材料成形与模具技术 国家重点实验室StateKeyLabrotoryofMaterialProcessingandDie&MouldTechnology3D打印技术及教学应用报告人：周钢湖北嘉一三维高科股份有限公司华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室湖北省3D打印产业技术创新战略联盟3D打印在创客教育中的作用及意义汇报内容汇报内容n3D打印技术在制造业中的地位n3D打印技术对制造业的意义n3D打印技术的发展趋势n3D打印技术在创客教育中的应用1.13D打印技术在制造业中的地位制造技术分类减材制造切削加工等切削机床粉、片、液、丝等增材制造制造装备？原理工艺设备方法论等材制造铸造、锻造等锻造机等3000年300年30年汇报内容汇报内容n3D打印技术在制造业中的地位n3D打印技术对制造业的意义n3D打印技术的发展趋势n3D打印技术在创客教育中的应用形状复杂性形状复杂性几乎任意复杂程度的形状特征几乎任意复杂程度的形状特征材料复杂性材料复杂性全彩色、异质材料、功能梯度材料全彩色、异质材料、功能梯度材料层次复杂性层次复杂性多尺度（宏、介、微观）工艺结构多尺度（宏、介、微观）工艺结构功能复杂性功能复杂性整体成形，简化甚至取消装配整体成形，简化甚至取消装配对各行各业必将带来深远影响整体成形，免装配整体成形，免装配复杂形状全彩色工艺品复杂形状全彩色工艺品彩色异质结构眼镜彩色异质结构眼镜2.12.13D3D打印技术突破了传统制造技术的打印技术突破了传统制造技术的4 4个复杂性个复杂性n拓展产品创意与创新空间：设计人员不再受传统工艺和制造资源约束，专注于产品形态创意和功能创新，在“设计即生产”、“设计即产品”理念下，追求“创造无极限”。在零部件的设计上可以采用最优的结构设计，无需考虑加工问题在零部件的设计上可以采用最优的结构设计，无需考虑加工问题，解决了传统的航空航天、船舶、汽车等动力装备高端复杂精细结构零部件的制造难题。2.23D2.23D打印技术为制造提供创新的原动力打印技术为制造提供创新的原动力n极大降低产品研发创新成本、缩短创新研发周期：由于简化或省略了工艺准备、试验等环节，产品数字化设计、制造、分析高度一体化，显著缩短新产品开发定型周期，降低成本，实现“今日完成设计，明天得到成品”。设计试验工艺准备制造缩短周期设计工艺准备制造六缸发动机缸盖传统砂型铸造工装模具设计制造周期长达5个月，3D打印只需一周便可制成。2.23D2.23D打印技术为制造提供创新的原动力打印技术为制造提供创新的原动力学生的创新设计不再是“纸上谈兵”3D打印出塑料和金属实物本科生课外创新设计大赛作品“液压回路演示系统”模型一周内2.23D2.23D打印技术为制造提供创新的原动力打印技术为制造提供创新的原动力n简化制造提高产品质量与性能据悉，一架“空客A380”飞机或“波音747”飞机，分别约有450多万个零部件，从理论上说，零部件越多越不安全，结合部往往就是隐患。3D打印技术的一个明显优势就是可以将多个零部件集合成一个整体制造出来，减少零部件的数量，不但大大简化了之后的装配工作，也是其安全性和可靠性随之提高。此此钛钛合合金金复复杂杂大大型型主主承承力力构构件件，传传统统制制造造方方式式需需要要分分体体制制造造，然然后后焊焊接接，而而使使用用激激光光3D打打印印整整体体可可实实现现成成形形，安全性和可靠性大大提高。安全性和可靠性大大提高。2.33D2.33D打印技术可提升制造的工艺能力打印技术可提升制造的工艺能力n能制造出传统工艺无法加工的零部件，极大增强了工艺实现能力3D打印突破了结构几何约束，能够制造出传统方法无法加工的非常规结构特征，这种工艺能力对于实现零部件轻量化、优化性能有极其重要的意义。航空发动机的复杂关键零部件2.33D2.33D打印技术可提升制造的工艺能力打印技术可提升制造的工艺能力n提高了难加工材料可加工性，拓展了工程应用领域整体式镍合金转子生物材料人体器官修复体高能束加工陶瓷、钛合金等传统难加工材料零件拓展了高性能材料的工程应用范围；采用金属/无机/有机生物材料制成的人体器官修复体等医用零部件则拓展了工业制品的应用范围。2.33D2.33D打印技术可提升制造的工艺能力打印技术可提升制造的工艺能力n3D打印制造技术促进绿色制造模式非接触和无压力成形、近净成形能耗低、节约材料、污染物排放少；利用3D打印实现大型复杂零部件的修复再制造，节约资源能源。