激光选区烧结3D打印技术（上、下册）

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，全面系统地介绍了激光选区烧结3D打印技术的理论和方法。第1章概述了激光选区烧结技术的发展状况及工艺原理。第2章介绍了激光选区烧结装备及控制系统，重点讲解了温控和激光扫描系统原理及设计优化。第3章研究了软件算法及路径规划，分析了其对激光选区烧结成形质量的影响规律。第4章、第5章分别介绍了高分子和无机非金属材料的制备及成形工艺研究。第6章研究了激光选区烧结成形精度的影响因素及调控方法。第7章研究了激光选区烧结关键技术数值分析，采用数值模拟方法分析了预热场和成形件致密化过程。第8章介绍了激光选区烧结技术的典型应用案例。本书内容深入浅出，兼顾了不同知识背景读者的需求，既保证内容新颖，反映国内外*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。 

本书由华中科技大学闫春泽、史玉升、魏青松等教授所撰写，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”等背景下策划的丛书中的一本。作者团队在激光选区烧结3D打印技术方面有着近30年的研究经验，全面系统地介绍了激光选区烧结3D打印技术的理论和方法，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。

目录

 

上 册 目 录

 

第1章绪论(1)

 

1.1激光选区烧结技术的发展概况(1)

 

1.2激光选区烧结的工艺原理(1)

 

1.3激光选区烧结的工艺特点(2)

 

1.4激光选区烧结的应用(3)

 

第2章装备及控制系统(4)

 

2.1SLS装备系统组成(4)

 

2.2SLS装备温度控制系统(5)

 

2.2.1温控系统组成(5)

 

2.2.2温控算法(6)

 

2.2.3温度控制稳定性分析(15)

 

2.2.4实际案例(16)

 

2.3振镜式激光扫描系统(17)

 

2.3.1振镜式激光扫描系统设计与优化(17)

 

2.3.2振镜式激光扫描系统扫描控制卡设计(41)

 

2.3.3激光选区烧结系统的自动化控制及系统监控(55)

 

2.3.4振镜扫描及激光选区烧结系统运行试验验证(70)

 

本章参考文献(86)

 

第3章软件算法及路径规划(92)

 

3.1STL文件容错、快速切片算法(92)

 

3.1.1STL文件的错误分析(93)

 

3.1.2STL文件容错切片策略(96)

 

3.1.3算法的实现方法(98)

 

3.1.4算法的时间和空间复杂度分析(101)

 

3.1.5算法的实测性能(103)

 

3.1.6小结(104)

 

3.2STL模型布尔运算的研究与实现(105)

 

3.2.1STL网格模型的相关定义与规则(105)

 

3.2.2三维实体正则集合运算原理(107)

 

3.2.3STL模型布尔运算的实现步骤(109)

 

3.2.4STL文件的存储格式(110)

 

3.2.5STL模型的拓扑重构(113)

 

3.2.6相交性测试(115)

 

3.2.7交线环探测(121)

 

3.2.8相交表面的剖分(122)

 

3.2.9位置关系测试(130)

 

3.2.10程序界面和计算实例(138)

 

3.2.11STL模型布尔运算的应用初探(139)

 

3.2.12小结(140)

 

3.3相交性测试优化方法研究(140)

 

3.3.1空间分解法(141)

 

3.3.2层次包围体树法(144)

 

3.3.3小结(148)

 

3.4基于递归拾取和标识计算的网格支撑生成算法(149)

 

3.4.1支撑生成的算法原理(150)

 

3.4.2支撑区域的快速递归拾取(151)

 

3.4.3支撑线段的标识计算(156)

 

3.4.4网格支撑的生成(160)

 

3.4.5支撑工艺实验分析与对比(164)

 

3.4.6小结(167)

 

3.53D打印振镜扫描系统的数据处理(168)

 

3.5.1基于切弧过渡的连接优化(168)

 

3.5.2基于FTheta物镜的双振镜快速校正算法(173)

 

3.5.3扫描数据的延迟处理(177)

 

3.5.4双线程扫描数据传输处理(183)

 

3.5.5小结(185)

 

本章参考文献(185)

 

第4章SLS高分子材料制备及成形工艺研究(196)

 

4.1SLS高分子材料概述(196)

 

4.2激光选区烧结材料的制备方法(202)

 

4.2.1机械混合法(202)

 

4.2.2低温粉碎法(202)

 

4.2.3溶剂沉淀法(204)

 

4.2.4其他制备方法(205)

 

4.3高分子材料的制备与成形工艺(205)

 

4.3.1尼龙粉末的制备与SLS成形工艺(206)

 

4.3.2聚苯乙烯的SLS成形工艺与后处理(234)

 

4.3.3聚碳酸酯的SLS成形工艺及其制件性能(240)

 

4.4高分子复合材料的制备与成形工艺(245)

 

4.4.1碳纤维/尼龙复合粉末的制备及SLS成形工艺(245)

 

4.4.2累托石/尼龙复合粉末的制备及SLS成形工艺(266)

 

4.4.3钛酸钾晶须/尼龙复合粉末的制备及SLS成形工艺(278)

 

4.4.4无机填料/尼龙复合粉末的SLS工艺与制件性能(287)

 

