3D打印增材制造技术(智能制造系列教材)

目 录 绪论 3D 打印增材制造技术概述 ................................................................................................................. 1 第 1 章 增材制造中的三维模型及数据处理 ............................................................................................ 3 1.1 三维模型的构建 ................................................................................................................................... 3 1.1.1 计算机辅助建模 .......................................................................................................................... 3 1.1.2 逆向工程及建模 .......................................................................................................................... 4 1.1.3 三维扫描测量技术 ...................................................................................................................... 5 1.1.4 点云数据处理 .............................................................................................................................. 7 1.2 三维模型的 STL 文件 ........................................................................................................................ 8 1.2.1 格式及精度 .................................................................................................................................. 9 1.2.2 基本规则与错误类型 ................................................................................................................. 11 1.2.3 分割和拼接 ................................................................................................................................ 13 1.3 三维模型的切片处理 ........................................................................................................................ 14 1.3.1 模型的摆放和支撑结构 ............................................................................................................ 15 1.3.2 分层切片软件 ............................................................................................................................ 16 1.3.3 切片的分类 ................................................................................................................................ 17 1.3.4 层片数据处理 ............................................................................................................................ 18 第 2 章 增材制造材料及制备 ...................................................................................................................... 21 2.1 金属打印材料 ...................................................................................................................................... 21 2.1.1 常用的金属打印材料 ................................................................................................................ 21 2.1.2 金属粉末的制备 ........................................................................................................................ 22 2.1.3 金属丝材制备工艺 .................................................................................................................... 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 高分子丝材的制备 .................................................................................................................... 28 2.2.3 高分子粉材的制备 .................................................................................................................... 29 2.3 光敏树脂材料 ...................................................................................................................................... 30 2.3.1 光敏树脂的组成 ........................................................................................................................ 30 2.3.2 光敏树脂的性能 ........................................................................................................................ 30 2.3.3 光敏树脂材料的分类 ................................................................................................................ 31 2.3.4 光敏树脂材料固化机理 ............................................................................................................ 32 3D 打印增材制造技术 ·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 陶瓷粉体的制备 ........................................................................................................................ 36 2.4.3 覆膜砂材料 ................................................................................................................................ 37 2.5 3D 打印复合材料 ............................................................................................................................... 37 2.5.1 高分子粉末复合材料 ................................................................................................................ 38 2.5.2 纤维增强复合材料 .................................................................................................................... 38 2.5.3 金属基复合材料 ........................................................................................................................ 39 第 3 章 材料挤出打印技术 ........................................................................................................................... 41 3.1 熔融沉积制造技术 ............................................................................................................................ 41 3.1.1 基本原理及特点 ........................................................................................................................ 41 3.1.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 42 3.1.3 成型工艺过程 ............................................................................................................................ 43 3.1.4 成型质量的因素分析 ................................................................................................................ 44 3.2 碳纤维复合材料 3D 打印 ................................................................................................................ 45 3.2.1 基本原理及特点 ........................................................................................................................ 45 3.2.2 成型工艺 .................................................................................................................................... 46 3.3 螺杆挤出 3D 打印技术 .................................................................................................................... 46 3.3.1 基本原理 .................................................................................................................................... 46 3.3.2 成型设备 .................................................................................................................................... 47 3.4 气动挤出打印技术 ............................................................................................................................ 47 第 4 章 光固化增材制造技术 ...................................................................................................................... 49 4.1 光固化成型技术 ................................................................................................................................. 49 4.1.1 基本原理 .................................................................................................................................... 49 4.1.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 49 4.1.3 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 51 4.1.4 光固化成型精度 ........................................................................................................................ 52 4.1.5 工艺特点 .................................................................................................................................... 56 4.2 数字光处理技术 ................................................................................................................................. 56 4.2.1 基本原理 .................................................................................................................................... 57 4.2.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 57 4.2.3 成型工艺过程 ............................................................................................................................ 58 4.2.4 工艺特点及应用 ........................................................................................................................ 58 4.3 数字光合成技术 ................................................................................................................................. 59 4.4 液晶显示光固化技术 ........................................................................................................................ 59 目录 ·VII.第 5 章 粉末床熔融增材制造技术 ............................................................................................................. 61 5.1 选择性激光烧结技术 ........................................................................................................................ 61 5.1.1 基本原理 .................................................................................................................................... 61 5.1.2 高分子粉末材料 SLS 技术 ....................................................................................................... 62 5.1.3 陶瓷粉末材料 SLS 技术 ........................................................................................................... 63 5.1.4 金属粉末 SLS 技术 ................................................................................................................... 64 5.1.5 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 65 5.2 激光选区熔化技术 ............................................................................................................................ 67 5.2.1 基本原理及工艺特点 ................................................................................................................ 67 5.2.2 成型设备 .................................................................................................................................... 68 5.2.3 振镜式激光扫描系统 ................................................................................................................ 69 5.2.4 成型工艺及缺陷分析 ................................................................................................................ 71 5.3 电子束选区熔化技术 ........................................................................................................................ 73 5.3.1 基本原理及特点 ........................................................................................................................ 73 5.3.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 74 5.3.3 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 75 第 6 章 定向能量沉积增材制造技术 ........................................................................................................ 