2.43D2.43D打印技术实现制造的绿色可持续发展打印技术实现制造的绿色可持续发展关键创新思路：将零件内部设计为网状结构，替代实心，从而减少材料使用量，降低制造时间和能源消耗量。具有内部网状结构的钛合金发动机叶片材料使用量减少70%，选择性激光熔化（SLM）制造时间降低60%技术难点：（1）传统制造方法无法成形；（2）网状结构设计，优化性能。n3D打印制造技术促进绿色制造模式2.43D2.43D打印技术实现制造的绿色可持续发展打印技术实现制造的绿色可持续发展3D打印技术可优化零件设计p优化零件设计飞机客舱零件设计对比（a）（b）（c）不同制造方案材料、能耗、碳排放量对比2.43D2.43D打印技术实现制造的绿色可持续发展打印技术实现制造的绿色可持续发展n变革传统制造模式，形成新型制造体系：集成与融合材料制备、IT软件、设计技术、制造工艺、装备等，生产个性化、高性能、复杂零部件的3D打印制造系统全面变革产品研发、制造、服务模式。复杂零件复杂零件/ /高性能零件高性能零件/ /医用零件医用零件/ /生活用品生活用品功能结构设计功能结构设计反求设计反求设计分析仿真分析仿真设计方法设计方法光固化成形光固化成形激光烧结激光烧结熔融沉积成形熔融沉积成形制造工艺制造工艺合金材料合金材料/ /复合材料复合材料/ /纳米材料纳米材料/ /分子材料分子材料材料制备材料制备3D3D打印制造装备打印制造装备专业软件专业软件工艺装备工艺装备产品零部件产品零部件服务研发制造2.53D2.53D打印技术将催生新的制造模式打印技术将催生新的制造模式n支撑个性化定制等高级创新模式实现：3D打印使“按需而制”、“因人定制”和“泛在制造”等得以实现n催生专业化创新服务模式u催生提供产品快速制造相关服务的中小企业生产性服务模式，实现“聚合服务制造”u催生以创意与设计创新为主的创意产业2.53D2.53D打印技术将催生新的制造模式打印技术将催生新的制造模式随着3D打印技术的发展，已出现了社会制造模式雏形。Shapeways：该公司于2007年创立于荷兰，后将总部移至美国纽约市，至今获得了数千美元的风险投资。2012年10月，该公司在纽约皇后区的“未来工厂”投入运营。“未来工厂”里的机器，就是50台工业3D打印机，通过Facebook和Twitter等社会媒体，接受顾客的各种产品的三维设计方案，并在数天内完成产品的打印生产，然后寄送给客户。同时，该公司还为商家和设计者建立了平台，使他们可以再利用该公司的3D打印机生产并销售自己设计或收集的产品。目前该公司已有15万平台会员，6000余名设计师。至2012年6月20，已经打印了100多万3D产品。2.53D2.53D打印技术将催生新的制造模式打印技术将催生新的制造模式Quirky：该公司于2009年成立于美国纽约，至今已获得了近亿美金的风险投资，创始人BenKaufman仅25岁。Quirky的特色是众包：公司通过Facebook和Twitter等社会媒体接受公众的产品设计思路，并由公司注册的用户进行评价和投票，如此每周挑出一个产品进行3D打印生产，参与产品的设计和修正过程的众包人员可分享30%的营业额。公司还进一步将众包设计改进的过程同时转化为通过社会媒体来推荐相关产品的过程，从而创造性地拓展了销售市场。目前，该公司每年仅生产60种产品，产品的提交费由最初的99美元降至现在的10美元，公司注册的用户每月以20%增长。2.53D2.53D打印技术将催生新的制造模式打印技术将催生新的制造模式网友参与设计的个性化产品来源：Quirky公司来源：Shapeways公司2.53D2.53D打印技术将催生新的制造模式打印技术将催生新的制造模式汇报内容汇报内容n3D打印技术在制造业中的地位n3D打印技术对制造业的意义n3D打印技术的发展趋势n3D打印技术在创客教育中的应用单色多色、乃至表面纹理、全彩色Objet500connex3打印出的彩色异质结构眼镜ZPrinter850打印出的工艺品McorIRIS的彩色喷墨打印与LOM复合实现全彩色打印3.1由单色向全彩色方向发展单材料多材料和功能梯度材料ObjetConnex500打印出的由7种不同材料混合的小车模型德国斯图加特大学打印的功能梯度混凝土，其强度、导热系数、气密性都较传统工艺混凝土有了提高3.2由单材料向多材料和功