1、材料成形与模具技术 重点实验室State Key Labrotory of Material Processing and Die & Mould Technology快速成型技术（快速成型技术（3D打印）打印）郑小飞郑小飞2013.07随着科学技术的发展，生产完成了从工厂业手工向机器大工业的过随着科学技术的发展，生产完成了从工厂业手工向机器大工业的过渡，从而改变了人们生活与工作方式。在日新月异的信息化、智能化浪渡，从而改变了人们生活与工作方式。在日新月异的信息化、智能化浪潮中，人们个性化的需求意见日渐增长。未来的产业将是生产那些个性潮中，人们个性化的需求意见日渐增长。未来的产业将是生产那些个
2、性化的产品，未来的制造工厂也会渐渐被分散的个人取代，实现化的产品，未来的制造工厂也会渐渐被分散的个人取代，实现“社会制社会制造造” 。社会制造的关键是主动、实时地将社会需求和社会制造能力有机地社会制造的关键是主动、实时地将社会需求和社会制造能力有机地衔接起来，从而实现和供应之间的相互转换。而衔接起来，从而实现和供应之间的相互转换。而3D打印是一种可以快打印是一种可以快速实现社会需求速实现社会需求-“数据模型数据模型”向个性化产品转化的技术，将互联网、向个性化产品转化的技术，将互联网、物联网、物流网和物联网、物流网和3D打印技术组成社会制造的网络，通过众包的方式打印技术组成社会制造的网络，通过众
3、包的方式让民众充分参与产品的全生命制造过程，必会促进个性化、实时化、经让民众充分参与产品的全生命制造过程，必会促进个性化、实时化、经济化的生产和消费模式，形成新的产业革命。济化的生产和消费模式，形成新的产业革命。3D打印模型 快速成型快速成型(Rapid Prototyping,简称简称RP)技术是20世纪80年代后期发展起来的, 快速成型技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用
4、激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。其对制造业的影响可与20世纪50-60年代的数控技术相比，快速成型技术可以自动、直接、快速精确的将设计思路转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。3D打印技术的原理、特点打印技术的原理、特点21534制造技术分类制造技术分类去除制造去除制造切削加工等切削加工等切削机床切削机床受迫制造受迫制造铸造、锻造等铸造、锻造等锻造机等锻造机等粉、片、液体
5、粉、片、液体等等3D打印打印制造装备制造装备仿生制造仿生制造？原原 理理工工 艺艺设设 备备方法论方法论3D打印技术（学术界称为增材制造、快速成形等）打印技术（学术界称为增材制造、快速成形等）是通过对是通过对CAD数据离散分析，得到堆积的约束、路径及方法，通过材料叠加堆积数据离散分析，得到堆积的约束、路径及方法，通过材料叠加堆积而形成三维实体模型而形成三维实体模型基于离散和堆积原理基于离散和堆积原理也称为也称为“叠层制造叠层制造”学习学习3D打印技术因具备计算机基本操作知识、三维设计软件、机械打印技术因具备计算机基本操作知识、三维设计软件、机械基础、控制基础、网络信息等多学科知识。基础、控制基
