3D打印与数字化设计 课件 12增材制造技术应用

增材制造技术的应用课前讨论1.你身边有哪些事物是工业制造产生的？2.你知道什么是模具吗？什么是分型面呢？3.如果给你一台3D打印机，你最想要一台什么3D打印机来改善你的日常生活？课前讨论2课程内容1增材制造技术的特点2模具领域的应用3生物医学领域的应用45艺术设计领域的应用其他领域的应用31增材制造技术的特点41增材制造技术的特点5231■操作工序上传统的制造工艺是对原材料进行剪裁、拼接后连接而成；3D打印是通过软件设计，一层一层堆积材料把产品做出来。■制造模式上传统制造业是生产线规模化生产；3D打印是个性化的定制生产；■生产成本上3D打印无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，大幅减少材料浪费，提高生产效率和降低生产成本。传统制造业与3D打印的区别1增材制造技术的特点增材制造技术即3D打印，是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，技术的应用不外乎技术本身的优势所在，但一般来说，没有一项技术是万能的，作为一种产品制造技术或加工方法，增材制造技术的主要优点有：增材制造不受产品零件形状的限制加工余量小，材料利用率高成型件组织细密、性能优异零件生产周期短62模具领域的应用模具是以特定的结构形式通过一定方式使材料成型的一种工业产品，同时也是能成批生产出具有一定形状和尺寸要求的工业产品零部件的一种生产工具。快速模具制造是以3D打印技术为核心并由其发展而来的一类模具快速制造的新方法、新工艺。其目的是为开发、试制新产品以及小批量生产提供快速、低成本的模具。快速模具制造分为直接制造模具和间接制造模具。72模具领域的应用直接制造模具是指模具直接由3D打印获得。例如SLS直接制模。间接制造模具是指以增材制造技术制造的快速原形零件为母模，采用直接或间接的方法，实现硅胶模、金属模、陶瓷模等模具的快速制造。82模具领域的应用快速模具制造与传统模具制造相比，主要优点如下所示：制模周期短；制造成本降低；更大设计自由度；9图9.3快速模具制造工艺流程图2.1硅橡胶快速制模硅橡胶模具的快速制作是RT技术中非常重要的一种方法。硅橡胶模具由于具有良好的柔性和弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度或具有倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件，在制件浇注完成后均可直接取出，这是硅橡胶模具相对于其他模具来说具有的独特优点，同时由于硅橡胶具有耐高温的性能和良好的复制性和脱模性。因此，在塑料制件和低合金件的制作中具有广泛的用途。硅橡胶模具的制作采用快速原型零件作母模，采用硫化的有机硅橡胶进行浇注，直接制作成硅橡胶模具，这种快速翻制硅橡胶模具的方法(间接制模方法)是快速制模技术中一种重要的制模方法。103D打印制件硅橡胶浇注硅橡胶模具模拟分析CAD建模2.1硅橡胶快速制模硅胶模制作方法主要有真空浇注法和简便浇注法。普通硅橡胶浇注时会产生很多气泡，影响成形品质，为此常采用真空浇注法。真空浇注法又分为刀割分型面制作法和哈夫式制作法两种。112.1硅橡胶快速制模刀割分型面制作法刀割分型面制作法适用于透明硅橡胶、分型面比较规则的情况，其制作步骤如右图所示。12使用透明硅橡胶浇注模具的步骤1模框与原型样件的间距2浇注系统3支撑模具的横梁4排气口5着色胶带标志的分模线6模框7原型样件8透明RTV硅橡胶9着色胶带10锁栓和定位线用于切成分模线2.1硅橡胶快速制模哈夫式制作法哈夫式制作法适用于不透明硅橡胶或分型面形状比较复杂的情况，如下图所示的透明勺子，刀割分型面的方法很难使刀割的轨迹与实际要求的分型面相吻合，因此采用哈夫式制作法较为合适。13图9.7利用橡皮泥的哈夫式制模法1出气口2浇注系统3硅橡胶4出气口5模框6模具分型线7橡皮泥2.1硅橡胶快速制模简便浇注法①在普通工作室中，混合少量的硅橡胶和固化剂；②将混合后的硅橡胶涂覆在母体的表面，构成厚度为1～2mm的薄涂层；③在固化过程中，使涂覆的硅橡胶层充分脱气，用刀片或针划破无法自行消失的气泡；④待该薄层硅橡胶模初步固化和脱气后，将大量混合的硅橡胶和固化剂注入固定有原型零件的模框内，构成模具。