1、 3D 打印技术在产品开发中的应用研究 摘 要 3D 打印技术从美国起先发展，这项新的技术是通过光固化和纸层叠等技术的最新快速成型技术，是伴随激光技术、计算机数控技术、计算机辅助设计与制造技术、材料科学与控制工程技术等多项新技术的出现而产生并发展的高新技术。在产品的设计和生产步骤中， 经过国内外近三十年来的研究和应用，这项技术已经彻底改变了传统的产品设计、技术管理和工作方式随着 3D 打印技术的飞快发展，众多行业将运用这项新的前沿技术打开创新创意空间，进而推动工作和生产模式的不断创新。 关键词： 新技术； 3D 打印；应用研究 目录 i 目录 目录 . i 第一章 绪论 . 1 1.1 3D
2、打印技术及其发展 . 1 1.2 3D 打印技术在国内外的应用现状 . 1 第二章 三维打印技术发 展与主要原理 . 4 2.1 熔融堆积（ FDM）的技术原理 . 4 2.2 薄材叠层（ LOM）的技术原理 . 4 2.3 树脂光固化 (SLA)的技术原理 . 4 2.4 粉末选择性烧结 (SLS)的技术原理 . 5 第三章 目前存在的问题 . 6 3.1 3D 打印的耗材 . 6 3.2 3D 打印机本身 . 6 3.3 3D 打印的价格 . 7 3.4 知识产权的保护 . 7 3.5 3D 打印机的操作技能 . 7 3.6 政策方面 . 7 第四章 课题的实例（如实例的加工过程、具体操作
3、） . 8 第五章 总结与展望 . 9 致谢 . 10 参考文献 .11 第一章绪论 1 第 一 章 绪论 1.13D 打印技术及其发展 3D 打印技术来源于 19 世纪末的美国，并且在 20 世纪 80 年代得以演变和发展。这项新技术是通过光 固化和纸层叠等技术的最新快速成型技术，也叫增材制造技术。其重要技术是激光技术、计算机数控技术、材料科学与工程技术等一些新兴的 技术。 3D 打印在美国是第一 个 “制造创新国家项目 ” 1 ，在智能生产、器官再造、多零件集成等几个方向均有 极大影响。在中国，近年来这项新技术已经引起中国高层领导的高度重视。 3D 打印的特色是通过计算机三维图形数据设计能
4、直接打印生成所有 形状的物体，不必需要模具和机械的加工，进而很大程度节省了产品的生产成本，减少了产品的生产周期，加速了新产品的开发进度。以前开发一个复杂形状的零部件，要有许多有关系的模具和卡具，与此同时还要有配合专用的机械加工设备才可以完成，开发出满足市场需要的新产品的步骤不仅困难而且漫长。利用 3D 打印技术不将要依赖工具、模具和卡具等的辅助，于是能完成新零件部件的制造，很大程度地加速了产品的开发和生产 速度。 3D 打印和普通打印的差别在于：普通打印机仅仅只能打出文字和图片等平面纸张资料，但是 采用 3D 打印技术不只只能打印出立体的物体 ，并且成本低廉，还能激起人们一定的想象力和创造力。
5、这个新技术出现以来，中国对这项技术也进行了积极的研究。从德国之后，中国借助 863 计划和自然科学基金等的资助，在中国领先研发成功了采用半导体泵浦和光纤激光器并且投入应用，社会效益和经济效益非常明显 2 。这个新技术使产品从设计到生产步骤的技术方式和管理模式产生了变化，尤其是可以为复杂精细金属零件迅速成形创造新的设计方法和制造模式。到现 在为止 3D 打印技术已经在模具制造、军事国防、医疗、汽车制造、航空航天、地理信息系统、珠宝等领域推广和应用而且获得了很好的成绩。之前是制造商和消费者分散，目前是制造商和消费者成为一体，很大程度增加了产品的生产效率。 1.23D 打印技术在国内外的应用现状 3
6、D 打印，又称 作增材制造技术， 也就 是把计算机三维设计模型作为基础，第一章绪论 2 经过数控成型和软件分层离散系统，应用材料累加原理，在工业设计、模具制造等方面从无到有地直接制造零件的新型制造技术。伴随着这项新技术的持续推进和利用，除了已经在航空航天、工业设计、建筑工程、医疗产业、珠宝、汽车、鞋类、教育、地理信息系统、土木工程等方面利用这个技术打印产品以外，这个技术还可以用在食品生产、枪支制造、儿童玩具等地方。所谓的激光 3D 打印，实质上是参考了普通打印机的技术原理 3 ， 3D 打印分层加工的工作步骤与喷墨打印很相像。 3D 打印机与普通打印机工作机制大多类似，只是打印的材质 不一样。
