本書對 3D 打印增材制造技術進行了系統全面的闡述，內容包括增材制造中的三維模型及數據處理，增材制造材料及制備（涉及金屬、高分子、光敏樹脂、陶瓷、3D 打印復合材料等），材料擠出打印技術，光固化增材制造技術，粉末床熔融增材制造技術，定向能量沉積增材制造技術，三維噴射打印技術，薄材疊層增材制造技術，新型 3D 打印技術，以及 3D 打印材料的性能。本書內容翔實、圖文并茂、結構分明、專業性突出，既有理論研究又有實際應用，是一本對 3D 打印增材制造技術教學、研究和應用具有實用價值的教材。本書可作為普通高等教育、職業院校機械類或近機械類專業的教材，還可作為相關崗位的培訓教材或供相關工程技術人員學習參考。為便于教學，本書配套有電子課件、微課視頻等教學資源，讀者可登錄華信教育資源網（www.hxedu.com.cn）免費下載。
潘家敬，碩導，主持及參與國家、省部級項目4項，山東省高等學校對接產業項目及山東省智能綠色制造技術與裝備協同創新中心學術骨干，材料成型及控制工程、智能制造工程等優勢特色專業核心授課教師。
目 錄
緒論 3D 打印增材制造技術概述 ................................................................................................................. 1
第 1 章 增材制造中的三維模型及數據處理 ............................................................................................ 3
1.1 三維模型的構建 ................................................................................................................................... 3
1.1.1 計算機輔助建模 .......................................................................................................................... 3
1.1.2 逆向工程及建模 .......................................................................................................................... 4
1.1.3 三維掃描測量技術 ...................................................................................................................... 5
1.1.4 點云數據處理 .............................................................................................................................. 7
1.2 三維模型的 STL 文件 ........................................................................................................................ 8
1.2.1 格式及精度 .................................................................................................................................. 9
1.2.2 基本規則與錯誤類型 ................................................................................................................. 11
1.2.3 分割和拼接 ................................................................................................................................ 13
1.3 三維模型的切片處理 ........................................................................................................................ 14
1.3.1 模型的擺放和支撐結構 ............................................................................................................ 15
1.3.2 分層切片軟件 ............................................................................................................................ 16
1.3.3 切片的分類 ................................................................................................................................ 17
1.3.4 層片數據處理 ............................................................................................................................ 18 第 2 章 增材制造材料及制備 ...................................................................................................................... 21
2.1 金屬打印材料 ...................................................................................................................................... 21
2.1.1 常用的金屬打印材料 ................................................................................................................ 21
2.1.2 金屬粉末的制備 ........................................................................................................................ 22
2.1.3 金屬絲材制備工藝 .................................................................................................................... 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 高分子絲材的制備 .................................................................................................................... 28
2.2.3 高分子粉材的制備 .................................................................................................................... 29
2.3 光敏樹脂材料 ...................................................................................................................................... 30
2.3.1 光敏樹脂的組成 ........................................................................................................................ 30
2.3.2 光敏樹脂的性能 ........................................................................................................................ 30
2.3.3 光敏樹脂材料的分類 ................................................................................................................ 31
2.3.4 光敏樹脂材料固化機理 ............................................................................................................ 32
3D 打印增材制造技術
·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 陶瓷粉體的制備 ........................................................................................................................ 36
2.4.3 覆膜砂材料 ................................................................................................................................ 37
2.5 3D 打印復合材料 ............................................................................................................................... 37
2.5.1 高分子粉末復合材料 ................................................................................................................ 38
2.5.2 纖維增強復合材料 .................................................................................................................... 38
2.5.3 金屬基復合材料 ........................................................................................................................ 39
第 3 章 材料擠出打印技術 ........................................................................................................................... 41
3.1 熔融沉積制造技術 ............................................................................................................................ 41
3.1.1 基本原理及特點 ........................................................................................................................ 41
3.1.2 成型系統與設備 ........................................................................................................................ 42
3.1.3 成型工藝過程 ............................................................................................................................ 43
3.1.4 成型質量的因素分析 ................................................................................................................ 44
3.2 碳纖維復合材料 3D 打印 ................................................................................................................ 45
3.2.1 基本原理及特點 ........................................................................................................................ 45
3.2.2 成型工藝 .................................................................................................................................... 46
3.3 螺桿擠出 3D 打印技術 .................................................................................................................... 46
3.3.1 基本原理 .................................................................................................................................... 46
3.3.2 成型設備 .................................................................................................................................... 47
3.4 氣動擠出打印技術 ............................................................................................................................ 47 第 4 章 光固化增材制造技術 ...................................................................................................................... 49
4.1 光固化成型技術 ................................................................................................................................. 49
4.1.1 基本原理 .................................................................................................................................... 49
