AMiner 3D打印研究报告 CONTENT 目录 1 概述篇 2 技术篇 3 人才篇 4 应用篇 5 趋势篇 01 3D打印相关概念 3D打印(3D printing),即增材制造技术,是快速成型技术的一种。以计算机三维设计 模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉 末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积粘结,最终叠加成型,制造出实 01 体产品。 02 3D打印材料 概述篇 3D打印所使用的材料均针对3D打印设备专门研发,其形态为粉末状、丝状、层片状、液 体状等等,与普通材料有所区别。以粉末状打印材料为例,根据打印环境的不同,其粒径 一般为1-100μm不等,且一般要求粉末有高球形度。 03 3D打印机 3D打印可以简单地理解为“多层的二维打印”,3D打印机一般使用特制的材料,基于笛 卡尔机械坐标系,按照三维图纸,将其一层层喷涂或者熔结到三维空间中,从而制作出传 统制造工艺难以制作的高复杂度产品。 04 3D打印优缺点 优势:3D打印作为一种新型制造技术,突破了传统制造业技术的几个复杂性难题:形状复 杂性、材料复杂性、层次复杂性和功能复杂性。也能减少成本,加速由设计到实现的过程。 不足:现在受材料等因素的限制,3D打印产品的实用性仍存有疑问。同时也存在知识产权 与社会道德的问题。 3D打印相关概念 3D打印概述篇 3D打印(3D printing),即增材制造技术,是快速成型技术的一种。以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数 控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积粘结,最终叠加 成型,制造出实体产品。 1892年 1995年 2015年 多照相机实体雕塑 美国麻省理工学院MIT的 3D打印技术进一步推广开 (Photosculpture)的 Emanual Sachs教授发明了 来 。 专利被法国人 三维打印技术。 FranoisWil ème申请。 一项采用层合方法制作三维 3D打印在学术上首次实现 3D打印速度提升了一个阶 地图模型的专利技术在美国 成功尝试。 段,且可以使用部分生物材 登记。 料。 1860年 1993年 2009年 3D打印材料 3D打印概述篇 3D打印所使用的材料均针对3D打印设备专门研发,其形态为粉末状、丝状、层片状、液体状等等,与普通材料有所区别。 以粉末状打印材料为例,根据打印环境的不同,其粒径一般为1-100μm不等,且一般要求粉末有高球形度。 1 ABS塑料 2 PLA塑料 3 工程塑料 4 光敏树脂 5 橡胶类材料 6 金属材料 7 陶瓷材料 8 复合型石膏粉末 9 蓝蜡和红蜡 10 其他材料 3D打印机 3D打印概述篇 3D打印机主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统、计算机技术组成的机电一体化复杂系统。 概括来说,3D打印机的制造过程一般要经历三维建模、分层切割、打印喷涂和后期处理四个阶段 。 CAD软件基材 分割 喷头 3D虚拟模型 二维图形信息 三维模型 成品 后期处理 打印机机械结构 3D打印概述篇 打印机可以按照其机械结构分为Pursa-i3框架结构、箱体结构、Delta三角洲结构与其他结构。 Prusa i3框架结构打印机示意图 箱体结构3D打印机示意图 Delta三角洲打印机示意图 打印机工艺 3D打印概述篇 MJF(2014) MJF技术流程示意图 多射流熔融技术(Multi-Jet Fusion,简称MJF),特点是是利用两个单独的热喷墨阵列来制 造全彩3D物体的。 MJF3D打印工艺使用多种粘合剂和固化剂,使用多喷头革新了打印方式,可以实现丰富的 纹理细节,融合了以往3D打印技术高速度、高强度、高精度的特点。 打印机工艺 3D打印概述篇 CLIP(2015) 续液界面生产工艺(Continuous Liquid Interface Production,简称CLIP)工作原理是通过操纵光和氧 气,将液体媒介中的物体融合在一起,构造出物体的 3D模型。 CLIP通过使用激光矫正和氧气固化流程,把传统机械 的打印方法改变成可调谐的光化学过程,把层层叠加 变成一次成型,是一种颠覆性技术。 CLIP技术流程示意图 打印机工艺 3D打印概述篇 Nano Particle Jetting (2016) Nano Particle Jetting技术流程示意图 纳米金属射流(Nano Particle Jetting)使用的原材料是液态金属。