能梯度材料方向发展宏观工艺结构多尺度工艺结构一体化具有内部微孔结构描述的三维模型控制温度等参数定向结晶组织控制10m微观结构3.3由宏观结构向多尺度结构一体化方向发展微结构用同一种材料，打印出不同弹性模量的组织结构p使用一种材料，实现毛绒玩具各部位不同的柔软度及触感（红硬、绿软）p用3D打印实现了“超材料（Metamaterial）”-以一种材料为基础制造的单元构造块，几乎可任意控制弹性模量（杨氏模量和泊松比）-迪士尼瑞士研究所3.4用同一种材料打印出不同弹性模量的结构纳米尺度的微观3D打印p原理：基于DNA结构稳定、易于排列的特点，建立“分子支架”和“纳米模具”，然后在此基础上将指定材料分子固定在上面，形成稳定的、纳米尺度的微观工艺结构。p实现方法：通过计算模型将纳米尺度的形状映射为特定的DNA序列，基于“DNA折纸”(DNAorigami)技术的方法，用DNA制造一些微小的二维结构，再以增材制造的原理拓展到三维空间形成三维结构。-MIT3.5纳米尺度的微观3D打印3.63D打印柔性光电器件u剑桥大学以石墨烯为材料，使用喷墨打印机，打印出透明薄膜晶体管。u美国施乐PARC 研发中心使用油墨喷射的方式，印制多种部件的电路，包括柔性显示屏、传感器和射频防盗标签天线。u美国Kateevas 公司喷墨打印屏幕u北卡州立大学研究一种液态金属打印技术u中科院理化所采用室温液态金属打印柔性电子电路柔性电路板及光电贺卡柔性电路板及光电贺卡液态金属液态金属3.7生命体的再造用用3D打印培育的人体血管系统打印培育的人体血管系统3D打印的迷肝脏打印的迷肝脏3D打印与材料基因工程p美国材料基因组计划（MaterialsGenomeInitiative，简称MGI）：本质在于通过促进材料科学中实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共享建立材料多尺度结构（从原子排列、相的形成、显微组织的形成）到材料性能与使用寿命之间的相互关系的数据库，并与计算材料设计结合起来，以期加快新材料研发速度知识库知识库材料设计材料设计服役行为服役行为工艺寻优工艺寻优成本控制成本控制材料制备材料制备性能表征性能表征材料制备材料制备性能表征性能表征3.83D打印指定结构和性能的材料-创材3.83D打印指定结构和性能的材料-创材3D打印与材料基因工程p基于前述的多尺度工艺结构3D打印技术，我们可以基于材料基础数据库“打印”出指定结构、性能的材料并构成预期的宏观形状！材料合成制备器件集成微观机制与结构-性能关系微结构表征性能测量多尺度材料模拟材料设计材料材料基础基础数据数据集成集成与知与知识库识库原子尺度介观尺度宏观尺度尺度问题光电材料热电材料储能节能材料铁电压电复合材料透明陶瓷器件设计结构功能一体结构设计力热稳定性系统集成服役失效机制工艺寻优多尺度3D打印与传统制造工艺复合日本松浦金属激光造型复合加工机LUMEXAdvance-25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DMGMori混合铣床Lasertec65AdditiveManufacturing激光三维打印精细化铣削加工3.93D打印与传统制造工艺复合走进医院、教育、千家万户 在不久的将来，平在不久的将来，平民化的价格和傻瓜式的民化的价格和傻瓜式的操作使每个人都能拥有操作使每个人都能拥有一台桌面型的一台桌面型的3D打印机，打印机，3D打印机会像智能手机打印机会像智能手机一样得到普及，足不出一样得到普及，足不出户就能在家中、在办公户就能在家中、在办公室中随心所欲打印自己室中随心所欲打印自己想要的模型。想要的模型。3.10走进医院、教育、千家万户，未来的家庭未来的家庭3.10走进医院、教育、千家万户，未来的工厂未来的工厂3.10走进医院、教育、千家万户，社会化制造3.11形成社会化制造汇报内容汇报内容n3D打印技术在制造业中的地位n3D打印技术对制造业的意义n3D打印技术的发展趋势n3D打印技术在创客教育中的应用4.13D4.13D打印在创客教育中的重要价值与意义打印在创客教育中的重要价值与意义n发达国家的3D打印技术早已进入教育领域。如美国几乎所有的大学、中学、小学都开设了3D打印创客课堂，通过3D打印技术的学习，对青少年进行创新意识、技术手段的培养，3D打印成为“美国智造”的有力手段。