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1、SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY制造工艺课程设计报告论文题目：3D打印与传统加工方式的对比学生姓名：学院:机械与动力工程学院指导教师：沈彬1 .课题研究的意义12 .3D打印与传统加工方式的对比11.1. 3D打印简介11.2. 3D打印相比于传统加工的优势11.3. 3D打印相比于传统加工的劣势33.实物分析43.1. 实物介绍43.2. 激光烧结与注塑的比较53.3. 原因分析6参考文献81 .课题研究的意义3D打印，是根据所设计的模型，通过特有的打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术。由于其独特的加工方式和显著的加工优势，3D打印技术在近几年内得到了迅速的发展，也成
2、为了国内外快速成型技术的研究重点。本次课题的研究中，我们将重点研究3D打印技术与传统加工工艺之间的区别。这不仅有利于我们更好的了解3D打印的特点，同时也可以将本学期学到的知识更好的应用其中，学以致用。2 .3D打印与传统加工方式的对比(2) 3D打印简介3D打印技术是增材制造的一种形式，是指根据3D模型，使用堆积处理技术，采用分层加工、叠加成型的方式逐层增加材料来生成3D实体。其本质是断层激光扫描烧结的逆过程,断层扫描就是把某个三位模型“切”成无数叠加的片；3D打印就是一片一片的打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。2.2. 3D打印相比于传统加工的优势.制造周期短3D打印作为快速成型的一种
3、方式，是使设计概念可视化的重要手段，计算机辅助设计（CAD/CAM）的实物模型可以在很短时间内成形出来，达到很快对加工能力和设计结果进行评估，从而实现缩短制造周期。.可降低研发成本，缩短研发周期相比于传统的机械加工方式，如：材料去除原理（车、铳、刨、磨、钻、镣、特种加工）、材料基本不变原理（铸、锻、模具成型），3D打印是增材制造的过程，采用了材料累加成型原理材料，材料利用率高，从而降低了生产成本。众所周知，一种新产品的开发一般要经历概念设计、方案设计、详细设计、小批量试制、试销以及批量投产这一过程，为了规避产品开发的投资风险以及缩短研发周期，往往需要对所设计的零件和产品在投入大量资金组织加工或
4、装配之前加工一个原型，以此原型对产品的设计进行评价、修改以及功能验证，以期在产品开发、制造的早起能发现设计缺陷或发现更有效和更好的设计方案。此时，我们可以利用3D打印技术快速制造手板模型，这样不但保留原有结构的特征，同时还可以做比例缩减，缩短加工时间短，降低生产成本，减少产品改良时间，更适合产品研究开发。(3) .不受零件形状和复杂程度限制由于3D打印是将复杂的三维实体转化为二维截面来处理，不需要任何专业的辅助工夹具，完全在计算机管理和控制下，可进行任意零件的加工，不受零件形状和复杂程度的限制，所以制造的柔性极高，完全符合敏捷制造(AgiIe)的思想，从而实现了自由制造(FreeFOrmFab
5、rication),这是传统加工方式所不能比拟的。(4) .可以直接获得最终产品或模具快速成型技术作为一种重要的加工技术，采用适当的材料和后续工艺，可以直接获得最终产品或模具，几乎各个领域都用到了3D打印技术。1 .医疗行业:从2010年美国成功打印活体器官开始,似乎直接打印人体也并不是不可能,它更类似于克隆技术，他打印出来的活体器官不会与患者排斥。他还可以打印骨骼、牙齿等。我们可以预计在将来3D打印机的发展中，在医疗方面会引入一个全新的人体植入概念，让更多的患者看到希望。2 .建筑设计：在建筑业，工程师和设计师们已经开始使用3D打印机打印建筑模型，这种方法快速、低成木、环保，同时制作精美。完
