1、工程訓練I大作業-3D打印機的技術原理學院名稱 專業班級 學 號 學生姓名 成 績 2018年03月18日1 / 213D打印機的技術原理 3D打印（3D printing），是制造業領域正在迅速發展的一項新興技術，被稱為“具有工業革命意義的制造技術”。運用該技術進行生產的主要流程是：應用計算機軟件，設計出立體的加工樣式，然后通過特定的成型設備（俗稱“3D打印機”），用液態、粉末、絲狀的固體材料逐層“打印”出產品。   3D打印是“增材制造”（Additive Manufacturing）的主要實現形式。“增材制造”的理念區別于傳統的

2、“去除型”制造。傳統數控制造一般是在原材料基礎上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產品。而“增材制造”與之截然不同，無需原胚和模具，就能直接根據計算機圖形數據，通過疊加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產品的制造程序，縮短產品的研制周期，提高效率并降低成本。 國際上喜歡用“Additive Manufacturing”（簡稱AM）來表示3D打印技術，國內專業術語是增量制造、增材制造或添加制造。2009年美國ASTM成立了F42委員會，將AM定義為：“Process of joining 

3、materials to make objects from 3d model data,usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies.” 即：一種與傳統的材料去處加工方法截然相反的，通過增加材料、基于三維CAD模型數據，通常采用逐層制造方式，直接制造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。 

4、目前主流的3D打印技術有：  1、 SLS激光粉末燒結成型（Se1ected Laser Sintering）； 2、 3DP三維打印（3Dimension Printer）；  3、SLA激光光固化（Stereo lithography）； 4、FDM熔融沉積造型（Fused Deposition Modeling）  3D打印機的用途，能夠實現哪些功能  3D打印能夠發揮的作用，按照產品設計研發的流程來說：  &

5、#160;3D打印不僅僅可以快速制作設計原型，從最初的概念設計到最終產品制造，3D打印在產品設計制造的各個環節都具備變革性優勢。  許多企業在產品設計早期，就會使用3D打印設備快速制作足夠多的模型用于評估，不僅節省了時間，而且減少了設計缺陷。隨著產品設計研發的進展，他們會采用3D打印反復制作手板模型用于設計溝通、設計驗證、裝配測試和宣傳展示，以實現產品功能改善、生產成本降低、品質更好、市場接受度提升的目標。在產品小批量試制階段，3D打印為快速打樣提供了最佳方案，3D打印出來的樣品可以用于宣傳展示、市場調查、試銷售等。而在產品量產環節，也已經有越來越多的企業在采用3D打印方式

6、來加快交付周期、降低個性化定制價格、改善產品交付質量，以及提高生產效率。 3D打印能夠發揮的作用，按照不同應用行業來說：  近年來，3D打印技術發展迅速，通過與數控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段結合，該技術已成為現代模型、模具和零件制造的有效手段，在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫學、文化創意等領域得到了一定應用，在工程和教學研究等應用領域也占有獨特地位。具體應用領域包括：1、 工業制造：產品概念設計、原型制作、產品評審、功能驗證；制作模具原型或直接打印模具，直接打印產品。3D打印的小型無人飛機、小型汽車等概念產品已問世。3D打印的家用器具模型，也被用

7、于企業的宣傳、營銷活動中； 2、 文化創意和數碼娛樂：形狀和結構復雜、材料特殊的藝術表達載體。科幻類電影阿凡達運用3D打印塑造了部分角色和道具，3D打印的小提琴接近了手工藝的水平； 3、航空航天、國防軍工：復雜形狀、尺寸微細、特殊性能的零部件、機構的直接制造； 4、生物醫療：人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等； 5、消費品：珠寶、服飾、鞋類、玩具、創意DIY作品的設計和制造； 6、建筑工程：建筑模型風動實驗和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模擬； 7、教育：模型驗證科學假設，用于不同學科實驗、教學。在北美的一些中學、普通高校和軍事院校，

8、3D打印機已經被用于教學和科研；  8、個性化定制：基于網絡的數據下載、電子商務的個性化打印定制服務。   什么樣的三維數據才能夠用于3D打印     3D打印的標準數據格式STL      STL（Stereo Lithography Interface Specification）格式是目前3D打印/增材制造設備使用的通用接口格式，是由美國3Dsystems公司于1988年制定的一個接口協議，是一種為3