4.4.5纳米二氧化硅/尼龙复合粉末的制备及SLS成形工艺(297)

 

4.4.6尼龙覆膜铝复合粉末的制备及SLS工艺研究(307)

 

4.4.7间接SLS用尼龙覆膜球形碳钢的制备、成形及后处理(325)

 

4.4.8尼龙/铜复合粉末的制备及SLS成形工艺(349)

 

本章参考文献(366)

 

 

下 册 目 录

 

第5章SLS无机非金属材料制备及成形工艺研究(371)

 

5.1无机非金属材料的SLS成形及研究进展(371)

 

5.1.1基于浆料的SLS技术(371)

 

5.1.2基于粉末材料的SLS技术(372)

 

5.1.3SLS/CIP/FS复合成形技术研究现状(373)

 

5.1.4铸造覆膜砂的SLS成形及研究进展(374)

 

5.2陶瓷黏结剂复合材料的SLS成形及后处理工艺(375)

 

5.2.1纳米氧化锆聚合物复合粉末的制备及成形(375)

 

5.2.2氧化铝零件SLS/CIP/FS成形机理与工艺研究(408)

 

5.2.3高白土粉末SLS/CIP/FS复合成形工艺研究(426)

 

5.2.4碳化硅陶瓷的SLS成形与后处理研究(438)

 

5.3覆膜砂的SLS烧结机理与成形工艺研究(461)

 

5.3.1覆膜砂的SLS烧结机理与特征研究(461)

 

5.3.2覆膜砂的SLS成形工艺与性能研究(473)

 

本章参考文献(486)

 

第6章SLS成形精度的控制(490)

 

6.1尺寸精度(490)

 

6.1.1平面尺寸误差(491)

 

6.1.2高度尺寸误差(494)

 

6.2形状精度(498)

 

6.2.1一维翘曲(498)

 

6.2.2二维翘曲(500)

 

6.2.3圆形变方问题(501)

 

6.3成形收缩(502)

 

6.3.1成形收缩的组成(503)

 

6.3.2成形收缩的计算(504)

 

6.3.3减小成形收缩的措施(510)

 

6.4次级烧结(511)

 

6.4.1次级烧结的原因(511)

 

6.4.2实验验证(512)

 

6.4.3实验结果分析(512)

 

6.4.4小结(515)

 

6.5Z轴盈余(516)

 

6.5.1Z轴盈余产生的原因(516)

 

6.5.2实验验证(517)

 

6.5.3实验结果分析(517)

 

6.5.4小结(519)

 

6.6铺粉过程中烧结件的移动(520)

 

6.6.1铺粉过程中烧结件的移动现象及其对烧结过程的影响(520)

 

6.6.2铺粉过程中烧结件移动的原因(520)

 

6.6.3铺粉过程中烧结件移动现象的表征及实验研究(522)

 

本章参考文献(523)

 

第7章SLS关键技术数值分析(525)

 

7.1预热温度场的数值模拟(525)

 

7.1.1SLS预热温度场的传热分析(525)

 

7.1.2辐射加热建模与求解(526)

 

7.1.3数值计算与结果分析(529)

 

7.1.4改进措施(535)

 

7.1.5小结(535)

 

7.2SLS成形致密化过程数值模拟(536)

 

7.2.1SLS成形致密化过程材料模型研究(536)

 

7.2.2基于CamClay模型的SLS致密化过程模拟(545)

 

7.2.3基于DPC模型的SLS致密化过程模拟(570)

 

7.2.4间接SLS成形金属制件CIP过程数值模拟实例(580)

 

7.2.5间接SLS成形金属制件HIP过程数值模拟实例(590)

 

7.3SLS成形陶瓷件致密化过程数值模拟研究(610)

 

7.3.1氧化铝陶瓷件SLS/CIP/FS复合成形数值模拟技术路线(611)

 

7.3.2氧化铝陶瓷SLS试样冷等静压致密化数值模拟研究(612)

 

7.3.3氧化铝陶瓷SLS/CIP试样高温烧结致密化数值模拟研究(617)

 

7.3.4小结(621)

 

本章参考文献(622)

 

第8章激光选区烧结技术的典型应用(626)

 

8.1激光选区烧结在砂型铸造中的应用(626)

 

8.1.1复杂液压阀的制造(626)

 

8.1.2气缸盖的制造(632)

 

8.1.3其他砂型(芯)的SLS成形(633)

 

8.2激光选区烧结在熔模铸造中的应用(634)

 

8.2.1SLS模料的选择(634)

 

8.2.2SLS原型件的渗蜡后处理(635)

 

8.2.3SLS模料的热性能(636)

 

8.2.4结壳脱蜡工艺的研究(639)

 

8.3激光选区烧结在制造随形冷却流道注塑模具中的应用(643)

 

8.3.1随形冷却技术(643)

 

8.3.2SLS成形(647)

 

8.3.3形坯后处理(649)

 

8.3.4零件注射成形(655)

 

8.4激光选区烧结在制造陶瓷零件中的应用(658)

 

8.5激光选区烧结在制造塑料功能件中的应用(659)

 

8.5.1间接SLS成形塑料功能件(659)

 

8.5.2直接SLS成形塑料功能件(663)

 

本章参考文献(666)

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