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1、3D打印技术,湖北工业大学机器人研究中心,主要内容,3D打印技术发展历史3D打印技术介绍3D打印特点及优势3D打印技术发展趋势机器人研究中心3D打印技术研究,3D打印的概念,3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造（AM，Additive Manufacturing）。3D打印技术内容涵盖了产品生命周期前端的“快速原型”(rapid prototyping) 和全生产周期的“快速制造”(rapid manufacturing) 相关的所有打印工艺、技术、设备类别和应用。3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息
2、技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。,3D打印的起源,20 世纪70 年代末到80 年代初期，美国3M 公司的Alan Hebert ( 1978年) 、日本的小玉秀男( 1980 年) 、美国UVP 公司的Charles Hull( 1982 年) 和日本的丸谷洋二( 1983 年) 四人各自独立提出了这种概念。1986 年，Charles Hull 率先推出光固化方法 ( stereo lithography apparatus，SLA) ，这是3D 打印技术发展的一个里程碑。1988年，他创立的3D 打印设备公司生产出了世界上第一台3D 打印机SLA-250
3、。1988 年，美国人Scott Crump 发明了另外一种3D 打印技术熔融沉积制造(FDM) ，并成立了Stratasys 公司。1989 年，C. Dechard 发明了选择性激光烧结法(SLS) ，其原理是利用高强度激光将材料粉末烧结直至成型。1993 年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打
4、印机。2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪。,3D打印技术在世界范围内的需求,近年来，3D打印在世界各大媒体上受到广泛关注，三维打印机的制造商表示3D打印的需求和市场正在迅速增长。3D打印市场的增长受到多方因素影响，媒体在近几年对3D打印技术做了大量的宣传，为人们更好地了解3D打印发挥了重大作用。,3D打印技术在世界范围内的需求,根据美国技术咨询服务协会Wohle
5、rs Associates 发布的2012 年度报告,全球3D打印行业在2011年销售额为17.14 亿美元。 目前，3D 打印技术市场的年增长率为29.4%，据预测，该行业的市场规模到2015 年将达37 亿美元，到2019 年将增长到65 亿美元。,3D 打印技术市场规模示意图,3D打印技术在世界范围内的需求,从行业分布看，目前消费电子领域仍然占主导地位，约20.3%; 其他主要应用在汽车、医疗/牙科、工业/商业机器和航空航天领域。,3D 打印技术行业分布如图：,3D 打印技术主要应用功能的分布比例如图：,3D打印技术在世界范围内的需求,当前，欧洲、美洲和亚洲是3D打印设备的主要需求市场。
6、从2011年设备市场份额分布来看，北美地区占40.2%，位居第一，欧洲地区和亚洲地区紧随其后。,美国是3D 打印设备安装的第一大国，日本处于第二。,3D 打印设备数量区域分布图,3D打印技术在世界范围内的需求,图中，柱状图上段为服务收入，下段为产品( 即设备和材料等) 收入。从图不难看出，3D 打印设备及材料和服务的经济规模是相当的。2010 年，销售额为13.25 亿美元; 到2011年，销售额为1714 亿美元,增长率达到24.1%。在产品收入中，3D 打印设备和材料占主要部分，2011年为834 亿美元。,全球3D 打印技术的产品和服务收入示意图,由于3D 打印产品种类丰富，带动了打印材
7、料的快速发展。2001年到2011年，全球打印材料的销售情况如图6 所示，除了2009 年由于全球经济危机的影响稍有下降外，基本上每年都保持10% 20% 的增长速度。,全球3D 打印材料销售额示意图,3D打印技术在世界范围内的需求,价格 价格仍然是一个关键性问题，一些用户指出，相对中低端的打印机来说，高端产品的价格在市场中还没有出现明显的波动。 生产成本最初为100万元的3D打印机，目前的成本已经降到了最初的一半，但是销售价格并没有下降。 耗材 耗材是目前制约 3 D 打印技术广泛应用的关键因素 。3 D 打印技术要实现更多领域的应用 ，就需要开发出更多的可打印材料，根据材料特点深入研究加工
