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3D打印增材制造技术

作译者：潘家敬

出版时间：2022-07 千字数：235 版次：01-01 页数：140

开本：16开装帧： I S B N ：9787121438325

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纸质书定价：￥29.0

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目 录 
绪论 3D 打印增材制造技术概述 ................................................................................................................. 1
第 1 章 增材制造中的三维模型及数据处理 ............................................................................................ 3
1.1 三维模型的构建 ................................................................................................................................... 3
1.1.1 计算机辅助建模 .......................................................................................................................... 3
1.1.2 逆向工程及建模 .......................................................................................................................... 4
1.1.3 三维扫描测量技术 ...................................................................................................................... 5
1.1.4 点云数据处理 .............................................................................................................................. 7
1.2 三维模型的 STL 文件 ........................................................................................................................ 8
1.2.1 格式及精度 .................................................................................................................................. 9
1.2.2 基本规则与错误类型 ................................................................................................................. 11
1.2.3 分割和拼接 ................................................................................................................................ 13
1.3 三维模型的切片处理 ........................................................................................................................ 14
1.3.1 模型的摆放和支撑结构 ............................................................................................................ 15
1.3.2 分层切片软件 ............................................................................................................................ 16
1.3.3 切片的分类 ................................................................................................................................ 17
1.3.4 层片数据处理 ............................................................................................................................ 18 第 2 章 增材制造材料及制备 ...................................................................................................................... 21
2.1 金属打印材料 ...................................................................................................................................... 21
2.1.1 常用的金属打印材料 ................................................................................................................ 21
2.1.2 金属粉末的制备 ........................................................................................................................ 22
2.1.3 金属丝材制备工艺 .................................................................................................................... 25
2.2 高分子打印材料 ................................................................................................................................. 26
2.2.1 常用的高分子打印材料 ............................................................................................................ 26
2.2.2 高分子丝材的制备 .................................................................................................................... 28
2.2.3 高分子粉材的制备 .................................................................................................................... 29
2.3 光敏树脂材料 ...................................................................................................................................... 30
2.3.1 光敏树脂的组成 ........................................................................................................................ 30
2.3.2 光敏树脂的性能 ........................................................................................................................ 30
2.3.3 光敏树脂材料的分类 ................................................................................................................ 31
2.3.4 光敏树脂材料固化机理 ............................................................................................................ 32
3D 打印增材制造技术
·VI·
2.4 陶瓷打印材料 ...................................................................................................................................... 33
2.4.1 常用的陶瓷打印材料 ................................................................................................................ 34
2.4.2 陶瓷粉体的制备 ........................................................................................................................ 36
2.4.3 覆膜砂材料 ................................................................................................................................ 37
2.5 3D 打印复合材料 ............................................................................................................................... 37
2.5.1 高分子粉末复合材料 ................................................................................................................ 38
2.5.2 纤维增强复合材料 .................................................................................................................... 38
2.5.3 金属基复合材料 ........................................................................................................................ 39
第 3 章 材料挤出打印技术 ........................................................................................................................... 41
3.1 熔融沉积制造技术 ............................................................................................................................ 41
3.1.1 基本原理及特点 ........................................................................................................................ 41
3.1.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 42
3.1.3 成型工艺过程 ............................................................................................................................ 43
3.1.4 成型质量的因素分析 ................................................................................................................ 44
3.2 碳纤维复合材料 3D 打印 ................................................................................................................ 45
3.2.1 基本原理及特点 ........................................................................................................................ 45
3.2.2 成型工艺 .................................................................................................................................... 46
3.3 螺杆挤出 3D 打印技术 .................................................................................................................... 46
3.3.1 基本原理 .................................................................................................................................... 46
3.3.2 成型设备 .................................................................................................................................... 47
3.4 气动挤出打印技术 ............................................................................................................................ 47 第 4 章 光固化增材制造技术 ...................................................................................................................... 49
4.1 光固化成型技术 ................................................................................................................................. 49
4.1.1 基本原理 .................................................................................................................................... 49
4.1.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 49
4.1.3 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 51
4.1.4 光固化成型精度 ........................................................................................................................ 52
4.1.5 工艺特点 .................................................................................................................................... 56
4.2 数字光处理技术 ................................................................................................................................. 56
4.2.1 基本原理 .................................................................................................................................... 57
4.2.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 57
4.2.3 成型工艺过程 ............................................................................................................................ 58
4.2.4 工艺特点及应用 ........................................................................................................................ 58
4.3 数字光合成技术 ................................................................................................................................. 59
4.4 液晶显示光固化技术 ........................................................................................................................ 59
目录
·VII.第 5 章 粉末床熔融增材制造技术 ............................................................................................................. 61
5.1 选择性激光烧结技术 ........................................................................................................................ 61
5.1.1 基本原理 .................................................................................................................................... 61
5.1.2 高分子粉末材料 SLS 技术 ....................................................................................................... 62
5.1.3 陶瓷粉末材料 SLS 技术 ........................................................................................................... 63
5.1.4 金属粉末 SLS 技术 ................................................................................................................... 64
5.1.5 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 65
5.2 激光选区熔化技术 ............................................................................................................................ 67
5.2.1 基本原理及工艺特点 ................................................................................................................ 67
5.2.2 成型设备 .................................................................................................................................... 68
5.2.3 振镜式激光扫描系统 ................................................................................................................ 69
5.2.4 成型工艺及缺陷分析 ................................................................................................................ 71
5.3 电子束选区熔化技术 ........................................................................................................................ 73
5.3.1 基本原理及特点 ........................................................................................................................ 73
5.3.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 74
