

3D打印机生产人造血管：现在人造器官的研究已经相当可观了，但是出现了一个难题：如何在里面架构血管以输送营养物质并排泄代谢废物。德国的一个团队目前找到了一种解决方案：用3D打印机打印一些毛细血管出来。研究人员用细胞介质冲洗人造血管在建筑领域的应用3◎打印建筑模型

◎打印真实建筑

中国3D打印建筑技术全球第一？估计我们还不知道，外媒已经给咱们国家的一家科技公司安上了这么一个头衔。苏州一家科技公司在去年三月的时候就在24小时内打印了超过10栋楼房。而如今，这家公司进一步展示了他们的3D打印楼房技术：一套3D打印的别墅以及一幢五层楼的楼房。3D打印建筑机器用的“油墨”原料主要是建筑垃圾、工业垃圾和矿山尾矿，另外的材料主要是水泥和钢筋，还有特殊的助剂。被人们称为“吃进去城市建筑垃圾或沙漠，吐出来美丽的房子”。打印过程是打印机根据电脑设计图纸和方案，层层叠加“油墨”喷绘相关结构件。之后再将相关构件运送到现场，进行吊装。据报道，打印这些建筑的打印机高6.6米、宽10米、长32米，底面占地面积相当于一个篮球场。案例（1）打印建筑模型在房屋建设中，为了更好地表达设计意图和展示建筑结构，设计图纸与建筑模型是必不可少的。以往手工制作的模型，大多精度不够，而3D打印技术则弥补了其不足，3D打印出的建筑模型更加立体、更加直接，能更好地表达设计者的思想。落文字（2）打印真实的建筑所谓3D打印建筑，就是通过3D打印技术建造起来的建筑物，由一个巨型的三维挤出机械构成，挤压头上使用齿轮传送装置来为房屋创建基础和墙壁，直接制造出建筑物。落文字

抗震性能大大增强

节省建筑材料

设计可以突破常规

建筑成本更低优势二优势三优势四优势一3D打印建筑优势如果3D打印时代来临，设计师想要保护自己的版权将变得非常困难，这就像是有人会购买一部电影然后将其分享在网络上一样，大多数的结构都可以扫描并进行分享，虽然这现在还不是个大问题，但这一天早晚会来临。建筑设计师的版权问题目前，对于3D打印枪支、器官等的讨论，已经上升到了伦理的高度，虽然3D打印建筑并没有这些问题，但是，更需要对内部结构、综合强度、刚度、防火性等进行综合考量，新型“油墨”打印的建筑，其刚度、强度和耐久性等综合性能还待进一步验证。

存在不小的安全隐患3D打印机所消耗的电力能源非常巨大，所需电能是传统铸造方法和加工方法的好几百倍之多，3D打印机并不会在短时间内减少我们对煤电能源的使用。存在大量吞噬能源问题3D打印建筑局限3D打印的“油墨”的构成主要是高标号水泥和玻璃纤维，而某些国家禁止建筑大量使用玻璃纤维，因为玻璃纤维会影响人体呼吸系统，这些粒子可以在人体的肺部、血管中沉积下来，会影响到人体健康。容易产生有害排放物

最大的问题还是责任划分的问题，如果3D打印建筑发生了上述种种问题，那么谁应该承担这个责任呢？制造商的责任划分问题3D打印建筑局限：在建筑行业里，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，这种方法速度快、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。

2016年6月29日，在北京通州诞生了世界上第一个用3D打印机打印的房屋，与之前国内外的3D打印建筑不同的是，这个别墅是打印机现场打印的，而不是提前打印好然后拼接。这栋已经建成的400平米两层别墅，真正的施工时间45天。墙体厚度250cm，高度两层，每层高3米，基础和墙体用钢筋20吨，混凝土C30标号，380立方米，全程由电脑程序操控，经检测其抗震级别达到八级以上。相较于传统的建筑形式，3D打印房屋没有原料的浪费，工业垃圾少，在很大程度上降低了工程总造价，节约去织模建模成本。案例（1）塑造梦中之屋世界首个3D打印屋可抗八级地震3D打印城市规划

荷兰阿姆斯特丹的建筑师们已经开始通过3D打印技术制造出世界上首个全尺寸3D打印房屋了。建筑师们专门通过一台大约3.5米高的超大号3D打印机来生产塑料材质建筑部件，最后搭建成一栋由13间房间组成的荷兰风情运河小屋。苏州一家科技公司在2014年三月在24小时内打印了超过10栋楼房。2015年初，这家公司进一步展示了他们的3D打印楼房技术：一套3D打印的别墅以及一幢五层楼的楼房。案例（2）建造现实住宅建造现实住宅3D打印的别墅3D打印的楼房点评想一想：你觉得未来城市建筑长什么样？在消费领域的应用◎食品领域◎服装领域◎个性化产品

4在消费领域的应用应用（1）食品领域3D打印肉类（每块都一样）3D打印的巧克力3D打印的蛋糕

人们可以借助3D食品打印机利用巧克力或其他食材为原料进行打印。在消费领域的应用应用（2）服饰领域自从2010年荷兰设计师在伊里斯·凡·赫本在阿姆斯特丹时装周时装周上首度发表3D打印服装之后，3D打印的服装就开始不断涌现，近日，以色列申卡尔设计与工程学院学生DanitPeleg设计了一系列3D打印的服装，将科技与艺术完美地结合在了一起。3D打印的裙子著名体育用品生产商Nike公司推出了世界第一双应用3D打印技术制造的足球鞋，命名为VaporLaserTalon，球鞋基板的制作应用了名为SelectiveLaserSintering选择性激光烧结技术，利用高能激光将多种塑胶材料直接融合烧制而成，相比传统工艺产品不仅重量更轻（仅重158.75g）,且制造耗时更少。Nike宣称VaporLaserTalon球鞋拥有传统方法无法达成的复杂工艺，能够帮助足球运动员在前十步之内就获得更快的加速度。应用（2）服饰领域Nike首款3D打印鞋5.13D打印与工业制造在消费领域的应用应用（3）个性化产品包括生活用品、家居用品、珠宝、人像等。3D打印个性化产品

