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深圳市时空探索科技有限公司. http://www.3dprint-made.com/. 2013年9月14号第一期3D打印机公开课 周健 2013年9月. http://www.3dprint-made.com/. 一、 3D打印机的 起源 二、 3D打印机原理和较为成熟的成型工艺 三 、 CAD软件和3D打印机控制软件 四、3D打印机型展示 五．开源3D打印机的主要组成部分. 目　录. http://www.3dprint-made.com/. 一、 3D打印机的 起源. http://www.3dprint-made.com/. 1、3D打印机发展史.

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  1. 深圳市时空探索科技有限公司 http://www.3dprint-made.com/

  2. 2013年9月14号第一期3D打印机公开课 周健 2013年9月 http://www.3dprint-made.com/

  3. 一、3D打印机的起源二、3D打印机原理和较为成熟的成型工艺三、CAD软件和3D打印机控制软件四、3D打印机型展示五．开源3D打印机的主要组成部分一、3D打印机的起源二、3D打印机原理和较为成熟的成型工艺三、CAD软件和3D打印机控制软件四、3D打印机型展示五．开源3D打印机的主要组成部分 目　录 http://www.3dprint-made.com/

  4. 一、3D打印机的起源 http://www.3dprint-made.com/

  5. 1、3D打印机发展史 1979年，东京大学的中川威雄教授利用分层技术制造了金属冲裁模、成形模和注塑模。 20世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的AlanJ. Hebert（1978年）、日本的小玉秀男（1980年）、美国UVP公司的Charles W. Hull（1982年）和日本的丸谷洋二（1983年），各自独立地首次提出了RP的概念，即利用连续层的选区固化制作三维实体的新思想。 Charles W. Hull在UVP的资助下，完成了第1个RP系统Stereo lithography Apparatus（SLA），并于1986年获得专利，这是RP发展的一个里程碑。随后许多快速成形概念、技术及相应的成形机也相继出现。 http://www.3dprint-made.com/

  6. 二、3D打印机原理和较为成熟的成型工艺 http://www.3dprint-made.com/

  7. 1、简介 • 3D打印机又称快速成型（Rapid Prototyping 简称RP）是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它将计算机辅助设计(CAD) 、计算机辅助制造(CAM) 、计算机数控技术(CNC) 、材料学和激光技术结合起来的综合性造型技术。可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。其基本过程是：首先设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型），然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形系统成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。 http://www.3dprint-made.com/

  8. 原理图 http://www.3dprint-made.com/

  9. 固化树脂 切割箔材 构造三维模型 烧结粉末 模型近似处理 切片处理 激光 喷射源 喷粘结剂 喷热熔材料 三维产品（样品/模具） 表面处理 成型过程 http://www.3dprint-made.com/

  10. 2、3D打印机目前较为成熟型成形工艺 • 目前快速成型技术的成型工艺方法有十几种,各种方法有自身的特点和实用范围。 • 比较成熟并已商品化的成型方法有： • （1）SLA (stereo lithography apparatus)光固化成型工艺 • （2）SLS (selected laser Sintering)选择激光性烧结工艺 • （3）LOM(laminated object manufacturing)薄材叠层制造工艺 • （4）3DP(three-dimensional printing)三维印刷工艺 • （5）FDM(fused deposition modeling)融熔沉积工艺 http://www.3dprint-made.com/

  11. （1）SLA • SLA工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长（325或355nm）和强度(w=10～400mw)的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应, 分子量急剧增大, 材料也就从液态转变成固态。液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下, 能在液态表面上扫描, 扫描的轨迹及激光的有无均由计算机控制, 光点扫描到的地方, 液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，液面始终处于激光的焦平 面，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕, 得到一个三维实体模型。 SLA工作原理图 http://www.3dprint-made.com/

  12. （1）SLA --成形材料：液态光敏树脂；--制件性能：相当于工程塑料或蜡模；--主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型 SLA 的优势 • (1). 光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺,成熟度高,经过时间的检验. • (2). 由CAD数字模型直接制成原型,加工速度快,产品生产周期短,无需切削工具与模具. • (3).可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具. • (4). 使CAD数字模型直观化,降低错误修复的成本. • (5). 为实验提供试样,可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核. • SLA 的缺憾 • (1). SLA系统造价高昂,使用和维护成本过高. • (2). SLA系统是要对液体进行操作的精密设备,对工作环境要求苛刻. • (3). 成型件多为树脂类,强度,刚度,耐热性有限,不利于长时间保存. • (4). 立体光固化成型技术被单一公司所垄断. http://www.3dprint-made.com/

  13. （2）SLS SLS工艺又称为选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成形。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。 SLS工作原理图 http://www.3dprint-made.com/

