增材制造與創(chuàng)新設(shè)計：從概念到產(chǎn)品 課件 第1-3章 增材制造概述；增材制造技術(shù)、設(shè)備及材料；數(shù)字化建模技術(shù)及數(shù)據(jù)處理

第1章增材制造概述增材制造與創(chuàng)新設(shè)計：從概念到產(chǎn)品目錄contents321451.4增材制造優(yōu)勢及局限性1.3增材制造歷史1.2增材制造定義1.1增材制造前沿1.5增材制造產(chǎn)業(yè)應(yīng)用這樣的高智能、高性能的人形機(jī)器人是如何制造出來的？哪些零部件采用了增材制造技術(shù)？它究竟有怎樣神奇的魅力？案例導(dǎo)入智能人形機(jī)器人是仿生學(xué)和機(jī)構(gòu)學(xué)的結(jié)合與應(yīng)用，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀與人類相似，能夠移動、操作、感知，以及擁有記憶和自治能力等特點。本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1、認(rèn)知目標(biāo)

掌握增材制造技術(shù)的逐層堆積原理。了解增材制造技術(shù)的起源和發(fā)展。全面認(rèn)識增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域與案例，分析增材制造技術(shù)在不同領(lǐng)域中解決問題的優(yōu)勢和局限性。2、能力目標(biāo)

通過探索增材制造技術(shù)在各大領(lǐng)域中的應(yīng)用，培養(yǎng)創(chuàng)新設(shè)計的思考能力。3、素養(yǎng)目標(biāo)

增強(qiáng)學(xué)生對增材制造技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)精益求精的職業(yè)素養(yǎng)和大國工匠精神。1.1增材制造前沿

增材制造技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的新型制造技術(shù)，是當(dāng)前國際先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的前沿，同時也是目前智能制造體系的重要組成部分。美國“AmericaMakes”、歐盟“Horizon2020”、德國“工業(yè)4.0”等戰(zhàn)略計劃均將其列入提升國家競爭力、應(yīng)對

未來挑戰(zhàn)亟需發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)。我國也將增材制造列入了“中國制造2025”強(qiáng)國戰(zhàn)略，在“十五五”期間進(jìn)行了重點布局和發(fā)展規(guī)劃。如圖所示，增材制造技術(shù)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，從概念到產(chǎn)品全流程覆蓋。技術(shù)發(fā)展的一般性規(guī)律如圖所示，一種新技術(shù)的發(fā)展一般會經(jīng)歷發(fā)展初期，然后迅猛發(fā)展到頂峰期，在這時會淘汰一部分技術(shù)回落到低谷期，然后篩選下來的技術(shù)進(jìn)入復(fù)蘇期，經(jīng)歷復(fù)蘇期后穩(wěn)定發(fā)展進(jìn)入生產(chǎn)成熟期，目前增材制造技術(shù)就處于復(fù)蘇期邁向生產(chǎn)成熟期的階段。減材制造增材制造

增材制造與傳統(tǒng)減材制造相比，有哪些顯著的優(yōu)勢？“增材制造”的理念區(qū)別于傳統(tǒng)的“減材”制造。減材制造是在原材料基礎(chǔ)上，借助工裝模具使用切削、磨削、腐蝕、熔融等辦法去除多余部分得到最終零件，然后用裝配拼裝、焊接等方法組成最終產(chǎn)品。而“增材制造”與之不同，無需毛坯和工裝模具，就能直接根據(jù)計算機(jī)建模數(shù)據(jù)對材料進(jìn)行層層疊加生成任何形狀的物體。1.2增材制造定義定義：

增材制造（AdditiveManufacturing，AM），也被稱為3D打印技術(shù)，是一種通過逐層累加材料來制造實體零件的方法，通過三維數(shù)字化設(shè)計將材料（如液體、粉末、線材或塊材等）一層層疊加，形成實體結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)相比，增材制造是一種“自下而上”的制造方法。增材制造的基本原理和核心思想是什么？

作為先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，3D打印能夠快速、高效地制造新產(chǎn)品的物理原型，為產(chǎn)品研發(fā)提供了一種快捷的技術(shù)途徑。如圖所示，利用FDM技術(shù)通過熱塑性塑料的熱熔性、粘結(jié)性，在計算機(jī)控制下利用增材制造技術(shù)逐層堆積形成三維實體玩偶擺件。

其次，從概念的角度看，增材制造的外延也在不斷擴(kuò)展。關(guān)橋院士提出的“廣義”和“狹義”增材制造的概念，就體現(xiàn)了這種外延。狹義的增材制造主要關(guān)注不同能量源與CAD/CAM技術(shù)結(jié)合、分層累加材料的技術(shù)體系；而廣義的增材制造則是以材料累加為基本特征，以直接制造零件為目標(biāo)的大范疇技術(shù)群，包括了更多的技術(shù)分支和應(yīng)用領(lǐng)域。

此外，從材料的角度看，增材制造的外延也涉及到更多的材料類型。按照加工材料的類型和方式分類，增材制造可以分為金屬成形、非金屬成形、生物材料成形等。這意味著增材制造可以處理更多種類的材料，為制造業(yè)提供了更大的靈活性。3

總的來說，增材制造的外延是一個不斷發(fā)展的概念，它涉及到技術(shù)的創(chuàng)新、應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展以及材料類型的豐富。隨著科技的進(jìn)步和市場的需求，增材制造的外延還將繼續(xù)擴(kuò)大，為制造業(yè)帶來更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。412關(guān)于增材制造的外延，可以從多個角度進(jìn)行理解。

首先，從技術(shù)的角度看，增材制造的外延涉及到其應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)創(chuàng)新。隨著技術(shù)的發(fā)展，增材制造的應(yīng)用已經(jīng)從簡單的原型制造和間接制造擴(kuò)展到了直接制造金屬功能零件，并在航空航天、國防軍工、醫(yī)療器械、汽車制造、注塑模具等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。同時，隨著新材料的研發(fā)和新工藝的出現(xiàn)，增材制造的技術(shù)也在不斷創(chuàng)新，為制造業(yè)帶來了更多的可能性。

1.3增材制造歷史增材制造（AdditiveManufacturing，AM）理念起源于19世紀(jì)末美國的快速原型制造(Rapidprototypingmanufacturing)，并在20世紀(jì)80年代開始得到廣泛的推廣和應(yīng)用，增材制造的發(fā)展歷程如圖所示。目前增材制造技術(shù)發(fā)展至今，中國與國外頂尖技術(shù)相比仍有不小差距。1.4增材制造優(yōu)勢及局限性增材制造與傳統(tǒng)的制造方式的不同之處，在于其不像傳統(tǒng)制造那樣通過切割或模具塑造來制造物品。增材制造通過層層堆積的方式來形成實體物品，恰好從物理的角度擴(kuò)大了數(shù)字概念的范疇。當(dāng)人們要求具有精確的內(nèi)部凹陷或互鎖部分的形狀設(shè)計時，3D打印技術(shù)便具備了與生俱來的優(yōu)勢，增材制造和傳統(tǒng)制造的本質(zhì)區(qū)別決定了增材制造在部分領(lǐng)域擁有一定優(yōu)勢。通過具體分析，增材制造技術(shù)至少包含了5個方面的優(yōu)勢。

生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高性能產(chǎn)品，依托輕量化降低全生命周期成本：3D打印制造一個形狀復(fù)雜的物品與打印一個簡單的方塊所消耗的成本是相同的。就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復(fù)雜，制造成本越高。如圖所示，但對于增材制造而言，制造形狀復(fù)雜的物品其成本并不會相應(yīng)增長，使得增材制造可以生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化、質(zhì)量更輕的零部件。增材制造在輕量化應(yīng)用方面表現(xiàn)出色。通過精確控制材料分布和結(jié)構(gòu)形態(tài)，在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域，輕量化應(yīng)用尤為重要，增材制造技術(shù)的引入極大地推動了這些領(lǐng)域的發(fā)展。1.4.1增材制造的優(yōu)勢1

縮短研發(fā)周期，降低成本：增材制造可以縮短“設(shè)計-驗證-生產(chǎn)”全流程周期，提高產(chǎn)品制造效率。傳統(tǒng)制造模式中產(chǎn)品設(shè)計驗證需要經(jīng)歷大量的定型前產(chǎn)品試制，不斷對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，最終實現(xiàn)定型。增材制造技術(shù)能夠使用建模軟件進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計，并且可以實現(xiàn)產(chǎn)品的快速制造，以鈦排氣裝置為例，增材制造可以實現(xiàn)裝置的整合式設(shè)計與制作，產(chǎn)品設(shè)計時間從6周縮短到6天，零部件數(shù)量從20個降低到1個，此外生產(chǎn)時間也僅為之前的1/4，大大縮短了流程周期，提高制造效率。2

減少設(shè)計約束，增加設(shè)計自由度：增材制造使得設(shè)計師能夠更加自由地發(fā)揮創(chuàng)意。如圖所示，他們可以設(shè)計出更加復(fù)雜、獨特的結(jié)構(gòu)，選擇更加合適的材料，從而創(chuàng)造出更具創(chuàng)新性和競爭力的產(chǎn)品。這種設(shè)計自由度的增加不僅提升了產(chǎn)品的美觀性和實用性，還推動了制造業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。3D打印機(jī)從設(shè)計文件中自動分割計算出生產(chǎn)需要的各種指令集，制造同樣復(fù)雜的物品，3D打印機(jī)所需要的操作技能將比傳統(tǒng)設(shè)備少很多。這種擺脫原來高門檻的非技能制造業(yè)，將可以進(jìn)一步引導(dǎo)出眾多新的商業(yè)模式，并能在遠(yuǎn)程環(huán)境或極端情況下為人們提供新的生產(chǎn)方式。3

模塊化設(shè)計、便攜制造：增材制造的優(yōu)點還在于可以自由移動設(shè)備，并制造出比自身體積還要龐大的物品。就單位生產(chǎn)空間而言，如注塑機(jī)只能制造比自身小很多的物品，與此相反，3D打印機(jī)卻可以制造和其打印臺一樣大的物品。4

節(jié)約原材料、增強(qiáng)功能性：相對于傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)來說，3D打印機(jī)制造時產(chǎn)生的副產(chǎn)品更少。不同原材料價格差異較大。某些應(yīng)用領(lǐng)域的原材料價格昂貴。3D打印逐層堆疊的特點可以減少原材料的浪費，較大程度提升了原料利用率，從而降低核心零部件的制造成本。隨著打印材料的進(jìn)步，“凈成形”制造可能取代傳統(tǒng)工藝成為更加節(jié)約環(huán)保的加工方式。

