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增材製造技術又簡稱快速成形技術，是20世紀80年代齣現的一種全新概念的製造技術，被認為是20年來製造領域的一次重大創新，是先進製造技術的前沿，涉及機械、材料、計算機、自動化、信息與光學等學科，綜閤性強。
將增材製造技術的概念、相應的設備操作、原型製作及後處理等內容引入大學工科教學，作為對大學生進行現代製造工程技術的重要內容，可使學生對現代機械電子係統的集成性、綜閤性、交叉性等特點有深刻的感性認識，從而使學生拓寬視野、活躍思想、增強創新意識。

內容簡介

增材製造，也稱為3D打印，是現代製造技術的革命性發明。本書對增材製造技術進行瞭係統、客觀、全麵、詳實地介紹和論述。全書共分10章，分彆介紹瞭增材製造技術的基本問題；增材製造的前處理；光敏材料選擇性固化，粉末材料選擇性燒結，絲狀材料選擇性熔覆，薄型材料分層切割等主要的增材製造技術；金屬材料的增材製造；增材製造的後處理及技術選擇；增材製造技術的應用；增材製造技術發展趨勢等內容。
本書可作為高等學校機械、機電、汽車、材料成形及控製、管理工程、計算機等專業的專科和本科學生教材，也可供從事計算機輔助設計與製造、模具設計與製造等工程技術人員參考。

目錄

第1章概述1
1.1增材製造技術2
1.1.1增材製造技術的含義2
1.1.2增材製造與傳統製造方法的區彆3
1.1.3增材製造與傳統製造方法的關係3
1.2增材製造過程4
1.3增材製造技術發展曆史6
1.3.1國外增材製造技術的發展曆史6
1.3.2國內增材製造技術的發展曆史8
1.4增材製造技術的作用9
1.4.1使設計原型樣品化9
1.4.2用於産品的性能測試10
1.4.3用作投標的手段10
1.4.4快速模具製造11
1.4.5增材製造為創新設計釋放瞭巨大的空間11
1.4.63D打印是創新産品開發的利器11
思考與練習12
第2章增材製造的前處理13
2.1三維模型構造的方法13
2.1.1用計算機輔助設計軟件構造三維模型14
2.1.2利用反求工程構建三維模型15
2.2三維模型的STL格式化21
2.2.1STL格式文件的規則23
2.2.2STL格式文件的錯誤和糾錯軟件24
2.3三維模型的切片處理27
2.3.1成形方嚮的選擇27
2.3.2增材製造中的主要切片方式28
思考與練習30第3章光敏材料選擇性固化增材製造31
3.1SLA增材製造的原理和分類31
3.1.1SLA增材製造原理32
3.1.2SLA增材製造分類32
3.2SLA增材製造的基本過程及支撐結構33
3.2.1SLA增材製造的基本過程33
3.2.2SLA增材製造的支撐結構35
3.3SLA增材製造的材料及選擇36
3.3.1對SLA增材製造材料的要求36
3.3.2SLA增材製造材料的分類36
3.3.3SLA增材製造材料的選擇38
3.4SLA增材製造的優點與缺點38
3.4.1SLA增材製造的優點39
3.4.2SLA增材製造的缺點39
3.5SPS��600型增材製造機簡介40
思考與練習41
第4章粉末材料選擇性燒結增材製造42
4.1SLS增材製造的原理42
4.1.1SLS增材製造成形原理43
4.1.2SLS增材製造燒結機理43
4.1.3激光掃描係統44
4.2SLS增材製造的成形過程44
4.2.1SLS增材製造的燒結44
4.2.2燒結件的後處理46
4.2.3SLS增材製造工藝參數的影響46
4.3SLS增材製造的材料及其選擇47
4.3.1SLS增材製造對材料性能的要求47
4.3.2SLS增材製造材料的種類48
4.4SLS增材製造的優缺點49
4.53DP打印技術49
4.5.13DP打印原理49
4.5.23DP打印頭50
4.5.3國內常見的3DP打印機50
思考與練習51
第5章絲狀材料選擇性熔覆增材製造52
5.1FDM增材製造的工作原理和成形過程52
5.1.1FDM增材製造的工作原理52
5.1.2FDM增材製造的成形過程53
5.1.3FDM增材製造裝備構成53
5.2FDM增材製造的材料及選擇54
5.2.1FDM增材製造對成形材料的要求55
5.2.2FDM增材製造對支撐材料的要求55
5.3FDM增材製造的優點與缺點56
5.4FDM增材製造常用控製軟件56
5.5典型FDM增材製造裝備簡介57
思考與練習59
第6章薄型材料分層切割增材製造60
6.1LOM增材製造的工作原理60
6.2LOM增材製造的工藝參數和後處理62
6.2.1LOM增材製造的工藝參數62
6.2.2LOM增材製造的後處理63
6.2.3易於去除廢料的LOM增材製造工藝63
6.3LOM增材製造的材料及選擇64
6.3.1紙的性能64
6.3.2熱熔膠64
6.3.3塗布工藝65
6.3.4KINERGY公司的紙基捲材65
6.4LOM增材製造的優點與缺點66
6.5其他增材製造技術66
6.5.1掩膜光刻成形技術67
6.5.2彈道微粒製造技術67
6.5.3三維焊接成形技術67
6.5.4數碼纍積成形技術67
思考與練習68
第7章金屬材料的增材製造69
7.1選區激光熔化製造技術70
7.1.1SLM的成形原理70
7.1.2SLM的成形工藝過程71
7.1.3SLM的成形特點73
7.1.4SLM技術的應用及發展趨勢74
7.2激光立體成形製造技術74
7.2.1LSF的成形原理74
7.2.2LSF技術的成形工藝過程74
7.2.3LSF的主要特點75
7.2.4LSF技術的應用及發展趨勢76
7.3電子束選區溶化製造技術77
7.3.1EBSM成形的原理77
7.3.2EBSM成形工藝77
7.3.3EBSM成形特點78
7.3.4EBSM技術的應用及發展趨勢78
7.4電子束熔絲沉積製造技術79
7.4.1EBF3的成形原理79
7.4.2EBF3的成形特點80
7.4.3EBF3技術的應用及發展趨勢80
思考與練習81
第8章增材製造的後處理及技術選擇82
8.1增材製造的後處理82
8.1.1剝離83

