《3D打印技術概論》219P

《3D打印技術概論》第一章認識3D打印學習目標1.掌握3D打印的概念、基本原理與分類。2.掌握3D打印的特點。3.了解國外3D打印的發(fā)展歷程。3D打印的概念、基本原理與分類01.一、3D打印的概念3D打印技術在國外叫作快速成型RP（RapidPrototyping）技術。隨著科學技術的進步，部分快速成型設備的操作與傳統(tǒng)的紙張打印機基本相同，為了便于推廣，目前的快速成型設備常被通俗的稱為“3D打印機”，快速成型技術常被通俗的稱為“3D打印技術”。當前企業(yè)或研究機構普遍喜歡用“增材制造”AM（AdditiveManufacture）來表示3D打印技術。2009年美國材料實驗協(xié)會ASTM將AM定義為：與傳統(tǒng)的去除材料加工方法完全相反，通過三維模型數(shù)據(jù)來實現(xiàn)增材成型，通常用逐層添加材料的方式直接制造產(chǎn)品。3D打印技術是機械工程技術、CAD技術、電子技術、數(shù)控技術、激光技術、材料科學等多學科相互滲透與交叉的產(chǎn)物，被稱為21世紀制造業(yè)最具影響的技術之一。二、3D打印的基本原理3D打印技術是基于“離散/堆積成形”的成型思想，用層層疊加的方法將成形材料“堆積”而形成實體工件的技術。從原理上來說，3D打印技術是通過計算機及相應的切片軟件將建成的三維數(shù)字模型“切片”成逐層的截面數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)傳送到3D打印機上，3D打印機按照這些切片數(shù)據(jù)一層層將3D打印材料堆積起來，直到形成一個實體成型零件的過程。目前，3D打印技術也常被稱為“快速原型制造技術”或“疊加制造技術”。三、3D打印技術的分類3D打印技術的分類有很多種，常見的分類方式有按技術原理分類、按原型使用材料的構建技術分類和按打印材料分類等。1.按技術原理分類2.按原型使用材料的構建技術分類3.按打印材料分類按打印材料可分為金屬材料打印機、無機非金屬材料打印機、有機高分子材料打印機、生物材料打印機等?！?-23D打印的技術的特點和與傳統(tǒng)加工的對比一、3D打印的技術特點1.設計階段便于交流2.應用領域廣泛3.制造過程快速4.廢棄物少，近凈成型。5.自由成型制造（幾何形狀無限打?。?.制造復雜工件不增加成本7.零技能制造8.無組裝集成制造9.梯度功能材料制造10.技術高度集成11.實體精確復制12.縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和降低研發(fā)成本13.可實現(xiàn)小批量產(chǎn)品制造14.突破制造局限二、3D打印技術與傳統(tǒng)加工的對比1.3D打印技術與傳統(tǒng)減材加工的比較2.3D打印技術與傳統(tǒng)增材加工的比較3D打印的發(fā)展歷程02.一、國外3D打印的發(fā)展歷程1.產(chǎn)生期3D打印技術起源于美國。1983年，美國科學家CharlesHull（查爾斯?胡爾）發(fā)明光固化成型技術并制造出全球首個3D打印零件。1986年，CharlesHull獲得了全球第一項增材制造專利，同年成立3DSystems公司。1988年3DSystems公司生產(chǎn)出第一臺自主研發(fā)的3D打印機SLA-250，SLA-250的面世是3D打印技術發(fā)展歷史上的一個里程碑，其設計思想幾乎影響了后續(xù)所有的3D打印設備。目前3DSystems是全球最大3D打印設備生產(chǎn)商之一。2.成長發(fā)展期1988年，一位美國康涅狄格州工程師ScottCrump（斯特克?魯姆普）發(fā)明了另一種3D打印技術——熔融沉積成型技術FDM這項3D打印技術利用蠟、ABS、PLA、尼龍等熱塑性材料來制作物體，他在成功發(fā)明了這項技術之后也成立了一家名為Stratasys的公司。1989年，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard（德卡德）博士發(fā)明了第三種3D打印技術——選擇性激光燒結成型技術SLS這項技術是利用計算機控制高強度激光逐層將尼龍、ABS、金屬和陶瓷等材料粉末高溫燒結直至成型。憑借這一核心技術，他組建了DTM公司，之后DTM一直是SLS技術的主要領導企業(yè)，直到2001年被3DSystems公司收購。在隨后的幾年中，三維打印成型技術（3DP）、薄材疊層制造成型技術（LOM）、選擇性激光熔融成型技術（SLM）等3D打印技術不斷的出現(xiàn)和發(fā)展，為3D打印技術的廣泛應用打下了良好的基礎。3.廣泛應用期進入21世紀后，3D打印技術逐漸被大眾所接受，特別是2010年后，隨著技術的進步，3D打印技術在工業(yè)模具、工業(yè)設計、珠寶、建筑、汽車、航空航天、醫(yī)療、教育以及其他許多領域發(fā)揮了巨大的作用。目前3D打印技術的發(fā)展已經(jīng)呈現(xiàn)以下特點：（1）產(chǎn)業(yè)格局基本形成3D打印產(chǎn)業(yè)已基本形成了美、歐等發(fā)達國家和地區(qū)主導，亞洲國家和地區(qū)后起追趕的發(fā)展態(tài)勢。（2）應用范圍不斷拓展近年來，越來越多的企業(yè)將3D打印技術用于突破研發(fā)瓶頸或解決設計難題，助力智能制造、綠色制造等新型制造模式。（3）企業(yè)持續(xù)發(fā)展、不斷重組隨著一大批企業(yè)進入3D打印制造領域，全球范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)競爭不斷加劇，小的3D制造服務企業(yè)不斷被大企業(yè)兼并，全球較大的3D制造服務企業(yè)不斷通過并購提升競爭力。（4）增材制造市場前景廣闊據(jù)《中國3D打印產(chǎn)業(yè)市場需求與投資潛力分析報告》預測，到2020年全球3D打印市場規(guī)模將達三百五十億美元。我國預計到2020年，3D打印市場規(guī)模也將發(fā)展到100億元左右。一、國內(nèi)3D打印的發(fā)展歷程我國自20世紀80年代初，開始發(fā)展3D打印技術，國內(nèi)3D打印技術的發(fā)展大致經(jīng)歷了艱難起步、逐步發(fā)展和開始產(chǎn)業(yè)化三個階段。1.艱難起步1988年，正在美國加州大學做訪問學者清華大學教師顏永年教授偶然得到了一張工業(yè)展覽宣傳單，其中介紹了快速成型技術。顏永年教授回國后立刻啟動相關技術的研發(fā)，并建立了清華大學激光快速成形中心。西安交通大學的盧秉恒教授在1992年赴美訪問時發(fā)現(xiàn)了3D打印技術在汽車制造業(yè)中的應用，回國后隨即轉(zhuǎn)向研究這一領域并于1994年成立先進制造技術研究所。2.逐步發(fā)展經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國己涌現(xiàn)出許多從事3D打印設備制造與服務的企業(yè)，比如北京殷華激光快速成型與模具技術有限公司（清華大學），武漢濱湖機電技術產(chǎn)業(yè)有限公司（華中科技大學），陜西恒通智能機器有限公司（西安交通大學），北京太爾時代科技有限公司等。其中部分企業(yè)的3D打印技術和設備已經(jīng)達到了國際領先水平。北京航空航天大學從2000年開始攻關，在5年時間里突破了鈦合金等高性能金屬結構件激光快速成型關鍵技術及關鍵成套工藝裝備技術，制造出了C919客機機頭工程樣件所需的鈦合金主風擋窗框，使我國躋身于國際上少數(shù)幾個全面掌握這項技術的國家行列，并成為繼美國之后第二個掌握飛機鈦合金結構件激光快速制造技術的國家。3.