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目次
商品簡介
《3D打印技術概論》全面系統地介紹了3D打印技術的原理以及工藝。重點介紹了當前主流的3D打印技術，比如基於光固化的3D打印技術、基於材料噴射式的3D打印技術、基於粉末床的3D打印技術、基於疊層技術的3D打印技術以及復合式3D打印技術。針對3D打印產品的標準以及檢測技術也有詳細的介紹。本書可作為大專院校相關專業本科生及研究生的教材，可供從事3D打印材料研發、設計、生產、應用的科研、工程技術人員參考閱讀。
作者簡介
陳繼民，北京工業大學，教授、博導，北京工業大學激光工程研究院教授、博士生導師，3D打印工程中心主任。中國增材制造標準化技術委員會（SAC/TC562）委員，中國光學學會激光加工專業委員會委員，中國機械工程學會特種加工委員會理事，中國機械工程學會高級會員，國際光學工程學會SPEI會員。主要研究領域為3D打印、激光快速成型、激光微細加工等。在國內外公開發表論文150餘篇，其中被三大檢索論文100餘篇。申請專利20項，軟件著作5項。近年來承擔科技部重點專項課題、國家自然科學基金、北京市科技計劃項目、北京市基金重點項目等十餘項。
名人/編輯推薦
2017年3月，中國工程院啟動了“中國3D打印材料及應用發展戰略研究”咨詢項目。中國工程院化工、冶金與材料工程學部聯合機械、衛生等學部26位院士，組織了全國100餘位3D打印領域的專家學者、歷時兩年完成了該咨詢項目，並在咨詢報告的基礎上，組織出版“3D打印材料叢書”。
本書是“3D打印材料叢書”之一，介紹了光固化技術、粉床熔融技術、激光直接能量沉積、噴射式3D打印技術、粘結劑噴射技術、薄材疊層制造技術等3D打印技術，針對不同技術的原理從三維模型的設計、切片、數據處理到工藝過程、後處理及相關應用進行了詳細的介紹。
本書是“3D打印材料叢書”之一，介紹了光固化技術、粉床熔融技術、激光直接能量沉積、噴射式3D打印技術、粘結劑噴射技術、薄材疊層制造技術等3D打印技術，針對不同技術的原理從三維模型的設計、切片、數據處理到工藝過程、後處理及相關應用進行了詳細的介紹。
序
近年來3D打印技術的發展非常迅速，各種3D打印方法和工藝不斷取得突破。然而在國內高校以及科研院所，尚缺乏專門針對高年級學生以及研究生的專業3D打印教材。2018年在中國工程院的支持下，我們組織國內在3D打印領域的專家、學者對3D打印技術進行了全面的調研，針對大學生、研究生的特點，編撰了這本專著，以便從事3D打印的老師能因材施教。同時，在本書的編寫過程中，注重培養學生的自學能力，加強學生的動手能力，模擬實際問題，提高學生分析問題、解決問題的能力和創新意識。本書不僅全面地介紹了3D打印技術的發展歷程以及3D打印技術概念和其所依托的關鍵技術，概括了3D打印技術目前的發展現狀及今後國內外3D打印技術的發展前景，而且，對當前主流的3D打印技術的特點以及應用做了深入的剖析，特別是在3D打印啟發下對產品的創新設計帶來的產品變革進行了深入淺出的說明。由於3D打印技術的廣泛適用性，使得通過傳統方式建模得到的三維模型，理論上都可以直接通過3D打印機得到實體，不僅如此，對無法用傳統加工方式加工的零件，也能通過分層制造獲得，為產品設計帶來無限可能。針對3D打印產品的標準與檢測問題，本書有專門介紹。
本書編寫分工如下：北京工業大學陳繼民教授、曾勇博士編寫第1章，北京工業大學毋立芳教授編寫第2章部分內容，南京師範大學楊繼全教授編寫第2章部分內容和第5章、第6章部分內容，西安交通大學李滌塵教授、連芩教授編寫第3章，南京工業大學唐明亮教授編寫第4章，南京鋮聯激光科技有限公司王林總經理編寫第6章部分內容，華中科技大學史玉升教授、吳甲民教授編寫第7章和第9章，裝甲兵工程學院董世運教授、北京航空航天大學田象軍博士編寫第8章，浙江工業大學姚建華教授編寫第10章，中國航空綜合技術研究所栗曉飛博士、國家增材制造產質量量監督檢驗中心冒浴沂博士編寫第11章。對以上各位專家的辛勤勞動，表示感謝。
