增材制造技術(shù)基礎(chǔ)課件第1章

增材制造技術(shù)基礎(chǔ)走進(jìn)3D打印第一章有增無減——認(rèn)識增材制造【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解增材制造的定義與特點(diǎn)了解增材制造技術(shù)的發(fā)展歷史進(jìn)程增強(qiáng)學(xué)生對增材制造的學(xué)習(xí)興趣一、什么是增材制造技術(shù)增材制造（3D打印）技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，與普通2D打印工作原理基本相同，在打印機(jī)內(nèi)裝載液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。這種打印技術(shù)被稱為3D立體打印技術(shù)。增材制造通常是通過采用數(shù)字控制技術(shù)的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的。一開始在工業(yè)設(shè)計、模具等領(lǐng)域被用于模型制造，后逐漸用于各類產(chǎn)品的直接制造。如圖所示，該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其它許多領(lǐng)域都有所應(yīng)用。增材制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)節(jié)省材料不同于減材制造，增材制造在生產(chǎn)中幾乎不產(chǎn)生廢料，也不用剔除什么邊角料，故而大大提高了材料的利用率?？沙尚腿我鈴?fù)雜結(jié)構(gòu)利增材制造技術(shù)能制造出一般CNC無法加工的產(chǎn)品造型，由于無需顧慮加工時的裝夾、刀具干涉等問題，所以造型能做到能很高的復(fù)雜程度，可以制造出傳統(tǒng)加工方法難以制造、非常復(fù)雜的制件。生產(chǎn)方便快捷有三維模型即可生產(chǎn)出產(chǎn)品，不需要傳統(tǒng)的工量刃具、機(jī)床以及任何模具，就能直接把計算機(jī)中的數(shù)據(jù)變成實(shí)物產(chǎn)品。在實(shí)際生產(chǎn)中，也大大地有助于縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，或是進(jìn)行一些小批量個性化定制。增材制造技術(shù)的缺點(diǎn)大批量生產(chǎn)中，相對成本高、工時長當(dāng)進(jìn)行大批量生產(chǎn)時，增材制造相對而言仍是比較昂貴的技術(shù)，目前用于增材制造的耗材、設(shè)備成本較高，同時而制造效率也并不高。大批量、大規(guī)模的情況下，仍然是傳統(tǒng)制造業(yè)中減材制造、模具制造更勝一籌。打印材料受限當(dāng)下增材制造技術(shù)的局限和瓶頸主要就體現(xiàn)在材料上，可供打印材料主要是塑料、樹脂、石膏、陶瓷、砂和金屬等，其中絕大部分是塑料，并且種類也非常有限，其中缺乏性能優(yōu)異的工程塑料；而能夠打印的金屬品類更是非常少。這一點(diǎn)也大大影響了3D打印的應(yīng)用范圍。精度和質(zhì)量問題由于增材制造技術(shù)固有的成型原理以及發(fā)展還不完善，其打印成型零件的精度、物理性能及化學(xué)性能等大多不能滿足工程實(shí)際的使用要求，不能大范圍作為功能性零件，更多只能做原型件使用。一、什么是增材制造技術(shù)二、增材制造的起源FDM（熔融沉積成型）技術(shù)的的起源目前全球最大3D打印設(shè)備商是美國的Stratasys，其創(chuàng)始人斯科特·克倫普在為他女兒做一個玩具青蛙時，學(xué)過機(jī)械工程、做過焊接工作的克倫普決定把聚乙烯、燭蠟混合物裝進(jìn)噴膠槍，一層一層堆疊做出青蛙形狀，Stratasys的3D打印技術(shù)FDM（熔融沉積成型）正是由此發(fā)展而來。而由此技術(shù)，也衍生出了如圖所示的早期FDM類型的3D打印機(jī)。1983年，查爾斯·胡爾在紫外線設(shè)備生產(chǎn)商UVP公司（UltravioletProducts）擔(dān)任副總裁，胡爾每天在公司里撥弄著各種各樣的紫外線燈，看著那些原本是液態(tài)的樹脂一碰到紫外線就凝固的過程。某一天他突然意識到，如果能夠讓紫外線一層一層地掃在光敏聚合物的表面上，使其變成固體，將這成百上千的薄層疊加在一起，他就能夠制造任何可以想象的三維物體了。1986年3月11日，胡爾獲得專利授權(quán)，也就是后來的立體光固化技術(shù)——即利用紫外線催化光敏樹脂，層層堆疊然后成型。世界上最早的SLA類型3D打印打印機(jī)由此誕生。SLA（立體光固化）技術(shù)的起源二、增材制造的起源DLP技術(shù)是由美國德州儀器的拉里·霍恩貝克博士所研發(fā)成功的?；舳髫惪瞬┦坑?987年將一種數(shù)字微鏡器件（DMD）研究成功，到了1993年這種以DMD為核心的光學(xué)系統(tǒng)才被命名為DLP。最早的DMD芯片使用的是模擬技術(shù)驅(qū)動，反射面是采用一種柔性材料，在當(dāng)時被稱為“變形鏡器件DeformableMirrorDe-vice”。10年之后，霍恩貝克博士正式以數(shù)字控制技術(shù)取代模擬技術(shù)，開發(fā)出了新一代DMD器件，并將名稱改為“數(shù)碼微鏡器件(DigitalMicromirrorDevice)”，該技術(shù)之后被用于制造DLP類型的3D打印機(jī)。這類3D打印技術(shù)的基本原理是用數(shù)字光源以面光的形式在液態(tài)光敏樹脂表面進(jìn)行層層投影，層層固化成型。DLP（數(shù)字光學(xué)處理）技術(shù)的起源二、增材制造的起源SLS技術(shù)現(xiàn)在是高端增材制造領(lǐng)域普遍應(yīng)用的技術(shù)。該技術(shù)最初由美國德克薩斯大學(xué)的研究生卡爾·羅伯特·德卡德提出，并于1989年研制成功。憑借這一核心技術(shù)，德卡德組建了DTM公司，并制造了早期的SLS類型3D打印機(jī)，如圖1-9所示。該公司一直是SLS技術(shù)的主要領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，直到2001年被3DSystems公司完整收購。幾十年來，德克薩斯大學(xué)的DTM公司的科研人員在SLS領(lǐng)域做了大量的研究工作，并在設(shè)備研制、工藝和材料研發(fā)上取得了豐碩的成果。二、增材制造的起源SLS（選擇性激光燒結(jié)）技術(shù)的起源三、國內(nèi)增材制造現(xiàn)狀我國增材制造行業(yè)的市場規(guī)模增速很快。如圖所示，2013年國內(nèi)增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模僅3.2億美元，2018年規(guī)模達(dá)23.6億美元，5年的復(fù)合增速達(dá)49.1%。預(yù)計2023年，我國增材制造行業(yè)總收入將超過100億美元。這種高增長性符合行業(yè)成長期的特征。三、國內(nèi)增材制造現(xiàn)狀從產(chǎn)業(yè)布局來看，北京和上海聚集了主要掃描儀和控制軟件廠商，以及3D打印機(jī)用關(guān)