7、 现在人们在工作 和生活中运用的普通打印机打印的是电脑设计的平面物体 ，打印材料是墨水和纸张，然而 3D 打印机的打印材料却是装在打印机内的塑料、金属、石膏、陶瓷、尼龙、砂、橡胶等实物原材料。 在中国， 3D 打印技术起源于上个世纪八九十年代，那个时候国外一些科技大国尽管提出这个概念已大约有十年， 然而还没有进行大规模的研究开发。中国政府和科研人员对这个技术也相当看重 ，从 1991 年以来 研究 3D 打印，那时 的名称为 快速原型技术（ Rapid Prototyping），也就是开发样品之前的实物模型。国际上已有一些 纯熟的工艺 制造：分层实体制造、立 体光刻 、 激光烧结等，中国 也在
8、持续跟踪研发。 2000 年前后，这些工艺从实验室研发逐步向工程化、产品化转换。清华大学在这一方面的研究比较早，这里面颜永年教授是这一方面研发的带头人之 一，从美国访学回来后，颜教授曾多次邀请美国学者来中国讲学，而且建 立了清华大学激光快速成形中心和北京殷华快速成型模具技术有限公司 。从这没多久久，北京航空航天大学、西北工业大学 、大连理工大学等高等学校均逐步加入很多人力物力从事这方面技术的研发，成立了各种很有特色的激光制造工程研究中心，而且研发制造出了先进的激光 3D 打印机 4 。西北工业大学的科研人员也用激光立体成型技术打 出 C919 国产 大飞机中央翼缘条大型钛合金构件，这一项收获获
9、得收到了世界的广泛 关注，预示着中国在激光 3D 打印方面开始进入了世界先进行列。在中国， 3D 打印技术除了一些知名学校和科研院所在积极研究和利用外，有些高科技公司也在积极开始这项新技术的研发和运用 5 。富士康科技集团公司、深圳市瑞贝思三维成型技术有限公司、上海悦瑞三维科技股份有限公司、江苏永年激光成形技术有限公司等，在这一方面的研发和应运用已经达到了世界的先进水平。 2012 年 8 月，湖南华曙高科技有限责任公司生 产的选择第一章绪论 3 性激光尼 3D 打印配置就在湖南长沙下线而且第一次向 美国 出口 。这个新技术的产生和应用，毫不犹豫在促进中国传统制造转型领域拥有协助商业和个人的巨
10、大潜在能力。 第二章三维打印技术发展与主要原理 4 第 二 章 三维打印技术发展与主要原理 2.1 熔融堆积（ FDM）的技术原理 丝状材料选择性熔覆 (Fused Deposition Modeling)快速原型工艺是一类不靠激光作为成型能源，让各类 丝材 (如工程塑料 ABS、聚碳酸酯 PC 等 )加热熔化从而累积成型的形 式，简 单 称 作 FDM6。这个技术原理为热塑性丝状材料 (如直径为 1.75mm的塑料丝 )由供丝机构运 到喷头，而且在喷头中以 230“12 以上的温度加热和熔化为半液态，然后被向外挤出 ， 可以 选择性的涂抹覆盖在工作台上面，很快冷却后产生一层薄片轮廓。一层截面
11、成型完成后工作台降低到一些高度，持续下个阶段 的熔覆。用热熔的材质一层层堆积出截面轮廓，这样循环，拿出后去掉支撑材料，最后成为三维产品零件。 2.2 薄材叠层（ LOM）的技术原理 薄材叠层实体制造 (Laminated Object Manufacturing)是薄片材料叠加工艺，简单叫作 LOM。经过三维模型各个截面的轮廓线，计算机发送控制切割系统的命令，以致 切割头或激光 分别向 x 和 Y 方向的移动。供料机构将涂有热熔胶的薄材一段段的送到工作台的上面。切割系统通过计算机提出的待加工模型的截面轮廓用切割头沿轮廓 线将工作台上的打印材料切出轮廓线，随后，从热压机构将每层 打印材料按压并黏
12、在一起。可升降工作 台支持正在成型的工件，而且在每层成型以后，拉低一个层厚，促以发送、粘合和切掉新的那 层打印材料 7。打印完成的三维模型与周边的废料块需剥离开来，取得 最后的三维产品。 2.3 树脂光固化 (SLA)的技术原理 光敏树脂选择性固化 就 是利用立体雕刻 (Stereo-lithography)方法的一类 工艺，简 单叫作 SLA。成型起初的时候，工作台在液面接下来一层 截面层厚的高度，聚焦 以后的激光束，顺着液面作扫描，让 扫描区域的树脂 被 固 定 化。因而获得薄片。或着运用喷射头喷出树脂，然后用紫外激光沿线固化。随后，工作台向下一第二章三维打印技术发展与主要原理 5 层薄片
