基于振镜扫描的激光烧结打印机 - 图文

项目编号 南京工程学院

大学生科技创新基金项目

立 项 申 报 书

项目名称：基于振镜扫描的激光烧结打印机 项目类别： 本科生科技创新训练项目

负责人(学号)： 丁州杰（234140819）

指导教师： 陈巍老师 单 位： 创新学院 联系电话： 18913392226 填表日期： 2016/12/8

共青团南京工程学院委员会印制

负责人 指导教师 姓 名 专 业 姓 名 职称/职务 姓 名 丁州杰 学号 234140819 联 系 电 话 专业/研究方向 联 系 电 话 班 级 D自集成142 13915244576 电子信息 18913392226 自动化（系统集成） 陈巍 副教授 专业/研究方向 联 系 电 话 职称/职务 负责人近年来承接、组织、参与的学术科技活动情况（含科技项目、学术论文名称、完成时间、鉴定、发展以及获奖情况等） 组织： 2015年大学生科技创新基金项目：基于arduino mega2560的双色3D打印机 2015年江苏省大学生实践创新项目：自适应蠕动式管道机器人。 参与： 2015年挑战杯项目：滑翔与仿生结合的水下机器人。 奖项： 苏州市技能大赛三等奖。 苏州市创新大赛三等奖。 项目组其他成员情况 序号 1 2 3 4 姓名 吴连申 董柯文 李思达 郭雨薇 学号 234140720 203150916 234150503 班 级 机工151 D自集成141 机器人151 D自集成151 专业 机械工程 自动化（系统集成） 机器人 自动化（系统集成） 项目分工 结构设计 硬件设计与调试 软件开发、上位机 文献整理、软件开发 签名 第 2 页 共 14 页

项目组其他成员近年来承接、组织、参与的学术科技活动情况（含科技项目、学术论文名称、完成时间、鉴定、发展以及获奖情况等） 吴连申 承接： 激光雕刻机 参与： 2015年大学生科技创新基金项目：智能钥匙盒。 2015年江苏省大学生实践创新项目：自适应蠕动式管道机器人。 2016年中国机器人大赛robocub 奖项： 南京工程学院第五届CAD应用能力大赛一等奖。 李思达 奖项： 哈尔滨航模火箭发射回收第二名 遥控直升机第一名 火箭自主创新项目团体第四名 全国工程机器人大赛工程越野项目二等奖 研 究 项 目 名 称 项目类别 第 3 页 共 14 页

基于振镜扫描的激光烧结打印机 申请经费 一、项目的研究意义、国内外研究现状、水平和发展趋势，研究预期达到的科学技术水平、社会和经济效益。 项目研究意义：该项目使用增材加工方式，耗料极少，且材料可回收利用；与传统FDM打印相比，精度更高；打印自由，制件难度与工件复杂程度无关，无需支撑结构辅助打印；将Co2激光管作为光源，极大的降低成本，增加行业竞争力，将该技术普及。 国内外现状水平和发展趋势：SLS技术最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校于1989年提出的。后来美国DTM公司于1992年推出该工艺的商品化生产设备。几十年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕的成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。 在国内，很多单位进行了SLS的相关研究工作，如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、华北工学院和北京隆源自动成型有限公司等也取得了许多重大成果。如北京隆源自动成型有限公司开发的AFS-300激光快速成型的商品化设备。 1、利福尼亚的工程师brandonfosdick在一次讲话中透露了自己打造的sls3d打印机——ester的进展情况。 经过3年不断尝试，brandonfosdick终于设计出一款不成熟的ester3d打印机。 收集了这款打印机的部分规格： 成型技术：sls打印材料：塑料（brandonfosdick下一步将开发金属材料）打印精度：150微米（下一步将打印精度降低至100微米以下）打印速度：50mm/s制作成本：2500美元。 第 4 页 共 14 页

2011年9月，我国首台选择性激光烧结设备——“Farsoon401”宣告面世，华曙高科成为继美国3D Systems公司、德国EOS公司之后，世界上第三家高端选择性激光烧结设备制造商。比起国际领先的同类产品，这个设备在温度控制方面有了提升，在使用尼龙材料制造时精度可以控制在0.1毫米以内。

