3D打印技术模块一 3D打印技术概述教学课件.pptx
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1、3D打印技术模块一 3D打印技术概述教学课件3D打印技术模块一3D打印技术概述学习单元一3D 打印的历史学习单元一一、国外 3D 打印的历史1984 年,Charles Hull 发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术。1986 年,Hull发明了立体光刻工艺,利用紫外线照射将树脂凝固成型,以此来制造物体,并获得了专利。随后他成立一家名为 3D Systems 的公司,专注发展 3D 打印技术。1988 年,3D Systems 开始生产第一台 3D 打印机 SLA-250,体型非常庞大。学习单元一一、国外 3D 打印的历史1988年,Scott Crump发明了熔融沉积成型技术,随后成立了
2、一家名为 Stratasys 的公司。1989年,C.R.Dechard 博士发明了选择性激光烧结技术,利用高强度激光将尼龙、蜡、ABS 树脂、金属和陶瓷等材料的粉末烧结,直至成型。1993年,麻省理工学院教授Emanual Sachs创造了三维打印(3DP)技术,将金属、陶瓷的粉末通过黏结剂粘在一起成型。1995 年,麻省理工学院的毕业生 Jim Bredt 和 Tim Anderson 修改了喷墨打印机方案。学习单元一一、国外 3D 打印的历史1996年,3D Systems、Stratasys、Z Corporation 分别推出了三款3D 打印机产品,第一次使用了“3D 打印机”的称谓
3、。2005年,Z Corporation 推出世界上第一台高精度彩色 3D 打印机 SpeCTRum 2510。2011 年 8 月,世界上第一架 3D 打印飞机由英国南安普顿大学的工程师创建完成。2012 年 8 月,美国政府宣布首个 3D 打印研究所将建在俄亥俄州。2013 年 2 月,美国康奈尔大学研究人员发表报告称,他们利用牛耳细胞通过 3D 打印机打印出人造耳朵,可以用于先天畸形儿童的器官移植。学习单元一二、中国 3D 打印的历史1991 年,华中科技大学在时任校长、已故著名机械制造专家黄树槐的主持下,成立快速制造中心,研发基于纸材料的快速成型设备。1994 年,华中科技大学快速制造
4、中心研制出国内第一台基于薄材纸的 LOM 样机,1995 年参加北京机床博览会时引起轰动。1992 年,西安交通大学卢秉恒教授发现了快速成型技术在汽车制造业中的应用,回国后随即转而研究这一领域,1994 年成立先进制造技术研究所。1997 年,卢秉恒团队卖出了国内第一台光固化快速成型机。学习单元一二、中国 3D 打印的历史20152017 年,中国 3D 打印产业规模实现了翻倍增长,年均增速超过 25%。2017 年,中国 3D 打印领域相关企业超过 500 家,产业规模已达 100 亿元,增速略微放缓至 25%左右,但仍高于全球 4 个百分点。2018 年上半年,中国 3D 打印产业维持25
5、%以上增速,2018 年整体规模达 18.3 亿美元。2020 年 5 月,完成首次飞行的长征五号 B 运载火箭上搭载了一台 3D 打印机,这是我国首次“太空 3D 打印”实验,也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的 3D 打印实验。学习单元二3D 打印技术的发展学习单元二一、3D 打印:第三次工业革命2012 年 4 月 21 日,英国经济学人刊文第三次工业革命,认为 3D 打印技术将与其他数字化生产模式一起,推动第三次工业革命的实现。2012 年 8 月 16 日,美国国家增材制造创新中心作为其首个“样板示范”创新中心成立。作为新技术研究、开发、示范、转移和推广的基础平台,它号
6、称要成为增材制造技术全球卓越中心,并提升美国制造业的全球竞争力。学习单元二二、3D 打印的发展现状1.3D 1.3D 打印规模化发展打印规模化发展近年来,我国 3D 打印市场呈现出稳中向好的态势。目前中国 3D 打印相关企业中,约有 46.9%是 2016 年以后进入 3D 打印市场的。2017 年,中国 3D 打印相关专利申请量达到7402件,其中华南理工大学、西安交通大学排名前两名。2019 年 1 月 11 日,中国第一座使用 3D打印技术制作的高分子材料观景桥正式亮相。学习单元二二、3D 打印的发展现状2.3D 2.3D 打印个人消费打印个人消费3D 打印个人消费将成为亮点。3D 打印
