3D打印機設計

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1、 北京科技大學天津學院 本科生畢業(yè)設計（論文）選題報告 題目： 金屬液滴成型與銑銷復合 3D 打印機床身結構設計 系 ： 機械工程系 班級： 機械 1203 班 姓名： 魏浩然 學號： 12413336 指導教師 1： 黃明吉 指導教師 2： 20 年 月 日 目 錄 1文獻綜述 3 1.1 本課題國外研究進展 .

2、 3 1.2 本課題國內研究進展 . 3 2課題背景及開展研究的意義 3 2.1 課題背景 . 4 2.2 開展研究的意義 . 4 3研究內容、方法及預期目的 4 3.1 研究內容 . 5 3.2 研究方法 . 5 3.3 預期目的 . 6 4 進度安排 8 參 考 文 獻 9 指導教師意見 10 1 文獻綜述 1.1 本課題國外研究進展 日前，歐洲空間局（ ESA）的“以實現(xiàn)高技術金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)與零浪費為目標的增材制造項目”（ AMAZE）提

3、出，將首次實現(xiàn) 3D打印金屬件的大規(guī)模生產(chǎn)。這些 3D 打印的金屬零部件可用于噴氣式飛機、航天器以及核聚變等項目。 波音公司已經(jīng)利用三維打印技術制造了大約 300 種不同的飛機零部件，包括將冷空氣導入電子設備的形狀復雜導管。波音公司和霍尼韋爾正在研究利用 3D打印技術打印出機翼等更大型的產(chǎn)品?？湛驮?A380客艙里使用 3D打印的行李架，在“臺風”戰(zhàn)斗機中也使用了 3D打印的空調系統(tǒng)?？湛凸咀罱岢??“透明飛機概念”計劃，制定了一張“路線圖”，從打印飛機的小部件開始，一步一步發(fā)展，最終在 2050 年左右用 3D打印機打印出整架飛機?！案拍铒w機”本身有許多令人眼花繚亂的復雜系統(tǒng)，比如

4、仿生的彎曲機身，能讓乘客看到周圍藍天白云的透明機殼等，采用傳統(tǒng)制造手段難以實現(xiàn)， 3D 打印或許是一條捷徑。 1.2 本課題國內研究進展 中國航天科技集團公司六院 7103 廠自行研制的某型號軟管順利通過 2 萬次疲勞試驗考核，各項指標均達到設計要求。這意味著長期困擾一線職工的軟管工藝攻關項目獲得成功。這是該廠繼去年年底突破大直徑高溫合金筒體縫焊技術之后，再次突破小直徑大壁厚異件縫焊工藝，進一步提升了發(fā)動機制造工藝能力。 北京航空航天大學同我國主要飛機設計研究所等單位通過“產(chǎn)學研”緊密合作，瞄準大型飛機、航空發(fā)動機等國家重大戰(zhàn)略需求，歷經(jīng) 17 年研究在國際上首次全面突破了鈦

5、合金、超高強度鋼等難加工大型復雜整體關鍵構件激光成形工藝、成套裝備和應用關鍵技術，并已在飛機大型構件生產(chǎn)中研發(fā)出五代、 10 余型裝備系統(tǒng)，已經(jīng)受近十年的工程實際應用考驗，使我國成為迄今為止唯一掌握大型整體鈦合金關鍵構件激光成形技術并成功實現(xiàn)裝機工程應用的國家。 2 課題背景及開展研究的意義 2.1 背景 3D打印聽起來新鮮，其實這項技術并不是什么新的技術，而是已經(jīng)發(fā)展了大約 30 年了的快速成型技術（ Rapid prototyping) 的一種，簡單地說，即設計人員通過計算機繪成的三維模型，或是以三維掃描

6、儀對實物進行三維建模，將這些數(shù)據(jù)輸入 3D打印機形成指令，使用堆疊的方法使材料一層一層堆積起來并形成最終的成品。目前國內有一 些 3D打印的概念股，如中航重機，蘇大維格，南風股票等，股價一直在飆升，這也多少與 3D打印的炒作和關注度提升有關。國內 3D打印技術的應用上至航空航天，下至個人愛好都有所應用。北京航空航天大學的王華明教授因為運用 3D打印技術打印飛機鈦合金部件并實際運用而獲得國家科技發(fā)明一等獎，幾千塊的桌面級 3D打印機也在淘寶上有售，只是所使用的材料為 ABS工程塑料或 PLA食物降解高分子材料，所成型的成品一般精度和粗糙度較差，成型體積有限，只能制作一些初級樣件。國外的 3

