教学课件：3D打印技术概述.pptx
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材料成形与模具技术,国家重点实验室StateKeyLabrotoryofMaterialProcessingandDie&MouldTechnology,3D打印技术概述,3D打印技术发展及应用3D打印技术工艺类型3D打印技术应用新进展（2016-）,1.13D打印技术发展历程,3D打印的制造过程是基于“离散/堆积成型”思想，用层层加工的方法将成型材料“堆积”而形成实体零件。
首先提出层叠成型方法的是Blanther，他于1892年利用分层制造的方法来构成地形图。
1902年，CarloBaese提出了一种利用光敏树脂来制造塑料件的方法，这是光固化成型（SL）的最初设想。
直到1982年，CharlesHull将光学技术应用于快速成型领域，完成了第一个3D打印系统光固化成型系统（SLA），该系统于1986年获得专利，是3D打印发展历程中的一个里程碑。
此后相继出现了各种3D打印工艺及技术。
MichaelFeygin于1984年发明了分层实体成型（LOM）技术；ScottCrump于1988年发明了熔融沉积成型（FDM）技术；C.R.Dechard于1989年发明了选择性激光烧结（SLS）技术；EmanualSachs于1993年发明了三维印刷（3DP）技术等；除新工艺外，3D打印技术也得到了快速发展：
2005年ZCorporation公司推出第一台高精度彩色3D打印机Z510；2008年Objet公司推出了Connex500，实现了多材料3D打印；2009年Invetech公司和Organovo公司研制出第一台商业化生物3D打印机，并打印出第一条血管。
这些技术创新使3D打印越来越贴近人们的生活，并对许多产业产生深远的甚至颠覆性的影响。
1.23D打印技术原理,3D打印（3DPrinting），又称快速成型（RP，RapidPrototyping）、增材制造（AM，AdditiveManufacturing），是一种集计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动、新材料等先进技术于一体的加工方法。
3D打印技术的工作原理是对三维CAD模型进行切片处理，逐层加工，层叠增长。
3D打印技术的本质是用材料堆积原理制造三维实体零件。
它是将复杂的三维实体模型“切”（Spice）成设定厚度的一系列片层，从而变为简单的二维图形，层层叠加而成。
高度柔性：
柔性制造是相对于传统的“刚性制造”而言的，支持个性化生产（定制）；设计、制造一体化：
生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联，零件可大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造，产品制造过程几乎与零件的复杂性无关；快速响应：
与传统制造相比，3D打印零件制造从CAD设计到零件加工完毕，时间大幅缩短；,1.33D打印的技术特点,概念建模3D打印技术能迅速将设计创意转变为实物，尤其擅长复杂结构的制作，便于设计师与客户和企业团队有效沟通，有助早期设计验证，并降低错误成本。
1.43D打印技术应用领域,原型测试产品研发离不开不断的验证和设计完善，利用3D打印技术及材料特性在企业内部快速制作产品或零部件原型并进行匹配度、功能性测试，能够缩短研发周期，加速产品上市时间，把握瞬息万变的商业契机。
直接数字制造（DDM）直接数字制造是根据产品CAD模型进行3D打印，直接制造最终产品的制作流程，包括制造产品原型、生产工具或最终零部件等。
这种“智能制造”的方式能显著缩短交付时间和生产成本，并具有小批量生产优势，帮助企业快速响应客户需求及市场变化。
3D打印技术应用领域分布情况,汽车制造消费品商业设备医疗器械教育科研航空航天军事领域其他,应用领域：