通通过过新新技技术术来来吸吸引引学学生生投投入入到到科科学学、技技术术、工工程程和和数数学学学学习习中中，成成为为新新一一代代高高级级设设计计师师和和工工程程师师，在在未来国家科技竞争中起到引领作用。未来国家科技竞争中起到引领作用。n每个孩子都是天生的创造者，都潜能无限，发展无限，自由的发现与创造是他们生命的需要。教育工作者要尊重每个学生的需求，尤其是在他们最有创造力的时候。n实现虚拟世界与实体世界的有机结合，3D打印进校园将使得学生在创新能力和动手实践能力上得到训练，将学生的创意、想象变为现实，将极大发展学生动手和动脑的能力，从而实现学校培养方式的变革。4.14.13D3D打印在创客教育中的重要价值与意义打印在创客教育中的重要价值与意义n在数学课上，打印出一个几何体的模型，便可以更直观地帮助学生了解几何内部各元素之间的联系，解析几何的学习将更轻松；n在美术课上，将平面设计的作品制作成3D版本的艺术品以及一些基本的模型，空间构图的思想更容易传达给学生；n在化学课上，老师可以将分子模型打印出来展示，更有利于学生理解化学反应的过程；n在生物课上，打印出细胞、病毒、器官和其他重要的生物样本，比起平面图要直观得多。4.14.13D3D打印在创客教育中的重要价值与意义打印在创客教育中的重要价值与意义青蛙解剖模型青蛙解剖模型DNA分子结构分子结构行星齿轮模型行星齿轮模型减速箱机构模型减速箱机构模型4.14.13D3D打印在创客教育中的重要价值与意义打印在创客教育中的重要价值与意义n3D打印创客课堂对青少年的影响：3D打印创客课堂可以给孩子的“学习方法”带来新的思考，让抽象的教学概念更加容易理解，可以激发孩子对科学、数学尤其是工程和设计创意的兴趣，带来实践与理论、知识与思维、现实与未来三方面的相互结合：1 1、3D打打印印让让孩孩子子的的想想象象更更容容易易变变成成现现实实，培培养养孩孩子子的的创创新新意意识识，鼓鼓励励孩孩子子的创新实践；的创新实践；2 2、学习应用简易建模软件，发展立体空间思维；、学习应用简易建模软件，发展立体空间思维；3 3、通过、通过3D打印实体的触觉过程，为孩子们建立一种新型的学习通道；打印实体的触觉过程，为孩子们建立一种新型的学习通道；4 4、选择贴近生活的建模主题，培养孩子解决生活实际问题的能力。、选择贴近生活的建模主题，培养孩子解决生活实际问题的能力。4.14.13D3D打印在创客教育中的重要价值与意义打印在创客教育中的重要价值与意义某3D打印少儿夏令营的孩子们的作品：一共45名孩子（最大的8岁，最小的刚满5岁），在老师的带领下，5个全天的制作，完成了国内乃至全球的第一幅3D打印动物园。每一个小动物、兽栏全部都是由3D打印机制作，大部分的兽栏设计完全出自孩子之手。4.14.13D3D打印在创客教育中的重要价值与意义打印在创客教育中的重要价值与意义4.24.2推广推广3D3D打印技术的基础和思路打印技术的基础和思路湖北具有良好的技术基础和实力：l湖北省暨武汉市，是我国3D打印技术研发和应用的发达地区。华中科技大学具有将近30年的研发历程；武汉市已成为我国3D打印技术研发、生产和应用的重镇之一。l经过多年发展和沉淀，湖北省的3D打印产业已具有承载3D打印技术研发和产业发展的良好基础。2015年3D打印产业的相关总产值已超过5亿元，拥有3D打印相关企业和研究机构40多家。l工业级3D打印装备具备国家先进水平，桌面型打印机在国内也占据了一席之地，3D应用更是发展迅速，在国内具有领先地位。产业主题正加速聚集，产业发展正迈入快车道。l在有关政府部门的热忱关心和大力支持下，由湖北省多家大学、企业和政府机构等联合成立了“湖北省3D打印产业技术创新战略联盟”。l联盟内单位优势互补、资源共享，提高联盟内各单位创新资源利用效率，带动应用示范，推动湖北3D打印产业的发展和3D打印技术的推广和应用。l推广3D打印技术进学校及教学应用，是湖北省联盟的重要工作之一。4.24.2推广推广3D3D打印打印技术技术的基础和思路的基础和思路l3D打印创客教学及课程体系的建设本科、高职、中学、小学多层次开展，针对不同需求和年龄段l多层次教材体系的建设l教师培训体系的建设l3D打印创客教育的科研工作l3D打印创客教育标准的研究l湖北省争取走在全国的前列，建立课程标准，普及3D教育4.24.2推广推广3D3D打印打印技术技术的基础和思路的基础和思路谢谢 谢谢 ！