6、全符合设计者的要求，切有节省大量的材料和时间。3 .食品产业：研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。4 .汽车制造业：不是说整车是3D打印机打印出来的，而是说汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。5 .配件、饰品：这是最广阔的一个市场。在未来不管是个性笔筒，还是手机外壳，抑或是世界上独一无二的戒指，都有可能是通过3D打印机打印出来的。(5) ,无须组装3D打印能使部件一体化成型。传统的大规模生产建立在组装线基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后由机器
7、人或工人(甚至跨洲)组装。产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套钱链，不需要组装。省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短，污染也越少。(6) .设计概念拓广传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的车床只能制造中心回转物品，轧机只能加工用铳刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。(7) .技术要求低传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技
8、能的要求，然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3D打印机从设计文件里获得各种指示，做同样匏杂的物品，3D打印机所需要的操作技能比注塑机少。非技能制造开辟了新的商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。(8) .材料组合简易对当今的制造机器而言，将不同原材料结合成单一产品是件难事，因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。随着多材料3D打印技术的发展，我们有能力将不同原材料融合在一起。以前无法混合的原料混合后将形成新的材料，这些材料色调种类繁多，具有独特的属性或功能。2.3.3D打印相比于传统加工的劣势(1).材料限制虽然
9、高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但目前无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，现在的打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持我们在日常生活中所接触到的各种各样的材料。尺寸限制由于受3D打印机的限制，3D打印通常无法实现尺寸很大的零件的生产，而只是等比例缩放生产，实现示意性、产品可视化的目的，而无法生产批量投产的零件。.质量差，稳定性低目前普遍采用的材料是塑料，而这种材料本身强度低，承载能力差，稳定性低，难以满足工业应用要求，很大程度上限制了3D打印在工业生产中的应用。3.实物分析3.L实物介绍我们小组做的是飞机的脚撑和防护网，其主要结构可看成圆盘底座上添加一个圆柱，其他结构
10、包括孔、槽我们采用了两种加工方式：激光烧结、注塑成型。其中激光烧结属于3D打印的一种方式，属于增材制造；而注塑成型则类似于铸造，属于成型制。图3.1”是三维建模效果图，图3.L2是加工成品效果图。(a)激光烧结3D模型(b)注塑加工模型图3.1-1三维建模效果图(a)(b)(a)激光烧结3D打印成品(b)注塑加工成品图3.12加工成品效果图3.2.激光烧结与注塑的比较.尺寸公差我们使用的3D打印方式为激光烧结,每层厚度为H)Hnl,实际测量工件精度也达到0.02Unb对于一般配合部位，基本可以忽略。注塑加工得到的工件精度明显较低，实际测量精度为0.1mm,在配合部分的设计时，必须考虑工艺带来的
11、误差。我们展示的工件底部轴的直径设计尺寸为14m,3D打印成品测量轴直径为14.00m,注塑加工直径为14.10mm。(2) .形位公差激光烧结成型的工件一致性较好，圆柱度非常高，一般小于0.02,但注塑成型的工件圆柱度较差，很难加工出标准的圆柱，只能做成锥度较小的圆锥，圆柱度约为0.Inun。3D打印的同轴度也明显好于注塑工件。以底部轴为例，3D打印成品各部位直径均为14.OOmrn,注塑加工顶部直径为14.04mm,根部直径为14.16mmo(3) .表面质量注塑加工的工件表面质量比较一致，比较粗糙，表面光泽不足，四个方孔内壁面有大量麻点、凹痕、气泡，底部有飞边。3D打印的材料分为两部分，
