《机电一体化系统》实训作业.docx

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《机电一体化系统》实训作业

一、3D打印定义

3D打印（3Dprinting），即快速成型技术的一种，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。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。

过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。

该技术在汽车，航空航天、工业设计、建筑施工、珠宝、鞋类、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统以及其它领域都得到应用。

图8-13D打印机

二、3D打印机原理

3D打印机，如图8-1所示，是采用快速成形技术的机器。

其内部结构如图8-2所示。

图8-23D打印机结构

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。

它的原理是：

把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层打印出来。

打印出的产品，可以即时使用。

说的简单一点，打印时实质上是断层扫描的逆过程，断层扫描是把某个东西“切”成无数叠加的片，3D打印机工作时就是一片一片的打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。

如图8-3所示。

图8-33D打印机原理

三、3D打印机起源

3D打印源自100多年前美国研究的照相雕塑和地貌成形技术，上世纪80年代已有雏形，其学名为“快速成型”。

最早的3D打印机如图8-4所示。

在20世纪80年代中期，SLS（选择性激光烧结）被在美国得克萨斯州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利，项目由DARPA赞助的。

1979年，类似过程由RFHousholder得到专利，但没有被商业化。

1995年，麻省理工创造了“三维打印”一词，当时的毕业生JimBredt和TimAnderson修改了喷墨打印机方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案，而不是把墨水挤压在纸张上的方案。

3D打印机采用的是累积制造技术，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。

现阶段3D打印机被用来制造产品。

2003年以来3D打印机的销售逐渐扩大，价格也开始下降。

科学家们表示，3D打印机的使用范围还很有限，不过在未来的某一天人们一定可通过3D打印机打印出更实用的物品。

图8-4最早的3D打印机

四、3D打印机工作过程

3D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。

1.3D打印机三维设计

3D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。

设计软件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。

2.3D打印机工作步骤

3D打印机工作步骤是这样的：

先通过计算机建模软件建模，如果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U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逐步打印出来。

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。

3.3D打印机分辨率

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ObjetConnex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。

3D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3D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。

五、3D打印机技术及特点

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3D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3D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。

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。

3D打印是断层扫描的逆过程，断层扫描是把某个东西“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。

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。

3D打印机控制系统框图如图8-5所示。

图8-5XJ-128型3D打印机控制系统框图

主流3D打印技术简介FDM，SLA，3DP，SLS。

1.熔融沉积快速成型（FusedDepositionModeling，FDM）

熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。

热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。

在3D打印技术中，FDM的机械结构最简单，设计也最容易，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术。

2.光固化成型（StereoLithigraphyApparatus，SLA）

光固化成型又称为光敏液相固化法、立体光刻等，使最早出现的技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。

它是在树脂槽中盛满液态光敏树脂，使其在激光束或紫外线光点的照射下快速固化。

这种工艺方法适用于制造中小型工作，能直接得到塑料产品。

它还能代替蜡模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模，环氧树脂模和其它软模的母模，是目前较为成熟的快速原型工艺。

光固化技术是最早发展起来的快速成型技术，也是研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。

3.三维粉末粘接（ThreeDimensionalPrintingandGluing，3DP）

3DP技术由美国麻省理工大学开发成功，原料使用粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等。

3DP技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件。

4.选择性激光烧结（SelectingLaserSintering，SLS）

该工艺由美国德克萨斯大学提出，于1992年开发了商业成型机。

SLS利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层层堆结成型。

SLS技术同样是使用层叠堆积成型，所不同的是，它首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型。

SLS工艺原理如图8-6所示。

图8-6SLS工艺原理图

激光烧结技术可以使用非常多的粉末材料，并制成相应材质的成品，激光烧结的成品精度好、强度高，但是最主要的优势还是在于金属成品的制作。

激光烧结可以直接烧结金属零件，也可以间接烧结金属零件，最终成品的强度远远优于其他3D打印技术。

SLS家族最知名的是德国EOS的M系列。

六、3D打印机材料

打印耗材由传统的墨水、纸张转变为胶水、粉末，耗材如图8-7所示，当然胶水和粉末都是经过处理的特殊材料，不仅对固化反应速度有要求，对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。

目前的3D打印技术能够实现600dpi分辨率，每层厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。

当然受到喷打印原理的限制，打印速度势必不会很快，目前较先进的产品可以实现每小时25毫米高度的垂直速率，相比早期产品有10倍提升，而且可以利用有色胶水实现彩色打印，色彩深度高达24位。

由于打印精度高，打印出的模型品质自然不错。

除了可以表现出外形曲线上的设计，结构以及运动部件也不在话下。

如果用来打印机械装配图，齿轮、轴承、拉杆等都可以正常活动，而腔体、沟槽等形态特征位置准确，甚至可以满足装配要求，打印出的实体还可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。

同时粉末材料不限于砂型材料，还有弹性伸缩、高性能复合、熔模铸造等其它材料可供选择。

FDM技术的桌面级3D打印机主要以ABS和PLA为材料，ABS强度较高，但是有毒性，制作时臭味严重，必须拥有良好通风环境，此外热收缩性较大，影响成品精度；PLA是一种生物可分解塑料，无毒性，环保，制作时几乎无味，成品形变也较小，所以主流桌面级3D打印机均以已转为使用PLA作为材料。

图8-73D打印用PLA材料

七、3D打印机应用

1．3D打印机产品

目前，世上最小的3D打印机来自维也纳技术大学，由其化学研究员和机械工程师研制。

这款迷你3D打印机只有大号装牛奶盒大小，重量约3.3磅（约1.5公斤），造价1200欧元。

相比于其他的打印技术，这款3D打印机的成本大大降低。

研发人员还在对打印机进行材料和技术的进一步实验，希望能够早日面世。

华中科技大学史玉升科研团队经过十多年努力，实现重大突破，研发出目前最大的3D打印机。

这一3D打印机可加工零件长宽最大尺寸均达到1.2米。

从理论上说，只要长宽尺寸小于1.2米的零件（高度无需限制），都可通过这部机器“打印”出来。

由大连理工大学参与研发的最大加工尺寸达1.8米的世界最大激光3D打印机进入调试阶段，其采用“轮廓线扫描”的独特技术路线，可以制作大型工业样件及结构复杂的铸造模具。

这种基于“轮廓失效”的激光三维打印方法已获得两项国家发明专利。

2.3D打印的应用

3D打印的优势在2011年被充分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。

比较典型的包括Open3DP创新小组宣布3D打印在打印骨骼组织上的应用获得成功，利用3D打印技术制造人类骨骼组织的技术已经成熟；哈佛大学医学院的一个研究小组则成功研制了一款可以实现生物细胞打印的设备；另外，3D打印人体器官的尝试也正在研究中。

在速度突破上，2011年，个人使用3D打印机的速度已突破了送丝速度300mm每秒的极限，达到350mm每秒。

在体积突破上，3D打印机体积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。

已有多款适合办公室打印的小巧3D打印机，并在不断挑战“轻盈”极限，为未来进入家庭奠定基础。

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，另外，微软、谷歌以及其他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。

3D打印机的创造物除了色彩丰富之外也相当精美。

Warner说道：

“目前为止，大多数创造物的最高分辨率为100微米。

但是我们能够以25微米的分辨率进行打印，创造出非常光洁的表面。

打印出色彩逼真而且没有任何毛刺的物体，不仅会受到3D打印发烧友的喜爱，对于普通消费者来说也是大受欢迎。

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