3D打印技术与应用

来自美国、德国等国家10余家科研机构和公司24位3D打印行业专家的倾力之作囊括了聚合物、复合材料、金属、陶瓷、生物材料等多种先进材料的3D打印技术介绍了3D打印技术在工业、航天、电子、材料、医学和教育等领域的实际应用 

本书系统全面地阐述了目前3D打印技术的发展情况及其具体应用，主要涵盖了聚合物、复合材料、金属、陶瓷、生物材料等方面的新技术，以及其在工业、航空、电子技术、材料、医学和教育等领域的应用，结构层次分明，内容详实丰富。希望读者能够通过本书了解、学习到一些有助于自己学习、研究和工作的3D打印知识，同时希望通过本书提供的一些实例给读者带来思路的启发。

编著者主编简介译者序前言第1 章　3D 打印与工程全球化 1　1. 1　引言 1　1. 2　3D 打印的历史 2　　1. 2. 1　3D 打印的开始 2　　1. 2. 2　其他3D 打印技术的发展 2　　1. 2. 3　从原型制作到3D 打印零件 3　　1. 2. 4　3D 打印的影响 5　1. 3　当前制造业面临的难题 5　　1. 3. 1　集中式和基于预测的制造中存在的问题 5　　1. 3. 2　通用化设计: 消费者仅对符合其要求的产品满意 6　1. 4　3D 打印: 无法比拟的工艺典范 7　　1. 4. 1　3D 打印技术的现状及其概念 7　　1. 4. 2　3D 打印技术的优点: 随心所欲地设计 7　　1. 4. 3　3D 打印技术的优点: 在制造业中的多功能性 8　　1. 4. 4　3D 打印技术的优点: 可增强材料的性能 8　　1. 4. 5　3D 打印技术已经成为现代制造业的一部分 9　　1. 4. 6　从计算机辅助设计到3D 打印技术的演变及其对制造业的影响 9　1. 5　工程全球化与3D 打印 10　　1. 5. 1　工程从本地化转化为全球化 10　　1. 5. 2　工程师在世界任何地方都可以变得有效和高效 11　　1. 5. 3　太空制造不再是一个梦想 12　1. 6　发展趋势 12　　1. 6. 1　定制产品的按需生产 12　　1. 6. 2　允许人们把创造力转化为现实 14　　1. 6. 3　个人3D 打印设备: 一种标配的家庭设备 14　　1. 6. 4　3D 打印推进医疗技术并救助生命 15　1. 7　结语 16　参考文献 17第2 章　聚合物和复合材料的3D 打印 20　2. 1　引言 20　2. 2　高强度热塑性塑料和纤维增强热塑性塑料的3D 打印技术 24　2. 3　高强度热固性塑料和短切纤维增强复合材料的3D 打印技术 28　2. 4　可用于纳米复合材料的3D 打印工艺 32　2. 5　连续纤维增强复合材料的3D 打印过程 36　2. 6　3D 打印过程中粘结剂的作用及其选择 46　2. 7　特例: 3D 打印过程中的原位纤维强化 56　2. 8　当前面临的挑战及未来的发展趋势 58　参考文献 59第3 章　金属的沉积法及固态3D 打印技术 64　3. 1　引言 64　3. 2　技术现状 66　　3. 2. 1　粉末沉积技术 66　　3. 2. 2　熔丝沉积技术 73　　3. 2. 3　固态3D 打印工艺 79　　3. 2. 4　基于电沉积的3D 打印技术 82　3. 3　新兴的3D 打印技术 85　　3. 3. 1　摩擦自由成型制造技术 85　　3. 3. 2　混合技术 86　3. 4　机遇和挑战 87　　3. 4. 1　材料方面 87　　3. 4. 2　工艺方面 88　　3. 4. 3　设备方面 88　3. 5　未来的发展方向 89　参考文献 90第4 章　基于粉末技术的金属3D 打印技术 102　4. 1　从快速原型到快速制造 102　4. 2　基于粉床的3D 打印系统的功能描述 106　4. 3　一般过程 111　　4. 3. 1　CAD 文件 111　　4. 3. 2　STL 转化为分层文件 112　　4. 3. 3　文件导入到机器 114　　4. 3. 4　构建过程 114　　4. 3. 5　后处理 115　4. 4　激光参数 115　4. 5　植入物或生物医疗器械的特殊要求 120　4. 6　Ti6Al4V 122　4. 7　多孔结构的标准 124　4. 8　多孔结构的设计 125　4. 9　格子结构的设计 126　　4. 9. 1　Netfabb 软件设计格子结构 126　　4. 9. 2　Within Enhance 软件设计格子结构 128　4. 10　工艺过程的影响因素 133　　4. 10. 1　曝光 134　　4. 10. 2　固化区 134　　4. 10. 3　束偏移 134　　4. 10. 4　基本曝光类型ChessRotLx 136　　4. 10. 5　基本曝光类型Contours 136　　4. 10. 6　基本曝光类型SkinCore 137　　4. 10. 7　基本曝光类型SLI-HatchLx 138　　4. 10. 8　基本曝光类型UpDownStripesAdaptiveLx 138　　4. 10. 9　基本曝光类型UpDownStripesAdaptiveRotLx 138　4. 11　结语 140　参考文献 140第5 章　陶瓷的3D 打印技术 145　5. 1　引言 145　5. 2　陶瓷的立体光刻技术 146　　5. 2. 1　立体光刻技术的历史及方法 146　　5. 2. 2　陶瓷悬浮液的稳定性及其流变特性 147　　5. 2. 3　陶瓷悬浮液的立体光刻技术 148　　5. 2. 4　应用及未来的发展 149　5. 3　陶瓷的选择性激光烧结技术 151　　5. 3. 1　选择性激光烧结的历史与方法 151　　5. 3. 2　陶瓷的直接选择性激光烧结技术 152　　5. 3. 3　陶瓷的间接选择性激光烧结技术 154　　5. 3. 4　应用和未来的发展 156　5. 4　陶瓷的喷墨3D 打印技术 157　　5. 4. 1　喷墨3D 打印技术的历史及方法 157　　5. 4. 2　喷墨3D 打印加工陶瓷 159　5. 5　陶瓷的熔融沉积成型技术 162　　5. 5. 1　陶瓷熔融沉积技术的历史及方法 162　　5. 5. 2　陶瓷熔融沉积加工陶瓷 164　5. 6　陶瓷的分层实体制造技术 166　　5. 6. 1　分层实体制造技术的历史与方法 166　　5. 6. 2　分层实体制造加工陶瓷 168　5. 7　激光近净成型技术TM 169　　5. 7. 1　激光近净成型技术的历史与方法 169　　5. 7. 2　激光近净成型技术加工陶瓷 171　5. 8　自动注浆成型技术 175