汽车制造,3D打印技术基于CAD数据制造模型，无需开发模具便能非常快速地将原型打印出来，大大缩减了汽车零部件制造的流程和开发成本；在汽车的工程开发过程中，通过对3D打印零件的静态分析和实车安装发现问题，优化零件结构设计，提高零件的强度和可制造性，简化零件结构，验证技术结构可行性，提高产品成熟度。
应用领域：
航空航天,3D打印在航空航天领域的应用主要集中在外形验证、直接产品制造和精密熔模铸造的原型制造。
应用领域：
建筑,用3D打印机来造房，是世界各国建筑师的梦想。
当前应与建筑领域的3D打印技术主要有3种：
D型工艺（D-Shape）、轮廓工艺（ContourCraftings）和混凝土打印（ConcretePrinting）。
应用领域：
教育,3D打印技术本质上是多媒体技术的延伸，是虚拟现实技术的延伸，它拓展了人的感觉和知觉，促进了人的思维能力的进一步发展。
近年来，很多高等教育专业将3D打印与教学体系相结合，摸索创新教学模式。
应用领域：
医疗,在医疗领域，尤其是修复性医学领域，个性化定制需求显著，而个性化，小批量和高精度恰是3D打印技术的优势所在。
目前，3D打印在医疗生物行业的应用主要包括：
1.体外医疗器械制造，如假肢、助听器、齿科手术模板等；2.个性化永久植入物；3.细胞3D打印。
应用领域：
文化创意,3D打印已然进入时尚界，从帽子、时装、头饰到鞋子、珠宝，3D打印改变着人们对时尚的理解。
除此之外，动漫衍生品、3D照相馆，甚至巧克力、糖果也都成为3D打印技术的应用领域。
3D打印技术发展及应用3D打印技术工艺类型3D打印技术应用新进展（2016-）,3D打印工艺类型繁多，SLA,DLP,3SP,CLIP,SLS,SLM,EBSM,SHS,MJP,3DP,Polyjet,SCP,MJP,Projet,LOM,SDL,UAM,FFF,FDM,LMD,LENS,DMD,AMBIT，3D打印技术名称随着技术的进化层出不穷，美国标准组织（ASTM）根据各项技术间的逻辑关系，将3D打印工艺分成8大类：
2.13D打印技术工艺类型,1：
MaterialExtrusion（材料挤出成型）,技术名称包括：
熔融堆积成型（FDM），熔丝制造成型（FFF）；描述：
线状材料通过加热的喷头以熔融状态被挤出；技术优势：
价格便宜，多色，可用于办公环境；典型材料：
热塑性塑料线材，泥浆（用于建筑类）；,FDM工艺,FDM使用丝状热塑性材料，加工时丝状热塑性材料由供丝机构送至喷头，并在喷头加热至熔融状态，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成了截面轮廓。
一层成型完成后，喷头上升一个截面层高度，再进行第二层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。
对于FDM工艺，随着模型高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。
2：
SheetLamination（层压成型）,技术名称包括：
分层实体成型（LOM），超声增材制造（UAM）等；描述：
片状材料通过胶黏，或者超声波焊接的方式被压合在一起，多余的部分被层层切除；技术优势：
成本低，可制作大型、复杂与体积大原型件，工艺过程中不存在材料相变，不易翘曲变形，零件的精度较高，工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，无需支撑典型材料：
覆膜纸、覆膜塑料片材等；,LOM工艺,LOM工艺采用片状材料，片材表面涂覆上一层热熔胶。
加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接；用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材（料带）分离。
3：
VATPhotopolymerization（光固化成型）,技术名称包括：
光固化（SLA），数字光处理（DLP），扫描-旋转-选择性光固化（3SP），连续液界面生产（CLIP）；描述：
