3D打印入门及案例详解(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：钟平福 编著

出版社：化学工业出版社

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3D打印入门及案例详解试读：

3D打印技术又称为快速成型技术（rapid prototyping，RP），也叫增材制造。3D打印技术属于机械工程学科特种加工工艺范围，是一项多学科交叉、多技术集成的先进制造技术。随着国家对3D打印技术的重视，增材制造技术创新体系逐步建立，具有较强研发和应用能力的增材制造企业开始发展，并且全国形成了一批研发及产业化示范基地，我国的3D打印产业迎来了快速发展期。为了帮助立志从事3D打印相关工作的技术人员尽快了解该技术，我们编写了本书。

本书紧扣市场需要，遵循实用、够用的原则，减少理论性知识，更多地从实际操作出发，通过技术理论与实际操作相结合的方式，更好地帮助读者提升操作技能。全书共6章，第1章介绍3D打印技术工艺与软件，第2章介绍3D打印材料的分类与性能，第3章介绍3D设备的组装，第4章介绍丝状3D打印设备及应用，第5章介绍液态3D打印设备及应用，第6章介绍粉末3D打印设备及应用。

讲解实体建模时，采用了当前主流工程软件UG NX8.5软件；而在讲解打印数据切片处理过程时，则采用了3DX pert、Client Manager、UP Studio等切片软件，为读者提供更多的软件选择。在快速成型制作过程中，引入了北京太尔时代科技有限公司的UP BOX＋®及美国3D Systems有限公司的ProJet MJP 3600设备及ProX300设®备。UP BOX＋采用目前应用最广的FDM技术，ProJet MJP 3600采用目前较先进的多喷头喷射式技术，而ProX300金属成型是3D Systems公司目前最大、技术最新的设备。不管是桌面级打印机还是工业级打印机，本书都对其操作流程、后期处理做了详细介绍，方便读者全面、快捷地掌握3D打印技术，同时也为读者提供正确的产品制作过程和打印方式。

本书由钟平福编著。本书在编写过程中，得到了深圳第二高级技工学校领导的大力帮助和支持，同时也得到了马路科技顾问股份有限公司技术上的帮助和支持，在此一并表示衷心的感谢。

由于编著者水平所限，书中难免有不妥之处，恳请广大专家读者批评指正。编著者1.1　概述

3D打印技术又称快速成型（rapid prototyping，RP）技术。3D打印技术属于机械工程学科特种加工工艺范围，是一项多学科交叉、多技术集成的先进制造技术。

学科交叉是指机械制造工程、材料科学与工程、生物医学工程等学科，技术集成包括计算机、CAD、激光、数控、材料等。快速成型技术是由CAD数字模型驱动的通过特定材料采用逐层累积方式制作三维物理模型的先进制造技术。

快速成型技术制作的原型（模型）可用于新产品的外观评估、装配检验及功能检验等，作为样件可直接替代机加工或者其他成型工艺制造的单件或小批量的产品，也可用于硅橡胶模具的母模和熔模铸造模具的消失型等，从而批量地翻制塑料及金属零件。

与传统的实现上述用途的方法相比，其显著优势是：制造周期大大缩短（由几周、几个月缩短为若干个小时），成本大大降低。尤其是衍生出来的后续的基于快速原型的快速模具制造技术进一步发挥了快速成型制造技术的优越性，可在短期内迅速推出满足用户需求的一定批量的产品，大幅度降低了新产品开发研制的成本和投资风险，缩短了新产品研制和投放市场的周期，在小批量、多品种、改型快的现代制造模式下具有强劲的发展势头。

3D打印技术的制作过程是与传统的材料去除加工方法截然相反的，3D打印是基于三维CAD模型数据、通过逐层增加材料的方式，直接制造与相应3D模型数据完全一致的物理实体的制造方法，如图1-1所示。图1-1　3D打印过程1.2　快速成型的分类

快速成型技术从广义上讲可以分成两类：材料累积和材料去除（DM）。但目前人们谈及的快速成型制造方法通常指的是累积式的成型方法，而累积式的快速原型制造方法通常是依据原型使用的材料及其构建技术进行分类的，如图1-2所示。图1-2　快速成型工艺方法的分类

目前应用比较广泛的方法有以下四种。

① 光固化成型法（stereo lithography apparatus，SLA）。该工艺由Charles Hull于1984年获得美国专利，是最早发展起来的快速成型技术。它是采用光敏树脂材料通过激光照射逐层固化而成型的。