增材制造還可以實現(xiàn)多材料打印，將不同性能的材料結(jié)合在一起，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的功能性并可以多種材料無限組合。如圖所示手術(shù)前假肢打?。河膊牧夏７鹿穷^、軟材料模仿肌肉、空心結(jié)構(gòu)模仿血管。5金無足赤，人無完人。任何新技術(shù)都不可能一出現(xiàn)便完美無缺、無所不能，一定既存在優(yōu)勢同時又有缺點，3D打印技術(shù)也是如此，多種限制因素，阻礙增材產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。雖然技術(shù)在發(fā)展歷程中不斷迭代，但增材制造的本質(zhì)仍是對材料進(jìn)行不同方式的熔融后逐層堆積形成產(chǎn)品，這個過程實際上對原材料、設(shè)備都提出了不同于傳統(tǒng)制造的各種要求，它最少還存在4個方面的局限性。

加工工藝的局限性：鋁合金，銅合金等材料在激光燒結(jié)后力學(xué)性能變差，疲勞強(qiáng)度低，高溫下抗蠕變的性能差；還有鉭金屬、多主元合金等在高溫下難融難加工；一些熱固性塑料，酚醛塑料等，還沒有很好的替代材料；還有陶瓷漿料成型，由于3D打印需要一定流動性,而噴頭擠出的粘流態(tài)材料容易堵頭，固陶瓷成分占比很難超過70%；打印件的后處理工藝也是限制增材制造產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素，例如鈦合金打印件表面粗糙等。11.4.2增材制造的局限性

原材料有限、成本高昂：原材料種類有限，約束產(chǎn)品生產(chǎn)范圍，目前可供3D打印機(jī)使用的材料只有少數(shù)的幾種，為了保證原材料能夠完成較好的熔融燒結(jié)并逐層堆積，3D打印使用的粉末有特殊性質(zhì)要求，粉末的含氧量、流動性、粒度等都有不同要求，使得新材料的研發(fā)成本較高，原材料范圍有限。整體來看，在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起步時期增材制造的新型材料應(yīng)用周期較長，限制了3D打印技術(shù)在部分細(xì)分領(lǐng)域/場景的應(yīng)用。如圖所示，要使用3D打印進(jìn)行液體或金屬材料加工，即使只是一些常見的材料，前期設(shè)備投人也普遍都在數(shù)百萬元以上，其成本高昂可想而知。2

存在臺階效應(yīng)：制造精度問題由于分層制造存在臺階效應(yīng)，每個層雖然都分解得非常薄，但在一定微觀尺度下，仍會形成具有一定厚度的多級“臺階”，如圖所示，如果需要制造的對象表面是圓弧形，那么就不可避免地會造成精度上的偏差。分層切片厚度決定了打印精度，同時也決定打印時間，最終變?yōu)榇蛴⌒实慕?jīng)濟(jì)價值和打印精度的平衡問題。31.5增材制造產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

增材制造技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展，其應(yīng)用范圍也在日益擴(kuò)大，航空航天、工業(yè)制造、軍事防御、生物醫(yī)學(xué)、遠(yuǎn)洋運輸、汽車高鐵等行業(yè)均有廣泛應(yīng)用。

增材制造在哪些領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用？

工業(yè)制造領(lǐng)域

在工業(yè)制造領(lǐng)域，工業(yè)級3D打印機(jī)能夠高效制造汽車、航天等關(guān)鍵零件，顯著減少了傳統(tǒng)零部件研發(fā)測試所需的高額投入和漫長周期。借助3D打印技術(shù)，關(guān)鍵零部件的可行性測試和調(diào)整得以迅速進(jìn)行，以更經(jīng)濟(jì)的方式規(guī)避了傳統(tǒng)研發(fā)測試的高成本和時間消耗。福特公司已率先采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)零部件，并預(yù)計該技術(shù)可將制造周期縮短至數(shù)周內(nèi)。此外，美國宇航局（NASA）、波音和空客等行業(yè)巨頭也已開始利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)零件和組件，如ElonMusk(馬斯克）的SpaceX星艦計劃，3D打印火箭等等，展現(xiàn)了該技術(shù)在制造業(yè)中的廣闊應(yīng)用前景。1

建筑領(lǐng)域在建筑行業(yè)中，工程師和設(shè)計師正積極運用3D打印技術(shù)來制造建筑。這種方法不僅速度快、成本低，還非常環(huán)保，并且能精準(zhǔn)地呈現(xiàn)出設(shè)計者的構(gòu)想。通過3D打印，可以顯著減少建筑材料的浪費。建筑3D打印的工作原理與常規(guī)3D打印機(jī)類似，但使用的原料主要是水泥和玻璃纖維的混合物。這種特殊材料不僅可回收再利用，還有效減輕了建筑廢料對環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)。荷蘭的DUSArchitects公司便是成功運用3D打印技術(shù)建造房屋的先驅(qū)，為可持續(xù)性和環(huán)保建筑開辟了新的道路。2

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

醫(yī)療領(lǐng)域作為3D打印技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一，尤其是在人體結(jié)構(gòu)的三維宏觀幾何輪廓及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)較為關(guān)注的領(lǐng)域，如圖所示，它能提供醫(yī)學(xué)影像無法比擬的三維實體，有助于實現(xiàn)特定?？扑璧膫€體化、精準(zhǔn)化治療。主要集中牙齒矯正與修復(fù)、人工骨植入物、人體器官、假肢制造、手術(shù)導(dǎo)板、外固定支具等方面。3

現(xiàn)代教育領(lǐng)域

近年來，學(xué)校正在積極探索將3D打印系統(tǒng)與教學(xué)體系相結(jié)合的創(chuàng)新教學(xué)模式。通過使用3D打印機(jī)，學(xué)生能夠更好地掌握技術(shù)，提升自身的科技素養(yǎng)。此外，利用3D打印機(jī)打印出的立體模型能夠顯著提高學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)造能力。目前，在教學(xué)中應(yīng)用最廣泛的兩種3D打印技術(shù)是光固化技術(shù)和熔融沉積技術(shù)。43D打印技術(shù)是近20年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大飛躍。能夠快速、高效地制造出復(fù)雜的產(chǎn)品，并且具有很高的定制化和個性化特點。3D打印基于三維CAD設(shè)計數(shù)據(jù)的制造方法，明確其模型的離散化-切片模型的堆積化的打印定義，通過將材料（如液體、粉末、線材或塊材等）一層層疊加，形成實體結(jié)構(gòu)。3D打印在制造業(yè)、建筑、醫(yī)學(xué)、教育產(chǎn)業(yè)中均具有廣泛應(yīng)用前景。3D打印技術(shù)的優(yōu)勢：生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高性能產(chǎn)品，依托輕量化降低全生命周期成本、縮短研發(fā)周期，降低成本、減少設(shè)計約束，增加設(shè)計自由度、模塊化設(shè)計、便攜制造、節(jié)約原材料、增強(qiáng)功能性。3D打印技術(shù)的局限性：加工工藝的局限性、原材料有限、成本高昂、存在臺階效應(yīng)、打印尺寸受技術(shù)限制，微型/大型零件制造難度較高。40多年來，3D打印技術(shù)不斷創(chuàng)新、進(jìn)化，不僅為制造業(yè)帶來了巨大的革命，也帶動了醫(yī)療、航空航天、建筑、文化和教育等多個領(lǐng)域的快速發(fā)展。本章小結(jié)思考與練習(xí)隨著技術(shù)的發(fā)展，你認(rèn)為增材制造未來將面臨哪些挑戰(zhàn)和機(jī)遇？結(jié)合具體的增材制造應(yīng)用實例，分析其在產(chǎn)品設(shè)計、原型制作、生產(chǎn)制造等方面的作用和價值。通過對3D打印技術(shù)的過去，現(xiàn)在，和未來的了解，試分析未來3D打印技術(shù)對人們生活的影響。拓展閱讀課程結(jié)束，細(xì)心體會，終有收獲第2章增材制造技術(shù)、設(shè)備及材料增材制造與創(chuàng)新設(shè)計：從概念到產(chǎn)品目錄contents3212.3增材制造常用材料2.2主流設(shè)備介紹2.1增材制造主流技術(shù)那么增材制造現(xiàn)在用的主流技術(shù)有哪些？它的工作原理是什么？工廠使用什么主流設(shè)備？使用的哪些材料與我們生活息息相關(guān)？案例導(dǎo)入上一章我們走進(jìn)了增材制造的世界，了解到增材制造技術(shù)的歷史脈絡(luò)，優(yōu)缺點及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景。本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1、認(rèn)知目標(biāo)

掌握熔融沉積成型技術(shù)、光固化技術(shù)、粉末融化技術(shù)等主要增材制造技術(shù)基本原理及特點。

理解增材制造工藝技術(shù)路線圖，掌握增材制造工藝流程。

了解金屬、塑料、陶瓷、生物醫(yī)療等不同領(lǐng)域3D打印機(jī)的特性、主流使用技術(shù)能夠根據(jù)需要選擇合適的設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計與制造。

了解增材制造常用材料的種類與性能，包括金屬、有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬、復(fù)合材料等常用材料的特性，包括強(qiáng)度、耐磨性、耐高溫性等。2、能力目標(biāo)

能夠根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計需求和加工特性以及增材制造技術(shù)工藝特點去選擇合適的材料、成型工藝和打印設(shè)備。3、素養(yǎng)目標(biāo)

理解增材制造技術(shù)與設(shè)備在實際產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用，培養(yǎng)對增材制造技術(shù)與設(shè)備發(fā)展趨勢的敏感度，了解當(dāng)前行業(yè)前沿技術(shù)，為未來的產(chǎn)品設(shè)計與創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。2.1增材制造主流技術(shù)制造技術(shù)按照在制造過程中材料質(zhì)量的增加或減少，可分為三種技術(shù)：等材制造，減材制造及增材制造技術(shù)。而增材制造技術(shù)由于使用材料不同和成型原理不同，目前市場上的增材制造技術(shù)又主要分為材料擠出技術(shù)、光固化技術(shù)、粉末熔化技術(shù)、材料噴射技術(shù)、粘結(jié)劑噴射技術(shù)和直接能量沉積技術(shù)等。不同技術(shù)所使用送料裝置也是不同的，一般根據(jù)輸送材料的狀態(tài)分為，擠出粘流態(tài)，液態(tài)樹脂固化，粉末燒結(jié)或粉末膠粘等，如FDM機(jī)的噴頭擠出裝置，通過步進(jìn)電機(jī)控制熱塑性材料的擠出量，而SLS機(jī)器則是由撲粉輥和刮刀來完成撲粉過程等。2.1.1增材制造技術(shù)分類熔融沉積成型（FDM）作為一種快速成型技術(shù)，其工作原理是將熱塑性塑料加熱熔化后，通過計算機(jī)數(shù)控的噴頭按照CAD分層截面數(shù)據(jù)進(jìn)行二維填充并噴出，隨后噴頭根據(jù)零件的截面輪廓和填充路徑移動，同時將熔化材料擠出。這些材料迅速固化并層疊粘結(jié)，每層厚度控制在0.025-0.762mm之間，一層截面成型完成后，工作臺下降定高度(或平臺不變，打印頭提升一定高度)，再進(jìn)行下一層的熔覆，好像一層層“畫出”截面輪廓，如此循環(huán)，最終逐層堆疊成所需零件，該類技術(shù)設(shè)備的打印精度在0.1mm,由于切片層厚限制，很難匹配打印精度與打印實效的關(guān)系。1、熔融沉積成型快速成型技術(shù)（FDM）