發(fā)展現(xiàn)狀雖然20多年來，我國3D打印產(chǎn)業(yè)化不斷推進，我國3D打印產(chǎn)業(yè)的規(guī)模依然很小，我國目前在產(chǎn)業(yè)化技術發(fā)展和應用方面仍落后于美國和歐洲。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）技術研發(fā)落后我國3D打印裝備的部分技術水平與國外先進水相當，但在關鍵器件、打印材料和應用范圍等方面較國外落后。（2）工藝控制水平低國外是基于理論基礎的工藝控制，而我國則更多依賴于經(jīng)驗和反復的試驗驗證，導致我國增材制造工藝控制關鍵技術整體落后。（3）智能化水平低目前絕大部分3D打印工藝裝備我國都有研制，但在智能化程度與國外先進水相比還有差距。（4）核心部件依賴進口我國部分3D打印設備的核心元器件還主要依靠進口。特別是高端3D打印設備核心元器件在質(zhì)量、壽命等方面較國外還有很大出差距。三、3D打印快速發(fā)展的原因1.價格下降現(xiàn)在普通3D打印機的價格已降至幾千美元，國產(chǎn)3D打印機甚至只需幾千元，價格的下降直接促成了3D打印機的普及。近些年，3D打印材料也在不斷進步與發(fā)展。隨著3D打印機、打印材料和零部件價格的下降，使得3D打印機正日益成為一臺能制造萬物的神奇機器。2.技術進步隨著3D打印技術的進步以及3D打印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面不斷提升，3D打印技術被廣泛應用于各個領域，特備是航空航天、生物醫(yī)學等尖端領域。在即將進入的工業(yè)4.0時代，飛速發(fā)展的3D打印技術為第四次工業(yè)革命拉開了序幕。目前，3D打印技術雖然已經(jīng)取得了重大進展，但有關材料、設備和軟件等方面問題依然存在，具體表現(xiàn)為以下幾個方面。1.打印材料的開發(fā)2.加工成本的控制3.知識產(chǎn)權的保護4.生產(chǎn)的監(jiān)管5.生產(chǎn)技能的要求6.標準的建立7.普及工作的宣傳四、3D打印存在的困難與挑戰(zhàn)第二章常見3D打印技術及打印材料學習目標1.掌握熔融沉積成型技術的原理、特點、應用與發(fā)展方向，熟悉其常見的材料種類。2.掌握立體光固化成型技術的原理、特點、應用與發(fā)展方向，熟悉其常見的材料種類。3.掌握選擇性激光燒結技術的原理、特點、應用與發(fā)展方向，熟悉其常見的材料種類。4.了解三維打印成型技術。5.了解薄材疊層制造成型技術。6.了解選擇性激光熔化技術。7.掌握常用3D打印技術的特點?！?-1熔融沉積成型技術一、FDM的原理FDM機械系統(tǒng)主要包括加熱室、送絲機構、噴頭、運動機構、工作臺5個部分。FDM成型中，每一個層片都是在前一層上堆積而成，前一層對當前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會發(fā)生變化，當形狀發(fā)生較大的變化時，前一層輪廓就不能給當前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設計一些“支撐”作為輔助結構，以保證成型過程的順利實現(xiàn)。二、FDM的特點1.優(yōu)點（1）成本低。（2）目前FDM技術可以采用水溶性支撐材料，使得去除支撐簡單易行，可快速構建復雜的內(nèi)腔、中空零件以及一次成型的裝配結構件。（3）原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運和快速更換。（4）可選用多種材料，如PLA、ABS、TPE/TPU等。（5）原材料在成型過程中無化學變化，制件變形小。（6）與傳統(tǒng)加工方式相比，粉塵、噪聲等污染少。不用建設與維護專用場地，適合于辦公環(huán)境使用。（7）材料強度好，打印成型后的模型可以用于裝配檢驗和功能測試等領域。2.缺點（1）精度較低，F(xiàn)DM的最高精度為0.15mm左右，難以加工精度高的零件。（2）原型表面有較明顯的條紋、打印的層與層之間的截面垂直方向強度小。（3）成型速度相對傳統(tǒng)加工慢，不適合構建特大型零件。三、FDM的應用場合基于FDM工藝的特點，F(xiàn)DM被大量應用于汽車、機械、家電、通訊、電子、建筑、醫(yī)學、玩具等產(chǎn)品的設計開發(fā)過程，如產(chǎn)品外觀評估、方案選擇、裝配檢查、功能測試、用戶看樣訂貨、塑料件開模前校驗設計以及少量產(chǎn)品制造等，也應用于學校及研究院所等教學與研究機構。用傳統(tǒng)方法需幾個星期、幾個月才能制造的復雜產(chǎn)品原型，用FDM技術短時間便可完成，大大降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期、提高了生產(chǎn)效率，給企業(yè)和社會帶來了較大的經(jīng)濟效益。四、FDM的發(fā)展方向未來FDM的發(fā)展趨勢主要有以下幾點：（1）開發(fā)性能好的快速成型材料，如成本低、易成型、變形小、強度高、耐久及無污染的成型材料。

（2）改善快速成型系統(tǒng)的可靠性，提高其生產(chǎn)率和制作大尺寸工件的能力。（3）創(chuàng)新和改進成型方法和工藝。著重推動直接金屬FDM成型技術的發(fā)展。（4）提高網(wǎng)絡化服務的能力，實現(xiàn)更加便捷的遠程打印和控制。五、FDM的材料1.FDM打印材料的種類（1）PLA材料PLA（聚乳酸）是3D打印最常用的材料。它是一種新型生物降解材料熱塑性塑料，它由玉米、木薯和甘蔗等可再生資源提取的淀粉原料，經(jīng)發(fā)酵制成乳酸，再通過化學合成轉(zhuǎn)換成PLA。PLA不污染環(huán)境，是一種環(huán)境友好材料，也被稱為“綠色塑料”.（2）ABS材料ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）。這種熱塑性塑料具有價格便宜，經(jīng)久耐用，稍有彈性，質(zhì)量輕，容易擠出等特點.2）木質(zhì)感材料。1）TPE/TPU柔性材料。（3）其他材料3）金屬質(zhì)感材料。4）碳纖維材料。5）夜光材料。2.PLA和ABS的對比與應用（1）環(huán)保性比較PLA是一種生物聚合物，理論上比ABS環(huán)保，除了3D打印，它通常應用于制成包裝材料、塑料杯和塑料水瓶等。ABS是一種化合物，常用于日常生活中的塑料制品，例如汽車制品、電氣設備，甚至樂高積木。ABS理論上不是食品安全材料，當ABS接觸到熱的液體或食物時，塑料中的化學物質(zhì)會逐漸浸入食物。（2）熱學性能比較由于材料及其制品都在一定的溫度環(huán)境下使用，在使用過程中，不同的溫度會有不同的熱物理性能表現(xiàn)，這些熱物理性能就稱為材料的熱學性能。PLA和ABS的熱學性能比較見表熱性能PLAABS熔融指數(shù)（MVI）10.3

/10min9.7