7、D打印技術和市場較國內成熟很多，主要技術來自美國、德國、日本和以色列等國家，其中以美國的 3D Systems、Stratasys 和 Makerbot 等為代表的企業(yè)，引領著全球 3D打印行業(yè)的方向。 2.2 研究意義 3D打印技術相對傳統(tǒng)制造技術來講的確是一次重大的技術革命，用“顛覆”傳統(tǒng) 制造技術來形容也不過分，能夠解決傳統(tǒng)制造所不能解決的技術難題，能夠為傳統(tǒng)制造 業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展注入新鮮動力。但是，傳統(tǒng)制造業(yè)經(jīng)過了數(shù)千年的積累和發(fā)展，已經(jīng)在生 產(chǎn)工藝、生產(chǎn)技術、材料等方面非常成熟，并形成了配套完善、功能齊全、社會各界廣 泛認可的產(chǎn)業(yè)基

8、礎。 從 3D打印的技術原理來看，傳統(tǒng)制造方式不能生產(chǎn)的產(chǎn)品，利用 3D打印技術都可以輕松地打印出來。但是，傳統(tǒng)制造業(yè)所擅長的批量化規(guī)?；a(chǎn)、精益化生產(chǎn)，恰恰是 3D打印技術的短腿。比較來看， 3D打印技術擅長的解決個性化、復雜化、高難度的生產(chǎn)技術，而傳統(tǒng)制造業(yè)則擅長的是批量化和規(guī)?；?。彼此之間優(yōu)劣態(tài)勢正好形成互補關系，而不是誰替代誰的問題。因此， 3D打印技術本身不是要取代傳統(tǒng)制造業(yè)，也不能取代傳統(tǒng)制造業(yè)。 3 研究內容、方法及預期目的 3.1 研究內容 3D打印技術是指由計算機輔助設計模型(CAD)直接驅動的，運用金屬、塑料、陶

9、瓷、樹 脂、蠟、紙、砂等材料，在快速成形設備里分層制造任何復雜形狀的物理買體的技術?；? 本流程是，先用計算機軟件設計三維模型，然后把三維數(shù)字模型離散為面、線和點，再通 過 3D打印設備分層堆積，最后變成一個三維的買物。 傳統(tǒng)制造技術是“減材制造技術”， 3D打印則是“增材制造技術”，具有制造成本低、生產(chǎn)周期短等明顯優(yōu)勢，被譽為“第三次工業(yè)革命最具標志性的生產(chǎn)工 具”。 3D 打印將多維制造變成簡單的由下而上的二維疊加，從而大大降低了設計與制造的復雜度。同時， 3D 打印還可以制造傳統(tǒng)方式無法加工的奇異結構，尤其適合動力設備、航空航天、汽車等高端產(chǎn)品上的關鍵

10、零部件的制造。 3.2 研究方法 選區(qū)激光熔化技術 （Selective Laser Melting ，SLM）: SLM 技術成型原理與選 區(qū)激光燒結 （SLS）基本相同，作為金屬零件 3D打印技術的重要組成部分，兩者都可 以直接進行金屬零件直接制造，不需要后處理。 SLM成型材料多為單一組分金屬粉末， 包括奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鈦基合金、鈷 - 鉻合金和貴重金屬等。激光束快速熔化 金屬粉末并獲得連續(xù)的熔道，可以直接獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結合、高精度 的近乎致密金屬零件，是極具發(fā)展前景的金屬零件 3D打印技術。其應用范圍已經(jīng)擴展