7、技术会像计算机和网络一样进入普通家庭,价格越来越便宜,性能越来越好,将融入甚至改变人们的生活。在硬件方面,自动化控制系统与国外相比还有较大差距,运行稳定性有待提高。另外,我国 3D 打印在软件方面与国外也有很大差距。用材料到市场渠道,我国 3D 打印产业链与国外的差距还很大。学习单元三3D 打印常用材料学习单元三一、工程塑料工程塑料指被用作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。工程塑料是当前应用最广泛的一类 3D 打印材料,常见的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile butadiene styrene,ABS)类材料、聚碳酸酯
8、类材料、尼龙类材料等。ABS 材料是熔融沉积成型快速成型工艺常用的热塑性工程塑料,具有强度高、韧性好、耐冲击等优点,正常变形温度超过 90,可进行机械加工(钻孔、攻螺纹)、喷漆及电镀。学习单元三二、光敏树脂光敏树脂即 UV(ultraviolet ray)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 nm)照射下能立刻引起聚合反应,完成固化。光敏树脂一般为液态,可用于制作高强度、耐高温材料。常见的光敏树脂有 Somos NEXT 材料、Somos 11122 材料、Somos 19120 材料和环氧树脂。学习单元三三、金属材料近
9、年来,3D 打印技术逐渐应用于实际产品的制造,其中金属材料的 3D 打印技术发展尤其迅速。在国防领域,欧美发达国家非常重视 3D 打印技术的发展,投入巨资加以研究,而 3D 打印金属零部件一直是研究和应用的重点。3D 打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。应用于 3D 打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和镍合金材料等,此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。学习单元三四、陶瓷材料陶瓷材料具有强度高、硬度高、耐高温、密度低、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性,在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。但由于陶瓷材料硬而脆的特点,其加工成型尤其困
10、难,特别是复杂陶瓷件需通过模具来成型。模具加工成本高,开发周期长,难以满足产品不断更新的需求。目前,陶瓷直接快速成型工艺尚未成熟,国内外正处于研究阶段,没有实现商品化。学习单元四3D 打印技术的应用学习单元四一、航空航天航空航天是 3D 打印技术应用最广泛的领域之一,国内外均已有成功的应用案例。2011 年 8 月 1 日,英国南安普敦大学的工程师设计并试飞了世界上第一架“打印”出来的名为 SULSA 的无人机(图 1-2),这标志着无人机制造进入 3D 打印时代。学习单元四一、航空航天在航天领域,3D 打印技术的应用案例也越来越多。美国航空航天局采用 3D 打印技术制造了电子器件的冷却板、封
11、装板、防护板等类似零件。如戈达德太空飞行中心发射的首件 3D 打印的电池安装板(图 1-3)就是采用 3D 打印技术制备的热塑性塑料聚醚酮,该器件已经用于一项测试热控器件性能的探空火箭任务。2015 年 2 月 26 日,在澳大利亚墨尔本市举行的阿瓦隆国际航空展上,莫纳什大学一个研究团队的研究人员发布了世界首款 3D 打印喷气式飞机引擎,如图 1-4 所示。学习单元四一、航空航天国内方面,北京航空航天大学王华明教授团队的“飞机钛合金大型复杂构件激光成型技术”。该技术在我国已投入工业化应用,使我国成为继美国之后第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成型技术的国家。华中科技大学的曾晓雁教授带领的团队在
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