（1）SLA技術(shù)立體光刻技術(shù)（SLA）即Stereolithography的簡稱，它利用裝滿半透明樹脂的槽和建造平臺進(jìn)行操作。當(dāng)平臺被樹脂覆蓋時，激光器會掃描圖形界面，使液態(tài)光敏樹脂聚合硬化。每完成一層樹脂的激光掃描和固化后，平臺下降一定高度，以便新樹脂覆蓋打印物體，通過逐層重復(fù)此過程，最終完成零件打印。SLA技術(shù)的精度非常高，可以達(dá)到微米級別。這種高精度使得SLA技術(shù)在制造多種模具、模型等領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，特別是在需要高精度和良好表面質(zhì)量的領(lǐng)域，如醫(yī)療、牙科、珠寶、藝術(shù)和設(shè)計等。2、光固化技術(shù)(SLA；DLP；CLIP)（2）DLP技術(shù)DLP技術(shù)與SLA技術(shù)在打印原理和機(jī)器外形上相似，但關(guān)鍵在于DLP使用高分辨率的數(shù)字光處理器（DLP）投影儀進(jìn)行整層液態(tài)光固化樹脂的曝光，實現(xiàn)快速片狀固化，而非SLA的激光逐點掃描，因此DLP打印速度更快。此外，DLP技術(shù)展現(xiàn)出高精度，其成型細(xì)節(jié)和表面光潔度與注塑成型的耐用塑料部件相匹敵。2、光固化技術(shù)(SLA；DLP；CLIP)（3）CLIP技術(shù)在2015年3月，美國Carbon3D公司推出了CLIP技術(shù)，即“連續(xù)液面生長技術(shù)”。此技術(shù)通過特氟龍透氧材料和氧氣形成液態(tài)抑制固化層，確保固化過程的連續(xù)性，從而大幅提升打印速度，最快可達(dá)每小時500毫米，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)3D打印技術(shù)。CLIP與DLP在制造方式上相似，但CLIP依賴建造平臺在Z軸的連續(xù)運動，無需中途停頓鋪設(shè)樹脂。光固化技術(shù)使用的光敏樹脂由聚合物單體、預(yù)聚體及光引發(fā)劑組成，經(jīng)UV光照射后發(fā)生聚合反應(yīng)并固化。2、光固化技術(shù)(SLA；DLP；CLIP)(1)SLS技術(shù)選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）又稱為SelectiveLaserSintering，與SLA技術(shù)相似，也使用激光作為能源。不過，SLS使用的不是液態(tài)的光敏樹脂，而是粉末。該技術(shù)通過高能量激光使粉末產(chǎn)生高溫，并使相鄰的粉末發(fā)生燒結(jié)反應(yīng)，連接在一起。每燒結(jié)一層，構(gòu)建平臺會下降一個高度，新的粉末被鋪在表面。激光掃描零件的橫截面，不斷重復(fù)這一過程，從而實現(xiàn)立體制造。3、粉末熔化技術(shù)(SLS；SLM/DMLS；EBM；MJF)(2)SLM/DMLS技術(shù)在1995年，德國Fraunhofer激光器研究（FraunhoferInstituteforLaserTechnology，ILT）首次提出了選擇性激光熔融技術(shù)（SelectiveLaserMelting，SLM）。這種技術(shù)能夠直接成型出近乎完全致密的金屬零件。選區(qū)激光熔化（SLM）和直接金屬燒結(jié)技術(shù)（DMLS）與SLS制造零件的原理相似，但主要的區(qū)別在于這兩種技術(shù)主要用于生產(chǎn)金屬部件。具體來說，SLM技術(shù)用于制造純金屬部件，而DMLS則用于打印合金零件。3、粉末熔化技術(shù)(SLS；SLM/DMLS；EBM；MJF)（3）電子束熔化技術(shù)（EBM）與其他粉末熔化技術(shù)相比，電子束熔化技術(shù)（ElectronBeamMelting，電子束熔化，EBM）采用高能電子束來熔化金屬粉末而非激光，聚焦電子束在粉末床表面的特定區(qū)域掃描實現(xiàn)局部熔化和凝固實現(xiàn)打印。3、粉末熔化技術(shù)(SLS；SLM/DMLS；EBM；MJF)（4）多射流熔融技術(shù)（MJF）多射流熔融技術(shù)與其他粉末熔化技術(shù)有所不同，它增加了一個額外的步驟，即噴射一種用于細(xì)節(jié)處理的材料。首先，鋪設(shè)粉末，然后沿著圖形截面噴射溶劑，在細(xì)節(jié)部位同時噴射精細(xì)劑。內(nèi)部的粉末會融合在一起，最后通過加熱源進(jìn)行固化。精細(xì)劑的作用是降低零件邊沿的融合強(qiáng)度，從而保持零件的銳利或平滑的表面特征。這一系列步驟會不斷重復(fù)，直到零件制造完成。3、粉末熔化技術(shù)(SLS；SLM/DMLS；EBM；MJF)(1)材料噴射技術(shù)材料噴射技術(shù)通常用來和2D噴墨打印進(jìn)行比較，采用光聚合物、金屬粉末或蠟進(jìn)行光照或者升溫固化的原理來一層層制造零件。材料噴射的過程允許在同一個零件上采用多種不同的材料，以此可以在建造支撐使選擇不同的材料。材料噴射技術(shù)是從打印頭的數(shù)百個微噴嘴中分配光敏樹脂來逐層打印零件，與其他點沉積技術(shù)相比，噴射技術(shù)采用快速、線性軌跡沉積建造，當(dāng)液滴沉積在建造平臺上后，采用UV光固化。4、材料噴射技術(shù)(2)納米粒子噴射技術(shù)（NPJ）納米粒子噴射技術(shù)，也被稱為NanoParticleJetting（NPJ）技術(shù)，納米粒子噴射技術(shù)將包裹有納米金屬粒子或支撐粒子的液體裝入打印機(jī)并噴射在建造平臺上，通過高溫使液體蒸發(fā)留下金屬部分。NPJ是一種利用納米級金屬或陶瓷顆粒進(jìn)行3D打印的技術(shù)。這種技術(shù)可以打印出具有超高精度和細(xì)節(jié)水平的部件。4、材料噴射技術(shù)(3)按需噴墨技術(shù)（DOD）按需噴墨打印機(jī)有2個打印頭，一個沉積構(gòu)建材料（通常是蠟狀材料），另一個沉積可溶解的支撐材料。與傳統(tǒng)的原型技術(shù)類似，DOD打印機(jī)按照預(yù)設(shè)路徑噴射材料（以點的形式）來逐層構(gòu)建部件的橫截面。這些打印機(jī)還使用飛輪切割器，在制造每一層之后切除構(gòu)造區(qū)域，以確保在打印下一層之前表面完全平整。DOD技術(shù)通常用于制造用于失蠟鑄造/熔模鑄造和模具制造的“蠟狀”圖案。按需噴墨技術(shù)的精度是一個相對復(fù)雜的問題，因為它受到多種因素的影響，包括設(shè)備性能、噴頭設(shè)計、墨滴大小、驅(qū)動電壓、噴射速度等。因此，無法給出一個統(tǒng)一的、具體的精度數(shù)值。一般來說，按需噴墨技術(shù)可以實現(xiàn)較高的打印精度。墨滴大小通?？梢钥刂圃?0~500μm（2~100PL）的范圍內(nèi)，甚至可以達(dá)到10μm以內(nèi)，這對于大多數(shù)應(yīng)用來說是足夠的。同時，通過灰度（可變點）技術(shù)，同一個噴嘴可以噴射出各種不同的墨滴大小，從而進(jìn)一步提高打印的精度和靈活性。4、材料噴射技術(shù)粘結(jié)劑噴射技術(shù)是通過向粉層零件橫截面噴射粘結(jié)劑來粘接零件的技術(shù)。該技術(shù)類似于SLS都需要初始粉層，打印頭通過移動在零件橫截面噴射膠水（噴頭直徑通常在80μm）來制造零件，一層打印完畢之后分成降低一個層厚重新鋪粉再噴射膠水，重復(fù)該過程直到零件制作完畢。制作完畢之后零件在粉末中防止一點時間固化可提高強(qiáng)度，之后取出零件采用壓縮空氣去除未粘接的粉末。有時可加入浸漬劑來提高機(jī)械性能，該技術(shù)的主要優(yōu)點是噴嘴可以通過混合多種顏色來打印出具有復(fù)雜顏色特點的幾何形狀。5、粘結(jié)劑噴射技術(shù)（Binderjetting/3DP）直接能量沉積通過在材料沉積時熔化材料來制造零件，主要用激光融化金屬粉末或金屬絲，因此也稱為金屬沉積。(1)LENS技術(shù)LENS技術(shù)是一種利用高能激光束將金屬粉末熔化并形成金屬熔池的近凈成形技術(shù)。通過激光光學(xué)部分、粉末噴嘴和惰性氣體裝置構(gòu)成的沉積頭噴出粉末，在惰性氣體保護(hù)下被激光熔化，從而在建造平臺上制造零件。建造平臺通常為金屬基板，零件在該基板上生長出來。6、直接能量沉積技術(shù)（LENS、EBAM）(2)EBAM技術(shù)電子束增材制造利用電子束熔化金屬粉末或焊絲來制造零件，與LENS技術(shù)的加工原理相似。電子束增材制造具有更高的效率，并且需要在真空環(huán)境下工作，最初主要用于空間技術(shù)領(lǐng)域。EBAM是電子束焊接技術(shù)在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用，它利用高能電子束在真空環(huán)境中轟擊金屬表面形成熔池。金屬絲材在電子束的加熱下融化，并形成熔滴進(jìn)入熔池。通過逐層堆積，實現(xiàn)金屬材料的冶金結(jié)合，最終制造出金屬零件或毛坯。6、直接能量沉積技術(shù)（LENS、EBAM）總的來說，增材制造技術(shù)的原理各有不同，使用的材料和成型方法也各不相同。因此，應(yīng)該根據(jù)打印需求和產(chǎn)品特點選擇性價比高的成型方法。常規(guī)打印技術(shù)及應(yīng)用范圍主要用于航空工業(yè)、汽車工業(yè)、專業(yè)設(shè)計（產(chǎn)品設(shè)計和建筑設(shè)計的模型制造）、外科（量身定做的矯正牙套、假牙、助聽器）等領(lǐng)域。目前，3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，行業(yè)分布越來越密集，整體呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢。作為前沿性、先導(dǎo)性的新興技術(shù)，3D打印技術(shù)打破了傳統(tǒng)工藝和行業(yè)制造的限制。這種技術(shù)通過節(jié)約資源、降低成本、提高精度的優(yōu)勢，成為了傳統(tǒng)工藝無法比擬的新型制造工藝。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，未來將有更多的行業(yè)和領(lǐng)域受益于這種新興技術(shù)，推動整個社會的進(jìn)步和發(fā)展。增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢是什么？3D打印技術(shù)的工藝流程主要由三部分組成：1.工藝規(guī)劃，2.過程處理，3.后期處理。2.1.23D打印工藝技術(shù)路線2.2主流設(shè)備介紹金屬3D打印機(jī)常用于工業(yè)領(lǐng)域，主要采用了以下幾種技術(shù)：選擇性激光熔化（SLM）、電子束熔化（EBM）、直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、金屬粘結(jié)噴射（MBJ）、熔融沉積成型（FDM）、選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）、直接能量沉積技術(shù)（LENS、EBAM）、粘接劑噴射技術(shù)。打印金屬是借助激光加熱把一層層的金屬粉末“熔為一體”。金屬3D打印機(jī)廣泛應(yīng)用于制造行業(yè)、航空航天、汽車工業(yè)等需要堅固耐用、強(qiáng)度要求高的場合。這種技術(shù)在珠寶加工廠使用的頻率也越來越高?，F(xiàn)階段通過這種技術(shù)打印出來的金屬部件還存在一些問題，如存在氣孔的現(xiàn)象需要解決。2.2.1金屬3D打印機(jī)塑料3D打印機(jī)是一種能夠使用塑料材料逐層堆積，從而制造出三維實體物體的設(shè)備。在塑料3D打印過程中，首先將塑料絲材加熱至半熔融狀態(tài)，然后通過擠出機(jī)將熔化的材料按照預(yù)設(shè)的路徑逐層堆積在打印平臺上。隨著材料的逐層堆積，最終形成一個完整的三維實體。塑料3D打印機(jī)具有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如產(chǎn)品設(shè)計、原型制作、模型展示、藝術(shù)創(chuàng)作、教育培訓(xùn)等。它可以快速、準(zhǔn)確地制作出各種復(fù)雜的塑料零件和產(chǎn)品，從而極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，2.2.2塑料3D打印機(jī)陶瓷3D打印機(jī)使用黏土或陶瓷粉作為原料，并通過擠出、激光燒結(jié)，或者液體粘結(jié)劑等方式進(jìn)行造型固定。通過它打印出來的陶瓷物品擁有上萬年的使用壽命。一般的工業(yè)陶瓷可用于制造高度耐磨、耐溫、抗生化產(chǎn)品。當(dāng)然，它的價格十分昂貴，暫時還無法進(jìn)入家庭領(lǐng)域。2.2.3陶瓷3D打印機(jī)隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和精準(zhǔn)化、個性化醫(yī)療需求的增長，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療行業(yè)方面的應(yīng)用在廣度和深度方面都得到了顯著發(fā)展。在應(yīng)用的廣度方面，從最初的醫(yī)療模型快逮制造，逐漸發(fā)展到3D打印直接打印助聽器外殼、植入物、復(fù)雜手術(shù)器械和藥品。在深度方面，由3D打印沒有生命的醫(yī)療器械向打印具有生物活性的人工組織、器官的方向發(fā)展。2.2.4生物醫(yī)療3D打印機(jī)2.2.5其它3D打印機(jī)1、建筑3D打印機(jī)2、服裝3D打印機(jī)3、紙張3D打印機(jī)4、教育用3D打印機(jī)5、食品3D打印機(jī)2.3增材制造常用材料俗語有云：“巧婦難為無米之炊?！?D打印作為高科技同樣遵循著這一道理。