3D打印材料：上、下册

本书由华中科技大学史玉升、闫春泽等教授所撰写，本书入选“国家科学技术学术著作出版基金资助”“湖北省学术著作出版专项资金资助”，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”的一本。作者团队在3D打印技术及3D打印材料制备技术方面有着近30年的研究经验，全面系统地介绍了3D打印材料概况，并介绍了粉材、丝材、液材、金属材料、陶瓷材料等多种用于3D打印的材料技术原理成形原理及制备方法选，具有较好的学术价值及参考价值，可供院校师生、科研院所及行业相关人员参考。全书为精装彩色印刷 

本书以华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室快速制造中心20余年的研究成果为基础，全面、系统地介绍了3D打印材料的制备理论和技术及其应用。其主要内容包括3D打印材料概述、3D打印高分子材料——粉材、3D打印高分子材料——液材、3D打印高分子材料——丝材、3D打印金属材料、3D打印陶瓷材料、3D打印材料应用案例等。本书具有系统性、全面性、普遍性和新颖性,图文并茂,既有理论研究,又有实际应用,是一本对3D打印材料的研究和应用极具实用价值的参考书。本书可供3D打印领域的工程技术人员阅读,也可作为相关专业师生的参考书。

上 册 目 录第1章3D打印材料概述(1)1.1国内外3D打印技术研发现状(1)1.2国内外3D打印材料研发现状(3)参考文献(6)第2章3D打印高分子材料——粉材(8)2.1高分子及其复合粉材激光选区烧结成形机理(8)2.2高分子及其复合粉材的制备、组成及表征(37)2.3尼龙12粉材(45)2.4尼龙12复合粉材(65)2.5苯乙烯丙烯腈共聚物粉材(118)2.6高抗冲聚苯乙烯粉材(122)2.7聚碳酸酯粉材(129)2.8ABS粉材(135)参考文献(137)第3章3D打印高分子材料——液材(139)3.1光固化成形光敏树脂概述(139)3.2光固化实体液材(165)3.3光固化实体液材中的低聚物(213)
3.4光固化支撑液材的低聚物(227)3.5改性光固化成形液材(244)参考文献(266)
下 册 目 录第4章3D打印高分子材料——丝材(269)4.1高分子丝材熔融沉积成形原理及过程(269)4.2熔融沉积成形中的高分子成形材料(278)4.3熔融沉积成形中的支撑材料(288)参考文献(297)第5章3D打印金属材料(299)5.1金属材料的3D打印技术及其原理(299)5.2金属材料的3D打印成形机理(304)5.3SLM用金属粉材(327)5.4.1SLM金属粉材冶金特点(340)5.5电弧熔丝沉积成形用金属丝材(431)5.6电弧熔丝沉积成形制件组织与性能(434)参考文献(443)第6章3D打印陶瓷材料(447)6.1陶瓷材料的3D打印技术及原理(447)6.2陶瓷材料的SLS成形机理(454)6.3SLS成形用陶瓷材料制备(456)参考文献(485)第7章3D打印材料应用案例(491)7.1 3D打印高分子粉材应用案例1(491)7.2 3D打印高分子粉材应用案例2(493)7.3 3D打印高分子粉材应用案例3(494)7.4 3D打印高分子丝材应用案例(496)7.5 3D打印高分子液材应用案例(497)7.6 3D打印金属粉材应用案例1(498)7.7 3D打印金属粉材应用案例2(501)7.8 3D打印金属丝材应用案例1(503)7.9 3D打印金属丝材应用案例2(507)7.10 3D打印金属丝材应用案例3(508)7.11 3D打印陶瓷粉材应用案例1(508)7.12 3D打印陶瓷粉材应用案例2(509)7.13 3D打印陶瓷粉材应用案例3(510)

