[正版]3D打印材料丛书 3D打印技术概论 3D打印基础概况 3D打印技术流程 三维建模 3D打印技术原理工艺 3D打

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2017年3月，中国工程院启动了“中国3D打印材料及应用发展战略研究”咨询项目。中国工程院化工、冶金与材料工程学部联合机械、卫生等学部26位院士，组织了全国100余位3D打印领域的专家学者、历时两年完成了该咨询项目，并在咨询报告的基础上，组织出版“3D打印材料丛书”。
本书是“3D打印材料丛书”之一，介绍了光固化技术、粉床熔融技术、激光直接能量沉积、喷射式3D打印技术、粘结剂喷射技术、薄材叠层制造技术等3D打印技术，针对不同技术的原理从三维模型的设计、切片、数据处理到工艺过程、后处理及相关应用进行了详细的介绍。

《3D打印技术概论》全面系统地介绍了3D打印技术的原理以及工艺。重点介绍了当前主流的3D打印技术，比如基于光固化的3D打印技术、基于材料喷射式的3D打印技术、基于粉末床的3D打印技术、基于叠层技术的3D打印技术以及复合式3D打印技术。针对3D打印产品的标准以及检测技术也有详细的介绍。本书可作为大专院校相关专业本科生及研究生的教材，可供从事3D打印材料研发、设计、生产、应用的科研、工程技术人员参考阅读。

陈继民，北京工业大学激光工程研究院，教授、博士生导师，3D打印工程中心主任。中国增材制造标准化技术委员会（SAC/TC562）委员，中国光学学会激光加工专业委员会委员，中国机械工程学会特种加工委员会理事，中国机械工程学会高级会员，国际光学工程学会SPEI会员。主要研究领域为3D打印、激光快速成型、激光微细加工等。在国内外公开发表论文150余篇，其中被三大检索论文100余篇。申请专利20项，软件著作5项。近年来承担科技部重点专项课题、国家自然科学基金、北京市科技计划项目、北京市基金重点项目等十余项。

第1章3D打印基础概况1
1.1发展历史2
1.2技术原理4
1.2.1光固化立体成形技术原理4
1.2.2基于数字光处理技术的3D打印成形原理5
1.2.3激光选区熔化成形技术原理与特点5
1.2.43DP技术7
1.3技术发展展望8
参考文献10

第2章3D打印技术流程13
2.1三维建模14
2.1.1建模的基本思路14
2.1.2多边形建模15
2.1.3NURBS建模15
2.1.4特征建模16
2.2模型三维扫描16
2.2.1结构光技术17
2.2.2双目视觉技术19
2.3STL文件20
2.3.1STL文件的ASCII格式21
2.3.2STL文件的二进制格式21
2.4支撑结构设计23
2.4.1外部支撑结构设计与优化23
2.4.2外部支撑结构的添加24
2.4.3外部支撑结构的优化26
2.4.4内部结构设计26
2.4.5基于模型结构分析的设计方法27
2.4.6基于仿生结构的设计方法29
2.5模型切片32
2.5.1基于几何拓扑信息提取的切片算法32
2.5.2基于三角面片几何特征的分层处理算法33
2.5.3定层厚容错切片33
2.5.4直接分层切片34
2.5.5常用的切片软件34
2.6后处理35
参考文献36

第3章光固化成形技术39
3.1光固化成形原理41
3.2光固化成形设计41
3.3光固化成形工艺42
3.3.1立体光固化技术42
3.3.2数字光处理技术42
3.3.3连续液面生产技术44
3.3.4液晶屏投影技术45
3.3.5光固化成形工艺优势45
3.3.6光固化成形工艺弱点47
3.4光固化成形材料48
3.4.1光敏树脂49
3.4.2陶瓷50
3.4.3生物材料50
3.5光固化3D打印装备51
3.5.1国内光固化3D打印装备51
3.5.2国外光固化3D打印装备58
3.6光固化成形技术的应用62
3.6.1航空航天62
3.6.2汽车63
3.6.3牙科63
3.6.4消费产品（珠宝）63
3.6.5手板64
3.6.6生物医疗64
参考文献64

第4章材料挤出3D打印技术67
4.1材料挤出成形原理68
4.2材料挤出3D打印工艺70
4.2.1材料挤出3D打印工艺分类70
4.2.2材料挤出3D打印工艺研究73
4.3材料挤出3D打印材料77
4.3.1高分子材料78
4.3.2无机非金属材料80
4.3.3金属材料82
4.3.4复合材料83
4.3.5食品85
4.4材料挤出3D打印设备85
4.4.1FDM打印机86
4.4.2混凝土3D打印机86
4.4.3陶瓷3D打印机87
4.4.4复合材料3D打印机89
4.4.5食品打印机90
4.5材料挤出3D打印应用91
参考文献96