② 叠层实体制造法（laminated object manufacturing，LOM）。叠层实体制造技术是比较成熟的快速成型制造技术之一。这种制造方法和设备自1986年问世以来，得到迅速发展。它是采用纸材等薄层材料通过逐层粘接和激光切割而成型的。

③ 选择性激光烧结法（selective laser sintering，SLS）。SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型。SLS的原理与SLA十分相似，主要区别在于所使用的材料及其形状不同。SLA所用的材料是液态的紫外光敏可凝固树脂，而SLS则使用粉状的材料。

④ 熔融沉积制造法（fused deposition manufacturing，FDM）。熔融沉积制造法是继光固化快速成型和叠层实体快速成型工艺后的另一种应用比较广泛的快速成型工艺方法。它是采用熔融材料加热熔化挤压喷射冷却而成型的。1.3　光固化快速成型工艺

自从1988年3D Systems公司最早推出SLA商品化快速成型机SLA-250以来，光固化快速成型已成为目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型工艺方法。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使其固化成型。这种方法能便捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高、几何形状复杂的工件。1.3.1　光固化快速成型的基本原理和特点（1）光固化快速成型的基本原理

光固化快速成型（SLA）工艺的成型过程如图1-3所示。液槽中盛满液态光敏树脂，紫外激光器发出的激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层发生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，刮板将黏度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地黏结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体物件。图1-3　光固化快速成型工艺的成型过程（2）光固化快速成型的特点

光固化快速成型具有以下优缺点。

① 成型过程自动化程度高。SLA系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动化，直至原型制作完成。

② 尺寸精度高。SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm。

③ 优良的表面质量。虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但是上表面仍可得到玻璃状的效果。

④ 能直接制作模型。可以制作结构十分复杂的模型、尺寸比较精细的模型，可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型，制作的原型可以一定程度地替代塑料件。

⑤ 制件易裂和变形。成型过程中材料发生物理和化学变化，塑件较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料。

⑥ 设备运转及维护成本较高。液态树脂材料和激光器的价格较高。

⑦ 使用的材料较少，有局限性。目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料。液态树脂有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性。

⑧ 需要二次固化。经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化，需要二次固化。1.3.2　光固化快速成型的工艺过程

光固化快速原型的制作一般可以分为前处理、原型制作和后处理三个阶段。（1）前处理

前处理阶段主要是对原型的CAD模型进行数据转换、摆放方位确定、施加支撑和切片分层，实际上就是为原型的制作准备数据，如图1-4所示。图1-4　光固化快速原型前处理（2）原型制作

光固化成型过程是在专用的光固化快速成型设备系统上进行的。在原型制作前，需要提前启动光固化快速成型设备系统，使树脂材料的温度达到预设的合理温度，激光器点燃后也需要一定的稳定时间。设备运转正常后，启动原型制作控制软件，读入前处理生成的层片数据文件。

在模型制作之前，要注意调整工作台网板的零位与树脂液面的位置关系，以确保支撑与工作台网板的稳固连接。当一切准备就绪后，就可以启动叠层制作了。整个叠层的光固化过程都是在软件系统的控制下自动完成的，所有叠层制作完毕后系统自动停止。（3）后处理

在快速成型系统中原型叠层制作完毕后，需要进行剥离等后续处理工作，以便去除废料和支撑结构等。对于光固化成型方法成型的原型，还需要进行固化后处理等，下面以某一SLA原型为例给出其后续处理的步骤和过程，如图1-5所示。图1-5　后处理流程

图1-5（a）原型叠层制作结束后，工作台升出液面，停留5～10min，以晾干多余的树脂。图1-5（b）将原型和工作台一起斜放晾干后浸入丙酮、酒精等清洗液体中，搅动并刷掉残留的气泡，持续45min左右后放入水池中清洗工作台约5min。图1-5（c）是指从外向内从工作台上取下原型，并去除支撑结构。图1-5（d）是对成型后的产品清洗后置于紫外烘箱中进行整体固化。1.4　叠层实体快速成型工艺

叠层实体制造技术（laminated object manufacturing，LOM）由美国Helisys公司于1986年研发成功，LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接，用CO激光束在刚粘接的2新层上切割出零件截面轮廓和工件外框。激光切割完成后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离。供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域。工作台上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完。最后，去除多余部分，得到分层制造的实体零件。叠层实体制造技术多使用在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造型芯、砂型铸造木模、快速制模母模以及直接制模等方面。1.4.1　叠层实体制造工艺的基本原理和特点（1）叠层实体制造工艺的基本原理

