3D打印技术专业建设方案

　D 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、迅速成形、迅速制造等）技术高度融合数字化设计和数字化制造，是一项被看作有望引领“第三次工业革命”优异制造技术。该技术改变了传统制造工艺对材料利用方法，特别适适用于航空航天、武器装备、创意产品开发阶段复杂结构迅速验证，在缩短开发周期和降低成本方面优势明显，是实现自主创新有力技术手段。

　美国等西方发达国家很重视此技术， 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 打印技术研发和产业化。

　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和国外同行抗争，必需寻求连续发展技术制高点。所以，中国已经从国家层面制订了3D 打印技术发展路线图，相关专项也将陆续实施，正面临迅速发展大好时机！在这种大背景下，在学校创建 3D 打印技术方向或学科，培养 3D 打印技术相关人才是大势所趋。

　1 1 、D 3D 打印 原理和优势 3D 打印技术是近 30 年来全球优异制造领域兴起一项集光/机/电、计算机及新材料等学科于一体优异制造技术。和切削等材料“去除法”差别，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。

　和其它制造技术相比，3D 打印技术含有以下突出优点：

　（1 1 ）D 3D 打印 是 传统 制造工艺深刻变革。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迅速地将“设计”变为“实物”。不仅在节省材料方面含有突出优势，还可加工传统方法难加工甚至是无法加工复杂结构，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、结构复杂零件迅速制造，符合现代和未来制造业发展趋势。

　（a a ）

　（b b ）

　（c c ）

　图 图 1

　复杂结构零件：（a a ）空心叶片；（b b ）含有内部随形冷却水道模具；

　（c c ）个性化结构钛合金骨骼植入体

　（2 2 ）D 3D 打印 是制造技术重大飞跃。相比机加工、铸锻焊等传统工艺，3D打印是一种新兴高科技技术，综合应用了 CAD/CAM、激光、光化学和材料科学等诸多技术。因为简化或省略了工艺准备、试验等步骤，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”。此外，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很规结构特征，这种工艺能力对于实现零部件轻量化、优化性能有极其关键意义。

　（3 3 ）D 3D 打印 是制造模式一次 “ 革命 ” 。3D 打印作为一种新工艺，将改变第二次工业革命产生以“装配生产线”为代表大规模生产方法，使批量生产向个性化、定制化转变，实现生产方法变革。该技术应用将有用降低产品推向市场时间。用户获取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，也不需要大量设计和生产工人，改变了传统制造模式。

　2 2 、常见 D 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，利用电加热方法将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高 1℃），在计算机控制下，喷头作 x-y 平面运动，将熔融材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件一层截面，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，关键用于中、小型工件成形。

　 ( (2 2 ) 光固化立体造型 (SLA A- - Stereolithography) 将计算机控制下紫外激光按预定零件各分层截面轮廓为轨迹对液态光敏树脂逐点扫描,被扫描树脂薄层产生光聚合反应固化形成零件一个截面, 再敷上一层新液态树脂进行扫描加工,如此反复直到整个原型制造完成。这种方法特点是精度高、表面质量好,能制造形状复杂、特别精细零件,缺点是设备和材料昂贵,制造过程中需要设计支撑。

　(3) 选择性激光烧结 (SLS - - Se1ected Laser Sintering)

　 SLS 是采取激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型固化层层层叠加生成所需形状零件。其整个工艺过程包含 CAD 模型创建及数据处置、铺粉、烧结和后处置等。SLS 最突出优点在于它所使用成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能形成原子间粘结粉末材料均可作为其成型材料。现在，可成功进行SLS 成型加工材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们复合粉末材料。因为SLS 成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多个用途和 SLS 无需设计和制造复杂支撑系统，所以其应用越来越广泛。

　3 、3D 打印 应用 不停提升3D打印技术应用水平是推动3D打印技术技术发展关键方面。现在，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、首饰等领域全部得到了广泛应用。而且伴随这一技术本身发展，其应用领域将不停拓展。3D 打印技术实际应用关键集中在以下多个方面：

　 (1)在新产品造型设计过程中应用 3D 打印技术为工业产品设计开发人员创建了一种崭新产品开发模式。利用 3D 打印技术能够迅速、直接、正确地将设计思想转化为含有一定功能实物模型(样件)，这不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在激烈市场竞争中占有先机。

　(2)在机械制造领域应用因为 3D 打印技术本身特点，使得其在机械制造领域内，获取广泛应用，多用于制造单件、小批量金属零件制造。有些特殊复杂制件，因为只需单件生产，或少于 50 件小批量，通常均可用 RP 技术直接进行成型，成本低，周期短。

　 (3)迅速模具制造传统模具生产时间长，成本高。将 3D 打印技术和传统模具制造技术相结合，能够大大缩短模具制造开发周期，提升生产率，是处置模具设计和制造微弱步骤有用路径。3D 打印技术在模具制造方面应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采取激光迅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模具。

　 (4)在医学领域应用近几年来，大家对 3D 打印技术在医学领域应用研究较多。以医学影像数据为基础，利用激光迅速成型技术制作人体器官模型，对外科手术有极大应用价值。

　 (5)在文化艺术领域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应用在航空航天领域中，空气动力学地面模拟试验(即风洞试验)是设计性能优异天地往返系统(即航天飞机)所必不可少关键步骤。该试验中所用模型形状复杂、精度要求高、又含有流线型特征，采取激光迅速成型技术，依据 CAD 模型，由 3D 打印设备自动完成实体模型，能够很好确保模型质量。

