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3D打印技术专业建设方案

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2020年4月19日
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3D打印技术方向筹建方案
一、背景
3D打印（学术上称增材制造、快速成形、快速制造等）技术高度融合数字化设计与数字化制造，是一项被看作有望引领“第三次工业革命”的先进制造技术。该技术改变了传统制造工艺对材料的利用方式，特别适合用于航空航天、武器装备、创意产品开发阶段的复杂结构的快速验证，在缩短开发周期和降低成本方面优势明显，是实现自主创新的有力技术手段。
美国等西方发达国家非常重视此技术， 3月9日美国总统奥巴马将3D打印制造技术列为美国15个制造业创新中心之一，并作为首个样板示范中心于 8月16日成立，奥巴马总统亲自出席了剪彩仪式。中国亦不例外，如北京、西安、上海、江苏、广东、山东、四川、安徽、黑龙江等省市已或准备投入人力和物力加大3D打印技术的研发与产业化。
中国是制造大国，但还不是制造强国。大部分制造领域依靠低成本人力与国外同行抗争，必须寻找持续发展的技术制高点。因此，中国已经从国家层面制定了3D打印的技术发展路线图，相关专项也将陆续实施，正面临快速发展的大好时机！在这种大的背景下，在学校建立3D打印技术方向或学科，培养3D打印技术相关的人才是大势所趋。
1、3D打印的原理和优势
3D打印技术是近30年来全球先进制造领域兴起的一项集光/机/电、计算机及新材料等学科于一体的先进制造技术。与切削等材料“去除法”不同，该技术经过将粉末、液体及片状等离散材料逐层堆积，“自然生长”成三维实体。
与其它制造技术相比，3D打印技术具有如下突出优点：
（1）3D打印是传统制造工艺的深刻变革。理论上，只要在计算机上设计出结构模型，就能够在无需刀具、模具及复杂工艺条件下快速地将“设计”变为“实物”。不但在节省材料方面具有突出优势，还可加工传统方法难加工甚至是无法加工的复杂结构，特别适合于航空航天发动机空心叶片（图1a）、随形冷却模具（图1b）及个性化骨骼植入体（图1c）等批量小、结构复杂零件的快速制造，符合现代和未来制造业的发展趋势。

（a） （b） （c）
图1 复杂结构零件：（a）空心叶片；（b）具有内部随形冷却水道的模具；
（c）个性化结构钛合金骨骼植入体

（2）3D打印是制造技术的重大飞跃。相比机加工、铸锻焊等传统工艺，3D打印是一种新兴的高科技技术，综合应用了CAD/CAM、激光、光化学以及材料科学等诸多技术。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”。另外，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。
（3）3D打印是制造模式的一次“革命”。3D打印作为一种新工艺，将改变第二次工业革命产生的以“装配生产线”为代表的大规模生产方式，使批量生产向个性化、定制化转变，实现生产方式的变革。该技术的应用将有效减少产品推向市场的时间。用户获得产品设计图后可在数小时内将产品“打印”出来，不需要大规模生产线，不需要库存大量零部件，也不需要大量的设计和生产工人，改变了传统制造模式。

2、常见的3D打印技术
(1)熔积成型法（FDM——Fused Deposition Modeling）
该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高 1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。该方法污染小，材料能够回收，主要用于中、小型工件的成形。
(2) 光固化立体造型(SLA-Stereolithography)
将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态光敏树脂逐点扫描,被扫描的树脂薄层产生光聚合反应固化形成零件的一个截面, 再敷上一层新的液态树脂进行扫描加工,如此重复直到整个原型制造完毕。这种方法的特点是精度高、表面质量好,能制造形状复杂、特别精细的零件,不足是设备和材料昂贵,制造过程中需要设计支撑。
(3) 选择性激光烧结(SLS -Se1ected Laser Sintering)
SLS是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。SLS 最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能形成原子间粘结的粉末材料均可作为其成型材料。当前，可成功进行SLS 成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS 成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS 无需设计和制造复杂的支撑系统，因此其应用越来越广泛。