其關(guān)鍵并非在技術(shù)的復(fù)雜程度，而在所使用的材料上。一定程度上，打印材料是打印技術(shù)不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)，決定了最終的成品屬性?，F(xiàn)今增材制造材料的發(fā)展現(xiàn)狀：金屬、聚合物、陶瓷和天然材料已經(jīng)用于不同的增材制造工藝中，基于這些同質(zhì)材料系統(tǒng)，已經(jīng)成功地建立了使用異質(zhì)材料(包括各種復(fù)合材料和多種材料)的工藝，以便獲得更高的性能、更多的功能甚至定制的性能，包括例如阻燃聚合物、直接金屬和陶瓷復(fù)合材料，未來還會發(fā)展具有某些響應(yīng)特性的智能材料。隨著3D打印及相關(guān)支持產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，先進(jìn)的3D打印技術(shù)不斷涌現(xiàn)，所需的材料種類也在不斷更新迭代。本文將3D打印先進(jìn)材料分為金屬材料、有機(jī)高分子材料、無機(jī)非金屬材料三大類，并分別闡述各先進(jìn)材料種類下的國內(nèi)外先進(jìn)3D打印技術(shù)的最新研究成果，以期對我國3D打印先進(jìn)材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到創(chuàng)新引領(lǐng)作用。金屬材料3D打印是以金屬為原料，以金屬粉末、絲材等為形式，在激光、電子束等高溫?zé)嵩聪驴焖偻瓿扇刍?、凝固、成形的制造技術(shù)。常用于3D打印的金屬材料包括鈦合金、高溫合金、鐵基合金、鋁合金和難熔合金等。2.2.1金屬材料1、鈦合金：鈦是自20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要結(jié)構(gòu)金屬。鈦合金強(qiáng)度高、耐蝕性能好、耐熱性能強(qiáng)。用于3D打印的鈦合金主要為粉末材料，目前國內(nèi)航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域常用TA1、TC4和TA15等牌號的鈦合金粉末，粉末質(zhì)量和批次穩(wěn)定性已經(jīng)得到充分驗證。為滿足應(yīng)用領(lǐng)域的需求，研究人員也在不斷開發(fā)出新型鈦合金及其復(fù)合材料。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)王坤教授團(tuán)隊研發(fā)了針對鈦合金膝關(guān)節(jié)打印件的磨粒流處理工藝，提出了基于鈦合金膝關(guān)節(jié)打印件的過磨優(yōu)化結(jié)構(gòu)與切削量預(yù)測模型，運用非牛頓流體的carreau-yasuda方程進(jìn)行仿真模擬，將仿真流道壓力與加工循環(huán)次數(shù)結(jié)合建立了鈦合金膝關(guān)節(jié)打印件切削量預(yù)測模型，并試驗驗證了模型的有效性。結(jié)果表明：拋光試驗的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果具有較高吻合度，鈦合金打印件過磨的現(xiàn)象出現(xiàn)在數(shù)值模擬的壓力區(qū)域最大處。在加工壓力為10MPa、加工循環(huán)次數(shù)為100次的工況下，鈦合金膝關(guān)節(jié)打印件內(nèi)外側(cè)預(yù)測模型均方根誤差分別為2.47%和2.80%，切削量預(yù)測模型的擬合度較好，明顯改善了流道的壓力分布，有效避免鈦合金膝關(guān)節(jié)打印件外側(cè)出現(xiàn)過磨現(xiàn)象。2、高溫合金：高溫合金是服役于600℃以上高溫環(huán)境，能承受苛刻的機(jī)械應(yīng)力，并具有良好組織穩(wěn)定性的一類合金。高溫合金是航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片、渦輪盤、燃燒室等熱端部件的主要材料。目前國內(nèi)3D打印廠商應(yīng)用的高溫合金原材料主要為鎳基和鈷基合金粉末，牌號包括GH3230、GH3536、GH3625、GH4169、GH4099、GH5188等。隨著工程化應(yīng)用程度的不斷加深，具有良好抗氧化性能和鑄造性能的高溫合金材料逐步進(jìn)入人們視野。3、鐵基合金：應(yīng)用于3D打印的鐵基合金大多是不銹鋼、模具鋼粉末，在核電領(lǐng)域的SLM和DED工藝產(chǎn)品中較為常見。目前國內(nèi)外學(xué)者對鐵基合金的研究方向集中于強(qiáng)化其耐磨性能。也有企業(yè)研發(fā)出高M(jìn)n-Ni型雙相不銹鋼合金粉末，大幅度提升了不銹鋼的耐蝕性能和耐磨性能，如圖打印的鐵基合金含油軸承。4、鋁合金：傳統(tǒng)用于3D打印的鋁合金的室溫強(qiáng)度僅有300MPa左右，加入某些微量元素可顯著提高鋁合金的室溫強(qiáng)度。中強(qiáng)度和高強(qiáng)度的鋁合金有望替代結(jié)構(gòu)鈦合金和不銹鋼，作為航空航天領(lǐng)域中的重要零部件。5、難熔合金：難熔金屬包括鎢、鉬、鉭、鈮等金屬，其最大的共同特點是熔點高，且每種金屬也有各自的特點。鎢具有高硬度以及良好的射線屏蔽性能，熔點為3410℃，被廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)、核工業(yè)以及醫(yī)療行業(yè)。鉭具有耐腐蝕性能以及優(yōu)良的電性能，主要被應(yīng)用于鉭電容制造和醫(yī)療植入物等，其中純鉭植入物如圖所示。采用3D打印方法生產(chǎn)的CT設(shè)備鎢準(zhǔn)直器已經(jīng)在國外長期批量應(yīng)用，該準(zhǔn)直器的某些關(guān)鍵性能已超過傳統(tǒng)工藝制備的準(zhǔn)直器。難熔金屬熔點較高，成形能量輸入較高，會形成較多孔洞缺陷，一般通過調(diào)整工藝參數(shù)和熱等靜壓等方式解決。有機(jī)高分子材料包括專用樹脂、超高分子量聚合物等材料，主要以線材為主，通過特定的熱源形式完成。國內(nèi)外材料廠商利用聚乳酸（PLA）、PETG等3D打印線材合成機(jī)理，對傳統(tǒng)線材進(jìn)行化學(xué)改性，提升材料韌性和強(qiáng)度等指標(biāo)。聚醚醚酮（PEEK）材料的改性則采取碳纖維等增強(qiáng)基的復(fù)合化處理。2.3.2有機(jī)高分子材料1、聚乳酸（PLA）：聚乳酸（PLA）是一種新型的生物降解材料，由聚乳酸制成的產(chǎn)品除了能夠被生物降解外，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性也非常好，還具有一定的抗菌性、阻燃性和抗紫外性，主要用于服飾、建筑、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、造紙和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。2、PETG：PETG材料是一種透明的非晶型共聚酯，可采用傳統(tǒng)的擠出、注塑、吹塑及吸塑等成形方法，也可以用于3D打印成形，其二次加工性能優(yōu)良，被廣泛用于塑料制品、醫(yī)療保健品、包裝制品等領(lǐng)域。3、聚醚醚酮（PEEK)：聚醚醚酮（PEEK）是高溫?zé)崴苄蕴胤N工程塑料，具有高強(qiáng)度、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、耐磨損、自潤滑、生物相容性、阻燃等優(yōu)異性能，在汽車、飛機(jī)制造、電子電器以及醫(yī)療等領(lǐng)域有一定應(yīng)用。純PEEK的楊氏模量為3.86±0.72GPa，經(jīng)碳纖維增強(qiáng)后可達(dá)21.1±2.3GPa，與人骨的楊氏模量最為接近，可以有效避免植入人體后與人骨產(chǎn)生的應(yīng)力遮擋以及松動現(xiàn)象，是一種理想的骨科植入物材料。4、ABS材料：ABS材料因其卓越的熱熔性和沖擊強(qiáng)度而在熔融沉積成型3D打印工藝中得到廣泛選擇。ABS通常會經(jīng)過預(yù)制成絲或粉末化處理后使用，其廣泛應(yīng)用幾乎覆蓋了所有日常用品、工程產(chǎn)品以及部分機(jī)械零部件。ABS材質(zhì)在顏色的選擇方面表現(xiàn)得多姿多彩，擁有白色、象牙白、黑色、紅色、藍(lán)色、深灰色、玫瑰紅等多種豐富選項，廣泛運用于汽車、家電以及電子消費品等領(lǐng)域。5、PC材料：PC（聚碳酸酯）材料被視為一種真正的熱塑性材料，其特點包括高強(qiáng)度、耐高溫、抗沖擊和抗彎曲，相較于ABS材料其強(qiáng)度更高，提升了60%?？梢宰鳛樽罱K零部件使用甚至超強(qiáng)工程制品的應(yīng)用。德國拜耳公司開發(fā)的PC2605可用于防彈玻璃、樹脂鏡片、車頭燈罩、宇航員頭盔面罩、智能手機(jī)的機(jī)身、機(jī)械齒輪等異型構(gòu)件的3D打印制造。6、PA材料：PA材料表現(xiàn)出高強(qiáng)度，但同時具備一定柔韌性，可直接應(yīng)用于3D打印制造設(shè)備零件。利用3D打印技術(shù)制造的PA碳纖維復(fù)合塑料樹脂零件不僅具有卓越韌性，還能替代機(jī)械工具中的金屬部件。作為全球知名的PA工程塑料專家，索爾維公司以PA工程塑料為基礎(chǔ)進(jìn)行3D打印樣件，廣泛運用于發(fā)動機(jī)周邊零部件，如門把手套件、零件、剎車踏板等。成功采用PA材料替代傳統(tǒng)金屬，解決了汽車輕量化的挑戰(zhàn)。7、PPSF材料：PPSF材料在所有熱塑性材料中具有最高強(qiáng)度、最優(yōu)耐熱性和卓越抗腐蝕性。由于這些出色的性能，PPSF材料在航空航天、交通工具以及醫(yī)療行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，通常被選用作最終零部件。PPSF具有最高的耐熱性、強(qiáng)韌性以及耐化學(xué)品性，在各種快速成型工程塑料之中性能最佳，通過碳纖維、石墨的復(fù)合處理，PPSF材料能夠表現(xiàn)出極高的強(qiáng)度，可用于3D打印制造該承受負(fù)荷的制品，成為替代金屬、陶瓷的首選材料。8、EP材料：EP（ElastoPlastic）即彈性塑料，是Shapeways公司最新研制的一種3D打印原材料，它能避免用ABS打印的穿戴物品或者可變形類產(chǎn)品存在的脆弱性問題。EP材料具備極其柔軟的特性，其塑形過程采用了類似ABS的“逐層燒結(jié)”原理，但由此制造的產(chǎn)品表現(xiàn)出卓越的彈性，并在受到變形后容易恢復(fù)原狀。該材料適用于制作各種產(chǎn)品，包括但不限于3D打印鞋、手機(jī)殼、以及3D打印衣物等。9、光敏樹脂：光敏樹脂，又稱光固化樹脂，屬于一類在受光照射后能夠在短時間內(nèi)迅速發(fā)生物理和化學(xué)變化，從而實現(xiàn)交聯(lián)固化的低聚物。在口腔科學(xué)領(lǐng)域，光固化復(fù)合樹脂被廣泛用于充填和修復(fù)材料。其色澤美觀且具備一定的抗壓強(qiáng)度，在臨床應(yīng)用中扮演關(guān)鍵角色，特別適用于前牙各類缺損和窩洞修復(fù)和器官模型打印，能夠取得令人滿意的效果。10、高分子凝膠：在3D打印中，高分子凝膠材料包括海藻酸鈉、纖維素、動植物膠、蛋白胨和聚丙烯酸等。這些材料表現(xiàn)出卓越的智能性能。在特定溫度、引發(fā)劑和交聯(lián)劑的作用下，這些材料經(jīng)歷聚合反應(yīng)，形成具有特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子凝膠制品。受離子強(qiáng)度、溫度、電場和化學(xué)物質(zhì)等因素的影響時，凝膠的體積也相應(yīng)變化，用于形狀記憶材料。凝膠溶脹或收縮發(fā)生體積轉(zhuǎn)變，用于傳感材料；凝膠網(wǎng)孔的可控性，可用于智能藥物釋放材料。本節(jié)提及的無機(jī)非金屬材料主要為3D打印工藝中常用的砂型材料和陶瓷材料。由于國內(nèi)粘結(jié)劑噴射和陶瓷光固化等工藝起步較晚，因此大多數(shù)的砂型材料和部分陶瓷材料的研究主要圍繞工藝性驗證開展?，F(xiàn)階段，對應(yīng)工藝的大多數(shù)材料還處于攻關(guān)狀態(tài)，而SiC陶瓷以及磷酸三鈣陶瓷等材料的研究已進(jìn)入復(fù)合強(qiáng)化階段。2.3.3無機(jī)非金屬材料1、砂型材料：砂型材料主要分為用于選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)的覆膜砂和用于粘接劑噴射（BJP）技術(shù)的樹脂砂。SLS覆膜砂材料是一種選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝打印鑄造用型芯或型殼的成形材料，打印出的砂型材料結(jié)合傳統(tǒng)鑄造工藝，可快速鑄造制得金屬零件。BJP樹脂砂主要包括鑄造用硅砂、呋喃樹脂粘結(jié)劑、酚醛樹脂粘結(jié)劑、無機(jī)粘結(jié)劑等鑄造砂型成形材料，通過BJP工藝成形砂芯、砂型，極大程度上提升了鑄造生產(chǎn)效率。覆膜砂的燒結(jié)性能優(yōu)異，尤其適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的快速鑄造，在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。2、陶瓷材料：在用于3D打印陶瓷材料中，研究最多的、成熟度最高的陶瓷材料主要為氧化物（Al2O3、ZrO2）、SiC、磷酸三鈣（TCP）等材料。粉末床成形技術(shù)一般要求粉體具有較高的流動性；立體光固化成形技術(shù)所用的原材料是由陶瓷粉體、分散劑和添加劑等組成的漿料。氧化物陶瓷被廣泛地應(yīng)用于刀具、磨輪、球閥、軸承等的制造，其中以Al2O3和ZrO2陶瓷刀具制造最為廣泛。