《现代工程训练教程》习题及答案 第11章 3D打印

第十一章3D打印11-1简述3D打印的工作原理。3D打印技术因其成型系统种类和成型材料不同，成型原理也各有不同。但其基本原理都是一样的，那就是“分层制造，逐层叠加”，类似于数学上的积分过程。其工作原理是将物体的三维模型数据进行逐层切片，得到各层的二维轮廓信息，并自动生成加工路径；然后逐层打印对象，层与层之间用不同方式进行粘合，叠加后形成完整物体。11-2简述3D打印的显著特点。相比传统制造技术，3D打印技术具有以下特点：（1）不受零件结构限制，可实现任意复杂形状产品的自由制造。（2）能够快速将设计概念转化为功能原型，进行产品设计评估与功能验证。（3）深度赋能定制化产品，满足用户个性化体验与价值创造。（4）能够在保证性能的前提下显著减轻部件重量，实现轻量化制造。11-3正向设计3D打印模型的建模软件有哪些？正向建模是一个将概念构想创建为三维实体的过程。正向设计流程一般是设计者对要设计的产品进行功能分析，得出结构参数，运用三维建模软件建立实体模型。常用三维建模软件包括NX、SolidWorks、CATIA、3DMax和Rhino。该类建模软件的特点是利用一些基本几何元素，通过平移、旋转、拉伸、布尔运算等系列特征来构建复杂的三维实体。11-4常见的3D打印主流工艺包括什么？根据《增材制造工艺分类及原材料》国家标准，3D打印工艺分为材料挤出、立体光固化、粉末床熔融、薄材叠层、材料喷射、黏结剂喷射和定向能量沉积七大类。其中，材料挤出工艺是应用最普遍的一种类型，其核心是通过喷嘴挤出热塑性线材来实现原型制作，代表性技术是FDM技术。立体光固化工艺主要是通过光聚合作用固化液态树脂来获得成型件，其代表性技术包括SLA技术、DLP技术和CLIP技术。通过选择性熔化烧结粉末材料来实现零部件成型的工艺是粉末床熔融工艺，其代表性技术主要是SLS技术和SLM技术。鉴于以上三种成型工艺应用相对普遍，在此重点对材料挤出工艺、立体光固化工艺和粉末床熔融工艺进行总结。11-5简述FDM技术的工作原理与特点。熔融沉积成型技术，简称FDM技术，是材料挤出工艺的代表性技术。在计算机控制下，线材由供丝机构送至喷头，并在喷头中受热熔化至半流体状态挤压而出，有选择性地涂覆于工作平台（X-Y），经快速冷却后形成第一层截面。第一层截面成型后，工作台下降一定高度（Z），由喷头继续涂覆，经层层堆积后形成实体模型。随着高度的持续增加，分层轮廓面积和形状不断发生变化，当变化较大时，前一层轮廓不足以支撑当前轮廓截面，此时就需要设计添加辅助结构—支撑，以便模型的顺利成型。FDM技术的关键是将喷头中喷出的材料温度控制在稍高于凝固点1~5℃的状态。通俗讲，即保持材料始终处于熔融状态。过高或过低的温度均不利于模型的成型。温度过高，易出现成型精度低、产品变形等问题；温度过低，则会直接导致熔化材料堆积于喷头，使喷头处于堵死状态，成型失败。11-6简述SLA技术的工作原理。SLA技术与FDM技术之间有什么区别？立体光固化工艺是一种利用激光器发射激光促使光敏树脂发生聚合反应从而完成模型固化的成型技术。3D打印机使工作平台处于液槽中的一个确定深度，由计算机控制激光器发出激光，激光聚焦后形成的光斑根据零件分层轮廓信息逐点扫描，使光敏树脂发生聚合反应而固化，形成第一个物理薄层。此时，刮刀刮过零件表层，刮平表面黏度较大的树脂溶液。随后，工作台下降一定高度，使激光形成的光斑重新照射在树脂上，形成新的薄层。如此循环，直至零件成型。随后，将零件轻轻取出，利用电镀、喷漆、着色等方法进行表面再处理，得到最终产品。SLA技术与FDM技术之间的区别对比维度SLA技术FDM技术工作原理激光束或紫外光斑逐点扫描光敏树脂表面，使特定区域固化成型。将热塑性线材在喷头内加热熔融挤出，逐层堆积冷却固化。使用材料液态光敏树脂固态热塑性线材成型质量可打印出细节丰富、表面光滑的高精度零件，层纹不明显，适合展示模型和精细零件。成型件可见明显的阶梯纹，表面比较粗糙，需进行打磨处理才能获得较好的表面质量。机械性能树脂通常较脆，长期暴露在紫外线下可能老化变脆性能更接近传统塑料，具有良好的强度和韧性，适用于功能测试和承重件后处理打印后需用酒精清洗残留树脂，需进行二次固化才能达到最佳性能。主要是移除支撑结构，以及对表面进行打磨、抛光等。应用领域手板验证、珠宝铸造、齿科牙模、精密零件、动漫手办。概念验证、功能测试、教育创意、低成本零件、简易工装夹具11-7简述3D打印的完整工艺过程。以FDM技术为例，介绍3D打印工艺流程，主要体现为前处理、原型制作和后处理三个阶段。（1）前处理1）进行三维建模并输出STL文件，获取数据源。2）将模型载入切片软件完成模型文件的校验与修复。3）从模型精度、强度、支撑施加及成型时间等方面确定模型摆放方位。4）确定分层参数，执行切片功能，并对模型文件进行存储。（2）原型制作1）开启设备，连接计算机，载入打印模型。2）对设备归零预热，并执行打印命令。3）成型结束，取出模型。