9、D打印/增材制造技術服務的三維圖形文件格式，目前已成為3D打印/增材制造的事實上的標準格式。    STL格式是存儲三維模型信息的一種簡單方法，它將復雜的數字模型以一系列的三維三角形面片來近似表達。STL模型是一種空間封閉的、有界的、正則的唯一表達物體的模型，具有點、線、面的幾何信息，能夠輸入給增材制造設備，用于快速制作實物樣品。隨著增材制造技術的發展和應用，STL文件格式也得到了各CAD/CAM軟件公司的廣泛支持。在醫學、自然科學和工程領域里，STL技術也得到了廣泛的應用。     利用三維掃描儀等三維

10、數字化工具對物理原型進行多方位三維掃描，經過點云數據的預處理與優化，得到物體完整的三維數據模型，對該數據模型進行表面三角形小平面化處理，類似于有限元的網格劃分，即用許多空間三角形面片來逼近CAD模型，當三角形面片小到一定程度，其近似性可達到工程允許的精度范圍內，其數據文件稱為STL文件，可以直接輸入3D打印/增材制造設備，用于3D打印/增材制造。  STL文件格式化對3D打印/增材制造精度影響  3D打印時，由于要將復雜的三維加工轉化為一系列簡單的二維加工的疊加，因此，成型精度主要取決于二維（X，Y）平面上的加工精度，以及高度（Z）方向上的疊加精度。從3

11、D打印機本身而言，可以將X、Y、Z三方向的運動位置精度控制在微米級水平，因而能得到精度相當高的工件。因此，特別在加工復雜的自由曲面及內型腔時，3D打印/增材制造比傳統的加工方法表現出更明顯的優勢。然而影響工件最終精度的因素不僅有3D打印機本身的精度，還有一些其它因素，其中比較重要的是CAD模型的前期處理造成的誤差。對于絕大多數增材制造設備而言，開始成型前，必須對工件的三維CAD模型進行STL格式化和切片等前期處理，以便得到一系列的截面輪廓。STL格式己成為3D打印行業事實上的通用標準。在計算機數據處理能力足夠的前提下，進行STL格式化時，應選擇更小、更多的三角面片，使之更逼近原始三維模型的表面

12、，這樣可以降低由STL格式化所帶來的誤差影響。   中國3D打印前景展望   3D打印機對傳統制造業會帶來哪些沖擊   3D打印產業上游包括材料技術、控制技術、光機電技術、軟件技術，中游是立足于信息技術的數字化平臺，下游涉及國防科工、航空航天、汽車摩配、家電電子、醫療衛生、文化創意等行業，其發展將會深刻影響先進制造業、工業設計業、生產性服務業、文化創意業、電子商務業及制造業信息化工程。       3D打印機給傳統制造業帶來的沖擊，大致

13、有以下幾點：  1、3D打印技術的發展滿足了消費者的需求，將導致工業制造模式的變化      相比生產大規模標準化產品的模具制造，3D打印可以在一定約束下隨意生產制作個性化產品，可稱之為“大規模定制制造模式”，是以互聯網為支撐的智能化大規模定制的方式，或者是“分散生產，就地銷售”方式，標志著個性化消費時代的到來。從前，消費者都是在店里挑選、購買已經生產好的商品，現在則可以根據各自的需求，在“3D打印店”定制，邊生產邊體驗，及時獲得自己喜歡的產品。  2. 3D打印技術具備傳統模具制造沒

14、有的獨特優勢  3D打印技術是不受產品結構和形狀的限制的，任何復雜的造型和結構，只要有CAD數據，都可以輕松完成，這樣就給個性化、定制化提供了可能性；而且使用3D打印技術，是不需要開模具的，實現了無模化制造，可使新產品研制的成本下降為傳統方式的1/3-1/5 ，周期縮短為1/5-1/10 。再加上3D打印設備大部分可以實現無人值守、24小時不間斷加工，也就為廠商節約了人工成本，提高了生產效率。   3D打印的后期輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數據泄密和時間跨度，尤其適合一些高保密性的行業，如軍工、核電領域。 

15、 3D打印技術“打印”的產品是自然無縫連接的，一體成型，結構之間的穩固性和連接強度要遠遠高于傳統方法。   3. 3D打印技術符合低碳環保的發展理念  “第三次工業革命”概念的真正興起和全球化傳播，與全球可持續發展面臨的壓力息息相關。具體來說： 一是至20世紀80年代，石油和其他化石能源的日漸枯竭，及隨之而來的全球氣候變化給人類的持續生存帶來了危機。二是化石燃料驅動的原有工業經濟模式，不再能支撐全球的可持續發展，需要尋求一種使人類進入“后碳”時代的新模式。3D打印技術適逢其會，以綠色、節能、低碳、環保的全新姿態迅速

