1、項(xiàng)目編號南京工程學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目立項(xiàng)申報(bào)書項(xiàng)目名稱：基于振鏡掃描的激光燒結(jié)打印機(jī)項(xiàng)目類別：本科生科技創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目負(fù)責(zé)人(學(xué)號):丁州杰(234140819)指導(dǎo)教師：陳巍老師單位:創(chuàng)新學(xué)院聯(lián)系電話表日期：2016/12/8共青團(tuán)南京工程學(xué)院委員會印制負(fù)姓 名丁州杰學(xué)號234140819班級 D自集成142責(zé)人專業(yè)自動化（系統(tǒng)集成）聯(lián)系電名陳巍專業(yè)/研究方向電子信息指 導(dǎo)職稱/職務(wù)副教授聯(lián)系電師姓名專業(yè)/研究方向職稱/職務(wù)聯(lián)系電話負(fù)責(zé)人近年來承接、 組織、參與的學(xué)術(shù)科技活動情況 （含科技項(xiàng)目、學(xué)術(shù)論文名稱、

2、完成時間、鑒定、發(fā)展以及獲獎情況等）組織：2015年大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目：基于 arduino mega2560的雙色3D打印機(jī) 2015年江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目：自適應(yīng)蠕動式管道機(jī)器人。參與：2015年挑戰(zhàn)杯項(xiàng)目：滑翔與仿生結(jié)合的水下機(jī)器人。獎項(xiàng)： 蘇州市技能大賽三等獎。 蘇州市創(chuàng)新大賽三等獎。項(xiàng)目組其他成員情況序號姓名學(xué)號班級專業(yè)項(xiàng)目分工簽名1吳連申機(jī)工151機(jī)械工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2重柯文234140720D自集成141自動化（系統(tǒng)集 成）硬件設(shè)計(jì) 與調(diào)試3李思達(dá)203150916機(jī)器人151機(jī)器人軟件開發(fā)、 上位機(jī)4郭雨薇234150503D自集成151自動化（系統(tǒng)集 成）文獻(xiàn)整理、 軟件

3、開發(fā)項(xiàng)目組其他成員近年來承接、組織、參與的學(xué)術(shù)科技活動情況（含科技項(xiàng)目、學(xué)術(shù)論文名稱、完成時間、鑒定、發(fā)展以及獲獎情況等）吳連申 承接： 激光雕刻機(jī) 參與：2015年大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目：智能鑰匙盒。2015年江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目：自適應(yīng)蠕動式管道機(jī)器人。2016年中國機(jī)器人大賽robocub獎項(xiàng)：南京工程學(xué)院第五屆CAD應(yīng)用能力大賽一等獎。 李思達(dá)獎項(xiàng)：哈爾濱航模火箭發(fā)射回收第二名遙控直升機(jī)第一名火箭自主創(chuàng)新項(xiàng)目團(tuán)體第四名全國工程機(jī)器人大賽工程越野項(xiàng)目二等獎研究 項(xiàng)目名稱基于振鏡掃描的激光燒結(jié)打印機(jī)項(xiàng)目類別申請經(jīng)費(fèi)一、項(xiàng)目的研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢，研究預(yù)期達(dá)到的 科學(xué)

4、技術(shù)水平、社會和經(jīng)濟(jì)效益。項(xiàng)目研究意義：該項(xiàng)目使用增材加工方式，耗料極少，且材料可回收 利用；與傳統(tǒng)FDM打印相比，精度更高；打印自由，制件難度與工件復(fù)雜程 度無關(guān)，無需支撐結(jié)構(gòu)輔助打印；將Co2激光管作為光源，極大的降低成本， 增加行業(yè)競爭力，將該技術(shù)普及。國內(nèi)外現(xiàn)狀水平和發(fā)展趨勢：SLS技術(shù)最初是由美國德克薩斯大學(xué)奧 斯汀分校于1989年提出的。后來美國DTM公司于1992年推出該工藝的商品 化生產(chǎn)設(shè)備。幾十年來，奧斯汀分校和DTM公司在SLS領(lǐng)域做了大量研究工作，在設(shè)備研制和工藝、材料開發(fā)上取得了豐碩的成果。德國的EOS公司在這一領(lǐng)域也做了很多研究工作，并開發(fā)了相應(yīng)的系列成型設(shè)備。在國內(nèi)