該種材料被研究學(xué)者所關(guān)注的性能以耐磨性能和強(qiáng)韌性為主。SiC陶瓷在已知陶瓷材料中具有最佳的高溫力學(xué)性能（高的抗彎強(qiáng)度、優(yōu)良的耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦因數(shù)等），其抗氧化性能在所有非氧化物陶瓷中也是最好的。3D打印技術(shù)和纖維復(fù)合材料的結(jié)合為制造業(yè)、環(huán)境保護(hù)和科技創(chuàng)新帶來了巨大推動。制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級、節(jié)能減排和資源利用、創(chuàng)新驅(qū)動和科技競爭力都將因3D打印纖維復(fù)合材料的應(yīng)用而實現(xiàn)新的突破。采用3D打印纖維復(fù)合材料，是用最少的工具快速制造復(fù)合材料物體的理想方法。連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料因其具有高的比強(qiáng)度、比模量、可設(shè)計性，在航空、航天、汽車等輕量化結(jié)構(gòu)件中扮演者越來越重要的角色。3D打印連續(xù)纖維復(fù)合材料主要基體材料有苯乙烯-丙烯腈-聚丁二烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）、尼龍（Nylon）、聚醚醚酮（PEEK）和環(huán)氧樹脂等，主要增強(qiáng)纖維為碳纖維（CF）、玻璃纖維（GF）和凱夫拉纖維（Kevlar），研究表明纖維體積分?jǐn)?shù)與連續(xù)纖維復(fù)合材料拉伸和彎曲性能呈正相關(guān)，纖維含量越高材料強(qiáng)度也隨之增加，研究人員常通過纖維表面改性、提高打印壓力和工藝優(yōu)化等方式，以提升纖維含量、改善力學(xué)性能。2.3.4復(fù)合材料本節(jié)主要講述碳纖維，碳纖維復(fù)合材料作為3D打印材料界的一大重要類別，具有具有輕量、高強(qiáng)度、高韌性、導(dǎo)熱性好、耐低溫、耐腐蝕等特點。這些特性使得碳纖維成為3D打印纖維復(fù)合材料的理想材料，可以制造出更堅固、更輕盈的產(chǎn)品原型。1、打印優(yōu)勢：碳纖維3D打印機(jī)可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印，如薄壁結(jié)構(gòu)、空心結(jié)構(gòu)等，提高了產(chǎn)品的設(shè)計自由度和創(chuàng)造力。同時，它還可以實現(xiàn)精細(xì)打印，提供更高的打印分辨率和精度，碳纖維復(fù)合材料增材制造工藝如下圖所示。2、應(yīng)用領(lǐng)域：（1）航空航天：在航空航天領(lǐng)域，輕量化和強(qiáng)度是關(guān)鍵要素。3D打印技術(shù)可以根據(jù)設(shè)計師的要求，制造出復(fù)雜形狀的零部件，采用碳纖維材料可以進(jìn)一步提升零件的強(qiáng)度和剛性，減輕整個航空器的重量，從而提高燃油效率并降低碳排放。（2）工業(yè)制造：在工業(yè)制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以打印出復(fù)雜形狀的工業(yè)零部件，如排氣系統(tǒng)、引擎外殼等。使用碳纖維材料可以增加零部件的強(qiáng)度，同時大大減輕機(jī)器質(zhì)量，提升機(jī)器性能并降低能源消耗。（3）體育用品：在體育用品領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以制造出輕量化、個性化的運動裝備。應(yīng)用碳纖維材料，可以提高運動裝備的強(qiáng)度和彈性，減少運動員的負(fù)重感，提升運動表現(xiàn)。3D打印碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用是一項具有巨大潛力的技術(shù)。通過3D打印技術(shù)和碳纖維復(fù)合材料結(jié)合，可以實現(xiàn)大規(guī)模、復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的快速制造。傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料成型工藝往往需要復(fù)雜而昂貴的模具，而3D打印技術(shù)可以直接將零件從數(shù)字設(shè)計文件轉(zhuǎn)化為實體，消除了模具的需求，降低了制造成本和周期。1、TPU：具有高彈性和柔軟性，常用于制作鞋子、手機(jī)殼、玩具等。2、Nylon：具有高強(qiáng)度、高耐磨性和耐化學(xué)性，可用于多種應(yīng)用場景。3、生物可降解材料：這種材料在生物體內(nèi)能夠被自然降解，因此特別適用于醫(yī)療應(yīng)用，如制作臨時植入物、縫合線或藥物輸送系統(tǒng)。它們不僅避免了二次手術(shù)的需求，還減少了患者的不適。4、生物組織材料：這些材料旨在模擬人體組織的特性，用于制作人工骨骼、關(guān)節(jié)、心臟瓣膜等。它們通常需要與患者的細(xì)胞和組織相兼容，以促進(jìn)愈合和恢復(fù)。5、橡膠類材料：橡膠類材料具有良好的彈性和耐磨性，常用于制作輪胎、密封件、緩沖墊等。在3D打印中，橡膠類材料可以通過特定的打印技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的制造，為產(chǎn)品設(shè)計提供更多的可能性。6、木質(zhì)材料：近年來，木質(zhì)材料也逐漸被引入到3D打印領(lǐng)域。木質(zhì)材料具有天然的紋理和質(zhì)感，適用于制作家居用品、裝飾品等。通過3D打印技術(shù)，可以實現(xiàn)木質(zhì)零件的精確制造和定制化設(shè)計。7、軟膠材料：這種材料柔軟且富有彈性，常用于制作需要彎曲或變形的部件，如管道、軟管等。軟膠材料具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，適用于各種復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。2.3.5其它材料8、蠟質(zhì)材料：蠟質(zhì)材料常用于制作鑄造模具和模型。它們具有良好的可塑性和加工性，可以通過3D打印技術(shù)制造出高精度、高表面質(zhì)量的模型，為鑄造行業(yè)提供便利。9、可食用材料：隨著3D食品打印技術(shù)的發(fā)展，可食用材料也逐漸成為3D打印的一個重要方向。這些材料通常由糖、面粉、巧克力等食品原料制成，通過3D打印技術(shù)可以制作出各種形狀和口味的食品，為餐飲業(yè)和食品加工業(yè)帶來創(chuàng)新。10、石墨烯復(fù)合材料：石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，因此石墨烯復(fù)合材料在3D打印領(lǐng)域具有巨大的潛力。這種材料可以用于制造高性能的電子產(chǎn)品、航空航天部件以及輕量化結(jié)構(gòu)等。11、陶瓷基復(fù)合材料：陶瓷基復(fù)合材料結(jié)合了陶瓷的高硬度、高耐磨性和其他材料的韌性，適用于制造高性能的切削工具、耐磨件以及高溫環(huán)境下的零部件。12、金屬泡沫：金屬泡沫是一種輕質(zhì)金屬材料，具有良好的吸能性能和隔音性能。通過3D打印技術(shù)，可以制造出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的金屬泡沫零件，用于汽車、航空航天等領(lǐng)域的吸能結(jié)構(gòu)和隔音材料。13、生物基材料：這些材料來源于可再生資源，如植物纖維、淀粉等。它們具有環(huán)保、可降解的特點，適用于制造一次性用品、包裝材料等。14、液態(tài)金屬：某些金屬在特定條件下可以呈液態(tài)，這些液態(tài)金屬可以被用于3D打印制造精密的金屬結(jié)構(gòu)。由于液態(tài)金屬的流動性好，可以制造出更為復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)。15、智能材料：智能材料具有感知、響應(yīng)和自適應(yīng)的能力，如形狀記憶合金、壓電材料等。這些材料可以通過3D打印技術(shù)制造出具有特殊功能的結(jié)構(gòu)，用于智能機(jī)器人、傳感器等領(lǐng)域。16、納米材料：納米材料具有獨特的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，如高強(qiáng)度、高硬度、優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等。通過3D打印技術(shù)，可以精確地構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)，為微納制造、生物醫(yī)學(xué)和能源等領(lǐng)域提供新的解決方案。17、導(dǎo)電材料：這類材料具有良好的導(dǎo)電性能，適用于制造電子元件、傳感器和電路板等。通過3D打印技術(shù)，可以實現(xiàn)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的快速成型和定制化設(shè)計，提高電子設(shè)備的性能和可靠性。18、磁性材料：磁性材料具有磁響應(yīng)性和磁存儲能力，可用于制造磁性傳感器、磁性存儲器和磁性驅(qū)動器等。3D打印技術(shù)可以精確地控制磁性材料的分布和結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高性能的磁性器件的制造。如何根據(jù)制造需求選擇合適的增材制造設(shè)備和材料？3D打印機(jī)由于使用材料不同和成型原理不同，目前市場上的增材制造技術(shù)主要分為材料擠出技術(shù)、光固化技術(shù)、粉末熔化技術(shù)、材料噴射技術(shù)、粘結(jié)劑噴射技術(shù)和直接能量沉積技術(shù)等。不同技術(shù)所使用送料裝置也是不同的，一般根據(jù)輸送材料的狀態(tài)分為，擠出粘流態(tài)，液態(tài)樹脂固化，粉末燒結(jié)或粉末膠粘等，粉末熔化技術(shù)為制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件提供了便利，尤其是那些不需要額外支撐結(jié)構(gòu)的零件。金屬3D打印機(jī)常用于工業(yè)領(lǐng)域，主要采用了以下幾種技術(shù)：SLM、EBM、DMLS、MBJ、FDM、SLS、LENS、EBAM和粘接劑噴射技術(shù)。塑料3D打印機(jī)主要使用FDM、SLA、3DP等技術(shù)，其中FDM技術(shù)因其成本相對較低、操作簡單、材料選擇廣泛等優(yōu)點而被塑料3D打印機(jī)廣泛應(yīng)用。陶瓷3D打印機(jī)使用黏土或陶瓷粉作為原料，并通過擠出、激光燒結(jié)，或者液體粘結(jié)劑等方式進(jìn)行造型固定，主要使用FDM技術(shù)、立體光固化（DLP）技術(shù)。一般的工業(yè)陶瓷可用于制造高度耐磨、耐溫、抗生化產(chǎn)品。本章小結(jié)生物醫(yī)療3D打印可直接打印助聽器外殼、植入物、復(fù)雜手術(shù)器械和藥品。在生物制造方面，由3D打印沒有生命的醫(yī)療器械向打印具有生物活性的人工組織、器官的方向發(fā)展。金屬材料3D打印是以金屬為原料，以金屬粉末、絲材等為形式，在激光、電子束等高溫?zé)嵩聪驴焖偻瓿扇刍?、凝固、成形的制造技術(shù)。常用于3D打印的金屬材料包括鈦合金、高溫合金、鐵基合金、鋁合金和難熔合金等。有機(jī)高分子材料包括專用樹脂、超高分子量聚合物等材料，主要以線材為主，通過特定的熱源形式完成。無機(jī)非金屬材料主要為3D打印工藝中常用的砂型材料和陶瓷材料。3D打印連續(xù)纖維復(fù)合材料主要基體材料有苯乙烯-丙烯腈-聚丁二烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）、尼龍（Nylon）、聚醚醚酮（PEEK）和環(huán)氧樹脂等，主要增強(qiáng)纖維為碳纖維（CF）、玻璃纖維（GF）和凱夫拉纖維（Kevlar）。思考與練習(xí)一、簡答題1.簡述增材制造技術(shù)的分類及其特點。2.增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢是什么？請舉例說明。3.增材制造設(shè)備通常由哪些主要部分組成？這些部分的功能是什么？4.不同類型的增材制造設(shè)備在結(jié)構(gòu)和工作原理上有何異同？5.如何根據(jù)制造需求選擇合適的增材制造設(shè)備？思考與練習(xí)二、分析題1.增材制造中常用的材料有哪些類型？請列舉并簡要描述其特點。2.在增材制造中，如何根據(jù)產(chǎn)品的性能要求去選擇材料？思考與練習(xí)三、實踐題1.選擇一種你認(rèn)為具有創(chuàng)新性的增材制造技術(shù)和材料深入調(diào)研，并說明其創(chuàng)新點、應(yīng)用前景、發(fā)展?jié)摿?。拓展閱讀一、書籍拓展閱讀：《中國新材料研究前沿報告2021：增材制造材料I》，作者：黃衛(wèi)東二、3D打印機(jī)制造企業(yè)設(shè)備知識拓展：課程結(jié)束，細(xì)心體會，終有收獲第3章數(shù)據(jù)化建模技術(shù)及數(shù)據(jù)處理增材制造與創(chuàng)新設(shè)計：從概念到產(chǎn)品目錄contents32143.4模型文件格式轉(zhuǎn)換3.3逆向建模3.2圖片建模3.1軟件建模案例導(dǎo)入鳥型水杯充滿創(chuàng)意和趣味性，讓人見之心喜，它是怎么設(shè)計出來的？建立模型時使用了哪些軟件？建模需要怎樣的技巧？讓我們利用三維軟件一起體驗一下理想和現(xiàn)實的交互吧。