3、3D打印的应用
不断提高3D打印技术的应用水平是推动3D打印技术技术发展的重要方面。当前，3D打印技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。而且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。3D打印技术的实际应用主要集中在以下几个方面：
(1)在新产品造型设计过程中的应用3D打印技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用3D打印技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型(样件)，这不但缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。
(2)在机械制造领域的应用由于3D打印技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用RP技术直接进行成型，成本低，周期短。
(3)快速模具制造传统的模具生产时间长，成本高。将3D打印技术与传统的模具制造技术相结合，能够大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。3D打印技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用激光快速成型技术直接堆积制造出模具，间接制模是先制出3D打印零件，再由零件复制得到所需要的模具。
(4)在医学领域的应用近几年来，人们对3D打印技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础，利用激光快速成型技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。
(5)在文化艺术领域的应用在文化艺术领域，3D打印制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。
(6)在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性，采用激光快速成型技术，根据CAD模型，由3D打印设备自动完成实体模型，能够很好的保证模型质量。
(7)在家电行业的应用当前，3D打印系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用，使许多家电企业走在了国内前列。如：广东的美的、华宝、科龙；江苏的春兰、小天鹅；青岛的海尔等，都先后采用3D打印来开发新产品，收到了很好的效果。3D打印技术的应用很广泛，能够相信，随着3D打印技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。
二、实验室建设的原则和目标
1、原则
使学生理解3D打印的成型原理，了解相关技术类型和各类型特点，达到学生的实习要求，同时达到该专业学生从理论到实践衔接的目的，能体现出技工院校学生重技能、善实操的特点，突出技工院校的特色。
2、目标
适合社会发展和教学需要的实训场所。多功能、综合性、实用型实训基地。 经过3D打印实验室的学习与实践，掌握相关机械设备的使用、操作、维修、保养等相关知识，并能独立承担一些必备的维修任务及相关系统设备的调整方法。制造出一些简单工件。
三、3D打印技术体系
3D打印技术，是由计算机辅助设计（CAD）、逆向工程（Reverse Engineering，简称RE）、快速成形（Rapid Prototyping，简称RP）和快速制模（Rapid Tooling，简称RT）组成在信息互联网支持下，形成的一套快速制造系统的技术，其结构如图下图所示。

图2 产品的快速制造流程图

具体说明如下：
逆向工程 三维扫描系统采用双目立体视觉测量技术来采集数据，直接生成物体的三维造型，电脑的输出格式STL，IGES，ASCII，Binary文件，且具有在线、实时三维测量的潜力，特别适合于三维空间点位、尺寸或大型工件轮廓的检测。在教学过程中，学生能够开拓三维物体的空间想象能力，促进学生运用测量技术来采集数据增强三维造型的能力，并在编程，软件开发，软件应用等方面都有很大的学习空间。
快速成型 快速成型机是一台集机械，电子，计算机，材料于一体的高科技设备，在教学研究方面更有其它设备无可替代的优势，其中机械，电子控制，计算机软件，材料都能够进行专项研究，教学方面又能够让学生理论结合实际地进行学习。快速成形机有很高的生产价值，能够在几小时或几天内将三维CAD模型转变成实物原型，可用来进行外观评价和广泛征求各方面的意见。同时能够及时发现产品结构设计中存在的各种缺陷和错误，减少和避免由此造成的损失。可大大缩短新产品设计开发周期，提高开发的成功率。在快速制模，铸造等方面的应用起到了不可忽视的作用。
快速制模 在新产品试制过程中，利用快速成型技术加工原型件，经过真空注塑机制造硅橡胶模具，可用于试制少量新产品。其过程如下：原型经过表面处理，可作为硅橡胶模具的母样，在真空注型机中制成硅橡胶软模。用硅橡胶软模，在真空注型机中能够浇注出高分子材料制件，供新产品试制使用。
同时，拥有这三种技术可进行产品造型设计、 CAD 结构设计、快速原型制作、快速小批量塑料件等服务，来获得经济效益。

四、建设方案：
1、培养方案
在现有专业课程的基础上，删减部分课程，添加如下与3D打印技术相关的课程。
a、必修：
课程名称
教材
出版社
3D打印技术概论
《3D打印 打印未来》
中国科学技术出版社
三维测量技术和逆向设计
《逆向工程：原理、方法及应用》
机械工业出版社
快速成形与快速制模
《快速成形及快速制模》
《快速成形技术》
机电子工业出版社
华中科技大学出版社
3D打印技术实训
《面结构光三维测量技术》
《丝材熔融增材制造技术》
华中科技大学出版社
华中科技大学出版社
b、选修：
课程名称
教材
出版社
粉末激光融化增材制造技术
《粉末激光融化增材制造技术》
华中科技大学出版社
液体树脂光固化增材制造技术
《液体树脂光固化增材制造技术》
华中科技大学出版社
3D打印技术在创新设计中的应用
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2、成套教材
华中科技大学快速制造中心针对职业教育的需求，专门编写了增材制造系列教材，并能够帮助职业院校快速培养师资力量。

3、方案平台建设
3.1 购买低成本的可供学生操作的3D测量-3D打印成套设备2套（另加7套打印设备，每套1万元），学生可用此设备完整地学习3D测量、逆向设计和3D打印技术。
产品名称
3D测量-3D打印成套设备
（包括：面扫描三维测量设备和3D打印设备各一套）
产品型号
Power3D
供货商
武汉华中数控股份有限公司
单价
15万/套
数量
2套（面扫描三维测量设备2台和3D打印设备9台）
总价
30.0万（+7万）=37万

设备的具体情况如下：
（1）面扫描三维测量系统技术参数表

产品型号
PowerScan-II
单幅测量范围
（mm×mm）
200×160～400×320
（可调节）
摄像头分辨率
（pixels）
131万（1280×1024）

测量点距（mm）
0.156～0.313
单幅测量精度（mm）
±0.030
1米拼合精度（mm）
±0.048
单幅测量时间（s）
3
扫描方式
非接触式、可单双目自由切换
拼接方式
标志点自动拼接或转台自动拼接
彩色纹理
可获取物体表面的彩色纹理
可输出文件格式
ASC，PLY，AC等通用数据格式
（2）3D打印系统技术参数表