/10min玻璃化轉(zhuǎn)化溫度60~65℃105℃極限溫度70~80℃110~125℃熔化溫度160~190℃210~240℃打印溫度190~220℃230~250℃推薦熱床溫度50~70℃80~120℃（3）PLA和ABS機械與物理性能對比PLA脆性強，表面硬度較高，彎曲時容易折斷。用PLA材料制成的模型易于切割、打磨、涂漆和用粘合劑粘合。ABS可用丙酮進行處理，以改善打印物件表面的光滑度。ABS相比PLA在壓力下容易彎曲但不易斷裂，具有更好的可塑性，后處理加工更容易。（4）PLA和ABS的存儲對比PLA和ABS都會吸收空氣中的水分，但ABS原料更易吸潮，所以兩種耗材卷都是密封出售，建議將耗材卷存放于干燥處。另外，開封后的耗材卷應盡快使用完，不然打印的質(zhì)量可能會受到影響。如果材料受潮，可以嘗試使用50~60℃的熱風干燥，干燥后一般不會影響耗材性能。（5）氣味對比當打印PLA和ABS時，會有一定的異味產(chǎn)生。PLA加熱時的味道比較淡，ABS加熱時會散發(fā)出難聞的塑料氣味。ABS在打印過程中有毒物質(zhì)的釋放量遠遠高于PLA。因此，在打印ABS時打印機需要放置在通風良好區(qū)域或采取封閉機箱并配備空氣凈化裝置。（6）可降解性和耐久性對比PLA是可生物降解的，畢竟它是由植物材料制成的。ABS是不可生物降解的，但可以回收。（7）價格對比兩種耗材的價格大致相同。一般直徑1.75mm、質(zhì)量1kg包裝的PLA和ABS絲材，價格約在80~200元之間，特殊的耗材要貴一些。（8）應用領域?qū)Ρ萈LA與人體具有生物相容性，但由于相對低的玻璃化溫度（高于60℃會變形），因此不適合制作受熱的物體，多用于制作家用物品、小工具和玩具等。ABS具有優(yōu)良的抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學藥品性及電氣性能，還具有易加工、制品尺寸穩(wěn)定、表面光澤性好等特點。多用于機械、汽車、電子電器、儀器儀表、紡織和建筑等工業(yè)領域。目前，ABS、PLA是FDM打印機使用最多的兩種耗材。§2-2立體光固化成型技術一、SLA的原理二、SLA的特點1.優(yōu)點光固化成型法是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，經(jīng)過了時間的檢驗，成熟度高，一般來講具有以下優(yōu)點。（1）固化快，可在幾秒鐘內(nèi)固化，可應用于要求立刻固化的場合。（2）不需要加熱，這一點對于某些不能耐熱的塑料、光學、電子零件來說十分有用。（3）光源的效率高，節(jié)能。（4）成型材料利用率接近100%。（5）生產(chǎn)的自動程度高，生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益較好。（6）由CAD數(shù)字模型直接制成原型，加工速度快，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，無需切削工具與模具。（7）可以加工外形結構復雜或使用傳統(tǒng)手段難于加工的原型或零件。（8）為實驗提供試樣，可以對計算機仿真計算的結果進行驗證與校核。2.缺點（1）SLA系統(tǒng)造價高昂，特別是產(chǎn)生紫外激光的激光管使用壽命不高，因此，設備的使用和維護成本過高。（2）SLA系統(tǒng)是要對液體進行操作的精密設備，對工作環(huán)境要求苛刻。（3）成型件多為樹脂類，強度、剛度、耐熱性有限，不利于長時間保存。（4）固化過程中產(chǎn)生刺激性氣味，有污染，因此，機器在運行過程中必須遵守操作規(guī)程和環(huán)保要求。三、SLA的應用場合基于SLA工藝的特點，SLA適合于制作中小型工件，如能直接得到樹脂或類似工程塑料的產(chǎn)品，主要用于概念模型的原型制作，或用來做簡單裝配檢驗和工藝規(guī)劃。SLA比較適合做一些結構復雜的產(chǎn)品，如音響、相機、手機、MP3、掌上計算機、攝像機電燙斗、電吹風、吸塵器等的零部件。在設計領域SLA可用于可裝配和可制造性檢驗、可制造性討論評估、確定最合理的制作工藝；在鑄造領域SLA可以快速、低成本制作壓蠟模具，制作樹脂熔模以替代蠟型；在砂型鑄造領域SLA可以用樹脂模具代替木模，提升復雜、薄壁、曲面等結構鑄件的質(zhì)量和成型效率；在醫(yī)學領域SLA可用于假體的制作、復雜外科手術的術前規(guī)劃模擬、口腔頜面修復等，促進了醫(yī)療手段的進步?；旧现灰枰Ｐ突蛟偷念I域，SLA均可應用。四、SLA的發(fā)展方向1.高速化2.高精度化3.節(jié)能環(huán)保4.微型化5.開發(fā)高性能材料五、SLA的材料1.SLA技術對材料的要求（1）低黏度（2）光敏性好（3）微小的固化形變（4）固化產(chǎn)物良好的耐溶劑性能（5）固化產(chǎn)物優(yōu)良的機械強度（6）低毒環(huán)保性2.SLA材料組成（1）低聚物（2）光引發(fā)劑（3）稀釋劑3.SLA常用材料的性能（1）自由基光固化樹脂（2）陽離子光固化樹脂（3）新型樹脂材料1）混雜型光敏樹脂。2）功能性光敏樹脂。4.SLA常用材料的選擇目前，DMS、3DSystems、Vantico、西安交通大學等單位都生產(chǎn)SLA用光敏樹脂，不同廠家都有自己的核心技術，所生產(chǎn)的光敏樹脂特性也不相同，在實際工作中對光敏樹脂材料的選擇應根據(jù)設備的性能、工藝的要求以及材料的特點進行綜合評價和選擇，盡量選擇出性價比高的材料進行打印生產(chǎn)?！?-3選擇性激光燒結成型技術一、SLS的原理二、SLS的特點1.優(yōu)點（1）可使用材料廣泛。可使用的材料包括尼龍、聚苯乙烯等聚合物，鐵、鈦、合金等金屬、陶瓷、覆膜砂等。（2）成型效率高。由于SLS技術并不完全熔化粉末，而僅是將其燒結，因此制造速度快。（3）材料利用率高。未燒結的材料可重復使用，材料浪費少。（4）無需支撐。由于未燒結的粉末可以對模型的空腔和懸臂部分起支撐作用，不必另外設計支撐結構，可以直接生產(chǎn)形狀復雜的原型及部件。（5）應用面廣?？捎糜谥圃煸驮O計模型、模具母模、精鑄熔模、鑄造型殼和型芯等。2.缺點（1）SLS打印設備采購成本、維護成本都較高，原材料價格高。（2）機械性能不足。SLS成型金屬零件孔隙度高，機械性能差，特別是延伸率很低，目前和傳統(tǒng)金屬加工零件相比在使用上還是有很大的局限。（3）需要比較復雜的輔助工藝。由于SLS所用的材料差別較大，有時需要比較復雜的輔助工藝，如需要對原料進行長時間的預處理（加熱）、加工完成后需要進行成品表面的粉末清理等。（4）SLS設備的打印速度、精度和表面粗糙度還不能完全滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。（5）激光工藝參數(shù)（如激光類型和掃描方式）對零件質(zhì)量影響敏感，需要較長的時間摸索。三、SLS的應用場合基于SLS的工藝特點，SLS已經(jīng)成功應用于汽車、造船、航天、航空、通信、微機電系統(tǒng)、建筑、醫(yī)療和考古等諸多行業(yè)，為許多傳統(tǒng)制造業(yè)注入了新的創(chuàng)造力，也帶來了信息化的氣息。概括來說，SLS除了用于快速原型制造外，還可以用于小批量和特殊零件的制造、快速模具和工具制造和醫(yī)學臨床應用。四、SLS的發(fā)展方向1.研發(fā)新型材料2.深入研究不同打印材料的成型機理3.優(yōu)化打印參數(shù)4.加強打印過程的仿真研究五、SLS的材料種類1.金屬粉末類（1）單一金屬粉末。（2）金屬混合粉末。（3）金屬粉末和有機黏結劑混合粉末。2.高分子和石蠟粉末類（1）聚苯乙烯。（2）工程塑料。（3）尼龍材料。（4）蠟粉。3.覆膜類（1）陶瓷覆膜材料。（2）覆膜砂?！?-4其他常見的打印技術一、三維打印成型技術1.3DP的原理2.3DP的特點（1）3DP技術的優(yōu)點1）無需激光器等高成本元器件。成本較低，且易操作易維護。2）加工速度快，可以25mm/h地垂直構建速度打印模型。3）可打印彩色原型。這是這項技術的最大優(yōu)點，它打印彩色原型后，無需后期上色，目前市面上的3D體驗館中3D打印人像基本都采用此項技術。4）沒有支撐結構。與SLS一樣，粉末可以支撐懸空部分，而且打印完成后，粉末可以回收利用，環(huán)保且節(jié)省開支。5）耗材和成型材料的價格相對便宜，打印成本低。（2）3DP技術的缺點1）成型件強度較低，不能做功能性材料，且打印成品易碎。