光固化3D打印技术

本书是在“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“3D打印前沿技术丛书”中的一本。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，多名3D打印领域专家共同研讨策划。本书入选湖北省学术著作出版专项资金资助，作者在光固化3D打印领域有着多年研究，总结分析了光固化3D打印技术，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。 

光固化3D打印是开发早、理论研究深入、技术成熟、不同行业应用广泛的增材制造工艺，它将液态光敏高分子材料累加为固态成形件，成形精度较高，是可以满足商业化需求的共性技术。本书主要围绕激光扫描光固化3D打印工艺核心，重点阐述了该产业材料发展、设备开发流程、原型制备和首版制造全流程工艺技术。本书介绍了光固化3D打印基本原理和前沿技术，在常见工艺特点的基础上，分析其成功应用的关键技术环节；以点扫描累加设备为例，详细介绍了3D打印设备的开发基础，分析了激光扫描系统、增材装置、涂铺系统、液位控制系统（发明专利技术）、树脂加热系统等功能模块的设计要求，以及联合调试、工艺测试方法；以数据处理流程为主线，介绍了三维数模的建立、缺陷修复方法、设备坐标系定向、支撑种类选择、自动生成方法、分层处理、激光扫描算法、软件功能规划等内容。本书可作为光固化3D打印设备、材料、原型、首版制造专业的教材，也可作为各类高校相关专业学生、研究生的教学参考书，还可供对3D打印技术有兴趣的教学、科研、新产品开发、工程技术人员、商业策划、销售人员参考。

目录

 

 

第1章光固化3D打印技术产业发展(1)

 

1.1国内外光固化3D打印技术的发展(1)

 

1.2光固化3D打印前沿技术(4)

 

1.3光固化3D打印材料产业发展(6)

 

1.4光固化3D打印技术在不同产业的典型应用(10)

 

第2章光固化3D打印原理材料与工艺基础(15)

 

2.1光固化3D打印原理与实用工艺(15)

 

2.2光固化3D打印专用材料分类与组成(21)

 

2.3光固化成形工艺技术研究(24)

 

第3章光固化增材制造设备开发基础(28)

 

3.1常用三维软件中STL文件的获取方法(28)

 

3.2光固化设备系统构成与要求(34)

 

3.3激光扫描固化设备的功能系统设计(39)

 

3.4激光扫描固化软件系统与联合调试(43)

 

第4章激光扫描数据处理和主控软件功能(47)

 

4.1STL数模预处理软件安装运行概述(47)

 

4.2STL数模加载缺陷修复与制造布局(56)

 

4.3支撑类别选择与生成方法(61)

 

4.4分层数据匹配与预处理输出(65)

 

4.5控制软件简介(70)

 

第5章激光扫描光固化3D打印机综合调试(81)

 

5.1环境要求与初步安装(81)

 

5.2升降支撑平台、累加基准液面与涂铺机构的调整(83)

 

5.3激光扫描系统的组成与调整(85)

 

5.4电控系统的故障识别与对策(87)

 

第6章经典紫外激光器调试与原型打印涂覆要求(88)

 

6.1光固化零件原型制作流程(88)

 

6.2经典激光器调试(90)

 

6.3原型打印实例分析(95)

 

6.4涂覆工艺基础(114)

 

第7章不同行业首版制造技术基础(118)

 

7.1首版概述(118)

 

7.2首版后处理(122)

 

7.3成形件后处理所使用的专业工、量具和设备(127)

 

7.4刀具制作及使用(131)

 

光固化3D打印技术

目录

7.5后处理注意事项(140)

 

第8章原型的光顺处理(145)

 

8.1光顺处理概述(145)

 

8.2有效涂覆与光整加工(148)

 

8.3打磨工艺(152)

 

8.4涂覆光整加工案例(155)

 

第9章喷漆工艺(157)

 

9.1首版表面质量与前期准备(157)

 

9.2油漆原料(162)

 

9.3工艺流程(164)

 

9.4检验与缺陷解决方法(171)

 

9.5环保油漆与案例(177)

 

参考文献(182) 

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

光固化3D打印技术出现在20世纪80年代后期，它是一种以数字模型为基础，利用激光固化光敏树脂，通过逐层累加原理来构建高分子实体模型的共性技术。随着该技术成熟度增加和应用创新需求的进展，人们将制造材料拓展到其他非金属和金属材料，目前已形成一百多种工艺类型。从制造精度和效率来看，光固化3D打印技术仍是有应用价值的增材制造技术。

