3D打印技術(shù)的應(yīng)用畢業(yè)論文.doc

畢業(yè)論文 目錄第一部分 引言第二部分 3D打印技術(shù)的介紹2.1，3D打印系統(tǒng)的工作原理和制造工藝2.2，3D打印制造的優(yōu)點(diǎn)第三部分 3D打印技術(shù)的應(yīng)用3.1 3D打印制造在模具制造中的應(yīng)用3.2 3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用第四部分 3D打印自由女神像的實(shí)際運(yùn)用第五部分 結(jié)束語參考文獻(xiàn)3D打印技術(shù)的應(yīng)用摘要： 本文介紹了3D打印技術(shù)的基本原理及其制造流程。通過一些實(shí)例說明了3D打印的應(yīng)用，主要是說明在機(jī)械制造方面的應(yīng)用和醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。The using of 3D PRINTING technologyAbstract ：In this paper, it describes the theory of 3D打印 and the manufacture process. Some examples are used to make you know the using of 3D打印 technology in machine manufacture and in medicine.第一部分 引言3D打?。?D PRINTING ）即3D打印技術(shù)，又3D打印制造是20世紀(jì)80年代才興起的一門新興的技術(shù)，是21世紀(jì)制造業(yè)最具影響的技術(shù)之一。隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息高速公路加快了科技傳播的速度，產(chǎn)品的生命周期越來越短，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)不再只是質(zhì)量和成本上的競(jìng)爭(zhēng)，而更重要的是產(chǎn)品上市時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)。因此，通過計(jì)算機(jī)仿真和3D打印增加產(chǎn)品的信息量，以便更快的完成設(shè)計(jì)及其制造過程，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程的時(shí)間周期盡量縮短，防止投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)問題造成不可挽回的損失。3D打印技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造復(fù)雜形狀的三維實(shí)體的技術(shù)總稱。簡(jiǎn)單的講，3D打印制造技術(shù)就是快速制造新產(chǎn)品首版樣件的技術(shù)，它可以在沒有任何刀具、模具及工裝夾具的情況下，快速直接的實(shí)現(xiàn)零件的單件生產(chǎn)。該技術(shù)突破了制造業(yè)的傳統(tǒng)模式，特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)、單件或少批量產(chǎn)品試制等。它是機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)CAD、電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、材料科學(xué)等多學(xué)科相互滲透與交叉的產(chǎn)物。它可快速，準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛄慵?，以便進(jìn)行快速評(píng)估，修改及功能測(cè)試，從而大大縮短產(chǎn)品的研制周期，減少開發(fā)費(fèi)用，加快新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的進(jìn)程。自從美國(guó)3D公司在1987年推出世界上第一臺(tái)商用快速原形制造設(shè)備以來，快速原形技術(shù)快速發(fā)展。投入的研究經(jīng)費(fèi)大幅增加，技術(shù)成果豐碩。原形化系統(tǒng)產(chǎn)品的銷量高速增長(zhǎng)。