异质材料3D打印技术

本书由南京师范大学杨继全教授等任所撰写，“3D打印前沿技术”丛书由卢秉恒院士、王华明院士、聂祚仁院士等任丛书顾问，史玉升教授为丛书主编，是在“中国制造2025”“‘十三五’国家科技创新规划”及“国家增材制造产业发展推进计划”等背景下策划的丛书中的一本。本书入选湖北省学术著作出版专项资金资助，作者异质材料制备、异质材料零件成型、异质材料3D打印等领域有着多年研究，总结分析了异质材料3D打印领域的相关知识，具有较好的学术价值及参考价值，可供行业相关人员参考。全书为精装彩色印刷。 

本书以南京师范大学江苏省三维打印装备与制造重点实验室科研团队的有关研究成果为基础，主要对使用3D打印技术制造异质零件的相关内容进行系统性论述。本书的指导思想是在详细介绍异质零件CAD建模方法的基础上，深入分析异质零件的成形材料设计及制备、异质零件的成形技术及具体应用，期望给读者展现有关异质零件3D打印技术方面较为完整的系统性知识。本书具体内容：第1章绪论，概述了异质实体（或称异质零件）的概念及分类；第2章异质零件3D打印建模基础；第3章异质零件的静态建模方法；第4章异质零件的动态建模方法；第5章异质零件模型设计可视化；第6章异质零件3D打印的成形材料；第7章异质零件的3D打印成形技术；第8章基于3D打印的异质零件的应用。本书在内容组织方面力求深入浅出，兼顾不同知识背景读者的要求，既保证内容新颖，反映国内外新研究成果，又深入探讨理论知识和实际应用。本书可供工业制造、生物医学、化学工程、电子工程等不同领域的工程技术人员阅读，也可供致力于3D打印领域研究的科研人员参考。图书在版编目（CIP）数据

目录

第1章绪论(1)

1.1异质实体分类(1)

1.2异质零件特点及应用(4)

1.3异质零件成形技术及设备(5)

1.4本书结构安排(10)

本章参考文献(11)

第2章异质零件3D打印建模基础(15)

2.1多材料3D打印成形原理(15)

2.2异质零件制造的模型及数据格式(17)

2.3本章小结(33)

本章参考文献(33)

第3章异质零件的静态建模方法(35)

3.1静态模型(35)

3.2网络节点的获取(37)

3.3基于体素法的建模方法(39)

3.4基于表面轮廓的建模方法(50)

3.5本章小结(53)

本章参考文献(53)

第4章异质零件的动态建模方法(55)

4.1材料特征描述(55)

4.2体素表示法(57)

4.3实体与材料的映射(58)

4.4特征节点的提取(61)

4.5材料动态变化设计(64)

4.6基于体素的混杂微四面体(67)

4.7动态模型示例(68)

4.8本章小结(70)

本章参考文献(70)

第5章异质零件模型设计可视化(72)

5.1实体离散(72)

5.2彩色文件格式(73)

5.3材料设计可视化(80)

5.4彩色STL模型材料映射可视化(83)

5.5彩色微四面体材料映射可视化(85)

5.6可视化实例(88)

5.7本章小结(90)

本章参考文献(90)

第6章异质零件3D打印的成形材料(94)

6.13D打印常用成形材料概述(94)

6.23D打印异质零件材料的设计(95)

6.33D打印异质结构材料(98)

6.44D打印材料(99)

总序一

“中国制造2025”提出通过三个十年的“三步走”战略，使中国制造综合实力进入世界强国前列。近三十年来，3D打印（增材制造）技术是欧美日等高端工业产品开发、试制、定型的重要支撑技术，也是中国制造业创新、重点行业转型升级的重大共性需求技术。  新的增材原理、新材料的研发、设备创新、标准建设、工程应用，必然引起各国“产学研投”界的高度关注。

　　3D打印是一项集机械、计算机、数控、材料等多学科于一体的，新的数字化先进制造技术，应用该技术可以成形任意复杂结构。其制造材料涵盖了金属、非金属、陶瓷、复合材料和超材料等，并正在从3D打印向4D、5D打印方向发展，尺度上已实现8 m构件制造并向微纳制造发展，制造地点也由地表制造向星际、太空制造发展。这些进展促进了现代设计理念的变革，而智能技术的融入又会促成新的发展。3D打印应用领域非常广泛，在航空、航天、航海、潜海、交通装备、生物医疗、康复产业、文化创意、创新教育等领域都有非常诱人的前景。中国高度重视3D打印技术及其产业的发展，通过国家基金项目、攻关项目、研发计划项目支持3D打印技术的研发推广，经过二十多年培养了一批老中青结合、具有国际化视野的科研人才，国际合作广泛深入，国际交流硕果累累。作为“中国制造2025”的发展重点，3D打印在近几年取得了蓬勃发展，围绕重大需求形成了不同行业的示范应用。通过政策引导，在社会各界共同努力下，3D打印关键技术不断突破，装备性能显著提升，应用领域日益拓展，技术生态和产业体系初步形成；涌现出一批具有一定竞争力的骨干企业，形成了若干产业集聚区，整个产业呈现快速发展局面。

