3D打印技术的应用毕业论文
目录
第一部分引言
第二部分3D打印技术的介绍2.1，3D打印系统的工作原理和制造工艺2.2，3D打印制造的优点
第三部分3D打印技术的应用3.1 3D打印制造在模具制造中的应用3.2 3D打印技术在医学中的应用
第四部分结束语
参考文献
3D打印技术的应用
摘要：本文介绍了3D打印技术的基本原理及其制造流程。通过一些实例说明了3D打印的应用，主要是说明在机械制造方面的应用和医学
方面的应用。
The using of 3D PRINTING technology Abstract ：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打印（3D PRINTING）即3D打印技术，又3D打印制造是20世纪80年代才兴起的一门新兴的技术，是21世纪制造业最具影响的技术之一。随着计算机与网络技术的发展，信息高速公路加快了科技传播的速度，产品的生命周期越来越短，企业之间的竞争不再只是质量和成本上的竞争，而更重要的是产品上市时间的竞争。因此，通过计算机仿真和3D打印增加产品的信息量，以便更快的完成设计及其制造过程，将产品设计和制造过程的时间周期尽量缩短，防止投产后发现问题造成不可挽回的损失。
3D打印技术是由CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状的三维实体的技术总称。简单的讲，3D打印制造技术就是快速制造新产品首版样件的技术，它可以在没有任何刀具、模具及工装夹具的情况下，快速直接的实现零件的单件生产。该技术突破了制造业的传统模式，特别适合于新产品的开发、单件或少批量产品试制等。它是机械工程、计算机CAD、电子技术、数控技术、激光
技术、材料科学等多学科相互渗透与交叉的产物。它可快速，准确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或零件，以便进行快速评估，修改及功能测试，从而大大缩短产品的研制周期，减少开发费用，加快新产品推向市场的进程。
自从美国3D公司在1987年推出世界上第一台商用快速原形制造设备以来，快速原形技术快速发展。投入的研究经费大幅增加，技术成果丰硕。原形化系统产品的销量高速增长。在这方面美国，日本一直处于领先地位，我国在这方面起步较晚，但是奋起直追，开展研究并取得一定成果，国内也有些成熟的产品问世，他们正在各种生产领域上发挥着作用。
第二部分3D打印技术的介绍
2.13D打印系统的工作原理和制造工艺
3D 打印技术是一种逐层制造技术，它采用离散/堆积成型原理，其过程是：先得到所需零件的计算机三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，将原来的三维模型变成二维平面信息，即离散过程；再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码；在微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地连续加工出每个薄层，并使它们自动粘接而成型，从而制造出所需产品的实物样件或成品，这就是材料的堆积过程。已知自由曲面CAD 模型，如果使用传统的方法和数控机床进行加工，那么复杂的自由曲面，成本高，效率低。近年来，3D 打印即广泛的被运用于工业生产中。各种3D 打印技术的过程都包括CAD 模型建立、生成STL 文件格式、3D 打印制作、模型分层切片和后置处理五个步骤，其制造过程如图1所示。
图1 3D 打印技术的制造过程
1）利用激光固化树脂材料的光造型法（Stereolithography ）。光造型装置一直以美国3DSYSTEMS 公司的ＳＬＡ型产品独占鳌头,并形成垄断市场。其工作原理如图2所示。由激光器发出的紫外光,经光学系统汇集成一支细光束,该光束在计算机控制下,有选择的扫描液体光敏树脂表面,利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理,一层一层固化光敏树脂,每固化一层后,工作台下降一精确距离,并按新一层表面几何信息使激光扫描器对液面进行扫描,使新一层树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上,如此反复,直至制作生成零件实体模型。激光立体造型制造精度目前可达±0.1ｍｍ,主要用作为产品提供样品和实验模型。此外,日本的帝人制机开发的SOLIFORM 可直接制作注射成型模具和真空注塑模具。
产品CAD 模 型 生成STL
文件格式
3D 打印制造过程 产品后置 处 理