2、2012年8月，国内首台出口美国的选择性激光尼龙烧结设备，从华曙高科启运。

在经历反复的试验和不断改进后，华曙高科还成功研制出用于激光烧结技术的尼龙玻璃微珠、矿物纤维和碳纤维等一系列复合材料，打破了德国对这一材料的垄断，并成功销往美国、瑞典、意大利等海外市场。该公司成为全球唯一一家既制造设备，又生产材料，还从事终端产品加工服务的企业，独立构成了完整的产业链。

在国际市场上，华曙高科用于激光烧结的尼龙材料，与德国赢创公司（占据

全球绝大部分市场份额）的售价差不多；而首次出口美国的选择性激光尼龙烧结

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设备，价格与全球最大的3D打印设备制造商——美国3D Systems公司的产品，也几乎处于同一个水平线上。

华曙高科的成功，引起了全球3D打印领先制造商的高度关注，多次前来考察，并抛出合作橄榄枝。2012年，德国EOS公司高层曾先后7次造访华曙高科。 在国内，华曙高科的成功，也引起了社会各界的广泛关注。中科院多次派出专家前来调研考察。2013年1月，3D打印被首次写进湖南省政府工作报告，聚焦的目光更是从业内迅速扩展到普通大众。

越来越多的人意识到3D技术可能带给生活和经济的改变，纷纷瞄准这个市场。2012年10月以来，华曙高科有6台3D打印机交付国内用户。目前，华曙高科订单量不断增加，但受厂房规模限制，生产规模远跟不上市场需求。 2013年6月，华曙高科3D打印产业基地在长沙高新区开工建设，中国科学院湖南技术转移中心3D打印研发中心也同时挂牌。这个占地48亩、建设面积近3万平方米的产业基地，将于明年投入运行，届时可形成年产设备100台、材料100吨的产能，此后将逐年翻番。这意味着湖南3D打印技术研究与产品产业化，即将迈入跨越式发展的新阶段。

3、拜耳材料科技和德国固体复合材料公司正合作开发选择性激光烧结TPU粉末。这种创新的制造三维结构的方法是基于使用激光束烧结粉末材料的基础上的。新公司位于莱茵河下游费尔德市，且将被授予新的品牌，并以Desmosint的名称来推广这个新的高科技材料。这项技术为产品扩展了很多的下游应用领域，比如汽车、运动器材、机器人技术、航空航天工程。固体复合材料是弗劳恩霍夫环境、安全和能源技术研究所的一个子公司。

无需模具：选择性激光烧结正日益成为塑料叠加式生产中稳固的数字生产方式。通过对塑料件的结构设计数据可以用TPU粉末生产产品。通过CAD导向，激光能在选定的位置融化粉末层。换句话说，塑料件是一层一层堆起来的。这种方法免去了使用模具的必要，也相应地降低了成本。而且和喷射注模相比，即使是拥有多腔复杂几何尺寸和切口的塑料件也能被加工。

消除不同材料间差距：目前而言，基本上是软的、有弹性的材料和硬质热塑性塑料，比如尼龙可以用作选择性激光烧结。但是拜耳的TPU产品韧性、弹性和强度都好，消除了不同等级材料之间的差距。这就为应用创造了好的条件。首先具有代表性的TPU产品是Desmosint X 92 A-1，它的优点之一是生产TPU时的温度只须保持在80摄氏度左右。而尼龙则需要保持在稍低于溶解温度。因为为反应室加热占了能源成本的大部分，所以这个方法很大程度上节约了能源。而且拜耳的TPU不易弯曲，也就是说烧结过程能十分顺利地进行。最后一点，反

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应室中未烧结的粉末不会老化，因此还可以继续使用，这和传统的激光烧结材料PA12相比，是巨大的优点。