8、 、结构与材料之间的关系 ，开发质量测试程序和方法， 建立材料性能数据的规范性标准等 。 最终结论：3D打印技术虽然不能够带来第三次工业革命，但无疑是改进工业技术的一把钥匙。,3D打印的原理,3D打印技术采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。 每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用,3D打印的类型和属性,3D打印按材料可分
9、为块体材料、液态材料和粉末材料等。按照美国材料与试验协会(ASTM)、3D打印技术委员会(F42 委员会) 的标准，目前七类3D 打印工艺与所用材料如下表；,目前，已实现商品化的3D 打印机共涵盖了七类工艺，其中以SLA、SLS和FDM等为主。,光固化打印(SLA) 是采用紫外光在液态光敏树脂表面进行扫描，每次生成一定厚度的薄层，从底部逐层生成物体。 光固化过程原理图,光固化成形,其优点是原材料的利用率将近100%，尺寸精度高(0.1mm)，表面质量优良，可以制作结构十分复杂的模型;缺点是价格昂贵，可用材料种类有限，制成品在光照下会逐渐解体,熔融沉积打印( FDM) 采用热融喷头，使塑性纤维材
10、料经熔化后从喷头内挤压而出 ，并沉积在指定位置后固化成型 。这种工艺类似于挤牙膏的方式。 其优点是价格低廉 、体积小 、生成操作难度相对较小; 缺点是成型件的表面有较明显的条纹， 产品层间的结合强度低 、打印速度慢 。,熔融沉积制造,选择性激光烧结打印 ( SLS) 是采用高功率的激光， 把粉末加热烧结在一起形成零件。 其工艺的优点是可打印金属材料和多种热塑性塑料， 如尼龙、聚碳酸酯、 聚苯乙烯、聚氯乙烯等，打印时无需支撑，打印的零件机械性能好 、强度高; 缺点是材料粉末比较松散，烧结后成型精度不高，且高功率的激光器价格昂贵 。,选择性激光烧结,聚合物喷射技术（PolyJet）是当前最为先进的
11、3D打印技术之一，图示为聚合物喷射系统的结构:,材料喷射,喷射打印头沿X轴方向来回运动，工作原理与喷墨打印机十分类似，不同的是喷头喷射的不是墨水而是光敏聚合物。当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，UV紫外光灯将沿着喷头工作的方向发射出UV紫外光对光敏聚合材料进行固化。 完成一层的喷射打印和固化后，设备内置的工作台会极其精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化。就这样一层接一层，直到整个工件打印制作完成。,打印金属粉末的3D打印技术介绍,金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。按照金属粉末的添置方式将金属 3D打
12、印技术分为三类:激光工程化净成形技术( LENS) LENS 是一种新的快速成形技术， 它由美国 Sandia国家实验室首先提出。其特点是: 直接制造形状结构复杂的金属功能零件或模具;可加工的金属或合金材料范围广泛并能实现异质材料零件的制造;可方便加工熔点高、难加工的材料。,LENS系统同轴送粉器结构示意图,打印金属粉末的3D打印技术介绍,激光选区熔化技术( SLM) SLM 是金属 3D 打印领域的重要部分，其发展历程经历低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点粉末烧结、高熔点粉末直接熔化成形等阶段。由美国德克萨斯大学奥斯汀分校在1986年最早申请专利。 SLM 技术的基本原理是: 先在计算机
13、上利用三维造型软件设计出零件的三维实体模型，然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。,打印金属粉末的3D打印技术介绍,电子束选区熔化技术( EBSM) EBSM是采用高能电子束作为加工热源，扫描成形可以通过操纵磁偏转线圈进行，且电子束具有的真空环境，还可以避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。 其利用金属粉末在电子束轰击下熔化的原理，先在铺粉平面上铺展一层粉末并压实;然后，电子束在计算机的控制下照截面轮廓的信息进行有选择的熔化、烧结层层堆积，直至整个零
