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北京科技大學天津?qū)W院
本科生畢業(yè)設(shè)計(論文)選題報告
題目:
金屬液滴成型與銑銷復(fù)合3D
打印機床身結(jié)構(gòu)設(shè)計
系 :
機械工程系
班級:
機械1203班
姓名:
魏浩然
學號:
指導(dǎo)教師1:
黃明吉
指導(dǎo)教師2:
20 年 月 日
目 錄
0
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(shù)金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)與零浪費為目標的增材制
2、造項目”(AMAZE)提出,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(shù)制造了大約300種不同的飛機零部件,包括將冷空氣導(dǎo)入電子設(shè)備的形狀復(fù)雜導(dǎo)管。波音公司和霍尼韋爾正在研究利用3D打印技術(shù)打印出機翼等更大型的產(chǎn)品??湛驮贏380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(diào)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(fù)雜系統(tǒng),比如仿生的
3、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(nèi)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(shè)計要求。這意味著長期困擾一線職工的軟管工藝攻關(guān)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(shù)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(shè)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合金、超高強度鋼等難加工大型復(fù)雜
4、整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形工藝、成套裝備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù),并已在飛機大型構(gòu)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(yīng)用考驗,使我國成為迄今為止唯一掌握大型整體鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)并成功實現(xiàn)裝機工程應(yīng)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(shù)并不是什么新的技術(shù),而是已經(jīng)發(fā)展了大約30年了的快速成型技術(shù)(Rapid prototyping)的一種,簡單地說,即設(shè)計人員通過計算機繪成的三維模型,或是以三維掃描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(nèi)有
5、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(guān)注度提升有關(guān)。國內(nèi)3D打印技術(shù)的應(yīng)用上至航空航天,下至個人愛好都有所應(yīng)用。北京航空航天大學的王華明教授因為運用3D打印技術(shù)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3D打印技術(shù)和市場較國內(nèi)成熟很多,主要技術(shù)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
6、等為代表的企業(yè),引領(lǐng)著全球3D打印行業(yè)的方向。
2.2研究意義
3D打印技術(shù)相對傳統(tǒng)制造技術(shù)來講的確是一次重大的技術(shù)革命,用“顛覆”傳統(tǒng)制造技術(shù)來形容也不過分,能夠解決傳統(tǒng)制造所不能解決的技術(shù)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(shù)、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)基礎(chǔ)。
?從3D打印的技術(shù)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(shù)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)模化生產(chǎn)、精益化生產(chǎn),恰恰是3D打印技術(shù)的短腿。比較來看,3D打印技術(shù)擅長的解決
7、個性化、復(fù)雜化、高難度的生產(chǎn)技術(shù),而傳統(tǒng)制造業(yè)則擅長的是批量化和規(guī)?;1舜酥g優(yōu)劣態(tài)勢正好形成互補關(guān)系,而不是誰替代誰的問題。因此,3D打印技術(shù)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(nèi)容、方法及預(yù)期目的
3.1研究內(nèi)容
3D打印技術(shù)是指由計算機輔助設(shè)計模型(CAD)直接驅(qū)動的,運用金屬、塑料、陶瓷、樹脂、蠟、紙、砂等材料,在快速成形設(shè)備里分層制造任何復(fù)雜形狀的物理買體的技術(shù)?;玖鞒淌牵扔糜嬎銠C軟件設(shè)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(shè)備分層堆積,最后變成一個三維的買物。
傳統(tǒng)制造技術(shù)是“減材制造技術(shù)”,3D打印則是“增材制造技術(shù)”,具
8、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(shè)計與制造的復(fù)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(jié)構(gòu),尤其適合動力設(shè)備、航空航天、汽車等高端產(chǎn)品上的關(guān)鍵零部件的制造。
3.2研究方法
選區(qū)激光熔化技術(shù) (Selective Laser Melting,SLM): SLM 技術(shù)成型原理與選區(qū)激光燒結(jié) (SLS)基本相同,作為金屬零件3D打印技術(shù)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
9、、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(jié)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(shù)。其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴展到航空航天、微電子、醫(yī)療、珠寶首飾等行業(yè)。
激光凈成形技術(shù)(Laser Engineered Net Shaping,LENS) : LENS技術(shù)是在激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種金屬零件3D打印技術(shù)。采用中、大功率激光熔化同步供給的金屬粉末,按照預(yù)設(shè)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(shù)”之一的稱號。
電子束選區(qū)熔化技術(shù)(Ele