可用于大量生产：选择性激光烧结给了设计很大的自由度，特别适合小批量的叠加式生产，比如生产波纹管、软管和奢华房车。这个方法还适用于生产矫正鞋内嵌物、运动鞋、头盔、假肢等等。除此之外，这项技术还可以用于大量生产，比如有的部件的几何体十分复杂，注模成本很高，这些情况下，使用烧结机的能效比将更好。而且产品使用完以后，塑料是完全可以在循环使用的。

4.奔驰卡车Benz拟采用最新的选择性激光烧结（SLS）打印工艺（一种3D打印方法）生产塑料零件，并作为客户服务及零部件部门标准化生产方法。预计2016年9月底，原装配件将通过3D打印机快速、经济及不定量地预定及供应。 可提供的塑料配件包括盖、垫片、弹簧帽、空气和电缆导管、夹子、支架和一些控制元件。所有配件将进行专业编码，并可在奔驰卡车备件列表中查询。 备件行业的挑战在于固体供应，包括只有低需求的小批量备件，这种备件可能已经不再产生。

SLS工艺解决了这些挑战，因为所有的配件都可以在短时间内通过3D打印机提供。

尽管SLS在过去几年中飞速发展，获得了良好的应用效果，但毕竟是一个较新的发展领域，还存在一下缺点：

1、 系统的速度、精度、可靠性还不能完全满足要求。 2、 零件表面光滑度还有待提高。 3、 冷却时间长，对加热温度、激光参数比较敏感，工艺参数需要较长时间摸索。 4、 成本较高市面上最便宜的也要上万元。

因此，SLS工艺未来的发展方向应该主要注意以下方面：

1、 开发更适合SLS工艺使用的新材料，以制造表面光洁、精度更高更好的零件。 2、 提高生产效率、减少成本。

3、 与工业4.0接轨，开发远程制造等新技术。

研究预期：

研发一台比市面FMD、SLA精度高；稳定安全（防止出现粉尘爆炸）；易用（打印和清理粉末方便）的消费级打印机。

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二、项目的研究内容、预计突破或解决哪些技术难题、研究的创新点。 研究内容： 1、打印机结构设计研究 2、打印机控制系统设计研究 3、打印机硬件平台设计研究 4、打印机控制算法设计 预计突破: 1、送粉缸与铺粉车的铺粉与收粉模式的配合与控制。 2、控制系统各模块的协调控制。 3、针对粉末烧结时激光功率与烧结速度的平衡 创新点： 1、以层层余料为支撑、无需考虑制件复杂程度，实现自由打印。 2、采用送粉缸与铺粉车配合铺粉的模式实现更精密的铺粉和烧结完成后收粉。 3、将Co2激光源引入激光烧结设备大量降低其成本，增加行业竞争力。 第 8 页 共 14 页

三、项目的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 项目研究方法及技术路线： 研究方法： 1、考察并分析评估已有的技术方案 2、设计构造新型的结构与外观 3、建模、仿真、搭建实物完成控制算法 4、稳定性测试 5、完善结构和控制系统 6、进行实验 技术路线： 信息过程―离散处理。在计算机上建模的 CAD三维立体造型零件，或通过逆向工程得到的三维实体图形文件。将其转换成 STL文件格式。再用一离散（切片）软件从 STL文件离散出一系列给定厚度的有序片层。或者直接从 CAD文件进行切片。这些离散的片层按次序累积起来仍是所设计的零件实体形状。然后，将上述的离散（切片）数据传递到成型机中去，成型机中的扫描器在计算机信息的控制下逐层进行扫描烧结。 物理过程―叠加成型。成型系统的主体结构是在一个封闭的成型室中安装两个缸体活塞机构，一个用于供粉，另一个用于成型。成型过程开始前，用红外线板将粉末材料加热至恰好低于烧结点的某一温度。成型开始时，供粉缸内活塞上移一给定量，铺粉滚筒将粉料均匀地铺在成型缸加工表面上，激光束在计算机的控制下以给定的速度和能量对第一层信息进行扫描。激光束扫过之处粉末被烧结固化为给定厚度的片层，未烧结的粉末被用来作为支撑，这样零件的第一层便制作出来。这时，成型缸活塞下移一给定量，供料虹活塞上移，铺粉滚简再次铺粉，激光束再按第二层信息进行扫描，所形成的第二片层同时也被烧结固化在第一层上，如此逐层叠加，一个三维实体零件就制作出来了。 第 9 页 共 14 页