　　华中科技大学出版社紧跟时代潮流，瞄准3D打印科学技术前沿，组织策划了本套“3D打印前沿技术丛书”，并且，其中多部将与爱思唯尔（Elsevier）出版社一起，向全球联合出版发行英文版。本套丛书内容聚焦前沿、关注应用、涉猎广泛，不同领域专家、学者从不同视野展示学术观点，实现了多学科交叉融合。本套丛书采用开放选题模式，聚焦3D打印技术前沿及其应用的多个领域，如航空航天、工艺装备、生物医疗、创新设计等领域。本套丛书不仅可以成为我国有关领域专家、学者学术交流与合作的平台，也是我国科技人员展示研究成果的国际平台。

　　近年来，中国高校设立了3D打印专业，高校师生、设备制造与应用的相关工程技术人员、科研工作者对3D打印的热情与日俱增。由于3D打印技术仅有三十多年的发展历程，该技术还有待于进一步提高。希望这套丛书能成为有关领域专家、学者、高校师生与工程技术人员之间的纽带，增强作者、编者与读者之间的联系，促进作者、读者在应用中凝练关键技术问题和科学问题，在解决问题的过程中，共同推动3D打印技术的发展。

　　我乐于为本套丛书作序，感谢为本套丛书做出贡献的作者和读者，感谢他们对本套丛书长期的支持与关注。

 

西安交通大学教授

中国工程院院士

卢秉恒

 

2018年11月

 

 

总序二

3D打印是一种采用数字驱动方式将材料逐层堆积成形的先进制造技术。它将传统的多维制造降为二维制造，突破了传统制造方法的约束和限制，能将不同材料自由制造成空心结构、多孔结构、网格结构及功能梯度结构等，从根本上改变了设计思路，即将面向工艺制造的传统设计变为面向性能优的设计。3D打印突破了传统制造技术对零部件材料、形状、尺度、功能等的制约，几乎可制造任意复杂的结构，可覆盖全彩色、异质、功能梯度材料，可跨越宏观、介观、微观、原子等多尺度，可整体成形甚至取消装配。

3D打印正在各行业中发挥作用，极大地拓展了产品的创意与创新空间，优化了产品的性能；大幅降低了产品的研发成本，缩短了研发周期，极大地增强了工艺实现能力。因此，3D打印未来将对各行业产生深远的影响。为此，“中国制造2025”、德国“工业4.0”、美国“增材制造路线图”，以及“欧洲增材制造战略”等都视3D打印为未来制造业发展战略的核心。

基于上述背景，华中科技大学出版社希望由我组织全国相关单位撰写“3D打印前沿技术丛书”。由于3D打印是一种集机械、计算机、数控和材料等于一体的新型先进制造技术，涉及学科众多，因此，为了确保丛书的质量和前沿性，特聘请卢秉恒、王华明、聂祚仁等院士作为顾问，聘请3D打印领域的著名专家作为编审委员会委员。

各单位相关专家经过近三年的辛勤努力，即将完成20余部3D打印相关学术著作的撰写工作，其中已有2部获得国家科学技术学术著作出版基金资助，多部将与爱思唯尔（Elsevier）联合出版英文版。

本丛书内容覆盖了3D打印的设计、软件、材料、工艺、装备及应用等全流程，集中反映了3D打印领域的新研究和应用成果，可作为学校、科研院所、企业等单位有关人员的参考书，也可作为研究生、本科生、高职高专生等的参考教材。

由于本丛书的撰写单位多、涉及学科广，是一个新尝试，因此疏漏和缺陷在所难免，殷切期望同行专家和读者批评与指正！

 

华中科技大学教授

史玉升

2018年11月

 