第5章喷射式3D打印技术101
5.1粉末喷射式成形技术概述102
5.2微滴喷射式3D打印技术104
5.2.1微滴喷射式成形技术概述104
5.2.2微滴喷射式3D打印的特点107
5.2.3微滴喷射自由成形系统的基本组成107
5.2.4微滴喷射自由成形的设计过程108
5.2.5材料喷射技术的设计参数109
5.2.6材料喷射自由成形工艺中的主要影响因素109
5.3国内外喷射式3D打印主要设备厂商111
5.3.1国外设备厂商及其设备111
5.3.2国内设备厂商及其设备113
5.4喷射式3D打印技术展望116
5.4.1微滴喷射技术展望116
5.4.2粉末喷射技术展望119
5.5喷射式3D打印技术发展趋势119
参考文献120

第6章黏结剂喷射技术123
6.1黏结剂喷射技术的原理124
6.2黏结剂喷射技术的设计过程125
6.2.1黏结剂喷射的设计过程125
6.2.2黏结剂喷射技术的设计参数126
6.3黏结剂喷射的技术工艺127
6.3.1黏结剂喷射技术的工艺流程127
6.3.2黏结剂喷射的后处理过程127
6.3.3黏结剂喷射工艺的技术优势128
6.3.4黏结剂喷射工艺的技术限制129
6.4黏结剂喷射的材料130
6.4.1黏结剂喷射石膏打印131
6.4.2黏结剂喷射陶瓷打印132
6.4.3黏结剂喷射新型材料打印133
6.5黏结剂喷射技术的设备134
6.5.1黏结剂喷射技术的工业设备135
6.5.2黏结剂喷射技术的设备研发137
6.6黏结剂喷射技术的应用139
6.6.1应用领域139
6.6.2新技术进展142
参考文献143

第7章粉末床熔融技术145
7.1激光选区烧结技术146
7.1.1技术背景146
7.1.2激光选区烧结成形原理与烧结机理147
7.1.3激光选区烧结工艺150
7.1.4激光选区烧结成形材料154
7.1.5激光选区烧结成形装备160
7.1.6激光选区烧结成形技术的应用164
7.2激光选区熔化技术168
7.2.1技术背景168
7.2.2激光选区熔化成形原理168
7.2.3激光选区熔化成形工艺170
7.2.4激光选区熔化成形材料173
7.2.5激光选区熔化成形装备176
7.2.6激光选区熔化成形技术的应用180
参考文献183

第8章定向能量沉积技术185
8.1定向能量沉积技术原理186
8.1.1激光直接沉积技术186
8.1.2电子束熔丝沉积技术187
8.2定向能量沉积工艺特点189
8.2.1激光直接沉积技术特点189
8.2.2电子束熔丝沉积技术特点189
8.3定向能量沉积打印材料190
8.3.1钛和钛合金191
8.3.2高温合金192
8.3.3不锈钢192
8.3.4铝合金193
8.3.5镁合金193
8.4定向能量沉积技术及装备发展现状194
8.4.1激光直接沉积技术装备194
8.4.2电子束熔丝沉积技术装备196
8.5定向能量沉积技术应用200
8.5.1在航空航天领域的应用200
8.5.2在医学领域的应用202
8.5.3在模具制造领域的应用203
8.5.4在金属零件再制造修复领域的应用203
参考文献206

第9章叠层实体制造技术209
9.1技术背景210
9.2叠层实体制造成形原理210
9.3叠层实体制造工艺211
9.3.1叠层实体制造技术工艺过程211
9.3.2叠层实体制造技术主要工艺参数212
9.3.3叠层实体制造后处理工艺213
9.3.4叠层实体制造技术的工艺特点214
9.3.5叠层实体制造成形精度215
9.3.6叠层实体制造成形效率216
9.4叠层实体制造成形材料217
9.4.1基体材料217
9.4.2黏结材料218
9.5叠层实体制造成形装备218
9.5.1激光器及冷却器219
9.5.2激光扫描系统(x-y型切割头)219
9.5.3可升降工作台220
9.5.4材料送给装置221
9.5.5热压叠层装置221
9.5.6计算机控制系统221
9.5.7检测装置222
9.5.8机械系统222
9.6叠层实体制造技术的应用222
9.6.1产品原型制作222
9.6.2工业模具制备223
参考文献225