13、的高度，新的液态树脂覆盖己经被固化的一层薄片，从而进行 第二层固化，就这样一直重复，一直到整个产品成型以后。以致升降台浮上液体树脂表面，也就是可拿出工件，从而来 清理和覆盖 面光洁处理。 2.4 粉末选择性烧结 (SLS)的技术原理 粉末选择性烧结利用二氧化碳激光器对粉末材料进行选择性烧结，是一类由粉末状的离散点逐步积累成三维模型的工艺方式。技术原理和 SLA 类似。不一样的是在 SLS 中激光用在烧结和熔化固体 的粉末，而非 聚合液的固 态 化。成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动。首先在工作平台上铺一层粉末材料，随后激光束在计算机管理下根据截面轮 廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末 固化成
14、对应的轮廓。第一层完成后，工作台下降一截面层的高度，再加一层粉末，从而开始下一层制作，就这样循环，形成三维的原型零件。拿出零件，去掉其它的粉末后得到模型。第三章目前存在的问题 6 第三章 目前存在的问题 3D 打印技术已获得了明显的发展，然而仍然有着下面几个方面的问题。 3.1 3D 打印的耗材 耗材是现在控制 3D 打印技术普遍应用的重要原因。到目前已经研制的大部分 有塑料、树脂和金属等 材料，但是 3D 打印需获得更多方面的利用，就要研制出更多的可以打印的材质 ，通过材料特点加深研究加工、结构与材料之间的关系，开发质量测试程序和方式，成立材料性能数据的规范性 标准等。除此之外，在一些重要的
15、产业领域，找到合适的材料也是一个非常 大的挑战。为了满足这些要求就要有研发新型的复合材料。 Xerox PA C 研究中心的研究人员正在专注可以打印电子产品的新工艺研发，然而到现在可用的原料还不多。 在打印材料领域，以色列 Objet 公司在领先的地位。现在，该公司说明 为Connex 系列多材料 3D打印机新研制 39 种新 型 的 “数字材料 ”，可以提供客户选取的基本材质 已高达 107 类。这些材料的质地 、韧性、刚度、强度都各个不一样。这个企业到现在能供给 90 类 “数字材料 ”，这些材料均由企业供给 的基本材料复合而 形 成，这样可让设计师、工程师和制造商可以很准确地模拟它的最终
16、产品的材料性质。用户利用 Connex 多材料 3D 打印机，能在一个模型中同时利用高达14 类不一样硬度和透明度的材质 。 除此之外，到现在对金属材料有 3D 打印的需要非常紧急，如 钛合金、镍基合金、银和金等，然而现在这些打印技术并没有完全突破。 3.2 3D 打印机本身 根据报道，世界上到现在仅只一类 3D 打印机可以同时打印出多种材料的产品。因为 3D 打印工艺演变还不完善，快速成型零件的精度和表面质量大部分不可以符合工程直接使用需求，仅仅能让原型利用。 3D 打印产品因为采纳叠加制造工艺，层与层之间联结得再紧密，到现在也非常难与传统锻件相媲美。 第三章目前存在的问题 7 3.33D
17、打印的价格 至 现在， 3D 打印不拥有规模经济的优点，价格方面的优点到现在并不明显。到现在， 1 kg 打印材质少的话大概几百块钱，多的话大概需 4 万块钱 ，所以 3D打印在一段时期里还不可以全部换成传统制造技术。然而在一 件小批量、个性化订制 方面，相对大部分产品 ，不论打印 几 件还是 几百件，价格均基本上没区别 ，因此 3D 打印拥有无法 比较的优点。 3.4 知识产权的保护 3D 打印技术的意义不只在于使资本和工作的 分配模式变化，并且也在于它可以变化知识产权的规则。这个技术的产生让制造业的辉煌不再决定于生产范围，而是决定于创新 。但是，仅仅只靠创意也是非常危险的，模仿者和创新者均
18、可以容易地在市场上迅速推广出新产品，非常有可能就像开始的音乐方面一样存在盗版的威胁。 3.5 3D 打印机的操作技能 3D 打印技术需依赖数字模型来从事生产，然而对普通用 户来说学会运用计算机辅助设计工具 (CAD)还是有一定程度上的困难。但是伴随着社会演变，以后会有更多的学生学习并且控制这方面的能力，而且企业也能提出一些简单的产品数据库，用户不需要学会 3D 设计技能就可以制作模型，就像傻瓜相机的发展一样。 3.6 政策方面 3D 技术的研制要有很大的政府帮助或产业界的金钱 支持。如在医疗领域，可能会因为缺乏食品和药品监管部门的准许，导致很多临床医疗产品应用的滞缓等。 第四章课题的实例（如实例的加工过程、具体操作） 8 第四章 课题的实例（如实例的加工过程、具体操作）