12、与支撑材料直接接触的部分比较粗糙，呈非常规则的条纹状，其他表面非常光亮，但也有轻微的条纹感。(4) .工件形状注塑加工类似于铸造，需要适合模具的设计。3D打印理论上可以加工出任何形状的零件,但实际需要考虑支撑材料的安放，不适合制造空心零件，一般考虑到节约材料，也不用于制造形状复杂的零件。因此在3D打印时，我们没有加工出整个零件，只截取了一小部分，否则需要大量的支撑材料（打印当前模型消耗成型材料21g,支撑材料3g,打印完整模型需要成型材料85g,支撑材料180g）。表3.2.4-1材料耗费对比成型材料（g）支撑材料（g）当前模型213完整模型85180(5) .原因分析.尺寸公差和形位公差注塑
13、类似于铸造，所以我们利用热加工相关知识对注塑尺寸公差和形位公差进行了分析：（1）注射压力对收缩率有很大的影响，当压力不够时，制品会有一定收缩，导致尺寸上的精度不够。一般情况下，压力越大，越有利于提高材料的充型能力，减小收缩率。但大多数情况下，还是很难避免材料收缩的问题。（2）注塑过程中，由于材料凝固的顺序不易精准控制，从而导致材料的收缩无法精确控制。导致注塑件的尺寸误差会偏大。（3）注塑工艺使用的模具同样会带来很大的尺寸误差，由于模具本身的尺寸误差，或者模具的强度或刚度问题，都会给注塑件的尺寸带来较大的误差。（4）液态注入液的温度对其收缩率和粘性都有影响，这会很大的影响其充型能力，会对尺寸有直
14、接的影响。激光烧结（3D打印）：3D打印过程中，材料是一层一层，有序的叠加起来的。同时，压力，温度，粘性和凝固顺序的影响基本没有。所以，3D打印在精度上是明显优于注塑的。（2） ,表面质量注塑类似于铸造，所以我们利用热加工相关知识对注塑缺陷进行了分析：L麻点、凹痕、气泡：注塑材料中含有水分及过多挥发物，模具温度过高以及排气不畅都可能造成这类缺陷；2 .飞边：由于注塑需要采用注塑模，当模具存在分模面的时候，就不可避免的会存在配合公差，从而导致注塑后飞边的产生。同时，当材料塑性流动性太好以及注射压力过大时，这类缺陷也容易产生；3 .表面光泽不足：高温使塑料、颜料分解变质，失去表面光泽。激光烧结由于
15、不采用模具，从而避免了出现由于模具高温导致的麻点、凹痕、气泡等缺陷，同时也避免了由于分模面配合精度不高导致的飞边缺陷。由于激光光束集中和穿透能力小，并且加工速度快，所以不会引起材料局部温度过高导致表面光泽不足。但由于与激光烧结采用逐层扫描加工的方式，所以在其支撑面上会出现很明显的条纹，增大了支撑面的表面粗糙度，但这并不影响零件的配合精度，所以可以忽略该点。（3） .工件形状我们本次做的零件其基本形状是圆盘和圆柱，如果忽略其他结构，我们完全可以用车床加工这样的一个中心回转体，只需要用到车端面和车外圆这两个步骤。但即便如此，我们还是可以看到，由于圆盘和圆柱直径相差较大，所以如果采用同一根棒料车削会
16、导致很多材料的浪费，材料去除率过高。如果分别加工圆柱和圆盘，再将二者焊接起来，不仅会增添多步工序，还会导致二者的同轴度产生很大误差。当考虑到其它结构（如：圆柱开四分度的圆槽、圆盘上开方孔和圆孔）的时候，更是无法用车床加工。当加工圆柱内圆孔时，可以采用周铳的方式，但该方式难以保证孔和圆柱的同轴度，并且加工速度较慢，耗费时间较长。若采用钻孔的方式，则无法实现底面平直，并且钻孔的质量是很差的（四差一大）。综上，该结构的加工采用传统的机械加工方式是无法实现的，只能采用注塑等成型制造以及3D打印等增材制造。而后两者相比而言，由于不需要模具，使得产品生产具有很大的灵活性以及生产速度快，所以3D打印是很好的加工类似形状复杂、体积不是很大、材料刚度要求不是很高的产品的方式。参考文献：1 .卢秉恒，机械制造技术基础（第3版），机械工业出版社，2007；2 .陈健,3D打印的应用及发展,科学导报，2015.6；3 .丁槃辉，3D：打印改变世界的力量;.高礼成，浅谈3D打印与传统加工的那些事儿；