2）表面手感略顯粗糙，這是以粉末為成型材料的工藝都有的缺點。3.3DP的應用場合（1）全彩色外觀樣件、裝配原型。（2）某些條件下可生產(chǎn)毛坯零件，借助后期加工得到工業(yè)產(chǎn)品。例如利用3DP將金屬粉末粘結成型，然后高溫燒結，得到模型的金屬零件。（3）鑄造模型、砂型、砂芯的直接打印。二、薄材疊層制造成型技術1.LOM的原理2.LOM的特點（1）LOM技術的優(yōu)點1）成型速度快。由于只要使激光束沿著物體的輪廓進行切割，不用掃描整個斷面，所以成型速度很快，因此，常用于加工內(nèi)部結構簡單的大型零件，制作成本低。2）不需要設計和構建支撐結構。3）原型精度高，翹曲變形小。4）原型能承受高達200℃的溫度，有較高的硬度和較好的力學性能。5）原型件可以切削加工。（2）LOM技術的缺點1）激光器壽命短，后期更換激光器的費用高，并且需要建造專門的實驗室。2）可以應用的原材料種類較少。盡管可選用若干原材料，但目前常用的還是紙類居多，其他還在研發(fā)中。3）打印出來的模型必須立即進行防潮處理。紙制零件很容易吸濕變形，所以成型后必須用樹脂、防潮漆涂覆。4）此種技術很難構建形狀精細、多曲面的零件，僅限于結構簡單的零件。5）LOM材料一般由薄片材料和熱溶膠兩部分組成，制作時加工室溫度很高，容易引發(fā)火災，需要專門的人看守。3.LOM的應用場合由于分層實體制造在制作中多適用紙材，成本低，且制造出來的木質(zhì)原型具有外在的美感和一些特殊的品質(zhì)，所以該技術在產(chǎn)品概念設計可視化、造型設計評估、裝配檢驗、砂型鑄造木模、快速制造母模等方面得到了廣泛應用。三、選擇性激光熔融成型技術1.SLM的原理2.SLM的特點（1）SLM的優(yōu)點1）SLM成型的金屬零件致密度高，可達90%以上。2）抗拉強度等機械性能指標優(yōu)于鑄件，甚至可達到鍛件水平。顯微維氏硬度可高于鍛件。3）由于是打印過程中完全融化，因此尺寸精度較高。4）與傳統(tǒng)減材制造相比，可節(jié)約大量材料。（2）SLM的缺點1）成型速度較慢,為了提高加工精度，需要用更薄的加工層厚；加工小體積零件所用時間也較長，因此難以應用于大規(guī)模制造。2）設備穩(wěn)定性、可重復性還有待提高。3）表面粗糙度有待提高。4）整套設備昂貴，熔化金屬粉末需要比SLS更大功率的激光，能耗較高。5）SLM技術工藝較復雜，需要加支撐結構,多用于工業(yè)級的增材制造。6）SLM技術在金屬瞬間熔化與凝固的過程中，溫度梯度很大，因此會產(chǎn)生極大的內(nèi)應力，嚴重時會引起工件變形。3.SLM的應用場合SLM成型技術的應用范圍比較廣，主要是機械領域的工具及模具、生物醫(yī)療領域的生物植入零件或替代零件、電子領域的散熱器件、航空航天領域的超輕結構件、梯度功能復合材料零件。近年來，SLM技術在國內(nèi)外得到了飛速的發(fā)展，從設備的開發(fā)、材料與工藝研究等方面都有了較高的突破，并且在許多領域得到了應用。例如，用SLM技術制造的航空超輕鈦結構件具有高的表面積、體積比，零件的重量可以減輕90%左右。利用SLM方法制造的具有隨形冷卻流道的刀具和模具，可以使其冷卻效果更好，從而減少冷卻時間，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。用SLM方法制造的生物構件，形狀復雜，密度可以任意變化，體積空隙度可以達到75%～95%。4.SLM與SLS的區(qū)別SLS技術所使用的材料除了主體粉末外通常還需要添加一定比例的粘結劑粉末，粘結劑粉末一般為熔點較低的金屬粉末或是有機樹脂等。以SLS金屬打印為例，所用的金屬粉末是經(jīng)過處理的與低熔點金屬或者高分子材料的混合粉末，在加工的過程中激光僅熔化低熔點的粘結劑材料但高熔點的金屬粉末是不熔化的，成型過程主要利用被熔化的低熔點材料實現(xiàn)黏結成型。SLM在加工的過程中用激光使金屬粉末完全熔化，不需要黏結劑，成型的精度和力學性能都比SLS要好。然而因為SLM需要將金屬從20℃的常溫加熱到上千攝氏度的熔點，這個過程需要消耗巨大的能量。簡單的說SLS和SLM的主要區(qū)別在于SLS在制造過程中，金屬粉末并未完全熔化，而SLM在制造過程中，金屬粉末加熱到完全熔化后成型?！?-53D打印技術的橫向比較一、3D打印技術的工藝比較二、3D打印技術的經(jīng)濟性比較三、3D打印技術的加工精度比較第三章3D打印的工作流程學習目標1.掌握3D打印STL模型數(shù)據(jù)的獲取方法。3.了解3D打印常用的逆向設備3.掌握STL標準數(shù)據(jù)模型的定義。4.掌握STL數(shù)據(jù)模型編輯與修復的意義及常用軟件。5.掌握STL數(shù)據(jù)模型添加支撐的意義及常用軟件。6.掌握STL數(shù)據(jù)模型分層的意義及常用軟件。7.掌握FDM打印機的基本工藝數(shù)據(jù)。8.掌握FDM打印設備的分類及構成。9.掌握FDM打印機常的基本操作和最易事項9.掌握3D打印常用后處理的方法和注意事項?！?-1數(shù)據(jù)獲取3D打印的過程本節(jié)著重講3D打印數(shù)據(jù)獲取的過程，數(shù)據(jù)獲取是3D打印的重要環(huán)節(jié)。模型的數(shù)據(jù)獲取分為兩種方式：正向設計和建造3D模型、逆向設計和建造3D模型。一、正向設計正向設計一般是指正向設計三維數(shù)據(jù)模型，目前市場是有許多建模軟件可以用來構建3D模型，如SketchUP、Blender等開源的3D建模軟件，SolidWorks、Cero、3dsMax、Maya等商業(yè)軟件，他們專注于不同的領域，如Solidworks、Cero主要應用于工業(yè)設計，而3dsMax、Maya主要用于建筑、動畫、影視等方面。一般來講正向構建3D打印模型有以下幾種方式：1.基于網(wǎng)頁的3D模型設計軟件TinkerCAD2.免費開源3D模型設計軟件3.常用三維工業(yè)設計軟件4.常用三維建筑設計軟件5.常用三維動畫游戲設計軟件二、逆向設計逆向工程又稱反求工程（ReverseEngineering）俗稱“抄數(shù)”，是相對于正向工程設計而言的，具體來說逆向工程是指在已經(jīng)有了物理原型的情況下，以全數(shù)字化方式執(zhí)行原型模型的仿制工作。逆向工程設計流程和步驟為：1.三維掃描技術三維掃描是逆向構建三維數(shù)據(jù)模型的常用技術，三維掃描技術（3DScanner）是集光、機、電和計算機技術于一體的全自動高精度立體掃描技術。三維掃描的用途是三維重建，即創(chuàng)建物體幾何表面的點云（PointCloud），這些點可用來擬合成物體的表面形狀，越密集的點云創(chuàng)建的模型越精確（這個過程稱為三維重建）。（1）三維掃描設備的分類1）按照測量方式的不同，掃描設備可分為點測量、線測量和面測量三類。2）按照接觸方式的不同，掃描設備主要分為接觸式和非接觸式測量，（2）三維掃描設備的基本原理1）三坐標測量機。三坐標測量機配置有一個能沿X、Y、Z三個垂直方向運動的高精度測頭。測量時測頭與零件表面接觸，將測得的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入計算機并通過相應的軟件實現(xiàn)對物體表面形狀的三維測量。2）激光三維掃描儀。激光三維掃描儀的主要構造是一臺測量精度高的高速激光測距儀，通過激光測距大量記錄被測物體表面密集點的三維坐標，然后快速復建出被測物的三維模型。3）光柵三維掃描儀。光柵三維掃描儀也稱照相式掃描儀，其原理是采用可見光將特定的光柵條紋投射到被測物表面，借助兩個高分辨率的CCD數(shù)字照相機對光柵條紋進行拍照，利用光學拍照定位技術和光柵測量原理，可在極短時間里獲得復雜被測物表面的完整點云，再由計算機完成不同視角點云的自動拼合，最終獲得完整的三維實體點云數(shù)據(jù)。（3）三維掃描的工作流程三維掃描掃描的工作過程大致可以分為準備原型或模型、噴粉和標定、掃描、點云數(shù)據(jù)處理、二次開發(fā)和輸出五個過程。2.逆向設計常用軟件三、其他逆向設備1.斷層掃描