本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1、認(rèn)知目標(biāo)掌握3D建?；A(chǔ)，掌握軟件、圖片、逆向建?；靖拍?、原理及其在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用，熟悉數(shù)字化建模的基本流程。掌握常見3D打印文件格式和轉(zhuǎn)換工具使用方法、特點及適用范圍，了解STL、OBJ、AMF、3MF等常用文件格式，并理解它們在不同3D打印軟件和設(shè)備中的兼容性。2、能力目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生三維建模的能力，能夠熟練使用至少一款主流3D建模軟件，包括其界面操作、工具使用、模型創(chuàng)建與編輯、材質(zhì)貼圖、光照設(shè)置等，并能夠利用軟件建模工具進(jìn)行復(fù)雜形態(tài)的設(shè)計和制作。能夠通過圖片進(jìn)行3D建模的基本原理和步驟，包括圖像分析、輪廓提取、三維重構(gòu)等技術(shù)，能夠利用圖片信息快速生成3D模型。能夠熟悉掃描建模的流程，包括三維掃描設(shè)備的使用、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、模型修復(fù)與優(yōu)化等，能夠?qū)嶓w物品轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，并理解掃描建模在逆向工程中的應(yīng)用。3、素養(yǎng)目標(biāo)

培養(yǎng)綜合建模能力運用，學(xué)習(xí)者應(yīng)能夠綜合運用軟件建模、圖片建模和掃描建模等多種方法，根據(jù)設(shè)計需求選擇最合適的建模方式，并能夠獨立完成從概念到產(chǎn)品的完整3D建模過程。提升創(chuàng)新設(shè)計與審美能力，學(xué)習(xí)者應(yīng)能夠運用3D建模技術(shù)進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)新，培養(yǎng)空間想象力和審美能力，提高設(shè)計作品的實用性和美觀性。3D打印的模型建模技術(shù)有軟件建模，圖片建模，掃描建模等。圖片建模是一種快速建模技術(shù)，它使用圖像處理軟件將二維圖像轉(zhuǎn)換為三維模型。圖片建模的優(yōu)點是可以快速生成簡單的三維模型，但這些模型的自由度和細(xì)節(jié)度通常較低。掃描建模是一種利用掃描儀或相機(jī)獲取物體表面的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為三維模型的方法。這種方法適用于復(fù)制復(fù)雜的物體或表面，如文物、人體等。掃描建模的優(yōu)點是可以高度還原物體的表面細(xì)節(jié)和形狀，但這種方法的成本較高，需要專業(yè)的設(shè)備和技能，模型的設(shè)計和建立是進(jìn)行3D打印工作的關(guān)鍵基礎(chǔ)和重要前提，從建模到打印到后處理的總體工藝流程如下圖所示。3.1軟件建模