将模型分层切片
图2 激光固化树脂法的原理图
2）纸张叠层造型法。纸张叠层造型法目前以HELISYS公司开发的LOM装置应用最广。该装置采用专用滚筒纸,由加热辊筒使纸张加热联接,然后用激光将纸切断,待加热辊筒自动离开后,再由激光将纸张裁切成层面要求形状,如图3所示。
图3 纸张叠层造型法原理图
3）熔融造型法熔融造型法（FDM）。以美国STRATASYS公司开发的产品FDM(FUSED DEPOSITION MODELLING)应用最为广泛。工作时,直接由计算机控制喷头挤出热塑材料并按照层面几何信息逐层由下而上制作出实体模型。ＦＤＭ技术的最大特点是速度快(一般模型仅需几小时即可成型)、无污染,在原型开发和精铸蜡模等方面得到广泛应用。
FDM生产可选成型材料种类较多，原材料费用低，因而的到广泛的应用。但是FDM也有其固有的缺点。精度低，热融制造中很难控制精度，难以制造结构复杂的构件，且材料的制造是处于熔点附近，因而构件的强度小，也不适合制造大型的制件，这些特点都限制了FDM的应用范围。
4）热可塑造型法（SLS）。以DTM公司开发的选择性激光烧结即
SLS(SELECTIVE LASER SINTERING)应用较多。该方法是用ＣＯ2激光熔融烧结树脂粉末的方式制作样件。工作时,由ＣＯ2激光器发出的光束在计算机控制下,根据几何形体各层横截面的几何信息对材料粉末进行扫描,激光扫描处粉末熔化并凝固在一起。然后,铺上一层新粉末,再用激光扫描烧结,如此反复,直至制成所需样件。如图3所示。
2.23D打印制造的优点
3D打印技术的加工特点3D打印技术突破了“毛坯→切削→加工品”传统的零件加工模式,开创了不用刀具制作零件的先河,是一种利用的薄层叠加的
加工方法。与传统的切削加工方法相比,3D打印加工至少具有以下优点:
1)可迅速制造出具有自由曲面和更为复杂形态的零件,如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，这些利用传统工艺很难加工的,从而大大降低了新产品的开发成本和开发周期。在时间尤其重要的今天，它可以为企业节省大量的研发时间。
2)它属于非接触加工,不需要切削加工所必需的刀具和夹具,无刀具磨损
和切削力影响。只需要一套特定的设备，工序简单，没有传统加工的烦琐的工
序。传统的加工中每一个工序都需要机床等复杂加工设备，且加工过程复杂，对操作人员的技术要求很高。
3)无振动、噪声和切削废料。可以为企业节省宝贵的试制原料，简化生产。传统的制造中由于多是机械制造，噪音较大。且加工时边角料多。造成资源的浪费。
4)可实现完全自动化生产。操作可以由电脑控制，无需人的过多干预。真正实现了自动化。
5)加工效率高,能快速制作出产品实体模型及模具。精度高，生产的产品质量好。
3D打印技术在产品开发中的关键作用和重要意义是很明显的，它不受复杂形状的限制，可迅速地将示于计算机屏幕上的设计变为进一步评估的实物。根据原型，可对设计的正确性、造型的合理性、可装配性和干涉性，进行具体的检验。通过原型的检验可使开发产品中的风险减到最底的限度。
第三部分3D打印技术的应用
3D打印制造的技术实现快速模具制造是目前颇受制造部门关注的一个技术。在模具的研制过程中样件的设计和加工是重要环节之一。与数控加工相比，3D打印制造技术可以更快更方便的制造出各种复杂的原型。将3D打印制作的样件用于模具制造，一般可使模具制造的成本和周期减少一半，显著提高生产效率。间接用3D打印样件实现快速模具制造的方法一般有硅胶模、环氧树脂模、金属冷喷涂等。由于锻造方法常用来制造形状很复杂的零件，所以3D打印与传统的锻造方法相结合，可解决传统铸造加工困难的瓶颈问题。近年来3D打印已经应用的非常广泛，除上述与传统的模具制造相结合实现复杂零件的快速制造外，还广泛应用于医疗、汽车制造等领域。
3D打印技术对模具制造业的影响非同凡响，所以到目前为止3D打印技术主要还是应用于加工、制造领域。但随着医疗技术的发展，3D打印技术也大
量的应用于手术的术前论证，大大提高了手术的成功率，特别是各种骨科手术。
3.1 3D打印制造在模具制造中的应用
传统的模具制造方法周期长、成本高,一套简单的塑料注塑模具其价值也在10万元以上。设计上的任何失误反映到模具上都会造成不可挽回的损失。3D打印技术可精确制作模具的型心和型腔,也可直接用于注射过程制作塑料样件,以便发现和纠正出现的错误。
3D打印制造将需铸零件的CAD模型转换为STL文件,在用纸张叠层制造机按模壳每层截面的几何形状生成纸张模壳，然后按模具铸造方法即可快速制造金属零件。将3D打印技术制作生成的样件作为铸造模具的原模,实现零件的快速铸造,其过程为:零件CAD三维设计→计算流体动力学分析(CFD)→LOM模型制造→熔模铸造金属零件。