4.1.2 成型系統與設備 ........................................................................................................................ 49
4.1.3 成型工藝及分析 ........................................................................................................................ 51
4.1.4 光固化成型精度 ........................................................................................................................ 52
4.1.5 工藝特點 .................................................................................................................................... 56
4.2 數字光處理技術 ................................................................................................................................. 56
4.2.1 基本原理 .................................................................................................................................... 57
4.2.2 成型系統與設備 ........................................................................................................................ 57
4.2.3 成型工藝過程 ............................................................................................................................ 58
4.2.4 工藝特點及應用 ........................................................................................................................ 58
4.3 數字光合成技術 ................................................................................................................................. 59
4.4 液晶顯示光固化技術 ........................................................................................................................ 59
目錄
·VII.第 5 章 粉末床熔融增材制造技術 ............................................................................................................. 61
5.1 選擇性激光燒結技術 ........................................................................................................................ 61
5.1.1 基本原理 .................................................................................................................................... 61
5.1.2 高分子粉末材料 SLS 技術 ....................................................................................................... 62
5.1.3 陶瓷粉末材料 SLS 技術 ........................................................................................................... 63
5.1.4 金屬粉末 SLS 技術 ................................................................................................................... 64
5.1.5 成型工藝及分析 ........................................................................................................................ 65
5.2 激光選區熔化技術 ............................................................................................................................ 67
5.2.1 基本原理及工藝特點 ................................................................................................................ 67
5.2.2 成型設備 .................................................................................................................................... 68
5.2.3 振鏡式激光掃描系統 ................................................................................................................ 69
5.2.4 成型工藝及缺陷分析 ................................................................................................................ 71
5.3 電子束選區熔化技術 ........................................................................................................................ 73
5.3.1 基本原理及特點 ........................................................................................................................ 73
5.3.2 成型系統與設備 ........................................................................................................................ 74
5.3.3 成型工藝及分析 ........................................................................................................................ 75
第 6 章 定向能量沉積增材制造技術 ........................................................................................................ 77
6.1 增材制造能量源 ................................................................................................................................. 77
6.1.1 激光原理與激光器 .................................................................................................................... 77
6.1.2 電弧等離子體 ............................................................................................................................ 80
6.1.3 電子束 ........................................................................................................................................ 81
6.2 激光近凈成型技術 ............................................................................................................................ 81
6.2.1 基本原理及特點 ........................................................................................................................ 82
6.2.2 成型系統與設備 ........................................................................................................................ 82
6.2.3 成型工藝及分析 ........................................................................................................................ 84
6.3 電弧熔絲增材制造技術 ................................................................................................................... 85
6.3.1 基本原理及特點 ........................................................................................................................ 85
6.3.2 成型系統與設備 ........................................................................................................................ 85
6.3.3 成型工藝及分析 ........................................................................................................................ 87
6.4 電弧噴涂制造技術 ............................................................................................................................ 87
6.4.1 基本原理及特點 ........................................................................................................................ 87
6.4.2 成型系統與設備 ........................................................................................................................ 88
6.4.3 成型工藝及分析 ........................................................................................................................ 89
6.5 電子束自由成型制造技術 .............................................................................................................. 90
6.5.1 基本原理及特點 ........................................................................................................................ 90
6.5.2 成型系統與設備 ........................................................................................................................ 90
3D 打印增材制造技術
·VIII·
6.5.3 成型工藝及分析 ........................................................................................................................ 91
6.6 等離子熔覆制造技術 ........................................................................................................................ 91
6.6.1 基本原理 .................................................................................................................................... 91
6.6.2 工藝特點 .................................................................................................................................... 92
6.6.3 工程應用 .................................................................................................................................... 92
第 7 章 三維噴射打印技術 ........................................................................................................................... 93
7.1 噴墨式 3D 打印技術 ......................................................................................................................... 93