5.3.3 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 75
第 6 章 定向能量沉积增材制造技术 ........................................................................................................ 77
6.1 增材制造能量源 ................................................................................................................................. 77
6.1.1 激光原理与激光器 .................................................................................................................... 77
6.1.2 电弧等离子体 ............................................................................................................................ 80
6.1.3 电子束 ........................................................................................................................................ 81
6.2 激光近净成型技术 ............................................................................................................................ 81
6.2.1 基本原理及特点 ........................................................................................................................ 82
6.2.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 82
6.2.3 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 84
6.3 电弧熔丝增材制造技术 ................................................................................................................... 85
6.3.1 基本原理及特点 ........................................................................................................................ 85
6.3.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 85
6.3.3 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 87
6.4 电弧喷涂制造技术 ............................................................................................................................ 87
6.4.1 基本原理及特点 ........................................................................................................................ 87
6.4.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 88
6.4.3 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 89
6.5 电子束自由成型制造技术 .............................................................................................................. 90
6.5.1 基本原理及特点 ........................................................................................................................ 90
6.5.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 90
3D 打印增材制造技术
·VIII·
6.5.3 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 91
6.6 等离子熔覆制造技术 ........................................................................................................................ 91
6.6.1 基本原理 .................................................................................................................................... 91
6.6.2 工艺特点 .................................................................................................................................... 92
6.6.3 工程应用 .................................................................................................................................... 92
第 7 章 三维喷射打印技术 ........................................................................................................................... 93
7.1 喷墨式 3D 打印技术 ......................................................................................................................... 93
7.1.1 连续喷墨打印技术 .................................................................................................................... 93
7.1.2 热气泡喷墨打印技术 ................................................................................................................ 94
7.1.3 微压电喷墨打印技术 ................................................................................................................ 94
7.2 三维（黏结剂）喷射打印技术 ..................................................................................................... 96
7.2.1 基本原理 .................................................................................................................................... 96
7.2.2 成型材料与设备 ........................................................................................................................ 97
7.2.3 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 97
7.3 冷喷涂增材制造技术 ........................................................................................................................ 99
7.3.1 基本原理 .................................................................................................................................... 99
7.3.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 99
7.3.3 特点及应用 .............................................................................................................................. 100
7.4 聚合物喷射增材制造技术 ............................................................................................................ 100
7.4.1 PolyJet 聚合物喷射技术 ......................................................................................................... 100
7.4.2 多射流熔融技术 ...................................................................................................................... 101
7.5 纳米颗粒喷射 3D 打印技术 ......................................................................................................... 103
7.5.1 工作原理 .................................................................................................................................. 103
7.5.2 成型工艺及分析 ...................................................................................................................... 103
7.5.3 工艺特点及应用 ...................................................................................................................... 103
7.6 气溶胶喷射打印技术 ...................................................................................................................... 104
7.6.1 基本原理 .................................................................................................................................. 104
7.6.2 成型工艺及设备 ...................................................................................................................... 104
7.6.3 特点及应用 .............................................................................................................................. 105
第 8 章 薄材叠层增材制造技术 ................................................................................................................ 106
8.1 叠层实体制造技术 .......................................................................................................................... 106
8.1.1 基本原理及特点 ...................................................................................................................... 106
8.1.2 成型系统与设备 ...................................................................................................................... 107
8.1.3 成型工艺过程 .......................................................................................................................... 107
8.2 超声波固相增材制造技术 ............................................................................................................ 108
8.2.1 技术原理 .................................................................................................................................. 108
目录
·IX·
8.2.2 工艺特点 .................................................................................................................................. 109
8.2.3 应用 ........................................................................................................................................... 110
第 9 章 新型 3D 打印技术 ........................................................................................................................... 111
9.1 直接墨水书写 3D 打印技术 ......................................................................................................... 111
9.1.1 导电墨水材料 ........................................................................................................................... 111
9.1.2 基本原理及特点 ....................................................................................................................... 112
9.1.3 工艺特点 ................................................................................................................................... 113
9.2 液态金属悬浮 3D 打印技术 ......................................................................................................... 114
9.2.1 液态金属材料 ........................................................................................................................... 114
9.2.2 工艺过程 ................................................................................................................................... 114
9.2.3 特点及应用 ............................................................................................................................... 115
9.3 双光子聚合激光 3D 直写打印技术 ........................................................................................... 115
9.3.1 基本原理 ................................................................................................................................... 116
9.3.2 成型工艺及设备 ....................................................................................................................... 117
9.3.3 特点及应用 ............................................................................................................................... 117
第 10 章 3D 打印材料的性能 ..................................................................................................................... 119
10.1 材料的强度与塑性 ........................................................................................................................ 119
10.1.1 拉伸试验及拉伸曲线 ............................................................................................................. 119
10.1.2 拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义 ............................................................................ 121
10.2 材料的硬度 ...................................................................................................................................... 122
10.2.1 布氏硬度 ................................................................................................................................ 122
10.2.2 洛氏硬度 ................................................................................................................................ 123
10.2.3 维氏硬度 ................................................................................................................................ 123
10.3 材料的冲击韧度 ............................................................................................................................. 124
10.4 材料的疲劳强度 ............................................................................................................................. 126
10.5 材料的断裂韧度 ............................................................................................................................. 127
参考文献 ............................................................................................................................................................... 129

