3D打印创新实验室建设方案详细.docx

1、3D打印创新实验室建设方案详细一 3D打印技术 -1 -1、 3D打印技术原理 -1 -2、 3D打印流程 -2 -1) 三维设计 -2 -2) 切片处理 -2 -3) 模型打印 -3 -4) 后续处理 -3 -3、 常见3D打印技术 -3 -1)FDM :熔融沉积成型工艺 -3 -2)SLS :选择性激光烧结工艺 -5 -3)LOM:分层实体成型工艺 -7 -4)SLA :立体光固化成型工艺 -8 -5)3DP :三维印刷工艺 -11 -6)PolyJet :聚合物喷射技术 -12 -4、 3D打印材料 -13 -5、 3D打印机类型 -14 -二3D打印创新实验室建设规划 -15 -1、

2、3D打印创新实验室功能 -15 -2、 3D打印创新实验室建设规划 -16 -3、 3D打印创新实验室软件 -19 -三3D打印创新实验室创新课程体系设计 -20 -1、 教学架构 -20 -2、 教学内容 -20 -3D打印技术1、3D打印技术原理按照传统的制造技术，一般我们制造一个产品，是先构思产品的 外观图，计算出合适的尺寸，然后通过机器加工切割材料（钢材、木 材等）的轮廓，这个过程原材料被机器的不断除去直至变成理想中的 外观，被称为”减材制造”。而3D打印技术基于离散-堆积原理，在 计算机上构建一个3D数字模型，这个3D打印模型可以通过扫描已经 存在的实物获得，也可以先用扫描仪将一个实

3、物的外观完整的扫描成 图像，然后通过计算机CAC软件对这些图像进行处理，形成一个完整 的3D打印模型。通过计算机 CAD软件将一个立体实物切分成一层一 层的平面，3D打印机每打印出一层面就在高度上移动一段距离，这 些平面叠加起来就形成了一个立体的实物了。 这个过程产品的材料是 不断增加的，称为“增材制造”。2、3D打印流程1） 三维设计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。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

4、高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其 生成的VRM或者WRI文件经常被用作全彩打印的输入文件。2） 切片处理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。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

5、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。用传统方法制造出一个模型通常需 要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。 而用三维打印 的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及 模型的尺寸和复杂程度而定的。3） 模型打印三维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：先用当前的三维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。4） 后续处理有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会

6、用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用 到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。血模型 3D槓壘切片分层 謝先逐展扫描 应型实物3、常见3D打印技术1） FDM:熔融沉积成型工艺熔融沉积成型工艺（Fused Deposition Modeling , FDM 由 Scott Crump于 1988年发明，随后 Scott Crump 创立了 Stratasys 公司。 1992年，Stratasys公司推出了世界上第一台基于 FDM技术的3D打 印机 “ 3D造型者（3D Modeler）”，这也标志着FDM技术步入 商用阶段。FDMT艺无需激光系统的支持，所用的成型材料

7、也相对低 廉，总体性价比高，这也是众多开源桌面 3D打印机主要采用的技术方案。熔融沉积有时候又被称为熔丝沉积，它将丝状的热熔性材料进行加热融化，通过带有微细喷嘴的挤出机把材料挤出来。喷头可以沿 X轴的方向进行移动，工作台则沿丫轴和Z轴方向移动（当然不同的设 备其机械结构的设计也许不一样），熔融的丝材被挤出后随即会和前 一层材料粘合在一起。一层材料沉积后工作台将按预定的增量下降一 个厚度，然后重复以上的步骤直到工件完全成型。材料约导向套热熔性丝材(通常为ABS或 PLA材料)先被缠绕在供料辊上，由 步进电机驱动辊子旋转，丝材在主动辊与从动辊的摩擦力作用下向挤 出机喷头送出。在供料辊和喷头之间有一

8、导向套，导向套采用低摩擦 力材料制成以便丝材能够顺利准确地由供料辊送到喷头的内腔。喷头的上方有电阻丝式加热器，在加热器的作用下丝材被加热到熔融状态，然后通过挤出机把材料挤压到工作台上， 材料冷却后便形形成了工件的截面轮廓。采用FDM工艺制作具有悬空结构的工件原型时需要有支撑结构的 支持，为了节省材料成本和提高成型的效率， 新型的FDM设备会采用了双喷头的设计，一个喷头负责挤出成型材料，另外一个喷头负责挤 出支撑材料。一般来说，用于成型的材料丝相对更精细一些，而且价格较高， 沉积效率也较低。用于制作支撑材料的丝材会相对较粗一些， 而且成本较低，但沉积效率会更高些。支撑材料一般会选用水溶性材料或比