斷層掃描屬于破壞性掃描，但是因其成本和費用較低，同時能準確的掃描被測物體的內(nèi)部結構的優(yōu)勢，在工業(yè)產(chǎn)品的逆向中廣泛應用。如圖所示，是美國CGI公司生產(chǎn)的RE1000斷層掃描機，其測量精度為±0.025mm，測量范圍為300×260×200mm。2.CT掃描掃描儀對實體（如人體）掃描時，實體在一個門架中連續(xù)向前緩緩移動（速度為1～10mm/s），裝于門架上的檢測系統(tǒng)圍繞實體連續(xù)轉(zhuǎn)動，檢測系統(tǒng)每轉(zhuǎn)動360°實體向前移動一個切片層厚（1～2mm）并獲得一系列斷面圖像切片和數(shù)據(jù)，這些切片和數(shù)據(jù)提供了工件截面輪廓及其內(nèi)部結構的完整信息。四、將模型轉(zhuǎn)換為STL格式測量數(shù)據(jù)處理在3D打印技術中占有極為重要的地位。在正向設計過程中，一般的計算機輔助三維設計軟件都有將三維模型擬合并輸出STL格式文件的能力，并且輸出精度高，一般可以直接使用；在逆向設計過程中測量系統(tǒng)可能得到高達上百兆的復雜曲面上大量密集的原始測量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)之間通常沒有相應的拓撲關系，只是一大群空間散亂點（數(shù)據(jù)點云），其中還包括大量無用數(shù)據(jù)。因此，首先必須對數(shù)據(jù)進行濾波、擬合、重建和消隱處理，然后通過適當?shù)乃惴嫿ǔ霰粶y量物體的三維數(shù)據(jù)模型后，才能把數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化成STL格式文件。§3-2數(shù)據(jù)處理一、數(shù)據(jù)處理的意義不論是用正向設計軟件繪制的三維數(shù)據(jù)模型，還是逆向設計用三維掃描設備對原型進行三維掃描得到的三維數(shù)據(jù)模型，在3D打印前都需要對這些數(shù)據(jù)模型進行相應處理和轉(zhuǎn)化。據(jù)統(tǒng)計，數(shù)據(jù)模型的處理和轉(zhuǎn)化過程中，有將近70%的文件存在各種不同的錯誤。如果對這些錯誤不處理，很可能會導致打印失敗。因此需要先對數(shù)據(jù)模型進行處理，處理成標準的3D打印數(shù)據(jù)格式，然后再進行打印。STL格式是3D打印發(fā)明人CharlesHull在1988年制定的一個接口協(xié)議，也是目前3D打印設備使用的最通用格式，目前已成為3D打印設備事實上的數(shù)據(jù)標準格式。STL文件是一種空間封閉的、有界的、具有點線面幾何信息的三維實體模型數(shù)據(jù)格式，這樣的STL文件可以直接輸入3D打印設備用于3D打印，但是STL數(shù)據(jù)模型在轉(zhuǎn)化過程中極易產(chǎn)生缺陷，有缺陷的STL文件不能正確描述模型的表面，也就不能順利完成3D打印，也就是說缺陷的STL文件不符合3D打印的文件標準。2.3D打印的STL文件標準（1）STL模型必須封閉（2）STL模型必須有厚度（3）STL模型必須為流形（4）STL模型必須有正確的法線方向（5）STL模型不能出現(xiàn)違反共頂點規(guī)則的三角形（6）STL模型必須刪除多余輔助結構（7）STL模型不能出現(xiàn)重復面片（8）STL模型不能出現(xiàn)交叉結構（9）STL模型必須進行布爾運算形（10）STL模型不能出現(xiàn)孔洞（11）STL模型不能存在縫隙（12）STL模型不能存在錯誤邊界（13）STL模型必須避免多殼體STL模型的數(shù)據(jù)處理除了要滿足3D打印STL文件標準外，還要對數(shù)據(jù)進行以下處理。（1）預留容差度（2）設定模型的最大尺寸（3）檢測模型的最小厚度（4）設定打印底座形狀（5）設定STL模型精度3.3D打印的STL文件的其他處理三、數(shù)據(jù)處理的主要流程3D打印數(shù)據(jù)處理的主要流程分為正向獲取數(shù)據(jù)的處理流程和逆向獲取數(shù)據(jù)的處理流程。四、數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理包含STL數(shù)據(jù)檢查和修復、添加支撐、分層三個方面。1.STL數(shù)據(jù)檢查與修復（1）STL數(shù)據(jù)檢查和修復的意義STL文件的檢查和修復主要用來檢查模型中存在的一些諸如孔洞、縫隙、錯誤邊界、壞邊、多殼體等錯誤信息，并有針對性地進行分析和修復，以保證STL數(shù)據(jù)符合打印機打印標準。如圖所示，是一個網(wǎng)上下載的哆啦A夢STL模型文件，經(jīng)軟件檢測顯示，該STL模型文件存在錯誤，這種文件如果不加編輯與修復而直接輸入打印機打印，很可能造成打印失敗。（2）常用的檢查和修復軟件2.STL數(shù)據(jù)添加支撐（1）添加支撐的意義3D打印技術的原理要求模型的上層結構要有下層部分的支撐，所以被打印模型的某些部位如果是懸空的，打印的時候就需要設計支撐結構。通俗的講，要不要添加支撐就是看模型有沒有懸空部分。（2）添加支撐的基本原則1）45°法則2）盡量不使用支撐3）盡量自己設計打印底座（3）添加支撐的類型1）完全支撐2）部分支撐3）不加支撐（4）添加支撐的軟件3.STL數(shù)據(jù)分層（1）分層的意義3D打印機打印前、需要在計算機上安裝相應的3D打印切片軟件對3D模型進行切片，并轉(zhuǎn)換成3D打印機可以識別的Gcode格式文件發(fā)送到打印機才能進行打印。切片的過程就是將模型數(shù)據(jù)按照實際要求進行分層，然后3D打印機按照每層的數(shù)據(jù)一層一層堆積打印即可成型。（2）分層的原則1）以求最佳方向分層打印2）根據(jù)模型受力方向分層3）垂直分辨率（3）分層的軟件§3-33D打印設備打印操作一、FDM工藝數(shù)據(jù)分析在使用FDM熔融沉積成型技術進行打印加工之前，除了考慮打印機的幾何精度、運動精度以及噴嘴直徑等打印機的基本參數(shù)外，還需要考慮相關工藝參數(shù)的控制，如材料性能、分層厚度、噴嘴直徑、噴嘴溫度、環(huán)境溫度、擠出速度、填充速度、輪廓補償值、延遲時間及成型時間等。1.材料性能2.分層厚度3.噴嘴直徑4.噴嘴溫度5.環(huán)境溫度6.擠出速度和填充速度7.輪廓補償值8.延遲時間9.成型時間二、FDM打印機的分類和組成1.FDM打印機的分類（1）按照打印機的大小分類:工業(yè)級FDM打印機、桌面級FDM工藝3D打印機。（2）按照打印頭數(shù)量分類根據(jù)FDM打印機打印噴頭的數(shù)量可以將3D打印機分為單頭打印機、雙頭打印機和多頭打印機，目前單頭打印機比較多。（3）按照打印色彩分類FDM打印機可以分為單色打印機、雙色打印機和彩色打印機等。2.3D打印機的組成1-打印頭2-框架3-X軸螺桿及電動機

4-打印平臺

5-開關和電源插座

