3D打印技术课件—3D打印技术概述.pptx

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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，CharlesHull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3DSystems的公司，专注发展3D打印技术。

1988年，3DSystems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，ScottCrump发明了熔融沉积成型技术，随后成立了一家名为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EmanualSachs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JimBredt和TimAnderson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，3DSystems、Stratasys、ZCorporation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。

2005年，ZCorporation推出世界上第一台高精度彩色3D打印机SpeCTRum2510。

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%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打印个人消费3D打印个人消费将成为亮点。

3D打印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（acrylonitrilebutadienestyrene，ABS）类材料、聚碳酸酯类材料、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（ultravioletray）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（250300nm）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SomosNEXT材料、Somos11122材料、Somos19120材料和环氧树脂。

学习单元三,三、金属材料近年来，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2012年研发出的选择性激光烧结成型设备，工作台面达到1.2m1.2m，远远超过德国、美国等国公司的同类产品，使我国在3D打印制造领域达到世界领先水平。

该团队自主研制的NRD-SLM-设备的成型尺寸可达320mm250mm250mm，成型材料包括铝基、铁基、镍基、钛基合金等。

学习单元四,二、生物医学3D打印在生物医学领域的应用更是令人称奇，正在探索的应用除了义齿和义肢外，在生物材料引领下，还将在组织工程方面大有用武之地。

每个人的身体构造、病理状况都存在特殊性和差异化，当3D打印技术与医学影像建模、仿真技术结合之后，就能够在人工假体、植入体、人工组织器官的制造方面产生巨大的推动效应。

2010年，美国康奈尔大学的研究人员使用牛耳细胞打印出人造耳朵，3个月后观察发现，3D打印的耳膜（图1-5）和传统人造耳几乎与人耳完全一致。

学习单元四,二、生物医学国内方面，清华大学器官制造中心2004年自主研发出国内第一台细胞3D打印机，确定了几乎适合所有细胞组装的通用基质材料，并通过了教育都组织的成果鉴定，如图1-6所示。

2013年8月11日，在杭州电子科技大学“生物3D打印机”鉴定会上，中国3D打印技术产业联盟副理事长、杭州电子科技大学教授徐铭恩展示了一款能直接打印出活体器官的生物3D打印机。

这也是国内首款生物3D打印机。

学习单元四,三、机械制造3D打印技术即“增材制造”，它完全不同于传统的零部件加工方法，在机械零部件制造领域引发了重大改变。

过去开发一个产品，尤其是具有复杂形状的零部件，需要较多的生产设备和专业的生产人员等，如此才能完成一个零部件的加工生产，并且产品还不一定能满足市场的需求。

需要经过市场的长时间检验，对所设计的产品进行多次修改，才能满足市场需求。

这样的生产过程周期较长，然而3D打印技术使加工人员节省了时间，也摆脱了对加工设备的束缚，一台3D打印机即可完成所有的制造工序，进而完成零件的生产。

学习单元四,四、文化教育英国教育部开展了一项为期一年的试验项目，以21个学校为试点，将3D打印技术应用到数学、物理、计算机科学、工程和设计等课程中，探索3D打印的教学应用，推动教学创新。

美国国防高级研究计划局（DARPA）制作实验和拓展（MENTOR）项目计划在美国高中推广3D打印机。

上海市将3D打印引入基础教育领域。

静安区青少年活动中心创意梦工厂配置了3D打印机及配套的3D扫描仪，定期开设相关课程，免费供有兴趣的学生学习三维设计和计算机辅助制造，打印自己设计的产品。

学习单元四,五、其他1.建筑图1-7所示为3D打印房屋，其“建造者”是一台高6.6m、宽10m、长150m的打印机。

这台打印机用一种特殊的“油墨”、一台计算机、一个按键，便可以轻松打印出一栋真实的可供居住的房子，让3D打印建筑从此不再只是一个概念。

2014年3月29日，上海盈创装饰设计工程有限公司在同济大学逸夫楼举办了一场别开生面的建筑3D打印技术全球首发新闻发布会，宣告了这项新技术横空出世。

学习单元四,五、其他2.文物保护博物馆用替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的破坏。

陕西历史博物馆打印了长11cm、高11.5cm的国宝级文物“金怪兽”。

通过3D打印制作的复制品和文物原件几乎一模一样。

学习单元四,五、其他3.食品产业美食爱好者已经用3D打印机打印出巧克力和曲奇饼干。

以合肥工业大学学生为主的DOD团队研制出3D蛋糕造型打印机，半小时即可打印一个15cm高的蛋糕造型，成本比手工制作还低。

未来，营养师还会考虑根据个人的基础代谢量和每天的活动量，利用3D打印机打印每日所需的食物，以此来控制肥胖、糖尿病等问题。

学习单元五,3D打印的未来,学习单元五,一、3D打印的发展前景1.3D打印应用领域会继续扩展延伸3D打印的优势在2011年被应用于生物医药领域，利用3D打印进行生物组织直接打印的概念日益受到推崇。

