重庆大学3D打印技术及其应用和发展的研究详解.doc

0 引言 最近几年，无论国内还是国外都在谋求技术创新和经济战略的调整。在此背景下，3D打印越来越成为一个令人瞩目的科技领域，并得到快速发展。3D 打印技术被认为是20 年来世界制造技术领域的一次重大突破，它是产品快速开发和柔性制造技术的结合，其工艺过程简单、快速等特点，不仅符合客户对快速制造的要求，还能够满足社会日益变化的需求[1]。3D打印技术拥有良好的发展前景和应用价值，它可以用于医疗行业、航空行业、快速原型、建筑设计、食品行业等，前景广阔且经济潜力巨大。 图0.1 世界各国3D打印产值占世界总产值的比例 Fig.0.1 3D Printing output value accounted for the proportion of world output 1 3D打印概述 目前流行的3D打印技术又称作叠加成型技术或快速原型技术[2]。它源于“快速成型技术”(Rapid prototyping,简称RP)，基本原理都是叠层制造。RP技术是当今世界飞速发展的制造技术之一，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆砌法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一项重大成果。 3D打印技术集机诫工程、CAD制图、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术于一身，可自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等提供一种高效益、低成本的实现手段。 1.1 3D打印基本概念 与传统的减法制造工序(通过对整块材料进行“裁剪”获取想要的形状)相反，3D打印技术是一种增材制造技术(Additive Manufacturing )，即通过叠加式制造工序，根据计算机数据，利用金属、塑料或其它材料逐层自动打印物品，因此也称作叠加成型技术或快速原型技术[3]。3D打印机是应用3D打印技术来构造物品的设备。3D打印机具有仿真性强、速度快，价格便宜，高易用性等优点。 图1.1 利用3D打印制造的工艺产品 Fig.1.1 Craft products made by 3D Printing manufacture 1.2 3D打印基本原理 首先在电脑上设计一个完整的三维立体模型(也称为计算机辅助性设计)，然后把胶体或粉末等打印材料装入打印机，再将打印机与电脑相连接，通过打印设备软件读取设计绘图数据，并将数据传输至3D打印机，从而控制印刷头的移动与材料输出。在3D打印机工作时，塑性模型材料细丝与可溶性支撑材料将被加热至半液体状态，然后通过印刷头输出.精确地沉积成极其细微的分层，把打印材料和三维立体模型一层层叠加，最终把计算机上的蓝图变成实物[4]。 印刷头只沿水平方向或垂直方向移动，模型与支撑材料将自下而上地构造。在构造模型时，有了支撑材料的承托，模型的悬挂部分能够顺利完成材料沉积。打印工作完成后，支撑材料将会自行溶解，还可以按照需要为模型图上颜色或者进行其他处理。 1.3 3D打印的特点 任何科学技术在发展阶段，自身都会有优点和缺点，在保持优点、跟新优点的同时，我们正确的认识到缺点，并对缺点加以改进。 1.3.1 3D打印所具有的优点 （1）制造快速 3D打印技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小特异形的产品尤其适用[5]。 （2）CAD/CAM技术的集成　 快速成型技术集成CAD/CAM激光技术、数控技术、化工材料工程等多项技术,使得设计制造一体化的概念完美实现。 （3）完全再现三维效果　 经过快速成型制造完成的零部件,完全真实的再现三维造型,无论外表面的异形曲面,还是内腔的异形孔都可以真实准确的完成造型,不再需要再借助外部设备进行修复。 （4）材料种类繁多　 到目前为止，各类3D打印机设备上所使用的材料种类有很多树脂，尼龙，塑料，石蜡纸以及金属或陶瓷的粉末，能满足绝大多数产品对材料的机械性能需求。 （5）创造显著的经济效益　 与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也消除了修改模具的问题，创造的经济效益十分明显。 （6）应用行业领域广　 3D打印技术经过这些年来的发展，在技术上已形成了一套体系，同样可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造材料工程医学研究文化艺术建筑工程等等都逐渐的使用3D打印技术，使得3D打印技术有着广阔的前景[6]。 （7）节省原