5、，很多單位進(jìn)行了 SLS的相關(guān)研究工作，如華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、 西北工業(yè)大學(xué)、華北工學(xué)院和北京隆源自動成型有限公司等也取得了許多重 大成果。如北京隆源自動成型有限公司開發(fā)的AFS-300激光快速成型的商品化設(shè)備。1、利福尼亞的工程師bran do nfosdick 在一次講話中透露了自己打造 的sls3d打印機(jī)ester的進(jìn)展情況。經(jīng)過3年不斷嘗試，bran do nfosdick終于設(shè)計(jì)出一款不成熟的ester3d 打印機(jī)。收集了這款打印機(jī)的部分規(guī)格：成型技術(shù)：sls打印材料：塑料（bran do nfosdick 下一步將開發(fā)金屬材料）打印精度：150微米（下一步將打印精度降低

6、至100微米以下）打印速度：50mm/s制作成本：2500美元。2011年9月，我國首臺選擇性激光燒結(jié)設(shè)備 一一“ Farsoon40宣告面世，華曙高 科成為繼美國3D Systems公司、德國EOS公司之后，世界上第三家高端選擇性 激光燒結(jié)設(shè)備制造商。比起國際領(lǐng)先的同類產(chǎn)品，這個設(shè)備在溫度控制方面有了 提升，在使用尼龍材料制造時精度可以控制在0.1毫米以內(nèi)。2、2012年8月，國內(nèi)首臺出口美國的選擇性激光尼龍燒結(jié)設(shè)備，從華曙高 科啟運(yùn)。在經(jīng)歷反復(fù)的試驗(yàn)和不斷改進(jìn)后，華曙高科還成功研制出用于激光燒結(jié)技術(shù) 的尼龍玻璃微珠、礦物纖維和碳纖維等一系列復(fù)合材料，打破了德國對這一材料的壟斷，并成功銷往美

7、國、瑞典、意大利等海外市場。該公司成為全球唯一一家 既制造設(shè)備，又生產(chǎn)材料，還從事終端產(chǎn)品加工服務(wù)的企業(yè)，獨(dú)立構(gòu)成了完整的 產(chǎn)業(yè)鏈。在國際市場上，華曙高科用于激光燒結(jié)的尼龍材料，與德國贏創(chuàng)公司（占據(jù) 全球絕大部分市場份額）的售價(jià)差不多；而首次出口美國的選擇性激光尼龍燒結(jié) 第5頁共14頁設(shè)備，價(jià)格與全球最大的3D打印設(shè)備制造商一一美國3D Systems公司的產(chǎn)品， 也幾乎處于同一個水平線上。華曙高科的成功，引起了全球 3D 打印領(lǐng)先制造商的高度關(guān)注，多次前來考 察，并拋出合作橄欖枝。2012年，德國EOS公司高層曾先后7次造訪華曙高科。在國內(nèi)， 華曙高科的成功，也引起了社會各界的廣泛關(guān)注。中科

8、院多次派出 專家前來調(diào)研考察。2013年1月，3D打印被首次寫進(jìn)湖南省政府工作報(bào)告，聚 焦的目光更是從業(yè)內(nèi)迅速擴(kuò)展到普通大眾。越來越多的人意識到 3D 技術(shù)可能帶給生活和經(jīng)濟(jì)的改變，紛紛瞄準(zhǔn)這個市 場。2012年10月以來，華曙高科有6臺3D打印機(jī)交付國內(nèi)用戶。目前，華曙 高科訂單量不斷增加，但受廠房規(guī)模限制，生產(chǎn)規(guī)模遠(yuǎn)跟不上市場需求。2013 年 6 月，華曙高科 3D 打印產(chǎn)業(yè)基地在長沙高新區(qū)開工建設(shè)， 中國科學(xué) 院湖南技術(shù)轉(zhuǎn)移中心 3D 打印研發(fā)中心也同時掛牌。這個占地 48畝、建設(shè)面積 近 3 萬平方米的產(chǎn)業(yè)基地， 將于明年投入運(yùn)行，屆時可形成年產(chǎn)設(shè)備 100臺、材 料 100噸的產(chǎn)能