14、件全部熔化、烧结完成。,EBM 系 统示意图,3D打印的特点,数字制造: 借助建模软件将产品结构数字化，驱动机器设备加工制造成器件，数字化文件还可借助网络进行传递，实现异地分散化制造的生产模式。降维制造( 分层制造) : 即把三维结构的物体先分解成二维层状结构，逐层累加形成三维物品。因此，原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构，而且制造过程更柔性化。堆积制造: “从下而上”的堆积方式对于实现非匀致材料、功能梯度的器件更有优势。直接制造: 任何高性能难成型的部件均可通过“打印”方式一次性直接制造出来，不需要通过组装拼接等复杂过程来实现。快速制造: 3D 打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场
15、制造，因此，制造更快速、更高效。,3D打印的优势,3D打印机不像传统制造机器那样通过切割或模具塑造制造物品。通过层层堆积形成实体物品的方法从物理的角度扩大了数字概念的范围。对于要求具有精确的内部凹陷或互锁部分的形状设计， 3D打印机是首选的加工设备，它可以将这样的设计在实体世界中实现。下面是来自各个行业、具有不同背景和专业技术水平的人用类似的方式描述，3D打印原理帮助他们减少主要成本、时间和复杂性障碍。我们一起来看一下3D打印具有哪些优势。,3D打印的优势,优势1：制造复杂物品不增加成本 就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3D打印机而言，制造形状复杂的物品成本不增加，制造一个华丽
16、的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，并改变我们计算制造成本的方式。 优势2:产品多样化不增加成本 一台3D打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。传统的制造设备功能较少，做出的形状种类有限。3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。 优势3:无须组装 3D打印能使部件一体化成型。传统的大规模生产建立在组装线基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后由机器人或工人（甚至跨洲）组装。产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。3D
17、打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装。省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短，污染也越少。,3D打印的优势,优势4:零时间交付 3D打印机可以按需打印。即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求，所以新的商业模式将成为可能。如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。 优势5:设计空间无限 传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形
18、状。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。 优势6:零技能制造 传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求，然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3D打印机从设计文件里获得各种指示，做同样复杂的物品，3D打印机所需要的操作技能比注塑机少。非技能制造开辟了新的商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。,3D打印的优势,优势7:不占空间、便携制造 就单位生产空间而言，与传统制造机器相比，3D打印机的制造能力更强。例如，注塑机只能制造比自身小很多的物品，与此相