77 6.1 增材制造能量源 ................................................................................................................................. 77 6.1.1 激光原理与激光器 .................................................................................................................... 77 6.1.2 电弧等离子体 ............................................................................................................................ 80 6.1.3 电子束 ........................................................................................................................................ 81 6.2 激光近净成型技术 ............................................................................................................................ 81 6.2.1 基本原理及特点 ........................................................................................................................ 82 6.2.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 82 6.2.3 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 84 6.3 电弧熔丝增材制造技术 ................................................................................................................... 85 6.3.1 基本原理及特点 ........................................................................................................................ 85 6.3.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 85 6.3.3 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 87 6.4 电弧喷涂制造技术 ............................................................................................................................ 87 6.4.1 基本原理及特点 ........................................................................................................................ 87 6.4.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 88 6.4.3 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 89 6.5 电子束自由成型制造技术 .............................................................................................................. 90 6.5.1 基本原理及特点 ........................................................................................................................ 90 6.5.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 90 3D 打印增材制造技术 ·VIII· 6.5.3 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 91 6.6 等离子熔覆制造技术 ........................................................................................................................ 91 6.6.1 基本原理 .................................................................................................................................... 91 6.6.2 工艺特点 .................................................................................................................................... 92 6.6.3 工程应用 .................................................................................................................................... 92 第 7 章 三维喷射打印技术 ........................................................................................................................... 93 7.1 喷墨式 3D 打印技术 ......................................................................................................................... 93 7.1.1 连续喷墨打印技术 .................................................................................................................... 93 7.1.2 热气泡喷墨打印技术 ................................................................................................................ 94 7.1.3 微压电喷墨打印技术 ................................................................................................................ 94 7.2 三维（黏结剂）喷射打印技术 ..................................................................................................... 96 7.2.1 基本原理 .................................................................................................................................... 96 7.2.2 成型材料与设备 ........................................................................................................................ 97 7.2.3 成型工艺及分析 ........................................................................................................................ 97 7.3 冷喷涂增材制造技术 ........................................................................................................................ 99 7.3.1 基本原理 .................................................................................................................................... 99 7.3.2 成型系统与设备 ........................................................................................................................ 99 7.3.3 特点及应用 .............................................................................................................................. 100 7.4 聚合物喷射增材制造技术 ............................................................................................................ 100 7.4.1 PolyJet 聚合物喷射技术 ......................................................................................................... 100 7.4.2 多射流熔融技术 ...................................................................................................................... 101 7.5 纳米颗粒喷射 3D 打印技术 ......................................................................................................... 103 7.5.1 工作原理 .................................................................................................................................. 103 7.5.2 成型工艺及分析 ...................................................................................................................... 103 7.5.3 工艺特点及应用 ...................................................................................................................... 103 7.6 气溶胶喷射打印技术 ...................................................................................................................... 104 7.6.1 基本原理 .................................................................................................................................. 104 7.6.2 成型工艺及设备 ...................................................................................................................... 104 7.6.3 特点及应用 .............................................................................................................................. 105 第 8 章 薄材叠层增材制造技术 ................................................................................................................ 106 8.1 叠层实体制造技术 .......................................................................................................................... 106 8.1.1 基本原理及特点 ...................................................................................................................... 106 8.1.2 成型系统与设备 ...................................................................................................................... 107 8.1.3 成型工艺过程 .......................................................................................................................... 107 8.2 超声波固相增材制造技术 ............................................................................................................ 108 8.2.1 技术原理 .................................................................................................................................. 108 目录 ·IX· 8.2.2 工艺特点 .................................................................................................................................. 109 8.2.3 应用 ........................................................................................................................................... 110 第 9 章 新型 3D 打印技术 ........................................................................................................................... 111 9.1 直接墨水书写 3D 打印技术 ......................................................................................................... 111 9.1.1 导电墨水材料 ........................................................................................................................... 111 9.1.2 基本原理及特点 ....................................................................................................................... 112 9.1.3 工艺特点 ................................................................................................................................... 113 9.2 液态金属悬浮 3D 打印技术 ......................................................................................................... 114 9.2.1 液态金属材料 ........................................................................................................................... 114 9.2.2 工艺过程 ................................................................................................................................... 114 9.2.3 特点及应用 ............................................................................................................................... 115 9.3 双光子聚合激光 3D 直写打印技术 ........................................................................................... 115 9.3.1 基本原理 ................................................................................................................................... 116 9.3.2 成型工艺及设备 ....................................................................................................................... 117 9.3.3 特点及应用 ............................................................................................................................... 117 第 10 章 3D 打印材料的性能 ..................................................................................................................... 119 10.1 材料的强度与塑性 ........................................................................................................................ 119 10.1.1 拉伸试验及拉伸曲线 ............................................................................................................. 119 10.1.2 拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义 ............................................................................ 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 维氏硬度 ................................................................................................................................ 123 10.3 材料的冲击韧度 ............................................................................................................................. 124 10.4 材料的疲劳强度 ............................................................................................................................. 126 10.5 材料的断裂韧度 ............................................................................................................................. 127 参考文献 ............................................................................................................................................................... 129