11、 到航空航天、微電子、醫(yī)療、珠寶首飾等行業(yè)。 激光凈成形技術（ Laser Engineered Net Shaping ，LENS） : LENS 技術是在激光 熔覆技術的基礎上發(fā)展起來的一種金屬零件 3D打印技術。采用中、大功率激光熔化同 步供給的金屬粉末，按照預設軌跡逐層沉積在基板上，最終形成金屬零件。 1999 年， LENS工藝獲得了美國工業(yè)界中“最富創(chuàng)造力的 25 項技術”之一的稱號。 電子束選區(qū)熔化技術（ Electron Beam Selective Melting ，EBSM）:EBSM技術是 20 世紀 90 年代發(fā)展起來的一種金屬零

12、件 3D打印技術，其與 SLM系統(tǒng)的差別主要是熱 源不同，在成型原理上基本相似。與以激光為能量源的金屬零件 3D打印技術相比， EBSM工藝具有能量利用率高、無反射、功率密度高、聚焦方便等許多優(yōu)點。在目前 3D 打印技術的數(shù)十種方法中， EBSM技術因其能夠直接成型金屬零部件而受到人們的高度 關注。國外對 EBM工藝理論研究相對較早，瑞典的 Arcam AB公司研發(fā)了商品化的 EBSM 設備 EBM S12系列，而國內對 EBSM工藝的研究相對較晚。 光固化立體造型技術 (stereo lithography apparat

13、us ， SLA)SLA技術是用特定波 長與強度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線，由線到面順序凝固，完成一個層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面。這樣層層疊加構成一個三維實體。 SLA是最早實用化的快速成形技術，采用液態(tài)光固化樹脂原料。 SLA技術主要用于制造多種模具、模型等；還可以在原料中通過加入其它成分，用 SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟模。 SLA技術成形速度較快，精度較高，但由于樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會產(chǎn)生應力或引起形變。因此開發(fā)收縮小、固化快、強度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢。 熔融沉積成型技術 (fused dep

14、osition modeling, FDM) :FDM 技術 該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點高 1℃），在計算機的控制下，噴頭作 x-y 平面運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。該技術污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。成形材料：固體絲狀工程塑料；制件性能相當于工程塑料或蠟模；主要用于塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。 分層實體制造技術 (laminated object manufacturing, LO

15、M) 又稱層疊法成形技 術 :LOM技術它以片材（如紙片、塑料薄膜或復合材料）為原材料，其成形原理為激光切割系統(tǒng)按照計算機提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的片材用激光切割出工件的內外輪廓。切割完一層后，送料機構將新的一層片材疊加上去，利用熱粘壓裝置將已切割層粘合在一起，然后再進行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。 LOM常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結構件或功能件。 LOM技術的優(yōu)點是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點是前、后處理費時費力，且不能制造中空結構件。成形材料主要是涂敷有熱敏膠的纖維紙；制件

16、性能相當于高級木材；主要用途是快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。 3.3 預期目的 在 3D打印技術可以打印假肢、汽車、飛機的今天，它還在創(chuàng)造無限的可能。 首 先 3D打印技術可以加工傳統(tǒng)方法難以制造的零件。過去傳統(tǒng)的制造方法就是一個毛坯，把不需要的地方切除掉，是多維加工的，或者采用模具，把金屬和塑料融化灌進去 得到這樣的零件，這樣對復雜的零部件來說加工起來非常困難。立體打印技術對于復雜零部件而言具有極大的優(yōu)勢，立體打印技術可以打印非常復雜的東西。 其次實現(xiàn)了首件的凈型成形，這樣后期輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數(shù)據(jù)泄

17、密和時間跨度，尤其適合一些高保密性的行業(yè)，如軍工、核電領域。再次由于制造準備和數(shù)據(jù)轉換的時間大幅減少，使得單件試制、小批量出產(chǎn)的周期和成本降低，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的出產(chǎn)。 這些速度快、高易用性等優(yōu)勢使得 3D打印成為一種潮流，并且在很多領域得到了應用。如今 3D打印機已經(jīng)在建筑設計、醫(yī)療輔助、工業(yè)模型、復雜結構、零配件、動漫模型等領域都已經(jīng)有了一定程度的應用。尤其在飛機、核電和火電等使用重型機械、高端精密機械的行業(yè)， 3D打印技術“打印”的產(chǎn)品是自然無縫連接的，結構之間的穩(wěn)固性和連接強度要遠遠高于傳統(tǒng)方法。 事實上， 3D打印技術要成為主流的生產(chǎn)制造技術還尚需時日