（3）后处理1）利用工具去除支撑，打磨模型，使模型获得较高的表面质量。11-83D打印时需要考虑哪些工作参数？3D打印需要考虑的参数主要包括层厚、壁厚、填充率、支撑和工作温度。（1）层厚不同层厚具有不同效果。层厚越小，精度越高，成型时间越长；反之精度越低，成型时间越短。对于精度要求不高的模型，推荐层厚值为0.25mm；对于精度要求较高的模型，推荐层厚值为0.1mm。（2）壁厚壁厚与模型强度直接相关。壁厚越大，强度越高，成型时间越长；反之强度越低，越容易开裂。对于强度要求不高的模型，建议壁厚设置为2mm；对于强度要求较高的模型，壁厚可设置为4mm。（3）填充率填充率与强度成正比，填充率越大，强度越高，材料消耗越多，模型就越重；反之填充率越低，强度越低。一般情况下，填充率不建议采用100%或10%以下填充，推荐值在15%~20%之间。（4）支撑按照添加方式的不同，支撑分为外部支撑和内部支撑。外部支撑是坐落于平台上的支撑，内部支撑是坐落于模型本体上的支撑。为保证模型的顺利成型，必要时选择完全支撑，即同时设置内外支撑。（5）工作温度对于PLA材料，要求平台板温度控制在60℃左右，喷嘴温度控制在180~220℃之间；对于ABS材料，要求平台温度控制在100℃左右，喷嘴温度控制210~250℃之间。11-9简述3~4项工作参数对模型性能产生的影响。（1）层厚层厚是决定模型表面质量的关键参数。层厚越小，成型层越多，成型质量越光滑，细节表现力越强，但成型时间也会显著延长。层厚越大，层纹越明显，模型表面会呈现“阶梯效应”，但成型速度会更快。一般情况下，较小的层厚会使层与层之间的结合更为紧密，可能会略微提升Z轴的抗拉强度。（2）工作温度工作温度是影响模型性能的核心参数。温度过高，可能会导致材料降解、拉丝或零件变形。温度过低，则会使材料熔融不充分，层与层之间无法牢固粘结，导致层间结合力弱，模型易从层纹处开裂，机械强度大幅下降。合适的打印温度能够确保材料顺畅挤出并与前一层良好融合，同时减少拉丝和翘边现象。（3）填充率填充率直接决定成型件内部的实心程度。填充率越大，成型件越坚固，但耗材越多、打印时间越长。填充模式直接影响成型件的各向异性强度和抗冲击性能。例如，蜂窝形状的填充模式通常能以较低的密度提供优异的强度重量比。11-10试述3D打印技术未来发展的趋势及面临的挑战。（1）3D打印技术的发展趋势1）从快速原型向终端产品直接制造转变随着3D打印技术的快速发展，特别是成型材料在性能上的不断突破，3D打印技术开始从快速原型制造向终端产品直接制造发展。在众多的3D打印工艺中，以激光近净成型技术、选择性激光熔融、电子束熔炼技术等为代表的金属3D打印技术成为零部件直接制造领域的研究热点。与传统铸造、锻造等工艺相比，金属3D打印技术不仅适合制造形状复杂的零件、大型薄壁件、轻量化零件等，还能够制造钛合金、镍基高温合金等特种合金零件以及个性化生物零件，在航空航天、汽车制造、核电、造船、医疗器械等许多领域具有十分广泛的应用前景。2）3D打印成型材料多样化、通用化、标准化3D打印材料是制约当前3D打印产业化的关键因素。3D打印行业面临着材料种类少、不能通用、质量没有相应标准等突出问题。未来3D打印成型材料应当克服这些问题，朝着多样化、通用化和标准化的方向发展。首先，材料多样化。与传统材料相比，3D打印材料种类依然相对较少。发展全新的3D打印材料，例如组织工程材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料以及其他传统方法难以制作的复合材料成为当前3D打印材料研究中的热点。其次，材料通用化、开源化。目前3D打印工艺使用的材料大部分是由各设备制造商单独提供，部分厂家甚至将设备与材料进行绑定销售。不同厂家的材料通用性很差，而且材料成型性能还不十分理想，阻碍了3D打印产业的健康发展。因此，开发性能优良的3D打印成型材料，并使其系列化、通用化、将能极大地促进3D打印产业的发展。3）3D打印使产品生产走向个性化、定制化个性化制造是3D打印技术区别于传统制造技术的主要优势之一。3D打印个性化制造最有前景的领域之一就是医学与医疗工程，将会引发医学革命。这是因为医疗行业对于个性化、定制化具有显著的需求，而个性化、小批量和高精度恰好是3D打印技术的核心优势。利用3D打印技术可以制造器官、骨骼等实体模型，用来指导手术方案设计，也可以直接打印皮肤、血管和心脏等人体器官，具有十分广泛的应用前景。另外，随着人们生活水平日益提高，个性化、多样化的消费需求渐成主流，利用3D打印技术也可以满足人们在家电汽车等消费领域的个性化定制产品的需求。（2）3D打印技术面临的挑战随着3D打印技术的快速发展，在过去30年中，全球3D打印产品和服务已形成数十亿美元的市场规模，并将继续在全球范围内呈现高速增长的趋势。与此同时，虽然3D打印产业已经形成一定规模，但是3D打印技术距离大规模普及应用还存在一定差距，主要存在以下几个问题：1）打印速度较慢。目前3D打印机的速度较慢，主要