叠层实体制造工艺由计算机、材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台、数控系统和机架等组成。其基本原理如图1-6所示，首先在工作台上制作基底，工作台下降，送纸滚筒送进一个步距的纸材，工作台回升，热压滚筒滚压背面涂有热熔胶的纸材，将当前叠层与原来制作好的叠层或基底粘贴在一起，切片软件根据模型当前层面的轮廓控制激光器进行层面切割，逐层制作，当全部叠层制作完毕后，再将多余废料去除。图1-6　叠层实体制造技术的原理简图（2）叠层实体快速成型技术的特点

叠层实体制造技术具有以下优缺点。

① 只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无需扫描整个断面。它是一个高速的快速原型工艺，常用于加工内部结构简单的大型零件及实体件。

② 无需后固化处理，无需设计和制作支撑结构。

③ 设备可靠性好，寿命长，废料易剥离，精度高。

④ 操作方便，热物性与力学性能好，可实现切削加工。

⑤ 不能直接制作塑料工件，工件易吸湿膨胀。

⑥ 工件的抗拉强度和弹性不够好。

⑦ 工件表面有台阶纹，需打磨。

叠层实体制造方法与其他快速原型制造技术相比，具有制作效率高、速度快、成本低等优点，在我国具有广阔的应用前景。1.4.2　叠层实体制造工艺的过程

叠层实体制造工艺的全过程可以归纳为前处理、分层叠加成型、后处理3个主要步骤。具体地说，叠层实体制造工艺过程大致如下。（1）图形处理阶段

制造一个产品，首先可通过三维造型软件（如NX、SolidWorks、Pro/E、Catia、中望3D等）进行产品的三维模型构造，然后将得到的三维模型进行图形的转档，转换成STL格式的文档，接着将STL格式的模型导入到专用的切片软件（如华中科大的HRP软件、中国科学院广州电子技术研究所的3D Maker、Ultimaker公司Cura软件等）中进行切片。（2）基底制作

由于工作台的频繁起降，所以必须将LOM原型的叠件与工作台牢固连接，这就需要制作基底，通常设置3～5层的叠层作为基底。为了使基底更牢固，可以在制作基底前给工作台预热。（3）原型制作

制作完基底后，快速成型机就可以根据事先设定好的加工工艺参数自动完成原型的加工制作，而工艺参数的选择与原型制作的精度、速度以及质量有关，其中重要的参数有激光切割速度、加热辊温度、激光能量、破碎网格尺寸等。（4）余料去除

余料去除是一个极其烦琐的辅助过程。它需要工作人员仔细、耐心，并且最重要的是要熟悉制件的原型，这样在剥离过程中才不会损坏原型。（5）后置处理

余料去除以后，为提高原型表面质量或需要进一步翻制模具，则需对原型进行后置处理（如防水、防潮、加同并使其表面光滑等），只有经过必要的后置处理工作，才能满足快速原型表面质量、尺寸稳定性、精度和强度等要求。

原型经过余料去除后，为了提高原型的性能和便于表面打磨，经常需要对原型进行表面涂覆处理，表面涂覆具有提高强度和耐热性、改进抗湿性、延长原型寿命、易于表面打磨处理等特点。经涂覆处理后，原型可更好地用于装配和功能检验。1.5　选择性激光烧结成型工艺

选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）又称为选区激光烧结，该方法最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年提出的，随后他组建了DTM公司，于1992年开发了基于SLS的商业成型机（sinterstation）。20年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作，并取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。1.5.1　选择性激光烧结工艺的基本原理和特点（1）选择性激光烧结工艺的基本原理

选择性激光烧结工艺的基本原理如图1-7所示。其加工过程是采用铺粉辊将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升至熔化点进行烧结，并与下面已成型的部分实现粘接。当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，如此反复直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必像SLA和FDM工艺需要生成支撑工艺结构。图1-7　选择性激光烧结工艺的基本原理（2）选择性激光烧结工艺的特点

选择性激光烧结工艺具有以下优缺点。

① 制造工艺比较简单，可直接制作金属制品。

② 可采用多种材料，材料利用率高。

③ 无需支撑材料。

④ 烧结过程中挥发异味，原型表面粗糙。

⑤ 有时需要比较复杂的辅助工艺。1.5.2　选择性激光烧结工艺的过程

选择性激光烧结工艺使用的材料一般有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。材料不同，其具体的烧结工艺也有所不同，具体工艺流程如图1-8所示。（1）图形处理与分层切片处理

