3D打印成型综合技术与实例

3D打印技术是基于打印件的CAD模型，应用不同的打印方法，高效、高精度地制造出产品或模型，是具有工业革命意义的新兴增材制造技术。3D打印正逐步融入产品的研发、设计、生产各个环节，是材料科学、制造工艺与信息技术的高度融合与创新，是推动生产方式向柔性化、绿色化发展的重要途径，催生生产新模式、新业态和新市场的重要手段。当前，3D打印技术已在机械、电子、军事、医疗、建筑、食品等多个领域得到应用，产业呈现快速增长势头，发展前景良好。
本书阐述了3D打印技术的原理和3D打印技术的分类，介绍了熔融沉积成型（FDM）、光固化快速成型（SLA）、选区激光烧结/熔化成型（SLS、SLM）、激光熔覆成型（LCF）、电子束熔化成型（EBM）、电子束熔覆成型（EBF）、熔化液滴喷射沉积成型（DMM）、叠层实体制造（LOM）以及黏结剂喷射成型（3DP）的工作原理、技术特点、成型误差、控制系统等。
本书还介绍了3D打印常用材料的分类、性能及其应用领域，以及三维数据采集的方法及测量设备，包括三坐标测量机、关节式测量臂、激光式扫描仪等典型设备；重点介绍了3D打印的建模方法及其应用，三维建模与3D打印技术的相关概念，分别以PTC Creo parametric、UG NX、Solidworks三种参数化设计软件为例，结合实际应用对建模方法的具体应用进行了详细介绍。此外，本书还详细阐述了3D打印成型设备，包括设备型号及主要参数，以及3D打印的应用领域及应用实例，重点介绍了快速模具制造技术及其应用。本书可供从事机电产品设计、机械制造及其自动化、材料科学与工程等专业的科技人员和在校师生参考，也可供广大机械制造、材料成型、医疗、汽车制造、飞机零部件、商业机器、模型、玩具、服装等领域专业人士和众多3D打印DIY人士参考。
本书由辛志杰、陈振亚编著。其中，辛志杰编写了前6章，陈振亚编写了第7章和第8章。本书在编写过程中参考了许多宝贵的文献资料，使本书更加系统和完善。在此向这些文献的作者表示衷心感谢！ 
由于编著者水平和时间有限，书中难免存在不足之处，敬请广大读者批评、指正。

编著者
2020年5月

3D打印技术是一种新兴的增材制造和成型技术，具有广阔的发展前景与光明的未来。 本书介绍了大量3D打印成型综合技术，涵盖熔融沉积成型、光固化快速成型、选区激光烧结/熔化成型、激光熔覆成型、电子束熔化成型、电子束熔覆成型、熔化液滴喷射沉积成型、叠层实体制造、黏结剂喷射成型等的综合打印技术；还介绍了快速模具制造技术及其应用、三维数据采集及处理技术、3D打印建模技术、3D打印成型及其后处理技术等。此外，还介绍了几种重要的三维建模软件，能使读者快速入门，轻松掌握3D打印、三维建模的实操能力和技巧。
全书图文并茂，内容丰富、实用。本书可供从事机电产品设计、机械制造及其自动化、材料科学与工程等专业的科技人员和在校师生参考，也可供广大对3D打印技术、3D打印产品开发有兴趣的人士参考。

第1章概述/1
1.13D打印成型技术1
1.1.13D打印技术简介1
1.1.2三维建模在3D打印成型技术中的作用2
1.23D打印建模方法2
1.2.1正向设计2
1.2.2逆向设计3
1.2.3正逆向混合设计3

第2章3D打印成型工艺/4
2.1概述4
2.2熔融沉积成型(FDM)4
2.2.1FDM技术原理5
2.2.2FDM系统组成5
2.2.3工艺特点10
2.2.4FDM工艺误差影响因素11
2.3光固化快速成型（SLA）13
2.3.1光固化快速成型工作原理13
2.3.2技术优缺点14
2.3.3工艺过程15
2.3.4系统组成18
2.3.5系统控制技术21
2.3.6成型质量影响因素27
2.4选区激光烧结/熔化成型（SLS、SLM）29
2.4.1选区激光烧结/熔化成型工作原理29
2.4.2选区激光烧结/熔化成型供粉系统31
2.4.3选区激光烧结/熔化成型技术特点32
2.5激光熔覆成型（LCF）34
2.5.1激光熔覆成型工作原理34
2.5.2激光熔覆成型技术特点36
2.6电子束熔化成型（EBM）37
2.6.1电子束熔化成型工作原理37
2.6.2电子束熔化成型技术特点38
2.7电子束熔覆成型（EBFF）39
2.8熔化液滴喷射沉积成型（DMM）40
2.8.1熔化液滴喷射沉积成型工作原理40
2.8.2熔化液滴喷射沉积成型影响因素42
2.9黏结剂喷射成型(3DP)42
2.9.1黏结剂喷射成型工作原理42
2.9.2黏结剂喷射式技术特点43
2.9.33DP系统组成43
2.9.43DP系统控制技术46
2.9.53DP工艺成型质量影响因素49
2.10叠层实体制造(LOM)50
2.10.1概述50
2.10.2LOM成型工艺的基本原理50
2.10.3叠层实体制造技术特点51
2.10.4LOM系统组成52
2.10.5LOM系统控制技术57
2.10.6LOM工艺成型质量影响因素59
2.10.7LOM工艺后处理60

