本書介紹了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，比如基于光固化的3D打印技術、基于材料噴射式的3D打印技術、基于粉末床的3D打印技術、基于疊層技術的3D打印技術以及復合式3D打印技術。針對3D打印產(chǎn)品的標準以及檢測技術也有介紹。
近年來，3D 打印技術迅速發(fā)展，不斷取得改進和突破。作為一門集材料科學與工程、光學工程、數(shù)學建模技術、機電控制技術、信息技術等領域于一身的前沿交叉研究領域，3D打印技術越來越受到關注。雖然當前一些高校已經(jīng)開展了關于3D 打印技術方面的研究和教學工作，但仍缺乏面向工程實際應用的3D 打印教材。因此，本教材的編撰是為了滿足大學生、研究生的需求，供從事3D 打印行業(yè)的教師因材施教，為相關學科的研究人員和技術人員提供指導和參考。本教材彌補了國內教材中該技術的不足，對理論知識與實際實踐的結合具有重要的作用，對培養(yǎng)該技術方面的人才具有重要意義。
本書內容涵蓋了3D 打印技術的發(fā)展歷程、概念和關鍵技術，以及國內外3D 打印技術領域的最新研究成果和發(fā)展現(xiàn)狀。同時，本書還展望了該技術在未來的發(fā)展趨勢和應用前景。對當前主流的3D 打印技術的特點及應用進行了深入的剖析，包括3D 打印技術的基本理論、成形技術、設備及應用，特別是對產(chǎn)品設計中基于3D 打印技術的創(chuàng)新進行了深入淺出的闡述。此外，本書還特別介紹了3D 打印產(chǎn)品的標準與檢測問題，使讀者對3D 打印技術有一個更全面和深入的了解。
本書由陳繼民、曾勇任主編，楊繼全、李滌塵、史玉升任副主編。具體編寫分工如下：北京工業(yè)大學陳繼民教授、曾勇副教授編寫第1章，并負責全書的統(tǒng)稿；北京工業(yè)大學毋立芳教授編寫第2章部分內容，南京師范大學楊繼全教授編寫第2章部分內容、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(yè)大學唐明亮教授編寫第4章，南京鋮聯(lián)激光科技有限公司王林總經(jīng)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(yè)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(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心冒浴沂博士編寫第11章。
在本書即將出版之際，衷心感謝北京工業(yè)大學北京市數(shù)字化醫(yī)療3D 打印工程技術研究中心的各位學術前輩及同事，感謝他們長期以來對我們科研工作給予的大力支持和幫助。
本書可作為高等院校相關專業(yè)的本科生及研究生的教材，同時也適用于機械、計算機科學、材料等相關領域的研究人員和工程技術人員使用。盡管我們盡力保證書中內容的準確性和完整性，但由于時間倉促和個人水平的限制，書中難免存在不妥之處，敬請讀者批評指正。
編者
2023年2月
陳繼民，北京工業(yè)大學，教授、博導，北京工業(yè)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(yè)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(fā)表論文150余篇，其中被三大檢索論文100余篇。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余項。
第1章 3D 打印技術概況001
1.1 發(fā)展歷史001
1.2 技術原理002
1.2.1 光固化立體成形技術原理002
1.2.2 基于數(shù)字光處理技術的3D 打印成形原理004
1.2.3 激光選區(qū)熔化成形技術原理與特點004
1.2.4 3DP 技術005
1.3 技術發(fā)展展望006
習題009
參考文獻009
第2章 3D 打印技術流程010
2.1 三維建模010
2.1.1 建模的基本思路010
2.1.2 多邊形建模011
2.1.3 NURBS 建模011
2.1.4 特征建模012
2.2 模型三維掃描012
2.2.1 結構光技術013
2.2.2 雙目視覺技術014
2.3 STL 文件016
2.3.1 STL 文件的ASCII 格式016
