本書以3D打印技術工藝為主線,系統(tǒng)探究3D打印技術的工藝原理及創(chuàng)新應用。本書介紹了3D打印技術的發(fā)展現(xiàn)狀、工程應用和工藝原理等,探討了熔融沉積成型工藝、光固化成型工藝、激光選區(qū)燒結工藝、三維立體打印工藝以及激光選區(qū)熔化工藝等3D打印技術工藝,并結合機電產(chǎn)品研發(fā)、教育機器人創(chuàng)新設計與研發(fā)的典型研發(fā)項目案例,系統(tǒng)總結了3D打印技術在新產(chǎn)品創(chuàng)新設計與研發(fā)中的應用。
3D打印技術最早稱為快速成形技術或快速原型制造技術,誕生于20世紀80年代后期,是在現(xiàn)代CAD/CAM技術、機械工程、分層制造技術、激光技術、計算機數(shù)控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術的基礎上集成發(fā)展起來的一種先進制造技術?梢宰詣印⒅苯、快速、精確地將設計思想轉變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵,從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段。
傳統(tǒng)制造技術是“減材制造技術”,3D打印則是“增材制造技術”,它具有數(shù)字制造、分層制造、堆積制造、直接制造、快速制造等明顯特點,被譽為“第三次工業(yè)革命最具標志性的生產(chǎn)工具”。3D打印技術內容涵蓋了產(chǎn)品生命周期前端的“快速原型”和全生產(chǎn)周期的“快速制造”相關的所有打印工藝、技術、設備類別和應用。
3D打印技術,屬于新一代綠色高端制造業(yè),與智能機器人、人工智能并稱為實現(xiàn)數(shù)字化制造的三大關鍵技術,這項技術及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展是全球正在興起新一輪數(shù)字化制造浪潮的重要基礎。加快3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展,有利于國家在全球科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)競爭中占領高地,進一步推動我國由“工業(yè)大國”向“工業(yè)強國”轉變,促進創(chuàng)新型國家建設,加快創(chuàng)造性人才培養(yǎng)。
目前,我國3D打印技術雖然取得了長足進展,與美歐等發(fā)達國家基本處于同一水平,甚至在金屬構件打印方面已經(jīng)超過美國。但與美國相比,我國對這項技術重視和規(guī)劃不夠。一是主導的技術標準、公共技術平臺尚未確立,缺乏產(chǎn)學研一體化機構,技術研發(fā)和推廣應用還處于無序狀態(tài);二是產(chǎn)業(yè)規(guī)模化程度低,產(chǎn)業(yè)鏈尚未有效形成,產(chǎn)業(yè)整合度較低;三是缺乏市場機制,技術進步主要在國家項目資助下開展,企業(yè)的主體作用不明顯;四是教育培訓和社會推廣乏力,3D打印相關課程尚未列入機械、材料、信息技術等工程學科的教學必修課程體系,企業(yè)對3D打印技術的前景認識不到位導致產(chǎn)業(yè)需求不足。
國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2015-2016年)明確指出組織實施學校增材制造技術普及工程。在學校配置增材制造設備及教學軟件,開設增材制造知識的教育培訓課程,培養(yǎng)學生創(chuàng)新設計的興趣、愛好、意識,在具備條件的企業(yè)設立增材制造實習基地,鼓勵開展教學實踐。依托已有的增材制造優(yōu)勢高校和科研機構,建立健全增材制造人才培養(yǎng)體系,積極開展高校教師的增材制造知識培訓,支持在有條件的高校設立增材制造課程、學科或專業(yè),鼓勵院校與企業(yè)聯(lián)合辦學或建立增材制造人才培訓基地。
