本書介紹了3D打印技術(shù)的原理以及工藝。重點(diǎn)介紹了當(dāng)前主流的3D打印技術(shù)，比如基于光固化的3D打印技術(shù)、基于材料噴射式的3D打印技術(shù)、基于粉末床的3D打印技術(shù)、基于疊層技術(shù)的3D打印技術(shù)以及復(fù)合式3D打印技術(shù)。針對(duì)3D打印產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)以及檢測(cè)技術(shù)也有介紹。
近年來(lái)，3D 打印技術(shù)迅速發(fā)展，不斷取得改進(jìn)和突破。作為一門集材料科學(xué)與工程、光學(xué)工程、數(shù)學(xué)建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)等領(lǐng)域于一身的前沿交叉研究領(lǐng)域，3D打印技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。雖然當(dāng)前一些高校已經(jīng)開展了關(guān)于3D 打印技術(shù)方面的研究和教學(xué)工作，但仍缺乏面向工程實(shí)際應(yīng)用的3D 打印教材。因此，本教材的編撰是為了滿足大學(xué)生、研究生的需求，供從事3D 打印行業(yè)的教師因材施教，為相關(guān)學(xué)科的研究人員和技術(shù)人員提供指導(dǎo)和參考。本教材彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)教材中該技術(shù)的不足，對(duì)理論知識(shí)與實(shí)際實(shí)踐的結(jié)合具有重要的作用，對(duì)培養(yǎng)該技術(shù)方面的人才具有重要意義。
本書內(nèi)容涵蓋了3D 打印技術(shù)的發(fā)展歷程、概念和關(guān)鍵技術(shù)，以及國(guó)內(nèi)外3D 打印技術(shù)領(lǐng)域的最新研究成果和發(fā)展現(xiàn)狀。同時(shí)，本書還展望了該技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。對(duì)當(dāng)前主流的3D 打印技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行了深入的剖析，包括3D 打印技術(shù)的基本理論、成形技術(shù)、設(shè)備及應(yīng)用，特別是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中基于3D 打印技術(shù)的創(chuàng)新進(jìn)行了深入淺出的闡述。此外，本書還特別介紹了3D 打印產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)問(wèn)題，使讀者對(duì)3D 打印技術(shù)有一個(gè)更全面和深入的了解。
本書由陳繼民、曾勇任主編，楊繼全、李滌塵、史玉升任副主編。具體編寫分工如下：北京工業(yè)大學(xué)陳繼民教授、曾勇副教授編寫第1章，并負(fù)責(zé)全書的統(tǒng)稿；北京工業(yè)大學(xué)毋立芳教授編寫第2章部分內(nèi)容，南京師范大學(xué)楊繼全教授編寫第2章部分內(nèi)容、第5章、第6章部分內(nèi)容，西安交通大學(xué)李滌塵教授、連芩教授編寫第3章，南京工業(yè)大學(xué)唐明亮教授編寫第4章，南京鋮聯(lián)激光科技有限公司王林總經(jīng)理編寫第6章部分內(nèi)容，華中科技大學(xué)史玉升教授、吳甲民教授編寫第7章和第9章，裝甲兵工程學(xué)院董世運(yùn)教授、北京航空航天大學(xué)田象軍博士編寫第8章，浙江工業(yè)大學(xué)姚建華教授編寫第10章，中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所栗曉飛博士、國(guó)家增材制造產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心冒浴沂博士編寫第11章。
在本書即將出版之際，衷心感謝北京工業(yè)大學(xué)北京市數(shù)字化醫(yī)療3D 打印工程技術(shù)研究中心的各位學(xué)術(shù)前輩及同事，感謝他們長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)我們科研工作給予的大力支持和幫助。
本書可作為高等院校相關(guān)專業(yè)的本科生及研究生的教材，同時(shí)也適用于機(jī)械、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料等相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和工程技術(shù)人員使用。盡管我們盡力保證書中內(nèi)容的準(zhǔn)確性和完整性，但由于時(shí)間倉(cāng)促和個(gè)人水平的限制，書中難免存在不妥之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
編者
2023年2月