CAD模型的建立：通过三维CAD设计软件（如NX、SolidWorks、Pro/E、Catia、中望3D等）进行产品的三维模型构造，然后将得到的三维模型进行图形的转档，转换成STL格式的文档，接着将STL格式的模型导入到专用的切片软件（如华中科大的HRP软件、中国科学院广州电子技术研究所的3D Maker、Ultimaker公司Cura软件等）中进行切片。一般的分层是按Z方向进行分层处理的，形成一层层的截面和轮廓信息，最后把这些信息转化成激光的扫描轨迹。图1-8　选择性激光烧结工艺流程（2）烧结成型

在开始扫描前，成型缸先下降一个层厚，供粉缸上升一个高度（略大于成型缸下降距离），铺粉辊从左边把供粉缸上面的一层粉末推到成型缸上面并铺平，多余的粉末落入粉末回收槽。激光按照第一层的截面及轮廓信息进行扫描，当激光扫描到粉末时，粉末在高温状态下瞬间熔化，使相互之间粘接在一起，没有扫描的地方依然是松散的粉末。当完成第一层烧结后，工作台再下降一个层厚，供粉缸上升一个高度，铺粉辊进行铺粉，激光进行第二层扫描，这样直到整个零件模型烧结完成。（3）后处理

当零件烧结完成后，升起成型缸取出零件，用气枪清理表面的残余粉末。一般通过激光烧结后的零件强度比较低，而且是疏松多孔的，根据不同的需要可以进行不同后处理，常用的后处理有加热固化、热等静压、渗蜡等。（4）金属零件间接烧结工艺

在广泛应用的几种快速成型技术方法中，只有SLS工艺可以直接或间接地烧结金属粉末来制作金属材质的原型或零件。金属零件间接烧结工艺使用的材料为混合有树脂材料的金属粉末材料，SLS工艺主要实现包裹在金属粉粒表面树脂材料的粘接。其工艺过程如图1-9所示。由图中可知，整个工艺过程主要分为三个阶段：一是SLS原型件（“绿件”）的制作，二是粉末烧结件（“褐件”）的制作，三是金属熔渗后处理。图1-9　SLS工艺金属零件间接制造工艺流程（5）金属零件间接烧结工艺过程中的关键技术

① 原型件制作关键技术

选用合理的粉末配比：环氧树脂与金属粉末的比例一般控制在1∶5～1∶3之间。

加工工艺参数匹配：粉末材料的物性、扫描间隔、扫描层厚、激光功率以及扫描速度等。

② 褐件制作关键技术

烧结温度和时间：烧结温度应控制在合理范围内，而且烧结时间应合适。

③ 金属熔渗阶段关键技术

选用合适的熔渗材料及工艺：渗入金属必须比“褐件”中金属的熔点低。

例如采用金属铁粉末、环氧树脂粉末、固化剂粉末混合，其体积比为67%、16%、17%；在激光功率40W下，取扫描速度170mm/s，扫描间隔在0.2mm左右，扫描层厚为0.25mm时烧结。后处理二次烧结时，控制温度在800℃，保温1h；三次烧结时温度为1080℃，保温40min；熔渗铜时温度为1120℃，熔渗时间为40min。所成型的金属齿轮零件如图1-10所示。图1-10　间接烧结成型金属齿轮零件（6）金属零件直接烧结工艺

金属零件直接烧结工艺采用的材料是纯金属粉末，是采用SLS工艺中的激光能源对金属粉末直接烧结使其熔化，实现叠层的堆积。其工艺流程如图1-11所示。图1-11　SLS工艺金属零件直接烧结工艺流程

金属零件直接烧结成型过程较间接金属零件制作过程明显缩短，无需间接烧结时复杂的后处理阶段。但必须有较大功率的激光器，以保证直接烧结过程中金属粉末的直接熔化。因而，直接烧结中激光参数的选择、被烧结金属粉末材料的熔凝过程及控制是烧结成型中的关键。（7）陶瓷粉末烧结工艺

陶瓷粉末材料的选择性激光烧结工艺需要在粉末中加入黏结剂。目前所用的纯陶瓷粉末原料主要有AlO和SiC，而黏结剂有无机黏结23剂、有机黏结剂和金属黏结剂三种。当材料是陶瓷粉末时，可以直接烧结铸造用的壳型来生产各类铸件，甚至是复杂的金属零件。

