增材制造工艺与应用 课件 任务2认识增材制造的工作流程

增材制造工艺与应用任务2认识增材制造的工作流程项目1增材制造设备基本操作4分组讨论3新课讲授2任务描述1教学目标目录教学目标知识目标：技能目标：素质目标：理解增材制造的工作流程。具有流程优化与问题解决的能力。培养学生分析问题、解决问题的主动思考习惯。任务描述任务描述内容：

了解增材制造的基本工作流程和特点，理解各流程的基本工作内容，区分不同增材制造工艺的具体流程差异，思考学习增材制造的各流程的合理顺序。1、增材制造工艺的基本工作流程

增材制造技术根据路线不同，可分为五个类别：光固化立体造型（SLA）、叠层实体制造（LOM）、三维打印快速成型（3DP）、熔融层技术（FDM）和选择性激光烧结成型（SLS）。

这五种技术路线种，光固化立体造型（SLA）及、熔融层技术（FDM）不断发展突破，已经成为应用较为广泛的增材制造技术。

特别是、熔融层技术（FDM）近年来发展最快，已经普遍推广于大、中、小学教育和工艺美术设计等诸多领域；而叠层实体制造（LOM）和三维打印快速成型（3DP）这两种技术路线基本上没有得到实际应用，研究者也较少。新课讲授知识讲解

虽然技术路线不同，但是五种快速成型技术的基本思路是一致的，即将三维实体离散成二维层片，完成二维打印后叠加形成三维实体。这种制造方式与传统制造方式完全不同，它通过将三维制件转化为简单的二维单元，不需要制作模具，大大减少设计周期，很好地满足了不同客户的需求。

零件的增材制造工艺主要包括以下五个步骤，如图1-16所示：图

1-16AM工艺流程知识讲解（1）建立三维模型

目前，增材制造技术首先要通过三维绘图软件或3D扫描仪等方式先构建三维模型，然后才能被打印。随着增材制造技术的发展，相关的三维绘图软件逐渐丰富起来，有些软件甚至可以将平面照片转化成立体模型，如图1-17所示咖啡杯的3D模型。

有些构形轮廓不规则时，还需要对三维图形进行加工，例如添加支撑以保证打印顺利进行，也有专门的STL修复软件用于解决这一问题，如比利时MAGICS软件。通常三维模型采用*STL格式存储，以便分层软件进行识别和进一步分层。STL文件中应该包含有零件的尺寸、颜色、材料以及其他有用的特征信息。图

1-17建立三维模型知识讲解

获得3D模型的途径：使用三维画图软件去建立模型、从网络下载模型、使用三维扫描设备扫描获得模型。

使用三维画图软件去建立打印模型：要实现3D打印机功能最大化，必须具备使用软件绘图的能力。所谓功能最大化，就是3D打印机新设计的产品，实现设计者的创作意图，而不是一直重复打印同一个东西，或者只能打印网上下载的模型。3D打印之所以又称快速成型技术，并不是因为它的建造速度比传统制造技术快。

假如利用自己制好的模具，采取注塑、挤塑等传统制造技术，几分钟就可以生产一个塑料产品。而3D打印机根据模型的大小需要用几个小时到几十个小时不等的时间才能完成。但是，传统制造技术在制造一个新产品之前必须开模，有力模具材可以生产。通常，开模需要花费好几个月，这个时候3D打印机的几个小时甚至是几十个小时就变得极具吸引力了。因此，使用3D打印机来完成新产品的设计才是它真正的价值所在。知识讲解

现在的绘图软件已有很多，如PROE、3DMAX、SOLIDWORKS、NX等都可以绘制三维模型图，只需要最后输出的格式是*STL格式即可。计算机辅助设计软件产生的模型文件输出格式有多种，常见的有IPGI、HPGL、STEP、DXF和STL等，其中STL格式为增材制造行业通用的文件格式。知识讲解

利用网络下载模型：为了增加用户对3D打印机的使用能力，不少3D打印机制造商开始提供模型下载及打印服务。他们会在网上建立一个平台，自己绘制或者激励懂得绘图的专业人员绘制模型并上传至平台，用户可以直接下载这些模型，用3D打印机打印出来。