18、。 3D打印機 21 世紀初的實際使用仍屬于快速成型范疇，即為企業(yè)在生產(chǎn)正式的產(chǎn)品 前提供產(chǎn)品原型的制造，業(yè)內也將這類原型稱作手板。據(jù)統(tǒng)計， 3D打印機生產(chǎn)的產(chǎn)品 中 80%依舊是產(chǎn)品原型，僅有 20%是最終產(chǎn)品。雖然 3D打印機技術在 21 世紀初已取得不小的進步，比如材料增多、打印機和原材料價格逐漸下降，但在 2012 年左右，依舊是一項年輕的技術，在沒有變得更加成熟和廉價前，并不會被企業(yè)大規(guī)模采用。 美國和歐洲在 3D打印技術的研發(fā)及推廣應用方面處于領先地位。美國是全球 3D打印技術和應用的領導者，歐洲十分重視對 3D打印技術的研發(fā)應用。除歐美外，其他國家也在不斷

19、加強 3D打印技術的研發(fā)及應用。澳大利亞在 2013 年制定了金屬 3D打印技術路線；南非正在扶持基于激光的大型 3D打印機器的開發(fā)；日本著力推動 3D打印技術的推廣應用；中國 3D打印設計服務市場快速增長，已有幾家企業(yè)利用 3D打印制造技術生產(chǎn)設備和提供服務。 3D打印在中國還處于初級階段，從整個產(chǎn)業(yè)角度來看，由于缺少龍頭企業(yè)的帶動作用，政府暫時缺少針對性的扶植措施，整體產(chǎn)業(yè)體量還較??；另一方面中國制造業(yè)還處于粗放形式，各個環(huán)節(jié)對 3D打印技術帶來的沖擊認識還不足，接受度較低。 從發(fā)展情況來看， 3D打印至 2013年為止仍停留在“高級玩具”階段，并沒有實現(xiàn)成熟的產(chǎn)業(yè)化。但是，各

20、個區(qū)域都非常認可 3D打印技術可能帶來的改變，這些改變將如何影響現(xiàn)有生產(chǎn)、經(jīng)濟、社會模式是值得關注的問題。 國內 3D打印主要有清華大學、華中科技大學、西安交通大學、華南理工大學、北 京航空航天大學等高校教授帶領的科研團隊。在他們的引領下，中國 3D打印取得了一 定的成效，不少 3D打印聯(lián)盟相繼成立， 3D打印企業(yè)也層出不窮， 3D打印也能打印出無 人駕駛小型飛機、文物、小零件、食物、自行車、小建筑等，令人耳目一新。 4 進度安排 第一學期： 1、 第 11-14 周：查閱

21、文獻資料，選題； 2、 第 15-16 周：完成開題報告； 第二學期： 1、 第 2-4 周： 方案的參數(shù)計算，總裝圖設計； 2、 第 5 周： 機構設計計算，中期報告； 3、 第 6-11 周： 機構設計計算及零部件設計； 4、 第 12-14 周：撰寫論文； 5、 第 15-16 周： 答辯 參考文獻 [1] 2017  年 3D打印機將崛起  市值有望  50 億美元  ．中國  3D打

22、印產(chǎn)業(yè)網(wǎng)． 2013-03- 24 [2]3D 技術打印小飛機 國內打印技術發(fā)展迅猛 ．飛行網(wǎng)． [3]3D 打印產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心將在 10 個工業(yè)城市集中建設 ．產(chǎn)業(yè)洞察網(wǎng)． [4] 產(chǎn)業(yè)洞察研究．中國 3D打印機市場銷售前景：產(chǎn)業(yè)洞察研究， 2013． [5]3D 打印第一顆人類心臟 心臟樣本由塑料制成 ．Autodesk 中文站． [6]3D 打印技術、打印材料成發(fā)展難題 ．中國 3D打印產(chǎn)業(yè)網(wǎng)． 2013-04-22． [7]3D 逆向工程技術 許智欽 孫長庫 中國計量出版社 [8]CATIA 制作范例 張文獎 林長青 機械

23、工業(yè)出版社 指導教師意見 指導教師  1：  年 月 日 指導教師  2：  年 月 日