7.1.1 連續噴墨打印技術 .................................................................................................................... 93
7.1.2 熱氣泡噴墨打印技術 ................................................................................................................ 94
7.1.3 微壓電噴墨打印技術 ................................................................................................................ 94
7.2 三維（黏結劑）噴射打印技術 ..................................................................................................... 96
7.2.1 基本原理 .................................................................................................................................... 96
7.2.2 成型材料與設備 ........................................................................................................................ 97
7.2.3 成型工藝及分析 ........................................................................................................................ 97
7.3 冷噴涂增材制造技術 ........................................................................................................................ 99
7.3.1 基本原理 .................................................................................................................................... 99
7.3.2 成型系統與設備 ........................................................................................................................ 99
7.3.3 特點及應用 .............................................................................................................................. 100
7.4 聚合物噴射增材制造技術 ............................................................................................................ 100
7.4.1 PolyJet 聚合物噴射技術 ......................................................................................................... 100
7.4.2 多射流熔融技術 ...................................................................................................................... 101
7.5 納米顆粒噴射 3D 打印技術 ......................................................................................................... 103
7.5.1 工作原理 .................................................................................................................................. 103
7.5.2 成型工藝及分析 ...................................................................................................................... 103
7.5.3 工藝特點及應用 ...................................................................................................................... 103
7.6 氣溶膠噴射打印技術 ...................................................................................................................... 104
7.6.1 基本原理 .................................................................................................................................. 104
7.6.2 成型工藝及設備 ...................................................................................................................... 104
7.6.3 特點及應用 .............................................................................................................................. 105
第 8 章 薄材疊層增材制造技術 ................................................................................................................ 106
8.1 疊層實體制造技術 .......................................................................................................................... 106
8.1.1 基本原理及特點 ...................................................................................................................... 106
8.1.2 成型系統與設備 ...................................................................................................................... 107
8.1.3 成型工藝過程 .......................................................................................................................... 107
8.2 超聲波固相增材制造技術 ............................................................................................................ 108
8.2.1 技術原理 .................................................................................................................................. 108
目錄
·IX·
8.2.2 工藝特點 .................................................................................................................................. 109
8.2.3 應用 ........................................................................................................................................... 110
第 9 章 新型 3D 打印技術 ........................................................................................................................... 111
9.1 直接墨水書寫 3D 打印技術 ......................................................................................................... 111
9.1.1 導電墨水材料 ........................................................................................................................... 111
9.1.2 基本原理及特點 ....................................................................................................................... 112
9.1.3 工藝特點 ................................................................................................................................... 113
9.2 液態金屬懸浮 3D 打印技術 ......................................................................................................... 114
9.2.1 液態金屬材料 ........................................................................................................................... 114
9.2.2 工藝過程 ................................................................................................................................... 114
9.2.3 特點及應用 ............................................................................................................................... 115
9.3 雙光子聚合激光 3D 直寫打印技術 ........................................................................................... 115
9.3.1 基本原理 ................................................................................................................................... 116
9.3.2 成型工藝及設備 ....................................................................................................................... 117
9.3.3 特點及應用 ............................................................................................................................... 117
第 10 章 3D 打印材料的性能 ..................................................................................................................... 119
10.1 材料的強度與塑性 ........................................................................................................................ 119
10.1.1 拉伸試驗及拉伸曲線 ............................................................................................................. 119
10.1.2 拉伸曲線所確定的力學性能指標及意義 ............................................................................ 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 維氏硬度 ................................................................................................................................ 123
10.3 材料的沖擊韌度 ............................................................................................................................. 124
10.4 材料的疲勞強度 ............................................................................................................................. 126
10.5 材料的斷裂韌度 ............................................................................................................................. 127
參考文獻 ............................................................................................................................................................... 129
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