為了滿足國內高校開設增材制造(3D打印)相關課程教學的實際需要,我們結合編者近年來的3D打印技術課程教學改革和科研實踐,組織編寫了3D打印實用教程,本教材分為十章。第一章主要論述了3D打印技術的發(fā)展現(xiàn)狀和工程應用等;第二章主要介紹了3D打印技術的工藝及原理;第三章主要介紹了熔融沉積成型工藝;第四章介紹了光固化成型工藝;第五章介紹了激光選區(qū)燒結工藝;第六章介紹了三維立體打印工藝;第七章介紹了激光選區(qū)熔化工藝;第八章通過典型的創(chuàng)意產(chǎn)品研發(fā)項目,詳細闡述了創(chuàng)意產(chǎn)品創(chuàng)新設計與研發(fā)過程;第九章通過典型機電產(chǎn)品研發(fā)項目,詳細闡述了機電產(chǎn)品創(chuàng)新設計與研發(fā)過程;第十章通過典型的教育機器人研發(fā)項目,詳細闡述了教育機器人創(chuàng)新設計與研發(fā)過程;第十一章主要論述了3D打印技術的設計思維和工程應用;第十二章主要論述了基于3D打印技術的產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)。
本書既是作者五年3D打印技術理論研究與實踐探索相互融合的結晶,也是江西省“卓越工程師教育計劃”試點專業(yè)多年來人才培養(yǎng)模式改革成果總結,同時也是近年來基于3D打印技術培養(yǎng)一批創(chuàng)新研發(fā)型新產(chǎn)品研發(fā)工程師的實踐經(jīng)驗總結。
本書的特點主要體現(xiàn)在以下方面:
先進性。作者在3D打印技術掀起第三次工業(yè)革命的背景下,面向3D打印產(chǎn)品研發(fā)工程師的教育培養(yǎng),系統(tǒng)性地介紹了前沿性的3D打印工藝,并開拓性地提出3D打印新技術在創(chuàng)意產(chǎn)品、機器人產(chǎn)品和機電產(chǎn)品中的創(chuàng)新應用。
綜合性。本書研究的內容注重機械工程、工業(yè)設計、材料工程、增材制造等多學科知識與工程技術的交叉滲透,打破傳統(tǒng)專業(yè)門類對學生知識結構和能力體系的束縛,突破傳統(tǒng)學科、專業(yè)培養(yǎng)體系的樊籬,力求基于新產(chǎn)品研發(fā)的全生命周期理論和新產(chǎn)品研發(fā)模式,培養(yǎng)具有高創(chuàng)造性的3D打印產(chǎn)品研發(fā)工程師。
創(chuàng)造性。本書所涉及的多個新產(chǎn)品創(chuàng)新設計與研發(fā)工程案例,大都來源于工程實際,具有新穎性、獨特性和創(chuàng)造性,其中多項產(chǎn)品申請發(fā)明專利與實用新型專利,大部分目前已經(jīng)獲得國家知識產(chǎn)權局的專利授權。創(chuàng)造性運用3D打印技術開展多項新產(chǎn)品研發(fā)的工程創(chuàng)造實踐,重點培養(yǎng)工科學生的3D打印產(chǎn)品創(chuàng)新設計與研發(fā)能力。
借鑒性。本書所采用的3D打印產(chǎn)品創(chuàng)新設計與研發(fā)方法,是作者五年來在高等工程教育人才培養(yǎng)模式改革實踐中,不斷反思、總結、提煉和優(yōu)化的教育新結果,多年的工程教育改革實踐表明:3D打印技術、三維數(shù)字化技術和開源硬件技術的融合創(chuàng)新與創(chuàng)新應用,不僅激發(fā)了工科學生的學習興趣與創(chuàng)造熱情,而且大幅度提高了學生的工程實踐能力、數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)技術應用能力、產(chǎn)品創(chuàng)新設計與研發(fā)能力,并為制造業(yè)企業(yè)轉型升級的需要,培養(yǎng)了一批產(chǎn)品創(chuàng)新設計與研發(fā)人才。