　 (7)在家电行业应用现在，3D 打印系统在国内家电行业上得到了很大程度普及和应用，使很多家电企业走在了国内前列。如：广东美、华宝、科龙；江苏春兰、小天鹅；青岛海尔等，全部前后采取 3D 打印来开发新产品，收到了很好效果。3D 打印技术应用很广泛，能够相信，伴随 3D 打印技术不停成熟和完善，它将会在越来越多领域得到推广和应用。

　二、试验室建设标准和目标 1 、标准

　使学生理解 3D 打印成型原理，了解相关技术类型和各类型特点，到达学生实习要求，同时到达该专业学生从理论到实践衔接目标，能表现出技工院校学生重技能、善实操特点，突出技工院校特色。

　2 、目标 适合社会发展和教学需要实训场所。多功能、综合性、实用型实训基地。

　经过 3D 打印试验室学习和实践，掌握相关机械设备使用、操作、维修、保养等相关知识，并能独立负担某些必备维修任务及相关系统设备调整方法。制造出某些简单工件。

　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）、迅速成形（Rapid Prototyping，简称 RP）和迅速制模（Rapid Tooling，简称 RT）组成在信息互联网支持下，形成一套迅速制造系统技术，其结构图下图所表示。

　 图 2 产品迅速制造步骤图

　具体说明以下：

　逆向工程

　三维扫描系统采取双目立体视觉测量技术来采集数据，直接生成物体三维造型，电脑输出格式 STL，IGES，ASCII，Binary 文件，且含有在线、实时三维测量潜力，特别适合于三维空间点位、尺寸或大型工件轮廓检测。在教学过程中，学生能够开拓三维物体空间想象能力，促进学生利用测量技术来采集数据增强三维造型能力，并在编程，软件开发，软件应用等方面全部有很大学习空间。

　迅速成型

　迅速成型机是一台集机械，电子，计算机，材料于一体高科技设备，在教学研究方面更有其它设备无可替换优势，其中机械，电子控制，计算机软件，材料全部能够进行专项研究，教学方面又能够让学生理论结合实际地进行学习。迅速成形机有很高生产价值，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意见。同时能够立即发觉产品结构设计中存在多种缺点和错误，降低和避免由此造成损失。可大大缩短新产品设计开发周期，提升开发成功率。在迅速制模，铸造等方面应用起到了不可忽视作用。

　迅速制模

　 在新产品试制过程中，利用迅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。其过程以下：原型经过表面处置，可作为硅橡胶模具母样，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、迅速原型制作、迅速小批量塑料件等服务，来获取经济效益。

　四、建设方案：

　1 1 、培养方案

　在现有专业课程基础上，删减部分课程，添加以下和 3D 打印技术相关课程。

　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 迅速成形和迅速制模 《迅速成形及迅速制模》 《迅速成形技术》 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应用 / /

　2 2 、成套教材

　华中科技大学迅速制造中心针对职业教育需求，专门编写了增材制造系列教材，并能够帮助职业院校迅速培养师资力量。

　 3 3 、方案平台建设

　3.1 购买低成本可供学生操作 3D 测量-3D 打印成套设备 2 套（另加 7 套打印设套 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 （包含：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企业 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

　设备具体情况以下：

　（ （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 131 万（1280×1024）

　（pixels）

　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 扫描方法 非接触式、可单双目自由切换 拼接方法 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企业 单价 18 万/套 数量 1 套 总价 18.0 万

　 设备具体参数以下：

　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 扫描方法 非接触式、可单双目自由切换 拼接方法 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 打印各个步骤数据进行系统管理，方便教学。

　单价：人民币 0.5 万/套。（提议采购 14 套）。

　以上累计采购额为：30+7+18+7=62 万，为了表现我企 业支持，此方案给贵为 校累计价格为 60 万元人民币。

　五、提议单位简介 1 、华中科技大学迅速制造中心简介 华中科技大学迅速制造中心隶属于材料成形和模具技术国家关键试验室，长久从事 3D 打印技术和 3D 测量技术研发，前后得到科技部、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，华中科技大学迅速制造中心开始从事迅速制造技术创新性研发，1994 年取得历史性突破，研制成功中国第一台薄材叠层激光迅速制造装备，并实现了产业化生产。随后又研制成功了粉末材料激光迅速制造装备和紫外光固化迅速制造装备。这多个迅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，独立自主掌握这一优异技术国家。在粉末材料激光迅速制造装备大型化方面，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世界上最大粉末材料激光迅速制造装备。

　3D 测量技术是 3D 打印技术体系中关键技术步骤，能够用于 3D 打印前期逆向设计和 3D 打印后期精度检测。所以华中科技大学迅速制造中心从 开始进行3D 测量技术和装备研发，经过处置多项核心关键技术，前后成功研发了 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。上述多个 3D 测量装备除了和 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，市场前景宽广，现在已在国内外多家著名企业（包含：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）得到长久稳定应用，处置了大量复杂零部件迅速三维测量难题，提升了相关行业关键零部件研发能力和制造水平。

　近几年来，华中科技大学在 3D 打印和 3D 测量领域研究结果引起国际上高度关注，专门负担了中欧政府间欧盟框架七项目，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铸造蜡模制造服务和大型复杂制件 3D 测量服务。

　华中科技大学迅速制造中心技术团体实力雄厚，拥有教授、副教授、讲师等10 余人，在读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关键科技结果，曾获国家发明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；获国际发明展览会金奖1 项，湖北省优异专利奖 1 项。团体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”；负责研发大型 3D 打印机被“两院”院士评选为 中国十大科技进展；负责“优异成形技术和装备试验室” 被同意为湖北省发改委工程试验室；领导研究团体入选 教育部创新团体；获 十佳全国优异科技工作者提名奖。

　企业现在产品有：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和专为教育领域开发教学型 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高度肯定。