增材制造与创新设计 从概念到产品 王坤 增材制造技术设备及材料 数字化建模技术及数据处理 3D打印产品创新结构设计 4D

本书是着力于加强学生实践能力培养的立体化教材，以基本原理、技术概要、创新方法、模型构建、典型案例等一系列符合学习规律的知识图谱方式，深入浅出地叙述3D打印创新设计实践方法。全书共8章，第1、2章为技术基础部分，内容涵盖增材制造概述、增材制造技术、设备及材料；第3～5章为制造工艺部分，内容涵盖数字化建模技术及数据处理、增材制造前处理及工艺规划、增材制造后处理及经验总结；第6章为结构创新部分，主要介绍3D打印产品创新结构设计；第7、8章为实践应用部分，内容涵盖增材制造创新综合应用实例、对增材制造的未来展望及4D打印介绍。
本书理论阐述简明扼要，重点突出，给出的典型案例都提供了完整的建模步骤和技术详解，增强与读者的互动。书中四大部分内容相互衔接，围绕“教”和“学”两方面展开，借助多媒体网络和数字技术平台等现代技术手段，充分共享学习资源，实现个性化自主学习，体现出“教”与“学”的互动性特点。
本书面向高等院校应用型人才培养，适合作为与机械、智能制造、康复医疗器械、航空航天等相关的专业师生的教材，也可供相关领域的工程技术人员、科研工作者阅读。

王坤，博士，副教授，硕导，美国塞勒姆州立大学(SSU)访问学者，中国机械工程学会增材制造分委会委员，中国康复医学会康复辅具应用专业委员会常务委员，内蒙古新质生产力技术学会常务理事，内蒙古自治区智慧物流技术与高端智能装备院士专家工作站核心成员，现任内蒙古工业大学机械工程学院系主任，增材制造与逆向工程实验室主任和自治区级工业设计促进中心主任等职务，主要研究方向:增材制造及逆向工程，康复医疗器械设计与制造，产品数字化设计及结构优化。承担国家、省部级、军工及企业委托课题10余项，发表高水平科技论文20多篇，申请专利20余项，科研成果转化3项。荣获内蒙古自治区"草原英才团队"和"新世纪321人才工程"称号。

冯海全，博士，教授，博导，曾任内蒙古工业大学机械工程学院副院长，苏州市介入医疗器械转化与技术工程中心主任，日本Japan Stent Tech-nology Co.,Ltd. 主任研究员等。主要跟踪介入医疗器械领域的研究热点，开展精密器械的设计方法、超精密加工制造、智能制造技术的前沿性探索研究。承担国际、国家、省部级等项日20余项，发表科技论文100多篇，申请专利80余项，科研成果转化6项。获中国欧美同学会第二届"双创"大赛生物医药组一等奖、第五届2022中国医疗器械创新创业大赛一等奖等。荣获内蒙古自治区草原英才、"新世纪321人才工程"一层次人才、苏州市高新区创新创业领军人才等称号。

第1章 增材制造概述 1
思维导图 1
案例导入 1
学习目标 2
1.1 增材制造前沿 2
1.2 增材制造定义 4
1.3 增材制造历史 5
1.4 增材制造优势及局限性 9
1.4.1 增材制造的优势 9
1.4.2 增材制造的局限性 11
1.5 增材制造产业应用 13
本章小结 16
思考与练习 17
拓展阅读 17

第2章 增材制造技术、设备及材料 18
思维导图 18
案例导入 19
学习目标 19
2.1 增材制造主流技术 19
2.1.1 增材制造技术分类 19
2.1.2 3D打印工艺技术路线 30
2.2 主流设备 31
2.2.1 金属3D打印机 31
2.2.2 塑料3D打印机 33
2.2.3 陶瓷3D打印机 33
2.2.4 生物医疗3D打印机 34
2.2.5 其他3D打印机 36
2.3 增材制造常用材料 38
2.3.1 金属材料 40
2.3.2 有机高分子材料 43
2.3.3 无机非金属材料 48
2.3.4 复合材料 50
2.3.5 其他材料 52
本章小结 54
思考与练习 54
拓展阅读 55

