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3D打印课程
发布时间:2015/11/10 10:41:55 编辑:张莉芬 点击:1909

 3D打印课程

   索引

第一章    引言

第二章    3D打印技术应用

第三章    3D打印工作原理

第四章    CoLiDo  X3045打印机的校准与测试

第五章    CoLiDo  X3045打印机的设置与维护

第六章    创客空间

 

第一章        引言

1.1.3D打印技术概念

3D打印技术,即快速成型技术的一种,是制造业正在迅速发展的一项新兴技术,被英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文中,称为第三次工业革命的重要标志之一。3D打印作为一种通俗化名称,其实质是增材制造技术,因此又称为添加制造(AM, Additive Manufacturing)。美国材料与试验协会将增材制造技术定义为:基于3D模型数据,采用与减式制造技术相反的逐层叠加的方式生产物品的过程,通常通过电脑控制将材料逐层叠加,最终将计算机上的三维模型变为立体实物,是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术。

1.2.3D打印技术的应用领域

近20年来,3D打印技术在各领域发展迅速,主要被应用于产品原型、磨具制造,以及艺术创作、珠宝制作等领域,替代这些领域传统以来的精细加工工艺。除此之外,该技术在鞋类、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支、生物工程以及其他多个领域都有所应用,从市场份额来看,3D打印技术应用在汽车及零配件领域占37%,在消费品领域占18.2%,应用于航空航天和国防军工占13.7%,在商业机器领域占11.2%,在医疗领域占8.8%,在科研方面占8.6%。同时,3D打印技术为这些产业的创新开拓注入了新鲜的血液,如2010年澳大利亚Invetech企业和美国Organovo企业合作,尝试以活体细胞为“墨水”打印人体的组织和器官,是医学领域具有重大意义的创新。

1.3.3D打印技术及产业的国内外发展现状

1.3.1.国际情况

经过多年的探索和发展,3D打印技术有了长足的发展,目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率,并可以实现24位色彩的彩色打印。

目前,在全球3D打印机行业,美国3D Systems和Stratasys两家企业企业的产品占据了绝大多数市场份额。在欧美发达国家,3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式,同时,国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中,行业巨头正在加速崛起。

1.3.2.国内情况

近年来,我国积极探索3D打印技术的研发,自20世纪90年代初以来,清华大学、西安交通大学、华中科技大学、中国科技大学、北京航天航空大学、西北工业大学等多所高校积极致力于3D打印技术的自主研发,在3D打印设备制造技术,3D打印材料技术,3D设计与成型App开发,3D打印工业应用研究等方面取得了不错的成果,有部分技术已经处于世界先进水平,但总体而言,国内3D技术的研发水平还有较大差距。目前,国内对3D打印设备进行产业化运作的企业实体主要有:北京殷华,湖北滨利机电,深圳维示泰克,江苏敦超等,这些企业已经基本实现了3D打印机的整体生产和销售。

2.发展趋势2.1.困难与挑战

根据国际快速制造行业权威报告《Wholes Report 2011》发布的调查结果,全球3D行业打印产业产值在1988~2010年期间保持着26.2%的年增长速率。报告预期,3D打印产业未来将持续较快地增长,到2016年,包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美金,2020年将达到52亿美金。但3D打印技术要进一步扩展其产业运用空间,目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战:一是成本方面,现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵,给其进一步普及应用带来了一定困难;二是概念方面,现在3D打印技术的概念普及范围还不是很广,国内外各个高校也还没有开设相应课程先容、学习这门新兴技术;三是打印材料方面,目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物,材料选择的局限性较大,成型品的物理特性也不理想,并且安全方面也存在一定的隐患。

 2.2. 发展趋势

随着智能制造,控制技术,材料技术,信息技术等不断发展和提升,这些技术也被广泛地综合应用与制造工业,3D打印技术也将会被推向一个更加广阔的发展平台。未来,3D打印技术主要有以下发展趋势:

2.2.1 .智能化和便捷化

目前,3D打印设备在App功能、后处理、设计App与生产控制App的无缝对接等方面还有许多问题需要优化。例如,成型过程中需要加支撑,成型过程中需要不同材料转换使用,加工后的粉末去除方面,都需要App智能化和自动化程度进一步提高。同时,随着3D打印技术越来越普遍地运用到服装、设计、生活生产当中,只有用户在使用过程中觉得简易上手,技术门槛低,复杂程度低,才能使用户有更好的使用体验,才能更普遍地推广这一技术。而这一系列问题都直接影响到设备的普及和推广,设备智能化、便捷化是走向普及的保证。

2.2.2 .通用化

3D打印是近年来国际上的发展热点,其输出设备称为3D打印机,是作为一个计算机的外部输出设备使用。它可以直接将计算机中制图App中的三维设计图形输出成一个三维彩色实体,在科学教育,工业制造,产品创意,工业美术等方面有广泛地应用前景和巨大的商业价值,这同时要求3D打印技术向低成本、高精度、高性能的方向发展。

 

第二章3D打印技术应用

3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术,至少包括以下方面:

信息技术:要有先进的设计App及数字化工具,辅助设计人员制作出产品的三维数字模型,并且根据模型自动分析出打印的工序,自动控制打印器材的走向。

   精密机械:3D打印以“每层的叠加”为加工方式。要生产高精度的产品,必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求。