6、础、网络信息等多学科知识。快速制造原理示意图快速制造原理示意图三维三维 二维二维 三维的转换三维的转换 CAD模型模型堆积成形堆积成形产品产品n3D打印技术变打印技术变“减材减材”加工为加工为“立体打印立体打印”n将三维实体变为二维平面，降低制造复杂度将三维实体变为二维平面，降低制造复杂度n特别适合复杂结构、个性化制造及创新构思的快速验证特别适合复杂结构、个性化制造及创新构思的快速验证n3D打印技术具有成形材料广、零件性能优的突出特点打印技术具有成形材料广、零件性能优的突出特点215343D打印技术的优点打印技术的优点n拓展产品创意与创新空间拓展产品创意与创新空间、无需任何夹具，设计和制造一体
7、无需任何夹具，设计和制造一体化。化。：设计人员不再受传统工艺和制造资源约束，专注于产：设计人员不再受传统工艺和制造资源约束，专注于产品形态创意和功能创新，在品形态创意和功能创新，在“设计即生产设计即生产”、“设计即产品设计即产品”理念下，追求理念下，追求“创造无极限创造无极限”，解决了传，解决了传统的航空航天、统的航空航天、船舶船舶、汽车等动力装备高端复杂精细结构零部件的制造难题。、汽车等动力装备高端复杂精细结构零部件的制造难题。n极大降低产品研发创新成本、缩短创新研发周期，提高新产极大降低产品研发创新成本、缩短创新研发周期，提高新产品投产的一次成功率品投产的一次成功率 ：由于简化或省略了工艺
8、准备、试验等：由于简化或省略了工艺准备、试验等环节，产品数字化设计、制造、分析高度一体化，显著缩短环节，产品数字化设计、制造、分析高度一体化，显著缩短新产品开发定型周期，降低成本，新产品开发定型周期，降低成本，实现同步并行工程的实施。实现同步并行工程的实施。设计设计试验试验工艺准备工艺准备制造制造缩短周期缩短周期设计设计工工艺艺准准备备制造制造六缸发动机缸盖传统砂型铸造工六缸发动机缸盖传统砂型铸造工装模具设计制造周期长达装模具设计制造周期长达5个月，个月，3D打印只需一周便可制成。打印只需一周便可制成。n简化制造提高产品质量与性能简化制造提高产品质量与性能 据悉，一架据悉，一架“空客空客A38
9、0”飞机或飞机或“波音波音747”飞机，分别约有飞机，分别约有450多万个零部件，从理论上说，多万个零部件，从理论上说，零部件越多越不安全，结合部往往就零部件越多越不安全，结合部往往就是隐患是隐患。3D打印打印技术的一个明显优势就是可以将技术的一个明显优势就是可以将多个零部件集合成多个零部件集合成一个整体制造出来，减少零部件的数量，不但大大简化了之后的装一个整体制造出来，减少零部件的数量，不但大大简化了之后的装配工作，也是其安全性和可靠性随之提高配工作，也是其安全性和可靠性随之提高。此钛合金复杂大型主承力构此钛合金复杂大型主承力构件，传统制造方式需要分体件，传统制造方式需要分体制造，然后焊接，
10、而使用激制造，然后焊接，而使用激光光3D打印整体可实现成形，打印整体可实现成形，安全性和可靠性大大提高。安全性和可靠性大大提高。n能制造出传统工艺无法加工的零部件能制造出传统工艺无法加工的零部件、解决常规机械解决常规机械加工或手工无法解决的问题，极大增强了工艺实现能加工或手工无法解决的问题，极大增强了工艺实现能力力3D打印突破了结构几何约束，能够制造出传统方法无法加工的非打印突破了结构几何约束，能够制造出传统方法无法加工的非常规结构特征，这种工艺能力对于实现零部件轻量化、优化性能常规结构特征，这种工艺能力对于实现零部件轻量化、优化性能有极其重要的意义。有极其重要的意义。航空发动机的复杂关键零部
11、件航空发动机的复杂关键零部件n提高了难加工材料可加工性，拓展了工程应用领域提高了难加工材料可加工性，拓展了工程应用领域整体式镍合金转子整体式镍合金转子生物材料人体器官修复体生物材料人体器官修复体高能束加工陶瓷、钛合金等传统难加工材料零件拓展了高性能材高能束加工陶瓷、钛合金等传统难加工材料零件拓展了高性能材料的工程应用范围；采用金属料的工程应用范围；采用金属/无机无机/有机生物材料制成的人体器有机生物材料制成的人体器官修复体等医用零部件则拓展了工业制品的应用范围。官修复体等医用零部件则拓展了工业制品的应用范围。n3D打印制造技术促进绿色制造模式打印制造技术促进绿色制造模式非接触和无压力成形、近净
