西安交通大学：《康复工程导论》研究生课程教学课件（PPT讲稿）06 3D打印的原理与方法

学习要点3D打印技术定义与基本概念3D打印材料与生物3D打印工艺3D打印机的构成及工作原理逆向工程与有限元建模3D打印设计与制造3D打印在康复辅具领域中的应用

学习要点 ◆ 3D打印技术定义与基本概念 ◆ 3D打印材料与生物3D打印工艺 ◆ 3D打印机的构成及工作原理 ◆ 逆向工程与有限元建模 ◆ 3D打印设计与制造 ◆ 3D打印在康复辅具领域中的应用

西安交通大学大XIAN JIAOTONGUNIVERSITY3D打印技术的基本概念1896

3D打印技术的基本概念

西安交通大学大XIANJIAOTONGUNIVERSITY第三次工业革命重要标志《经济学人》杂志2012年刊文，“正如当初无人能预测1450年的印刷术、BD打1750年的蒸汽机、1950年的晶体管会带来何等影响，而今，我们仍然无法预测，3D打印将在漫长的时光里如何改变世界”飞机零件打印ME设美牛城工艺体艺复A道M优用全洋u，M生美大，选XD办净社实可认非风单效些非成孕幸所VaporNike首款3D打印鞋底

第三次工业革命重要标志 ◆《经济学人》杂志2012年刊文，“正 如当初无人能预测1450年的印刷术、 1750年的蒸汽机、1950年的晶体管会 带来何等影响，而今，我们仍然无法 预测，3D打印将在漫长的时光里如何 改变世界”

3D打印定义及发展制造技术分类数千年等材制造（铸造、锻压、焊接等）数百年减材制造（切削加工）30余年增材制造（快速成型）3D打印：狭义定义：类似传统打印机的增材制造加工设备(3Dprinter)广义定义：增材制造80年代：快速原型制造90年代：快速制造2012年：3D打印制造

3D打印定义及发展 ◆ 制造技术分类： ◆ 等材制造（铸造、锻压、焊接等） 数千年 ◆ 减材制造（切削加工） 数百年 ◆ 增材制造（快速成型） 30余年 ◆ 3D打印： ◆ 狭义定义：类似传统打印机的增材制造加工设备 （3D printer） ◆ 广义定义：增材制造 ◆ 80年代：快速原型制造 ◆ 90年代：快速制造 ◆ 2012年：3D打印制造

3D打印技术的特点与优势制造复杂物品不增加成本：可打印多种材料、任意形状、任意批量的产品，适用于各工业和生活领域，可以在车间、办公室及家里实现。支持产品快速开发：可以制造形状复杂的零件，直接由设计数据驱动，不需要传统制造必须生产准备，编程简单。无需组装：可将数十个、数百个基至更多零件组装的产品一体化一次制造，极大简化了制造工序，节约了制造和装配成本。如GE公司的飞机发动机喷嘴，将20个零件做成了1个零件，成本材料大幅减少，并节省燃油15%。节材制造：材料利用率接近100%。避免航空航天等大型复杂结构件采用传统切削加工时，95-97%的昂贵材料被切除。个性化制造：可实现快速、低成本单件制造，使单件制造成本接近批量制造，特别适合个性化医疗和高端医疗器械，如人工骨、手术模型、骨科导航模板等

3D打印技术的特点与优势 ◆ 制造复杂物品不增加成本：可打印多种材料、任意形状、任意批量的 产品，适用于各工业和生活领域，可以在车间、办公室及家里实现。 ◆ 支持产品快速开发：可以制造形状复杂的零件，直接由设计数据驱动， 不需要传统制造必须生产准备，编程简单。 ◆ 无需组装：可将数十个、数百个甚至更多零件组装的产品一体化一次 制造，极大简化了制造工序，节约了制造和装配成本。如GE公司的飞 机发动机喷嘴，将20个零件做成了1个零件，成本材料大幅减少，并 节省燃油15%。 ◆ 节材制造：材料利用率接近100%。避免航空航天等大型复杂结构件 采用传统切削加工时，95-97%的昂贵材料被切除。 ◆ 个性化制造：可实现快速、低成本单件制造，使单件制造成本接近批 量制造，特别适合个性化医疗和高端医疗器械，如人工骨、手术模型、 骨科导航模板等