第3章 数字化建模技术及数据处理 56
思维导图 56
案例导入 57
学习目标 57
3.1 软件建模 58
3.1.1 软件建模基础 58
3.1.2 软件建模实例 59
3.2 图片建模 60
3.2.1 单张图片建模实例 60
3.2.2 多张图片建模实例 61
3.3 逆向建模 62
3.3.1 逆向工程概述 62
3.3.2 光学测量技术原理及软件设备 66
3.3.3 逆向建模技术 74
3.3.4 逆向工程扫描建模实例 78
3.4 模型文件格式转换 85
本章小结 88
思考与练习 88
拓展阅读 89

第4章 增材制造前处理及工艺规划 91
思维导图 91
案例导入 92
学习目标 92
4.1 切片软件（软件） 93
4.1.1 Cura软件操作方法 93
4.1.2 Simplify操作方法 95
4.1.3 其他常用切片软件简介 96
4.1.4 3D打印工艺参数窗口 99
4.1.5 切片软件常用G-code编码解析 102
4.2 机器调试（硬件） 105
4.2.1 机器硬件控制 105
4.2.2 打印机成型平台调平 106
4.3 3D打印成型精度控制 107
4.3.1 成型精度影响因素 107
4.3.2 打印精度测试 110
4.4 模型打印实战 111
本章小结 113
思考与练习 113
拓展阅读 114

第5章 增材制造后处理及经验总结 116
思维导图 116
案例导入 117
学习目标 117
5.1 打印模型后期处理 117
5.1.1 去除支撑 118
5.1.2 打磨 118
5.1.3 焊接 119
5.1.4 胶合 119
5.1.5 上色 119
5.1.6 平滑 120
5.1.7 抛光 120
5.1.8 水转印工艺 120
5.1.9 环氧涂料封装 121
5.1.10 电镀 121
5.1.11 磨粒流工艺 121
5.2 打印模型质量评价 122
5.2.1 评价方法 122
5.2.2 评价实例应用 123
5.3 打印常见问题及解决方案 124
5.3.1 设备调试问题 124
5.3.2 参数设置问题 125
5.4 3D打印经验总结 129
本章小结 130
思考与练习 130
拓展阅读 131

第6章 3D打印产品创新结构设计 132
思维导图 132
案例导入 133
学习目标 133
6.1 增材制造创新思维 134
6.1.1 增材制造创新思维概述 134
6.1.2 面向增材制造的创新设计定义 135
6.1.3 面向增材制造的创新设计特点 136
6.2 产品研发中的创新方法 137
6.2.1 创新设计方法 137
6.2.2 3D打印结构创新方法 143
6.3 3D打印产品创新方案设计流程 148
6.4 基于3D打印技术的创新设计产品 149
本章小结 153
思考与练习 154
拓展阅读 154

第7章 增材制造创新综合应用实例 156
思维导图 156
案例导入 157
学习目标 157
7.1 逆向建模与3D打印综合实例——静脉枪 158
7.1.1 上壳建模 159
7.1.2 上壳内部结构建模 183
7.1.3 下壳建模 204
7.1.4 扳机开关建模 230
7.1.5 注射器后面连接零件建模 233
7.1.6 注射头建模 248
7.1.7 注射头中间连接零件建模 253
7.1.8 电池盖的建模 263
7.1.9 装配与打印成品展示 267
7.2 生物逆向工程与3D打印拓扑优化综合实例——踝足矫形器 268
7.2.1 CT数据采集 268
7.2.2 踝足模型建立 268
7.2.3 轮廓线取型 269
7.2.4 生成矫形器模型 269
7.2.5 矫形效果仿真 270
7.2.6 拓扑优化仿真 270
7.2.7 轻量化镂空设计 271
7.2.8 矫形器应力仿真 271
7.2.9 配件设计 272
7.2.10 打印成品展示 273
7.3 正向创新结构设计与3D打印综合实例——3D打印笔 273
7.3.1 总体设计构思 273
7.3.2 结构设计与Pro/E正向建模 274
7.3.3 矫正偏移系统设计 275
7.3.4 PCB电路板设计 275
7.3.5 表面工艺处理与打印成品展示 277
思考与练习 277
拓展阅读 278

