“中国制造2025”出版工程–聚合物3D打印与3D复印技术

本书为国家十三五重点出版规划图书，内容贴合“中国制造2025”指导方向。本书创新提出3D复印技术的概念，利用类比的方法详细介绍了3D打印与3D复印技术。利用“3D复印”的新概念向大众普及注塑这一重要的制造技术。通过这本书你可以了解到关于3D复印技术目前在国内发展的情况及技术水平，以及未来的发展趋势。 

本书创新提出聚合物3D复印技术的概念, 类比介绍了聚合物3D打印与3D复印两种技术, 并详细阐述了聚合物3D复印技术的核心原理及工艺, 聚合物3D复印机的组成、基本参数、结构设计, 聚合物3D复印制品的精度控制方法、缺陷的产生机理及解决办法, 此外还对聚合物3D复印技术的发展趋势进行了讨论。本书取材传统与新型兼备, 内容新颖, 注重理论性与实用性, 在篇章结构上兼顾学术参考和工业应用两方面的需要, 较系统地反映了聚合物3D打印及3D复印技术的内容和应用,可供从事聚合物加工的工程技术人员、研发人员和相关专业师生阅读、参考。

杨卫民，北京化工大学，长江学者，教授，博导，长期从事高分子材料加工成型与先进制造方面的研究，发明了高分子材料PVT特性在线测试方法及装置、塑料精密注射成型装备、高分子材料单元转子扰流强化传热技术及装置等；开辟了高分子制品微纳制造的新途径，创造性的提出聚合物加工领域的微积分思想，并据此发明了一系列微纳制造新方法和新设备并成功应用，如熔体微分注射成型、熔体微分静电纺丝、熔体微积分纳米叠层、熔体微积分3D打印等。申请发明专利300余项(已授权193项)，美国专利2项，PCT国际专利6项，发表论文260余篇，被EI收录60余篇，SCI收录40余篇，著作9本（含英文1本：《Advances in Polymer Processing》），译著3本，获“侯德榜化工科技创新奖”等。