軟件建模是常用的建模方法，它使用CAD軟件來創(chuàng)建三維模型。這些軟件通常具有強(qiáng)大的建模工具和豐富的模型庫，可以根據(jù)需要自定義模型并調(diào)整其參數(shù)。如圖所示，軟件建?？梢詣?chuàng)建高度自由的模型，并且可以在模型完成后進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，從而更好地滿足打印需求。軟件建模是我們學(xué)習(xí)3D打印的一個基礎(chǔ)且重要的環(huán)節(jié)，可以使我們腦袋里設(shè)想的模型與現(xiàn)實模型進(jìn)行一個交互，是把想象變成現(xiàn)實的一個過程。在選擇建模方法和工具時，需要考慮軟件系統(tǒng)的特點和需求，選擇適合的建模語言和工具。例如，對于復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，可能需要使用面向?qū)ο蠼７椒?，使用UML語言進(jìn)行描述。對于簡單的軟件系統(tǒng)，可以使用結(jié)構(gòu)化建模方法，使用流程圖等工具進(jìn)行描述。軟件建模同時也是一個復(fù)雜的過程，它需要通過對軟件系統(tǒng)的深入理解和分析，建立合適的模型來描述其結(jié)構(gòu)、行為和功能。這個過程需要經(jīng)過多個步驟，包括確定建模的目的和范圍、收集需求和分析問題、設(shè)計模型、建立模型、驗證和修改模型以及交付和使用模型。目前使用較多的建模軟件如下表所示：軟件名稱公司名稱軟件特點Creo（PTC)草圖繪制，零件制作，裝配設(shè)計，鈑金設(shè)計，加工處理SolidWorks達(dá)索系統(tǒng)（DassaultSystemesS.A）功能強(qiáng)大。易學(xué)易用，技術(shù)創(chuàng)新UGSiemensPLMSoftware公司實體造型，虛擬造型，產(chǎn)生工程圖，有限元分析，機(jī)構(gòu)分析，動力分析，方針學(xué)模擬Rhino美國RobertMcNeel&Assoc三維動畫制作、工業(yè)制造、科學(xué)研究以及機(jī)械設(shè)計等領(lǐng)域C4D德國Maxon公司強(qiáng)大的3D建模、動畫和渲染軟件，它的全稱是Cinema4D。廣泛應(yīng)用于影視、廣告、工業(yè)設(shè)計、建筑設(shè)計等領(lǐng)域本節(jié)Proe/Creo建模為例按流程大致講解一下靜脈槍扳機(jī)的建模過程，扳機(jī)的具體建模操作參見7.1.4章節(jié)的內(nèi)容。1、導(dǎo)入掃描模型：先把扳機(jī)的掃描的STL文件導(dǎo)入到犀牛中，進(jìn)行前期掃描數(shù)據(jù)處理，通過犀牛把多余的雜面給刪除。將模型與犀牛的全局坐標(biāo)對齊，對齊后保存為STL文件。2、繪制外輪廓線：創(chuàng)建草繪特征，選擇TOP平面為草繪平面，將模型的外輪廓用樣條曲線草繪出來。3、拉伸草圖：直接在模型樹選中Step2創(chuàng)建的草繪，再選擇拉伸命令，拉伸高度為2.8mm。4、繪制表面特征：參照掃描模型，繪制扳機(jī)表面肋板、凸臺等特征。5、邊緣倒角：對繪制的扳機(jī)模型邊緣進(jìn)行倒圓角操作，即最終完成模型。3.1.1軟件建模實例3.2圖片建模圖片建模技術(shù)分為單張圖片建模和多張圖片建模。單張圖片建模指的是單張圖片生成的浮雕模型，多張圖片建模指的是利用照相機(jī)等設(shè)備對物體進(jìn)行多張圖片采集,隨后通過計算機(jī)進(jìn)行圖形圖像處理以及三維計算,最終生成被拍攝物體的三維模型。照片建模技術(shù)可以大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，也可以提供更加精準(zhǔn)的三維模型數(shù)據(jù)。使用傻瓜照相機(jī)、手機(jī)攝像、高級數(shù)碼單反相機(jī)或無人機(jī)拍攝物體、人物或場景,可將數(shù)碼照片迅速轉(zhuǎn)換為三維模型。使用傻瓜照相機(jī)、手機(jī)、高級數(shù)碼單反相機(jī)或無人機(jī)拍攝物體、人物或場景,可將數(shù)碼照片迅速轉(zhuǎn)換為三維模型。用普通的bmp、jpg格式的照片生成浮雕，這個比較簡單了，Cura切片軟件就有這個功能，具體方法是，Cura軟件把照片轉(zhuǎn)換成黑白的，然后根據(jù)不同點的灰度不同，生成不同點的深度值，這樣就可以生成一個浮雕效果的模型，其具體流程如下圖所示。3.2.1單張圖片建模實例第一步：選取圖片（圖片可以是jpg.、png.、wmf.等格式。）第二步：打開切片軟件，切片軟件可以選擇（cura、simplify、hora）現(xiàn)以cura軟件為例，打開cura，進(jìn)入初始界面。在圖中，我們可以看到一個界面被分為左右兩格。左側(cè)區(qū)域包含菜單欄和控制面板，主要用于調(diào)整打印質(zhì)量和支撐參數(shù)。右側(cè)則是3D顯示窗口，該窗口提供了對加載模型的觀察、調(diào)整以及切片文件保存的功能。用戶可以通過多種顯示方式來細(xì)致地觀察模型。為了幫助用戶更好地理解和使用這些功能，我們將首先演示如何載入和查看3D模型。用戶只需在右側(cè)3D瀏覽窗口的左上角按下Load按鈕，即可開始載入模型。首先單擊“文件”，然后單擊“打開模型”meshfile文件類型,包括stl,obj等網(wǎng)格面片文件，imagefile文件類型，包括bimp,jpeg,png等圖像文件，還有GCode文件，包括.G,Gcode加工類文件。選擇imagefiles文件，調(diào)入準(zhǔn)備好的東京塔.jpeg圖片，就可以將圖片導(dǎo)入進(jìn)來。第三步：導(dǎo)入之后界面會出現(xiàn)下圖所示，其中最下面的選線darkerishigher控制圖片按照灰度打印，其中顏色越深打印的高度越高。反之，lighterishigher選項，控制灰度圖片以顏色越淺打印的高度越高。Nosmoothing選項，控制打印質(zhì)量，其中分為三種Nosmoothing，這里我們一般將高度設(shè)置為3mm，長度設(shè)置為90mm，寬度設(shè)置為1200mm。第四步：生成并檢查浮雕模型。第五步：單擊“文件”，然后點擊“打印當(dāng)前模型”，開始打印。在打印圖片時，必須確保使用100%的填充率。這樣做是為了通過控制層厚來有效遮光，從而準(zhǔn)確還原圖片的亮度值，并展現(xiàn)其豐富的層次和陰影。若不遵循這一原則，圖片打印將失去其應(yīng)有的意義。因此，圖片打印必須是實心的，以確保最佳的打印效果。如圖對比填充率為20%和100%之間的區(qū)別。用Autodesk123DCatch軟件還原這個小金人的模型，其流程如下。3.2.2多張圖片建模實例第一步：選取實物模型。第二步：首先將模型擺放在一個光線均勻的場景來進(jìn)行拍攝，在參數(shù)設(shè)置方面，要設(shè)置合適的快門速度來避免動態(tài)模糊。第三步：接著拍著多個不同方位和角度的照片，并保證照片和照片之間，保持70%以上的重疊度，在拍攝照片時，有個小技巧，像削蘋果皮一樣一層一層的360°環(huán)繞拍照，可以保證不漏過每個細(xì)節(jié)，拍攝的照片越多，最后得到的數(shù)據(jù)模型就越精細(xì)。第四步：在獲得好所有照片之后，就可以準(zhǔn)備模型重建了，Autodesk的123DCatch，用大概20張照片可以合成出三維模型出來。上面cherrychen提到的3DCloud應(yīng)該是類似的原理。在Autodesk123DCatch軟件中單擊CreateaNewCapture(創(chuàng)建新的項目)，選中模型的所有照片,然后單擊打開，單擊CreateProject(創(chuàng)建項目),此時在彈出的對話框中輸入三維模型的名稱等信息,然后單擊Create(創(chuàng)建)，Autodesk123DCatch軟件會自動進(jìn)行解算，生成點云數(shù)據(jù)，對點云數(shù)據(jù)處理并貼圖之后，即獲得我們所需要的模型。第五步：將生成的模型導(dǎo)入切片軟件進(jìn)行打印。如圖所示，對于復(fù)雜的模型也可以用這種方法進(jìn)行建模，例如有人用無人機(jī)環(huán)繞洛陽老君山峰頂建筑拍照將近10000張，成功還原出這座世界文化遺產(chǎn)的古老建筑。3.3逆向建模3.3.1逆向工程概述