由于美国及其他发达和发展中国家制造业关注点的转变, 近年来3D 打印领域得以飞速发展。在计算机上画一些图形, 然后就可以在3D 打印机中打印出来并且可以被触摸或感觉到, 这样的经历吸引着我们许多人。同样, 我们也可以看到我们的孩子, 虽然还只是在上初中或高中, 但也通过他们自己的创造而经历着3D 打印的革命。正是由于3D 打印机价格大幅降低和零件质量的提高, 这样的社会变革才成为可能。在10 年前的美国, 一台高品质3D 打印机的成本超过10 万美元, 由于其价格很高, 大多数人只能看到3D 打印机的图片或视频。 而随着3D 打印机成本的大幅降低, 以及3D 打印机可靠性和零件质量的改善,许多企业、大学甚至中学开始对3D 打印机投资, 以体验、探索和创新这些令人着迷的3D 打印技术。所以, 我们认为本书的出版是非常及时的, 因为我们试图捕捉到一些近年来面向先进材料, 且令人兴奋的3D 打印技术的发展。 我们知道有一些书籍也涉及了3D 打印, 但当我们查阅了相关文献之后,会意识到这些书籍大多数是由机械工程师编写的, 他们注重的是打印机本身而不是其应用。在目前情况下, 大多数的3D 打印技术是比较成熟的, 而大部分的创新是在3D 打印技术的应用领域。因此, 我们把工作重点放在了3D 打印的应用上, 而不是在3D 打印的核心技术上。我们希望读者能够看到这些技术目前是如何被应用的, 然后有助于他们在自己领域的创新。本书的设计在某种程度上也可以适用于课堂授课形式。前几章节根据对不同种类材料的利用, 重点介绍了各种各样的3D 打印技术; 中间的章节论述了3D 打印的重要应用领域; 后几章讨论了3D 打印的教育和监管问题, 因为在3D 打印日益成熟并应用于许多行业之后, 这些因素变得更加重要。 如同编撰任何一本书籍一样, 我们承认没有所有作者的共同努力, 本项工作是不可能完成的, 我们对他们的贡献表示衷心感谢。我们也感谢许多学生对这本书的支持, 尤其是Tom Gualtieri、Sahar Vahabzadeh 与Dongxu Ke。我们还要感谢来自孩子Shohom 和Aditya 的支持, 没有他们, 我们也不可能完成这项工作。 即使在这一领域工作了20 年, 我们仍然定期学习3D 打印的相关新应用。我们希望有经验的研究人员以及那些正在进入这一领域的研究人员都能从本书获益,希望本书能够帮助他们更好地理解3D 打印这一主题, 并有助于未来一代。 Amit Bandyopadhyay　Susmita Bose华盛顿州立大学