有些网站则提供打印服务，为没有3D打印机的用户提供打印服务，为没有3D打印机的用户提供指定的3D打印模型。通过这种方式，越来越多的潜在用户发现3D打印的乐趣，开始使用3D打印机。知识讲解

三维扫描是集光、机、电和计算机于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形、结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标参数。得出大量坐标点的集合称为点云（PointCloud）。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信息，创建实际物体的数字模型，为实物数字化提供了相当便捷的手段，如图1-18所示为各式各样的三维扫描仪。图

1-18各式各样的三维扫描仪知识讲解

以前人们通过拍照来留住特别的时光，自从有了增材制造技术之后，人们开始复制一个小小的自己的立体塑像来留作纪念。在不少大城市已经开始出现这种像馆，成为一种新的时尚。3D照相馆正是应用了3D扫描仪来获得人体外形的打印数据，如图1-19所示。图

1-19通过三维扫描仪获得需要的3D模型知识讲解

目前精确的医学整形外科也可以用三维扫描仪快速获取需要制作假牙、假肢、需要面部整形、矫正等模型数据，如图1-20所示。图

1-20三维扫描仪应用于牙模领域知识讲解3D扫描仪价格仍较为昂贵，并且在操作上需要相当的技术知识，不够简易。目前，网上出现了一些简单的3D扫描模块和软件。例如，有一款名为Itseez3D扫描仪可配合iPad使用，如图1-21所示，Itseez3D让iPad用户可以将家具、鞋、玩具甚至是人体转变为3D模型。这个软件仅需在iPad上加装一个小小的传感器。也有消息称，谷歌和苹果公司都在计划将3D传感技术引入平板电脑中，将来只需要一个平板就可以实现3D扫描。人类社会的广泛需求，必将推动3D扫描仪的迅速发展。图

1-21Itseez3D扫描仪知识讲解（2）数据处理

将已经绘制成型的三维模型，按Z轴竖直摆放，然后采用切片软件把其切成二维层片，切割平面与Z轴垂直。切片时每层的厚度对制件质量及成型时间有着重大影响。由于3D打印为逐层叠加制造，在实际加工时并不会按模拟的连续面线制造，而是采用小台阶式的离散数据取代连续的轮廓线，就像用多边形无限趋近圆形一样。

因此，切片厚度越小，“台阶效应”越不明显，精度也就越高。但是切片厚度也不是越薄越好，厚度太薄，会大大增加成型难度和成型时间。所以，切片厚度需要根据不同机型和制件来调整。而厚度的精准度往往取决于分层件的性能优劣和3D打印设备的精度，分别实现STL文件格式转存和切片处理。知识讲解数据转换及传输：

目前为止，大部分增材制造系统中，获得的打印模型都会转换成STL的文件格式。这种格式由美国3Dsystems公司开发，是和当时的成型工艺相配合的一种较为简单的语言，已经成为当前的增材制造技术标准。自从1990年以来，几乎所有的CAD/CAM制造商都在他们的系统中整合了CAD-STL界面。STL格式数据，是一种用大量的三角面片逼近曲面来表现三维模型的数据格式。STL数据的精度直接取决于离散化时三角形的数目。一般地，在CAD系统中输出STL文件时，设置的精度越高，STL数据的三角数目越多，文件就越大。特别是，面积大的表面需要采用数量较多的三角形逼近，这就意味着弯面部件的STL文件可能非常大。

但是STL文件格式也有很多缺点，在使用小三角形平面来近似接近三维实体，存在曲面误差，缺失颜色、纹理、材质、点阵等属性。2010年，一种更完善的AMF语言格式开始兴起，逐渐取代STL，便于打印机固件读取更为复杂、海量的3D模型数据。知识讲解（3）设备准备

所有的增材制造设备都有一些必要的加工参数设置，尽管有些增材制造设备是专门为几种材料设计的，需要设置的参数非常少，使用过程中仅需要改变及格打印参数如分层厚度。而有一些增材制造设备需要设置的参数比较多，用户可以通过操作软件实现材料的选择、打印速度的设定以及低污染模式等参数的设定。这些设备一般有一些缺省参数或者是上一次加工后保存下的参数，有时尽管参数选择不单不会影响加工的进行，但会一定程度上影响零件的质量。如图1-22所示，数据处理完成后，需要开启打印机，做好打印前的准备工作，同时实现检测若模型有错及时返回修改。图