精彩書摘

第1章概述本章重點
1. 掌握增材製造技術的成形原理。
2. 熟悉增材製造的流程。
3. 掌握增材製造的過程。
4. 瞭解增材製造技術的發展曆史。
本章難點
1. 增材製造方法與傳統製造方法的區彆與聯係。
2. 增材製造技術的作用。20世紀末，由於信息技術的飛速發展，形成瞭統一的全球市場，越來越多的企業加入競爭行列，加大瞭競爭的激烈程度。用戶可以在全球範圍內選擇自己所需要的産品，對産品的品種、價格、質量及服務提齣瞭更高的要求。産品的批量越來越小，産品的生命周期越來越短，要求企業市場響應速度越來越快。麵對日趨激烈的市場競爭，製造業的經營戰略，從20世紀50～60年代的“規模效益第一”和70～80年代的“價格競爭第一”轉變為90年代以來的“市場響應速度第一”，時間因素被提到瞭首要地位，增材製造與3D打印技術就是在這種需求下研究發展起來的，應用這項技術能夠顯著地縮短産品投放市場的周期，降低成本，提高質量，增強企業的市場競爭能力。一般而言，産品投放市場的周期由設計（初步設計和詳細設計）、試製、試驗、徵求用戶意見、修改定型、正式生産和市場推銷等環節所需的時間組成。由於采用增材製造與3D打印技術之後從産品設計的最初階段開始，設計者、製造者、推銷者和用戶都能拿到實實在在的樣品和小批量生産的産品，因而可以及早地、充分地進行評價、測試、反復修改和分析工藝過程。因此，可以大大減少新産品試製中的失誤和不必要的返工，從而能以最快的速度、最低的成本和最好的品質將新産品迅速投放市場。
製造技術從製造原理上可以分為三類： 第一類技術為等材製造，是在製造過程中，材料僅發生瞭形狀的變化，其質量（重量）基本上沒有發生變化；第二類技術為減材製造，是在製造過程中，材料不斷減少；第三類技術為增材製造，是在製造過程中，材料不斷增加，如激光快速成型、3D打印等。等材製造技術已經發展瞭幾韆年，減材製造發展瞭幾百年，增材製造僅僅是30年的發展史。從分類可知，增材製造技術相對於等材製造技術、減材製造技術就是製造技術三足鼎立的一大發明，是製造的一個重大突破，是現代製造技術的革命性發明。
1.1增材製造技術〖*4/5〗1.1.1增材製造技術的含義增材製造技術是20世紀80年代中期發展起來的一種高、新技術，是造型技術和製造技術的一次飛躍，它從成形原理上提齣一個分層製造、逐層疊加成形的全新思維模式，即將計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助製造（CAM）、計算機數字控製（CNC）、激光、精密伺服驅動和新材料等先進技術集於一體，依據計算機上構成的工件三維設計模型，對其進行分層切片，得到各層截麵的二維輪廓信息，增材製造機的成形頭按照這些輪廓信息在控製係統的控製下，選擇性地固化或切割一層層的成形材料，形成各個截麵輪廓，並逐步順序疊加成三維工件。
增材製造(Additive Manufacturing，AM)技術是通過CAD設計數據采用材料逐層纍加的方法製造實體零件的技術，相對於傳統的材料去除(切削加工)技術，是一種“自下而上”材料纍加的製造方法。自20世紀80年代末增材製造技術逐步發展，期間也被稱為“材料纍加製造”(Material Increase Manufacturing)、“快速成型”(Rapid Prototyping)、“分層製造”(Layered Manufacturing)、“實體自由製造”(Solid Freeform Fabrication)、“3D打印”(3D Printing)等。名稱各異的叫法分彆從不同側麵錶達瞭該製造技術的特點。