液态光敏树脂通过紫外线照射发生固化反应，凝固成产品的形状；技术优势：
高精度，高复杂性，高表面质量；典型材料：
液态光敏树脂；,SLA工艺,SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。
成型精度高、成型零件表面质量好、原材料利用率接近100%，而且不产生环境污染，特别适合于制作含有复杂精细结构的零件；但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光敏树脂有一定的毒性等,DLP工艺,DLP工艺通过紫外光投影仪来逐层固化光敏树脂创建出模型。
DLP设备中包含一个可以容纳树脂的液槽，DLP成像系统置于液槽下方，其成像面正好位于液槽底部，通过能量及图形控制，每次可固化一定厚度及形状的薄层树脂。
液槽上方设置一个提拉机构，每次截面曝光完成后向上提拉一定高度，使得当前固化完成的固态树脂与液槽底面分离并粘接在提拉板或上一次成型的树脂层上，这样，通过逐层曝光并提升来生成三维实体。
相比其他3D打印设备，DLP设备能够打印细节精度要求更高的产品，其加工尺寸精度可以达到2030m，面投影的特点也使其在加工同面积截面时更为高效。
设备的投影机构多为集成化，使得层面固化成型功能模块更为小巧，因此设备整理尺寸更为小巧。
DLP的工艺特点主要体现在以下几点：
（1）固化速率高；
（2）低成本；（3）高分辨率；（4）高可靠性,。
4：
MaterialJetting（材料喷射成型）,技术名称包括：
多材料喷射成型（MJP），聚合物喷射成型（Polyjet），平滑曲率打印成型（SCP）；描述：
材料被一层一层的铺放，并通过液态光敏树脂光固化的方式成型；技术优势：
高精度，全彩，允许一个产品中含多种材料；典型材料：
液态光敏树脂；,MJP/Polyjet工艺,打印外观平滑、细节精细的原型；生产小批量制造产品、工具、夹具等；生成复杂形状、繁杂细节和平滑表面；支持多色彩、多材料一次打印成型；,MJP：
3DSystem公司,MJP工艺设备可实现细微特征高分辨率打印。
面向广泛的商业应用，构建带有鲜明细节和光滑表面的高清部件，使用水溶性支撑结构，后处理过程不会破坏细微特征；可对部件进行钻孔、粘合、涂漆、镀层等工艺。
PolyJet：
Stratasys公司,PolyJet工艺是Stratasys专利技术，可用于多种材料组件的原型打印，包括刚性、柔性、透明和耐用组件，并具有全彩特征。
5：
BinderJetting（粘结剂喷射成型）,技术名称包括：
3D打印（3DP）；无模铸造成型（PCM）描述：
通过喷头喷射粘结剂，将原料粉末粘结成型；技术优势：
全彩打印，材料广泛；典型材料：
塑料粉末，石膏粉末，金属粉末，陶瓷粉末，砂子等；,3DP工艺,3DP是一种通过喷射粘结剂使粉末成型的3D打印技术，该技术使用喷头将粘结剂喷到粉床上,从而将选定区域内的粉末粘合在一起。
粘结剂可以被着色并且依靠基础色混合（CMYK）而将粉末着色，从而制造出具有连续色特征的全彩模型。
3DP：
3DSystemProJet4500,3DSystem公司研制的ProJet4500是一台可以打印连续渐变色的3DP工艺的3D打印机，可直接打印耐用的全彩塑料部件，颜色有比较丰富的过渡。
因为打印方式细致到了像素，所以可以定义颜色之间的边界，不管是泾渭分明还是渐变的变色方式都能实现。
3DP：
全密度金属直接成型,3DP工艺在用于制造金属零件时，金属粉末被高分子粘结剂所粘合成原型件，之后原型件被从3D打印机中取出并放到熔炉中烧结得到金属成品。
由于烧结后的零件一般密度较低，因此为了得到高密度的成品，还会将一种低熔点的合金（如铜合金）在烧结过程中渗透到零件中。
通过这种工艺可以制造不锈钢、镍合金，以及陶瓷材质的产品。
3DP/PCM：
砂模铸造成形,3DP工艺还可以通过非直接的方式制造金属模型砂模铸造成形。
铸造用砂通过3DP工艺成型形成砂模，之后便可用于传统的金属铸造。
这种制造方式的特点是在继承了传统铸造的特点和材料选项的同时，还具备增材制造的特点，如可制造复杂结构等。
6：