9、 成型材料熔点低的材料，这样在后期处理时通过物理或化学的方式就 能很方便地把支撑结构去除干净。2) SLS :选择性激光烧结工艺选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sin ter ing ，SLS)，该工艺最早是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 C.R.Dechard于1989年在其硕士论文中提出的，随后 C.R.Dechard创立了 DTM公司并于 1992年发布了基于SLS技术的工业级商用3D打印机Sinterstation 。SLS工艺使用的是粉末状材料，激光器在计算机的操控下对粉末 进行扫描照射而实现材料的烧结粘合，就这样材料层层堆积实现成 型，如图所示为SLS的成型原理

10、：扫踊镇懺光束选择性激光烧结加工的过程先采用压辊将一层粉末平铺到已成型 工件的上表面，数控系统操控激光束按照该层截面轮廓在粉层上进行 扫描照射而使粉末的温度升至熔化点，从而进行烧结并于下面已成型 的部分实现粘合。当一层截面烧结完后工作台将下降一个层厚，这时压辊又会均匀 地在上面铺上一层粉末并开始新一层截面的烧结，如此反复操作直接 工件完全成型。在成型的过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂起着支撑 的作用，因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那样需要支撑结构。SLS工艺使用的材料与SLA相比相对丰富些，主要有石蜡、聚 碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、陶瓷甚至还可以是金属。当工件完全

11、成型并完全冷却后，工作台将上升至原来的高度，此 时需要把工件取出使用刷子或压缩空气把模型表层的粉末去掉。SLS工艺支持多种材料，成型工件无需支撑结构，而且材料利用率较 高。尽管这样SLS设备的价格和材料价格仍然十分昂贵， 烧结前材料 需要预热，烧结过程中材料会挥发出异味，设备工作环境要求相对苛 刻。3) LOM:分层实体成型工艺分层实体成型工艺，这是历史最为悠久的3D打印成型技术，也是 最为成熟的3D打印技术之一。LOM技术自1991年问世以来得到迅速 的发展。由于分层实体成型多使用纸材、PVC薄膜等材料，价格低廉 且成型精度高，因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、 造型设计评估、

12、装配检验、熔模铸造等方面应用广泛。LOM分层实体成型系统主要包括计算机、数控系统、原材料存储 与运送部件、热粘压部件、激光切系统、可升降工作台等部分组成。 其中计算机负责接收和存储成型工件的三维模型数据， 这些数据主要是沿模型高度方向提取的一系列截面轮廓。原材料存储与运送部件将 把存储在其中的原材料(底面涂有粘合剂的薄膜材料)逐步送至工作 台上方。激光切割器将沿着工件截面轮廓线对薄膜进行切割，可升降的工 作台能支撑成型的工件，并在每层成型之后降低一个材料厚度以便送 进将要进行粘合和切割的新一层材料，最后热粘压部件将会一层一层 地把成型区域的薄膜粘合在一起，就这样重复上述的步骤直到工件完 全成型

13、。LOMT艺采用的原料价格便宜，因此制作成本极为低廉，其适用 于大尺寸工件的成型，成型过程无需设置支撑结构，多余的材料也容 易剔除，精度也比较理想。尽管如此，由于 LOM技术成型材料的利用 率不高，材料浪费严重颇被诟病，又随着新技术的发展LOM工艺将有 可能被逐步淘汰。4) SLA :立体光固化成型工艺立体光固化成型工艺(Stereolithography Apparatus ，SLA)， 又称立体光刻成型。该工艺最早由 Charles W.Hull于1984年提出并 获得美国国家专利，是最早发展起来的 3D打印技术之一。Charles W.Hull在获得该专利后两年便成立了 3D Syste

