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中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述
系 別： 工程技術(shù)系
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
姓 名： 邱陵
學(xué) 號： 05211601
2015年 4月 1 日
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3D打印機(jī)的發(fā)展前景
1、3D打印概念
3D打印（3D printing），即快速成型技術(shù)的一種，也稱為增材制造技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”?？焖俪尚图夹g(shù)誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)。3D打印技術(shù)被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”，早在20世紀(jì)90年代中期就已出現(xiàn)，但由于價格昂貴，技術(shù)不成熟，早期并沒有得到推廣普及。經(jīng)過20多年的發(fā)展，該技術(shù)已更加?jì)故?、精確，且價格有所降低。
2、3D打印機(jī)工作原理
“3D打印”層層印刷的原理和噴墨打印機(jī)類似，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制采用分層加工，疊加成型的方式來“造型”，會將設(shè)計(jì)產(chǎn)品分為若干薄層，每次用原材料生成一個薄層，一層一層疊加起來，最終在計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變?yōu)閷?shí)物。
3D打印是一種直接數(shù)字化制造技術(shù)，是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。
每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域?yàn)⒁粚犹厥饽z水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散，然后是噴灑一層均勻的粉末。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實(shí)體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用，加工過程僅需確定所需塑料、樹脂、金屬等物料，材料耗費(fèi)僅相當(dāng)于傳統(tǒng)制造的十分之一，而誤差可輕易控制到0.1mm之內(nèi)。它無需生產(chǎn)線，亦可制造那些常規(guī)方法無法生產(chǎn)的奇形怪狀的零件。
三維打印的設(shè)計(jì)過程是：先通過計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。分步驟描述如下：
1、 三維建模
通過goSCAN之類的專業(yè)3D掃描儀或是Kinect之類的 DIY掃描設(shè)備獲取對象的三維數(shù)據(jù)，并且以數(shù)字化方式生成二維模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等二維建模軟件從零開始建立三維數(shù)字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。
2、分層切割
由于描述方式的差異，3D打印機(jī)并不能直接操作3D模型。當(dāng)3D模型輸入到電腦中以后，需要通過打印機(jī)配備的專業(yè)軟件來進(jìn)一步處理，即將模型切分成一層層的薄片，每個薄片的厚度由噴涂材料的屬性和打印機(jī)的規(guī)格決定。
3、打印噴涂
由打印機(jī)將打印耗材逐層噴涂或熔結(jié)到二維空間中，根據(jù)工作原理的不同，有多種實(shí)現(xiàn)方式。比較流行的做法是先噴一層膠水，然后在上面撒一層粉末，如此反復(fù)；或是通過高能激光融化合金材料，一層一層地熔結(jié)成模型。整個過程根據(jù)模型大小、復(fù)雜程度、打印材質(zhì)和工藝耗時幾分鐘到數(shù)天不等。
4、后期處理
模型打印完成后一般都會有毛刺或是粗糙的截面。這時需要對模型進(jìn)行后期加工，如固化處理、剝離、修整、上色等等，才能最終完成所需要的模型的制作。
3、3D打印機(jī)的國內(nèi)外現(xiàn)狀
在國外經(jīng)過十多年的探索和發(fā)展，3D打印技術(shù)有了長足的進(jìn)步，美國加州大學(xué)最新開發(fā)的“輪廓工藝”技術(shù)，在美國航天局的出資贊助下，可以在24小時以內(nèi)打印一棟兩層樓的房子。澳洲一家石墨礦公司和一家3D打印公司合作已經(jīng)可以用石墨烯打印電池，充放電速度比普通電池快1000倍。3D打印技術(shù)也已經(jīng)到發(fā)展到生物打印，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的3D生物打印技術(shù)團(tuán)隊(duì)利用肋骨的軟骨組織打印出新的耳朵。
在國內(nèi)，多所高校開展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)。根據(jù)美國3D打印機(jī)行業(yè)研究機(jī)構(gòu)WohlersAssociates公布的權(quán)威報告指出，中國華東科技大學(xué)已經(jīng)獲得多項(xiàng)3D打印機(jī)研究成果，另外清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等眾多大學(xué)也取得一些研發(fā)成果。近年來，國內(nèi)一些企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了3D打印機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)和銷售，浙江湘湖已經(jīng)逐漸建立起了3D小鎮(zhèn)，整個3D產(chǎn)業(yè)園區(qū)為3D打印企業(yè)提供了一個很好的平臺，抱團(tuán)發(fā)展。3D打印技術(shù)作為制造業(yè)領(lǐng)域的一次重大技術(shù)革命，我國已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航空、航天等軍事領(lǐng)域和大型復(fù)雜構(gòu)件的一次成型制造，我國的3D打印技術(shù)也正在蓬勃發(fā)展。