PowderBedFusion（粉床熔融成型）,技术名称包括：
选择性激光烧结（SLS），选择性激光融化（SLM），电子束激光选区融化（EBSM）等；描述：
通过高能激光或电子束选择性地熔化原料粉末来制造零件；技术优势：
高复杂性，原料粉末作为支撑，广泛的材料选择；典型材料：
塑料粉末，金属粉末，陶瓷粉末；,SLS/SLM工艺,SLS/SLM是一种采用高能激光有选择的分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状零件的工艺，可使用的原料有塑料、石蜡、金属、陶瓷等。
金属粉末的激光烧结技术能够使高熔点金属直接烧结成型，完成传统加工方法难以制造出的高强度零件的成型，尤其在航空航天、飞机发动机零件及武器零件的制备方面，这对3D打印技术在工业上的应用具有重要意义。
SLS工艺设备（尼龙粉末烧结）,SLM工艺设备（金属粉末烧结）,返回,EBSM工艺,电子束选区熔化成型，其工艺过程与SLM相似，区别在于，EBSM所使用的能量源为电子束。
EBSM的电子束输出能量通常比SLM的激光输出功率大一个数量级，扫描速度也远高于SLM，因此EBSM在构建过程中，需要对造型台整体进行预热，防止成型过程中温度过大而带来较大的残余应力。
7：
DirectedEnergyDeposition（定向能量沉积成型）,技术名称包括：
激光金属沉积成型（LMD），激光近净成型（LENS），定向金属沉积（DM3D）；描述：
金属粉末或者金属丝在产品的表面上熔融固化，能量源可以是激光或者是电子束，容易通过机械手实现大尺寸加工和自动化；技术优势：
不受轴的限制，适合修复零件，可以在同一个零件上使用多种材料；典型材料：
金属丝，金属粉，陶瓷；,3D打印技术工艺种类：
LENS,LENS与SLM最大不同在于，其粉末通过喷嘴聚集到工作台面，与激光汇于一点，粉末熔化冷却后获得堆积的熔覆实体。
8：
HYBRID（混合增材制造）,技术名称包括：
AMBIT，该名称由HybridManufacturingTechnologies公司提出；描述：
该技术是与当前的CNC数控加工机床配套的增材制造组合；技术优势：
自由造型，自动化的过程中制成材料去除，精加工和检测；典型材料：
金属粉，金属丝；,激光三维打印,精细化铣削加工,AMBIT工艺,+,纯激光三维打印加工的表面粗糙制件,复合成形技术加工的精细制件,VS,3D打印技术发展及应用3D打印技术工艺类型3D打印技术应用新进展（2016-）,医疗领域新进展,医药生物行业是目前3D打印技术扩张最为迅猛的行业。
3D打印技术能够为医疗生物行业提供更完整的个性化解决方案；生物3D打印技术将促进再生医学领域在人造活体组织与器官的研究。
在个性化解决方案方面，比较典型的应用有3D手术预规划模型、手术导板、3D打印植入物，以及假肢、助听器等康复医疗器械。
在再生医学领域，研究人员已经在利用生物3D打印技术培养人造器官方面取得了值得肯定的进展。
1.手术规划模型,对于风险高难度大的手术，术前规划十分重要。
传统上，通过CT、核磁共振（MRI）等影像设备获取患者的数据，是做医生手术预规划的基础，3D打印机可以将三维模型直接打印出来，既可辅助医生进行精准的手术规划、提升手术的成功率，又方便医生与患者就手术方案进行直观的沟通。
辅助肿瘤手术的3D打印肝脏模型,2.医疗植入物,一些植入物是通过铸造或传统的金属加工方法来制造的，需要首先制造出模具，对于只需要一件或者少量的植入物来说，单件生产成本十分昂贵。
对于结构复杂的特殊植入物，使用从传统技术也难以实现。
而3D打印技术用于制造骨科植入物，可以有效降低定制化、小批量植入物的制造成本，并可以制造出更多结构复杂的植入物。
聚合物胸骨植入手术,3.生物3D打印,日本京都大学研发出促进神经再生的生物3D打印导管加拿大生物公司Aspect联手强生研发3D打印膝关节软骨法国完成全球首例“3D打印模具辅助制作定制化支气管”植入手术,跨尺度血管结构的生物3D打印,浙大贺永团队研发了一种血管3D打印工艺，该工艺能实现宏微跨尺度血管结构的打印，宏观流道可用于各种机械力的加载，微观通道可用于营养输送以及化学物质的加载。