3D打印技術本身是綜合了機械學、電子學、計算機科學等多學科交叉的技術，具有很強的工程實用性。由於編者的水平有限，在編寫的過程中難免出現不妥之處，誠摯歡迎各位讀者批評指正。
編者
2020年3月
本書編寫分工如下：北京工業大學陳繼民教授、曾勇博士編寫第1章，北京工業大學毋立芳教授編寫第2章部分內容，南京師範大學楊繼全教授編寫第2章部分內容和第5章、第6章部分內容，西安交通大學李滌塵教授、連芩教授編寫第3章，南京工業大學唐明亮教授編寫第4章，南京鋮聯激光科技有限公司王林總經理編寫第6章部分內容，華中科技大學史玉升教授、吳甲民教授編寫第7章和第9章，裝甲兵工程學院董世運教授、北京航空航天大學田象軍博士編寫第8章，浙江工業大學姚建華教授編寫第10章，中國航空綜合技術研究所栗曉飛博士、國家增材制造產質量量監督檢驗中心冒浴沂博士編寫第11章。對以上各位專家的辛勤勞動，表示感謝。
3D打印技術本身是綜合了機械學、電子學、計算機科學等多學科交叉的技術，具有很強的工程實用性。由於編者的水平有限，在編寫的過程中難免出現不妥之處，誠摯歡迎各位讀者批評指正。
編者
2020年3月
目次
第1章3D打印基礎概況1
1.1發展歷史2
1.2技術原理4
1.2.1光固化立體成形技術原理4
1.2.2基於數字光處理技術的3D打印成形原理5
1.2.3激光選區熔化成形技術原理與特點5
1.2.43DP技術7
1.3技術發展展望8
參考文獻10
第2章3D打印技術流程13
2.1三維建模14
2.1.1建模的基本思路14
2.1.2多邊形建模15
2.1.3NURBS建模15
2.1.4特征建模16
2.2模型三維掃描16
2.2.1結構光技術17
2.2.2雙目視覺技術19
2.3STL文件20
2.3.1STL文件的ASCII格式21
2.3.2STL文件的二進制格式21
2.4支撐結構設計23
2.4.1外部支撐結構設計與優化23
2.4.2外部支撐結構的添加24
2.4.3外部支撐結構的優化26
2.4.4內部結構設計26
2.4.5基於模型結構分析的設計方法27
2.4.6基於仿生結構的設計方法29
2.5模型切片32
2.5.1基於幾何拓撲信息提取的切片算法32
2.5.2基於三角面片幾何特征的分層處理算法33
2.5.3定層厚容錯切片33
2.5.4直接分層切片34
2.5.5常用的切片軟件34
2.6後處理35
參考文獻36
第3章光固化成形技術39
3.1光固化成形原理41
3.2光固化成形設計41
3.3光固化成形工藝42
3.3.1立體光固化技術42
3.3.2數字光處理技術42
3.3.3連續液面生產技術44
3.3.4液晶屏投影技術45
3.3.5光固化成形工藝優勢45
3.3.6光固化成形工藝弱點47
3.4光固化成形材料48
3.4.1光敏樹脂49
3.4.2陶瓷50
3.4.3生物材料50
3.5光固化3D打印裝備51
3.5.1國內光固化3D打印裝備51
3.5.2國外光固化3D打印裝備58
3.6光固化成形技術的應用62
3.6.1航空航天62
3.6.2汽車63
3.6.3牙科63
3.6.4消費產品（珠寶）63
3.6.5手板64
3.6.6生物醫療64
參考文獻64
第4章材料擠出3D打印技術67
4.1材料擠出成形原理68
4.2材料擠出3D打印工藝70
4.2.1材料擠出3D打印工藝分類70
4.2.2材料擠出3D打印工藝研究73
4.3材料擠出3D打印材料77
4.3.1高分子材料78
