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机械创新设计结课论文 课 程 名 称 机械创新设计 院（系、部、中心） 机械工程学院 3D打印技术摘要：3D打印是最近几年开始流行的一种快速成形技术，它以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来 构造物体。被认为推动了第三次工业革命进程的3D打印技术，涉及信息技术、材料科学、精密机械等多个方面。投入民用工业是近年来的事，多用于大型制造业。本文从文献研究入手，介绍3D打印机的原理和技术，以及在各领域的应用和出现的产品；最后讨论了目前3D打印应用的前景、优势和不足。关键词：3D打印；3D打印原理、技术；3D打印应用1 3D打印概念3D打印（3D printing），即快速成型技术的一种，也称为增材制造技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。快速成型技术诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术。3D打印技术被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”，早在20世纪90年代中期就已出现，但由于价格昂贵，技术不成熟，早期并没有得到推广普及。经过20多年的发展，该技术已更加娴熟、精确，且价格有所降低。 2 3D打印原理和过程“3D打印”层层印刷的原理和喷墨打印机类似，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制采用分层加工，叠加成型的方式来“造型”，会将设计产品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，一层一层叠加起来，最终在计算机上的蓝图变为实物。3D打印是一种直接数字化制造技术，是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域洒一层特殊胶水，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。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，加工过程仅需确定所需塑料、树脂、金属等物料，材料耗费仅相当于传统制造的十分之一，而误差可轻易控制到0.1mm之内。它无需生产线，亦可制造那些常规方法无法生产的奇形怪状的零件。三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。分步骤描述如下：1、三维建模通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的 DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成二维模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等二维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。2、分层切割由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到电脑中以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理，即将模型切分成一层层的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。3、打印喷涂由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到二维空间中，根据工作原理的不同，有多种实现方式。比较流行的做法是先喷一层胶水，然后在上面撒一层粉末，如此反复；或是通过高能激光融化合金材料，一层一层地熔结成模型。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质和工艺耗时几分钟到数天不等。4、后期处理模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等等，才能最终完成所需要的模型的制作。 3 3D打印材料 在3D打印领域，材料是技术的核心之一，可以使用很多种材料，如陶瓷、钢化玻璃、石膏、无机粉料、ABS塑料、PLA(聚乳酸尼龙、玻璃填充聚胺、光固化材料、银、钛、钢、蜡、干膜和聚碳酸脂等。目前打印出来的材料以ABS(热塑料）和树脂为主，材质在机器内 “熔化”，通过不同比例的材料混合，可以产生出将近120种软硬不同的新材料。工程塑料指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。 