第3章3D打印成型材料/62
3.1熔融沉积成型材料62
3.1.1熔融沉积快速成型对成型材料的要求63
3.1.2熔融沉积快速成型对支撑材料的要求63
3.1.3尼龙材料64
3.1.4ABS材料66
3.1.5ABS系列改性材料66
3.1.6PLA材料68
3.1.7PC材料69
3.1.8PC/ABS合金材料71
3.1.9PC-ISO材料72
3.1.10聚亚苯基砜材料72
3.1.11聚醚酰亚胺材料73
3.2光固化成型材料74
3.2.1光固化材料优点及分类74
3.2.2光敏树脂的组成及其光固化特性74
3.2.3光固化快速成型材料76
3.3叠层实体制造材料78
3.4金属材料80
3.4.1钛合金80
3.4.2不锈钢82
3.4.3铝合金84
3.4.4黄铜85
3.4.5钴铬钼耐热合金85
3.4.6高温合金86
3.4.7镁合金87
3.5复合材料87
3.5.1尼龙铝87
3.5.2玻璃纤维和尼龙87
3.5.3连续纤维增强热塑性复合材料88
3.6无机非金属材料88
3.6.1陶瓷材料89
3.6.2石膏材料91
3.6.3砂岩材料92
3.7橡胶材料92
3.8其他3D打印材料94
3.8.1淀粉材料94
3.8.2食用材料95
3.8.3生物细胞材料95
3.8.4硅胶材料96

第4章三维数据采集/98
4.1现代精密测量技术99
4.2数据采集方法与测量设备的选择100
4.3三坐标测量机及其操作102
4.3.1三坐标测量机的应用103
4.3.2三坐标测量机的组成及工作原理104
4.3.3桥式三坐标测量机105
4.3.4三坐标测量机的操作流程115
4.3.5箱体类零件的测量实例118
4.4关节式坐标测量机及其操作120
4.4.1FARO CAM2 Measure 10软件121
4.4.2采用FARO Edge测量臂测量实例122
4.4.3采用FARO Laser ScanArm 测量臂测量实例126
4.5数字摄影三维坐标测量系统127
4.6手持式激光扫描仪测量系统131

第5章三维建模方法/135
5.1概述135
5.2基于PTC Creo Parametric的三维建模方法135
5.2.1PTC Creo Parametric简介135
5.2.2PTC Creo Parametric工作界面136
5.2.3PTC Creo Parametric快速上手136
5.2.4三维建模实例138
5.2.5PTC Creo Parametric模型在3D打印机上的应用157
5.3基于UG NX的三维建模方法159
5.3.1UG NX10.0简介及特点159
5.3.2UG NX10.0工作界面加载159
5.3.3UG NX10.0快速上手161
5.3.4UG NX10.0模型在3D打印机上的应用163
5.4基于SolidWorks的三维建模方法163
5.4.1SolidWorks简介163
5.4.2SolidWorks工作界面163
5.4.3SolidWorks 快速上手165
5.4.4SolidWorks模型在3D打印机上的应用168
5.5三维逆向建模169
5.5.1逆向设计软件的分类169
5.5.2逆向设计常用软件169
5.5.3基于Imageware的逆向建模170
5.5.4基于Geomagic Studio的逆向建模173

第6章3D打印成型设备/187
6.1FDM打印成型设备187
6.1.1Stratasys公司的3D打印机187
6.1.23D Systems公司的3D打印机189
6.1.3上海富奇凡HTS系列3D打印机191
6.2SLA打印成型设备192
6.2.13D systems光固化3D打印机192
6.2.2陕西恒通光固化3D打印机193
6.2.3中瑞科技光固化3D打印机195
6.3金属材料3D打印成型设备195
6.3.1选区激光烧结/熔化成型典型设备196
6.3.2激光熔覆成型典型设备200
6.43DP打印成型设备202
6.4.13D Systems公司的3D打印机202
6.4.2ExOne公司的3D打印机204
6.4.3Voxeljet公司的3D打印机205
6.4.4上海富奇凡LTY型3D打印机209
6.5LOM打印成型设备211
6.5.1南京紫金立德公司的成型机211
6.5.2武汉滨湖机电公司的成型机211
6.5.3Helisys公司的成型机212

第7章3D打印技术的应用/214
7.1FDM技术的应用214
7.1.1汽车工业214
7.1.2航空航天215
7.1.3医疗卫生215
7.1.4教育教学215
7.1.5食品加工216
7.1.6其他应用216
7.2SLA技术的应用216
7.2.1SLA在航空航天领域的应用216
7.2.2SLA在汽车领域的应用217
7.2.3SLA在艺术领域的应用217
7.3金属3D打印成型技术的应用218
7.3.1选区激光烧结/熔化成型工艺应用218
7.3.2激光熔覆成型工艺应用220
7.3.3电子束熔化成型工艺应用222
7.43DP技术的应用223
7.4.1原型全彩打印223
7.4.2金属直接成型225
7.4.3砂模铸造成型225
7.5LOM技术的应用226
7.5.1产品外观评价和结构设计验证226
7.5.2新产品试制226
7.5.3快速制模227
7.5.4工艺品制作228

第8章快速制模技术/229
8.1软模技术229
8.1.1工艺路线229
8.1.2原型件的准备230
8.1.3制造硅橡胶模具230
8.1.4浇注品的制造231
8.2过渡模技术233
8.2.1铝填充环氧树脂模233
8.2.2SLA成型的树脂壳-铝填充环氧树脂背衬模235
8.3硬模技术238
8.3.1直接加工金属模具239
8.3.2用SLS方法烧结铸型245
8.3.3基于快速原型的喷涂法245

参考文献/246