4.3.2無機非金屬材料80
4.3.3金屬材料82
4.3.4復合材料83
4.3.5食品85
4.4材料擠出3D打印設備85
4.4.1FDM打印機86
4.4.2混凝土3D打印機86
4.4.3陶瓷3D打印機87
4.4.4復合材料3D打印機89
4.4.5食品打印機90
4.5材料擠出3D打印應用91
參考文獻96
第5章噴射式3D打印技術101
5.1粉末噴射式成形技術概述102
5.2微滴噴射式3D打印技術104
5.2.1微滴噴射式成形技術概述104
5.2.2微滴噴射式3D打印的特點107
5.2.3微滴噴射自由成形系統的基本組成107
5.2.4微滴噴射自由成形的設計過程108
5.2.5材料噴射技術的設計參數109
5.2.6材料噴射自由成形工藝中的主要影響因素109
5.3國內外噴射式3D打印主要設備廠商111
5.3.1國外設備廠商及其設備111
5.3.2國內設備廠商及其設備113
5.4噴射式3D打印技術展望116
5.4.1微滴噴射技術展望116
5.4.2粉末噴射技術展望119
5.5噴射式3D打印技術發展趨勢119
參考文獻120
第6章黏結劑噴射技術123
6.1黏結劑噴射技術的原理124
6.2黏結劑噴射技術的設計過程125
6.2.1黏結劑噴射的設計過程125
6.2.2黏結劑噴射技術的設計參數126
6.3黏結劑噴射的技術工藝127
6.3.1黏結劑噴射技術的工藝流程127
6.3.2黏結劑噴射的後處理過程127
6.3.3黏結劑噴射工藝的技術優勢128
6.3.4黏結劑噴射工藝的技術限制129
6.4黏結劑噴射的材料130
6.4.1黏結劑噴射石膏打印131
6.4.2黏結劑噴射陶瓷打印132
6.4.3黏結劑噴射新型材料打印133
6.5黏結劑噴射技術的設備134
6.5.1黏結劑噴射技術的工業設備135
6.5.2黏結劑噴射技術的設備研發137
6.6黏結劑噴射技術的應用139
6.6.1應用領域139
6.6.2新技術進展142
參考文獻143
第7章粉末床熔融技術145
7.1激光選區燒結技術146
7.1.1技術背景146
7.1.2激光選區燒結成形原理與燒結機理147
7.1.3激光選區燒結工藝150
7.1.4激光選區燒結成形材料154
7.1.5激光選區燒結成形裝備160
7.1.6激光選區燒結成形技術的應用164
7.2激光選區熔化技術168
7.2.1技術背景168
7.2.2激光選區熔化成形原理168
7.2.3激光選區熔化成形工藝170
7.2.4激光選區熔化成形材料173
7.2.5激光選區熔化成形裝備176
7.2.6激光選區熔化成形技術的應用180
參考文獻183
第8章定向能量沉積技術185
8.1定向能量沉積技術原理186
8.1.1激光直接沉積技術186
8.1.2電子束熔絲沉積技術187
8.2定向能量沉積工藝特點189
8.2.1激光直接沉積技術特點189
8.2.2電子束熔絲沉積技術特點189
8.3定向能量沉積打印材料190
8.3.1鈦和鈦合金191
8.3.2高溫合金192
8.3.3不銹鋼192
8.3.4鋁合金193
8.3.5鎂合金193
8.4定向能量沉積技術及裝備發展現狀194
8.4.1激光直接沉積技術裝備194
8.4.2電子束熔絲沉積技術裝備196
8.5定向能量沉積技術應用200
8.5.1在航空航天領域的應用200
8.5.2在醫學領域的應用202
8.5.3在模具制造領域的應用203
8.5.4在金屬零件再制造修復領域的應用203
參考文獻206
第9章疊層實體制造技術209
9.1技術背景210
9.2疊層實體制造成形原理210
9.3疊層實體制造工藝211
9.3.1疊層實體制造技術工藝過程211