（续）3D打印技木的特点与优势再制造优势：3D打印用于修复磨损零部件的再制造，如飞机发动机叶片、轧钢机轮等，以极少的代价，获得超值（如：军械、远洋轮、海洋钻井平台、空间站的现场制造）；开拓创新设计新空间：可制作传统制造技术无法实现的结构，为设计和创新提供广阔空间。对新工艺产品和装备再设计，是最大效益所在：引领生产模式变革：为可穿戴电子、家居用品、文化产业、服装设计等行业提供个性化定制生产模式（引领第三次工业革命）。创材：以3D打印设备作为材料基因组计划的研制验证平台，可按照材料基因组研制出超高强度、超高耐温、超高韧性、超高抗蚀、超高耐磨的各种优秀新材料。如，利用3D打印已制造出耐温3.315℃的高温合金，用于龙飞船2号，大幅度增强了飞船推力。创生：可用于组织支架制造、细胞打印等技术，实现生物活性器官制造，一定意义上创造了生命，为生命科学研究和人类健康服务

3D打印技术的特点与优势（续） ◆ 再制造优势：3D打印用于修复磨损零部件的再制造，如飞机发动机叶片、 轧钢机轧辊等，以极少的代价，获得超值（如：军械、远洋轮、海洋钻 井平台、空间站的现场制造）； ◆ 开拓创新设计新空间：可制作传统制造技术无法实现的结构，为设计和 创新提供广阔空间。对新工艺产品和装备再设计，是最大效益所在； ◆ 引领生产模式变革：为可穿戴电子、家居用品、文化产业、服装设计等 行业提供个性化定制生产模式（引领第三次工业革命）。 ◆ 创材：以3D打印设备作为材料基因组计划的研制验证平台，可按照材料 基因组研制出超高强度、超高耐温、超高韧性、超高抗蚀、超高耐磨的 各种优秀新材料。如，利用3D打印已制造出耐温3,315℃的高温合金，用 于龙飞船2号，大幅度增强了飞船推力。 ◆ 创生：可用于组织支架制造、细胞打印等技术，实现生物活性器官制造， 一定意义上创造了生命，为生命科学研究和人类健康服务

西安交通大学大XIAN JIAOTONGUNIVERSITY3D打印工艺流程ReplicatorG●原型数据获取·模型制作定向实体造型·分层处理·数据（STL）输出接口·加支撑成型零件CAD建模系统快速成型系统

3D打印工艺流程 ⚫原型数据获取 ⚫实体造型 ⚫数据（STL） 输出接口 ⚫模型制作定向 ⚫分层处理 ⚫加支撑 CAD建模系统 快速成型系统 成型零件

构造三维模型增材制造过程光固化快速成型一SLA工件剥离或模型近似处理去支撑等叠层实体制造一LOM选择性激光烧结一SLS强硬化处理成型方向选择熔融沉积制造一FDM表面处理切片处理*****后处理前处理分层叠加成型

构造三维模型 模型近似处理 成型方向选择 切片处理 光固化快速成型－SLA 叠层实体制造－LOM 选择性激光烧结－SLS 熔融沉积制造－FDM ＊＊＊＊＊ 工件剥离或 去支撑等 强硬化处理 表面处理 前处理 分层叠加成型 后处理 增材制造过程

光固化成型机西安交通大学在光固化成型技术、设备、材料等方面进行了大量的研究工作，推出了自行研制与开发的SPS、LPS、和CPS三种机型，每种机型有不同的规格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中SPS600和LPS600成型机如图所示。uUTGu西安交通大学SPS600成型机西安交通大学LPS600成型机

西安交通大学在光固化成型技术、设备、材料等方面进行了大量的研 究工作，推出了自行研制与开发的SPS、LPS、和CPS三种机型，每种机 型有不同的规格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中SPS600和 LPS600成型机如图所示。 西安交通大学SPS600成型机 西安交通大学LPS600成型机 光固化成型机

4D打印一一智能材料打印后的自组装4D打印记忆金属纤维复合材料：屏幕展开和加热后折叠成盒子形状智能材料打印的管道，在工作温度下变形，完全成形4D打印的缩成一团裙子，经光照后变形展开成裙装AdaptiveInfrastructure

◆ 4D打印记忆金属纤维复合材料；屏幕 展开和加热后折叠成盒子形状 ◆ 智能材料打印的管道，在工作温度下 变形，完全成形 ◆ 4D打印的缩成一团裙子，经光照后变 形展开成裙装 4D打印—智能材料打印后的自组装