14、ms公司并于1988年发布了世界上第一台商用3D打印机SLA-250。SLA工艺也成为了目前 世界上研究最为深入、技术最为成熟、应用最为广泛的一种 3D打印技术。SLA工艺以光敏树脂作为材料，在计算机的控制下紫外激光将 对液态的光敏树脂进行扫描从而让其逐层凝固成型， SLA工艺能以简洁且全自动的方式制造出精度极高的几何立体模型。如图所示为 SLA技术的基本原理：紫外激光器液槽中会先盛满液态的光敏树脂，氦一镉激光器或氩离子激光器 发射出的紫外激光束在计算机的操纵下按工件的分层截面数据在液 态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描，这使扫描区域的树脂薄层产生 聚合反应而固化从形成工件的一个薄层。当一层树脂

15、固化完毕后，工作台将下移一个层厚的距离以使在原 先固化好的树脂表面上再覆盖一层新的液态树脂， 刮板将粘度较大的 树脂液面刮平然后再进行下一层的激光扫描固化。 因为液态树脂具有 高粘性而导致流动性较差，在每层固化之后液面很难在短时间内迅速 抚平，这样将会影响到实体的成型精度。采用刮板刮平后所需要的液 态树脂将会均匀地涂在上一叠层上，这样经过激光固化后将可以得到 较好的精度，也能使成型工件的表面更加光滑平整。新固化的一层将牢固地粘合在前一层上，如此重复直至整个工件 层叠完毕，这样最后就能得到一个完整的立体模型。当工件完全成型后，首先需要把工件取出并把多余的树脂清理干 净，接着还需要把支撑结构清除掉

16、，最后还需要把工件放到紫外灯下 进行二次固化。SLA工艺成型效率高，系统运行相对稳定，成型工件表面光滑精 度也有保证，适合制作结构异常复杂的模型，能够直接制作面向熔模 精密铸造的中间模。尽管SLA的成型精度高，但成型尺寸也有较大的 限制而不适合制作体积庞大的工件，成型过程中伴随的物理变化和化 学变化可能会导致工件变形，因此成型工件需要有支撑结构。目前，SLA工艺所支持的材料还相当有限且价格昂贵，液态的光 敏树脂具有一定的毒性和气味，材料需要避光保存以防止提前发生聚 合反应。SLA成型的成品硬度很低而相对脆弱，小编在一次 3D打印体验活动（iCader带您走进中科院探秘3D打印”活动简报：华南地

17、 区的3D打印技术产业联盟呼之欲出）中看到了 SLA成品触地碎裂的 情况。此外，使用SLA成型的模型还需要进行二次固化，后期处理相 对复杂。5） 3DP :三维印刷工艺三维印刷工艺（Three-Dimension Printing , 3DP，该技术由美 国麻省理工大学的Emanual Sachs教授发明于1993年，3DP的工作 原理类似于喷墨打印机，是形式上最为贴合“ 3D打印”概念的成型 技术之一。3DP工艺与SLS工艺也有着类似的地方，采用的都是粉末状的材 料，如陶瓷、金属、塑料，但与其不同的是 3DP使用的粉末并不是通 过激光烧结粘合在一起的，而是通过喷头喷射粘合剂将工件的截面 “打

18、印”出来并一层层堆积成型的，如图所示为 3DP的技术原理：首先设备会把工作槽中的粉末铺平，接着喷头会按照指定的路径将液态粘合剂（如硅胶）喷射在预先粉层上的指定区域中，此后不断重复上述步骤直到工件完全成型后除去模型上多余的粉末材料即可。3DP技术成型速度非常快，适用于制造结构复杂的工件，也适用于制 作复合材料或非均匀材质材料的零件。6) PolyJet :聚合物喷射技术PolyJet聚合物喷射技术是以色列 Objet公司于2000年初推出的 专利技术，PolyJet技术也是当前最为先进的3D打印技术之一，它 的成型原理与3DP有点类似，不过喷射的不是粘合剂而是聚合成型材 料，如图所示为PolyJ

19、et聚合物喷射系统的结构：喷头 . 工轴导轨PolyJet的喷射打印头沿X轴方向来回运动，工作原理与喷墨打 印机十分类似，不同的是喷头喷射的不是墨水而是光敏聚合物。 当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，UV紫外光灯将沿着喷头工作的方 向发射出UV紫外光对光敏聚合材料进行固化。完成一层的喷射打印和固化后，设备内置的工作台会极其精准地 下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和 固化。就这样一层接一层，直到整个工件打印制作完成。工件成型的过程中将使用两种不同类型的光敏树脂材料，一种是 用来生成实际的模型的材料，另一种是类似胶状的用来作为支撑的树 脂材料。这种支撑材料由过程控制被精确

