3D打印材料丛书--3D打印技术概论

2017年3月，中国工程院启动了“中国3D打印材料及应用发展战略研究”咨询项目。中国工程院化工、冶金与材料工程学部联合机械、卫生等学部26位院士，组织了全国100余位3D打印领域的专家学者、历时两年完成了该咨询项目，并在咨询报告的基础上，组织出版“3D打印材料丛书”。 本书是“3D打印材料丛书”之一，介绍了光固化技术、粉床熔融技术、激光直接能量沉积、喷射式3D打印技术、粘结剂喷射技术、薄材叠层制造技术等3D打印技术，针对不同技术的原理从三维模型的设计、切片、数据处理到工艺过程、后处理及相关应用进行了详细的介绍。

近年来3D打印技术的发展非常迅速，各种3D打印方法和工艺不断取得突破。然而在国内高校以及科研院所，尚缺乏专门针对高年级学生以及研究生的专业3D打印教材。2018年在中国工程院的支持下，我们组织国内在3D打印领域的专家、学者对3D打印技术进行了全面的调研，针对大学生、研究生的特点，编撰了这本专著，以便从事3D打印的老师能因材施教。同时，在本书的编写过程中，注重培养学生的自学能力，加强学生的动手能力，模拟实际问题，提高学生分析问题、解决问题的能力和创新意识。本书不仅全面地介绍了3D打印技术的发展历程以及3D打印技术概念和其所依托的关键技术，概括了3D打印技术目前的发展现状及今后国内外3D打印技术的发展前景，而且，对当前主流的3D打印技术的特点以及应用做了深入的剖析，特别是在3D打印启发下对产品的创新设计带来的产品变革进行了深入浅出的说明。由于3D打印技术的广泛适用性，使得通过传统方式建模得到的三维模型，理论上都可以直接通过3D打印机得到实体，不仅如此，对无法用传统加工方式加工的零件，也能通过分层制造获得，为产品设计带来无限可能。针对3D打印产品的标准与检测问题，本书有专门介绍。
本书编写分工如下：北京工业大学陈继民教授、曾勇博士编写第1章，北京工业大学毋立芳教授编写第2章部分内容，南京师范大学杨继全教授编写第2章部分内容和第5章、第6章部分内容，西安交通大学李涤尘教授、连芩教授编写第3章，南京工业大学唐明亮教授编写第4章，南京铖联激光科技有限公司王林总经理编写第6章部分内容，华中科技大学史玉升教授、吴甲民教授编写第7章和第9章，装甲兵工程学院董世运教授、北京航空航天大学田象军博士编写第8章，浙江工业大学姚建华教授编写第10章，中国航空综合技术研究所栗晓飞博士、国家增材制造产品质量监督检验中心冒浴沂博士编写第11章。对以上各位专家的辛勤劳动，表示感谢。
3D打印技术本身是综合了机械学、电子学、计算机科学等多学科交叉的技术，具有很强的工程实用性。由于编者的水平有限，在编写的过程中难免出现不妥之处，诚挚欢迎各位读者批评指正。

编者
2020年3月

陈继民，北京工业大学，教授、博导，北京工业大学激光工程研究院教授、博士生导师，3D打印工程中心主任。中国增材制造标准化技术委员会（SAC/TC562）委员，中国光学学会激光加工专业委员会委员，中国机械工程学会特种加工委员会理事，中国机械工程学会高级会员，国际光学工程学会SPEI会员。主要研究领域为3D打印、激光快速成型、激光微细加工等。在国内外公开发表论文150余篇，其中被三大检索论文100余篇。申请专利20项，软件著作5项。近年来承担科技部重点专项课题、国家自然科学基金、北京市科技计划项目、北京市基金重点项目等十余项。

《3D打印技术概论》全面系统地介绍了3D打印技术的原理以及工艺。重点介绍了当前主流的3D打印技术，比如基于光固化的3D打印技术、基于材料喷射式的3D打印技术、基于粉末床的3D打印技术、基于叠层技术的3D打印技术以及复合式3D打印技术。针对3D打印产品的标准以及检测技术也有详细的介绍。本书可作为大专院校相关专业本科生及研究生的教材，可供从事3D打印材料研发、设计、生产、应用的科研、工程技术人员参考阅读。           