9、，此后將逐年翻番。這意味著湖南 3D 打印技術(shù)研究與產(chǎn)品產(chǎn)業(yè) 化，即將邁入跨越式發(fā)展的新階段。3、拜耳材料科技和德國固體復(fù)合材料公司正合作開發(fā)選擇性激光燒結(jié)TPU粉末。這種創(chuàng)新的制造三維結(jié)構(gòu)的方法是基于使用激光束燒結(jié)粉末材料的基礎(chǔ)上 的。新公司位于萊茵河下游費(fèi)爾德市，且將被授予新的品牌，并以Desmosi nt的名稱來推廣這個新的高科技材料。這項(xiàng)技術(shù)為產(chǎn)品擴(kuò)展了很多的下游應(yīng)用領(lǐng)域， 比如汽車、運(yùn)動器材、機(jī)器人技術(shù)、航空航天工程。固體復(fù)合材料是弗勞恩霍夫 環(huán)境、安全和能源技術(shù)研究所的一個子公司。無需模具：選擇性激光燒結(jié)正日益成為塑料疊加式生產(chǎn)中穩(wěn)固的數(shù)字生產(chǎn)方 式。通過對塑料件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以

10、用 TPU 粉末生產(chǎn)產(chǎn)品。通過 CAD 導(dǎo)向， 激光能在選定的位置融化粉末層。換句話說， 塑料件是一層一層堆起來的。 這種 方法免去了使用模具的必要，也相應(yīng)地降低了成本。而且和噴射注模相比， 即使 是擁有多腔復(fù)雜幾何尺寸和切口的塑料件也能被加工。消除不同材料間差距：目前而言，基本上是軟的、有彈性的材料和硬質(zhì)熱塑 性塑料，比如尼龍可以用作選擇性激光燒結(jié)。但是拜耳的 TPU 產(chǎn)品韌性、彈性 和強(qiáng)度都好，消除了不同等級材料之間的差距。 這就為應(yīng)用創(chuàng)造了好的條件。 首 先具有代表性的TPU產(chǎn)品是Desmosint X 92 A-1，它的優(yōu)點(diǎn)之一是生產(chǎn) TPU時 的溫度只須保持在 80攝氏度左右。而尼龍

11、則需要保持在稍低于溶解溫度。因?yàn)?為反應(yīng)室加熱占了能源成本的大部分， 所以這個方法很大程度上節(jié)約了能源。 而 且拜耳的 TPU 不易彎曲，也就是說燒結(jié)過程能十分順利地進(jìn)行。最后一點(diǎn)，反應(yīng)室中未燒結(jié)的粉末不會老化，因此還可以繼續(xù)使用，這和傳統(tǒng)的激光燒結(jié)材料 PA12相比，是巨大的優(yōu)點(diǎn)。可用于大量生產(chǎn)：選擇性激光燒結(jié)給了設(shè)計(jì)很大的自由度，特別適合小批量 的疊加式生產(chǎn)，比如生產(chǎn)波紋管、軟管和奢華房車。這個方法還適用于生產(chǎn)矯正 鞋內(nèi)嵌物、運(yùn)動鞋、頭盔、假肢等等。除此之外，這項(xiàng)技術(shù)還可以用于大量生產(chǎn)， 比如有的部件的幾何體十分復(fù)雜，注模成本很高，這些情況下，使用燒結(jié)機(jī)的能效比將更好。而且產(chǎn)品使用完以后，