第1章绪论/ 1

1.13D 打印概论/ 2

1.1.13D 打印的工作原理/ 3

1.1.23D 打印发展历程/ 4

1.1.33D 打印在聚合物加工成型中的应用/ 6

1.23D 复印概论/ 6

1.2.13D 复印的工作原理/ 7

1.2.23D 复印的意义/ 11

1.33D 打印与3D 复印的区别/ 12

参考文献/ 14

第2章聚合物3D 打印与3D 复印工艺/ 15

2.1数据采集/ 16

2.2数据处理/ 18

2.2.1三维建模软件/ 18

2.2.2数值分析软件/ 22

2.2.3点云处理软件/ 26

2.2.43D 打印切片软件/ 29

2.3原料制备与塑化/ 29

2.4模具设计与制造/ 33

2.5“样本复制” ——打印和复印/ 46

2.5.1聚合物3D 打印工艺——FDM/ 46

2.5.2聚合物3D 复印工艺——注射成型/ 49

参考文献/ 69

第3章聚合物3D 打印机/ 72

3.1聚合物3D 打印常用技术/ 73

3.2聚合物直接熔融3D 打印设备/ 82

3.2.1自由成型机/ 83

3.2.2熔体微分3D 打印机/ 83

3.2.3熔体微分3D 打印理论分析/ 86

3.2.4熔体微分3D 打印装置的设计/ 107

3.2.5工业级熔体微分3D 打印机/ 113

参考文献/ 116

第4章聚合物3D 复印机/ 119

4.1概述/ 120

4.23D 复印机的组成及分类/ 121

4.2.13D 复印机的组成/ 121

4.2.23D 复印机的分类/ 125

4.33D 复印机的工作原理/ 130

4.3.1塑化/ 131

4.3.2充模与成型/ 137

4.43D 复印机的基本参数/ 139

4.4.1注射装置主要参数/ 139

4.4.2合模装置主要参数/ 141

4.53D 复印机结构设计/ 142

4.5.1注射装置/ 142

4.5.2合模装置/ 151

4.5.3驱动与安全装置/ 158

4.63D 复印机过程控制/ 160

4.6.1制品精度控制核心原理/ 160

4.6.2制品精度过程控制方法/ 161

4.7精密3D 复印机/ 165

参考文献/ 173

第5章聚合物3D 复印用材料及缺陷分析/ 175

5.13D 复印材料/ 176

5.1.13D 复印材料分类/ 176

5.1.2材料的熔体特点/ 183

5.1.3材料的加工特性/ 191

5.1.4材料的微观特性/ 206

5.2模具型腔可视化/ 211

5.33D 复印缺陷产生机理及解决办法/ 216

5.3.1制品的常见缺陷/ 216

5.3.2典型缺陷产生机理/ 217

5.3.33D 复印制品缺陷产生原因及解决方案/ 221

参考文献/ 244

第6章聚合物3D 复印技术的未来/ 246

6.1模具智能制造/ 247

6.1.13D 打印模具/ 247

6.1.2自适应模具/ 256

6.23D 印制技术/ 258

6.3智能物联时代/ 261

参考文献/ 264

索引/ 266

3D打印技术开始被叫做快速成型技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术。“3D打印”的概念被提出后，使得人们重新认识快速成型技术。多学科交叉知识的普及，也使得快速成型技术得到飞速发展。借鉴这样一个成功的范例，我们在模塑成型的基础上提出了“3D复印”的概念。基于目标产品的虚拟设计或三维扫描建模、模具结构智能规划三维打印、智能化注射模塑成型集成创新发展起来的“3D复印”技术可望成为现代制造业智能化发展的新趋势，有着广阔的应用前景。3D复印技术早可追溯到青铜器时代，甚至比二维纸质印刷出现得还要早。早在3000多年前，人类就开始使用模具制造青铜立人、四羊方尊、后母戊鼎等大型青铜作品。北宋时毕昇发明活字印刷术，雕版制作“泥活字”，先制成单字的阳文反文字模，然后按照稿件把单字挑选出来，排列在字盘内，涂墨印刷，印完后再将字模拆出，留待下次排印时再次使用。进入20世纪以来，随着制造业和经济水平的飞速发展，模塑成型以其成型效率高、产品质量好等优势成为制造业重要的加工手段之一。本书围绕聚合物3D打印与3D复印智能制造技术的主题，通过对3D打印和3D复印的类比介绍，集成聚合物精密注射模塑成型和熔体微分3D打印技术应用基础研究成果，结合智能制造的重大需求和背景知识，创新提出并初步探索3D打印/复印智能制造的核心原理和技术路线，探讨了3个关键环节的科学技术问题和解决方案。全书共6章：第1章主要介绍3D打印与3D复印的概念、意义和核心原理等基础知识；第2章主要介绍聚合物3D打印与3D复印工艺；第3章和第4章分别介绍几种典型的聚合物3D打印机和3D复印机；第5章对聚合物3D复印用材料及其制品缺陷产生机理和解决办法进行了阐述；第6章对聚合物3D复印技术的未来进行了展望和畅想，重点介绍了几种切实可行的发展方向。本书内容参阅了国内外公开发表的研究论文和技术资料，其中也包括笔者和同事们近年来在该研究领域所取得的一些研究成果，目的是帮助广大读者比较系统全面地了解该领域的理论发展与技术进步，并且以复印的观念重新认识模塑成型技术，希望能够推动聚合物模塑成型技术的快速发展。对本书原创成果有重要贡献的团队老师有杨卫民、关昌峰、张有忱、谢鹏程、焦志伟、丁玉梅、阎华、何雪涛、安瑛、谭晶等，直接以本书内容为研究课题的博士研究生有鉴冉冉、迟百宏、王建、张攀攀等，硕士研究生有解利杨、刘丰丰、刘晓军、严志云、杜彬、李月林等。此外参与本书整理工作的学生还有胡力、张玉丽等。笔者在本书著述过程中反复斟酌，数易其稿，系统深入地介绍聚合物3D打印与3D复印创新知识，特别注意了兼顾学术参考和工业应用两方面的需要，但是因水平所限，书中不足之处在所难免，还请读者批评指正。杨卫民