作业开始时,打印机 会首先将大分子金属颗粒粉碎成纳米级技术颗粒。 纳米金属射流技术可以快速打印出金属部件,该技术具有将金属3D打印的速度和打印量都 提升了一个台阶,并且可以实现极高的精度和表面光洁度,真空环境操作简单安全,支撑 易拆除。但温度耐受能力较传统金属3D打印较低。 3D打印优缺点 3D打印概述篇 欧盟 形状复杂性 强度问题 材料复杂性 精度问题 层次复杂性 优势 不足 材料的局限 3D打印 功能复杂性 知识产权 减少成本 道德伦理 02 技术篇 1 切片算法 2 路径规划算法 3 几何优化问题 4 结构分析 5 材料表面效果 6 变形效果定制 7 机构设计 8 自支撑结构设计 结构分析 3D打印技术篇 应力消除 Ondrej Stava提出了应力消除的算法,依据原有模型创建 新模型,使其与原模型外观相同,同时提高其结构强度。 最不利荷载 Ondrej Stava应力消除算法示意图 对于应力消除的弊端,可以通过最不利荷载的算法来弥补, 该方案通过模态分析(Modal Analysis),计算输入模型 的各阶模态,对模型的每一阶模态,计算提取出相应的薄 弱区域 材料表面效果 3D打印技术篇 次表面散射效果定制(Subsurface Scattering) Hasan等人测量一组给定材料的次表面散射特性,采用双 向表面散射反射分布函数(Bidirectional Surface Scattering Reflectance Distributional Function, BSSRDF)描述其特征曲线; Weyrich微平面算法示意图 空间变化反射效果(Spatially varying reflectance) Microfacet理论基本假设是,表面是由很多微平面 (microfacet)组成,这些微平面都很小,无法单独看到; 并假设每个microfacet都是光学平滑的。 每个microfacet把一个入射方向的光反射到单独的一个出 微平面高度场算法示意图 射方向,这取决于microfacet的法向m。 变形效果定制 3D打印技术篇 不同材料的联合打印可以使我们能制造等复杂的物体,突 破单一材料的局限。Bickel等人研究了材料混合打印的问 题,即如何在微尺度上,根据基础材料的力学性能曲线, 打印出制定力学性能的多元材料混合体。 当前,多材料3D打印机在打印对象时需要指定对象内部的 每一个要素,如果还需要一定的功能或其他要求时,确定 体素的工作极其复杂,很难求解。因此,这一工作就需要 采用一定的简化来表示。为了实现这一目标,Chen等人采 用简化树(Reducer tree)方式。 材料赋值参数化流程图 机构设计 3D打印技术篇 积块式机构 积块式机构指由一些块状、片状或板状构件按一定要求组装 在一起,构件间互相咬合锁定,最终形成一个稳定的结构。 动态玩具机构 给定一个运动的输入,可以是一组动画曲线,也可以是一段 动画视频,系统会从预定义的部件库中选取合适的部件将其 组合,然后再优化这些部件的参数,使整个机构的运动输出 与所给运动输入保持一致。 关节机构 首先,将所给模型按一些要求分割为不同组成部分;然后将 分割后的模型用合适的关节拼接起来。两人在分割方法与关 节处理稍有不同。 Song基于连锁积木的拆分算法流程图 免组装机构 免组装机构是指在零件设计阶段将组成机构的各个零件组装 好,然后一次性直接制造出,免去后续组装工序的机构。 学者分布及迁徙 03 1 2 3 4 5 人才篇 学者分布图 学者统计图 h-index比例图 男女比例图 人才迁徙图 代表性研究学者 1 2 国外学者 国内学者 全球顶尖学者分布图 3D打印人才篇 AMiner基于3D打印领域三个最顶级国际期刊发表的学术论文,ACM T GRAPHIC,IEEE-ASME T MECH与J INTEL MAT SYST STR,进行统计。一篇论文如果有多个作者,则每个作者均统计一次,按照近五年(2014-2018)发文量,取发文量前 315的学者(发文数≥3),兼顾发文被引用量,进行分析 。 这里的学者分布以其所属机构与机构所属地区为依据,不考虑个人的国籍、使用语言与现居地。按大洲来分,北美以162人的 学者数位居第一,欧洲83人,亚洲69人,南美1人,其他三个大洲均无学者

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本文档由 浅笑、念伊人2019-07-19 10:45:59上传分享
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