參與本書編寫工作的主要有宜春學院陳鵬、桂林電子科技大學楊熊炎、南昌航空大學的熊博文、宜春幼兒師范高等?茖W校的劉仕昌、山東凱文科技職業(yè)學院李冰、湖南工業(yè)大學余江鴻和江西應用技術職業(yè)學院謝穎等高校教師。
本書寫作過程中,得到了宜春學院的學生創(chuàng)客梅永亮、李云蘭、趙國建、王春喜、徐文超、劉文祥、吳楠、袁兆麟等的鼎力相助,梅永亮主持了彎管器的研發(fā)工作,李云蘭主持了教育機器人、扶手箱鉸接件的研發(fā)工作,趙國建、王春喜主持了創(chuàng)意筆筒的研發(fā)工作,吳楠、袁兆麟主持了組合筆筒的研發(fā)工作,劉文祥主持了微型硬幣快速清分機的研發(fā)工作。他們在作者的創(chuàng)客教育培養(yǎng)理念下不斷成長,在3D打印產(chǎn)品研發(fā)中集體表現(xiàn)出的開拓進取精神與創(chuàng)新實踐能力,讓身為創(chuàng)客導師的作者倍感欣慰,在此一并表示衷心的感謝,感謝他們在為新產(chǎn)品研發(fā)所付出的汗水與智慧,感謝他們讓作者的創(chuàng)客教育改革積累了寶貴的實踐經(jīng)驗,更感謝他們讓作者更加堅定了自己的創(chuàng)客教育理想。
在本書編寫過程中,參考了百度百科等網(wǎng)絡資源,同時還參考了美國MakerBot公司、北京太爾時代科技有限公司、陜西恒通智能機器有限公司、深圳維示泰克技術有限公司、磐紋科技(上海)有限公司、南京寶巖自動化有限公司等企業(yè)3D打印成型設備的技術資料,在此一并表示衷心的謝意。
本書力求嚴禁細致,然而,限于作者的水平以及新產(chǎn)品研發(fā)工作的復雜性、艱巨性和長期性,本書一定存在不少缺點和不足,期待能夠得到兄弟院校的同仁、企業(yè)和社會各界專家學者的批評指正。
陳鵬,江西余干人,宜春學院物理科學與工程技術學院副教授,長期從事產(chǎn)品創(chuàng)新設計、研發(fā)及教育教學工作。主持參與國家自然基金、江西省教育規(guī)劃項目、江西省社科規(guī)劃項目、江西省教學改革研究項目等各級項目10多項。
第1章 3D打印概述
1.1 3D打印技術與新工業(yè)革命
1.2 3D打印技術的發(fā)展現(xiàn)狀
1.3 3D打印技術的主要應用
1.3.1 3D打印技術應用領域
1.3.2 3D打印技術行業(yè)應用
第2章 3D打印技術的原理及工藝
2.1 3D打印技術的基本原理
2.2 3D打印技術的基本工藝
2.3 3D打印的工藝過程
第3章 熔融沉積成型工藝
3.1熔融沉積成型的原理和特點
3.2熔融沉積成型的工藝過程
3.3熔融沉積成型的材料和設備
3.3熔融沉積成型設備
3.4熔融沉積成型設備使用
3.4.1 UP PLUS2 3D打印機
3.4.2 MakerBot Replicator Z18 3D打印機
第4章 光固化成型工藝
4.1 光固化成型的原理和特點
4.2 光固化成型的工藝過程
4.3 光固化成型的材料和設備
4.4光固化成型設備使用 82
4.4.1 渦輪葉片的三維CAD建模
4.4.2產(chǎn)品三維模型的數(shù)據(jù)處理
4.4.3 渦輪葉片的快速成型制作
4.4.4 MPS280激光快速成型機操作規(guī)程
第5章 激光選區(qū)燒結工藝
5.1激光選區(qū)燒結工藝的原理和特點
5.2激光選區(qū)燒結工藝的工藝過程
5.3激光選區(qū)燒結工藝的設備和材料
5.4激光選區(qū)燒結工藝設備使用
5.4.1 Lasercore5300快速成型系統(tǒng)的特點
5.4.2 Lasercore5300快速成型系統(tǒng)的使用
第6章 三維立體打印工藝
6.1三維立體打印工藝的原理和特點
6.2三維立體打印工藝的設備
第7章 激光選區(qū)熔化工藝
7.1 激光選區(qū)熔化的原理和特點
7.2 激光選區(qū)熔化工藝材料
7.3 激光選區(qū)熔化工藝設備