第8章 4D打印与增材制造的未来 279
思维导图 279
案例导入 279
学习目标 280
8.1 4D打印技术 280
8.1.1 4D打印技术概述 280
8.1.2 4D打印应用领域 281
8.2 增材制造的未来 284
8.2.1 增材制造未来技术研究路线 285
8.2.2 增材制造的未来探索方向 286
8.2.3 未来展望 291
思考与练习 291
拓展阅读 291

参考文献 293

丛书序
党的二十大报告指出，要建设现代化产业体系，坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，推进新型工业化，加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国、数字中国。实施产业基础再造工程和重大技术装备攻关工程，支持专精特新企业发展，推动制造业高端化、智能化、绿色化发展。推动战略性新兴产业融合集群发展，构建新一代信息技术、人工智能、生物技术、新能源、新材料、高端装备、绿色环保等一批新的增长引擎。其中，制造强国、高端装备等重点工作都与智能制造相关，可以说，智能制造是我国从制造大国转向制造强国、构建中国制造业全球优势的主要路径。
制造业是一个国家的立国之本、强国之基，历来是世界各主要工业国高度重视和发展的重要领域。改革开放以来，我国综合国力得到稳步提升，到2011年中国工业总产值全球第一，分别是美国、德国、日本的120%、346%和235%。党的十八大以来，我国进入了新时代，发展的格局更为宏大，“一带一路”倡议和制造强国战略使我国工业正在实现从大到强的转变。我国不但建立了全球最为齐全的工业体系，而且在许多重大装备领域取得突破，特别是在三代核电、特高压输电、特大型水电站、大型炼化工、油气长输管线、大型矿山采掘与炼矿综采重点工程建设项目、重大成套装备、高端装备、航空航天等领域取得了丰硕成果，补齐了短板，打破了国外垄断，解决了许多“卡脖子”难题，为推动重大技术装备高质量发展，实现我国高水平科技自立自强奠定了坚实基础。进入新时代的十年，制造业增加值从2012年的16.98万亿元增加到2021年的31.4万亿元，占全球比重从20%左右提高到近30%；500种主要工业产品中，我国有四成以上产量位居世界第一；建成全球规模最大、技术领先的网络基础设施……一个个亮眼的数据，一项项提气的成就，勾勒出十年间大国制造的非凡足迹，标志着我国迎来从“制造大国”“网络大国”向“制造强国”“网络强国”的历史性跨越。
最早提出智能制造概念的是美国人P.K.Wright，他在其1988年出版的专著Manufacturing Intelligence（《制造智能》）中，把智能制造定义为“通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器人控制来对制造技工们的技能与专家知识进行建模，以使智能机器能够在没有人工干预的情况下进行小批量生产”。当然，因为智能制造仍处在发展阶段，各种定义层出不穷，国内外有不同专家给出了不同的定义，但智能机器、智能传感、智能算法、智能设计、解决制造过程中不确定问题的智能方法、智能维护是智能制造的核心关键词。
从人才培养的角度而言，实现智能制造还任重道远，人才紧缺的局面很难在短时间内扭转，相关高校师资力量也不足。据不完全统计，近五年来，全国有300多所高校开办了智能制造专业，其中既有双一流高校，也有许多地方院校和民办高校，人才培养定位、课程体系、教材建设、实践环节都面临一系列问题，严重制约着我国智能制造业未来的长远发展。在此情况下，如何培养出适应不同行业、不同岗位要求的智能制造专业人才，是许多开设该专业的高校面临的首要任务。
