金工实习 课件 18 增材制造技术

01概述增材制造采用“自下而上”的方式，通过材料的逐渐累加来构建物体。这种制造方法突破了传统制造的限制，可以制造出任意复杂形状的零件，具有高度的设计自由度，就像搭积木一样，一块一块地搭建出最终的形状。减材制造则是传统的切削方式，从一块完整的材料开始，通过切割、打磨等工艺去除多余的部分，最终得到所需的零件形状。这就好比用一块石头雕刻出一座雕像，需要不断地去除石头的多余部分。增材制造与减材制造对比3D打印技术作为典型的增材制造技术，与普通打印的工作原理基本相同。它通过计算机的精确控制，将液体或粉末等打印材料层层叠加，就像打印机打印文件一样，只不过这里打印出来的是实实在在的物体，从而将计算机中的设计完美转化为实物。013D打印技术被认为将引发第三次工业革命，它打破了传统制造的诸多限制，为制造业带来了全新的生产模式和无限的创新可能，有可能彻底改变我们的生产和生活方式。023D打印技术的定位01核心制造思想起源3D打印的核心制造思想起源于19世纪末的美国，当时的一些技术探索为后来3D打印技术的发展奠定了基础。03发展阶段3D打印技术兴起于20世纪八九十年代，在这个时期，各种基础技术和理论不断涌现，为其后续的发展奠定了坚实的基础。21世纪初，3D打印技术进入了发展阶段，技术不断完善，应用领域逐渐扩大，开始在一些行业中得到初步应用。2012年起，3D打印技术成为科技界、工程界关注的热点，随着技术的不断成熟和突破，其应用范围迅速拓展，在各个领域都展现出了巨大的潜力。02关键时间节点与事件1892年，美国登记了采用层合方法制作三维地图模型的专利技术，这是3D打印技术发展历程中的一个早期尝试，为后续的技术发展提供了思路。1979年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄发明了叠层模型造型法，进一步推动了3D打印技术的发展，使得制造复杂形状的物体成为可能。1980年，日本小玉秀男提出光造型法，为3D打印技术的发展开辟了新的方向，使得打印精度和效率得到了一定的提升。1986年，美国发明家查尔斯·赫尔成立了3D打印公司，标志着3D打印技术开始走向商业化，为其广泛应用奠定了基础。1988年，查尔斯生产出世界首台以立体光刻技术为基础的3D打印机，这是3D打印技术发展的一个重要里程碑，使得3D打印从理论走向了实际应用；同年，美国斯科特·克朗普发明熔融沉积成形3D打印技术，为3D打印技术的多元化发展做出了贡献。1989年，美国德卡德发明选择性激光烧结技术，拓展了3D打印的材料选择范围和应用领域，使得制造高强度的金属零件成为可能。1992年，美国赫利塞思发明层片叠加制造技术，进一步丰富了3D打印的工艺方法，提高了打印效率和质量。1995年，美国麻省理工学院两名学生利用喷墨打印机，将墨水替换成胶水打印出立体物品，并将此方法称为3D打印，这一创新尝试为3D打印技术的普及和发展带来了新的思路。3D打印技术发展历程3D打印技术取消了专用工具，在计算机的精准管理和控制下，能够制造出任意复杂形状的零件。它就像一个万能的工厂，只要有设计图纸，就可以生产出各种独特的产品，是一种高度柔性化的制造系统。3D打印的特点：高度柔性化3D打印实现了CAD/CAM一体化，由于采用离散/堆积分层制造工艺，它成功克服了传统CAD/CAM技术成形思想的局限，将设计与制造紧密地结合在一起。设计师可以在计算机上完成设计后，直接通过3D打印机将设计转化为实物，大大缩短了产品的开发周期。3D打印的特点：设计制造一体化3D打印建立在高度技术集成的基础上，从CAD设计到实体零件加工完成仅需几小时至几十小时，远远快于传统的成形方法。这使得新产品的开发速度大大加快，企业可以更快地将产品推向市场，抢占先机，非常适用于新产品的开发。01+3D打印的特点：制造成形快速化由于3D打印的成形方式和成形零件用途各不相同，它可以应用多种材料，如金属、塑料、纸、光敏树脂、陶瓷、蜡等。不同的材料可以满足不同领域和产品的需求，为3D打印的广泛应用提供了可能。3D打印的特点：材料应用的广泛性3D打印技术从最初主要应用于模具制造、工业设计等领域的模样制造，如今正以迅猛之势向航空航天、军事、科研、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等众多领域快速扩展，在各个领域都发挥着越来越重要的作用。”