2.3.2 STL 文件的二進制格式016
2.4 支撐結構設計018
2.4.1 外部支撐結構設計與優(yōu)化018
2.4.2 外部支撐結構的添加018
2.4.3 外部支撐結構的優(yōu)化020
2.4.4 內部結構設計022
2.4.5 基于模型結構分析的設計方法022
2.4.6 基于仿生結構的設計方法024
2.5 模型切片026
2.5.1 基于幾何拓撲信息提取的切片算法026
2.5.2 基于三角面片幾何特征的分層處理算法027
2.5.3 定層厚容錯切片027
2.5.4 直接分層切片027
2.5.5 常用的切片軟件028
2.6 后處理028
習題029
參考文獻029
第3章 光固化成形技術031
3.1 光固化成形原理032
3.2 光固化成形設計032
3.3 光固化成形工藝032
3.3.1 立體光固化技術032
3.3.2 數(shù)字光處理技術033
3.3.3 連續(xù)液面生產(chǎn)技術034
3.3.4 液晶屏投影技術035
3.3.5 光固化成形工藝優(yōu)勢035
3.3.6 光固化成形工藝弱點037
3.4 光固化成形材料038
3.4.1 光敏樹脂038
3.4.2 陶瓷039
3.4.3 生物材料039
3.5 光固化成形技術的應用039
3.5.1 航空航天040
3.5.2 汽車040
3.5.3 牙科041
3.5.4 消費產(chǎn)品（珠寶） 041
3.5.5 手板042
3.5.6 生物醫(yī)療042
習題042
參考文獻043
第4章 材料擠出3D 打印技術044
4.1 材料擠出成形原理044
4.2 材料擠出3D 打印工藝045
4.2.1 材料擠出3D 打印工藝分類045
4.2.2 材料擠出3D 打印工藝研究048
4.3 材料擠出3D 打印材料053
4.3.1 高分子材料053
4.3.2 無機非金屬材料054
4.3.3 金屬材料057
4.3.4 復合材料057
4.3.5 食品原料058
4.4 材料擠出3D 打印設備060
4.4.1 FDM 打印機060
4.4.2 混凝土3D 打印機060
4.4.3 陶瓷3D 打印機060
4.4.4 復合材料3D 打印機062
4.4.5 食品打印機062
4.5 材料擠出3D 打印應用063
習題067
參考文獻068
第5章 噴射式3D 打印技術071
5.1 粉末噴射式成形技術概述071
5.2 微滴噴射式3D 打印技術072
5.2.1 微滴噴射式成形技術概述072
5.2.2 微滴噴射式3D 打印的特點075
5.2.3 微滴噴射自由成形系統(tǒng)的基本組成075
5.2.4 微滴噴射自由成形的設計過程076
5.2.5 材料噴射技術的設計參數(shù)076
5.2.6 材料噴射自由成形工藝中的主要影響因素077
5.3 噴射式3D 打印技術展望078
5.3.1 粉末噴射技術展望078
5.3.2 微滴噴射技術展望079
5.4 噴射式3D 打印技術發(fā)展趨勢082
習題083
參考文獻083
第6章 黏結劑噴射技術085
6.1 黏結劑噴射技術的原理085
6.2 黏結劑噴射技術的設計過程086
6.2.1 黏結劑噴射的設計過程086
6.2.2 黏結劑噴射技術的設計參數(shù)087
6.3 黏結劑噴射的技術工藝087
6.3.1 黏結劑噴射技術的工藝流程087
6.3.2 黏結劑噴射的后處理過程088
6.3.3 黏結劑噴射工藝的技術優(yōu)勢088
6.3.4 黏結劑噴射工藝的技術限制089
6.4 黏結劑噴射的材料090
6.4.1 黏結劑噴射石膏打印091
6.4.2 黏結劑噴射陶瓷打印091
6.4.3 黏結劑噴射新型材料打印092
6.5 黏結劑噴射技術的設備094
6.5.1 黏結劑噴射技術的工業(yè)設備095
6.5.2 黏結劑噴射技術的設備研發(fā)096
6.6 黏結劑噴射技術的應用098
6.6.1 應用領域098
6.6.2 新技術進展100
習題101
參考文獻101
第7章 粉末床熔融技術103
7.1 激光選區(qū)燒結技術103
7.1.1 技術背景103
7.1.2 激光選區(qū)燒結成形原理與燒結機理104
7.1.3 激光選區(qū)燒結工藝107
7.1.4 激光選區(qū)燒結成形材料110
7.1.5 激光選區(qū)燒結成形技術的應用116
7.2 激光選區(qū)熔化技術120
7.2.1 技術背景120