PC材料，是真正的热塑性材料，具备工程塑料的所有特性。高强度，耐高温，抗冲击，抗弯曲，可以作为最终零部件使用，应用于交通工具及家电行业。 PC-ISO材料，是一种通过医学卫生认证的热塑性材料，广泛应用于药品及医疗器械行业，可以用于手术模拟，颅骨修复，牙科等专业领域。 PC-ABS材料，是一种应用最广泛的热塑性工程塑料，应用于汽车，家电及通信行业。光敏树脂即是UV树脂，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外光）引发剂（或称为光敏剂）。在一定波长的紫外光（250-300纳米）照射下立刻引起聚合反应完成固化。一般为液态，一般用于制作高强度、耐高温、防水等的材料。 Somos 19120材料为粉红色材质，铸造专用材料。成型后直接代替精密铸造的蜡膜原型，避免开模具的风险，大大缩短周期。 拥有低留灰烬和高精度等特点。 Somos 11122材料为半透明材质，类ABS材料。抛光后能做到近似透明的艺术效果。此种材料广泛用于医学研究、工艺品制作和工业设计等行业。 Somos Next材料为白色材质，类PC新材料，材料韧性较好，精度和表面质量更佳，制作的部件拥有最先进的刚性和韧性结合。另外3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。 4 3D打印技术许多相互竞争的技术是可用的。它们的不同之处在于以不同层构建创建部件，并且以可用的材料的方式。一些方法利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造打印的“墨水”。例如：选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）和混合沉积建模（fused deposition modeling，FDM），还有一些技术是用液体材料作为打印的“墨水”的，例如：立体平板印刷（stereolithography，SLA）、分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）。3D打印的技术主要包括SLA、FDM、SLS、LOM等工艺，下面我们简单介绍三种主流技术：1、立体光刻造型技术(SLA):可以想象一下把一根黄瓜切成很薄的薄片再拼成一整根。先由软件把3D的数字模型，“切”成若干个平面，这就形成了很多个剖面，在工作的时候，有一个可以举升的平台，这个平台周围有一个液体槽，槽里面充满了可以紫外线照射固化的液体，紫外线激光会从底层做起，固化最底层的，然后平台下移，固化下一层，如此往复，直到最终成型。其优点是精度高，可以表现准确的表面和平滑的效果，精度可以达到每层厚度0.05毫米到0.15毫米。缺点则为可以使用的材料有限，并且不能多色成型。2、熔融沉积成型技术:同样是需要把3D的模型薄片化，但是成型的原理不一样。学过高等数学的朋友都知道积分，熔融沉积成型技术，就是把材料用高温熔化成液态，然后通过喷嘴挤压出一个个很小的球状颗粒，这些颗粒在喷出后立即固化，通过这些颗粒在立体空间的排列组合形成实物。这种技术成型精度更高、成型实物强度更高、可以彩色成型，但是成型后表面粗糙。3、选择性激光烧结(简称SLS)技术: SLS工艺又称为选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。选择性激光烧结的特点：材料多样且性能接近普通工程塑料材料；无碾压步骤因此Z向的精度不容易保证好；工艺简单，不需要碾压和掩模步骤；使用热塑性塑料材料可以制作活动铰链之类的零件；成型件表面多粉多孔，使用密封剂可以改善并强化零件；使用刷或吹的方法可以轻易地除去原型件上未烧结的粉末材料 。每种技术都有各自的优缺点，因而一些公司会提供多种打印机以供选择。一般来说，主要的考虑因素是打印的速度和成本，三维打印机的价格，物体原型的成本，还有材料以及色彩的选择和成本。可以直接打印金属的打印机价格昂贵。有时候人们会先使用普通的三维打印机来制作模具，然后用这些模具制作金属部件。5 3D打印相关软件 在3D打印的制作过程中，用到软件的方面应该是在3D打印的三维模型设计上（不包括其余过程中的常用的操作软件）。模型的设计可以说是整个3D打印过程的核心部分，是3D打印产品的根本。在此介绍几种建立三维数字化模型的建模软件。Blender：Blender是一个开源的多平台轻量级全能三维动画制作软件，提供从建模，动画，材质，渲染，到音频处理，视频剪辑的一系列动画短片制作解决方案。blender以python为内建脚本，支持yafaray渲染器，同时还内建游戏引擎。