  材料科学:用于3D打印的原材料较为特殊,必须能够液化、粉末化、丝化,在打印完成后又能重新结合起来,并具有合格的物理、化学性质。

   3D打印机的应用领域及其广泛,从寻常百姓家的锅碗瓢盆,到关系到国家安全的国防事业,几乎各种领域都可以有他的身影。他的应用对象可以是任何行业,只需要这些行业提供3D数据模型或原型,3D打印机均可以加工。其中这些行业中对3D打印机需求较大的包括政府、航空航天、医疗设备、高科技研发、教育业以及制造业。 

    医疗行业:从2010年美国成功打印活体器官开始,似乎直接打印人体也并不是不可能,它更类似于克隆技术,他打印出来的活体器官不会与患者排斥。他还可以打印骨骼、牙齿等。大家可以预计在将来3D打印机的发展中,在医疗方面会引入一个全新的人体植入概念,让更多的患者看到希翼。

    产品研发:大家可以利用3D打印技术快速制造手板模型,这样不但保留原有结构的特征,同时还可以做比例缩减,缩短加工时间短,降低生产成本,减少产品改良时间,更适合产品研究开发。

    建筑设计:在建筑业,工程师和设计师们已经开始使用3D打印机打印建筑模型,这种方法快速、低成本、环保,同时制作精美。完全符合设计者的要求,切有节省大量的材料和时间。

    食品产业。没错,就是“打印”食品。研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来,很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然,到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。   、

    汽车制造业。不是说你的车是3D打印机打印出来的(当然或许有一天这也有可能),而是说汽车行业在进行安全性测试等工作时,会将一些非关键部件用3D打印的产品替代,在追求效率的同时降低成本。   

配件、饰品。这是最广阔的一个市场。在未来不管是你的个性笔筒,还是有你半身浮雕的手机外壳,抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指,都有可能是通过3D打印机打印出来的。

第三章  3D打印工作原理

3D打印机看似复杂,却很简单,其实从1916年爱因斯坦提出激光原理时,已经为1986年第一台3D打印机的出现奠定了坚实的理论基础。

3D打印就是断层激光扫描烧结的逆过程,断层扫描就是把某个三位模型“切”成无数叠加的片;3D打印就是一片一片的打印,然后叠加到一起,成为一个立体物体。其优势就是在于传统的加工方法是利用去除材料进行加工,而3D打印则是增加材料进行加工。这样与传统加工方式相比,3D打印机生产有材料利用率高,加工成型速度快,时间短,成型产品密度更均匀等优势,其中最大的优势在于不再受制于产品结构,只要设计师能想出的结构,3D打印机都能帮他实现。

3D打印是添加剂制造技术的一种形式,在添加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D打印机相对于其他的添加剂制造技术而言,具有速度快,价格便宜,高易用性等优点。3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备,功能上与激光成型技术一样,采用分层加工、迭加成形,即通过逐层增加材料来生成3D实体,与传统的去除材料加工技术完全不同。称之为“打印机”是参照了其技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。

工作步骤

1.  先通过计算机建模App建模,如果你有现成的模型也可以,比如动物模型、人物或者微缩建筑等等。然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中,进行打印设置后,打印机就可以把它们打印出来,其工作结构分解图如下。3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样,都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的,打印原理是一样的。3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型,然后再进行打印输出。

2.  3D打印与激光成型技术一样,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。

3.  三维设计

三维打印的设计过程是:先通过计算机建模App建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而引导打印机逐层打印。设计App和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器,其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

 

4.  打印过程

打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。打印机打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米,即0.1毫米,也有部分打印机如Objet Connex 系列还有三维 Systems ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。 用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天,根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。  传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品,而三维打印技术则可以以更快,更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

5.  制作完成

三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够(在弯曲的表面可能会比较粗糙,像图像上的锯齿一样),要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法:先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体,再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。  有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物,比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西(如可溶的东西)作为支撑物。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第四章  CoLiDo  X3045打印机的校准与测试

 

 

第五章  CoLiDo  X3045打印机的设置与维护

 

 

 

 

 

 

 

 

第六章  创客空间

3D打印建模App:
Autocad 基本三维设计App
3DSMAX
MAYA
Model Wizard
AutodeskRMayaR
AutodeskRAliasStudio
Rhino
犀牛 强大的专业3D造型App,它可以广泛地应用于三维动画制作、工业制造、科学研究以及机械设计等领域
SolidWorks Windows原创的三维设计App,易用友好
ReplicatorG
3D
 Object Converter 强大的3D模型转换和交互式查看共享工具
Mineways
读取Minecraft的地图文件,导出用于二次处理或者三维打印的文件
Autodesk 123D
一款免费的三维 CAD App
123D
 Catch 把普通照片转换成3D模型
ZEdit Pro
大大简化产品设计以及其它三维打印工作
3-MATIC
App直接对STL进行设计修改,扫描和CAD数据
formlabs FORM
App 可以直接导入STL文件
Objet Studio?
App 任何三维CAD文件顺利转换成可打印文件
EOSTATE
是一个完美的工具,德国EOS激光烧结系统

每种App都各有特点,其实不在优劣,关键在于熟练。

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