6-SD卡槽或USB接口7-擠出機排線8-導料管9-Y軸螺桿及電動機10-（控制面板）顯示屏11-Z軸螺桿及電動機三、3D打印機的基本操作及其注意事項1.基本操作（1）打印前的準備（2）調(diào)平打印平臺（3）送絲（4）打印模型2.操作注意事項（1）一般3D打印機對靜電都比較敏感，應確保你在操作和嘗試任何校正前，把身體上的靜電釋放掉。同時在自行對3D打印機進行維修和調(diào)整時，應確保電源連接已經(jīng)斷開。（2）高溫危險。不要在加熱和使用過程中觸碰擠出頭。擠出頭的溫度為190℃~260℃，托盤的溫度為30~110℃之間，維修前先讓其自然冷卻。（3）擠壓傷害?？蓜硬考赡軙斐删砣霐D壓和切割等傷害，操作機器時不要帶手套等。（4）刺激性氣味。在工作溫度下，設備可能會產(chǎn)生刺激性氣味，在使用打印機時應保持環(huán)境的通風和開放。（5）在3D打印機運行過程中，務必有人看管。四、FDM型3D打印機的日常維護與保養(yǎng)在日常應用中，只有掌握了良好的3D打印機維護保養(yǎng)方法，才能最大限度地延長3D打印機的壽命。同時，良好的操作習慣和保養(yǎng)工作也能夠讓打印機更好地發(fā)揮功能，打印出高精度的物體。1.調(diào)整傳動帶松緊度一般來說，傳動帶不能太松，也不能太緊，一般FDM打印機都是由同步齒形帶傳動的，傳動帶太松容易跳齒，太緊則容易增加傳動負載進而影響傳動精度和傳送帶壽命。2.清理導軌當機器運行過程中如果噪聲稍微變大，則需要清理和潤滑導軌。一般用無紡布輕輕擦掉導軌上的污物和油膩并在導軌上輕輕涂上潤滑油即可。四、FDM型3D打印機的日常維護與保養(yǎng)3.緊固螺栓FDM打印機上的有些部件是由螺栓連接而成，螺栓可能會慢慢地變松，特別是在X、Y、Z軸上，變松的螺栓可能會引起振動或噪聲。如果遇到這種問題，需及時將螺栓擰緊。4.不能手動移動打印頭3D打印機在待機的時候，不要手動將打印頭沿導軌軸移動。因為手動移動打印頭時，同步齒形帶相連的步進電動機會逆轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的電流，電流會通過導線流至打印機電路板并對電路板產(chǎn)生沖擊，進而對打印機造成危害。§3-43D打印后處理一、3D模型后置處理的基礎知識FDM3D打印設備打印出來的產(chǎn)品一般需要通過一系列的后期處理來完善作品，如拼接、補土、打磨、上色等。1.常用手工工具2.常用電子工具3.打印輔助材料二、3D模型的簡單后置處理1.基面和支撐去除2.拼合粘結3.補土4.打磨拋光處理（1）銼刀和砂紙打磨（2）珠光處理4.打磨拋光處理（3）蒸汽平滑（4）拋光處理（5）電鍍5.上色修飾（1）上色用工具和顏料

（2）上色步驟三、3D模型后處理的注意事項1.注意控制材料的去除量2.注意盡量控制打磨溫度3.注意上色時的時間和環(huán)境4.注意后處理過程中的勞動保護5.注意環(huán)境對后處理結果的影響6.注意顏料種類的選擇第四章3D打印造物初體驗學習目標1.了解3D打印創(chuàng)新教育課程平臺。2.掌握簡單的正向建模并完成模型打印。4.掌握簡單的逆向建模并完成模型打印。5.了解常用3D打印STL模型的獲取途徑。§4-1簡單的正向三維建模及打印3D打印創(chuàng)新教育課程平臺是快速制造國家工程研究中心創(chuàng)新教育研究與培訓基地，針對青少年認知與動手能力而全新開發(fā)的一款教育應用型軟件，該軟件強調(diào)簡單易用同時配備全套的高質(zhì)量教學課件，是3D打印入門和創(chuàng)新教育的不錯選擇。該軟件包含九大模塊：3D魔術師、3D藝術家、3D程序員、2D轉(zhuǎn)3D、3D積木、3D漫像、3D浮雕、創(chuàng)意3D模型庫、3D快速建模。一、正向設計建模以3D打印創(chuàng)新教育平臺為例，介紹正向設計建模。3D漫像以3D打印創(chuàng)新教育平臺中的“3D漫像”為例，介紹正向設計建模。其建模步驟簡單易學，如下：1.雙擊進入3D漫像進行角色選擇2.進入3D漫像主界面3.加載要做的任務漫像的照片3D漫像4.加載圖像后進行調(diào)整5.按軟件要求對關鍵點進行調(diào)整6.由計算機自動計算進行三維實體轉(zhuǎn)換3D漫像7.選擇自己喜歡的三維實體人像8.將建模結果保存為STL文件二、模型數(shù)據(jù)檢測1.將保存的STL文件3D漫像進行檢測和修復2.將修復好的模型保存為可打印的STL文件三、添加支撐和分層將修復好的文件，導入分層軟件進行添加支撐和分層。輸出打印文件。打印完成的模型四、打印五、后處理1.去除支撐2.補土3.打磨拋光4.上色、光油保護和晾干§4-2簡單的逆向掃描建模及打印一、逆向設計建模1.標定三維掃描儀標定掃描儀是借助于系統(tǒng)配置的標準標定板，利用一定的算法計算出測量頭的所有內(nèi)外部結構參數(shù)，依靠這些參數(shù)正確的重建出測量點的三維坐標。一般情況下出現(xiàn)以下情況需要重新標定：測量軟件重新安裝后、測量鏡頭發(fā)生變動時、無法進行掃描操作和室溫變化大于10℃時。標定板是一個極其精密的測量用具，使用標定板時應該帶手套操作，防止劃傷標定板和手上的汗?jié)n污漬對標定板產(chǎn)生影響，標定完成后將標定板放入專用的存儲箱內(nèi)，標定過程中要輕拿輕放，避免磕碰，防止損壞。2.噴粉（噴顯影劑）一般情況下，掃描儀對物體表面材質(zhì)要求不高，但色彩及反光透光等因素會對測量結果有一定的影響，而工件表面的灰塵、鐵屑等更是會帶來測量數(shù)據(jù)的噪聲，造成點云數(shù)據(jù)不佳，所以如果對掃描精度有很高的要求時需要對表面進行處理，尤其是黑色表面、透明表面、反光表面。3.掃描一般情況下，掃描儀對物體表面材質(zhì)要求不高，但色彩及反光透光等因素會對測量結果有一定的影響，而工件表面的灰塵、鐵屑等更是會帶來測量數(shù)據(jù)的噪聲，造成點云數(shù)據(jù)不佳，所以如果對掃描精度有很高的要求時需要對表面進行處理，尤其是黑色表面、透明表面、反光表面。二、數(shù)據(jù)處理1.雙擊“DesignX”快捷方式打開軟件。2.單擊“菜單”—“插入”—“導入”—“手?！保⊕呙韬蟊４娴奈募瑢⒛Ｐ蛯?，人工去除噪點后得到如圖所示的點云圖像。3.單擊“點”—“面片創(chuàng)建精靈”—“OK”創(chuàng)建面片，創(chuàng)建面片后的模型會有許多缺陷。4.單擊“多邊形”—“填空”，將能夠認為發(fā)現(xiàn)的缺陷盡量的修補完善。5.單擊“文件”—“輸出”-—“STL”模型，將修補后的模型保存為STL文件，單擊“確定”逆向過程完成。三、模型數(shù)據(jù)檢測雙擊桌面上的magics軟件快捷方式，打開magics，單擊左上角“文件”按鈕，然后單擊“加載新零件”載入剛才保存的“手?！盨TL文件單擊標題欄“修復”點擊“修復向?qū)А边M行修復，得到合格的STL文件并保存。四、添加支撐和分層并打印將修復后的STL文件導入Cura中。添加支撐，分層，最后將分層程序傳輸?shù)酱蛴C打印，打印完成的結果。第五章3D打印的應用學習目標1.了解3D打印在大眾消費領域的應用。2.了解3D打印在生物醫(yī)學領域的應用。3.了解3D打印在文化創(chuàng)意領域的應用。4.了解3D打印在建筑領域的應用5.了解3D打印在汽車制造領域的應用。6.了解3D打印在航空航天領域的應用。7.了解3D打印在軍工領域的應用。8.了解3D打印在模具制造領域的應用。§5-13D打印與大眾消費一、3D打印與食品人們可以借助食品3D打印機打印出各種食品。食品打印機由控制計算機、自動化食材注射器、輸送裝置等構成，利用巧克力或其他食材為原料進行打印。計算機中存儲了上百種立體形狀，人們可以根據(jù)自己的喜好進行選擇。二、3D打印與服飾目前，很多服飾生產(chǎn)企業(yè)嘗試將3D打印技術應用于服飾的制作過程，相信在不久的將來，隨著3D打印技術在服飾領域的應用，人們完全可以根據(jù)自己的需求，打印出自己喜歡的服裝和鞋帽等。三、3D打印與首飾目前，珠寶飾品行業(yè)也正在朝著個性化、年輕化的方向發(fā)展。其實早在10多年前，3D打印就開始應用于珠寶首飾行業(yè)的快速原型制作。