第10章复合成形技术227
10.1超音速激光沉积技术228
10.1.1超音速激光沉积技术原理229
10.1.2超音速激光沉积专用装备229
10.1.3超音速激光沉积工艺与材料230
10.1.4超音速激光沉积技术工业应用232
10.2电磁场复合激光增材制造与再制造技术234
10.2.1电磁场复合激光增材制造与再制造技术原理234
10.2.2电磁场复合激光增材制造与再制造专用设备236
10.2.3电磁场复合激光增材制造与再制造工艺与材料239
10.2.4电磁场复合激光增材制造与再制造技术工业应用240
10.3激光-电弧复合焊接技术242
10.3.1激光-电弧复合焊接技术原理242
10.3.2激光-电弧复合焊接专用装备243
10.3.3激光-电弧复合焊接工艺与材料244
10.3.4激光-电弧复合焊接技术工业应用245
10.4其他复合成形技术246
10.4.1激光超声振动复合技术246
10.4.2微铸锻铣复合制造技术248
10.4.3激光电化学复合沉积技术248
10.4.4激光增材与冲击强化复合制造技术250
10.5复合成形技术展望251
参考文献252

第11章3D打印产品标准及检测257
11.1国外增材制造技术标准现状258
11.1.1ASTM和ISO标准258
11.1.2SAE标准262
11.1.3其他标准化组织标准266
11.1.4先进发达国家标准267
11.2国内增材制造技术标准现状269
11.33D打印产品检测项目及测试方法271
11.3.13D打印专用材料检测项目及方法272
11.3.23D打印设备检测项目及方法275
11.3.33D打印成形件检测项目及方法280
参考文献284

3D打印被誉为催生第四次工业革命的21项颠覆性技术之一，其综合了材料科学与化学、数字建模技术、机电控制技术、信息技术等诸多领域的前沿技术。作为其灵魂的3D打印材料，是整个3D打印发展过程中最重要的物质基础，很大程度上决定了其能否得到更加广泛的应用。然而，3D打印关键材料的“缺失”已经成为影响我国3D打印应用及普及的短板，如何寻找优质的3D打印材料并实现其产业化成了整个行业关注的焦点。
2017年3月，中国工程院启动了“中国3D打印材料及应用发展战略研究”咨询项目，项目汇聚了中国工程院化工、冶金与材料工程学部联合机械与运载、医药卫生、环境轻纺等学部的26位院士，组织了全国100余位3D打印研究、生产领域及政府部门、行业协会的专家和学者，历时两年完成了本咨询项目。本项目研究成果凝练了我国3D打印材料及应用存在的突出问题，提出了我国3D打印材料及应用发展思路、战略目标和对策建议。
项目组紧紧抓住“制造强国、材料先行”这一主线，以满足重大工程需求和人民身体健康提升为牵引，对我国3D打印材料及应用近年来的一些突出问题进行了广泛调研。两年来，项目组先后赴北京、辽宁、江苏、上海、浙江、陕西、广东、湖南等省市同3D打印研究和制造的专家、学者开展了深入的交流和座谈，并组织项目组专家赴德国、比利时等3D打印技术先进国家考察调研。先后召开了14次研讨会，在学术交流会上作报告100余个，1000余名专家学者、企业管理技术人员、政府官员参与项目活动，最终形成了一系列研究成果。
“3D打印材料丛书”是“中国3D打印材料及应用发展战略研究”咨询项目的重要成果，入选“十三五”国家重点出版物出版规划项目。丛书共有五个分册，分别是《中国3D打印材料及应用发展战略研究咨询报告》《3D打印技术概论》《3D打印金属材料》《3D打印聚合物材料》《3D打印无机非金属材料》。丛书综述了3D打印技术的基本理论、成形技术、设备及应用；根据3D打印材料领域积累的科技成果，全面系统地介绍了3D打印金属材料、聚合物材料、无机非金属材料的理论基础、生产制备工艺、创新技术及应用，以及3D打印过程中各类材料所呈现出的独特组织性能演变规律和性能调控原理；反映了本领域国内外最新研究成果和发展现状，并展望了3D打印材料和技术的发展趋势。
本丛书的出版，感谢中国工程院咨询项目的支持和项目组成员的共同努力。希望本丛书能为我国3D打印材料及其产业化应用起到积极推动作用，并为相关政府单位、生产企业、高校、科研院所等开展创新研究工作提供帮助。
中国工程院院士
2020年2月