本血管打印模型可以集成在器官芯片上，可应用于药物筛选、细胞共培养、细胞力学等领域。
3D生物打印血管在体实验成功,2016年12月11日，国家特聘专家四川大学康裕建教授向全球发布了由其团队承担的3D生物打印促进人工血管内皮化的研发项目取得的重大突破：
全球首创依托干细胞生物墨汁技术构建的3D生物打印血管成功植入恒河猴体内，实现血管再生。
这标志着在世界范围内3D生物打印技术在临床应用的开启，同时将引领干细胞制造组织、修复器官的再生医学新时代。
4.3D打印与制药,通过3D打印成形技术制备药物缓释装置，与传统压片方法相比具有独特的优势。
3D打印可以实现多种材料精确成形和局部微细控制，得到具有复杂内部结构的装置；释药特征与所设想的复杂释药行为一致。
通过3D打印成形技术，将粉末材料粘结成形，可以方便的实现医学应用中常需要的具有复杂型腔的多孔结构，对于药物释放有着重要意义。
3D打印协助研发可探测病毒的医用传感器,可3D打印成药物的生物墨水,加州大学洛杉矶分校（UCLA）开发出了一种全新的生物墨水，这种墨水能够通过喷射3D打印技术被制成药物。
UCLA此次开发的新型生物墨水主要成分是透明质酸，3D打印过程大致如下：
1）与光引发剂混合，从而在受到光线照射时固化；2）与盐酸罗匹尼罗混合，组成药物原材料。
3）将上述混合物通过压电喷嘴沉积成型。
UCLA团队对其在模拟胃部酸性环境中的溶解速率进行了测量。
结果显示其溶解率在15分钟内就超过了60%，到30分钟时更是超过了80%。
英国布里斯托大学（UB）的科学家开发出了一种新的生物墨水它混合有干细胞并通过引导干细胞分化为骨细胞和软骨细胞，用这种墨水3D打印而成的结构就能转化为最初级的骨骼和软骨，再经过数周生长，便会成为真正可用的植入物。
5.康复医疗器械,与3D打印钛合金定制化飞机零部件和超级轿跑个性化零部件一样，假肢、助听器等康复医疗器械同样具有小批量、定制化的需求，并且设计具备复杂性，传统数控机床受到加工角度等因素的限制往往难以实现。
此外，利用3D打印技术制作单个定制化康复辅具的成本会显着下降。
最小3D打印定制钛金属助听器问世Phonak与德国3D打印公司EnvironTEC合作开发出定制式钛金属助听器VirtoB-Titanium,6.3D打印微气管和干细胞,这项研究是由北京清华大学（TsinghuaUniversity）的孙伟教授和费城德雷塞尔大学（DrexelUniversity）的机械工程教授合作进行，他们声称可以在可控条件下用3D打印来快速制造胚体，生产一模一样的胚胎干细胞模块，理论上这些模块还可以像乐高积木一样搭建组织甚至微器官。
6.可以制造器官、组织和骨骼的3D打印机,2016年2月15日，美国北卡罗莱纳州维克森林大学（WakeForestUniversity）再生医学研究所的科学家们创建了一台可以制造器官、组织和骨骼的3D打印机，理论上，这些打印出来的器官、组织和骨骼能够直接植入人体。
7.3D生物打印人类肾组织产品,2016年9月7日，全球领先的3D生物打印公司Organovo宣布推出一项新的3D生物打印产品ExViveHumanKidney（ExVive人类肾脏）组织，并提供相应的商业服务。
哈佛大学的JenniferLewis实验室的科学家迈出了创建人工肾脏的第一步。
通过3D打印机，JenniferLewis和她的同事创建出了肾小管，能够为血液流动提供血管网络，一定程度上可以代替生物捐献肾脏。
制造业领域新进展,1.中科院光固化3D打印提升100倍速中科院福建物构所3D打印工程技术研发中心林文雄课题组在国内首次突破了可连续打印的3D打印快速成型关键技术，并开发出了一款超级快速的连续打印的数字投影（DLP）3D打印机。
据了解，该3D打印机的速度达到了创记录的600mm/h，可以在短短6分钟内，从树脂槽中“拉”出一个高度为60mm的三维物体，而同样物体采用传统的立体光固化成型工艺（SLA）来打印则需要约10个小时，速度提高了足足有100倍!