⑤待硅橡胶模初步固化后，称去原型零件，再将硅橡胶模置于烘箱中，使其完全固化。142.1硅橡胶快速制模硅胶模的制模工艺基于快速成形与硅胶模技术快速制作塑料件的工艺流程如右图所示，硅胶模的制作过程主要包括下面三个阶段：15制作定型样件制作硅橡胶模具真空注型基于快速成形与硅胶模技术快速制作塑料件的工艺流程2.1硅橡胶快速制模制作硅胶模的注意事项在硅胶模的制作过程需要注意以下事项：（1）脱模操作要小心（2）原形零件应满足一定的性能要求（3）选择合理的浇注方式（4）模具必须放置平整（5）尽量减少气泡问题（6）避免粘模16基于快速成形与硅胶模技术快速制作塑料件的工艺流程2.1硅橡胶快速制模硅胶快速制模的特点：（1）易于操作（2）快速性（3）高柔性（4）离散性佳（5）耐高温（6）硅橡胶制模成本低（7）可以更好地发挥RP技术的优势（8）为并行工程的实施创造良好的条件（9）可提高硅橡胶模具质量（10）制件性能优良172.2金属电弧喷涂快速制模电弧喷涂制模技术是一种基于电弧喷涂、3D打印、数控加工和材料科学技术的经济、快速的模具制造工艺，是通过电弧喷涂工艺制作模具金属外壳，并通过材料累加方法制造出具有材料梯度、功能梯度机构的模具，是一种近净成形的模具制造技术。可用于金属冲压模具、热压成形模具以及塑料模具等。其制模的技术工艺流程如下图所示：182.2金属电弧喷涂快速制模电弧喷涂是利用在喷涂金属丝材端部产生的电弧来直接熔化喷涂金属，然后用压缩空气流对熔化的喷涂金属进行雾化、喷射，从而在原型表面形成涂层。其原理如下图所示：19（a）电弧喷涂原理简图（b）电弧喷涂枪结构简（c）电弧喷涂设备系统简图2.2金属电弧喷涂快速制模在电弧喷涂过程中，高压空气一方面使飞行中的熔融金属液滴易于散热而降温，另一方面也对涂层和基体有冷却作用。电弧喷涂制模工艺实质上是利用电弧熔化金属材料，并用高压空气将液态金属吹覆在样件的外表面，形成一层金属壳，然后利用填料将金属壳体填充为实体模具。下图为基于电弧喷涂快速制模技术的样件工艺流程：202.2金属电弧喷涂快速制模电弧喷涂快速制模工艺的主要优点如下所示：21制模周期短02024231模具性能好电弧喷涂制模成本低模具制作工艺简单2.3金属树脂快速制模金属树脂模具就是以环氧树脂与金属粉填料（如铝粉、铁粉、铜粉）为基体材料，以样件为基准浇铸而成的模具。具有热传导率高、强度高、加工工艺简单、成本低的特点。金属树脂模具的浇注工艺如右图所示：222.3金属树脂快速制模金属树脂制模常见问题及解决办法（1）脱模困难，解决办法是均匀涂布脱模剂。（2）表面粗糙度差，解决办法提高原型表面的光洁度；选用较好的胶衣树脂；均匀涂布脱模剂，既不要有遗漏，又不要留痕迹；在负压下浇注树脂混合体。（3）表面胶衣层与基体产生分离现象，解决办法在胶衣树脂刚开始固化但还有粘性时进行浇注。（4）表面裂纹，解决办法是选择正确的固化工艺。（5）模具表面有微凸起，解决办法在对石膏型表面均匀涂布封闭剂，不要有遗漏。（6）填料沉淀、混合体分层，解决办法一是在混合体中加入适当的促进剂，以缩短浇注料的凝胶时间，二是加入ASA防沉降剂。（7）模具尺寸精度较差，解决办法是通过实验掌握成型材料、金属环氧树脂混合体、过渡模材料的固化变形规律，最大可能地消除尺寸误差，以确保模具型腔的最终尺寸与制件尺寸相吻合。232.4等离子喷涂快速制模等离子喷涂与电弧喷涂工艺相比，区别在于采用等离子加热替代了电弧加热，其他方面基本类似。原理如下图所示：工作气体（如氩、氦、氢或氮）通过气路系统进入喷枪，金属或非金属（如陶瓷）粉末状喷涂材料借助送粉气流（一般用氩气或氮气）送入喷枪。工作时，在钨电极和喷嘴之间的工作气体被电离，产生高温等离子弧（其中的正、负离子数相等），从而熔化粉末，并使其跟随高速火焰流喷射到需喷涂的工件表面。242.4等离子喷涂快速制模等离子喷涂与电弧喷涂工艺相比，区别在于采用等离子加热替代了电弧加热，其他方面基本类似。