产品型号
PowerPrint
最大成形尺寸X轴
225mm
最大成形尺寸Y轴
145mm
最大成形尺寸Z轴
150mm
定位精度
X轴和Y轴+/- 0.01mm
打印速度
最大15cm3/小时
成型材料
ABS，PLA
材料颜色
红色，蓝色，绿色，白色，黑色，黄色

3.2 采购工业级高精度三维扫描仪一套，用于工业三维测量和精度检测服务。
产品名称
工业级高精度三维扫描仪
产品型号
PowerScan－IIS双目精密型
供货商
武汉华中数控股份有限公司
单价
18万/套
数量
1套
总价
18.0万

设备具体参数如下：

产品型号
PowerScan-IIS
双目精密型
单幅测量范围
（mm×mm）
100×80～400×320
（可调节）
摄像头分辨率
（pixels）
500万（2592×1944 ）
测量点距（mm）
0.039～0.154
单幅测量精度（mm）
±0.008
1米拼合精度（mm）
±0.030
单幅测量时间（s）
3
扫描方式
非接触式、可单双目自由切换
拼接方式
标志点自动拼接或转台自动拼接
彩色纹理
可获取物体表面的彩色纹理
可输出文件格式
ASC，PLY，AC等通用数据格式
3.3 数据管理系统
数据库集成管理系统，含有3D打印、三维扫描、逆向设计、三维检测等模块，能够对3D打印各个环节数据进行系统的管理，方便教学。
单价：人民币0.5万/套。（建议采购14套）。

以上合计采购额为：30+7+18+7=62万，为了体现我公司的支持，此方案给贵校合计价格为60万元人民币。

五、建议单位简介
1、华中科技大学快速制造中心简介
华中科技大学快速制造中心隶属于材料成形与模具技术国家重点实验室，长期从事3D打印技术和3D测量技术的研发，先后得到科技部、教育部、国家自然科学基金委员会、国家863高科技计划、湖北省科技厅和武汉市科委的支持，成功研制了系列3D打印装备和3D测量装备。
1991年，华中科技大学快速制造中心开始从事快速制造技术的创新性研发，1994年取得历史性突破，研制成功中国第一台薄材叠层激光快速制造装备，并实现了产业化生产。随后又研制成功了粉末材料激光快速制造装备和紫外光固化快速制造装备。这几种快速制造装备现已形成系列产品，使中国成为继美国、德国之后，独立自主掌握这一先进技术的国家。在粉末材料激光快速制造装备的大型化方面，走在美国、德国前列，其1.2米×1.2米工作面装备是投入实际应用的世界上最大的粉末材料激光快速制造装备。
3D测量技术是3D打印技术体系中的关键技术环节，能够用于3D打印前期的逆向设计和3D打印后期的精度检测。因此华中科技大学快速制造中心从 开始进行3D测量技术和装备的研发，经过解决多项核心关键技术，先后成功研发了HRE系列线激光3D测量装备、PowerScan系列面结构光3D测量装备、PowerMetric系列摄影测量装备、组合式大尺寸空间精密3D测量装备、动态物体3D测量装备和高温物体3D测量装备。上述多种3D测量装备除了与3D打印技术配套以外，也可独立应用于航空航天、能源电力、汽车等多个领域，市场前景广阔，当前已在国内外多家著名公司（包括：空客、GE、欧洲航天局、东安发动机、哈飞、哈尔滨汽轮机厂、中国一汽、东风康明斯等）得到长期稳定的应用，解决了大量复杂零部件的快速三维测量难题，提高了相关行业关键零部件的研发能力与制造水平。
近几年来，华中科技大学在3D打印和3D测量领域的研究成果引起国际上的高度关注，专门承担了中欧政府间的欧盟框架七项目，为空客和欧洲航天局提供飞机、卫星等大型复杂钛合金零部件的铸造蜡模制造服务和大型复杂制件的3D测量服务。
华中科技大学快速制造中心的技术团队实力雄厚，拥有教授、副教授、讲师等10余人，在读的博士研究生和硕士研究生100多人，在3D打印技术和3D测量技术方面取得了大量重要的科技成果，曾获国家创造二等奖和国家科技进步二等奖各1项，省部级科技进步一等奖2项，省部级二等奖3项；获国际创造展览会金奖1项，湖北省优秀专利奖1项。团队学术带头人史玉升教授当选“ 中国科学十大杰出创新人物”和“ 中国制造业10大创新人物”；负责研发的大型3D打印机被“两院”院士评选为 中国十大科技进展；负责的“先进成形技术与装备实验室” 被批准为湖北省发改委工程实验室；领导的研究团队入选 教育部创新团队；获 十佳全国优秀科技工作者提名奖。
公司当前产品有：PowerScan系列面扫描三维测量系统、PowerMetric摄影测量系统、PowerScan－X型手持蓝光面扫描三维测量系统以及专为教育领域开发的教学型3D测量＋3D打印成套系统。
其中教学型3D测量＋3D打印成套系统及3D打印专业建设方案得到了国务院副总理刘延东和教育部副部长鲁昕的高度肯定。