3D打印機(jī)設(shè)計(jì)

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1、 北京科技大學(xué)天津?qū)W院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題報(bào)告 題目： 金屬液滴成型與銑銷復(fù)合 3D 打印機(jī)床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系 ： 機(jī)械工程系 班級(jí)： 機(jī)械 1203 班 姓名： 魏浩然 學(xué)號(hào)： 12413336 指導(dǎo)教師 1： 黃明吉 指導(dǎo)教師 2： 20 年 月 日 目 錄 1文獻(xiàn)綜述 3 1.1 本課題國(guó)外研究進(jìn)展 .

2、 3 1.2 本課題國(guó)內(nèi)研究進(jìn)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?jī)?nèi)容、方法及預(yù)期目的 4 3.1 研究?jī)?nèi)容 . 5 3.2 研究方法 . 5 3.3 預(yù)期目的 . 6 4 進(jìn)度安排 8 參 考 文 獻(xiàn) 9 指導(dǎo)教師意見 10 1 文獻(xiàn)綜述 1.1 本課題國(guó)外研究進(jìn)展 日前，歐洲空間局（ ESA）的“以實(shí)現(xiàn)高技術(shù)金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)與零浪費(fèi)為目標(biāo)的增材制造項(xiàng)目”（ AMAZE）提

3、出，將首次實(shí)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(jī)、航天器以及核聚變等項(xiàng)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(jī)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(jī)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(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)中也使用了 3D打印的空調(diào)系統(tǒng)?？湛凸咀罱岢??“透明飛機(jī)概念”計(jì)劃，制定了一張“路線圖”，從打印飛機(jī)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(jī)打印出整架飛機(jī)。“概念飛機(jī)”本身有許多令人眼花繚亂的復(fù)雜系統(tǒng)，比如

4、仿生的彎曲機(jī)身，能讓乘客看到周圍藍(lán)天白云的透明機(jī)殼等，采用傳統(tǒng)制造手段難以實(shí)現(xiàn)， 3D 打印或許是一條捷徑。 1.2 本課題國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展 中國(guó)航天科技集團(tuán)公司六院 7103 廠自行研制的某型號(hào)軟管順利通過 2 萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)考核，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這意味著長(zhǎng)期困擾一線職工的軟管工藝攻關(guān)項(xiàng)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(jìn)一步提升了發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝能力。 北京航空航天大學(xué)同我國(guó)主要飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所等單位通過“產(chǎn)學(xué)研”緊密合作，瞄準(zhǔn)大型飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，歷經(jīng) 17 年研究在國(guó)際上首次全面突破了鈦

5、合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工大型復(fù)雜整體關(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(jī)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(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)，使我國(guó)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(shí)現(xiàn)裝機(jī)工程應(yīng)用的國(guó)家。 2 課題背景及開展研究的意義 2.1 背景 3D打印聽起來(lái)新鮮，其實(shí)這項(xiàng)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(jiǎn)單地說(shuō)，即設(shè)計(jì)人員通過計(jì)算機(jī)繪成的三維模型，或是以三維掃描

6、儀對(duì)實(shí)物進(jìn)行三維建模，將這些數(shù)據(jù)輸入 3D打印機(jī)形成指令，使用堆疊的方法使材料一層一層堆積起來(lái)并形成最終的成品。目前國(guó)內(nèi)有一 些 3D打印的概念股，如中航重機(jī)，蘇大維格，南風(fēng)股票等，股價(jià)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(guó)內(nèi) 3D打印技術(shù)的應(yīng)用上至航空航天，下至個(gè)人愛好都有所應(yīng)用。北京航空航天大學(xué)的王華明教授因?yàn)檫\(yùn)用 3D打印技術(shù)打印飛機(jī)鈦合金部件并實(shí)際運(yùn)用而獲得國(guó)家科技發(fā)明一等獎(jiǎng)，幾千塊的桌面級(jí) 3D打印機(jī)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(jí)樣件。國(guó)外的 3