逆向工程定義逆向建模技術(shù)即逆向工程(reverseengineering,RE),也稱為反求工程,是從實物樣本獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型并制造得到新產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù),已經(jīng)成為增材制造中的一個研究和應(yīng)用熱點,并發(fā)展成為一個相對獨立的技術(shù)領(lǐng)域。在這一意義下,“逆向工程”可定義為:將實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。1

逆向工程前沿逆向工程技術(shù)可以解構(gòu)為三個關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)采集技術(shù)、逆向重構(gòu)技術(shù)(數(shù)據(jù)點云的預(yù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)分塊與曲面重構(gòu)、CAD模型創(chuàng)新構(gòu)造)、增材制造技術(shù)或CAM技術(shù)。逆向工程工作流程如下圖所示，一般為：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲面和三維實體重構(gòu)、修改或創(chuàng)新設(shè)計以及實物制造等5個步驟。其中，從數(shù)據(jù)采集到CAD模型建立的關(guān)鍵技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。目前，數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要以三坐標(biāo)測量和激光三維掃描技術(shù)為主，三維掃描技術(shù)經(jīng)歷了從單點測量到線掃描、面掃描的發(fā)展過程，隨著計算機(jī)視覺和人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，三維掃描技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善。2

逆向工程應(yīng)用領(lǐng)域(1)新產(chǎn)品開發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品正朝著美觀化、藝術(shù)化的方向發(fā)展,產(chǎn)品的工業(yè)美學(xué)設(shè)計逐漸納入創(chuàng)新設(shè)計的范疇。為實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計,可將工業(yè)設(shè)計和逆向工程結(jié)合起來共同開發(fā)新產(chǎn)品，如圖所示打印的時尚馬頭創(chuàng)意涼鞋。3(2)產(chǎn)品的仿制和改型設(shè)計在只有實物而缺乏相關(guān)技術(shù)資料(圖紙或CAD模型)的情況下,利用逆向工程技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)處理,重建與實物相符的CAD模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)的操作,如模型修改、零件設(shè)計、有限元分析、誤差分析、數(shù)控加工指令生成等,最終實現(xiàn)產(chǎn)品的仿制和改進(jìn)，如圖所示，對汽車內(nèi)飾車前蓋的升級改造，需要在原有的基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行重新設(shè)計，通過逆向的方式進(jìn)行掃描建模，然后便可以在模型上進(jìn)行接下來的升級改造工作。(3)快速原型制造快速原型制造(rapidprototypingmanufacturing,RPM),綜合了機(jī)械、CAD、數(shù)控、激》以及材料科學(xué)等各種技術(shù),已成為新產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)的有效手段,其制作過程是在CAD模型的直接驅(qū)動下進(jìn)行的。逆向工程恰好可為其提供上游的CAD模型。兩者結(jié)合組成了產(chǎn)品測量、建模、修改、再測量的閉環(huán)系統(tǒng),可實現(xiàn)設(shè)計過程的快速反復(fù)選代，如圖所示，對打結(jié)器齒輪盤進(jìn)行掃描和建立模型，實現(xiàn)產(chǎn)品的更新和快速制造。(4)產(chǎn)品的數(shù)字化檢測這是逆向工程一個新的發(fā)展方向。對加工后的零部件進(jìn)行掃描測量,獲得產(chǎn)品實物的數(shù)字化模型,并將該模型與原始設(shè)計的幾何模型在計算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)比較,可以有效檢測制造誤差,提高檢測精度，如圖所示，對變速箱底座進(jìn)行掃描和偏差檢測。另外,通過CT掃描技術(shù),還可以對產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)診斷及量化分析等,從而實現(xiàn)無損檢測。(5)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域斷層掃描如圖所示，先進(jìn)的醫(yī)學(xué)斷層掃描儀器，如CT等能夠為醫(yī)學(xué)研究與診斷提供高質(zhì)量的斷層掃描信息，為人體骨骼的CAD建模提供了良好的條件。在反求人體骨骼CAD模型的基礎(chǔ)上，利用快速成形(RP)技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地制造骨骼替代物的三維模型，為組織工程進(jìn)入定制階段奠定基礎(chǔ)，同時也為疾病醫(yī)治提供輔助手段。(6)服裝、頭盔等的設(shè)計制造根據(jù)個人形體的差異,采用先進(jìn)的掃描設(shè)備和曲面重構(gòu)軟件,快速建立人體的數(shù)字化模型,從而設(shè)計制造出頭盔、鞋、服裝等產(chǎn)品,并使人們在互聯(lián)網(wǎng)上就能定制自己所需的產(chǎn)品同樣,在航空字航領(lǐng)域,字航服裝的制作要求非常高,需根據(jù)不同體形特制,逆向工程中參數(shù)化特征建模為實現(xiàn)批量的定制頭盔和衣服的制作提供了新思路。(7)藝術(shù)品、考古文物等的復(fù)制如圖所示。應(yīng)用逆向工程技術(shù),還可以對工藝品、文物等進(jìn)行復(fù)制,可以方便地生成基于實物模型的計算機(jī)動畫、虛擬場景等。在逆向工程中，測量設(shè)備和方法的選擇至關(guān)重要。如圖所示。由于測量原理的多樣性，需要根據(jù)具體需求和條件來選擇合適的測量方法。接觸式測量方法包括基于力-變形原理的觸發(fā)式和連續(xù)式數(shù)據(jù)收集，而激光三角測量法、激光測距法、光干涉法、結(jié)構(gòu)光法、圖像分析法等是非接觸式測量的常見方法。這些方法各有特點和應(yīng)用范圍，選擇時應(yīng)根據(jù)被測物體的形體特征和應(yīng)用目的來決定。3.3.2光學(xué)測量技術(shù)原理及軟件設(shè)備

激光三角法（1）直射式激光三角法如圖所示。激光三角法測量原理主要是利用激光器（光源）、成像系統(tǒng)（相機(jī)加鏡頭）、被測物體之間的三角幾何關(guān)系得到被測物體表面的距離關(guān)系。直射式激光三角法是指激光器打下的激光線垂直入射到被測物表面，如圖所示。假設(shè)B為基準(zhǔn)面上一個測量點，是激光器發(fā)射出的激光入射光線形成的一個基準(zhǔn)面上的光入射點，然后光入射點在物體表面發(fā)生夾角為α的漫反射后在光敏器件成像為B’點，A點為被測物表面一點，其在光敏面上的成像點為A’，AB為入射光束，BB’為反射光束，AB與BB’之間的夾角即為BB’與A’B’的夾角，B點、B’與成像面之間的垂直距離分別為物距L、像距L’。1

激光三角法（2）斜射式激光三角法如圖所示，斜射式激光三角法測量原理如圖所示。設(shè)激光入射光線與基準(zhǔn)參考面法線所成的角度為，法線與BB'所成的夾角為，B點、B'與成像面之間的垂直距離分別為物距L、像距L'，為BB'與A'B的夾角，AH垂直BB'，A'H'垂直BB'，根據(jù)三角形相似關(guān)系，可得到ΔOHA～ΔOH'A'。1

激光相位移法激光相位移法是調(diào)節(jié)激光脈沖的功率，其測量原理如下圖所示，掃描儀會對發(fā)送出去的光束和返回到傳感器的光束的相位進(jìn)行比較，根據(jù)相位移測量來獲得更精確的空間點的距離信息。2

結(jié)構(gòu)光

結(jié)構(gòu)光(StructuredLight)法和上述的激光相位移法都是基于激光三角測量法原理，由結(jié)構(gòu)光投射器向被測物體表面投射可控制的光點、光條或光面結(jié)構(gòu)，并由圖像傳感器(如CCD攝像機(jī))獲得圖像，利用三角測量原理計算得到物體表面的三維坐標(biāo)點云。結(jié)構(gòu)光測量方法具有計算簡單、體積小、價格低、量程大、便于安裝和維護(hù)的特點，但是測量精度受物理光學(xué)的限制，存在遮擋問題，測量精度與速度相互矛盾，難以同時得到提高。結(jié)構(gòu)光3D掃描技術(shù)以共角測量為基礎(chǔ)，通過光線的編碼構(gòu)成多種多樣的視覺傳感器，如下圖所示。它主要分為點結(jié)構(gòu)光法、線結(jié)構(gòu)光法和面結(jié)構(gòu)光法。3(1)點結(jié)構(gòu)光法激光器投射一個光點到待測物體表面，被測點的空間坐標(biāo)可由投射光束的空間位置和被測點成像位置所決定的視線空間位置計算得到。由于每次只有一點被測量，為了形成完整的三維面形，必須對物體逐點掃描測量。它的優(yōu)點是信號處理比較簡單，缺點是圖像攝取和圖像處理需要的時間隨著被測物體的增大而急劇增加，難以完成實時測量。(2)線結(jié)構(gòu)光法用線結(jié)構(gòu)光代替點光源，只需要進(jìn)行一維掃描就可以獲得物體的深度圖像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理的時間大大減少。線結(jié)構(gòu)光測量時需要利用輔助的機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)光條投影部分，從而完成對整個被測物體的掃描。與點結(jié)構(gòu)光法相比，其硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，數(shù)據(jù)處理所需的時間也更短。(3)面結(jié)構(gòu)光法該系統(tǒng)由投影儀和面陣CCD組成。如下圖所示。測量時光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光(條紋圖案)到待測物體上，呈一定夾角的兩個攝像頭同步采集相應(yīng)圖像，光柵是一種光學(xué)器件，一般常用的是在玻璃片上刻出大量平行痕形成透光和不透光的部分，當(dāng)然投射的結(jié)構(gòu)光圖案不止條紋這一種，當(dāng)投射的結(jié)構(gòu)光圖案比較復(fù)雜的時候，為了確定物體表面點與其圖像像素點的對應(yīng)關(guān)系，需要對投射的結(jié)構(gòu)光圖案進(jìn)行編碼，然后對圖像進(jìn)行解碼和相位計算，并利用三角形測量原理解出兩個攝像機(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點的三維坐標(biāo)。關(guān)于結(jié)構(gòu)光編碼這里就不展開了，它的特點是不需掃描，適合直接測量?，F(xiàn)在主流使用的3D掃描設(shè)備為面結(jié)構(gòu)光+紅外激光結(jié)合的原理，如德國GOM高慕光學(xué)測量公司的GOMATOSQ設(shè)備，這種技術(shù)結(jié)合了結(jié)構(gòu)光掃描和激光掃描的優(yōu)點，實現(xiàn)了高精度、高速度的3D測量和建模。面結(jié)構(gòu)光技術(shù)通過投射特定的光柵或條紋圖案到物體表面，并利用相機(jī)捕捉這些圖案的變形，從而獲取物體表面的三維信息。這種技術(shù)能夠提供較高的測量精度，適用于復(fù)雜形狀的物體。同時，面結(jié)構(gòu)光掃描可以實現(xiàn)快速測量，大大提高工作效率。而紅外激光技術(shù)則通過發(fā)射激光束并測量其反射回來的時間或角度，從而獲取物體的三維坐標(biāo)。紅外激光掃描具有較遠(yuǎn)的測量距離和較高的測量速度，特別適用于大型物體或場景的掃描。將面結(jié)構(gòu)光與紅外激光結(jié)合，可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，提高3D掃描的穩(wěn)定性和魯棒性。在面對不同材質(zhì)、顏色和反光性的物體時，結(jié)構(gòu)光和紅外激光的互補(bǔ)作用可以使掃描結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

逆向工程軟件Creaform的3D掃描儀系列搭配3DSystems的Geomagic軟件可快速實現(xiàn)逆向工程建模和模型比對檢測，如圖所示為本小節(jié)重點介紹Geomagic系列軟件和醫(yī)學(xué)逆向軟件Mimics。4

逆向掃描設(shè)備（1）手持式三維掃描儀如下圖所示，以KSCAN系列復(fù)合式三維掃描儀為例，手持式三維掃描儀是一種便攜式的三維測量設(shè)備，它利用激光或光學(xué)投影技術(shù)，通過掃描物體表面獲取其三維形狀和幾何數(shù)據(jù)。這種設(shè)備具有許多優(yōu)點，如高分辨率、高精度、自動多分辨率、雙掃描模式、自定位等特性，使其在工業(yè)設(shè)計、質(zhì)量檢測、逆向工程、機(jī)器人導(dǎo)引、文物保護(hù)等