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1、北京科技大學(xué)天津?qū)W院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題報(bào)告題目：金屬液滴成型與銑銷復(fù)合 3D打印機(jī)床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系：機(jī)械工程系班級(jí)：機(jī)械 1203 班姓名：魏浩然學(xué)號(hào)：12413336指導(dǎo)教師 1：黃明吉指導(dǎo)教師 2：20年月日目錄1文獻(xiàn)綜述31.1 本課題國外研究進(jìn)展 .31.2 本課題國內(nèi)研究進(jìn)展 .32課題背景及開展研究的意義32.1 課題背景 .42.2 開展研究的意義 .43研究內(nèi)容、方法及預(yù)期目的43.1 研究內(nèi)容 .53.2 研究方法 .53.3 預(yù)期目的 .64 進(jìn)度安排8參 考 文 獻(xiàn)9指導(dǎo)教師意見101 文獻(xiàn)綜述1.1 本課題國外研究進(jìn)展日前，歐洲空間局（ ESA）的“以實(shí)現(xiàn)高技術(shù)金

2、屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)與零浪費(fèi)為目標(biāo)的增材制造項(xiàng)目”（ AMAZE）提出，將首次實(shí)現(xiàn) 3D打印金屬件的大規(guī)模生產(chǎn)。這些 3D 打印的金屬零部件可用于噴氣式飛機(jī)、航天器以及核聚變等項(xiàng)目。波音公司已經(jīng)利用三維打印技術(shù)制造了大約 300 種不同的飛機(jī)零部件，包括將冷空氣導(dǎo)入電子設(shè)備的形狀復(fù)雜導(dǎo)管。波音公司和霍尼韋爾正在研究利用 3D打印技術(shù)打印出機(jī)翼等更大型的產(chǎn)品?？湛驮?A380客艙里使用 3D打印的行李架，在“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)中也使用了 3D打印的空調(diào)系統(tǒng)?？湛凸咀罱岢??“透明飛機(jī)概念”計(jì)劃，制定了一張“路線圖”，從打印飛機(jī)的小部件開始，一步一步發(fā)展，最終在 2050 年左右用 3D打印機(jī)打印出整架

3、飛機(jī)。“概念飛機(jī)”本身有許多令人眼花繚亂的復(fù)雜系統(tǒng)，比如仿生的彎曲機(jī)身，能讓乘客看到周圍藍(lán)天白云的透明機(jī)殼等，采用傳統(tǒng)制造手段難以實(shí)現(xiàn)， 3D 打印或許是一條捷徑。1.2 本課題國內(nèi)研究進(jìn)展中國航天科技集團(tuán)公司六院 7103 廠自行研制的某型號(hào)軟管順利通過 2 萬次疲勞試驗(yàn)考核，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這意味著長期困擾一線職工的軟管工藝攻關(guān)項(xiàng)目獲得成功。這是該廠繼去年年底突破大直徑高溫合金筒體縫焊技術(shù)之后，再次突破小直徑大壁厚異件縫焊工藝，進(jìn)一步提升了發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝能力。北京航空航天大學(xué)同我國主要飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所等單位通過“產(chǎn)學(xué)研”緊密合作，瞄準(zhǔn)大型飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等國家重大戰(zhàn)略需求，歷經(jīng) 17

4、 年研究在國際上首次全面突破了鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工大型復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形工藝、成套裝備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，并已在飛機(jī)大型構(gòu)件生產(chǎn)中研發(fā)出五代、 10 余型裝備系統(tǒng)，已經(jīng)受近十年的工程實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)，使我國成為迄今為止唯一掌握大型整體鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)并成功實(shí)現(xiàn)裝機(jī)工程應(yīng)用的國家。2 課題背景及開展研究的意義2.1 背景3D打印聽起來新鮮，其實(shí)這項(xiàng)技術(shù)并不是什么新的技術(shù)，而是已經(jīng)發(fā)展了大約 30 年了的快速成型技術(shù)（ Rapid prototyping) 的一種，簡單地說，即設(shè)計(jì)人員通過計(jì)算機(jī)繪成的三維模型，或是以三維掃描儀對實(shí)物進(jìn)行三維建模，將這些數(shù)據(jù)輸入 3D打印機(jī)形成指令，使