12、塑料是完全可以在循環(huán)使用的。4. 奔馳卡車Benz擬采用最新的選擇性激光燒結(jié)（SLS）打印工藝（一種3D 打印方法）生產(chǎn)塑料零件，并作為客戶服務(wù)及零部件部門標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)方法。 預(yù)計(jì) 2016年9月底，原裝配件將通過3D打印機(jī)快速、經(jīng)濟(jì)及不定量地預(yù)定及供應(yīng)。可提供的塑料配件包括蓋、墊片、彈簧帽、空氣和電纜導(dǎo)管、夾子、支架和 一些控制元件。所有配件將進(jìn)行專業(yè)編碼，并可在奔馳卡車備件列表中查詢。備件行業(yè)的挑戰(zhàn)在于固體供應(yīng)，包括只有低需求的小批量備件，這種備件可 能已經(jīng)不再產(chǎn)生。SLS工藝解決了這些挑戰(zhàn)，因?yàn)樗械呐浼伎梢栽诙虝r間內(nèi)通過3D打印機(jī)提供。盡管SLS在過去幾年中飛速發(fā)展，獲得了良好的應(yīng)用效

13、果，但畢竟是一個較 新的發(fā)展領(lǐng)域，還存在一下缺點(diǎn)：1、系統(tǒng)的速度、精度、可靠性還不能完全滿足要求。2、零件表面光滑度還有待提高。3、冷卻時間長，對加熱溫度、激光參數(shù)比較敏感，工藝參數(shù)需要較長時間摸索。4、成本較高市面上最便宜的也要上萬元。因此，SLS工藝未來的發(fā)展方向應(yīng)該主要注意以下方面：1、開發(fā)更適合SLS工藝使用的新材料，以制造表面光潔、精度更高更好的零件。2、提高生產(chǎn)效率、減少成本。3、與工業(yè)4.0接軌，開發(fā)遠(yuǎn)程制造等新技術(shù)。研究預(yù)期：研發(fā)一臺比市面FMD SLA精度高；穩(wěn)定安全（防止出現(xiàn)粉塵爆炸）；易用 （打印和清理粉末方便）的消費(fèi)級打印機(jī)。、項(xiàng)目的研究內(nèi)容、預(yù)計(jì)突破或解決哪些技術(shù)難題

14、、研究的創(chuàng)新點(diǎn)。研究內(nèi)容：1、打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究2、打印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究3、打印機(jī)硬件平臺設(shè)計(jì)研究4、打印機(jī)控制算法設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)突破：1、送粉缸與鋪粉車的鋪粉與收粉模式的配合與控制2 、控制系統(tǒng)各模塊的協(xié)調(diào)控制。3 、針對粉末燒結(jié)時激光功率與燒結(jié)速度的平衡創(chuàng)新點(diǎn)：1、以層層余料為支撐、無需考慮制件復(fù)雜程度，實(shí)現(xiàn)自由打印。2、采用送粉缸與鋪粉車配合鋪粉的模式實(shí)現(xiàn)更精密的鋪粉和燒結(jié)完成 后收粉。3、將Co2激光源引入激光燒結(jié)設(shè)備大量降低其成本，增加行業(yè)競爭力第14頁共14頁三、項(xiàng)目的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案及可行性分析項(xiàng)目研究方法及技術(shù)路線： 研究方法：1、考察并分析評估已有的技術(shù)方案2、設(shè)計(jì)構(gòu)

15、造新型的結(jié)構(gòu)與外觀3、建模、仿真、搭建實(shí)物完成控制算法4、穩(wěn)定性測試5、完善結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)6進(jìn)行實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線：信息過程一離散處理。在計(jì)算機(jī)上建模的 CAD三維立體造型零件，或通 過逆向工程得到的三維實(shí)體圖形文件。將其轉(zhuǎn)換成 STL文件格式。再用一離 散（切片）軟件從STL文件離散出一系列給定厚度的有序片層。或者直接從 CAD文件進(jìn)行切片。這些離散的片層按次序累積起來仍是所設(shè)計(jì)的零件實(shí)體 形狀。然后，將上述的離散（切片）數(shù)據(jù)傳遞到成型機(jī)中去，成型機(jī)中的掃 描器在計(jì)算機(jī)信息的控制下逐層進(jìn)行掃描燒結(jié)。物理過程一疊加成型。成型系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)是在一個封閉的成型室中安 裝兩個缸體活塞機(jī)構(gòu)，一個用于供粉，另