利用3D打印技术，来帮自己开一家创意饰品店是不是够新奇呢？3D打印不但保证了商品设计上很有创意，而且在大家都关心的成本上也低了很多，非常值得体验，这样的例子也已屡见不鲜。3D打印——更多创新的商品店

3D打印的趣味开瓶器

快速成型技术与模具、数控加工、铸造等制造手段一起，已成为产品快速制造的强有力手段，在轻工产品、航空航天、汽车摩托车、家电、建筑、生物医疗等行业得到了广泛应用。

快速成型需求行业占比&

课堂讨论（时间：20分钟）说一说你小时候有没有哪些想要实现的天马行空的愿望？你觉得3D打印机可以帮你实现吗？

任务七：快速成型技术的发展成长发展期产生期广泛应用期３D打印发展历程19世纪80年代80年代到21世纪21世纪后期1986LOM技术SLA工艺19871988FDM技术3DSysterms开发第一台商业3D打印机19893DP技术SLS技术DTM公司成立19901991LOM工艺成型机售出1992SLS技术系统机售出（DTM公司）FDM技术系统机售出（Stratasys公司）

1995

1996

1997

1998

1999ZCorporation开发基于3DP技术系统机(麻省理工学院独家授权)ZCrop推出产品Stratasys推出产品初期产品发布期技术&产品上升期2000200120022003200420052006

20072008

200920103DSystems收购DTMZCorp推出全球首台高清彩色产品Reprap开源项目启动Reprap1.0达尔文Reprap2.0孟德尔Reprap3.0赫胥黎ObjectPolyJet技术发布Object推出Connex500全球首台同时使用不同材料打印机201020113月打印房子的3D打印机5月全球首台3D生物打印机11月史上第一台3D打印轿车3月巴黎时装周发布3D打印服装5月Stratasys收购Solidscape6月世界上最小3D打印机首例人体安装3D打印金属下颌骨20117月第一台巧克力3D打印机8月全球首架3D打印飞机11月3D骨骼打印机3DSystems收购ZCorporation20123月双光子光刻技术突破打印极限4月Stratasys宣布与Object合并4月3D打印牙齿矫正“隐适美”4月3DS推出首款开箱即用3D打印机Cube20127月NASA测试3D打印机7月3D打印手枪9月FORM1发布20132月3D打印人造耳朵2月纳米级3D打印机3月D打印足球鞋3月全球首款3D打印笔20136月Stratasys宣布与MakerBot合并11月3DSystems收购PhenixSystems11月全球首支3D打印金属枪◎1990年华中科技大学王运赣教授在美国参观刚问世不久的快速成型机，之后便成立快速制造中心，研究纸材料的快速成型设备。◎1994年华中科技大学研制出国内第一台基于薄材纸的LOM样机。◎1995年西安交大卢秉恒教授研发出在汽车制造业中应用的样机。◎我国3D打印技术起步并不晚，像颜永年、王运赣、卢秉恒教授都是早期就加入研究的先驱。中国３D打印发展历程总体而言，我国在核心技术有先进的一面，但在产业化方面的发展还稍显滞后。经过20多年的发展，这个产业以美国、以色列、德国领跑全球，中国紧随其后。

清华大学颜永年，1962年毕业于清华大学机械工程系。1988年，颜永年时年49岁，已经有了深厚的锻压专业背景，在美国加州大学洛杉矶分校（UCLA)做访问学者，原本是去学习工程陶瓷。他在一次工业展会上首次接触到快速成形技术（rapidprototyping),这项技术引发了他极大的兴趣，于是回国后专攻3D打印。1988年底他在清华大学成立了国内首个快速成形实验室，建立了清华大学激光快速成形中心，他带领的50多人团队是当时清华大学最大的科研团队。在1990年至2000年的十年期间，颜永年团队在3D打印领域取得了非常瞩目的成就。1992年，完成了对用户开放的RPM(快速成形与快速制造）研究与开发平台。随后又开发了“M-RPMS-multifunctionalrapicrototypingmanufacturingsystem(多功能快速原型制造系统）”，这也是我国拥有自主知识产权的世界上唯一拥有两种快速成形工艺的系统。接着颜永年团队继续完善技术，推出了改进型pM-RPMS-II并顺利完成产业化，在世界上首先完成无木模铸型制造工艺的研究。1998年，颜永年提出“生物制造工程”的概念，并研发了多台生物材料快速成形机，团队成功制作了耳郭支架、人造骨骼、血管、心肌等，将快速成形技术引入生命科学领域。2012年，74岁的颜永年将研发重点放在选择性激光熔化（SLM)与激光熔敷沉积成形（LCD),开始了金属3D打印产业化的工作。

北京航空航天大学王华明，1989年获中国矿业大学北京研究生部矿山机械工程专业博士学位，1992年中国科学院金属研究所博士后出站到北京航空航天大学工作，同年获德国“洪堡基金”，赴爱尔兰根－纽伦堡大学工学院金属科学与技术研究所工作。2005年，王华明团队成功实现三种激光快速成形钛合金结构件在两种飞机上的装机应用，使我国成为世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形装机应用技术的国家。2012年1月18日，王华明教授主持的“飞机钛金大型复杂整体构件激光成形技术”项目获得国家技术发明一等奖。十几年来这个团队致力于飞机、发