5、用堆疊的方法使材料一層一層堆積起來并形成最終的成品。目前國內(nèi)有一些 3D打印的概念股，如中航重機(jī)，蘇大維格，南風(fēng)股票等，股價(jià)一直在飆升，這也多少與 3D打印的炒作和關(guān)注度提升有關(guān)。國內(nèi) 3D打印技術(shù)的應(yīng)用上至航空航天，下至個(gè)人愛好都有所應(yīng)用。北京航空航天大學(xué)的王華明教授因?yàn)檫\(yùn)用 3D打印技術(shù)打印飛機(jī)鈦合金部件并實(shí)際運(yùn)用而獲得國家科技發(fā)明一等獎(jiǎng)，幾千塊的桌面級(jí) 3D打印機(jī)也在淘寶上有售，只是所使用的材料為 ABS工程塑料或 PLA食物降解高分子材料，所成型的成品一般精度和粗糙度較差，成型體積有限，只能制作一些初級(jí)樣件。國外的 3D打印技術(shù)和市場較國內(nèi)成熟很多，主要技術(shù)來自美國、德國、日本和以色列

6、等國家，其中以美國的 3D Systems、Stratasys 和 Makerbot 等為代表的企業(yè)，引領(lǐng)著全球 3D打印行業(yè)的方向。2.2 研究意義3D打印技術(shù)相對傳統(tǒng)制造技術(shù)來講的確是一次重大的技術(shù)革命，用“顛覆”傳統(tǒng)制造技術(shù)來形容也不過分，能夠解決傳統(tǒng)制造所不能解決的技術(shù)難題，能夠?yàn)閭鹘y(tǒng)制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展注入新鮮動(dòng)力。但是，傳統(tǒng)制造業(yè)經(jīng)過了數(shù)千年的積累和發(fā)展，已經(jīng)在生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)技術(shù)、材料等方面非常成熟，并形成了配套完善、功能齊全、社會(huì)各界廣泛認(rèn)可的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。從 3D打印的技術(shù)原理來看，傳統(tǒng)制造方式不能生產(chǎn)的產(chǎn)品，利用 3D打印技術(shù)都可以輕松地打印出來。但是，傳統(tǒng)制造業(yè)所擅長的批量化規(guī)?；?/p>

7、生產(chǎn)、精益化生產(chǎn)，恰恰是 3D打印技術(shù)的短腿。比較來看， 3D打印技術(shù)擅長的解決個(gè)性化、復(fù)雜化、高難度的生產(chǎn)技術(shù)，而傳統(tǒng)制造業(yè)則擅長的是批量化和規(guī)?；１舜酥g優(yōu)劣態(tài)勢正好形成互補(bǔ)關(guān)系，而不是誰替代誰的問題。因此， 3D打印技術(shù)本身不是要取代傳統(tǒng)制造業(yè)，也不能取代傳統(tǒng)制造業(yè)。3 研究內(nèi)容、方法及預(yù)期目的3.1 研究內(nèi)容3D打印技術(shù)是指由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型(CAD)直接驅(qū)動(dòng)的，運(yùn)用金屬、塑料、陶瓷、樹脂、蠟、紙、砂等材料，在快速成形設(shè)備里分層制造任何復(fù)雜形狀的物理買體的技術(shù)?；玖鞒淌?，先用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)三維模型，然后把三維數(shù)字模型離散為面、線和點(diǎn)，再通過 3D打印設(shè)備分層堆積，最后變成一個(gè)三維

8、的買物。傳統(tǒng)制造技術(shù)是“減材制造技術(shù)”， 3D打印則是“增材制造技術(shù)”，具有制造成本低、生產(chǎn)周期短等明顯優(yōu)勢，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”。 3D 打印將多維制造變成簡單的由下而上的二維疊加，從而大大降低了設(shè)計(jì)與制造的復(fù)雜度。同時(shí)， 3D 打印還可以制造傳統(tǒng)方式無法加工的奇異結(jié)構(gòu)，尤其適合動(dòng)力設(shè)備、航空航天、汽車等高端產(chǎn)品上的關(guān)鍵零部件的制造。3.2 研究方法選區(qū)激光熔化技術(shù) （Selective Laser Melting，SLM）: SLM 技術(shù)成型原理與選區(qū)激光燒結(jié) （SLS）基本相同，作為金屬零件 3D打印技術(shù)的重要組成部分，兩者都可以直接進(jìn)行金屬零件直接制造，不需要后

9、處理。 SLM成型材料多為單一組分金屬粉末，包括奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鈦基合金、鈷 - 鉻合金和貴重金屬等。激光束快速熔化金屬粉末并獲得連續(xù)的熔道，可以直接獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結(jié)合、高精度的近乎致密金屬零件，是極具發(fā)展前景的金屬零件3D打印技術(shù)。其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到航空航天、微電子、醫(yī)療、珠寶首飾等行業(yè)。激光凈成形技術(shù)（ Laser Engineered Net Shaping，LENS） : LENS 技術(shù)是在激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種金屬零件3D打印技術(shù)。采用中、大功率激光熔化同步供給的金屬粉末，按照預(yù)設(shè)軌跡逐層沉積在基板上，最終形成金屬零件。1999 年，LENS工藝