  14. （2）SLS • --成形材料：粉末；--制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型；--主要用途：样件或模型，金属件。 SLS优点； (1)可采用多种材料。(2)制造工艺比较简单。(3)高精度。依赖于使用的材料种类和粒径、产品的几何形状和复杂程度，该工艺一般能够达到工件整体范围内±(0.05～2.5)mm的公差。当粉末粒径为0.1mm以下时，成型后的原型精度可达±0.1mm。(4)材料利用率高，价格便宜，成本低。(5)无需支撑结构。 SLS缺点； （1）薄壁件的抗拉强度和弹性不够好；（2）易吸湿膨胀，成型后应尽快进行表面防潮处理；（3）件表面有台阶纹，其高度等于材料的厚度(通常为0.1mm左右) http://www.3dprint-made.com/

  15. （3）LOM LOM工艺称为分层实体制造，LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘接；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，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材(料带)分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。 LOM工作原理图 http://www.3dprint-made.com/

  16. （3）LOM • --成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸；--制件性能：相当于高级木材；--主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。 LOM优点: （1）制件精度高（<0.15mm）； （2）制作效率高,成本低： LOM缺点: （1）由于材料质地原因，加工的原型件抗拉性能和弹性不高； （2）易吸湿膨胀，需进行表面防潮处理； （3）薄壁件、细柱状件的废料剥离比较困难； （4）工件表面有台阶纹，需进行打磨处理。 http://www.3dprint-made.com/

  17. （4）3DP 3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。 3DP工作原理图 http://www.3dprint-made.com/

  18. （4）3DP --成形材料：粉末。--制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型；--主要用途：样件或模型，彩色件。 3DP优点 （1）速度快， （2）是和制造复杂形状的零件， （3）可用与制造复合材料或非均匀材料的零件， （4）可是和制造小批量零件， （5）可以在粘结剂中添加颜料，可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一。 3DP缺点： （1）成形件的强度较低，只能做概念型使用，而不能做功能性试验 （2）零件易变性甚至出现裂纹。 http://www.3dprint-made.com/

  19. （5）FDM 熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、PLA、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，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。 FDM工作原理图 http://www.3dprint-made.com/

  20. （5）FDM --成形材料：固体丝状工程塑料；--制件性能：相当于工程塑料或蜡模；--主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。 FDM优点： (1)由于热融挤压头系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。 (2)材料性能一直是FDM工艺的主要优点，其ABS原型强度可以达到注塑零件的三分之一。今年来又发展出PC，PC/ABS，PPSF等材料，强度已经接近或超过普通注塑零件。 (3)可以成型任意复杂程度的零件。 (4)原材料利用率高，且材料寿命长。 (5)支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易。 (6)多用于概念设计的三维打印机对原型精度和物理化学特性要求不高，便宜的价格是其能否推广开来的决定性因素。 FDM缺点： (1)成型件的表面有较明显的条纹。 (2)需要设计与制作支撑结构。 http://www.3dprint-made.com/

  21. 三．CAD软件和开源3D打印机分层软件 http://www.3dprint-made.com/

  22. 1．用CAD软件进行三维造型 （1）三维造型包括实体造型和曲面造型。利用各种三维CAD软件进行几何造型,得到零件的三维CAD数学模型，然后在转换为3D打印机分层软件可识别的格式文件，这是快速成型制造技术的重要组成部分，是获得初始信息的最常用方法，也是制造过程的第一步。 （2）目前较著名的CAD软件 系统主要有 AutoCAD， I— DEAS，Unigraphics（UG），solidworks，CATIA，CADKEY，Pro／Engineer，3dmax，等，其三维造型方式主要有实体造型和曲面造型，三维数据格式主要有IGES，DXF，VDA—FS，Uni— versallFiles等。目前许多CAD软件在目前系统中加入一些专用模块，将三维造型结果进行离散化，生成面片模型文件(STL文件、CFL文件等)或层片模型文件(LEAF文件、CLI文件、 HPGL文件等。 http://www.3dprint-made.com/

  23. 2．CAD软件输出STL文件 • (1).STL文件的起源 美国3D Systems公司于1987年制定了STL (STereoLithography)文件格式,它以小三角面片为基本单位,离散地近似描述三维实体模型的表面.STL 文件最初应用于3D打印机(Rapid Prototyping ,RP)领域 ,并迅速成为3D打印机领域事实上的工业标准。 • (2).打开PRO/E软件简单的演示。保存时注意参数的修改。 • (3).以圆柱型模型为例-附图。 • (4).STL下载网站http://www.thingiverse.com/。 http://www.3dprint-made.com/

  24. 3、其它CAD软件输出STL文件的方法。 http://www.3dprint-made.com/

  25. 3、其它CAD软件输出STL文件的方法。 http://www.3dprint-made.com/

  26. 4、开源3D打印分层软件--ReplicatorG。 （1）.ReplicatorG--3D打印机控制 软件的使用流程 。 （2）.打开STL模型 （3）.二摆放好 （4）.算法轨迹的算法引擎选择 （5）.三生成切片数据 （6）.生成完切片数据之后打印模型 http://www.3dprint-made.com/