智能制造的特点决定了其人才培养模式区别于其他传统工科：首先，智能制造是跨专业的，其所涉及的知识几乎与所有工科门类有关；其次，智能制造是跨行业的，其核心技术不仅覆盖所有制造行业，也适用于某些非制造行业。因此，智能制造人才培养既要考虑本校专业特色，又不能脱离社会对智能制造人才的需求，既要遵循教育的基本规律，又要创新教育体系和教学方法。在课程设置中要充分考虑以下因素：
·考虑不同类型学校的定位和特色；
·考虑学生已有知识基础和结构；
·考虑适应某些行业需求，如流程制造，离散制造，混合制造等；
·考虑适应不同生产模式，如多品种、小批量生产、大批量生产等；
·考虑让学生了解智能制造相关前沿技术；
·考虑兼顾应用型、技能型、研究型岗位需求等。
改革开放40多年来，我国的高等教育突飞猛进，高等教育的毛入学率从1978年的1.55%提高到2021年的57.8%，进入了普及化教育阶段，这就意味着高等教育担负的历史使命、受教育的对象都发生了深刻的变化。面对地方应用型高校生源差异化大，因材施教，做好智能制造应用型人才培养，解决高校智能制造应用型人才培养的教材需求就是本系列教材的使命和定位。
要解决好这个问题，首先要有一个好的定位，有一个明确的认识，这套教材定位于智能制造应用人才培养需求，就是要解决应用型人才培养的知识体系如何构造，智能制造应用型人才的课程内容如何搭建。我们知道，应用型高校学生培养的主要目的是为应用型学科专业的学生打牢一定的理论功底，为培养德才兼备、五育并举的应用型人才服务，因此在课程体系、基础课程、专业教育、实践能力培养上与传统综合性大学和“双一流”学校比较应有不同的侧重，应更着眼于学生的实用性需求，应培养满足社会对应用技术人才的需求，满足社会实际生产和社会实际发展的需求，更要考虑这些学校学生的实际，也就是要面向社会发展需求，为社会各行各业培养“适销对路”的专业人才。因此，在人才培养的过程中，对实践环节的要求更高，要非常注重理论和实践相结合。据此，在应用型人才培养模式的构建上，从培养方案、课程体系、教学内容、教学方式、教材建设上都应注重应用型人才培养的规律，这正是我们编写这套智能制造相关专业教材的目的。
这套教材的突出特色有以下几点：
① 定位于应用型。这套教材不仅有适应智能制造应用型人才培养的专业主干课程和选修课程教材，还有基于机械类专业向智能制造转型的专业基础课教材，专业基础课教材的编写中以应用为导向，突出理论的应用价值。在编写中引入现代教学方法和手段，结合教学软件和工业仿真软件，使理论教学更为生动化、具象化，努力实现理论课程通向专业教学的桥梁作用。例如，在制图课程中较多地使用工业界成熟设计软件，使学生掌握比较扎实的软件设计能力；在工程力学教学中引入有限元软件，实现设计计算的有限元化；在机械设计中引入模块化设计的概念；在控制工程中引入MATLAB仿真和计算机编程内容，实现基础教学内容的更新和对专业教育的支撑，凸显应用型人才培养模式的特点。
② 专业教材突出实用性、模块化、柔性化。智能制造技术是利用先进的制造技术，以及数字化、网络化、智能化等知识和控制理论来解决制造过程中不确定和非固定模式的问题，使得制造过程具有智能的技术，它的特点是综合性和知识内涵的丰富性以及知识本身的创新性。因此，在教材建设上与以前传统的知识技术技能模式应有大的区别，更应注重对学生理念、意识、认知、思维方式和系统解决问题能力的培养。同时考虑到各行业、各地和各校发展阶段和实际办学水平的不同，希望这套教材尽可能为各校合理选择教学内容提供一个模块化、积木式结构，并在实际编写中尽量提供项目化案例，以便学校根据具体情况做柔性化选择。
③ 本系列教材注重数字资源建设，更多地采用多媒体的互动方式，如配套课件、教学视频、测试题等，使教材呈现形式多样化，数字内容更为丰富。
由于编写时间紧张，智能制造技术日新月异，编写人员专业水平有限，书中难免有不当之处，敬请读者及时批评指正。