第1章3D打印基础概况1
1.1发展历史2
1.2技术原理4
1.2.1光固化立体成形技术原理4
1.2.2基于数字光处理技术的3D打印成形原理5
1.2.3激光选区熔化成形技术原理与特点5
1.2.43DP技术7
1.3技术发展展望8
参考文献10

第2章3D打印技术流程13
2.1三维建模14
2.1.1建模的基本思路14
2.1.2多边形建模15
2.1.3NURBS建模15
2.1.4特征建模16
2.2模型三维扫描16
2.2.1结构光技术17
2.2.2双目视觉技术19
2.3STL文件20
2.3.1STL文件的ASCII格式21
2.3.2STL文件的二进制格式21
2.4支撑结构设计23
2.4.1外部支撑结构设计与优化23
2.4.2外部支撑结构的添加24
2.4.3外部支撑结构的优化26
2.4.4内部结构设计26
2.4.5基于模型结构分析的设计方法27
2.4.6基于仿生结构的设计方法29
2.5模型切片32
2.5.1基于几何拓扑信息提取的切片算法32
2.5.2基于三角面片几何特征的分层处理算法33
2.5.3定层厚容错切片33
2.5.4直接分层切片34
2.5.5常用的切片软件34
2.6后处理35
参考文献36

第3章光固化成形技术39
3.1光固化成形原理41
3.2光固化成形设计41
3.3光固化成形工艺42
3.3.1立体光固化技术42
3.3.2数字光处理技术42
3.3.3连续液面生产技术44
3.3.4液晶屏投影技术45
3.3.5光固化成形工艺优势45
3.3.6光固化成形工艺弱点47
3.4光固化成形材料48
3.4.1光敏树脂49
3.4.2陶瓷50
3.4.3生物材料50
3.5光固化3D打印装备51
3.5.1国内光固化3D打印装备51
3.5.2国外光固化3D打印装备58
3.6光固化成形技术的应用62
3.6.1航空航天62
3.6.2汽车63
3.6.3牙科63
3.6.4消费产品（珠宝）63
3.6.5手板64
3.6.6生物医疗64
参考文献64

第4章材料挤出3D打印技术67
4.1材料挤出成形原理68
4.2材料挤出3D打印工艺70
4.2.1材料挤出3D打印工艺分类70
4.2.2材料挤出3D打印工艺研究73
4.3材料挤出3D打印材料77
4.3.1高分子材料78
4.3.2无机非金属材料80
4.3.3金属材料82
4.3.4复合材料83
4.3.5食品85
4.4材料挤出3D打印设备85
4.4.1FDM打印机86
4.4.2混凝土3D打印机86
4.4.3陶瓷3D打印机87
4.4.4复合材料3D打印机89
4.4.5食品打印机90
4.5材料挤出3D打印应用91
参考文献96

第5章喷射式3D打印技术101
5.1粉末喷射式成形技术概述102
5.2微滴喷射式3D打印技术104
5.2.1微滴喷射式成形技术概述104
5.2.2微滴喷射式3D打印的特点107
5.2.3微滴喷射自由成形系统的基本组成107
5.2.4微滴喷射自由成形的设计过程108
5.2.5材料喷射技术的设计参数109
5.2.6材料喷射自由成形工艺中的主要影响因素109
5.3国内外喷射式3D打印主要设备厂商111
5.3.1国外设备厂商及其设备111
5.3.2国内设备厂商及其设备113
5.4喷射式3D打印技术展望116
5.4.1微滴喷射技术展望116
5.4.2粉末喷射技术展望119
5.5喷射式3D打印技术发展趋势119
参考文献120

第6章黏结剂喷射技术123
6.1黏结剂喷射技术的原理124
6.2黏结剂喷射技术的设计过程125
6.2.1黏结剂喷射的设计过程125
6.2.2黏结剂喷射技术的设计参数126
6.3黏结剂喷射的技术工艺127
6.3.1黏结剂喷射技术的工艺流程127
6.3.2黏结剂喷射的后处理过程127
6.3.3黏结剂喷射工艺的技术优势128
6.3.4黏结剂喷射工艺的技术限制129
6.4黏结剂喷射的材料130
6.4.1黏结剂喷射石膏打印131
6.4.2黏结剂喷射陶瓷打印132
6.4.3黏结剂喷射新型材料打印133
6.5黏结剂喷射技术的设备134
6.5.1黏结剂喷射技术的工业设备135
6.5.2黏结剂喷射技术的设备研发137
6.6黏结剂喷射技术的应用139
6.6.1应用领域139
6.6.2新技术进展142
参考文献143