10、ctron Beam Selective Melting,EBSM):EBSM技術(shù)是20世紀90年代發(fā)展起來的一種金屬零件3D打印技術(shù),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(shù)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(shù)的數(shù)十種方法中,EBSM技術(shù)因其能夠直接成型金屬零部件而受到人們的高度關(guān)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(shè)備EBM S12系列,而國內(nèi)對EBSM工藝的研究相對較晚。
光固化立體造型技術(shù)(stereo lithograp
11、hy apparatus, SLA)SLA技術(shù)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(gòu)成一個三維實體。SLA是最早實用化的快速成形技術(shù),采用液態(tài)光固化樹脂原料。SLA技術(shù)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?zāi)?。SLA技術(shù)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(yīng)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(shù)(fused depos
12、ition modeling, FDM) :FDM技術(shù) 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(shù)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?zāi)?;主要用于塑料件、鑄造用蠟?zāi)?、樣件或模型?
分層實體制造技術(shù)(laminated object manufacturing, LOM)又稱層疊法成形
13、技術(shù):LOM技術(shù)它以片材(如紙片、塑料薄膜或復(fù)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(nèi)外輪廓。切割完一層后,送料機構(gòu)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(jié)構(gòu)件或功能件。LOM技術(shù)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(jié)構(gòu)件。成形材料主要是涂敷有熱敏膠的纖維紙;制件性能相當于高級木材;主要用途是快速
14、制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。
3.3預(yù)期目的
在3D打印技術(shù)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(shù)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(fù)雜的零部件來說加工起來非常困難。立體打印技術(shù)對于復(fù)雜零部件而言具有極大的優(yōu)勢,立體打印技術(shù)可以打印非常復(fù)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(lǐng)域。再次由于制造準備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時間大幅減少,
15、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(lǐng)域得到了應(yīng)用。如今3D打印機已經(jīng)在建筑設(shè)計、醫(yī)療輔助、工業(yè)模型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、零配件、動漫模型等領(lǐng)域都已經(jīng)有了一定程度的應(yīng)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(shù)“打印”的產(chǎn)品是自然無縫連接的,結(jié)構(gòu)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(shù)要成為主流的生產(chǎn)制造技術(shù)還尚需時日。?
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(nèi)也將這
16、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(shù)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(shù),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(shù)的研發(fā)及推廣應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位。美國是全球3D打印技術(shù)和應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者,歐洲十分重視對3D打印技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用。除歐美外,其他國家也在不斷加強3D打印技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用。澳大利亞在2013年制定了金屬3D打印技術(shù)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(shù)的推廣應(yīng)用;
17、中國3D打印設(shè)計服務(wù)市場快速增長,已有幾家企業(yè)利用3D打印制造技術(shù)生產(chǎn)設(shè)備和提供服務(wù)。?
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(shù)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,各個區(qū)域都非常認可3D打印技術(shù)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(guān)注的問題。?
國內(nèi)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
18、空航天大學等高校教授帶領(lǐng)的科研團隊。在他們的引領(lǐng)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(shè)計;
2、 第5周: 機構(gòu)設(shè)計計算,中期報告;
3、 第6-11周: 機構(gòu)設(shè)計計算及零部件設(shè)計;
4、 第12-14周:撰寫論文;
5、 第15-16 周: 答辯
19、
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打印產(chǎn)業(yè)網(wǎng).2013-03-24?
[2]3D技術(shù)打印小飛機?國內(nèi)打印技術(shù)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(shè)?.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(shù)、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(shù)?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??機械工業(yè)出版社
指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師1: 年 月 日
指導(dǎo)教師2: 年 月 日
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