01应用领域拓展利用3D打印设计制造一体化的特点，能够快速将设计理念转化为实际的产品造型。成形的制品可以直接用于设计验证，帮助设计师及时发现设计中的问题并进行改进；进行造型评估，让团队成员和客户更直观地感受产品的外观和尺寸；开展功能测试，检验产品在实际使用中的性能表现；以及装配检验，确保产品零部件之间的配合精度，从而大大缩短研发周期，节约成本。工业产品研发3D打印制品可以直接作为高精度模型用于精密铸造，为铸造提供精确的模具；也可以基于此技术快速制造模具、电火花加工电极，相比传统的模具制造方法，大大缩短了模具制造周期，降低了费用，提高了生产效率。快速模具制造采用高性能工程塑料，3D打印可以直接加工出单件塑料零件，满足特殊需求；也可以通过快速铸造、直接成形等方法获得复杂金属零件，解决了传统制造方法在制造复杂金属零件时的难题。单件和复杂零件直接制造在医疗领域，3D打印可用于制作人体器官的教学模型，帮助医学生更好地学习人体结构；手术规划与演练模型，让医生在手术前进行模拟操作，提高手术的成功率；还可以直接制造植入人体的功能构件，如定制化的假肢、植入物等，提高患者的生活质量。医疗领域在考古领域，3D打印可用于文物复制、修复，让珍贵的文物得以重现；在艺术创作领域，它可以用于建筑模型快速制造，帮助建筑师展示设计方案；艺术品创作，为艺术家提供更多的创作可能性；以及特种艺术品制造，制作出独一无二的艺术作品。考古及艺术创作领域在机械领域，3D打印可以制造机械零件，满足特殊的机械需求；在科研领域，制作化石模型，为研究提供便利；在建筑领域，打印住房，为建筑行业带来新的发展方向；在食品领域，打印食物，为食品制造提供新的思路；在工艺品领域，制作灯具，为工艺品增添独特的设计；在服饰领域，打印衣服，实现个性化的服装设计；在教育领域，制作人体模型教具，增强教学效果。其他领域具体应用场景3D打印技术综合了机械工程、计算机技术、数控技术和材料科学技术等多学科知识。它采用增加材料而非去除材料的方式，自动、快速、立体、精确地制造零件或模型，这种全新的制造方式开辟了无刀具制造零件的新途径，为制造业带来了革命性的变化。技术基础3D打印以三维CAD模型的分层数据为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过堆积（叠加）的方式，快速制造出任意复杂程度的产品原型或零件。这是一种数字化成形技术，就像用数字代码搭建出一个实物，将虚拟的设计变成现实。基本原理零件CAD数据模型的构建基于构思的三维造型4.3.1.2基于实体数据的三维造型数据转换文件的生成由三维造型系统将零件CAD数据模型转换成STL、IGES等可被快速成形系统接受的文件格式。其中，STL文件由于其易于分层切片处理的特点，成为了多数快速成形系统接受的格式，并且所有的CAD造型系统均具备输出STL文件的功能，方便了数据的传输和处理。模型的分层切片将三维实体模型沿给定方向（一般沿Z轴）切成二维薄片进行离散化。在这个过程中，可以根据快速成形系统的成形精度，选择0.05-0.5mm等不同厚度的薄片，以满足不同的打印需求，确保打印出的产品符合精度要求。快速堆积成形3D打印以平面加工方式有序连续叠加，最终得到三维实体。其内涵随着RPM技术的发展和人们认知的深入逐步扩大，目前包括一切由CAD直接驱动的成形过程。其主要技术特征是成形快捷性，材料转移形式可以是自由添加、去除及两者结合等多种方式，通过层层堆积，将二维的薄片变成三维的实体。核心组成部分及流程别称光固化成形又被称为光敏液相固化、立体印刷、立体光刻，这些别称从不同角度描述了该工艺的特点和原理。地位光固化成形是最早出现、技术最成熟、应用最广泛的快速成形技术，由美国3DSystems公司在20世纪80年代后期推出，为3D打印技术的发展和应用奠定了基础。原理光固化成形基于液态光敏树脂的光聚合原理，液态材料在一定波长和功率的紫外光照射下，会发生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，从而从液态转变成固态。就像在阳光下，某些液体物质会发生固化反应一样，通过紫外光的照射，让液态树脂变成我们需要的固态形状。工艺过程成形设备的树脂槽中装有液态光敏树脂，激光器发出的紫外激光束在偏转镜的作用下，按零件分层信息在光敏树脂液面进行扫描。被扫描处的树脂会固化，从而形成零件的一层。成形开始时，升降台在液面下一个截面层厚高度，激光扫描完成一层后，得到一个塑料薄片。