在這方面美國(guó)，日本一直處于領(lǐng)先地位，我國(guó)在這方面起步較晚，但是奮起直追，開展研究并取得一定成果，國(guó)內(nèi)也有些成熟的產(chǎn)品問世，他們正在各種生產(chǎn)領(lǐng)域上發(fā)揮著作用。第二部分 3D打印技術(shù)的介紹2.13D打印系統(tǒng)的工作原理和制造工藝3D打印技術(shù)是一種逐層制造技術(shù)，它采用離散/堆積成型原理，其過程是：先得到所需零件的計(jì)算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w模型；然后根據(jù)工藝要求，將其按一定厚度進(jìn)行分層，將原來的三維模型變成二維平面信息，即離散過程；再將分層后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼；在微機(jī)控制下，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式，有序地連續(xù)加工出每個(gè)薄層，并使它們自動(dòng)粘接而成型，從而制造出所需產(chǎn)品的實(shí)物樣件或成品，這就是材料的堆積過程。已知自由曲面CAD模型，如果使用傳統(tǒng)的方法和數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，那么復(fù)雜的自由曲面，成本高，效率低。近年來，3D打印即廣泛的被運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中。各種3D打印技術(shù)的過程都包括CAD模型建立、生成STL文件格式、3D打印制作、模型分層切片和后置處理五個(gè)步驟，其制造過程如圖1所示。生成STL文件格式3D打印制造過程產(chǎn)品CAD模 型產(chǎn)品后置處 理將模型分層切片 圖1 3D打印技術(shù)的制造過程 1）利用激光固化樹脂材料的光造型法（Stereolithography）。光造型裝置一直以美國(guó)3DSYSTEMS公司的型產(chǎn)品獨(dú)占鰲頭,并形成壟斷市場(chǎng)。其工作原理如圖2所示。由激光器發(fā)出的紫外光,經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯集成一支細(xì)光束,該光束在計(jì)算機(jī)控制下,有選擇的掃描液體光敏樹脂表面,利用光敏樹脂遇紫外光凝固的機(jī)理,一層一層固化光敏樹脂,每固化一層后,工作臺(tái)下降一精確距離,并按新一層表面幾何信息使激光掃描器對(duì)液面進(jìn)行掃描,使新一層樹脂固化并緊緊粘在前一層已固化的樹脂上,如此反復(fù),直至制作生成零件實(shí)體模型。激光立體造型制造精度目前可達(dá)0.1,主要用作為產(chǎn)品提供樣品和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。此?日本的帝人制機(jī)開發(fā)的SOLIFORM可直接制作注射成型模具和真空注塑模具。 圖2 激光固化樹脂法的原理圖2）紙張疊層造型法。紙張疊層造型法目前以HELISYS公司開發(fā)的LOM裝置應(yīng)用最廣。該裝置采用專用滾筒紙,由加熱輥筒使紙張加熱聯(lián)接,然后用激光將紙切斷,待加熱輥筒自動(dòng)離開后,再由激光將紙張裁切成層面要求形狀,如圖3所示。 圖3 紙張疊層造型法原理圖3）熔融造型法熔融造型法（FDM）。以美國(guó)STRATASYS公司開發(fā)的產(chǎn)品FDM(FUSED DEPOSITION MODELLING)應(yīng)用最為廣泛。工作時(shí),直接由計(jì)算機(jī)控制噴頭擠出熱塑材料并按照層面幾何信息逐層由下而上制作出實(shí)體模型。技術(shù)的最大特點(diǎn)是速度快(一般模型僅需幾小時(shí)即可成型)、無污染,在原型開發(fā)和精鑄蠟?zāi)５确矫娴玫綇V泛應(yīng)用。FDM生產(chǎn)可選成型材料種類較多，原材料費(fèi)用低，因而的到廣泛的應(yīng)用。但是FDM也有其固有的缺點(diǎn)。精度低，熱融制造中很難控制精度，難以制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，且材料的制造是處于熔點(diǎn)附近，因而構(gòu)件的強(qiáng)度小，也不適合制造大型的制件，這些特點(diǎn)都限制了FDM的應(yīng)用范圍。 4）熱可塑造型法（SLS）。以DTM公司開發(fā)的選擇性激光燒結(jié)即SLS(SELECTIVE LASER SINTERING)應(yīng)用較多。