16、一個用于成型。成型過程開始前， 用紅外線板將粉末材料加熱至恰好低于燒結(jié)點(diǎn)的某一溫度。成型開始時，供 粉缸內(nèi)活塞上移一給定量，鋪粉滾筒將粉料均勻地鋪在成型缸加工表面上， 激光束在計(jì)算機(jī)的控制下以給定的速度和能量對第一層信息進(jìn)行掃描。激光 束掃過之處粉末被燒結(jié)固化為給定厚度的片層，未燒結(jié)的粉末被用來作為支 撐，這樣零件的第一層便制作出來。這時，成型缸活塞下移一給定量，供料 虹活塞上移，鋪粉滾簡再次鋪粉，激光束再按第二層信息進(jìn)行掃描，所形成 的第二片層同時也被燒結(jié)固化在第一層上，如此逐層疊加，一個三維實(shí)體零 件就制作出來了。實(shí)驗(yàn)萬案：使用3DMAX等制圖軟件進(jìn)行建模并生成 STL文件后利用SLI3C

17、等軟件 將模型切片產(chǎn)生GCOD文件導(dǎo)入控制器。控制器控制激光掃描系統(tǒng)、光路水 冷系統(tǒng)、粉缸控制系統(tǒng)，粉末預(yù)熱系統(tǒng)進(jìn)行燒結(jié)。建模并導(dǎo)出STL文件成型缸及鋪粉 缸升降控制激光控制模塊鋪粉車運(yùn) 動控制中央處理器計(jì)算Geode文件并控制打印機(jī)打印中央處理模塊運(yùn)動控制模塊聚焦鏡忡縮丁昭 -r-111ICI8 口Tr l打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):1罷焦條統(tǒng)2 52徴比胃3 fili駆;葷3疑結(jié)丄件E Qi!7】Q升降臺工作時粉末缸升降臺上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸升降臺上均勻鋪上 一層，計(jì)算機(jī)根據(jù)原型的切片模型控制光束的二維掃描軌跡，有選擇的 燒結(jié)固體粉末材料形成零件的一個層面，在燒結(jié)前，整個工作臺被加溫 至稍低于

18、粉末融化溫度，以減少熱變形，并利用與前一層的結(jié)合。粉末 完成一層后，工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統(tǒng)鋪設(shè)新粉，控制掃描系 統(tǒng)燒結(jié)新層，如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加得到零件。可行性分析:該項(xiàng)目原理清晰，工作方式明確，實(shí)現(xiàn)基本功能不難項(xiàng)目組成員都曾參與過類似的生產(chǎn)與制造設(shè)備研發(fā)項(xiàng)目， 擁有一定經(jīng)驗(yàn), 對該項(xiàng)目的研發(fā)有巨大幫助項(xiàng)目所涉及的專業(yè)方向與項(xiàng)目組成員契合，所設(shè)計(jì)的專業(yè)知識基本具備綜合以上：該項(xiàng)目可行，并且項(xiàng)目組擁有完成該項(xiàng)目的能力四、研究工作條件和基礎(chǔ)(包括前期研究工作基礎(chǔ)，已有研究成果，現(xiàn)有的主要儀器設(shè) 備、研究技術(shù)及協(xié)作條件等)研究工作條件和基礎(chǔ) 前期研究工作基礎(chǔ)：1、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人及團(tuán)隊(duì)成員都曾參與或組織過 3D打印或激光雕刻的項(xiàng)目。2、前期查閱大量資料，充分理解 SLS的原理及實(shí)現(xiàn)方式。3、和多家Co2激光管生產(chǎn)廠家進(jìn)行了足夠的交流， 對該項(xiàng)目的難點(diǎn)有了 充分的認(rèn)知。4、已完成該部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。現(xiàn)有主要儀器設(shè)備：1、工業(yè)