美國材料與試驗協會(ASTM)F42國際委員會對增材製造和3D打印有明確的概念定義。增材製造是依據三維CAD數據將材料連接製作物體的過程，相對於減法製造它通常是逐層纍加過程。3D打印是指采用打印頭、噴嘴或其他打印技術沉積材料來製造物體的技術，3D打印也常用來錶示“增材製造”技術，在特指設備時，3D打印是指相對價格或總體功能低端的增材製造設備。
從廣義的原理來看，以設計數據為基礎，將材料(包括液體、粉材、綫材或塊材等)自動化地纍加起來成為實體結構的製造方法，都可視為增材製造技術。
通過離散獲得每一層麵的製造信息和堆積的順序，通過堆積將材料構成三維實體。因此增材製造的全過程可由圖1��1錶示。
圖1��1增材製造流程圖
增材製造技術不需要傳統的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設計數據在一颱設備上可快速而精確地製造齣任意復雜形狀的零件，從而實現“自由製造”，解決許多過去難以製造的復雜結構零件的成形，並大大減少瞭加工工序，縮短瞭加工周期。而且越是復雜結構的産品，其製造的速度作用越顯著。近年來，增材製造技術取得瞭快速的發展。增材製造原理與不同的材料和工藝結閤形成瞭許多增材製造設備。目前已有的設備種類達到二十多種。該技術一齣現就取得瞭快速的發展，在各個領域都得到瞭廣泛的應用。例如在消費類電子産品、汽車、航天航空、醫療、軍工、地理信息、藝術設計等。增材製造的特點是單件或小批量的快速製造，這一技術特點決定瞭增材製造在産品創新中具有顯著的作用。美國《時代》周刊將增材製造列為“美國十大增長最快的工業”；英國《經濟學人》雜誌則認為它將“與其他數字化生産模式一起推動實現第三次工業革命”。認為該技術改變未來生産與生活模式，實現社會化製造，每個人都可以成為一個工廠，它將改變製造商品的方式，並改變世界的經濟格局，進而改變人類的生活方式。
1.1.2增材製造與傳統製造方法的區彆
傳統製造方法根據零件成形的過程可以分為兩大類型： 一類是以成形過程中材料減少為特徵，通過各種方法將零件毛坯上多餘材料去除掉，如切削加工、磨削加工、各種電化學加工方法等，這些方法通常稱為材料去除法；另一類是材料的質量在成形過程中基本保持不變，如采用各種壓力成形方法以及各種鑄造方法的零件成形，它在成形過程中主要是材料的轉移和毛坯形狀的改變，這些方法通常稱為材料轉移法。這兩種方法是目前製造領域中普遍采用的方法，也是非常成熟的方法，能夠滿足加工精度等各種要求。然而，隨著市場日新月異的變化以及産品生命周期的縮短，企業必須重視新産品的不斷開發和研製，纔能在競爭不斷激烈的市場中立於不敗之地。傳統的製造方法無法很好地滿足新産品快速開發的要求，促使在製造領域中發生瞭一場大的變革，這就是增材製造技術的齣現。增材製造方法與傳統製造方法的比較如圖1��2所示。
圖1��2傳統製造與增材製造方法的比較
1.1.3增材製造與傳統製造方法的關係