9.3.2疊層實體制造技術主要工藝參數212
9.3.3疊層實體制造後處理工藝213
9.3.4疊層實體制造技術的工藝特點214
9.3.5疊層實體制造成形精度215
9.3.6疊層實體制造成形效率216
9.4疊層實體制造成形材料217
9.4.1基體材料217
9.4.2黏結材料218
9.5疊層實體制造成形裝備218
9.5.1激光器及冷卻器219
9.5.2激光掃描系統(x-y型切割頭)219
9.5.3可升降工作臺220
9.5.4材料送給裝置221
9.5.5熱壓疊層裝置221
9.5.6計算機控制系統221
9.5.7檢測裝置222
9.5.8機械系統222
9.6疊層實體制造技術的應用222
9.6.1產品原型制作222
9.6.2工業模具制備223
參考文獻225
第10章復合成形技術227
10.1超音速激光沉積技術228
10.1.1超音速激光沉積技術原理229
10.1.2超音速激光沉積專用裝備229
10.1.3超音速激光沉積工藝與材料230
10.1.4超音速激光沉積技術工業應用232
10.2電磁場復合激光增材制造與再制造技術234
10.2.1電磁場復合激光增材制造與再制造技術原理234
10.2.2電磁場復合激光增材制造與再制造專用設備236
10.2.3電磁場復合激光增材制造與再制造工藝與材料239
10.2.4電磁場復合激光增材制造與再制造技術工業應用240
10.3激光-電弧復合焊接技術242
10.3.1激光-電弧復合焊接技術原理242
10.3.2激光-電弧復合焊接專用裝備243
10.3.3激光-電弧復合焊接工藝與材料244
10.3.4激光-電弧復合焊接技術工業應用245
10.4其他復合成形技術246
10.4.1激光超聲振動復合技術246
10.4.2微鑄鍛銑復合制造技術248
10.4.3激光電化學復合沉積技術248
10.4.4激光增材與衝擊強化復合制造技術250
10.5復合成形技術展望251
參考文獻252
第11章3D打印產品標準及檢測257
11.1國外增材制造技術標準現狀258
11.1.1ASTM和ISO標準258
11.1.2SAE標準262
11.1.3其他標準化組織標準266
11.1.4先進發達國家標準267
11.2國內增材制造技術標準現狀269
11.33D打印產品檢測項目及測試方法271
11.3.13D打印專用材料檢測項目及方法272
11.3.23D打印設備檢測項目及方法275
11.3.33D打印成形件檢測項目及方法280
參考文獻284
1.1發展歷史2
1.2技術原理4
1.2.1光固化立體成形技術原理4
1.2.2基於數字光處理技術的3D打印成形原理5
1.2.3激光選區熔化成形技術原理與特點5
1.2.43DP技術7
1.3技術發展展望8
參考文獻10
第2章3D打印技術流程13
2.1三維建模14
2.1.1建模的基本思路14
2.1.2多邊形建模15
2.1.3NURBS建模15
2.1.4特征建模16
2.2模型三維掃描16
2.2.1結構光技術17
2.2.2雙目視覺技術19
2.3STL文件20
2.3.1STL文件的ASCII格式21
2.3.2STL文件的二進制格式21
2.4支撐結構設計23
2.4.1外部支撐結構設計與優化23
2.4.2外部支撐結構的添加24
2.4.3外部支撐結構的優化26
2.4.4內部結構設計26
2.4.5基於模型結構分析的設計方法27
2.4.6基於仿生結構的設計方法29
2.5模型切片32
2.5.1基於幾何拓撲信息提取的切片算法32
2.5.2基於三角面片幾何特征的分層處理算法33
2.5.3定層厚容錯切片33
2.5.4直接分層切片34
2.5.5常用的切片軟件34
2.6後處理35