美国爱达荷国家工程与环境试验中心采用快速凝固工艺即RSP技术实现了注塑模具的快速经济制造。如图4所示。
图4 采用ＲＰ技术的产品开发流程图
可以利用快速原形技术快速的将零部件从设计转向实际模拟图形而不必必须经过生产。可以用CAD制图软件设计出零件的三维图，也可以用三维扫描仪由实物直接扫描出实物的数据然后进行修改。下图是某汽车的一个零部件的三维扫描图片。
图5 某汽车零部件的三维扫描图
在快速原形技术的帮助下，可以在电脑中通过模拟而做出它的模拟图片。进而可以观察设计与结果是否一致。如图6所示。通过图6的模拟，我们可以很快的知道自己的设计是否与自己的设计初衷一致，如果不一致，可以在图5上进行修改，避免了在实际生产中的反复。避免了生产中的反复。可以给产品的试制节省大量的试制经费。
自此，可以生成STL文件，再用3D打印机器如纸张叠层机等，初步制造出实物模型，然后进行后置的处理以后就可以进行零件的铸造了。
图6 某汽车零部件的计算机模拟图
3.2 快速制造技术在医学中的应用
1) 3D打印制造在镶牙过程中的应用
传统的镶牙过程一般是首先用印模材料从口中得到牙齿的阴模，再用石膏得到牙齿的阳模，然后由医生手工进行设计、修改完成病人的牙齿模型。完成病人的镶牙过程。尽管牙齿结构简单，但面型极为复杂。有时病人要经过反复配戴休整，才能达到比较好的效果。整个过程非常烦琐，而且周期长，给病人带来极大的不便。20世纪70年代末，80年代初，世界上开始研究CAD/CAM技术在牙齿修复过程中的应用。20世纪80年代末，90年代初在瑞士、瑞典、美国、法国、日本等国出现了实用化的CAD/CAM镶牙系统，部分系统达到了商业化的水准，国内镶牙系统研究出现的较晚，针对国内逆向工程、3D打印和设备水平，采用三维层析数字化测量仪和激光扫描仪相结合的方法对CAD/CAM镶牙系统进行了研究，取到了一定成果。
测量和表面重构是镶牙过程的关键步骤，测量设备是镶牙过程中的核心设备，按测量方式分为接触式和非接触式，接触式是传统的测量方式，测量过程探头与模型表面接触，这种测量方式发展比较成熟，优点是测量精度高。但由于机械式的测量存在固有的缺陷，难以实现快速测量。近年来非接触式测量发展迅速，这种测量方法测量速度快，自动化水平高，适用于各种复杂模型的高速测量。表面重构主要是利用计算机软件实现，运用比较多的是surfacer软件，它可以方便的对模型数据进行修改。如图7就是经过测量、表面重构得到的完整的牙齿模型。得到了牙齿的完整的模型以后就可以切层生成STL文件，
图7 完整的牙齿模型
然后输入3D打印制造机器就可以进行3D打印制造了。这样一副适合病人的牙齿就做好了。
2) 3D打印制造在颜面矫正、美容中的应用
颜面数据的获取和分析被应用到很多领域里。例如脸部的手术方案的建立，名人的为日本的一个女性。其中有她一般的容貌和笑容。美容师需要知道她的鼻子和脸部的详细三维数据，可以用软件模拟她的术后容貌，得到本人的同意后，实施手术。如果没有三维数据，那是十分困难的事情脸部数据被计算机图形软件加工后应用到追求有创新的广告节目里，化妆品和颜面的关系，把脸部数据用数字雕刻机快速雕刻到铜板或木板上，用于永久纪念。
图8 脸部数据
3) 义肢的研发制作，数字人体等
美国，韩国和我国相继利用图像处理技术将人体内部的可识别器官进行了数字化。日本利用激光三维扫描仪技术将许多人体外表进行了扫描和建模，并且对人体特征，人体运动，人体的变异等都作了长期的研究。这对于一个民族自身的数据和今后的变化趋势的研究是十分重要的。 Vivid910可以快速地扫
描一个人体外表面，由于它提供了快速扫描模式，仅需0.3秒便可以扫描一次，所以即使人体有稍微的晃动也不影响扫描精度。由于它提供了三种不同的镜头，所以比如手指较细的地方可以用高精度镜头扫描后用软件Polyowrks(TM)可以快速高质量地完成建模工作。义肢的研发对于身体不适的朋友来说是最重要的。如果利用三维扫描仪扫描其部位，经过数据加工可以获得十分合体的义肢
第四部分结束语
快速原形制造技术于其自身固有的优势而受到各国的重视，随着技术的不断成熟，它肯定会在产品的开发，研制等方面得到更加广泛的应用。无疑，它
会给传统的产品设计制造过程带来一次新的革命
在论文的写作完成的时候，向支持本文完成工作的所有老师和同学致以诚挚的感谢，特别感谢我的指导老师，在整个论文的写作过程中，他都在一旁指导我，鼓励我，使我顺利的写完这篇论文。再一次向所有支持我的老师同学表示衷心的感谢。
参考文献：
[1] 3D逆向工程技术许智钦孙长库中国计量出版社
[2] CATIA制作范例张文奖林长青机械工业出版社