19、反，3D打印机可以制造和其打印台一样大的物品。3D打印机调试好后，打印设备可以自由移动，打印机可以制造比自身还要大的物品。较高的单位空间生产能力使得3D打印机适合家用或办公使用，因为它们所需的物理空间小。 优势8:减少废弃副产品 与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。传统金属加工的浪费量惊人，90的金属原材料被丢弃在工厂车间里。3D打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。,3D打印的优势,优势9:材料无限组合 对当今的制造机器而言，将不同原材料结合成单一产品是件难事，因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种
20、原材料融合在一起。随着多材料3D打印技术的发展，我们有能力将不同原材料融合在一起。以前无法混合的原料混合后将形成新的材料，这些材料色调种类繁多，具有独特的属性或功能。 优势10:精确的实体复制 数字音乐文件可以被无休止地复制，音频质量并不会下降。未来，3D打印将数字精度扩展到实体世界。扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率，我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。,应用领域,3D打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。 目前，3D打印技术已在工业设计、文化艺术、机械制造( 汽车、摩托车)、航空航天、军事、建筑、影视、家电、
21、轻工、医学、考古、雕刻、首饰等领域都得到了应用。随着技术自身的发展，其应用领域将不断拓展。,3D打印技术的发展,首款3D打印电动汽车问世 45小时完成制造,3D打印技术的发展,3D打印助力少林绝学传承发扬,3D打印技术的发展,美国医生用3D打印心脏救活2周大先心病婴儿,报道称，这名婴儿患有先天性心脏缺陷，它会在心脏内部制造“大量的洞”。在过去，这种类型的手术需要停掉心脏，将其打开并进行观察，然后在很短的时间内来决定接下来应该做什么。 但有了3D打印技术之后，巴查医生就可以在手术之前制作出心脏的模型，从而使他的团队可以对其进行检查，然后决定在手术当中到底应该做什么. 巴查医生说，他使用了婴儿的M
22、RI数据和3D打印技术制作了这个心脏模型。整个制作过程共花费了数千美元，不过他预计制作价格会在未来降低。,3D打印技术的发展,3D打印技术与艺术动漫有着不解之缘，越来越多的设计师将自己设计的形象通过3D打印的形式展现出来。而在动漫领域，3D打印动画有着广泛的应用前景，具体是指将动漫人物3D打印出来然后通过定格动画的拍摄方式形成动画。近日，在艺术和动漫领域，3D打印技术展现了其更广的应用前景。 大型迪斯尼动画超能陆战队，其动漫制作过程中充分运用3D打印技术，包括3D打印以及3D扫描等技术。动漫人物的武器装备是经3D扫描后3D打印出来的。,3D打印技术的发展,由中央电视台和MTV音乐电视台联合主办
23、的音乐盛典2010年度音乐颁奖,3D打印技术的发展,美食不能拒绝 来看下这款意大利面3D打印机,随着3D打印技术的发展，3D食品打印机逐渐走进我们的视线。创客们根据需要对3D打印设备进行改装，制作出各式样的食品3D打印机。而这些食品3D打印机都可以做出什么样式的食品呢？据笔者现在的了解，市场上已经出现了供老人享用的软质食物打印机。而在罗马创客嘉年华上出现了一款意大利面3D打印机，还有各种意大利面制作设备，使人眼前一亮。,打印机喷嘴下方是可转动的滚轴,3D打印与艺术的结合,将前卫的3D打印技术与家居灯饰完美结合，融合设计师的独特设计理念，流畅的线条，简约的设计，让你享受科技神秘感的同时，也拥有现
24、代时尚的家居生活体验。采用数字方法利用数学曲线公式设计而出，产品的形式参数可调，几乎可以呈现出无限多的组合方式。,3D打印机“打印”出无人飞机,2011年8月1日，英国南安普敦大学的工程师设计并放飞了世界上第一架“打印”出来的飞机。这款飞机名为“SULSA”，是一种无人驾驶飞机，整个结构均采用打印这种方式，包括机翼、整体控制面和舱门。,3D打印技术的发展,近日，以色列一家名为something3D的企业也宣布推出全新的全彩3D打印机，采用熔融细丝制造（FFF）3D打印技术。,我们看到常见的多色3D打印机需要安装多个挤出头，来实现彩色效果。而变色龙3D打印机只有一个挤出头，是通过混合多种细丝实现