接着，升降台降低一个层厚，已固化层面会覆盖上液态树脂，然后重复扫描固化的过程，直至三维零件制作完成。最后，升降台升出液面，取出零件进行后期处理，通过层层扫描和固化，最终制造出完整的零件。3D打印技术典型工艺方法：光固化成形分层实体制造采用CAD分层模型数据，按照零件连续分层的几何信息切割片材，然后将层片黏结成三维实体。它就像制作千层饼一样，一层一层地叠加，最终形成一个完整的三维物体。原理首先铺一层箔材，用CO₂激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分会被切碎。本层完成后，铺上新的箔材，用滚子碾压加热固化黏结剂，使新层与已成形体牢固黏结，再切割该层轮廓。反复操作，直至加工完毕，最后去除切碎部分，即可得到完整零件，通过不断地铺层、切割和黏结，完成零件的制造。工艺过程02分层实体制造工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高。因为它的工艺相对简单，不需要复杂的设备和操作，所以成本较低，而且能够快速地制造出零件。然而，它也存在缺点，前后处理费时费力，不能制造中空结构件，这在一定程度上限制了它的应用范围。特点3D打印技术典型工艺方法：分层实体制造选择性激光烧结借助精确引导的激光束，使固态粉末烧结或熔融后凝固，从而形成三维实体。激光就像一把神奇的“焊枪”，将粉末材料一点点地烧结在一起，形成我们需要的形状。原理成形机按计算机输出的成形分层轮廓，用激光束在指定路径上选择性扫描并烧结工作台上0.1-0.2mm厚且均匀铺层的固态粉末。扫描区域内的粉末被激光束熔融黏结，未扫描的粉末则保持松散状态。一层烧结完成后，移动工作台形成新层面，铺粉压实后选择性烧结新一层截面并与前一层黏结，通过层层堆积，最终得到零件原型，就像搭建积木一样，一层一层地堆积出零件的形状。工艺过程选择性激光烧结在成形过程中，粉末可作为成形实体的支撑，无需设计支撑结构，这大大简化了工艺过程；同时，它适合制造复杂结构零件，几乎可以成形任意形状的零件，为制造复杂的产品提供了可能。优势选择性激光烧结可以使用多种材料，包括蜡、聚碳酸酯、水洗砂等非金属粉，以及铁、钴、铬及其合金等金属粉，丰富的材料选择使得它能够满足不同领域和产品的需求。材料3D打印技术典型工艺方法：选择性激光烧结（SLS）熔融沉积造型根据CAD模型的几何信息，丝状材料由送丝机构送进喷头，喷头内的加热器将丝材加热成半流动状态。喷头按片层参数沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，挤压并控制流量，使黏稠流体均匀铺撒在断面层上，通过层层堆积制造零件原型。就像挤牙膏一样，将加热后的材料一点点地挤出，堆积成零件的形状。原理熔融沉积造型常用的材料有ABS工程塑料、蜡、聚乙烯、聚丙烯、陶瓷、尼龙等，这些材料具有不同的性能和特点，可以满足不同产品的需求。材料3D打印技术典型工艺方法：熔融沉积造型（FDM）3D打印的核心逻辑是计算机将CAD系统内的三维实体模型切分成一系列平面几何信息，并转化为二维层面。在成形时，每次打印一层有微小厚度和特定形状的截面，然后通过黏结、熔接、聚合作用或化学反应等方法，逐层选择性固化、熔结或黏结材料，最终堆积形成三维实体零件或模型，就像搭建高楼一样，一层一层地往上盖，最终建成一座完整的建筑。3D打印核心逻辑构建零件CAD三维数据模型使用专业的3D建模软件，根据设计需求和创意，构建出零件的三维数据模型，这是3D打印的第一步，也是关键的一步，模型的质量直接影响到最终打印产品的质量。分层叠加成形3D打印机根据切片数据，将材料逐层堆积，按照设计好的形状和尺寸，一层一层地打印，最终形成三维实体。生成数据转换文件将构建好的三维数据模型转换为3D打印机能够识别的数据转换文件，如STL格式文件，确保数据能够被打印机正确读取和处理。后处理后处理包括打印零件的剥离，去除支撑结构，使零件从打印平台上分离出来；后固化，进一步提高零件的强度和性能；修补，对零件表面的瑕疵进行修复；打磨，使零件表面更加光滑；抛光，提升零件的光泽度；以及表面强化处理等，通过这些后处理步骤，使打印出的零件更加完美。对模型进行分层切片通过切片软件，将三维模型沿特定方向切成一系列薄片，确定每一层的形状和厚度，为后续的打印做好准备。