12、成形能耗低、节约材料、污染物排放少；非接触和无压力成形、近净成形能耗低、节约材料、污染物排放少；利用利用3D打印实现大型复杂零部件的修复再制造，节约资源能源。打印实现大型复杂零部件的修复再制造，节约资源能源。关键创新思路：将零件内部设计为网状结构，替代实心，从而减少关键创新思路：将零件内部设计为网状结构，替代实心，从而减少材料使用量，降低制造时间和能源消耗量。材料使用量，降低制造时间和能源消耗量。具有内部网状结构的钛合金发动机叶片具有内部网状结构的钛合金发动机叶片材料使用量减少材料使用量减少70%，选择性激光熔化（，选择性激光熔化（SLM）制造时间降低）制造时间降低60%技术难点技术难点：（：
13、（1） 传统制造方法无法成形；传统制造方法无法成形； （2） 网状结构设计，优化性能。网状结构设计，优化性能。n3D打印制造技术促进绿色制造模式打印制造技术促进绿色制造模式3D打印典型案例与行业发展现状打印典型案例与行业发展现状215343D打印技术加速航天航空、汽车等领域关键零部件的快速开发与制打印技术加速航天航空、汽车等领域关键零部件的快速开发与制造，提高相关领域的创新能力与水平。造，提高相关领域的创新能力与水平。复合制造工艺复合制造工艺随形冷却流道设计与冷却效果模拟随形冷却流道设计与冷却效果模拟模具冷却周期缩短模具冷却周期缩短68%以上，温度梯度由以上，温度梯度由12降至降至4，缺陷率有
14、，缺陷率有60%将至将至0。美国美国AeroMet公司公司使用激光成形技术制造的使用激光成形技术制造的次承力结构件次承力结构件在在F/A-18战斗机上实现了装机验证。战斗机上实现了装机验证。医疗：医疗：研究直接细胞直接打印技术，制造出血管、肝脏等软组研究直接细胞直接打印技术，制造出血管、肝脏等软组织。织。医学上的应用医学上的应用3D打印制造的打印制造的“火龙火龙”工艺品工艺品栩栩栩栩如生如生的彩的彩色金色金刚鹦刚鹦鹉鹉文物复制（西汉长裙女佣）文物复制（西汉长裙女佣）衣衣:用用3D打印机在家中打印机在家中“打印打印”鞋子（美国）鞋子（美国） 食：用食：用3D打印机制造巧克力、肉类打印机制造巧克力
15、、肉类2012年年3D打印行业产值增长打印行业产值增长28.6%，达到了，达到了22.04亿美金，亿美金，3D打印行业连续三年增长量超过打印行业连续三年增长量超过20%。3D打印行业历年产值变化（打印行业历年产值变化（Wohlers Report 2013）典型典型3D打印技术打印技术215344.1 4.1 快速成型典型工艺快速成型典型工艺 升降台 紫外激光光敏树脂 成形零件 液面 Z 刮平器 采用激光一点点照射光固化液态树脂使之固化的方法成形，是当前应用最广泛的一种高精度成形工艺。华中科技大学研制的第一代华中科技大学研制的第一代SLA设备设备SLA成形的典型零件成形的典型零件SLA成形的可
16、装配瓶状模型成形的可装配瓶状模型SLA成形的微小精细结构成形的微小精细结构零部件零部件成形：约成形：约10 m，1小时左右小时左右SLA成形的典型零件成形的典型零件 CO2激光器 热压辊 控制计算机 供料轴 加工平面 升降台 收料轴 料带 LOM成形的典型零件成形的典型零件华中科技大学研制的华中科技大学研制的LOM材料材料华中科技大学研制的华中科技大学研制的LOM设备设备摩托车零件摩托车零件小型发动机零件原型件小型发动机零件原型件 激光器 扫描镜 激光束 平整滚粉末 为某单位成形的航空航天零部件蜡模及精密铸造钛合金零部件为某单位成形的航空航天零部件蜡模及精密铸造钛合金零部件零件尺寸：零件尺寸：