25、全彩打印，颜色切换可达到0.5mm精度。,3D打印技术的发展,变色龙体积520 x 520 x 600 毫米，重20千克，可打印的作品最大300 x 300 x 340 毫米。据说，变色龙兼容1.75毫米的ABS和PLA细丝材料，打印速度每秒70-100毫米。,3D打印技术的发展,2013年11月8日，美国一家制造了全球首款3D金属手枪，而且已经成功发射了50发子弹，该手枪的设计出自经典的1911式手枪。该手枪是由超过30个3D打印原件组装而成，包括不锈钢和一些特殊合金材料，枪栓、枪管和很多内部零件。这个技术工艺的核心是金属激光烧结，,3D打印业发展趋势,3D打印按需定制、以相对低廉的成本制造
26、产品一度被认为是科幻想象，而现在已经变成现实。在2015年，这种趋势将逐渐加速。以下就是今年以及今后3D打印领域值得关注的十大趋势：,3D打印业发展趋势,1. 3D打印成为工业化力量 3D打印原先只能用于制造产品原型以及玩具，而现在它将成为工业化力量。你乘坐的飞机将使用3D打印制造的零部件，这些零部件能够让飞机变得更轻、更省油。 事实上，一些3D打印的零部件已经被应用于飞机上。该技术也将被国防、汽车等工业应用于特种零部件的直接制造。总之，通过3D打印制造的飞机、汽车乃至家电的零部件数量将越来越多。2. 3D打印开始治病救人 通过3D打印制造的医疗植入物将提高身边一些人的生活质量，因为3D打印产
27、品可以根据确切体型匹配定制，如今这种技术已被应用于制造更好的钛质骨植入物、义肢以及矫正设备。 目前，3D打印技术在医疗应用方面的研究涉及纳米医学、制药 乃至器官打印。做最理想的情况是，3D打印技术在未来某一天有可能使定制药物成为现实，并缓解（如果不能消除的话）器官供体短缺的问题。,3D打印业发展趋势,打印出来的静脉即将开始在动物身上进行试验，并最终实施人体临床试验人造骨骼组织相当精细，可用于整形、重建和脊椎手术,3D打印业发展趋势,3. 定制化成为常态 产品将根据自己确切的具体信息进行定制，通过3D打印技术，创新公司将凭借与竞争对手的标准化产品相同的价格为用户提供定制化体验，以此获得竞争优势。
28、 这种体验可能包括制造定制智能手机外壳这样的新奇物品或是为标准化工具进行符合人体工程学的改造，但它很快就会扩张到新的市场。 4. 产品创新速度加快 由于运用3D打印的快速原型制造技术能够缩短把产品概念转化为成熟产品设计的时间，设计人员将能够专注于产品的功能。虽然使用3D打印的快速原型制造技术并不是新鲜事物，但迅速降低的成本、功能得到改进的设计软件以及越来越多的打印材料意味着设计人员将能更方便地使用3D 打印机，使他们能够在设计的早期阶段就打印出原型产品、进行修改以及重新打印等等，从而加速创新，其结果将是更好的产品以及更快的设计速度。,3D打印婴儿,3D打印业发展趋势,5.3D打印店在购物商场开
29、张 3D打印店将开始出现，它们最初会凭借高品质的3D打印技术为本地市场提供服务。一开始是快速原型制造以及其他基本功能，但这些打印店会转移到消费市场。 零售商开始“运送设计，而不是产品”，在这种情况下，本地的3D打印店有一天将成为你获取自己定制的本地制造产品的地方。,在英国伦敦市中心正式开张营业的3D打印店iMakr。iMakr占地230多平方米，有上下两层，是目前全球最大的3D打印店，也是英国首家3D打印店。,3D打印业发展趋势,6. 关于知识产权归属的激烈辩论浮现出来 3D打印机可以很容易地复制拥有版权的产品设计，随着制造商和设计者开始应对这种情况，未来将出现关于产品设计知识产权归属的高调诉
30、讼案例。7.3D打印机为制造工厂提供助力 我们有望在制造工厂里看到3D打印机。一些特殊的零部件已经由3D打印机更经济地生产出来了，但仅仅是在小规模范围内。对于3D打印技术，很多制造商将开始尝试原型制造以外的应用。 随着3D打印机的性能不断提高以及制造商将其整合进生产线和供应链的经验变得更加丰富，我们有望看到集成了3D打印零部件的混合制造工艺。而消费者渴望的那些需要通过3D打印机制造的产品将进一步加速此进程。,本实验室3D打印机技术研究,3D打印技术研究：1.基于机器人技术的3D打印关键技术研究 2.3D打印机的智能化和便捷化 3.高效金属打印技术 4.特殊材料专用3D打印机研究 5. 打印材料研究,Delta型 3D打印机（1）,特点：采用导轨滑块，应用delta架构,Delta型 3D打印机（2）,特点：用直线光轴加上轴承代替了导轨滑块，降低了成本。,直角坐标型3D打印机,Makerbot桌面级高端打印机的代表，采用直线平台运作，喷头采用的是智能喷头。,激光加工仪,激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。 激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。,Thank you !,