完整集成的创作套件，提供了全面的3D创作工具，包括建模（modeling）、uv映射（uv-mapping）、贴图（texturing）、索链关连（rigging）、蒙皮（skinning）、动画（animation）、粒子（particle）和其它系统的模拟、脚本控制（scripting）、渲染（rendering）、合成（compositing）、后期处理（post-production）和游戏制作；SketchUp：Google Sketchup是一套直接面向设计方案创作过程的设计工具，其创作过程不仅能够充分表达设计师的思想而且完全满足与客户即时交流的需要，它使得设计师可以直接在电脑上进行十分直观的构思，是三维建筑设计方案创作的优秀工具。google SketchUp软件同3dmax等3维制作软件同样，有丰富的模型资源，在设计中可以直接调用、插入、复制等进行编辑任务。AutoCAD：AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美国Autodesk公司首次于1982年开发的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际上广为流行的绘图工具。AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行。6 3D打印专利分析6.1、3D打印快速成型技术的专利申请量趋势分析通过专利申请的分析，可揭示3D打印技术领域的历年专利申请及技术研发情况，从而掌握其技术发展趋势及全局动态。对检索到的国内外3D打印技术领域的专利申请量进行统计,结果见图1。国外3D打印技术自诞生到1993年有80件专利，但由于专利申请数量较低且分布较为分散，为了更好的统计分析，图1从1993年开始绘制。从图1可以看出，国外3D打印快速成型技术在1995年之前处于技术萌芽期，专利申请量增长缓慢，主要申请人有麻省理工学院、Z公司、3D公司。1996 -1998年期间，专利申请量平稳增长，处于平稳增长期。1999 -2003年，专利申请量呈现出快速增长的趋势,2003年达到高峰, 进入快速成长期，此时美国、欧洲、日本的专利申请所占比重较大。随后申请量出现下滑的趋势，此时专利申请数量变化不大，专利权人基本稳定,处于技术发展的相对成熟期，主要是由3D打印技术的材料及打印对象的限制性导致的，由于专利公开的滞后性,2011年之后的数据仅做参考。国内自20世纪90年代初才开始涉足3D打印技术领域，从图1可以看出，在1999年之前专利申请量较少,说明当时我国3D打印技术还处于萌芽时期，没引起足够的重视，这也是受到3D打印技术研发成本高等方面的约束。2000 -2007年间，专利申请量开始稳步增长,进入平稳增长期，2007年之后专利申请量快速增长，直到2011年达到133件，说明我国目前主要处在研发的快速成长阶段。 图1. 3D打印技术专利申请变化趋势 图2.国外3D打印技术专利申请国家分布6.2、3D打印快速成型技术的专利申请国家分析通过专利申请国家分析可以了解主要研究者的国家分布及实力情况，见图2。从图2可以看出，美国、欧洲、日本、德国、韩国是拥有3D打印技术专利最多的国家和地区，申请专利达1750件，占全部专利的69.3%。其中，美国是3D打印技术研发领先、实力最雄厚的国家。欧洲、日本的实力也不容小觑。进一步分析可知，美国作为3D打印领域的领头羊，其实力主要集中在大型的3D设计软件、3D扫描技术、基于熔融材料、粘结材料的成型技术等方面。此外,英国主要是基于Reprap开源项目的3D桌面打印技术。日本主要是基于气泡技术的三维打印机喷头的研究。中国专利申请总量是824件，其中外国人在华申 请的国外专利有48件，全部是发明专利，主要来自美 国、日本、德国等国家。中国本地的专利中，发明专利 仅有509件，占中国申请总量的61. 8%。从法律状态 分析得知，申请专利有119件撤回专利，175件失效专 利，这说明我国在该技术领域须进一步加大研发力度, 提升专利质量,加强对专利的维护和管理,最终在关键7 3D打印的应用领域和出现的产品7.1 应用领域近年来,3D打印技术发展迅速,在各领域都取得了长足发展，已成为现代模型、模具和零部件制造的有效手段,在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定应用，在工程和教学研究等领域也占有独特地位。具体应用领域包括：1、机械制造：3D打印技术制造飞机零件、自行车、步枪、赛车零件等。2、医疗行业：在医学领域，借助3D打印制作假牙，股骨头、膝盖等骨关节技术应用也非常广，技术越来越成熟。3、建筑行业：工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美，完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。4、汽车制造行业：用3D打印技术为汽车公司制造 自动变速箱的壳体。汽车公司会对变速箱进行各种极端状况下的测试，其中一些零件就是用3D打印方法做的。定型了以后，再开模具，然后按照传统制造方法批量生产，这样成本就会大大降低。