該方法是用2激光熔融燒結(jié)樹脂粉末的方式制作樣件。工作時(shí),由2激光器發(fā)出的光束在計(jì)算機(jī)控制下,根據(jù)幾何形體各層橫截面的幾何信息對(duì)材料粉末進(jìn)行掃描,激光掃描處粉末熔化并凝固在一起。然后,鋪上一層新粉末,再用激光掃描燒結(jié),如此反復(fù),直至制成所需樣件。如圖3所示。2.23D打印制造的優(yōu)點(diǎn) 3D打印技術(shù)的加工特點(diǎn)3D打印技術(shù)突破了“毛坯切削加工品”傳統(tǒng)的零件加工模式,開創(chuàng)了不用刀具制作零件的先河,是一種利用的薄層疊加的加工方法。與傳統(tǒng)的切削加工方法相比,3D打印加工至少具有以下優(yōu)點(diǎn):1)可迅速制造出具有自由曲面和更為復(fù)雜形態(tài)的零件,如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，這些利用傳統(tǒng)工藝很難加工的,從而大大降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和開發(fā)周期。在時(shí)間尤其重要的今天，它可以為企業(yè)節(jié)省大量的研發(fā)時(shí)間。2)它屬于非接觸加工,不需要切削加工所必需的刀具和夾具,無刀具磨損和切削力影響。只需要一套特定的設(shè)備，工序簡(jiǎn)單，沒有傳統(tǒng)加工的煩瑣的工序。傳統(tǒng)的加工中每一個(gè)工序都需要機(jī)床等復(fù)雜加工設(shè)備，且加工過程復(fù)雜，對(duì)操作人員的技術(shù)要求很高。3)無振動(dòng)、噪聲和切削廢料?？梢詾槠髽I(yè)節(jié)省寶貴的試制原料，簡(jiǎn)化生產(chǎn)。傳統(tǒng)的制造中由于多是機(jī)械制造，噪音較大。且加工時(shí)邊角料多。造成資源的浪費(fèi)。4)可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化生產(chǎn)。操作可以由電腦控制，無需人的過多干預(yù)。真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。5)加工效率高,能快速制作出產(chǎn)品實(shí)體模型及模具。精度高，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量好。3D打印技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵作用和重要意義是很明顯的，它不受復(fù)雜形狀的限制，可迅速地將示于計(jì)算機(jī)屏幕上的設(shè)計(jì)變?yōu)檫M(jìn)一步評(píng)估的實(shí)物。根據(jù)原型，可對(duì)設(shè)計(jì)的正確性、造型的合理性、可裝配性和干涉性，進(jìn)行具體的檢驗(yàn)。通過原型的檢驗(yàn)可使開發(fā)產(chǎn)品中的風(fēng)險(xiǎn)減到最底的限度。 第三部分 3D打印技術(shù)的應(yīng)用3D打印制造的技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速模具制造是目前頗受制造部門關(guān)注的一個(gè)技術(shù)。在模具的研制過程中樣件的設(shè)計(jì)和加工是重要環(huán)節(jié)之一。與數(shù)控加工相比，3D打印制造技術(shù)可以更快更方便的制造出各種復(fù)雜的原型。將3D打印制作的樣件用于模具制造，一般可使模具制造的成本和周期減少一半，顯著提高生產(chǎn)效率。間接用3D打印樣件實(shí)現(xiàn)快速模具制造的方法一般有硅膠模、環(huán)氧樹脂模、金屬冷噴涂等。由于鍛造方法常用來制造形狀很復(fù)雜的零件，所以3D打印與傳統(tǒng)的鍛造方法相結(jié)合，可解決傳統(tǒng)鑄造加工困難的瓶頸問題。近年來3D打印已經(jīng)應(yīng)用的非常廣泛，除上述與傳統(tǒng)的模具制造相結(jié)合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的快速制造外，還廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、汽車制造等領(lǐng)域。3D打印技術(shù)對(duì)模具制造業(yè)的影響非同凡響，所以到目前為止3D打印技術(shù)主要還是應(yīng)用于加工、制造領(lǐng)域。但隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)也大量的應(yīng)用于手術(shù)的術(shù)前論證，大大提高了手術(shù)的成功率，特別是各種骨科手術(shù)。 3.1 3D打印制造在模具制造中的應(yīng)用傳統(tǒng)的模具制造方法周期長(zhǎng)、成本高,一套簡(jiǎn)單的塑料注塑模具其價(jià)值也在10萬元以上。設(shè)計(jì)上的任何失誤反映到模具上都會(huì)造成不可挽回的損失。3D打印技術(shù)可精確制作模具的型心和型腔,也可直接用于注射過程制作塑料樣件,以便發(fā)現(xiàn)和糾正出現(xiàn)的錯(cuò)誤。3D打印制造將需鑄零件的CAD模型轉(zhuǎn)換為STL文件,在用紙張疊層制造機(jī)按模殼每層截面的幾何形狀生成紙張模殼，然后按模具鑄造方法即可快速制造金屬零件。將3D打印技術(shù)制作生成的樣件作為鑄造模具的原模,實(shí)現(xiàn)零件的快速鑄造,其過程為:零件CAD三維設(shè)計(jì)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析(CFD)LOM模型制造熔模鑄造金屬零件。美國(guó)愛達(dá)荷國(guó)家工程與環(huán)境試驗(yàn)中心采用快速凝固工藝即RSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了注塑模具的快速經(jīng)濟(jì)制造。如圖4所示。 圖4采用技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)流程圖可以利用快速原形技術(shù)快速的將零部件從設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向?qū)嶋H模擬圖形而不必必須經(jīng)過生產(chǎn)?？梢杂肅AD制圖軟件設(shè)計(jì)出零件的三維圖，也可以用三維掃描儀由實(shí)物直接掃描出實(shí)物的數(shù)據(jù)然后進(jìn)行修改。下圖是某汽車的一個(gè)零部件的三維掃描圖片。 圖5 某汽車零部件的三維掃描圖在快速原形技術(shù)的幫助下，可以在電腦中通過模擬而做出它的模擬圖片。進(jìn)而可以觀察設(shè)計(jì)與結(jié)果是否一致。如圖6所示。通過圖6的模擬，我們可以很快的知道自己的設(shè)計(jì)是否與自己的設(shè)計(jì)初衷一致，如果不一致，可以在圖5上進(jìn)行修改，避免了在實(shí)際生產(chǎn)中的反復(fù)。避免了生產(chǎn)中的反復(fù)?？梢越o產(chǎn)品的試制節(jié)省大量的試制經(jīng)費(fèi)。自此，可以生成STL文件，再用3D打印機(jī)器如紙張疊層機(jī)等，初步制造出實(shí)物模型，然后進(jìn)行后置的處理以后就可以進(jìn)行零件的鑄造了。圖6 某汽車零部件的計(jì)算機(jī)模擬圖3.2 快速制造技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用1) 3D打印制造在鑲牙過程中的應(yīng)用傳統(tǒng)的鑲牙過程一般是首先用印模材料從口中得到牙齒的陰模，再用石膏得到牙齒的陽模，然后由醫(yī)生手工進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改完成病人的牙齒模型。完成病人的鑲牙過程。盡管牙齒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但面型極為復(fù)雜。有時(shí)病人要經(jīng)過反復(fù)配戴休整，才能達(dá)到比較好的效果。整個(gè)過程非常煩瑣，而且周期長(zhǎng)，給病人帶來極大的不便。20世紀(jì)70年代末，80年代初，世界上開始研究CAD/CAM技術(shù)在牙齒修復(fù)過程中的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代末，90年代初在瑞士、瑞典、美國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)出現(xiàn)了實(shí)用化的CAD/CAM鑲牙系統(tǒng)，部分系統(tǒng)達(dá)到了商業(yè)化的水準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)鑲牙系統(tǒng)研究出現(xiàn)的較晚，針對(duì)國(guó)內(nèi)逆向工程、3D打印和設(shè)備水平，采用三維層析數(shù)字化測(cè)量?jī)x和激光掃描儀相結(jié)合的方法對(duì)CAD/CAM鑲牙系統(tǒng)進(jìn)行了研究，取到了一定成果。