经过三十多年的发展，3D打印技术经历了不同形态，各类文献对该技术的称呼也在变化。对于早期的光敏树脂累加，业内多称为立体光刻（stereo lithography,SL），其制造出来的实物被称为原型（prototype），它开启了数字设计向实物快速转化的崭新阶段，给人们创造了自由制造的美好前景。20世纪90年代，随着叠层实体制造（laminated object manufacturing,LOM）、熔融沉积制造（fused
deposition  modeling, FDM）、选择性激光烧结（selective
laser sintering, SLS）、三维粉体喷液打印（3DP）累加制造工艺的出现，累加材料被拓展到以纸张、聚氯乙烯（PVC）、聚乳酸（PLA）、聚苯乙烯（PS）、石膏、陶瓷粉末等非金属材料为主的阶段。由于工业体系中的金属材料仍无法累加制造，该技术在文献中更多地被称为快速成形（rapid prototyping,RP）。为了满足工业设计界在交易中对彩色数模仿真实物的需求，人们对高分子材料原型进行抛光、喷涂、换材、拓宽制造手段等处理，形成了数字设计版的实物模型制造行业即首版业，其交易物被广泛称为手板、手版等。随着原型在复杂金属零件、模具开发领域的应用，21世纪初期，学者们总结了新形成的快速铸造（rapid casting,RC）技术，提出了快速成形制造（RP&M、RPM）系统来间接制造（indirect manufacturing,IM）金属复杂件。同期大功率激光器、电子束的发展，使金属粉末烧结成为可能，进而产生了直接累加金属的直接制造（direct manufacturing,DM）工艺，其代表技术是由SLS发展形成的选择性激光熔化（selective
laser melting,SLM)。学者们进一步梳理众多累加技术后，在学术界RP就进化成增材制造（material increase manufacturing,MIM，或additive
manufacturing,AM）技术，从制造的科学原理上看，这一称呼更能体现其本质。3DP这一特定技术名词被媒体翻译为3D打印而广为传播，3D打印实际上已经成为大众对增材制造技术的普遍性俗称。

光固化增材制造技术的发展，遵循精度效率是基石，材料是支撑，应用是生命的基本规律，是硬科技发展的典型代表。从研究角度看，它需要持续投入，在不同时期有大量的研究成果产生。我国通过国家自然科学基金和国家高技术研究发展计划（863计划）、国家重点基础研究发展计划（973计划）等重点研发计划，从20世纪90年代中后期就开始资助该领域的科学研究工作。西安交通大学科研团队在卢秉恒院士的带领下，培养了一批高端科研人才，先后成立了快速成形制造技术*工程研究中心、科技部快速原型制造技术生产力促进中心、国家增材制造创新中心等机构，来推广应用增材制造技术，团队成员开发的系列紫外激光快速成形机，造就了陕西恒通智能机器有限公司、上海联泰科技股份有限公司、上海数造机电科技股份有限公司、苏州中瑞智创三维科技股份有限公司、深圳市快科制造技术有限公司等企业关键技术，它们的设备成为国内工业应用的主流装备。二十多年来，这些快速成形技术在航空航天、航海潜海、汽车摩托动力、家电、生物医疗、人体康复、工业设计、建筑设计、鞋类模具、珠宝加工、教育等行业形成了应用示范效应。

光固化增材制造技术在工艺上可分为点扫描、面累加、双光子成形三类，其中点扫描成形又可分为激光扫描实体成形和液滴喷射光固化成形两类，面累加成形分为微镜阵列（DMD、DLP）和液晶（LCD）成形两类工艺。相对而言，点扫描成形的光电器件、材料类别、控制算法为成熟，制造尺度可达2  m；双光子成形聚焦在微纳科研领域；面累加成形受光调制器件限制难以制造大尺度零件。因此目前在工业领域应用广泛的仍是点扫描成形，该技术配套材料种类多，可分别满足高强度、高透光、真彩色、光顺等要求，应用该技术制作的首版在新产品开发的风洞水洞等流体测试、设计检验、外观评估、装配实验、动态分析、光弹测试、空间实体交易评估、仿真展示、快速铸造、快速模具等方面有广泛应用。另外，首版的制作以原型为基础，又有其特定的工艺流程，光固化原型的易加工特性和材料的广泛适用性，是其占有较大市场保有量的基础。随着光固化3D打印设备市场扩容，光固化工业设备价格已降为五年前的五分之一，服务价格也由每克八元降到一元。发挥设备优势，成为该前沿技术成功推广的前提。

西安交通大学科研团队开发的光固化SPS系列成形机的发展经历了二十多年，其间参与研发、推广、应用的主体人员众多，应用行业跨度大，长期以来积累了大量案例资料，形成了行之有效的规范，相关研究工作也获得国家自然科学基金（项目编号：51875452）的资助。

本书结合西安交通大学科研团队等近二十年的设备开发、服务经验，结合行业新进展，从光固化3D打印产业角度介绍前沿技术。以光固化点扫描成形作为案例，介绍设备原理、开发基础、调试过程、材料需求和调试要点；从不同行业在产品设计、开发、交易对首版的需求角度，详述了不同原型经过深度加工制成首版的系统知识，发掘原型和首版制造的技术内涵；同时，提供了桌面级和工业级设备、材料、应用一体化解决方案。关于光固化3D打印更深层次的理论和实验研究，以及基于其原型进一步快速铸造成满足工业标准各类合金（铝合金、不锈钢、高温合金、钛合金等）的技术研究，可参阅宗学文编著的《光固化3D打印复杂零件快速铸造技术》。

本书由王永信、宗学文共同组织策划，系统梳理编著成稿，工作量上二人各占一半，同时感谢牛磊磊、修永明及相关人员提供的工作资料。从内容上看，本书重点阐述了光固化成形设备研发、调试使用和首版的制造流程，具有鲜明的实用特色，又把科研中深奥的科学问题简化成够用为度的理论、规范叙述，使研读门槛大为降低。

本书可作为光固化3D打印设备、材料、原型、首版制造专业的教材，也可作为各类高校相关专业学生、研究生的教学参考书，还可供对3D打印技术有兴趣的教学、科研、新产品开发、工程技术人员、商业策划、销售人员参考。

 

 

受科研项目研究、应用实践经验的限制，书中难免存在疏漏和错误，希望广大读者发现问题及时批评和指正。联系邮箱为[email protected]；QQ群号为250780315。

 

 

 

 

作者

 

2018年10月