5、教育：可应用于模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被用于教学和科研。6、消费品：可应用于珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造。7、文化创意和数码娱乐：可作为形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影阿凡达运用3D打印技术塑造了部分角色和道具，3D打印技术制造的小提琴接近了手工艺的水平。7.2最新产品 在3D打印技术日渐成熟的趋势下，越来越来多的科学家和工程研究人员，甚至于建筑设计师等都致力于3D打印技术新产品的开发，以下举几个例子来具体说明3D打印技术的高速发展。 图3. 3D打印机打印出的无人飞机 图4. 3D打印建筑”D-Shape” 航模飞机：在2012年，美国弗吉尼亚大学工程系的研究人员采用最新的3D打印技术制造了一架无人飞机，机翼宽6.5英尺（约合1.9米），巡航时速达到45英里（约合72千米）。2012年8月和9月初，研究小组在弗吉尼亚州米尔顿机场附近进行了4次飞行测试，这是迄今第三架用于建造飞行的3D打印飞机，巡航速度可达到45英里/小时。打印建筑：一名德国建筑师正在着手利用 3D 打印技术建造房子，他将计划使用砂和无机粘合剂将54个单独的建筑模块结合在一起，然后填入纤维混凝土。这幢房子就是一个“莫比乌斯环”天花板向前延伸成为地板，建筑内部延伸变成外墙。 图5. 3D打印胚胎干细胞 图6. 3D打印的汽车 3D打印胚胎干细胞：据英国媒体报道，英国研究人员首次用3D打印机打印出胚胎干细胞，干细胞鲜活且保有发展为其他类型细胞能力。研究人员说，这种技术或可制造人体组织以测试药物，制造器官，乃至直接在人体内打印细胞。研究人员在5日出版的生物制造杂志发表论文说，检测结果显示，打印24小时后，95%以上细胞仍然存活，打印过程未杀死细胞；打印3天后，超过89%细胞存活，而且仍然维持多能性，即分化出多种细胞组织的潜能。3D打印汽车：6名工程师在3周时间内就设计并通过3D打印制作了一辆时速可达141公里的赛车，这辆加速至100公里/小时只需要4秒，最高时速在141公里，重量280公斤的电动环保赛车。 当然，还有例如骨骼3D打印技术、3D打印心脏、3D打印房屋、3D打印珠宝等等新产品的不断出现，标示着3D打印技术在各行业的快速发展。 8 3D打印技术的优缺点8.1 优点一是最直接的好处就是节省材料，不用剔 除边角料，提高材料利用率，通过摒弃生产线而降低了 成本；二是能做到很高的精度和复杂程度，除了可以表 现出外形曲线上的设计；三是不再需要传统的刀具、夹 具和机床或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生 成任何形状的零件；四是它可以自动、快速、直接和精 确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件 或模具，从而有效的缩短产品研发周期；五是3D打印 能在数小时内成形，它让设计人员和开发人员实现了从 平面图到实体的飞跃；六是它能打印出组装好的产品， 因此它大大降低了组装成本，它甚至可以挑战大规模生产方式。8.2 缺点 任何一个产品都应该具有功能性，而如今 由于受材料等因素限制，通过3D打印制造出来的产品 在实用性上要打一个问号。强度问题：房子、车子固 然能“打印”出来，但是否能抵挡得住风雨，是否能在 路上顺利跑起来？精度问题：由于分层制造存在 “台阶效应”，每个层次虽然很薄，但在一定微观尺度 下，仍会形成具有一定厚度的一级级“台阶”，如果需 要制造的对象表面是圆弧形，那么就会造成精度上的偏 差；材料的局限性：目前供3D打印机使用的材料非 常有限，无外乎石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等。 能够应用于3D打印的材料还是很单一，以塑料为主， 并且打印机对单一材料也非常挑剔。9 结束语 3D打印技术代表制造业发展新趋势，它和其他一些数字化生产模式的涌现，将推动实现第三次工业革命。随着生产速度和质量的不断提升以及打印装置和材料的改进，将会有越来越多的3D打印新产品不断出现。3D打印可以完成很多在现在看起来匪夷所思的事，从某种角度来说，很多想象的到的东西，都可以通过3D打印直接得到。在未来3D打印还有可能走进千家万户，融入到我们的生活中，像电脑一样普及。 参考文献1 孙晓林. 3D打印技术的应用J.2013-07-13.2 百度百科.“3D打印“词条.EB-OL2013-08-193 刘红光,杨倩,刘桂锋,刘琼. 国内外3D打印快速成型技术的专利情报分析.J2013-064 李青.3D打印一种新兴的学习技术.C2013-05-155 王忠宏，李扬帆，张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路.J2013-01-04