陳繼民，北京工業(yè)大學(xué)，教授、博導(dǎo)，北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院教授、博士生導(dǎo)師，3D打印工程中心主任。中國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC562）委員，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)激光加工專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工委員會(huì)理事，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)高 級(jí)會(huì)員，國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)SPEI會(huì)員。主要研究領(lǐng)域?yàn)?D打印、激光快速成型、激光微細(xì)加工等。在國(guó)內(nèi)外公開發(fā)表論文150余篇，其中被三大檢索論文100余篇。申請(qǐng)專利20項(xiàng)，軟件著作5項(xiàng)。近年來(lái)承擔(dān)科技部重點(diǎn)專項(xiàng)課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目、北京市基金重點(diǎn)項(xiàng)目等十余項(xiàng)。
第1章 3D 打印技術(shù)概況001
1.1 發(fā)展歷史001
1.2 技術(shù)原理002
1.2.1 光固化立體成形技術(shù)原理002
1.2.2 基于數(shù)字光處理技術(shù)的3D 打印成形原理004
1.2.3 激光選區(qū)熔化成形技術(shù)原理與特點(diǎn)004
1.2.4 3DP 技術(shù)005
1.3 技術(shù)發(fā)展展望006
習(xí)題009
參考文獻(xiàn)009
第2章 3D 打印技術(shù)流程010
2.1 三維建模010
2.1.1 建模的基本思路010
2.1.2 多邊形建模011
2.1.3 NURBS 建模011
2.1.4 特征建模012
2.2 模型三維掃描012
2.2.1 結(jié)構(gòu)光技術(shù)013
2.2.2 雙目視覺(jué)技術(shù)014
2.3 STL 文件016
2.3.1 STL 文件的ASCII 格式016
2.3.2 STL 文件的二進(jìn)制格式016
2.4 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)018
2.4.1 外部支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化018
2.4.2 外部支撐結(jié)構(gòu)的添加018
2.4.3 外部支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化020
2.4.4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)022
2.4.5 基于模型結(jié)構(gòu)分析的設(shè)計(jì)方法022
2.4.6 基于仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法024
2.5 模型切片026
2.5.1 基于幾何拓?fù)湫畔⑻崛〉那衅惴?26
2.5.2 基于三角面片幾何特征的分層處理算法027
2.5.3 定層厚容錯(cuò)切片027
2.5.4 直接分層切片027
2.5.5 常用的切片軟件028
2.6 后處理028
習(xí)題029
參考文獻(xiàn)029
第3章 光固化成形技術(shù)031
3.1 光固化成形原理032
3.2 光固化成形設(shè)計(jì)032
3.3 光固化成形工藝032
3.3.1 立體光固化技術(shù)032
3.3.2 數(shù)字光處理技術(shù)033
3.3.3 連續(xù)液面生產(chǎn)技術(shù)034
3.3.4 液晶屏投影技術(shù)035
3.3.5 光固化成形工藝優(yōu)勢(shì)035
3.3.6 光固化成形工藝弱點(diǎn)037
3.4 光固化成形材料038
3.4.1 光敏樹脂038
3.4.2 陶瓷039
3.4.3 生物材料039
3.5 光固化成形技術(shù)的應(yīng)用039
3.5.1 航空航天040
3.5.2 汽車040
3.5.3 牙科041
3.5.4 消費(fèi)產(chǎn)品（珠寶） 041
3.5.5 手板042
3.5.6 生物醫(yī)療042
習(xí)題042
參考文獻(xiàn)043
第4章 材料擠出3D 打印技術(shù)044
4.1 材料擠出成形原理044
4.2 材料擠出3D 打印工藝045
4.2.1 材料擠出3D 打印工藝分類045
4.2.2 材料擠出3D 打印工藝研究048
4.3 材料擠出3D 打印材料053
4.3.1 高分子材料053
4.3.2 無(wú)機(jī)非金屬材料054
4.3.3 金屬材料057
4.3.4 復(fù)合材料057
4.3.5 食品原料058
4.4 材料擠出3D 打印設(shè)備060