7、D打印技術(shù)和市場(chǎng)較國(guó)內(nèi)成熟很多，主要技術(shù)來(lái)自美國(guó)、德國(guó)、日本和以色列等國(guó)家，其中以美國(guó)的 3D Systems、Stratasys 和 Makerbot 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(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)來(lái)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(lái)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?yàn)閭鹘y(tǒng)制造 業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展注入新鮮動(dòng)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(huì)各界廣 泛認(rèn)可的產(chǎn)業(yè)基

8、礎(chǔ)。 從 3D打印的技術(shù)原理來(lái)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(lái)。但是，傳統(tǒng)制造業(yè)所擅長(zhǎng)的批量化規(guī)?；a(chǎn)、精益化生產(chǎn)，恰恰是 3D打印技術(shù)的短腿。比較來(lái)看， 3D打印技術(shù)擅長(zhǎng)的解決個(gè)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(zhǎng)的是批量化和規(guī)模化。彼此之間優(yōu)劣態(tài)勢(shì)正好形成互補(bǔ)關(guān)系，而不是誰(shuí)替代誰(shuí)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?jī)?nèi)容、方法及預(yù)期目的 3.1 研究?jī)?nèi)容 3D打印技術(shù)是指由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型(CAD)直接驅(qū)動(dòng)的，運(yùn)用金屬、塑料、陶

9、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)?；? 本流程是，先用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)三維模型，然后把三維數(shù)字模型離散為面、線和點(diǎn)，再通 過 3D打印設(shè)備分層堆積，最后變成一個(gè)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)”，具有制造成本低、生產(chǎn)周期短等明顯優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工 具”。 3D 打印將多維制造變成簡(jiǎn)單的由下而上的二維疊加，從而大大降低了設(shè)計(jì)與制造的復(fù)雜度。同時(shí)， 3D 打印還可以制造傳統(tǒng)方式無(wú)法加工的奇異結(jié)構(gòu)，尤其適合動(dòng)力設(shè)備、航空航天、汽車等高端產(chǎn)品上的關(guān)鍵

10、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(jìn)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(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(kuò)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(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(lái)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(guó)工業(yè)界中“最富創(chuàng)造力的 25 項(xiàng)技術(shù)”之一的稱號(hào)。 電子束選區(qū)熔化技術(shù)（ Electron Beam Selective Melting ，EBSM）:EBSM技術(shù)是 20 世紀(jì) 90 年代發(fā)展起來(lái)的一種金屬零

12、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(wú)反射、功率密度高、聚焦方便等許多優(yōu)點(diǎn)。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(guó)外對(duì) EBM工藝?yán)碚撗芯肯鄬?duì)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(guó)內(nèi)對(duì) EBSM工藝的研究相對(duì)較晚。 光固化立體造型技術(shù) (stereo lithography apparat

13、us ， SLA)SLA技術(shù)是用特定波 長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面順序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，再固化另一個(gè)層面。這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。 SLA是最早實(shí)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。因此開發(fā)收縮小、固化快、強(qiáng)度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢(shì)。 熔融沉積成型技術(shù) (fused dep

14、osition modeling, FDM) :FDM 技術(shù) 該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點(diǎn)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(diǎn)高 1℃），在計(jì)算機(jī)的控制下，噴頭作 x-y 平面運(yùn)動(dòng)，將熔融的材料涂覆在工作臺(tái)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(jìn)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(dāng)于工程塑料或蠟?zāi)＃恢饕糜谒芰霞?、鑄造用蠟?zāi)?、樣件或模型? 分層實(shí)體制造技術(shù) (laminated object manufacturing, LO

15、M) 又稱層疊法成形技 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(jì)算機(jī)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(jī)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(jìn)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(diǎn)是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點(diǎn)是前、后處理費(fèi)時(shí)費(fèi)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