7.4激光選區(qū)熔化設備的工程應用
7.4.1Dimetal-100 SLM成型設備的介紹
7.4.2 Dimetal-100 SLM成型設備的使用
第8章 3D打印創(chuàng)意產(chǎn)品設計與研發(fā)
8.1創(chuàng)意產(chǎn)品設計與研發(fā)
8.1.1 3D打印技術在創(chuàng)意設計中的價值
8.1.2 3D打印技術在產(chǎn)品創(chuàng)意中的應用
8.2 3D打印創(chuàng)意香臺的設計與開發(fā)
8.2.1 創(chuàng)意構思
8.2.2造型設計
8.2.3 3D打印制作
8.3 3D打印創(chuàng)意高跟鞋的設計與研發(fā)
8.3.1 創(chuàng)意構思
8.3.2造型設計
8.3.3 3D打印制作
8.3.4 模型修整
8.3.5 裝飾處理
8.4 3D打印創(chuàng)意組合筆筒的設計與研發(fā)
8.4.1 研發(fā)意義
8.4.2設計調研
8.4.3創(chuàng)意構思
8.4.4 三維建模
8.4.5 3D打印制作
第9章 3D打印機電產(chǎn)品研發(fā)的項目實踐
9.1 開源硬件
9.1.1開源硬件開發(fā)平臺
9.1.2開源硬件分析比較
9.2 Arduino
9.2.1 主控板
9.2.2 Arduino軟件
9.2.3 Arduino應用案例
9.3 3D打印微型硬幣清分機設計與研發(fā)
9.3.1 產(chǎn)品研發(fā)意義
9.3.2設計調研
9.3.3創(chuàng)意構思
9.3.4機械系統(tǒng)運動方案設計
9.3.5執(zhí)行機構的設計
9.3.6 三維建模
9.3.7控制系統(tǒng)設計
9.3.8 3D打印制作及樣機測試
第10章 3D 打印教育機器人設計與研發(fā)
10.1 教育機器人
10.1.1 教育機器人概況
10.1.2 教育機器人產(chǎn)品
10.2 3D打印兩足教育機器人設計與研發(fā)
10.2.1 產(chǎn)品研發(fā)意義
10.2.2設計調研
10.2.3創(chuàng)意構思
10.2.4設計方案
10.2.5 三維建模及運動仿真
10.2.6控制系統(tǒng)設計
10.2.6產(chǎn)品的3D打印制作及樣機測試
10.3 3D打印四足教育機器人設計與研發(fā)
10.3.1 研發(fā)意義
10.3.2設計調研
10.2.3創(chuàng)意構思
10.3.4設計方案
10.3.5 三維建模及運動仿真
10.3.6 模型渲染
10.3.7 控制系統(tǒng)設計
10.3.8打印制作及樣機測試
10.4 項目總結
第11章 3D打印技術的設計思維與工程應用
11.1 3D打印的設計思維
11.2 扶手箱鉸接件逆向設計與制作
11.2.1工程問題的提出
11.2.2 三維CAD建模
11.2.3 3D打印制作
11.2.4 安裝使用
11.3彎管器的設計與制作
11.3.1工程問題的提出
11.3.2 設計構思和三維建模
11.3.3 3D打印制作
11.3.4 產(chǎn)品裝配及應用
第12章 基于3D打印技術的產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)
12.1逆向工程技術
12.1.1 逆向工程技術概述
12.1.2 逆向工程技術應用領域
12.1.3 逆向工程的關鍵技術
12.1.4 逆向工程工程軟件
12.1.5 汽車逆向工程應用
11.2 產(chǎn)品快速設計與制造集成系統(tǒng)
11.2.1 RE/RP工藝流程
12.2.2 系統(tǒng)的基本結構及功能
12.2.3 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的構建
12.3 摩托車車身快速開發(fā)實例
12.3.1 摩托車車身快速開發(fā)流程
12.3.2 摩托車車身快速開發(fā)案例
參考文獻