7.2.2 激光選區(qū)熔化成形原理121
7.2.3 激光選區(qū)熔化成形工藝122
7.2.4 激光選區(qū)熔化成形材料125
7.2.5 激光選區(qū)熔化成形裝備128
7.2.6 激光選區(qū)熔化成形技術的應用132
習題134
參考文獻134
第8章 定向能量沉積技術135
8.1 定向能量沉積技術原理135
8.1.1 激光直接沉積技術135
8.1.2 電子束熔絲沉積技術136
8.2 定向能量沉積工藝特點137
8.2.1 激光直接沉積技術特點137
8.2.2 電子束熔絲沉積技術特點138
8.3 定向能量沉積打印材料139
8.3.1 鈦和鈦合金139
8.3.2 高溫合金139
8.3.3 不銹鋼140
8.3.4 鋁合金140
8.3.5 鎂合金141
8.4 定向能量沉積技術及裝備發(fā)展現(xiàn)狀141
8.4.1 激光直接沉積技術裝備141
8.4.2 電子束熔絲沉積技術裝備142
8.5 定向能量沉積技術應用143
8.5.1 在航空航天領域的應用144
8.5.2 在醫(yī)學領域的應用145
8.5.3 在模具制造領域的應用146
8.5.4 在金屬零件再制造修復領域的應用146
習題148
參考文獻148
第9章 疊層實體制造技術149
9.1 技術背景149
9.2 疊層實體制造成形原理149
9.3 疊層實體制造工藝150
9.3.1 疊層實體制造技術工藝過程150
9.3.2 疊層實體制造技術主要工藝參數(shù)150
9.3.3 疊層實體制造后處理工藝151
9.3.4 疊層實體制造技術的工藝特點152
9.3.5 疊層實體制造成形精度154
9.3.6 疊層實體制造成形效率155
9.4 疊層實體制造成形材料155
9.4.1 基體材料155
9.4.2 黏結材料156
9.5 疊層實體制造成形裝備156
9.5.1 激光器及冷卻器157
9.5.2 激光掃描系統(tǒng)(x-y 型切割頭) 157
9.5.3 可升降工作臺158
9.5.4 材料送給裝置158
9.5.5 熱壓疊層裝置158
9.5.6 計算機控制系統(tǒng)159
9.5.7 檢測裝置159
9.5.8 機械系統(tǒng)159
9.6 疊層實體制造技術的應用159
9.6.1 產(chǎn)品原型制作159
9.6.2 工業(yè)模具制備160
習題162
參考文獻162
第10章 復合成形技術163
10.1 超音速激光沉積技術164
10.1.1 超音速激光沉積技術原理164
10.1.2 超音速激光沉積專用裝備164
10.1.3 超音速激光沉積工藝與材料165
10.1.4 超音速激光沉積技術工業(yè)應用167
10.2 電磁場復合激光增材制造與再制造技術169
10.2.1 電磁場復合激光增材制造與再制造技術原理 169
10.2.2 電磁場復合激光增材制造與再制造專用設備171
10.2.3 電磁場復合激光增材制造與再制造工藝與材料173
10.2.4 電磁場復合激光增材制造與再制造技術工業(yè)應用174
10.3 激光-電弧復合焊接技術176
10.3.1 激光-電弧復合焊接技術原理176
10.3.2 激光-電弧復合焊接專用裝備177
10.3.3 激光-電弧復合焊接工藝與材料178
10.3.4 激光-電弧復合焊接技術工業(yè)應用178
10.4 其他復合成形技術180
10.4.1 激光超聲振動復合技術180
10.4.2 微鑄鍛銑復合制造技術181
10.4.3 激光電化學復合沉積技術181
10.4.4 激光增材與沖擊強化復合制造技術183
10.5 復合成形技術展望184
習題184
參考文獻184
第11章 3D 打印產(chǎn)品標準及檢測189
11.1 國外增材制造技術標準現(xiàn)狀189
11.1.1 ASTM 和ISO 標準189
11.1.2 SAE 標準193
11.1.3 其他標準化組織標準197
11.1.4 先進發(fā)達國家標準197
11.2 國內增材制造技術標準現(xiàn)狀199
11.3 3D 打印產(chǎn)品檢測項目及測試方法201
11.3.1 3D 打印專用材料檢測項目及方法201
11.3.2 3D 打印設備檢測項目及方法205
11.3.3 3D 打印成形件檢測項目及方法209
習題213
參考文獻213
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