前言
增材制造技术，也称为3D打印技术，是20世纪80年代后期发展起来的新型制造技术。增材制造技术与计算机、信息、自动化、材料、化学、生物及现代管理等学科相融合，使传统意义上的制造技术有了质的飞跃，形成了先进制造技术的新体系。我国是全球最大的工业生产国，随着国家政策的扶持和企业需求的扩大，未来3D打印产业将在我国工业生产制造中扮演重要的角色。增材制造产业的发展，迫切需要相关的教材、理论跟进。
这本《3D打印增材制造技术》共10章，由青岛科技大学教学一线教师在总结多年教学经验的基础上，采用团队通力协作、校企深度合作的模式编写完成。本书主要阐述了增材制造数据处理（涉及三维模型的构建、STL文件和切片处理），增材制造材料（涉及金属材料、高分子材料、陶瓷材料、液态光敏树脂复合材料、导电油墨材料及生物医用材料）和增材制造工艺及设备（涉及FDM、SLA、DLP、CLIP、WAAM等数十种3D打印技术）。
本书的目的是让学生通过学习，掌握面向增材制造技术的数据处理、材料、工艺及设备，重点培养学生增材制造技术理论研究、创新及实践的能力。本书的主要特点如下。
（1）内容侧重于应用理论和应用技术，强调密切联系生产实际，力求突出实践应用，注重能力培养。
（2）突出知识的应用性、实践性和创新性，并贯彻现行的国家标准及行业标准。
（3）以学生能力的培养和提升为教学重点，内容力求少而精，以“够用、适度”为原则，紧贴生产实际，为学生毕业后进入企业的无缝对接奠定良好的基础。
本书学时分配（课程安排）建议如下。

教学章节	教学内容	讲课时数
绪论 	3D打印增材制造技术概述	1
第1章 增材制造中的三维模型及数据处理	1.1 三维模型的构建	2
	1.2 三维模型的STL文件	
	1.3 三维模型的切片处理	
第2章 增材制造材料及制备	2.1 金属打印材料	3
	2.2 高分子打印材料	
	2.3 光敏树脂材料	
	2.4 陶瓷打印材料	
	2.5??3D打印复合材料	
第3章 材料挤出打印技术	3.1 熔融沉积制造技术	4
	3.2 碳纤维复合材料3D打印	
	3.3 螺杆挤出3D打印技术	
	3.4 气动挤出打印技术	
续表
教学章节	教学内容	讲课时数
第4章 光固化增材制造技术	4.1 光固化成型技术	6
	4.2 数字光处理技术	
	4.3 数字光合成技术	
	4.4 液晶显示光固化技术	
第5章 粉末床熔融增材制造技术	5.1 选择性激光烧结技术	6
	5.2 激光选区熔化技术	
	5.3 电子束选区熔化技术	
第6章 定向能量沉积增材制造技术	6.1 增材制造能量源	6
	6.2 激光近净成型技术	
	6.3 电弧熔丝增材制造技术	
	6.4 电弧喷涂制造技术	
	6.5 电子束自由成型制造技术	
	6.6 等离子熔覆制造技术	
第7章 三维喷射打印技术	7.1 喷墨式3D打印技术	4
	7.2 三维（黏结剂）喷射打印技术	
	7.3 冷喷涂增材制造技术	
	7.4 聚合物喷射增材制造技术	
	7.5 纳米颗粒喷射3D打印技术	
	7.6 气溶胶喷射打印技术	
第8章 薄材叠层增材制造技术	8.1 叠层实体制造技术	4
	8.2 超声波固相增材制造技术	
第9章 新型3D打印技术	9.1 直接墨水书写3D打印技术	4
	9.2 液态金属悬浮3D打印技术	
	9.3 双光子聚合激光3D直写打印技术	
第10章 3D打印材料的性能	10.1 材料的强度与塑性	2
	10.2 材料的硬度	
	10.3 材料的冲击韧度	
	10.4 材料的疲劳强度	
	10.5 材料的断裂韧度	

3D打印增材制造技术涉及众多学科，发展日新月异，由于编者水平有限，书中难免存在疏漏及不足之处，恳请读者批评指正。


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