四、3D打印與玩具目前，3D打印玩具逐漸成為DIY玩具的主流趨勢，用戶可以根據(jù)孩子的喜好輕松便利地自行打印玩具。

五、其他3D打印可以定制自己的3D打印成品。六、3D打印在大眾消費領域的應用前景隨著3D打印領域的不斷拓展，以及3D打印技術的不斷向民用方向普及，相信在不久的將來，3D打印技術在大眾消費領域有無限的應用前景和市場需求。預計未來3D打印技術將在以下幾個方面得到廣泛的應用：1.人們不必花時間逛街和試穿衣服，就能根據(jù)自己身體的三維數(shù)據(jù)量身定制和自由打印衣服鞋帽等服飾。2.人們能根據(jù)兒童年齡特點和興趣愛好，隨意設計兒童喜歡的玩具3.照片再不只是平面照片，立體三維照片不斷普及。4.家居中可以不用專門的設置廚房，而是通過打印機打印食物。5.每個人都是創(chuàng)客，能隨時將自己的靈感付諸實踐，創(chuàng)造出自己滿意的產(chǎn)品?！?-23D打印與生物醫(yī)學一、3D打印與醫(yī)學模型3D打印的手術模擬用模型3D打印的人體肝臟教學模型二、3D打印與個性化植入物3D打印的牙齒模型3D打印的人工膝關節(jié)及其置換手術三、3D打印與醫(yī)療輔助器械3D打印的牙齒模型3D打印的手術導板五、3D打印在生物醫(yī)學領域的應用前景隨著影像學、生物工程、生物材料等學科的發(fā)展和交叉學科的興起，相信在不久的將來，3D打印技術能做到高效、高精度、低成本，并對特定患者定制個性化植入物至組織器官。預計未來3D打印技術將在以下幾個方面得到廣泛的醫(yī)學應用：1.3D打印模型在醫(yī)學教學和腔鏡類微創(chuàng)手術模擬中廣泛應用。2.利用3D打印機制作醫(yī)療用品，如手術工具、手術導板、醫(yī)療器械等，使用品更加適合個體，同時減少獲取環(huán)節(jié)和時間。3.3D打印將在人體美容、表皮修復、義肢定制等領域有更廣泛的應用，打造出更符合審美的人體特征。4.3D打印技術將逐步完善人體組織和器官的打印，為每個人建立屬于自己的組織器官儲備系統(tǒng)。四、3D打印與生物細胞3D生物打印技術的原理是將添加了從骨髓、脂肪等組織中提取出的干細胞或不同的活性因子的液體打印材料，通過生物打印機的噴頭按照計算機分層圖案精確的打印在平臺上，打印噴頭每打印過一層，就會提升一個層高的刻度打印下一層，直到人造組織打印成型。打印后的組織結構可以直接植入患者體內(nèi)并最終形成新的組織和器官。生物打印的過程§5-33D打印與文化創(chuàng)意一、3D打印與雕塑二、3D打印與文物保護三、3D打印與影視道具四、3D打印與卡通動畫五、3D打印在文化創(chuàng)意領域的應用前景3D打印技術在文化創(chuàng)意領域的應用前景主要有以下幾個方面：1.3D打印技術能夠為獨一無二的文物和藝術品建立一個真實、準確、完整的三維數(shù)字模型。人們可以隨時隨地并且高保真地把這個數(shù)字模型再現(xiàn)為實物，為人們的收藏和欣賞提供廣闊的空間，進而促進文化的傳播和交流。2.3D打印技術為今后的跨界整合創(chuàng)造了良好的機會，為藝術領域的藝術家們提供更為廣闊的創(chuàng)作空間。例如畫家可以在動漫設計工程師打印的立體動漫角色上直接繪畫，設計出色彩更為漂亮，形象更為完美的動漫角色。3.任何一個普通人都可以隨時借助3D打印技術將自己的創(chuàng)意打印成為實物，完成自己對創(chuàng)新創(chuàng)意的渴望，進而更加豐富人們的文化生活?！?-43D打印與建筑一、3D打印與建筑模型3D打印的商業(yè)樓盤模型3D打印的天壇模型二、3D打印與真實建筑3D打印的荷蘭莫比烏斯環(huán)屋3D打印的上海青浦園小屋三、3D打印在建筑領域的應用前景雖然3D打印建筑剛剛起步，但市場空間不可估量，預計未來3D打印建筑將在以下幾個方面得到廣泛的發(fā)展應用：1.隨著3D打印建筑可打印材料的增加，未來將會發(fā)展結構堅固、質(zhì)量輕、抗震、保溫、環(huán)保的新型材料。2.目前3D打印建筑的尺寸還不是很大，特別是大空間、大體量、大跨度建筑還無法完成，未來突破3D打印建筑尺寸的局限是3D打印建筑的重要發(fā)展方向。3.3D打印建筑滿足人們對建筑的個性化設計要求，隨著技術的發(fā)展內(nèi)外裝修一體化交付也將是3D打印建筑的發(fā)展方向。4.3D打印建筑以其極致建造過程，最大限度的滿足建筑、人、自然的和諧也將是3D打印建造的發(fā)展方向。§5-53D打印與汽車制造一、3D打印與汽車研發(fā)模型3D打印的汽車模型進行風洞測試在汽車研發(fā)過程中，傳統(tǒng)汽車制造商制作汽車原型一般采用泡沫或黏土手工制作，其制作精度差，周期長，費時費力。而3D打印汽車原型制作速度快，還原度高，可以制造更加復雜和不規(guī)則的形狀。同時，3D打印的汽車原型還具有一項非常重要的功能——測試和調(diào)試，具體指通過3D打印對汽車進行尺寸測試、裝配測試、功能測試、造型測試和風洞測試等。如圖所示為美國通用汽車通過3D打印汽車模型并進行風洞測試。二、3D打印與高價值汽車零部件高價值汽車零部件通常是指單體制造價格高昂、無法進行大規(guī)模生產(chǎn)或不適合進行大規(guī)模生產(chǎn)的零部件，如原型車零部件、定制化零部件以及特殊結構零部件等。如圖所示為2013年奔馳在法蘭克福車展上展出的3D打印汽車原型，該車在設計過程中使用3D打印技術打印儀表板、座椅、通風口等，以獲得特殊的輕量化結構和更加自由多變的造型。奔馳汽車3D打印的內(nèi)飾三、3D打印與汽車模具

現(xiàn)代汽車生產(chǎn)零部件的形狀變得日益復雜，制造過程中模具生產(chǎn)難度極大。如圖所示的汽車熱交換器，傳統(tǒng)制造方式制造這種零部件的模具往往只能夠使用鑲嵌、拼接方式來實現(xiàn)，且無法達到高精度生產(chǎn)，生產(chǎn)周期也較長。如果在制造過程中使用金屬3D打印技術，可有效控制汽車模具的復雜度并完成模具復雜型腔的整體加工，既降低了生產(chǎn)成本，又縮短了加工時間。汽車熱交換器四、3D打印與輕量化汽車德國EDAG公司在2015日內(nèi)瓦車展上展出了一輛命名為LightCocoon（輕繭）的超輕概念跑車。該車采用3D打印技術制造仿生造型的車身結構，在承載力低的地方減少材料的使用，在承載力高的地方提高材料的密度，并覆蓋以每平方米僅重19g的輕薄紡織物外殼，從而形成一輛輕質(zhì)、高效的汽車。同時該車呈現(xiàn)半透明的獨特效果，可隨意變化色彩。超輕概念跑車五、3D打印與汽修工具有些汽車維修工具有特殊的尺寸要求和形狀要求，利用3D打印技術可以生產(chǎn)出針對特定汽車的實用維修工具。德國大眾汽車公司已經(jīng)開始用3D打印技術制造相關維修工具。圖中的車輪安裝導向套主要用于保護車輪，避免其在安裝過程中被劃傷。以前這個車輪安裝導向套的成本在800歐元左右，并且需要56天才能交貨?，F(xiàn)在應用3D打印技術后，成本降至21歐元，交貨時間縮短至10天。車輪安裝導向套六、3D打印與定制、改裝零部件圖中所示為美國紐約TucciHotRods汽車改裝公司改裝的福特嘉年華ST轎車，除了改變了該轎車的外部形狀外，該公司還利用3D打印技術給汽車配置了定制打印的速度表刻度盤外殼、后燈、主頭燈外殼，在發(fā)動機罩和輪拱中還設置有3D打印的通風口等。福特嘉年華ST改裝七、3D打印在汽車制造領域的應用前景在汽車制造領域，3D打印技術在特定情況下比傳統(tǒng)生產(chǎn)方式更有競爭力。隨著與3D打印技術相關的信息技術、材料技術、控制技術和智能制造技術的不斷進步，3D打印技術在汽車研發(fā)、制造、維修、改裝領域?qū)l(fā)揮更大的作用。