16、性能相當(dāng)于高級(jí)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(yù)期目的 在 3D打印技術(shù)可以打印假肢、汽車、飛機(jī)的今天，它還在創(chuàng)造無(wú)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(gè)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(jìn)去 得到這樣的零件，這樣對(duì)復(fù)雜的零部件來(lái)說(shuō)加工起來(lái)非常困難。立體打印技術(shù)對(duì)于復(fù)雜零部件而言具有極大的優(yōu)勢(shì)，立體打印技術(shù)可以打印非常復(fù)雜的東西。 其次實(shí)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(shí)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(zhǔn)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時(shí)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(shì)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(jī)已經(jīng)在建筑設(shè)計(jì)、醫(yī)療輔助、工業(yè)模型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、零配件、動(dòng)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(jī)、核電和火電等使用重型機(jī)械、高端精密機(jī)械的行業(yè)， 3D打印技術(shù)“打印”的產(chǎn)品是自然無(wú)縫連接的，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。 事實(shí)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(shí)日

18、。 3D打印機(jī) 21 世紀(jì)初的實(shí)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)也將這類原型稱作手板。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 3D打印機(jī)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(jī)技術(shù)在 21 世紀(jì)初已取得不小的進(jìn)步，比如材料增多、打印機(jī)和原材料價(jià)格逐漸下降，但在 2012 年左右，依舊是一項(xiàng)年輕的技術(shù)，在沒有變得更加成熟和廉價(jià)前，并不會(huì)被企業(yè)大規(guī)模采用。 美國(guó)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(guó)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(duì) 3D打印技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用。除歐美外，其他國(guó)家也在不斷

19、加強(qiáng) 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(jī)器的開發(fā)；日本著力推動(dòng) 3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用；中國(guó) 3D打印設(shè)計(jì)服務(wù)市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，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(guó)還處于初級(jí)階段，從整個(gè)產(chǎn)業(yè)角度來(lái)看，由于缺少龍頭企業(yè)的帶動(dòng)作用，政府暫時(shí)缺少針對(duì)性的扶植措施，整體產(chǎn)業(yè)體量還較小；另一方面中國(guó)制造業(yè)還處于粗放形式，各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì) 3D打印技術(shù)帶來(lái)的沖擊認(rèn)識(shí)還不足，接受度較低。 從發(fā)展情況來(lái)看， 3D打印至 2013年為止仍停留在“高級(jí)玩具”階段，并沒有實(shí)現(xiàn)成熟的產(chǎn)業(yè)化。但是，各

20、個(gè)區(qū)域都非常認(rèn)可 3D打印技術(shù)可能帶來(lái)的改變，這些改變將如何影響現(xiàn)有生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)模式是值得關(guān)注的問題。 國(guó)內(nèi) 3D打印主要有清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、北 京航空航天大學(xué)等高校教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)。在他們的引領(lǐng)下，中國(guó) 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(wú) 人駕駛小型飛機(jī)、文物、小零件、食物、自行車、小建筑等，令人耳目一新。 4 進(jìn)度安排 第一學(xué)期： 1、 第 11-14 周：查閱

21、文獻(xiàn)資料，選題； 2、 第 15-16 周：完成開題報(bào)告； 第二學(xué)期： 1、 第 2-4 周： 方案的參數(shù)計(jì)算，總裝圖設(shè)計(jì)； 2、 第 5 周： 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，中期報(bào)告； 3、 第 6-11 周： 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算及零部件設(shè)計(jì)； 4、 第 12-14 周：撰寫論文； 5、 第 15-16 周： 答辯 參考文獻(xiàn) [1] 2017  年 3D打印機(jī)將崛起  市值有望  50 億美元  ．中國(guó)  3D打

22、印產(chǎn)業(yè)網(wǎng)． 2013-03- 24 [2]3D 技術(shù)打印小飛機(jī) 國(guó)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(gè)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(guó) 3D打印機(jī)市場(chǎng)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(guó) 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(zhǎng)庫(kù) 中國(guó)計(jì)量出版社 [8]CATIA 制作范例 張文獎(jiǎng) 林長(zhǎng)青 機(jī)械

23、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