1-22加工设备知识讲解（4）加工

切片完成之后，系统将根据切片时设定的每层厚度确定各层的高度Z位置，按照切片获得的二维平面图形进行打印加工。

每打印完一层，成型平面相对于成型喷丝头下降一层，然后继续执行下一层打印，以此类推。在此过程中，只要选择合适的技术参数（如温度、速度、填充密度等），就能确保层与层之间粘连良好，即可保证逐层叠加打印成型。在加工过程中只要系统没有检测到错误，零件一般可以顺利的加工完成。知识讲解（5）后处理

零件通过增材制造工艺制作好之后，就需要将零件周边的多余材料清理干净，也要将零件与制造平台分开，同时成型完成后，零件上会有明显的逐层堆积纹路，同时也能存在若干表面缺陷。

例如，由材料本身的胀缩导致的微小形变或应力产生的问题以及由于机械精度原因导致表面的不光洁问题等。这些问题都需要通过后处理予以解决。一般的后处理方式有：打磨、浸喷树脂、瞬时高温气流、溶剂蒸汽等。知识讲解2.其他类型增材制造技术的原理

不同类型的增材制造技术的原理有所不同，因此这些增材制造设备的操作方法也不尽相同。但即便增材制造设备的类型多种多样，但增材制造的基本工作流程是一致的，如图1-23所示，增材制造工艺的全过程可以归纳为三个步骤。图

1-23增材制造的基本工作流程知识讲解（1）前处理

前处理是在增材制造前准备打印文件，主要包括三维CAD数字模型的建立、数字模型的近似处理和分层切片处理，前处理的好坏是获得良好成品的关键。其中三维数字模型是3D打印的基本数据，可通过直接获取、正向建模和逆向建模三种途径获得。

数字模型的近似处理是将三维CAD模型转化为通用STL格式文件，从而使得3D打印和建模相对独立。分层切片处理是将STL模型转化为一系列相互平行的二维截形的图形，以便生成控制3D打印机动作的指令集合。知识讲解（2）分层叠加成型

分层叠加成型是增材制造的核心，也是不同制造工艺的主要区别所在，包括模型二维截面轮廓的制作与叠加。用增材制造设备逐层沉积成型材料来实现模型的几何特征、材质、用途和性能要求，选择最合适的3D打印机类型和最佳的工艺路线。知识讲解（3）后处理

后处理是增材制造成型零件的修整工序，主要提高模型表面质量、改善零件的机械性能。不同的增材制造工艺其后处理过程有所不同，主要包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光和表面强化处理等。知识讲解3.增材制造技术的优势

增材制造技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除一切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。这一技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品，其制造的速度作用越显著。

增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多增材制造设备，目前已有的设备种类达到20多种。该技术一出现就取得了快速发展，在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等多个领域都得到了广泛的应用。其特点是单件或小批量的快速制造，这一技术特点决定了快速成型在产品创新中具有显著的作用。知识讲解与传统的生产方式相比，增材制造技术大有颠覆传统、重塑制造业生产模式的趋势，其优势主要包括：（1）使复杂模型的直接制造成为可能，提高了制造复杂零件的能力，大大提升产品形状和结构的复杂度；（2）使模型或零件的制造时间缩短数倍甚至数十倍，大大缩短新产品研制周期；（3）可以及时发现产品设计的错误，做到早找错、早更改，避免更改后续工序所造成的大量损失，显著提高新产品投产的一次成功率；（4）增材制造让企业以更低廉的成本，快速制造个性化产品。其小批量生产的优势，与现代消费者日新月异的需求更完美地契合；（5）使设计、交流和评估更加形象化，使新产品设计、样品制造、市场订货、生产准备等工作能并行进行，支持同步（并行）工程的实施；（6）解决人才短缺问题和降低生产成本:相较于传统生产方式，增材制造能有效降低生产成本与进入门槛。（7）节省了大量的开模费用，成倍降低新产品研发成本。知识讲解4.增材制造行业发展前景