流程示例以打印台阶轴为例，首先用3D建模软件建出台阶轴的3D模型；然后将模型另存为STL格式文件；接着将模型导入3D打印软件；在软件中设置台阶轴的3D打印参数，如打印速度、温度、填充率等；打印数据由计算机软件传递给具体步骤023D打印设备及基本操作UP!3D打印机采用熔融沉积造型工艺原理，这是一种极具创新性的增材制造方式，与传统制造工艺截然不同。它通过将材料逐层堆积，实现从虚拟模型到实体物件的转变，极大地拓展了制造的可能性。打印机使用热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，这些材料以丝状供料。热塑性材料具有良好的可塑性和成型性，在加热熔化后能够按照预设路径精确沉积，冷却后迅速固化，为高质量的3D打印提供了坚实基础。工艺基础与材料材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时挤出熔化材料，材料迅速冷却固化并与周围材料黏结。这一过程如同一位技艺精湛的工匠，精准地将每一滴材料放置在合适的位置，逐步构建出零件的雏形。01当层片轮廓形状变化较大，上一层无法充分支撑当前层时，需设计辅助“支撑”结构保证成形顺利。支撑结构就像是建筑中的脚手架，在零件打印过程中提供额外的支持，确保复杂形状的零件能够完美成型，待打印完成后，这些支撑结构可以被轻松去除。03每一层片在上一层上堆积，上一层对当前层起定位和支撑作用。这种层层递进的构建方式，确保了零件的结构稳定性和精度，就像建造高楼一样，每一层都为上一层提供了坚实的基础。02工作流程详解UP!3D打印机主要由机架、工作台、丝材加热喷头、材料架、电源和数据线接口等部分组成。这些部件相互协作，共同构成了一个高效的3D打印系统。机架为打印机提供了稳固的物理支撑，确保在打印过程中设备的稳定性；工作台是零件打印的平台，承载着打印过程中的各种操作；丝材加热喷头是打印机的核心部件之一，负责将材料加热熔化并精确挤出；材料架用于存放丝材，保证材料的供应顺畅；电源为打印机提供动力，数据线接口则实现了打印机与计算机之间的数据传输。主要组成部分3D打印过程中需要用到垫板、铲子、钳子、数据线、手套、六角扳手等多种工具。这些工具在打印的不同阶段发挥着重要作用，是实现高质量3D打印不可或缺的辅助设备。3D打印工具垫板放置于工作台上，承接熔融丝材，使零件最下层支撑材料牢固粘在垫板上，防止打印过程中零件下层支撑材料脱粘、翘曲变形甚至移动导致零件报废。它就像一个可靠的守护者，为零件的打印提供了稳定的基础。01铲子从垫板上铲下已打印好的零件，在零件打印完成后，铲子能够轻松地将零件从垫板上分离，不会对零件造成损伤。02钳子用于打印件后处理中去除支撑材料，支撑材料在打印过程中起到了重要的辅助作用，但在打印完成后需要被去除，钳子的锋利刃口和良好的握持感，使得去除支撑材料变得轻松高效。03数据线将计算机中生成的打印程序传输给3D打印机，它是信息传递的桥梁，确保了计算机与打印机之间的准确通信，使得打印程序能够顺利地被打印机执行。04手套保护操作人员，防止操作时割伤或烫伤，在3D打印过程中，喷头和材料的温度较高，同时操作过程中也存在一定的机械风险，手套能够为操作人员提供全方位的保护。05六角扳手用于设备相关调节或维护，在打印机的日常维护和调整过程中，六角扳手是必不可少的工具，它能够帮助技术人员对打印机的各个部件进行精确的调整和维护。06各工具用途详述确认3D打印机与安装有UPStudio软件的计算机正确连接，这是打印的第一步，确保数据能够顺利传输。连接时需要仔细检查数据线的连接是否牢固，接口是否匹配。打开UPStudio软件（双击计算机中软件快捷方式），按下3D打印机背面电源开关打开打印机。软件和设备的启动是打印的准备阶段，确保软件和设备都处于正常工作状态，为后续的打印操作做好准备。0201UP!3D打印机操作步骤：连接与启动单击UPStudio软件“三维打印”菜单下的“初始化”命令，或长按3D打印机正面“初始化”按钮，打印机发出蜂鸣声时初始化开始；初始化过程中喷头和打印平台返回初始位置，结束后打印机再次蜂鸣表示准备就绪。初始化是打印机的自我检测和准备过程，确保喷头和打印平台能够准确地回到初始位置，为后续的打印操作提供准确的起始点。通过UPStudio软件中的“维护”命令操作，进行喷嘴初始高度校准，确保喷嘴与打印平台距离在0.2mm以内，保证模型与打印平台黏结正常，防止喷嘴与平台碰撞损坏设备。高度校准是打印过程中的关键步骤，准确的高度能够确保材料能够均匀地沉积在打印平台上，同时避免