随着3D打印材料的多样化发展及打印技术的革新，3D打印不仅在传统的制造行业体现出非凡的发展潜力，同时其魅力更延伸至食品、服装奢侈品、影视传媒及教育等多个与人们生活息息相关的领域。

相信未来更多的领域会与3D打印进行结合。

学习单元五,一、3D打印的发展前景2.3D打印速度、尺寸及技术日新月异在打印速度上，个人使用3D打印机的速度已突破送丝速度300mm/s的极限，达到350mm/s。

在体积上，3D打印机为适合不同行业的需求，也呈现“轻盈”和“大尺寸”的多样化选择。

学习单元五,一、3D打印的发展前景3.设计平台革新基于3D打印民用化普及的趋势，3D打印的设计平台正从专业设计软件向简单设计应用发展，其中比较成熟的平台有基于Web的3D设计平台3DTin。

微软、谷歌等软件行业巨头也相继推出了基于各种开放平台的3D打印应用，大大降低了3D设计的门槛，甚至有的应用已经可以让普通用户通过类似玩乐高积木的方式设计3D模型。

学习单元五,一、3D打印的发展前景4.色彩绚烂，形态逼真用3D打印机打印出来的产品除了色彩丰富外，也相当精美。

打印出色彩逼真且没有任何毛刺的物体，不仅会受到3D打印发烧友的喜爱，也会受到普通消费者的欢迎。

学习单元五,一、3D打印的发展前景5.3D打印大规模生产社会化3D打印进入制造业已经有段时间了，但现阶段，很多工厂里面的零部件制造还在使用传统的制造方式。

已有小规模使用3D打印机帮助工厂提高效率，大规模使用3D打印机进行工厂部件制造已成当务之急。

随着性能的不断提高，3D打印机被整合进生产线和供应链的机会更多，经验也会变得更加丰富，在不久的将来，有望看到集成了3D打印零部件的混合制造工艺。

学习单元五,二、各种不同种类打印机的发展趋势1.桌面级3D打印机变得更为小巧、便于携带，外表看起来更时尚。

触屏功能、摄像功能、上网功能、自动修复功能一应俱全。

打印的精度非常高，打印的材料非常便宜。

价格大多控制在3000元人民币以内，成本大概在1000元人民币。

市场空间非常巨大，预计国内市场保有量在2亿台以上，3D打印机进入家庭、学校将变为常态。

学习单元五,二、各种不同种类打印机的发展趋势2.工业级3D打印机平台化、智能化、系统化。

对传统制造业的全面渗透和覆盖，但仅仅是生产流程和生产工艺中某个环节的应用。

随着技术的进步，稳定性、精密度将不再困难，材料可以全面突破。

成本降低后，将率先在铸造、模具等行业全面渗透，并在其他领域得到广泛推进。

打印速度将显著提高，激光头数量将不再是影响速度的主要因素。

学习单元五,二、各种不同种类打印机的发展趋势3.生物3D打印机应用面将大大提高，不再仅仅停留在牙齿、骨骼修复等方面，打印部分人体器官将成为常态。

整个应用推广的进程相对缓慢，主要取决于各个国家的政策支持程度。

复杂的细胞组织和器官的打印还有很多技术难题需要突破。

学习单元五,二、各种不同种类打印机的发展趋势4.建筑3D打印机对于一些特殊环境下的建筑需求，将有逐步试行的可能。

虽然个性化建筑使用面最广，但是成本方面并不一定具有较大优势。

对未来的市场保持谨慎乐观，作为一项新技术，还需要不断尝试，不断去总结和发现。

学习单元五,三、3D打印材料的发展目前，国际上处于垄断地位的材料企业还将保持35年优势。

随着相关技术的进步和3D打印技术的不断优化，材料问题将不再是困扰行业发展的难题。

智能材料将异军突起。

智能材料其实也是功能性材料的一种，可以随着时间、温度等外部环境的改变而发生变化。

可降解的环保材料将占据主流，其他材料将被淘汰。

材料的成本将显著降低。

感谢聆听,