制模过程如下图所示：25母体喷涂填充凹槽喷涂填充脱模2.4等离子喷涂快速制模等离子喷涂快速制模的特点（1）等离子弧的能量高度集中不仅可以喷涂金属粉末，也可以喷涂陶瓷粉末或金属与陶瓷的复合粉末。（2）可以制作型腔带有精密表面图案的模具。（3）等离子弧气氛可控，可使用还原性气体和惰性气体作为工作气体。（4）制作周期短，工艺过程简单，模具制造成本低。2642312.5铸造模的快速制模技术27基本原理是利用3D打印技术直接或间接打印出铸造用的消失模、蜡模等，然后结合传统铸造工艺，快速铸造出金属零件。快速铸造技术的工艺流程如右图所示。3D打印与铸造工艺的结合充分发挥了3D打印速度快、成本低、可制造复杂零件且不受形状、大小影响、成本低廉的优势。2.5铸造模的快速制模技术28砂型铸造过程如右图所示，采用的模型常有木模型和金属模具两种。木模型常用于单件、小批量铸造生产，金属模型可用于大批量铸造生产。快速砂型铸造是利用树脂模样，代替木模或金属模制作砂型或者砂芯进行实型铸造，也可用作消失法铸造代替模型，用于造型后不易起模、精度要求较高的铸件，从而实现砂型铸造的快速化。2.5铸造模的快速制模技术增材制造技术与传统熔模铸造结合形成快速熔模铸造。快速熔模铸造技术工艺过程的应用示例如图所示。29图9.30快速熔模铸造的工艺过程（a）零件的三维数模，（b）SLA原型制作、后处理，（c）模型组树，（d）制壳，（e）熔烧脱树脂，（f）铸件2.5铸造模的快速制模技术石膏型铸造是将熔模组装，并固定在专供灌浆用的砂箱平板上，在真空下把石膏浆料灌入，待浆料凝结干燥后即可脱去熔模，再经烘干、焙烧成为石膏型，在真空下浇注获得铸件，适于生产尺寸精确，表面光洁的精密铸件。增材制造技术与传统石膏型铸造结合形成快速石膏铸造。利用SL光固化原型作为石膏型的蜡模，可以制作复杂件和精密件，如图所示。303生物医学领域的应用

3.1医学模型快速建造利用3D打印技术，可将医学道具、模型、用品等材料通过计算机影像数据信息形成实体结构，用于医学教学和手术模拟。31图9.32（a）3D打印的心脏实物模型，（b）3D打印手术“导板”3生物医学领域的应用

3.2组织器官替代品制作人体组织器官制造需要“细胞打印”技术，即是增材制造技术与生物制造技术的有机结合，解决了传统组织工程难以解决的问题，利用计算机控制含细胞液滴的沉积位置，在指定位置逐点打印，层层叠加形成三维多细胞/凝胶体系。该技术对材料的要求很高，但目前已有一些成功的案例，比如复制人体骨骼、人造血管等。32图9.33（a）3D打印的人造血管，（b）3D打印的人造下颌骨，（c）3D打印出的人造耳朵3生物医学领域的应用

3.2组织器官替代品制作利用3D打印技术制作脸部损伤组织，如耳、鼻、皮肤等，可以得到与患者精确匹配的相应组织，为患者重新塑造头部完整形象，达到美观效果。33（a）KeithLonsdale手术后在脸上留下“大洞”（b）以Keith儿子的脸为模型，利用3D打印技术制作的“假脸”面具4航空航天领域的应用34GE公司采用SLM技术制造的GE-9X系列发动机传感器壳体先进的航空航天制作技术是体现一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要标志之一，高强度合金及大型复杂整体结构件和精密复杂构建的制造使用传统技术难以满足要求，成为先进飞机及航空发动机发展的瓶颈之一，而3D打印技术则为此提供了最佳新技术解决途径。除了直接制造航空零件，采用增材制造技术对航空零件进行修复外，将增材制造技术与传统制造技术相结合以提高成形零件的精度和效率也是目前航空制造领域一个重要发展方向。4航空航天领域的应用35空客公司利用增材制造技术制造的飞机部件采用LSF技术制造的飞机钛合金大型复杂整体构件西北工业大学采用LSF制造的C919大型客机中央翼肋缘条5艺术设计领域的应用5.1在产品设计中的应用通过增材制造，设计师可以不考虑产品的复杂程度，仅专注于产品形态创意和功能创新，即所谓“设计即生产”。36（a）3D打印的个性花瓶，（b）3D打印的美妙灯具，（c）3D打印的酷炫吉他（d