  27. 5、3D打印分层软件分层算法。 Slic3r 和skeinforge是根据模型生成3d打印分层轨迹的算法引擎，是影响3d打印效果好坏主要因素，目前开源打印机软件主要使用这两种算法。 Slic3r 比Skeinforge算法生成的速度快，它还采用多线程并行计算。 Skeinforge的适合爱好者调节参数可玩性高。 http://www.3dprint-made.com/

  28. 6、开源3D打印分层软件--Repetier-Host。 （1）、Repetier-Host的使用 RH--在Windows版本的系统 安装时，要安装NET 3.5SP1 框架，不然软件安装完成后无 法打开。 （2）打印模型超过实际打印 尺寸时，软件会有提示。 http://www.3dprint-made.com/

  29. 7、开源3D打印分层软件--MakerWare。 （1）、MakerWare的使用 软件已经闭源，使用Slic3r 目前在个人桌面级打印机中， 打印的模型效果比较好。 （2）、可以打开 多个模型 （3）、在windows 8系统上使 用时不稳定。 http://www.3dprint-made.com/

  30. 四、3D打印机型展示 http://www.3dprint-made.com/

  31. 1. EDM 1650 （1）.美国Stratasys公司1999年发布 （2）.双挤出机 （3）.打印尺寸：300x220x180mm http://www.3dprint-made.com/

  32. 2. eden 250 （1）.以色列Objet公司2007发布 （2）.SHR(单体更换打印头),4组单元 （3）.打印尺寸：260x260x200mm http://www.3dprint-made.com/

  33. 3. EOSINT M280 （1）.德国EOS公司2008年发布 （2）.激光发射器类型 Yb-fibre 镱光纤激光发射器 200W或400W （3）.最大成型尺寸 250×250×325mm http://www.3dprint-made.com/

  34. 4.zprinter450 （1）.美国3D systems公司2010年发布 （2）.喷口数 604 （3）.最大成型尺寸 203×254×203mm http://www.3dprint-made.com/

  35. 5.Solido SD300 （1）.以色列Helisys2009年发布 （2）.打印使用工具，刻刀，工程塑料，胶水，解胶盒，解胶笔。 （3）.最大成型尺寸 210X160X135mm http://www.3dprint-made.com/

  36. 6.个人桌面级3D打印机 Makerbot Replicator 2 （1）.美国MakerBot公司2012年9月发布 （2）.单喷头。 （3）.最大成型尺寸：285x153x155mm http://www.3dprint-made.com/

  37. 7.个人桌面级3D打印机 UP plus! （1）.北京太尔时代公司2010年发布 （2）.单喷头。 （3）.最大成型尺寸：140x140x135mm http://www.3dprint-made.com/

  38. 8.开源3D打印机 Reprap Prusa i3 （1）2013 年prusa发布（机器全部开源） （2）单喷头（根据自己喜好也可以装双喷头） （3）最大成型尺寸：210x210x130mm http://www.3dprint-made.com/

  39. 五．开源3D打印机的主要组成部分 http://www.3dprint-made.com/

  40. 1、电子部分 开源打印机基本上都是基于一个开源硬件系统ardiuno开发的，cpu板是现成的，除此之外就是一些电机驱动，加热控制电路。这是一个开源的打印机控制板，ardiuno板， http://www.3dprint-made.com/

  41. 1、电子部分 （1）.主板、电机驱动板、温度控制板（如果采用热敏电阻测温一般不需要用到温控板）、加热管、热电偶（或者是热敏电阻）、热床等 （2）.硬件需要的firmware 大概要几十k的容量。 （3）.http://www.reprap.org/wiki/Firmware 有许多种开源固件可用，但是需要自己调整 http://www.3dprint-made.com/

  42. 2、机械部分 （1）.打印机的框架，不同机器可以用铝合金（如mendelmax）， 亚克力或者航空木板。 （2）.传动部分， 需要切割给定长度光杆（一般用8-12mm直径的），同步带（用的最多的是GT2，或者S2M） 同步轮， 丝杆（要求不高可以用螺杆代替），丝杆螺母，步进电机（一般用42电机，国外代号Nema17），联轴器（链接丝杆），根据轴的安装方式可以选择直线轴承，或者轴套。或者更进一步用直线导轨。还可能用到少量滚珠轴承。 （3）.挤出机，挤出机包括步进电机，冷却风扇，一个特定的驱动塑料丝的步进电机齿轮（这个没有金属加工能力的肯定得买）。加热端，包括一个加热块（用铝或者铜自己加工，工作温度200度～270度），电热管（也有用绕线电阻的，但肯定加热管功率大），挤出头,金属导管和打印部分结构件等等。 （4）.辅助零件，包括螺丝，垫片，螺母，弹簧，不同直径的尼龙管，硅胶管，各种胶带等。 http://www.3dprint-made.com/

  43. 附： 早期开源3D打印机打印实物 http://www.3dprint-made.com/

  44. 附： 目前开源3D打印机实物 http://www.3dprint-made.com/

  45. 谢谢！ http://www.3dprint-made.com/

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