实验方案： 使用3D MAX 等制图软件进行建模并生成STL文件后利用SLI3C等软件将模型切片产生GCODE文件导入控制器。控制器控制激光扫描系统、光路水冷系统、粉缸控制系统，粉末预热系统进行烧结。 建模并导出 STL文件 配置切片软 件导出Gcode 文件 上位机配置 打印机设置 中央处理器计算 Gcode文件并控 制打印机打印 打印机控制系统设计研究： 第 10 页 共 14 页

打印机结构设计： 工作时粉末缸升降台上升，由铺粉辊将粉末在成型缸升降台上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制光束的二维扫描轨迹，有选择的烧结固体粉末材料形成零件的一个层面，在烧结前，整个工作台被加温至稍低于粉末融化温度，以减少热变形，并利用与前一层的结合。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺设新粉，控制扫描系统烧结新层，如此循环往复，层层叠加得到零件。 可行性分析： 该项目原理清晰，工作方式明确，实现基本功能不难。 项目组成员都曾参与过类似的生产与制造设备研发项目，拥有一定经验， 对该项目的研发有巨大帮助。 项目所涉及的专业方向与项目组成员契合，所设计的专业知识基本具备。 综合以上：该项目可行，并且项目组拥有完成该项目的能力。 第 11 页 共 14 页

四、研究工作条件和基础（包括前期研究工作基础，已有研究成果，现有的主要仪器设备、研究技术及协作条件等） 研究工作条件和基础 前期研究工作基础： 1、项目负责人及团队成员都曾参与或组织过3D打印或激光雕刻的项目。 2、前期查阅大量资料，充分理解SLS的原理及实现方式。 3、和多家Co2激光管生产厂家进行了足够的交流，对该项目的难点有了充分的认知。 4、已完成该部分机械结构设计工作。 现有主要仪器设备： 1、工业中心拥有足够精度的机床可供使用，满足大部分工件的制造与加工。 2、实验室稳压电源、数字示波器、信号发生器齐全满足电路设计焊接调试 要求。 研究技术及协作条件： 1、指导老师拥有丰富的项目经验，可提供强大的后援支持。 2、项目依托创新学院，有很多经验丰富的老师，遇到的较深问题可以在这里获得帮助。 五、研究工作进度安排 第一阶段（2016/12-2017/3）：完成机器总体的结构设计与更改。 第二阶段（2017/3-2017/7）：完成硬件电路设计与软件调试。 第三阶段（2017/7-2017/10）：完成整机调试并撰写结题报告。 第 12 页 共 14 页

六、预期研究成果及考核目标 成果： 软件一套 实物一套 技术报告一份 实用新型专利两份 核心论文三份 七、主要参考文献或资料 1??树槐《选择性激光烧结快速成型机铺粉系统的研究》 2??惦武《铸造设备研究》 3??林泉《快速成型与快速制造技术》 4 张渤涛《选择性激光烧结技术的特点及在模具制造中的应用》 5 卢锡龙 《小功率激光烧结金属粉末材料及其成型工艺研究》 八、经费预算 支 出 科 目 激光管及其光路系统 电路板及电子元器件 结构中标准件 结构中非标件加工 总经费 金 额（元） 计 划 根 据 元，其中申请 元，自筹 元 第 13 页 共 14 页

项目组意见（项目的意义、项目组成员的学术水平、完成本项目的条件、填报内容的真实性等） 项目负责人签字： 指导教师签字： 年 月 日 年 月 日 所在单位专家组意见（项目的意义、项目组成员的学术水平、完成本项目的条件、填报内容的真实性等） 专家评审组组长： （部门盖章） 年 月 日 学校大学生科技创新基金指导委员会意见： 专家评审组组长： （团委代章） 年 月 日 第 14 页 共 14 页

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