16、得到了全球政府和機構的認可和信賴。       3D打印采用的是加法式制造技術，區別與傳統的減法式、銑削式制造方式，基本上是生產多少重量的東西，所耗費的也就是同等重量的材料，因此所耗費的材料明顯減少；個性化定制以后也不產生產品庫存，可以在減少碳排放和原材料消耗的前提下，保持更高的生產效率。3D打印的原材料使用僅為傳統生產方式的1/10，這在如今資源珍貴的時代無疑具備巨大優勢。 4. 3D打印能有效促進工業設計產業的發展，而全球制造業未來的競爭在于高附加值的設計環節 原先的制造業是生產、加工環節制約著研發設計環節，新產品的研制

17、從一開始就需要考慮到最終能否被生產出來；而3D打印技術對于產品設計沒有限制，只要能設計得出來，完成CAD建模，任何結構和形狀都可以被生產出來，如此一來，工業設計方面的創意和能量將被無限釋放，誰具備突出的工業設計能力，誰就將成為未來全球制造業的領頭羊，創造高額利潤。中國制造業，如果還是停留在國外設計、國內制造或者來料加工的階段，那么未來只能在低附加值的加工制造環節上苦苦掙扎，因此，中國政府和制造業的有識之士都已經開始積極呼吁和大力傳播3D打印技術，國內的工業設計教育和產業也得到了越來越多的關注和重視。 國內3D打印技術市場現狀 3D打印技術在國外已經開始被廣泛應用在各領域，幫助人們提高開發效率，

18、降低生產成本，3D打印機已經開始普及開來。 而在國內，由于起步較晚，目前還被能夠得到廣泛普及，主要原因體現在： 1、 市場培育還有一長段路要走。目前，我國多數制造企業尚未接受“數字化設計”、“批量個性化生產”等先進制造理念，對3D打印這一新興技術的戰略意義認識不足，不了解到這種新興技術能夠做什么，可以創造多大的價值。 2、 企業級、專業級的3D打印設備及其材料還比較昂貴，客戶接受程度低。雖然目前市面上已經有一些價格低至幾千元的3D打印機，但是這種入門級的3D打印機更多適合個人、發燒友購買使用，很難用于工業制造、建設工程等領域，更別說航空航天和醫療等專業應用了。而專業級的3D打印設備動輒幾十萬乃

19、至上百萬，讓許多關注3D打印技術的企業望而卻步。 3、 材料種類還不是足夠豐富，也限制了3D打印技術的推廣。盡管就塑料材料來說，就已經有上百種之多，從彈性的到剛性的，從遇熱融化的到耐高溫的，從透明的到不透明的，從生物相容性的到可鑄造的，種類繁多，但是目前依然比不上傳統制造所擁有的材料種類。 4 三維數字化技術尚未普及，也限制了3D打印機的市場空間。因為3D打印的前提是計算機里面有一個三維數據可供打印，而三維數據的獲取和創建對于普通大眾來說還是一個技術活。國內專業數字化領域實力最強的是杭州先臨三維科技股份有限公司，他們自主研發了多種面向不同應用領域的三維掃描儀，可以幫助快速獲取物體的三維數據，輸

20、出的STL數字模型就可以用于3D打印，比起CAD建模來門檻更低、速度更快。目前，現在市面上已經有十幾種不同的3D打印機成型技術，包括SLS、DMLS、FDM、SLA、DLP、FFF、MEM、LOM、EBM、SHS、3DP等，不同技術類型的3D打印機打印出成品所需要的材料是不同的，其中比較成熟的有SLS、FDM、SLA、LOM和3DP等。3.1 SLA（Stereo lithography Appearance） SLA 即立體光固化成型法，用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料(液態光敏樹脂原料)表面，使之由點到線，由線到面順序凝固，完成一個層

21、面的繪圖作業，然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面。這樣層層疊加構成一個三維實體。圖2 SLA技術成型原理圖3.2 FDM（Fused Deposition Modeling） FDM 即熔積成型法，該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點高1），在計算機的控制下，噴頭作平面運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。圖3 FDM技術成型原理圖3.3 SLS （Selective Laser Sintering） SLS即選擇性激光燒結，其整個工藝裝置由粉末缸和成型缸組成，工作時粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均勻鋪上一層，計算機根據原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層面。粉末完成一層后，工作活塞下降