參考文獻36
第3章光固化成形技術39
3.1光固化成形原理41
3.2光固化成形設計41
3.3光固化成形工藝42
3.3.1立體光固化技術42
3.3.2數字光處理技術42
3.3.3連續液面生產技術44
3.3.4液晶屏投影技術45
3.3.5光固化成形工藝優勢45
3.3.6光固化成形工藝弱點47
3.4光固化成形材料48
3.4.1光敏樹脂49
3.4.2陶瓷50
3.4.3生物材料50
3.5光固化3D打印裝備51
3.5.1國內光固化3D打印裝備51
3.5.2國外光固化3D打印裝備58
3.6光固化成形技術的應用62
3.6.1航空航天62
3.6.2汽車63
3.6.3牙科63
3.6.4消費產品（珠寶）63
3.6.5手板64
3.6.6生物醫療64
參考文獻64
第4章材料擠出3D打印技術67
4.1材料擠出成形原理68
4.2材料擠出3D打印工藝70
4.2.1材料擠出3D打印工藝分類70
4.2.2材料擠出3D打印工藝研究73
4.3材料擠出3D打印材料77
4.3.1高分子材料78
4.3.2無機非金屬材料80
4.3.3金屬材料82
4.3.4復合材料83
4.3.5食品85
4.4材料擠出3D打印設備85
4.4.1FDM打印機86
4.4.2混凝土3D打印機86
4.4.3陶瓷3D打印機87
4.4.4復合材料3D打印機89
4.4.5食品打印機90
4.5材料擠出3D打印應用91
參考文獻96
第5章噴射式3D打印技術101
5.1粉末噴射式成形技術概述102
5.2微滴噴射式3D打印技術104
5.2.1微滴噴射式成形技術概述104
5.2.2微滴噴射式3D打印的特點107
5.2.3微滴噴射自由成形系統的基本組成107
5.2.4微滴噴射自由成形的設計過程108
5.2.5材料噴射技術的設計參數109
5.2.6材料噴射自由成形工藝中的主要影響因素109
5.3國內外噴射式3D打印主要設備廠商111
5.3.1國外設備廠商及其設備111
5.3.2國內設備廠商及其設備113
5.4噴射式3D打印技術展望116
5.4.1微滴噴射技術展望116
5.4.2粉末噴射技術展望119
5.5噴射式3D打印技術發展趨勢119
參考文獻120
第6章黏結劑噴射技術123
6.1黏結劑噴射技術的原理124
6.2黏結劑噴射技術的設計過程125
6.2.1黏結劑噴射的設計過程125
6.2.2黏結劑噴射技術的設計參數126
6.3黏結劑噴射的技術工藝127
6.3.1黏結劑噴射技術的工藝流程127
6.3.2黏結劑噴射的後處理過程127
6.3.3黏結劑噴射工藝的技術優勢128
6.3.4黏結劑噴射工藝的技術限制129
6.4黏結劑噴射的材料130
6.4.1黏結劑噴射石膏打印131
6.4.2黏結劑噴射陶瓷打印132
6.4.3黏結劑噴射新型材料打印133
6.5黏結劑噴射技術的設備134
6.5.1黏結劑噴射技術的工業設備135
6.5.2黏結劑噴射技術的設備研發137
6.6黏結劑噴射技術的應用139
6.6.1應用領域139
6.6.2新技術進展142
參考文獻143
第7章粉末床熔融技術145
7.1激光選區燒結技術146
7.1.1技術背景146
7.1.2激光選區燒結成形原理與燒結機理147
7.1.3激光選區燒結工藝150
7.1.4激光選區燒結成形材料154
7.1.5激光選區燒結成形裝備160
7.1.6激光選區燒結成形技術的應用164
7.2激光選區熔化技術168
7.2.1技術背景168
7.2.2激光選區熔化成形原理168
7.2.3激光選區熔化成形工藝170
7.2.4激光選區熔化成形材料173
7.2.5激光選區熔化成形裝備176
7.2.6激光選區熔化成形技術的應用180