4.4.1 FDM 打印機(jī)060
4.4.2 混凝土3D 打印機(jī)060
4.4.3 陶瓷3D 打印機(jī)060
4.4.4 復(fù)合材料3D 打印機(jī)062
4.4.5 食品打印機(jī)062
4.5 材料擠出3D 打印應(yīng)用063
習(xí)題067
參考文獻(xiàn)068
第5章 噴射式3D 打印技術(shù)071
5.1 粉末噴射式成形技術(shù)概述071
5.2 微滴噴射式3D 打印技術(shù)072
5.2.1 微滴噴射式成形技術(shù)概述072
5.2.2 微滴噴射式3D 打印的特點(diǎn)075
5.2.3 微滴噴射自由成形系統(tǒng)的基本組成075
5.2.4 微滴噴射自由成形的設(shè)計(jì)過(guò)程076
5.2.5 材料噴射技術(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)076
5.2.6 材料噴射自由成形工藝中的主要影響因素077
5.3 噴射式3D 打印技術(shù)展望078
5.3.1 粉末噴射技術(shù)展望078
5.3.2 微滴噴射技術(shù)展望079
5.4 噴射式3D 打印技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)082
習(xí)題083
參考文獻(xiàn)083
第6章 黏結(jié)劑噴射技術(shù)085
6.1 黏結(jié)劑噴射技術(shù)的原理085
6.2 黏結(jié)劑噴射技術(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程086
6.2.1 黏結(jié)劑噴射的設(shè)計(jì)過(guò)程086
6.2.2 黏結(jié)劑噴射技術(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)087
6.3 黏結(jié)劑噴射的技術(shù)工藝087
6.3.1 黏結(jié)劑噴射技術(shù)的工藝流程087
6.3.2 黏結(jié)劑噴射的后處理過(guò)程088
6.3.3 黏結(jié)劑噴射工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)088
6.3.4 黏結(jié)劑噴射工藝的技術(shù)限制089
6.4 黏結(jié)劑噴射的材料090
6.4.1 黏結(jié)劑噴射石膏打印091
6.4.2 黏結(jié)劑噴射陶瓷打印091
6.4.3 黏結(jié)劑噴射新型材料打印092
6.5 黏結(jié)劑噴射技術(shù)的設(shè)備094
6.5.1 黏結(jié)劑噴射技術(shù)的工業(yè)設(shè)備095
6.5.2 黏結(jié)劑噴射技術(shù)的設(shè)備研發(fā)096
6.6 黏結(jié)劑噴射技術(shù)的應(yīng)用098
6.6.1 應(yīng)用領(lǐng)域098
6.6.2 新技術(shù)進(jìn)展100
習(xí)題101
參考文獻(xiàn)101
第7章 粉末床熔融技術(shù)103
7.1 激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)103
7.1.1 技術(shù)背景103
7.1.2 激光選區(qū)燒結(jié)成形原理與燒結(jié)機(jī)理104
7.1.3 激光選區(qū)燒結(jié)工藝107
7.1.4 激光選區(qū)燒結(jié)成形材料110
7.1.5 激光選區(qū)燒結(jié)成形技術(shù)的應(yīng)用116
7.2 激光選區(qū)熔化技術(shù)120
7.2.1 技術(shù)背景120
7.2.2 激光選區(qū)熔化成形原理121
7.2.3 激光選區(qū)熔化成形工藝122
7.2.4 激光選區(qū)熔化成形材料125
7.2.5 激光選區(qū)熔化成形裝備128
7.2.6 激光選區(qū)熔化成形技術(shù)的應(yīng)用132
習(xí)題134
參考文獻(xiàn)134
第8章 定向能量沉積技術(shù)135
8.1 定向能量沉積技術(shù)原理135
8.1.1 激光直接沉積技術(shù)135
8.1.2 電子束熔絲沉積技術(shù)136
8.2 定向能量沉積工藝特點(diǎn)137
8.2.1 激光直接沉積技術(shù)特點(diǎn)137
8.2.2 電子束熔絲沉積技術(shù)特點(diǎn)138
8.3 定向能量沉積打印材料139
8.3.1 鈦和鈦合金139
8.3.2 高溫合金139
8.3.3 不銹鋼140
8.3.4 鋁合金140
8.3.5 鎂合金141
8.4 定向能量沉積技術(shù)及裝備發(fā)展現(xiàn)狀141
8.4.1 激光直接沉積技術(shù)裝備141
8.4.2 電子束熔絲沉積技術(shù)裝備142
8.5 定向能量沉積技術(shù)應(yīng)用143
8.5.1 在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用144
8.5.2 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用145