預計未來3D打印技術在汽車制作領域?qū)⒂幸韵聨追矫娴陌l(fā)展趨勢：1.利用3D打印技術可以加快新車的研發(fā)速度，降低研發(fā)費用。2.利用3D打印技術的輕量化設計，使汽車油耗更低、更環(huán)保。3.利用3D打印技術，可根據(jù)顧客需求進行個性化定制，實現(xiàn)特殊結構零件的生產(chǎn)制造。在3D打印技術的推動下，整個汽車行業(yè)會向著個性化、輕量化、便捷化、網(wǎng)絡化和智能化的方向發(fā)展。§5-63D打印與航空航天一、3D打印與國產(chǎn)飛機3D打印C919風擋框架3D打印C919風擋框架殲-15戰(zhàn)斗機及其3D打印鈦合金主框架二、3D打印與概念飛機3D打印飛機概念圖空客設計師巴斯蒂安·謝弗（BastianSchafer）已經(jīng)開始用3D打印技術制造一些小部件，預計到2050年左右造出整個飛機。據(jù)了解，這款計劃采用3D打印技術制造的概念飛機，將會采用多項創(chuàng)新設計理念，并且全面滿足綠色環(huán)保的倡議。三、3D打印與輕量化設計火箭發(fā)動機輕量化零件原型西安鉑力特生成的輕量化結構實現(xiàn)輕量化主要有兩種途徑，宏觀層面上可以通過采用輕質(zhì)材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金、塑料、玻璃或碳纖維復合材料等材料來達到目的；微觀層面上可以通過采用高強度結構鋼這樣的材料使零件設計得更緊湊和小型化。而3D打印通過實現(xiàn)特殊的輕量化結構設計，為實現(xiàn)輕量化提供了新的可行性。四、3D打印與太陽能電池板3D打印的太陽能電池板3D太陽能電池的開發(fā)，可謂是3D打印對太陽能電池產(chǎn)業(yè)的一種革命性力量。高精度的3D打印能降低約50%的生產(chǎn)成本，還可消除許多低效工藝，減少昂貴材料的浪費，是全新的高效低成本技術。五、3D太空打印機隨“龍”飛船上太空的3D打印機2014年9月21日，美國太空探索技術公司（SpaceX）的不載人“龍”飛船將首個在太空中使用3D打印機發(fā)射到國際空間站。這臺打印機將用來測試評估3D打印技術在太空微重力環(huán)境下的工作情況。根據(jù)NASA和“太空制造”公司（MadeInSpace）團隊的設想，未來3D打印可實現(xiàn)在空間制造整個航天器，實現(xiàn)空間任務所需物資的自給自足，如圖所示。六、3D打印在航空航天領域的應用前景3D打印技術在航空航天領域發(fā)展的趨勢如下：1.開發(fā)多材料復合（功能梯度材料）。2.提高材料利用率，降低制造成本。3.優(yōu)化零件結構，減輕質(zhì)量。4.航空修復應用?！?-7§5-73D打印與軍事一、3D打印軍事沙盤蘭州市區(qū)3D地形圖軍事行動總是離不開立體軍事地形圖（沙盤）。普通沙盤體積龐大，制作周期長，制作困難。蘭州軍區(qū)某測繪信息中心將3D打印技術應用于地形圖制作領域，于2013年11月成功研制出我國第一幅3D地形圖——《蘭州市區(qū)三維（3D）地形圖》。一、3D打印軍事沙盤蘭州市區(qū)3D地形圖戰(zhàn)場環(huán)境3D打印維修保障系統(tǒng)是先對需要修復的戰(zhàn)損零件其進行三維反求測量，解算出修復量后，再利用3D打印技術進行打印修復，使其在極短時間內(nèi)恢復原有性能并重新投入使用。目前美國研制的“移動零件醫(yī)院”（MPH）3D打印戰(zhàn)場修復設備已經(jīng)投入使用。三、3D打印在軍事領域的應用前景隨著3D打印技術在軍事領域的應用，預計未來3D打印技術將在以下幾個方面得到廣泛的軍事應用：1.武器裝備研制。工程師可以根據(jù)實際要求在進行武器裝備研發(fā)時利用3D打印技術進行驗證和模具制作，同時也能利用3D打印技術有效地實現(xiàn)武器結構的輕量化設計。2.偽裝防護設備制作。在戰(zhàn)爭中，對于一些戰(zhàn)場的防護偽裝設備要求特征與周邊背景盡可能一致。利用3D打印技術可以根據(jù)具體的作戰(zhàn)環(huán)境需求快速準確地制作偽裝防護設備，使偽裝后的作戰(zhàn)人員更好地隱蔽起來，以便保護自己打擊敵人。3.后勤保障應用。3D打印技術的應用將會使得戰(zhàn)場保障方式發(fā)生重大變化?，F(xiàn)在的后勤保障主要依托后方的供給，將來的后勤保障可能會變?yōu)殛嚨噩F(xiàn)場的“DIY”，即在戰(zhàn)場上士兵根據(jù)自己的實際需要制作物資、食品和藥品等?！?-83D打印與模具制造3D打印技術在模具行業(yè)的應用3D打印技術在工業(yè)領域的應用除了直接打印金屬件和機械驗證的模型外，其主要應用領域是模具行業(yè)。近年來，隨著3D打印技術的成熟和拓展，以3D打印技術為核心的快速模具制造技術被廣泛應用，見表5-8-1。其基本原理是利用3D打印技術直接或間接地打印出消失模、聚乙烯模、鑄型、型芯或型殼后，結合傳統(tǒng)鑄造工藝，快捷地鑄造金屬零件，其工藝流程如圖所示。技術名稱材料應用3DP黏膠噴射技術鑄造砂砂模SLS選擇性激光燒結技術SLA立體光固化技術光敏樹脂熔模鑄造3D打印蠟模技術蠟3DP黏膠噴射技術PMMASLS選擇性激光燒結技術尼龍SLA立體光固化技術+硅膠光敏樹脂注塑模具激光近凈成型技術+機加工金屬金屬模具SLM選擇性激光燒結技術金屬隨形冷卻模具一、3D打印與直接模具制造1.3D打印砂型3D打印砂型就是通過3D打印機直接打印出砂型的制造工藝。原理是，噴頭在每一層鋪好壓實的型砂上分別精確地噴射黏結劑和催化劑，在黏結劑和催化劑共同作用的地方型砂被固化在—起，其他地方型砂仍為顆粒狀干砂，固化完一層后工作臺下移，再鋪好型砂黏結下一層，直到所有的層黏結完后就可以得到一個三維實體的砂型。3D打印砂型鑄造的砂型的特點：（1）節(jié)約時間和成本（2）一體式造模精度高（3）可制造復雜曲面鑄型（4）適合小批量且形狀復雜的大中型鑄型一、3D打印與直接模具制造2.3D打印注塑模具3D直接打印注塑模具是利用工業(yè)級3D打印機直接打印工程塑料、鋁（由于價格太高幾乎不用鋼）、液態(tài)硅膠等材料的注塑模具，然后將注塑模具安裝在注塑機上進行注塑加工。目前，3D直接打印注塑模具可直接制造ABS、尼龍、金屬（如不銹鋼、鋁合金及鈦合金等）、液態(tài)硅膠等材料的零件。3D打印注塑模具的特點：（1）適合小批量生產(chǎn)（2）表面質(zhì)量不高（3）適合中小尺寸零件生產(chǎn)（4）精度低（5）模具壽命短（6）比較成本較高二、3D打印與間接模具制造1.硅橡膠快速制模硅橡膠快速制模的原理是將調(diào)配好雙組分（膠料和固化劑混合）液體硅橡膠材料倒入待制作的清潔3D打印零件原型上，等到硅橡膠自然凝固或經(jīng)過高溫烘烤凝固后用手術刀等工具分開模型、拆除零件原型即可得到硅橡膠模具。硅橡膠模具的特點：（1）易于操作（2）快速性（3）耐高溫（4）成本低二、3D打印與間接模具制造2.金屬電弧噴涂快速制模金屬電弧噴涂快速制模是將兩根噴涂用金屬絲作為自耗性電極，噴涂金屬絲在供絲機構的作用下不斷靠近產(chǎn)生電弧，電弧的高溫使噴涂金屬絲熔化，然后用壓縮空氣流對熔化的噴涂金屬進行霧化、噴射、加速，使其以很高的速度均勻的涂覆在在原型表面形成涂層最終得到模具的技術。金屬電弧噴涂快速制模具有以下特點：（1）工藝簡單（2）制模周期短（3）模具性能好（4）電弧噴涂制模成本低（5）應用范圍廣二、3D打印與間接模具制造3.3D打印熔模鑄造3D打印熔模鑄造是用3D打印機直接打印熔蠟模型，制作好的熔蠟模型使用耐高溫的殼層材料將其包覆，在高溫環(huán)境中殼層內(nèi)部的熔蠟經(jīng)熔化、揮發(fā)后剩余的空殼即為型殼。型殼被灌注熔融金屬材料后可得到和打印模型相同造型的金屬工件。3D打