4、3D打印相關(guān)軟件
Blender、SketchUp、AutoCAD
在3D打印的制作過程中，用到軟件的方面應(yīng)該是在3D打印的三維模型設(shè)計(jì)上（不包括其余過程中的常用的操作軟件）。模型的設(shè)計(jì)可以說是整個3D打印過程的核心部分，是3D打印產(chǎn)品的根本。在此介紹幾種建立三維數(shù)字化模型的建模軟件。
Blender：Blender是一個開源的多平臺輕量級全能三維動畫制作軟件，提供從建模，動畫，材質(zhì)，渲染，到音頻處理，視頻剪輯的一系列動畫短片制作解決方案。blender以python為內(nèi)建腳本，支持yafaray渲染器，同時還內(nèi)建游戲引擎。
完整集成的創(chuàng)作套件，提供了全面的3D創(chuàng)作工具，包括建模（modeling）、uv映射（uv-mapping）、貼圖（texturing）、索鏈關(guān)連（rigging）、蒙皮（skinning）、動畫（animation）、粒子（particle）和其它系統(tǒng)的模擬、腳本控制（scripting）、渲染（rendering）、合成（compositing）、后期處理（post-production）和游戲制作；
SketchUp：Google Sketchup是一套直接面向設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作過程的設(shè)計(jì)工具，其創(chuàng)作過程不僅能夠充分表達(dá)設(shè)計(jì)師的思想而且完全滿足與客戶即時交流的需要，它使得設(shè)計(jì)師可以直接在電腦上進(jìn)行十分直觀的構(gòu)思，是三維建筑設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作的優(yōu)秀工具。google?SketchUp軟件同3dmax等3維制作軟件同樣，有豐富的模型資源，在設(shè)計(jì)中可以直接調(diào)用、插入、復(fù)制等進(jìn)行編輯任務(wù)。
AutoCAD：AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美國Autodesk公司首次于1982年開發(fā)的自動計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，用于二維繪圖、詳細(xì)繪制、設(shè)計(jì)文檔和基本三維設(shè)計(jì)?，F(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具。AutoCAD具有良好的用戶界面，通過交互菜單或命令行方式便可以進(jìn)行各種操作。它的多文檔設(shè)計(jì)環(huán)境，讓非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員也能很快地學(xué)會使用。在不斷實(shí)踐的過程中更好地掌握它的各種應(yīng)用和開發(fā)技巧，從而不斷提高工作效率。AutoCAD具有廣泛的適應(yīng)性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計(jì)算機(jī)和工作站上運(yùn)行。
5、3D打印技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)
5.1、優(yōu)點(diǎn)
一是最直接的好處就是節(jié)省材料，不用剔 除邊角料，提高材料利用率，通過摒棄生產(chǎn)線而降低了 成本；二是能做到很高的精度和復(fù)雜程度，除了可以表 現(xiàn)出外形曲線上的設(shè)計(jì)；三是不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾 具和機(jī)床或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生 成任何形狀的零件；四是它可以自動、快速、直接和精 確地將計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為模型，甚至直接制造零件 或模具，從而有效的縮短產(chǎn)品研發(fā)周期；五是3D打印 能在數(shù)小時內(nèi)成形，它讓設(shè)計(jì)人員和開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)了從 平面圖到實(shí)體的飛躍；六是它能打印出組裝好的產(chǎn)品， 因此它大大降低了組裝成本，它甚至可以挑戰(zhàn)大規(guī)模生 產(chǎn)方式。
5.2、缺點(diǎn)
任何一個產(chǎn)品都應(yīng)該具有功能性，而如今 由于受材料等因素限制，通過3D打印制造出來的產(chǎn)品 在實(shí)用性上要打一個問號。①強(qiáng)度問題：房子、車子固 然能“打印”出來，但是否能抵擋得住風(fēng)雨，是否能在 路上順利跑起來？②精度問題：由于分層制造存在 “臺階效應(yīng)”，每個層次雖然很薄，但在一定微觀尺度 下，仍會形成具有一定厚度的一級級“臺階”，如果需 要制造的對象表面是圓弧形，那么就會造成精度上的偏 差；③材料的局限性：目前供3D打印機(jī)使用的材料非 常有限，無外乎石膏、無機(jī)粉料、光敏樹脂、塑料等。 能夠應(yīng)用于3D打印的材料還是很單一，以塑料為主， 并且打印機(jī)對單一材料也非常挑剔。
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