20、的添加到复杂成型结构模型的所 需位置，例如是一些悬空、凹槽、复杂细节和薄壁等等的结构。当完 成整个打印成型过程后，只需要使用 Water Jet水枪就可以十分容易 地把这些支撑材料去除，而最后留下的是拥有整洁光滑表面的成型工 件。使用PolyJet聚合物喷射技术成型的工件精度非常高，最薄层厚 能达到16微米。设备提供封闭的成型工作环境，适合于普通的办公 室环境。此外，PolyJet技术还支持多种不同性质的材料同时成型， 能够制作非常复杂的模型。4、3D打印材料类型累积技术基本材料挤压熔融沉积式（FDM）热塑性塑料，共晶系统金属、可食用材料线电子束自由成形制造（EBF）几乎任何合金粒状直接金属激

21、光烧结（DMLS几乎任何合金电子束熔化成型（EBM钛合金选择性激光熔化成型（SLM）钛合金，钻铬合金，不锈钢，铝选择性热烧结（SHS热塑性粉末选择性激光烧结（SLS）热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末粉末层喷头3D打印石膏3D打印（PP）石膏层压分层实体制造（LOM纸、金属膜、塑料薄膜光聚合立体平板印刷（SLA光硬化树脂数字光处理（DLP）光硬化树脂65、3D打印机类型按照功能级别分为三个：桌面级与工业级。桌面级：多使用FDM技术，加工尺寸300mn左右，加工精度0.1-0.2mm左右，体积小，重量轻，一般家庭或办公室使用。工业级：多使用SLS SLA技术，加工尺寸可以达到 300mm以上，加工精

22、度最小可达到0.016mm体积较大，一般为工业生产、产品研发。二3D打印创新实验室建设规划1、3D打印创新实验室功能1）搭建我校师生创新创业作品的孵化平台，助推我校师生的创新 创业热情。师生的创意都可以在本实验室打印出模型，便于交流、分 析、检讨，进一步完善自己的作品。2）构建Solid Learning 教学模式Solid Learning是在3D打印的基础上提出的一种新型教学模式，并 在教育中集成快速成型和数字制造技术，为教师和学生提供可下载的 资源对象文件，通过这些对象文件可以直接使用3D打印系统创建物理原型。在 Solid Learning模式中，教师和学 生能够下载并打印课程所需要的

23、3D对象模型资源。学校级建模可以 通过低价的3D打印机实现简单的模型打印。复杂的模型需要高性能 的3D打印系统。3）革新教学方式当前，教学工具盒一起一般由专门的教学设备制作机构制作发行， 更新慢；多媒体课件中展示的教学内容模型也无法使学生直接接触和 观察教学实体对象。3D打印使得每位教师都可以方便的打印模型， 以有形的三维格式展示教科书中提取的二维信息，并可以设计个性 化的教学模型以适应教学内容的要求，同时， 3D打印可以帮助学校制作特殊的教学模型。4）创新课程教学设计很多学科可以通过打印制作相关的模型，进行课程内容的学习和实验 设计，如建筑、医学、生物学、汽车工程绘画、图形设计、历史考古等。

24、在教学活动中，生 动的DIY和立体的学习方式越来越受到学生的欢迎。5）推动SETM育STEM育指科学（Scienee ）、技术（Technology ）、工程（Engineering ）、数学（Mathematics）教育。STEM素养由科学、技术、工程和数学学科 的素养组成，把学生学习到的各学科知识与机械过程转变成一个探索 世界相互联系的不同侧面的过程。STEM虽调学生的设计能力、批判 性思维和解决问题的能力。3D打印技术引入到教育领域，有助于推 动SETM教育，培养学生的科技素养和数字化素养。2、3D打印创新实验室建设规划.面积：场地面积大约80-100平方，或一间实训车间。.区域规划：（

25、1）创新作品展示区：（2）桌面级3D打印区；（3） 扫描区；（4）工业级3D打印展示及自助体验区；方案A区域规划设备清单序号设备名称规格数量单价总价1桌面级3D打印机打印尺300mm以内；打印精度0.2mm左右10台3000030000023D扫描仪分辨率：20,000 -400,000个三角形2台1000002000003工业级3D打印机打印尺寸达300mm以上,打印精度达0.016mm2台60000012000004电脑AMD A4-6210CPU 4G内存；500G硬盘19寸彩显20台3500700005工作站联想S302台20000400006工作台木工；定制5张60030007椅子学