第7章粉末床熔融技术145
7.1激光选区烧结技术146
7.1.1技术背景146
7.1.2激光选区烧结成形原理与烧结机理147
7.1.3激光选区烧结工艺150
7.1.4激光选区烧结成形材料154
7.1.5激光选区烧结成形装备160
7.1.6激光选区烧结成形技术的应用164
7.2激光选区熔化技术168
7.2.1技术背景168
7.2.2激光选区熔化成形原理168
7.2.3激光选区熔化成形工艺170
7.2.4激光选区熔化成形材料173
7.2.5激光选区熔化成形装备176
7.2.6激光选区熔化成形技术的应用180
参考文献183

第8章定向能量沉积技术185
8.1定向能量沉积技术原理186
8.1.1激光直接沉积技术186
8.1.2电子束熔丝沉积技术187
8.2定向能量沉积工艺特点189
8.2.1激光直接沉积技术特点189
8.2.2电子束熔丝沉积技术特点189
8.3定向能量沉积打印材料190
8.3.1钛和钛合金191
8.3.2高温合金192
8.3.3不锈钢192
8.3.4铝合金193
8.3.5镁合金193
8.4定向能量沉积技术及装备发展现状194
8.4.1激光直接沉积技术装备194
8.4.2电子束熔丝沉积技术装备196
8.5定向能量沉积技术应用200
8.5.1在航空航天领域的应用200
8.5.2在医学领域的应用202
8.5.3在模具制造领域的应用203
8.5.4在金属零件再制造修复领域的应用203
参考文献206

第9章叠层实体制造技术209
9.1技术背景210
9.2叠层实体制造成形原理210
9.3叠层实体制造工艺211
9.3.1叠层实体制造技术工艺过程211
9.3.2叠层实体制造技术主要工艺参数212
9.3.3叠层实体制造后处理工艺213
9.3.4叠层实体制造技术的工艺特点214
9.3.5叠层实体制造成形精度215
9.3.6叠层实体制造成形效率216
9.4叠层实体制造成形材料217
9.4.1基体材料217
9.4.2黏结材料218
9.5叠层实体制造成形装备218
9.5.1激光器及冷却器219
9.5.2激光扫描系统(x-y型切割头)219
9.5.3可升降工作台220
9.5.4材料送给装置221
9.5.5热压叠层装置221
9.5.6计算机控制系统221
9.5.7检测装置222
9.5.8机械系统222
9.6叠层实体制造技术的应用222
9.6.1产品原型制作222
9.6.2工业模具制备223
参考文献225

第10章复合成形技术227
10.1超音速激光沉积技术228
10.1.1超音速激光沉积技术原理229
10.1.2超音速激光沉积专用装备229
10.1.3超音速激光沉积工艺与材料230
10.1.4超音速激光沉积技术工业应用232
10.2电磁场复合激光增材制造与再制造技术234
10.2.1电磁场复合激光增材制造与再制造技术原理234
10.2.2电磁场复合激光增材制造与再制造专用设备236
10.2.3电磁场复合激光增材制造与再制造工艺与材料239
10.2.4电磁场复合激光增材制造与再制造技术工业应用240
10.3激光-电弧复合焊接技术242
10.3.1激光-电弧复合焊接技术原理242
10.3.2激光-电弧复合焊接专用装备243
10.3.3激光-电弧复合焊接工艺与材料244
10.3.4激光-电弧复合焊接技术工业应用245
10.4其他复合成形技术246
10.4.1激光超声振动复合技术246
10.4.2微铸锻铣复合制造技术248
10.4.3激光电化学复合沉积技术248
10.4.4激光增材与冲击强化复合制造技术250
10.5复合成形技术展望251
参考文献252

第11章3D打印产品标准及检测257
11.1国外增材制造技术标准现状258
11.1.1ASTM和ISO标准258
11.1.2SAE标准262
11.1.3其他标准化组织标准266
11.1.4先进发达国家标准267
11.2国内增材制造技术标准现状269
11.33D打印产品检测项目及测试方法271
11.3.13D打印专用材料检测项目及方法272
11.3.23D打印设备检测项目及方法275
11.3.33D打印成形件检测项目及方法280
参考文献284