參考文獻183
第8章定向能量沉積技術185
8.1定向能量沉積技術原理186
8.1.1激光直接沉積技術186
8.1.2電子束熔絲沉積技術187
8.2定向能量沉積工藝特點189
8.2.1激光直接沉積技術特點189
8.2.2電子束熔絲沉積技術特點189
8.3定向能量沉積打印材料190
8.3.1鈦和鈦合金191
8.3.2高溫合金192
8.3.3不銹鋼192
8.3.4鋁合金193
8.3.5鎂合金193
8.4定向能量沉積技術及裝備發展現狀194
8.4.1激光直接沉積技術裝備194
8.4.2電子束熔絲沉積技術裝備196
8.5定向能量沉積技術應用200
8.5.1在航空航天領域的應用200
8.5.2在醫學領域的應用202
8.5.3在模具制造領域的應用203
8.5.4在金屬零件再制造修復領域的應用203
參考文獻206
第9章疊層實體制造技術209
9.1技術背景210
9.2疊層實體制造成形原理210
9.3疊層實體制造工藝211
9.3.1疊層實體制造技術工藝過程211
9.3.2疊層實體制造技術主要工藝參數212
9.3.3疊層實體制造後處理工藝213
9.3.4疊層實體制造技術的工藝特點214
9.3.5疊層實體制造成形精度215
9.3.6疊層實體制造成形效率216
9.4疊層實體制造成形材料217
9.4.1基體材料217
9.4.2黏結材料218
9.5疊層實體制造成形裝備218
9.5.1激光器及冷卻器219
9.5.2激光掃描系統(x-y型切割頭)219
9.5.3可升降工作臺220
9.5.4材料送給裝置221
9.5.5熱壓疊層裝置221
9.5.6計算機控制系統221
9.5.7檢測裝置222
9.5.8機械系統222
9.6疊層實體制造技術的應用222
9.6.1產品原型制作222
9.6.2工業模具制備223
參考文獻225
第10章復合成形技術227
10.1超音速激光沉積技術228
10.1.1超音速激光沉積技術原理229
10.1.2超音速激光沉積專用裝備229
10.1.3超音速激光沉積工藝與材料230
10.1.4超音速激光沉積技術工業應用232
10.2電磁場復合激光增材制造與再制造技術234
10.2.1電磁場復合激光增材制造與再制造技術原理234
10.2.2電磁場復合激光增材制造與再制造專用設備236
10.2.3電磁場復合激光增材制造與再制造工藝與材料239
10.2.4電磁場復合激光增材制造與再制造技術工業應用240
10.3激光-電弧復合焊接技術242
10.3.1激光-電弧復合焊接技術原理242
10.3.2激光-電弧復合焊接專用裝備243
10.3.3激光-電弧復合焊接工藝與材料244
10.3.4激光-電弧復合焊接技術工業應用245
10.4其他復合成形技術246
10.4.1激光超聲振動復合技術246
10.4.2微鑄鍛銑復合制造技術248
10.4.3激光電化學復合沉積技術248
10.4.4激光增材與衝擊強化復合制造技術250
10.5復合成形技術展望251
參考文獻252
第11章3D打印產品標準及檢測257
11.1國外增材制造技術標準現狀258
11.1.1ASTM和ISO標準258
11.1.2SAE標準262
11.1.3其他標準化組織標準266
11.1.4先進發達國家標準267
11.2國內增材制造技術標準現狀269
11.33D打印產品檢測項目及測試方法271
11.3.13D打印專用材料檢測項目及方法272
11.3.23D打印設備檢測項目及方法275
11.3.33D打印成形件檢測項目及方法280
參考文獻284
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