前言

   
3D打印（也称增材制造）是集材料、结构及功能为一体的并行设计与制造技术，在工业、医疗、教育等领域已得到广泛应用。3D打印虽然具有对象个性化、结构复杂化的特点，但常用的3D打印工艺一般只能制作单一均质材料的成形零件，而自然界中存在的物体或非人工制造的生态型物体，如牙齿、竹子、贝壳等均是含有多种材料的功能型异质结构体，也称为异质实体。对于此类异质实体（本书将人工制造的异质实体称为异质零件）的制造，传统制造方法往往无能为力。由于3D打印技术采用分层制造及叠加成形原理，理论上可实现多种材料、结构和功能的任意成形，因此，异质零件的设计与制造问题近年已成为3D打印领域研究的热点之一。本书围绕异质零件的3D打印技术进行系统化研究，重点阐述异质零件的概念及分类、异质零件的静态建模方法及动态建模方法、异质零件建模可视化方法、异质零件的材料设计与制备、异质零件的3D打印成形技术、异质零件应用等内容。本书所阐述的内容以南京师范大学江苏省三维打印装备与制造重点实验室科研团队近年开展的多项科研项目所形成的科研成果为基础，结合本领域国内外众多学者的研究成果，既保证内容新颖，反映新学术研究方向，又进行了深入的理论探讨与技术介绍，同时也较为详细地介绍了本领域针对某个研究，不同的学者所提出的不同研究思路、方法及成果，供读者参考和学习。因此，本书既可为从事该领域研究的科研人员提供借鉴与参考，同时也可供相关领域的工程技术人员阅读。
本书共8章：第1章绪论和第2章异质零件3D打印建模基础由杨继全编写，第3章异质零件的静态建模方法和第4章异质零件的动态建模方法由李娜和杨继全编写，第5章异质零件模型设计可视化由李娜编写，第6章异质零件3D打印的成形材料由唐文来和施建平编写，第7章异质零件的3D打印成形技术由李娜和施建平编写，第8章基于3D打印的异质零件的应用由施建平和张钢编写。本书的出版得到国家重点研发计划（2017YFB1103200）、江苏省重点研发计划（产业前瞻与共性关键技术）（BE2018010、BE2016010）、国家自然科学基金项目（51407095、51605229、50607094、61601228、61603194）、江苏省科技成果转化专项资金重大项目（BA201606）、江苏省高校自然科学基金项目（16KJB12002）、江苏省重点国别产业技术研发合作项目(BZ2018027)等项目的支持。本书集中反映了本团队的有关研究成果，这些成果是本研究团队经过长期的持续研究取得的，本团队的主要研究成员除了本书的作者以外，还包括：程军、杨建飞、程继红、冯春梅、朱莉娅、刘益剑、邱鑫、谢非、郭爱琴等老师，吕超凡、韩宁达、曹伟、刘训、李灿、徐泽玮、何昱煜、李思祥、戴鑫、王伟业、袁哲、徐帅、马辉、董艮滔、朱兵、张馨宇、杨帅、汤浩、赵文娟、朱钊伟、游勇、樊温新、迟翔、樊宁、王日茗、程明、余成等研究生。在本书的撰写过程中，南京工业大学毛宏理教授参与了第5章相关内容的撰写、审核和修改，顾忠伟教授对本书提出了许多非常有见地的指导意见，在此一并表示感谢！本书的编写参考了大量的研究论文、研究报道等相关资料，除每章注明的参考文献外，其余的参考资料主要有公开发表于各类报纸、期刊、图书、互联网等上的资料。本书中所采用的图片、模型等素材均为所属公司、网站或个人所有，本书引用仅为说明之用，绝无侵权之意，特此声明，在此向参考资料的各位作者表示谢意！后衷心感谢华中科技大学出版社在本书出版过程中给予的大力支持！由于我们是首次以异质零件的3D打印技术作为主要内容进行系统性介绍，有些内容是我们的初步研究成果，有些研究工作还在继续，我们对该技术的认知还在不断深化，对一些问题的理解还不够深入，加之作者的学术水平和知识面有限，书中可能存在文献的引用疏漏、信息不准确之处，殷切期望同行专家和读者的批评指正和宝贵意见，在此预致谢意！异质材料3D打印技术前言

杨继全，李娜，施建平，唐文来，张钢

2018年10月

本书由南京师范大学杨继全教授等任所撰写，“3D打印前沿技术”丛书由卢秉恒院士、王华明院士、聂祚仁院士等任丛书顾问，史玉升教授为丛书主编，是在“中国制造2025”“‘十三五’国家科技创新规划”及“国家增材制造产业发展推进计划”等背景下策划的丛书中的一本。本书入选湖北省学术著作出版专项资金资助，作者异质材料制备、异质材料零件成型、异质材料3D打印等领域有着多年研究，总结分析了异质材料3D打印领域的相关知识，具有较好的学术价值及参考价值，可供行业相关人员参考。全书为精装彩色印刷。