從以上對增材製造方法與傳統製造方法的論述可以知道，它們兩者之間的關係是相輔相成、相互補充、密不可分的。增材製造技術主要是製造樣品，也就是將設計者的設計思想、設計模型迅速轉化為實實在在的、看得見、摸得著的三維實體樣件。它生産的是單個樣件或是小批量樣件，它的精髓是在極短的時間之內，不使用刀具、夾具、模具和輔具，將設計思想實體化，主要應用於新産品的快速開發。而真正的大批量生産，包括中批量生産還是要采用傳統製造方法來實現，由於在新産品開發中首先采用瞭增材製造技術，再采用傳統製造方法進行大批量生産時，就避免瞭因多次試製而齣現不必要的返工，從而降低瞭生産成本，縮短瞭新産品試製的時間，使新産品能夠盡早上市，提高瞭企業對市場響應的速度，使企業在激烈的市場競爭中占得先機。
1.2增材製造過程
增材製造技術自誕生以來，經過三十多年的發展，根據不同成形材料已經開發齣數十種成形方法，目前比較成熟、應用比較普遍的增材製造技術有以下幾種。
① 光敏材料選擇性光固化（SLA）增材製造。
② 粉末材料選擇性激光燒結（SLS）增材製造。
③ 絲狀材料融化沉積成形（FDM）增材製造。
④ 薄型材料分層切割（LOM）增材製造。
⑤ 金屬材料的增材製造。
以上各種增材製造技術，將分彆在第3～7章中進行詳細的論述和講解。
雖然增材製造技術有很多種工藝方法，但所有的增材製造工藝方法都是一層一層地製造零件，不同的是每種方法所用的材料不同，製造每一層添加材料的方法不同。增材製造的工藝過程一般為以下3個步驟，如圖1��3所示。
圖1��3增材製造的全過程
1. 前處理
前處理包括産品三維模型的構建、三維模型的近似處理、增材製造方嚮的選擇和三維模型的切片處理。
（1） 産品三維模型的構建。由於增材製造裝備是由三維CAD模型直接驅動，因此首先要構建所加工工件的三維CAD模型。該三維CAD模型可以利用計算機輔助設計軟件（如Pro/E,I�睤EAS,Solid Works,UG等）直接構建，也可以將已有産品的二維圖樣進行轉換而形成三維模型，或對産品實體進行激光掃描、 CT斷層掃描，得到點雲數據，然後利用反求工程的方法來構造三維模型。
（2） 三維模型的近似處理。由於産品往往有一些不規則的自由麯麵，加工前要對模型進行近似處理，以方便後續的數據處理工作。由於STL格式文件的格式簡單、實用，目前已經成為增材製造領域的準標準接口文件。它是用一係列的小三角形平麵來逼近原來的模型，每個小三角形用3個頂點坐標和一個法嚮量來描述，三角形的大小可以根據精度要求進行選擇。STL文件有二進製碼和ASCII碼兩種輸齣形式，二進製碼輸齣形式所占的空間比ASCII碼輸齣形式的文件所占用的空間小得多，但ASCII碼輸齣形式可以閱讀和檢查。典型的CAD軟件都帶有轉換和輸齣STL格式文件的功能。
（3） 增材製造方嚮的選擇。按照産品的三維CAD模型，結閤增材製造裝備的特點，對製件的成形方嚮進行選擇。
（4） 三維模型的切片處理。根據被加工模型的特徵選擇閤適的加工方嚮，在成形高度方嚮上用一係列一定間隔的平麵切割近似後的模型，以便提取截麵的輪廓信息。間隔一般取0.05～0.5mm， 常用 0.1mm。間隔越小，成形精度越高，但成形時間也越長，效率就越低，反之則精度低，但效率高。
2. 分層疊加成形加工
分層疊加成形加工是增材製造的核心，包括模型截麵輪廓的製作與截麵輪廓的疊閤。也就是增材製造設備根據切片處理的截麵輪廓，在計算機控製下，相應的成形頭（激光頭或噴頭）按各截麵輪廓信息做掃描運動，在工作颱上一層一層地堆積材料，然後將各層相粘結，最終得到原型産品。
3. 成形零件的後處理
從成形係統裏取齣成形件，進行剝離、打磨、拋光、塗掛、後固化、修補、打磨、拋光和錶麵強化處理，或放在高溫爐中進行後燒結，進一步提高其強度。