高等院校智能制造人才培养系列教材建设委员会



序
当今世界，国际形势复杂多变，国际竞争日益加剧。世界科技强国都将增材制造技术作为未来产业发展的“新动力”和有望革新制造业的“潜力股”。欧美等发达国家纷纷制定了包含增材制造技术未来发展规划的国家战略，如美国“America Makes”、欧盟“Horizon 2020”、德国“工业4.0”等。我国也将增材制造列入了“中国制造2025”强国战略，吹响了冲进世界制造强国的号角。在“百年未有之大变局”的背景下，重构全球创新版图，重塑全球经济结构，这是我国推动高质量发展千载难逢的历史机遇。增材制造技术作为21世纪颠覆性技术，正源源不断地为制造业注入澎湃的活力，带领着“中国制造”向“中国创造”转变。
党的二十大以来，总书记指出“为世界提供更多更好的中国制造和中国创造”，要立足现有产业基础，扎实推进先进制造业高质量发展，加快推动传统制造业升级，发挥科技创新的增量器作用，积极主动适应和引领新一轮科技革命和产业变革，把高质量发展的要求贯穿新型工业化全过程。近年来，我国在高端装备制造领域取得了重要进展与突破，设计研制了新型航空航天装备、盾构掘进装备、深海探测装备、轨道交通装备等一系列高附加值的产品，其中增材制造技术在新材料研发、设备研制、关键零部件制造、理论探索和技术应用等领域突飞猛进，解决高、精、尖复杂零部件的制造难题，行业呈现出向规模化、集成化，精度化、快速化，材料通用化、专业化和多样化的发展趋势，在推动实现新型工业化过程中发挥重要作用。
创新设计赋能智能制造，“制造”与“创造”的界限正被重新定义，中国要从“制造大国”走向“制造强国”，创新驱动，设计要先行。对我国装备制造业，特别是高端装备制造的产品创新设计能力提出了更高的要求。国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出完善智能制造标准体系的要求，助力我国智能制造业迅猛发展。增材制造行业也要紧跟智能制造规划的“两步走、四大任务、六个行动、四项措施”，立足于智能制造这个基本本质，紧扣增材制造特征，以工艺、装备为核心，以材料、数据为基础，建立健全增材制造标准体系。目前国内增材制造技术方面的人才匮乏，存在巨大的人才缺口。2021年，教育部将增材制造工程（additive manufacturing engineering）列入普通高等学校本科专业目录的新专业名单，成为中国普通高等学校本科专业。此后，我国陆续在本科院校开设了增材制造专业，但大部分高校还处于增材制造专业课程建设的初期阶段，如何培养符合增材制造企业高质量发展要求的创新型人才成为行业发展的瓶颈问题。为此，该书作者在多年增材制造领域的技术研究和教学实践的基础上，组织编写了《增材制造与创新设计：从概念到产品》立体化教材，阐述了“增材思维”概念，提出了一种面向增材制造创新设计的方法论。以基本原理、技术概要、创新方法、模型构建、典型案例等一系列符合学习规律的知识图谱方式，构建了以“教书育人—科学研究—社会服务”的阶梯式创新人才培养路径，全面培养学生增材制造创新设计能力和实践动手能力。
恰时，化学工业出版社推出《高等院校智能制造人才培养系列教材》，在编写初期，该书作者组织国内顶尖增材制造专家、学者和企业家对本书的学术定位、编写思想、特色形式等都进行了深入的研讨，初稿完成后也有多位高校学者进行了详细的校审修改工作，力求在保证高学术水平的基础上，更富有教学适应性、认知规律性、结构完整性、内容拓展性、编排逻辑性，做到了每一章都重点突出、层次分明、条理清楚。该书论述完整、体系严谨、实践性强，可作为高等院校相关专业的教材，同时也是增材制造爱好者、相关领域的工程技术人员、科研工作者的重要参考书籍。

教育部长江学者特聘教授
国家重点研发计划首席科学家
2024年3月