10、獲得了美國工業(yè)界中“最富創(chuàng)造力的25 項(xiàng)技術(shù)”之一的稱號(hào)。電子束選區(qū)熔化技術(shù)（ Electron Beam Selective Melting，EBSM）:EBSM技術(shù)是20 世紀(jì) 90 年代發(fā)展起來的一種金屬零件 3D打印技術(shù)，其與 SLM系統(tǒng)的差別主要是熱源不同，在成型原理上基本相似。與以激光為能量源的金屬零件3D打印技術(shù)相比，EBSM工藝具有能量利用率高、無反射、功率密度高、聚焦方便等許多優(yōu)點(diǎn)。在目前3D打印技術(shù)的數(shù)十種方法中， EBSM技術(shù)因其能夠直接成型金屬零部件而受到人們的高度關(guān)注。國外對 EBM工藝?yán)碚撗芯肯鄬^早，瑞典的 Arcam AB公司研發(fā)了商品化的 EBSM設(shè)備 EBM

11、 S12系列，而國內(nèi)對 EBSM工藝的研究相對較晚。光固化立體造型技術(shù) (stereo lithography apparatus， SLA)SLA技術(shù)是用特定波長與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面順序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，再固化另一個(gè)層面。這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。 SLA是最早實(shí)用化的快速成形技術(shù)，采用液態(tài)光固化樹脂原料。 SLA技術(shù)主要用于制造多種模具、模型等；還可以在原料中通過加入其它成分，用 SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)！?SLA技術(shù)成形速度較快，精度較高，但由于樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會(huì)產(chǎn)生

12、應(yīng)力或引起形變。因此開發(fā)收縮小、固化快、強(qiáng)度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢。熔融沉積成型技術(shù) (fused deposition modeling, FDM) :FDM 技術(shù) 該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點(diǎn)合金絲）為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點(diǎn)高 1），在計(jì)算機(jī)的控制下，噴頭作 x-y 平面運(yùn)動(dòng)，將熔融的材料涂覆在工作臺(tái)上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進(jìn)行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。該技術(shù)污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。成形材料：固體絲狀工程塑料；制件性能相當(dāng)于工程塑料或蠟?zāi)＃恢饕糜谒芰霞?、鑄造用蠟?zāi)?、?/p>

13、件或模型。分層實(shí)體制造技術(shù) (laminated object manufacturing, LOM)又稱層疊法成形技術(shù) :LOM技術(shù)它以片材（如紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料）為原材料，其成形原理為激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的片材用激光切割出工件的內(nèi)外輪廓。切割完一層后，送料機(jī)構(gòu)將新的一層片材疊加上去，利用熱粘壓裝置將已切割層粘合在一起，然后再進(jìn)行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。 LOM常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結(jié)構(gòu)件或功能件。 LOM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。

14、缺點(diǎn)是前、后處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。成形材料主要是涂敷有熱敏膠的纖維紙；制件性能相當(dāng)于高級(jí)木材；主要用途是快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。3.3 預(yù)期目的在 3D打印技術(shù)可以打印假肢、汽車、飛機(jī)的今天，它還在創(chuàng)造無限的可能。首先 3D打印技術(shù)可以加工傳統(tǒng)方法難以制造的零件。過去傳統(tǒng)的制造方法就是一個(gè)毛坯，把不需要的地方切除掉，是多維加工的，或者采用模具，把金屬和塑料融化灌進(jìn)去得到這樣的零件，這樣對復(fù)雜的零部件來說加工起來非常困難。立體打印技術(shù)對于復(fù)雜零部件而言具有極大的優(yōu)勢，立體打印技術(shù)可以打印非常復(fù)雜的東西。其次實(shí)現(xiàn)了首件的凈型成形，這樣后期輔助加工量大大減小，避免了委外加

15、工的數(shù)據(jù)泄密和時(shí)間跨度，尤其適合一些高保密性的行業(yè)，如軍工、核電領(lǐng)域。再次由于制造準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間大幅減少，使得單件試制、小批量出產(chǎn)的周期和成本降低，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的出產(chǎn)。這些速度快、高易用性等優(yōu)勢使得 3D打印成為一種潮流，并且在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。如今 3D打印機(jī)已經(jīng)在建筑設(shè)計(jì)、醫(yī)療輔助、工業(yè)模型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、零配件、動(dòng)漫模型等領(lǐng)域都已經(jīng)有了一定程度的應(yīng)用。尤其在飛機(jī)、核電和火電等使用重型機(jī)械、高端精密機(jī)械的行業(yè)， 3D打印技術(shù)“打印”的產(chǎn)品是自然無縫連接的，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。事實(shí)上， 3D打印技術(shù)要成為主流的生產(chǎn)制造技術(shù)還尚需時(shí)日。3D