2.机器人3D打印玻璃工艺问世,弗吉尼亚理工大学和罗得岛大学设计学院推出了一个基于机器人的3D打印玻璃程序，并且已经取得了一定的成果，这项新技术被称为六轴玻璃打印。
由于机器人手臂拥有高度的自由度与灵活性，从而弥补了传统架构过于机械化的各种缺陷。
这项技术的诞生不仅对于玻璃工艺品制造领域一大促进，更能够促进3D打印技术与机器人加速融合。
3.新的金属3D打印工艺,美国西北大学科研团队发明了一种混合了金属粉末、溶剂和弹性体粘结剂（的特殊油墨，这种油墨可以在室温条件下直接用喷嘴挤出瞬间凝固，而其中因为使用了弹性体粘结剂，所以在这一阶段打印出的3D对象可以高度折叠或弯曲成更加复杂的结构，并且可以高达数百层厚而不至于坍塌，然后将已经形成的3D结构放在普通熔炉内进行烧结，金属粉末经过加热则会融化永久的粘结在一起。
4.纳米级金属3D打印技术,瑞士CytoSurge公司专注纳米打印，其核心技术是FluidFM技术，FluidFM技术是一种重塑微管的技术，FluidFM移液器微管有比人类头发的直径还要小500倍的孔径。
瑞士联邦工学院将FluidFM移液器微管整合到3D打印机上，不仅可以实现金属的纳米级打印，还可以打印细胞和复合材料。
这将给从手表业，到生物打印，再到微机电以及更多行业带来颠覆性影响，从此推动3D打印逐渐走向纳米制造领域。
5.武汉光电国家实验室造出世界最大激光3D打印装备,华中科技大学武汉光电国家实验室教授曾晓雁领导的激光先进制造研究团队，在SLM成形理论、工艺和装备等诸多方面取得了重要成果，特别是突破了SLM成形难以高效制备大尺寸金属零件等瓶颈。
项目率先在国际上提出并研制出成形体积为500500530mm3的4光束大尺寸SLM增材制造装备，它由4台500W光纤激光器、4台振镜分区同时扫描成形，成形效率和尺寸迄今为止同类设备中世界最大。
6.中国首台太空3D打印机,中科院重庆研究院与中科院空间应用中心共同研制成功我国首台空间3D打印机，并在法国波尔多完成了抛物线失重飞行试验，通过93次失重测试，验证了微重力环境下3D打印装备的关键技术与工艺，实现了塑料和复合材料两种材料，以及失重、超重和正常重力3类工艺参数的4种模型的微重力打印，获得了微重力环境对3D打印工艺参数影响的实验数据，为我国2020年完成空间站建造及后期运营奠定了基础。
空间在轨3D打印制造是解决空间站维修保障需求的有效方法，是完成未来深空探测任务的必要保证。
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