增材制造产业在国家政策的大力支持下，发展迅速。在3D打印专用材料及装备、增材制造工艺及装备以及增材制造产业与传统制造相结合协同发展方面，国内均取得了较大的突破。目前中国增材制造产业仍处于快速发展阶段，发展前景广阔，主要表现在以下四个方面。（1）国家政策支持

近年来，我国高度重视增材制造技术发展，陆续推出《增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）》《“十四五”智能制造发展规划》等一系列产业政策规划，为我国增材制造行业的发展提供了有力支持，有助于推动增材制造行业进入长期快速增长通道。知识讲解（2）行业生态体系成形

随着行业的发展和应用的深入，围绕增材制造设备、软件、材料、工艺及相关方向逐步形成了行业生态体系，包含增材制造设备的研发、生产，材料的研发、制备，以及去除、回收等工艺及装备，后续加工、精加工、热处理等后处理，与传统加工技术及装备的结合，辅助设计软件、工程处理软件、仿真模拟软件、智能处理软件、云管理平台以及工业化生产和调度的制造执行系统等，各方面充分协同，形成了更系统化的解决方案，推动产业发展。知识讲解（3）行业应用场景潜力巨大

近年来，增材制造的应用已在航空航天、汽车、医疗、模具等多个行业领域内取得了重大进展，并逐步扩展到个性化穿戴等与个体联系紧密的领域。相对传统制造业庞大的应用场景，增材制造的应用场景仍有很大潜力待挖掘，未来随着增材制造在更多领域进行推广并在各行业领域内进一步深度普及，增材制造将获得更广阔的增量市场。知识讲解（4）行业应用不断深化

随着增材制造技术，尤其是金属增材制造技术的进步，行业开始摆脱只能“造型”的限制，而是与众多传统加工制造技术手段一样，成为现代制造的重要工艺，直接生产终端零部件。航空航天、医疗、汽车、模具等工业领域内，开始采用多台增材制造设备作为生产工具来提供批量化的生产服务，与传统制造融为一体，缩短产品生产周期，降低生产成本和提高产品生产效率。知识讲解（5）精度控制技术

增材制造的精度取决于材料增加的层厚和增材单元的尺寸和精度控制。增材制造与切削制造的最大不同是材料需要一个逐层累加的系统，因此再涂层(recoating)是材料累加的必要工序，再涂层的厚度直接决定了零件在累加方向的精度和表面粗糙度，增材单元的控制直接决定了制件的最小特征制造能力和制件精度。现有的增材制造方法中，多采用激光束或电子束在材料上逐点形成增材单元进行材料累加制造，如：金属直接成形中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界气氛控制，直接影响制造精度和制件性能。激光光斑在0.1～0.2mm，激光作用于金属粉末，金属粉末熔化形成的熔池对成形精度有着重要影响。通过激光或电子束光斑直径、成形工艺（扫描速度、能量密度）、材料性能的协调，有效控制增材单元尺寸是提高制件精度的关键技术。知识讲解

随着激光、电子束及光投影技术的发展，未来将发展两个关键技术：

一是金属直接制造中控制激光光斑更细小，逐点扫描方式使增材单元能达到微纳米级，提高制件精度；另一个方向是光固化成形技术的平面投影技术，投影控制单元随着液晶技术的发展，分辨率逐步提高，增材单元更小，可实现高精度和高效率制造。发展目标是实现增材层厚和增材单元尺寸减小10～100倍，从现有的0.1mm级向0.01～0.001mm发展，制造精度达到微纳米级。知识讲解（6）高效制造技术

增材制造在向大尺寸构件制造方向发展，如金属激光直接制造飞机上的钛合金框架结构件，框架结构件长度可达6m，目前制作时间过长，如何实现多激光束同步制造、提高制造效率、保证同步增材组织之间的一致性和制造结合区域质量是发展的关键技术。此外，为提高效率，增材制造与传统切削制造结合，发展增材制造与材料去除制造的复合制造技术是提高制造效率的关键技术。

为实现大尺寸