16、打印機(jī) 21 世紀(jì)初的實(shí)際使用仍屬于快速成型范疇，即為企業(yè)在生產(chǎn)正式的產(chǎn)品前提供產(chǎn)品原型的制造，業(yè)內(nèi)也將這類原型稱作手板。據(jù)統(tǒng)計(jì)，3D打印機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品中 80%依舊是產(chǎn)品原型，僅有 20%是最終產(chǎn)品。雖然 3D打印機(jī)技術(shù)在 21 世紀(jì)初已取得不小的進(jìn)步，比如材料增多、打印機(jī)和原材料價(jià)格逐漸下降，但在 2012 年左右，依舊是一項(xiàng)年輕的技術(shù)，在沒有變得更加成熟和廉價(jià)前，并不會(huì)被企業(yè)大規(guī)模采用。美國和歐洲在 3D打印技術(shù)的研發(fā)及推廣應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位。美國是全球 3D打印技術(shù)和應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者，歐洲十分重視對 3D打印技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用。除歐美外，其他國家也在不斷加強(qiáng) 3D打印技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用。澳大利亞

17、在 2013 年制定了金屬 3D打印技術(shù)路線；南非正在扶持基于激光的大型 3D打印機(jī)器的開發(fā)；日本著力推動(dòng) 3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用；中國 3D打印設(shè)計(jì)服務(wù)市場快速增長，已有幾家企業(yè)利用 3D打印制造技術(shù)生產(chǎn)設(shè)備和提供服務(wù)。3D打印在中國還處于初級(jí)階段，從整個(gè)產(chǎn)業(yè)角度來看，由于缺少龍頭企業(yè)的帶動(dòng)作用，政府暫時(shí)缺少針對性的扶植措施，整體產(chǎn)業(yè)體量還較??；另一方面中國制造業(yè)還處于粗放形式，各個(gè)環(huán)節(jié)對 3D打印技術(shù)帶來的沖擊認(rèn)識(shí)還不足，接受度較低。從發(fā)展情況來看， 3D打印至 2013年為止仍停留在“高級(jí)玩具”階段，并沒有實(shí)現(xiàn)成熟的產(chǎn)業(yè)化。但是，各個(gè)區(qū)域都非常認(rèn)可 3D打印技術(shù)可能帶來的改變，這些改變將

18、如何影響現(xiàn)有生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)模式是值得關(guān)注的問題。國內(nèi) 3D打印主要有清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高校教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)。在他們的引領(lǐng)下，中國3D打印取得了一定的成效，不少 3D打印聯(lián)盟相繼成立， 3D打印企業(yè)也層出不窮， 3D打印也能打印出無人駕駛小型飛機(jī)、文物、小零件、食物、自行車、小建筑等，令人耳目一新。4 進(jìn)度安排第一學(xué)期：1、 第 11-14 周：查閱文獻(xiàn)資料，選題；2、 第 15-16 周：完成開題報(bào)告；第二學(xué)期：1、 第 2-4 周： 方案的參數(shù)計(jì)算，總裝圖設(shè)計(jì)；2、 第 5 周： 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，中期報(bào)告；3、 第 6-11 周： 機(jī)構(gòu)設(shè)

19、計(jì)計(jì)算及零部件設(shè)計(jì)；4、 第 12-14 周：撰寫論文；5、 第 15-16 周： 答辯參考文獻(xiàn)1 2017年 3D打印機(jī)將崛起市值有望50 億美元中國3D打印產(chǎn)業(yè)網(wǎng) 2013-03-2423D 技術(shù)打印小飛機(jī)國內(nèi)打印技術(shù)發(fā)展迅猛飛行網(wǎng)33D 打印產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心將在 10 個(gè)工業(yè)城市集中建設(shè)產(chǎn)業(yè)洞察網(wǎng)4 產(chǎn)業(yè)洞察研究中國 3D打印機(jī)市場銷售前景：產(chǎn)業(yè)洞察研究， 201353D 打印第一顆人類心臟心臟樣本由塑料制成Autodesk 中文站63D打印技術(shù)、打印材料成發(fā)展難題中國 3D打印產(chǎn)業(yè)網(wǎng) 2013-04-2273D逆向工程技術(shù)許智欽孫長庫中國計(jì)量出版社8CATIA 制作范例張文獎(jiǎng)林長青機(jī)械工業(yè)出版社指導(dǎo)教師意見指導(dǎo)教師1：年月日指導(dǎo)教師2：年月日