8.5.3 在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用146
8.5.4 在金屬零件再制造修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用146
習(xí)題148
參考文獻(xiàn)148
第9章 疊層實(shí)體制造技術(shù)149
9.1 技術(shù)背景149
9.2 疊層實(shí)體制造成形原理149
9.3 疊層實(shí)體制造工藝150
9.3.1 疊層實(shí)體制造技術(shù)工藝過(guò)程150
9.3.2 疊層實(shí)體制造技術(shù)主要工藝參數(shù)150
9.3.3 疊層實(shí)體制造后處理工藝151
9.3.4 疊層實(shí)體制造技術(shù)的工藝特點(diǎn)152
9.3.5 疊層實(shí)體制造成形精度154
9.3.6 疊層實(shí)體制造成形效率155
9.4 疊層實(shí)體制造成形材料155
9.4.1 基體材料155
9.4.2 黏結(jié)材料156
9.5 疊層實(shí)體制造成形裝備156
9.5.1 激光器及冷卻器157
9.5.2 激光掃描系統(tǒng)(x-y 型切割頭) 157
9.5.3 可升降工作臺(tái)158
9.5.4 材料送給裝置158
9.5.5 熱壓疊層裝置158
9.5.6 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)159
9.5.7 檢測(cè)裝置159
9.5.8 機(jī)械系統(tǒng)159
9.6 疊層實(shí)體制造技術(shù)的應(yīng)用159
9.6.1 產(chǎn)品原型制作159
9.6.2 工業(yè)模具制備160
習(xí)題162
參考文獻(xiàn)162
第10章 復(fù)合成形技術(shù)163
10.1 超音速激光沉積技術(shù)164
10.1.1 超音速激光沉積技術(shù)原理164
10.1.2 超音速激光沉積專用裝備164
10.1.3 超音速激光沉積工藝與材料165
10.1.4 超音速激光沉積技術(shù)工業(yè)應(yīng)用167
10.2 電磁場(chǎng)復(fù)合激光增材制造與再制造技術(shù)169
10.2.1 電磁場(chǎng)復(fù)合激光增材制造與再制造技術(shù)原理 169
10.2.2 電磁場(chǎng)復(fù)合激光增材制造與再制造專用設(shè)備171
10.2.3 電磁場(chǎng)復(fù)合激光增材制造與再制造工藝與材料173
10.2.4 電磁場(chǎng)復(fù)合激光增材制造與再制造技術(shù)工業(yè)應(yīng)用174
10.3 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)176
10.3.1 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)原理176
10.3.2 激光-電弧復(fù)合焊接專用裝備177
10.3.3 激光-電弧復(fù)合焊接工藝與材料178
10.3.4 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)工業(yè)應(yīng)用178
10.4 其他復(fù)合成形技術(shù)180
10.4.1 激光超聲振動(dòng)復(fù)合技術(shù)180
10.4.2 微鑄鍛銑復(fù)合制造技術(shù)181
10.4.3 激光電化學(xué)復(fù)合沉積技術(shù)181
10.4.4 激光增材與沖擊強(qiáng)化復(fù)合制造技術(shù)183
10.5 復(fù)合成形技術(shù)展望184
習(xí)題184
參考文獻(xiàn)184
第11章 3D 打印產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)189
11.1 國(guó)外增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀189
11.1.1 ASTM 和ISO 標(biāo)準(zhǔn)189
11.1.2 SAE 標(biāo)準(zhǔn)193
11.1.3 其他標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)197
11.1.4 先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)197
11.2 國(guó)內(nèi)增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀199
11.3 3D 打印產(chǎn)品檢測(cè)項(xiàng)目及測(cè)試方法201
11.3.1 3D 打印專用材料檢測(cè)項(xiàng)目及方法201
11.3.2 3D 打印設(shè)備檢測(cè)項(xiàng)目及方法205
11.3.3 3D 打印成形件檢測(cè)項(xiàng)目及方法209
習(xí)題213
參考文獻(xiàn)213
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