1.3增材製造技術發展曆史〖*4/5〗1.3.1國外增材製造技術的發展曆史1892年到1988年屬於初期階段。從曆史上看，很早以前就有“材料疊加”的製造設想，1892年，J．E．Blanther在他的美國專利（#473901）中，曾建議用分層製造法構成地形圖。這種方法的原理是，將地形圖的輪廓綫壓印在一係列的蠟片上，然後按輪廓綫切割蠟片，並將其粘結在一起，熨平錶麵，從而得到三維地形圖。1902年，Carlo Baese 在他的美國專利（#774549）中提齣瞭用光敏聚閤物製造塑料件的原理，這是現代第一種增材製造技術——立體平闆印刷術（Stereo Lithogrphy）的初步設想。1940年，Perera提齣瞭在硬紙闆上切割輪廓綫，然後將這些紙闆粘結成三維地形圖的方法。20世紀50年代之後，齣現瞭幾百個有關增材製造技術的專利，其中Paul L Dimatteo在他1976年的美國專利（#3932923）中，進一步明確地提齣： 先用輪廓跟蹤器將三維物體轉化成許多二維廓薄片（圖1��4），然後用激光切割這些薄片成形，再用螺釘、銷釘等將一係列薄片連接成三維物體。
圖1��4Paul的分層成形法
1986邁剋爾·費金(Michael Feygin)研製成功分層實體製造(Laminated Object Manufacturing，LOM)，如圖1��5所示為LOM的工作示意圖，工作原理是根據零件分層幾何信息切割箔材和紙等，將所獲得的層片粘結成三維實體。其工藝過程是首先鋪上一層箔材，如紙、塑料薄膜等，然後用激光在計算機控製下切齣本層輪廓，非零件部分全部切碎以便於去除。當本層完成後，再鋪上一層箔材，用滾子碾壓並加熱，以固化粘結劑，使新鋪上的一層牢固地粘結在已成形體上，再切割該層的輪廓，如此反復直到加工完畢，最後去除切碎部分以得到完整的零件。具有工作可靠、模型支撐性好、成本低、效率高的優點。但是前、後處理費時費力，且不能製造中空結構件。由於該工藝材料僅限於紙或塑料薄膜，性能一直沒有提高，因而逐漸走入沒落。
1988年到1990年屬於快速原型技術的階段。1988年，美國3D Systems公司推齣世界上第一颱商用快速成型機——立體光刻SLA��1(SLA�睸tereolithography Apparatus)機，成為現代增材製造的標誌性事件。其原理如圖1��6所示，快速原型階段開發瞭多種增材製造技術。
圖1��5LOM的工作示意圖
圖1��6SLA示意圖
伊曼紐爾·薩發明三維打印（3DP）工藝，將零件的截麵“印刷”在材料粉末上麵，如圖1��7所示。圖1��73DP示意圖

前言/序言

第1章概述1
1.1增材製造技術2
1.1.1增材製造技術的含義2
1.1.2增材製造與傳統製造方法的區彆3
1.1.3增材製造與傳統製造方法的關係3
1.2增材製造過程4
1.3增材製造技術發展曆史6
1.3.1國外增材製造技術的發展曆史6
1.3.2國內增材製造技術的發展曆史8
1.4增材製造技術的作用9
1.4.1使設計原型樣品化9
1.4.2用於産品的性能測試10
1.4.3用作投標的手段10
1.4.4快速模具製造11
1.4.5增材製造為創新設計釋放瞭巨大的空間11
1.4.6

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