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最优的设计。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打印领域的最新研究和应用成果，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、快速成形等,是一项集机械、计算机、数控和材料于一体的、全新的数字化先进制造技术。3D打印技术采用分层制造并叠加的原理,理论上可成形任意复杂结构,因此可将传统的面向制造工艺的零部件设计变为面向性能的全新设计,这一转变被称为当今制造业的一场革命。激光选区烧结(selective laser sintering,SLS)技术属于3D打印技术的一种,它借助于计算机辅助设计与制造,采用分层制造叠加原理,通过激光烧结将粉末材料直接成形为三维实体零件,不受成形零件形状复杂程度的限制,不需任何工装模具。SLS技术具有成形件复杂度高、制造周期短、成本低、成形材料广泛、材料利用率高等优点,因此成为最具发展前景的3D打印技术之一,现已广泛用于航空、航天、医疗、机械等领域。华中科技大学从1992年开始SLS技术的理论与应用研究工作,是中国最早开展此项技术研究的单位之一。目前,已研发成功多种型号的SLS装备及其配套的成形粉末材料,如聚苯乙烯、尼龙及其复合材料、覆膜砂等,并实现产业化,在国内外得到广泛应用,为关键行业核心产品的快速自主开发和小批量制造提供了有利手段,大大缩短了企业新产品的研制周期,取得了显著的社会效益和经济效益。相关成果获国家科学技术进步奖二等奖和国家技术发明奖二等奖各1项,省部级一等奖3项,省部级自然科学奖、技术发明奖、科技进步奖二等奖各1项,发明专利50多项,研发的“世界最大激光快速制造装备”被“两院”院士评为2011年中国十大科技进展之一。为了培养SLS技术方面的科技人才,更深入地研究此项技术,使其在各行各业更加广泛地推广应用,华中科技大学快速制造中心团队凝练和总结了本团队在SLS技术方面的研究成果,形成了本书。本书对激光选区烧结3D打印的装备、软件算法及控制系统、材料制备及工艺技术、精度控制、仿真分析和应用实例等进行了全面系统的论述。全书共8章,第1章概述了激光选区烧结技术,主要包括发展概况、原理、工艺特点、应用;第2章论述了SLS装备及控制系统,主要包括装备系统组成、温度控制系统和振镜式扫描系统;第3章论述了软件算法及路径规划,主要包括STL文件容错、快速切片算法、STL模型布尔运算、支撑生成算法、系统数据处理等;第4、5章论述了SLS材料及成形工艺,主要包括高分子、陶瓷和覆膜砂粉末材料的制备方法、成形机理与后处理工艺等;第6章论述了SLS成形精度的控制;第7章论述了SLS关键技术数值分析;第8章介绍了SLS技术的典型实践案例,包括SLS制造铸造熔模、砂型(芯)、具有随形冷却流道的注塑模具、陶瓷及塑料功能零件的应用实例。在本书的撰写过程中,我们以20多年来从事激光选区烧结3D打印技术的科研成果为基础,兼顾了不同知识背景读者的需求,既保证内容新颖,反映最新研究成果,又有理论知识探讨和实际应用案例。因此,本书既可供不同领域的工程技术人员阅读,也可作为相关专业在校师生的参考书。本书集中反映了华中科技大学快速制造中心团队的有关研究成果,这些成果是由上百人的研究团队经过几十年的长期坚持研究而取得的。本团队的主要研究成员除了本书的作者以外,还包括:黄树槐教授、陈森昌博士、刘洁博士、蔡道生博士、张李超博士、林柳兰博士、李湘生博士、杨劲松博士、刘锦辉博士、郭开波博士、汪艳博士、鲁中良博士、钱波博士、刘凯博士、杜艳迎博士、朱伟博士、黎志冲硕士、孙海霄硕士、钟建伟硕士、吴传宝硕士、杨力硕士、徐文武硕士、程迪硕士、郭婷硕士、马高硕士、刘主峰硕士等。衷心地感谢华中科技大学快速制造中心团队的各位教师、工程技术人员和历届研究生长期不懈的辛勤工作！本书的撰写参考了相关的研究论文和成果,在此向这些研究论文和成果的作者们表示感谢！在本书的撰写过程中,杨磊博士生、陈鹏博士生、伍宏志博士生等付出了辛勤的劳动,在此表示感谢！由于我们是首次以激光选区烧结3D打印技术作为一条主线进行撰写,涉及内容广泛,有些内容是我们的最新研究成果,有些研究工作还在继续,我们对该技术的认识还在不断深化,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,因此书中的错误和缺陷在所难免,殷切地期望同行专家和读者的批评指正。

闫春泽
2018年06月