17、109 1091011mm34.3 粉末材料粉末材料3D打印技术及其应用打印技术及其应用摩托车引擎缸体（摩托车引擎缸体（253.8 253.7 181.8 mm3）SLS熔模熔模铸造铸造铝合金铸件铝合金铸件塑料制件塑料制件-熔模精密铸造熔模精密铸造4.3 粉末材料粉末材料3D打印技术及其应用打印技术及其应用金属粉末烧结金属粉末烧结蜡件塑料制件塑料制件-熔模精密铸造熔模精密铸造大型薄壁铸件，最小壁厚大型薄壁铸件，最小壁厚3.0mm851.12 523.20 380.35 mm3熔模熔模铸件铸件SLS铸造铸造4.3 粉末材料粉末材料3D打印技术及其应用打印技术及其应用砂制件砂制件复杂尼龙零件的直接
18、复杂尼龙零件的直接3D打印打印4.3 粉末材料粉末材料3D打印技术及其应用打印技术及其应用用覆膜砂型用覆膜砂型 (芯芯) 浇注浇注的液压阀体铸件及其的液压阀体铸件及其剖分图剖分图3D打印打印树脂覆膜砂制件树脂覆膜砂制件4.3 粉末材料粉末材料3D打印技术及其应用打印技术及其应用 成形工件 喷头 料丝 喷头 215343D打印技术与行业的前景展望打印技术与行业的前景展望 提升提升3D打印技术水平：打印技术水平：3D打印是社会制造的基础和动力，打印是社会制造的基础和动力，高效、高精、高性能、低成本的高效、高精、高性能、低成本的3D打印技术是发展打印技术是发展3D打印产打印产业的根本。业的根本。 建
19、立社会制造网络与管理模式：建立社会制造网络与管理模式：3D打印技术是社会需求、打印技术是社会需求、产品设计、改进、制造和运输高度信息化和智能化的实现手段，产品设计、改进、制造和运输高度信息化和智能化的实现手段，需要建立高效的社会制造网络和管理模式。需要建立高效的社会制造网络和管理模式。 3D技术广泛的融化生活：技术广泛的融化生活：3D打印技术将会在各行各业中取打印技术将会在各行各业中取得应用，不仅跟工业、医学等行业，还可以和农、商、文、教得应用，不仅跟工业、医学等行业，还可以和农、商、文、教育等深入融合，改变人们的生活。育等深入融合，改变人们的生活。3D打印技术应用前景：打印技术应用前景： 目
20、前应用最多的为模目前应用最多的为模型、原型、高性能塑型、原型、高性能塑料和功能件的制造；料和功能件的制造； 未来在模具、医疗、未来在模具、医疗、电子、个人消费品、电子、个人消费品、组织工程、智能结构组织工程、智能结构和其他未知领域都有和其他未知领域都有很大的潜力。很大的潜力。极限环境按需制造极限环境按需制造 太空太空3D打印打印美国美国NASA启动太空启动太空3D打印项目。打印项目。2 0 1 0 年年 8 月 成 立月 成 立 “ M a d e i n Space”；2011年春季建立年春季建立3D打印实验室；、打印实验室；、2011年夏季年夏季NASA宇航局飞行项目宇航局飞行项目通过亚轨道飞行计划；通过亚轨道飞行计划；2011年年7月月-9月微重力实验；月微重力实验；2011年年12-2013年年2月进行月进行3个阶段个阶段的设计、制造项目，计划的设计、制造项目，计划2014年将年将3D打印设备送入太空；打印设备送入太空；当前，材料、闭环控制系统、其他当前，材料、闭环控制系统、其他增材制造技术的研发增材制造技术的研发 深海深海3D打印打印 远洋远洋3D打印打印 生物制造，细胞打印生物制造，细胞打印