26、生座椅25只205008展柜玻璃；定制2个100020009投影仪待定1个5000500010打印材料ABS PLA;光敏树脂等预计20000总计：1840500元万案B区域规划设备清单序号设备名称规格数量单价总价13D扫描仪分辨率：20,000 -400,000个三角形2台1000002000002工业级3D打印机打印尺寸达300mm以上，打印精度达0.016mm4台50000020000003工作站联想S304台20000800004工作台木工；定制1张200020005椅子学生座椅25只205006展柜玻璃；定制1个100010007投影仪待定1个500050008打印材料ABS PLA

27、;光敏树脂等预计20000共计：2310500元3、3D打印创新实验室软件由Autodesk中国区教育支持中心发布的一套适用于普通用户的 建模软件3D打印创新软件(包含4个模块，三维模型设计软件、手 工制作软件、创意3D打印软件、趣味泥塑软件)。该系列软件为用户 提供多种方式生成3D模型：用最简单直接的拖拽3D模型并进行编辑的方式进行建模；或者直接将拍摄好的数码照片在云端处理为 3D模型；如果用户喜欢自己动手制作,3D系列软件同样为爱动手的用户提 供了多种方式来发挥自己的创造力。 不需要复杂的专业知识，任何人 都可以轻松使用3D系列产品。本软件以世界最大三维软件 Autodesk 的123D产

28、品为基础平台开发制作而成，软件底层使用流畅性、稳定 性毋庸置疑，产品能直接连接 3D打印机并进行3D打印软件名称功能介绍适用人群/专业三维模型设计软件(3D Design)可以使用一些简单的图形来设计、创建、编辑三维 模型，或者在一个已有的模型上进行修改。软件打 破了常规专业CAD软件从草图生成三维模型的建模 方法，三维模型设计软件提供了丰富的三维模型和 图形库，通过对这些模型库和图形的堆砌和编辑生 成复杂形状。即使你不是一个 CAD建模工程师，也 能随心所欲地在123D Design里建模并打印3D模 型。符合现代普通教育下学生的接受和学习能力。所有/机械、电子、核 电、动漫设计创意3D打印

29、软件(3D Orig-Design )将照片转化为三维模型，学生使用此创意 3D打印软件可以快速的将实物照片通过云服务器制作岀数字 三维模型，并能够发送到 3D打印设计软件里进行修 改编辑，最后打印岀想要的三维模型。所有/机械、核电、摄影、动漫、工美手工制作软件(3D Maker)从三维模型创建拼装实体，学生使用手工制作软件 可以创造自己想象的模型，软件自动将模型切分成 若干和切片模型，可以将切片模型 3D打印出来，并进行组装，通过此软件使学生了解设计、制造到装 配的全过程。所有/工美、动漫趣味泥塑软件(3D Sculpt)三维数字雕塑喷绘软件，学生使用趣味泥塑软件可 以通过拉升、推挤、扁平、

30、凸起等等操作。是模型 库中的初级模型很快拥有极具个性的外形。所有/工美、动漫三3D打印创新实验室创新课程体系设计1、 教学架构本创新实验室主要是分为四大模块，分别是三维模型制作模块、创意3D打印模块、个性化手工制作模块、趣味泥塑模块。2、 教学内容1)、三维模型设计模块软硬件平台：三维模型设计软件(3D Design)讲授内容：本模块使用三维模型设计软件，提供了一些简单的三维图形，通过对 这些简单图形的堆砌和编辑生成复杂形状， 类似于堆积木。可以实现 模型设计草图确定、三维模型设计软件使用概念知识、 模型设计讲解 详细步骤等教学内容。案例：火车；齿轮等技术关键：用简单的三维图形堆砌和编辑。2)、创意3D打印模块软硬件平台：创意3D打印软件(3D Orig-Design ) PC相机讲授内容：本模块使用创意3D打印软件软件，利用云计算的强大能力，可将数 码照片迅速转换为逼真的三维模型。 可以实现相机使用基础知识、图 片信息基本知识、创意3D打印软件使用基础、云合成等的教学内容。 案例：人物；饰品；模具等技术关键：使用傻瓜相机、手机或高级数码单反相机抓拍物体、人物 或场景，物体的每个角度都需要有照片。3）、个