測(cè)量和表面重構(gòu)是鑲牙過程的關(guān)鍵步驟，測(cè)量設(shè)備是鑲牙過程中的核心設(shè)備，按測(cè)量方式分為接觸式和非接觸式，接觸式是傳統(tǒng)的測(cè)量方式，測(cè)量過程探頭與模型表面接觸，這種測(cè)量方式發(fā)展比較成熟，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高。但由于機(jī)械式的測(cè)量存在固有的缺陷，難以實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。近年來非接觸式測(cè)量發(fā)展迅速，這種測(cè)量方法測(cè)量速度快，自動(dòng)化水平高，適用于各種復(fù)雜模型的高速測(cè)量。表面重構(gòu)主要是利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用比較多的是surfacer軟件，它可以方便的對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。如圖7就是經(jīng)過測(cè)量、表面重構(gòu)得到的完整的牙齒模型。得到了牙齒的完整的模型以后就可以切層生成STL文件， 圖7 完整的牙齒模型 然后輸入3D打印制造機(jī)器就可以進(jìn)行3D打印制造了。這樣一副適合病人的牙齒就做好了。2) 3D打印制造在顏面矯正、美容中的應(yīng)用顏面數(shù)據(jù)的獲取和分析被應(yīng)用到很多領(lǐng)域里。例如臉部的手術(shù)方案的建立，名人的為日本的一個(gè)女性。其中有她一般的容貌和笑容。美容師需要知道她的鼻子和臉部的詳細(xì)三維數(shù)據(jù)，可以用軟件模擬她的術(shù)后容貌，得到本人的同意后，實(shí)施手術(shù)。如果沒有三維數(shù)據(jù)，那是十分困難的事情臉部數(shù)據(jù)被計(jì)算機(jī)圖形軟件加工后應(yīng)用到追求有創(chuàng)新的廣告節(jié)目里，化妝品和顏面的關(guān)系，把臉部數(shù)據(jù)用數(shù)字雕刻機(jī)快速雕刻到銅板或木板上，用于永久紀(jì)念。圖8 臉部數(shù)據(jù)3) 義肢的研發(fā)制作，數(shù)字人體等美國(guó)，韓國(guó)和我國(guó)相繼利用圖像處理技術(shù)將人體內(nèi)部的可識(shí)別器官進(jìn)行了數(shù)字化。日本利用激光三維掃描儀技術(shù)將許多人體外表進(jìn)行了掃描和建模，并且對(duì)人體特征，人體運(yùn)動(dòng)，人體的變異等都作了長(zhǎng)期的研究。這對(duì)于一個(gè)民族自身的數(shù)據(jù)和今后的變化趨勢(shì)的研究是十分重要的。 Vivid910可以快速地掃描一個(gè)人體外表面，由于它提供了快速掃描模式，僅需0.3秒便可以掃描一次，所以即使人體有稍微的晃動(dòng)也不影響掃描精度。由于它提供了三種不同的鏡頭，所以比如手指較細(xì)的地方可以用高精度鏡頭掃描后用軟件Polyowrks(TM)可以快速高質(zhì)量地完成建模工作。 義肢的研發(fā)對(duì)于身體不適的朋友來說是最重要的。如果利用三維掃描儀掃描其部位，經(jīng)過數(shù)據(jù)加工可以獲得十分合體的義肢第四部分 結(jié)束語快速原形制造技術(shù)于其自身固有的優(yōu)勢(shì)而受到各國(guó)的重視，隨著技術(shù)的不斷成熟，它肯定會(huì)在產(chǎn)品的開發(fā)，研制等方面得到更加廣泛的應(yīng)用。無疑，它會(huì)給傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程帶來一次新的革命在論文的寫作完成的時(shí)候，向支持本文完成工作的所有老師和同學(xué)致以誠(chéng)摯的感謝，特別感謝我的指導(dǎo)老師，在整個(gè)論文的寫作過程中，他都在一旁指導(dǎo)我，鼓勵(lì)我，使我順利的寫完這篇論文。再一次向所有支持我的老師同學(xué)表示衷心的感謝。參考文獻(xiàn)：1 3D逆向工程技術(shù) 許智欽 孫長(zhǎng)庫(kù) 中國(guó)計(jì)量出版社2 CATIA制作范例 張文獎(jiǎng) 林長(zhǎng)青 機(jī)械工業(yè)出版社11