陶瓷粉末烧结制件的精度由激光烧结时的精度和后续处理时的精度决定。在激光烧结过程中，粉末烧结收缩率、烧结时间、光强、扫描点间距和扫描线行间距对陶瓷制件坯体的精度有很大影响。另外，光斑的大小和粉末粒径直接影响陶瓷制件的精度和表面粗糙度，后续处理（焙烧）时产生的收缩和变形也会影响陶瓷制件的精度。1.6　熔融沉积快速成型工艺

熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）又称熔丝堆积成型，是继光固化成型（SLA）和叠层实体制造（LOM）工艺后的另一种应用比较广泛的3D打印工艺方法。1988年，Scott Crump提出FDM方法并成立Stratasys公司。1992年，Stratasys公司获得FDM专利授权，并开发推出第一台商业机型3D-Modeler。其特点是能利用蜡、ABS、PC、尼龙等热塑性材料打印。1.6.1　熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点（1）熔融沉积快速成型工艺的基本原理

将丝状的热熔性材料送进液化器加热熔化后，通过一个带有微细喷嘴的喷头挤喷出来，如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型，如图1-12所示。图1-12　熔融沉积快速成型工艺的基本原理

将实芯丝材原材料缠绕在供料辊上，由电动机驱动供料辊旋转，供料辊和丝材之间的摩擦力使丝材向喷头的出口送进。在供料辊与喷头之间有一导向套（导向套采用低摩擦材料制成），以便丝材能顺利、准确地由供料辊送到喷头的内腔。喷头的前端有电阻丝式加热器，在其作用下，丝材被加热熔融，然后通过出口涂覆至工作台上，并在冷却后形成制件当前截面轮廓。

熔融沉积快速成型工艺在原型制作时需要同时制作支撑，为了节省材料成本和提高沉积效率，新型FDM设备采用了双喷头，如图1-12所示。一个喷头用于沉积模型材料，另一个喷头用于沉积支撑材料。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率和降低模型制作成本以外，还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料，以便于后处理过程中支撑材料的去除，如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。（2）熔融沉积快速成型工艺的特点

熔融沉积快速成型工艺系统构造和原理简单，运行维护费用低（无激光器），原材料无毒，适合在办公环境安装使用；用蜡成型的零件原型，可以直接用于失蜡铸造，可以成型任意复杂程度的零件；无化学变化，制件的翘曲变形小、原材料利用率高，且材料寿命长；支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易，可直接制作彩色原型。

但熔融沉积快速成型的原材料价格昂贵，且原型件表面有较明显条纹，沿成型轴垂直方向的强度比较弱，需要设计与制作支撑结构；同时需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。1.6.2　熔融沉积快速成型工艺的过程

熔融沉积快速成型工艺流程和其他几种快速成型工艺过程类似，熔融沉积快速成型的工艺过程也可以分为前处理、成型过程及后处理三个阶段。（1）前处理

① CAD数据模型创建与转档。CAD数字模型图纸如图1-13（a）所示，我们通过三维软件进行模型创建（本书利用UGNX软件建模），结果如图1-13（b）所示。接着利用软件的转档功能进行图形格式的转档，最终将模型保存成STL格式的文档。图1-13　CAD数字模型

② 确定摆放位置。打开切片处理软件（本节采用Cura软件），将STL格式的文档导入Cura软件，结果如图1-14所示。为了保证打印效率与减少支撑，更好地布局以便成型，可对文档进行方位的摆放，如图1-15所示。前后两图的摆放位置不一样，打印需要的时间也不一样。图1-14　导入模型结果图1-15　确定摆放位置

摆放方位的确定除了考虑打印时间，还要根据表面的质量、精度以及零件强度等来综合考虑。如果摆放方位如图1-15（a）所示，则底部的圆形成型时要比图1-15（b）圆形成型好，因为零件是一层一层进行切片成型的，切片层厚比较大会形成台阶（图1-16）。因此，零件的摆放要综合考虑各种因素。图1-16　圆弧面的摆放影响

③ 参数设置。根据成型零件的要求，确定打印参数。在Cura软件中，只需要设置基本参数，如打印质量参数、填充参数、速度和温度参数、支撑参数及打印材料参数等，如图1-17所示。图1-17　基本参数设置

④ 保存切片文件。利用Cura软件保存切片文件，存储格式为.gcode，然后发送到打印设备。（2）成型过程

打开快速成型机，清理打印工作台面的障碍物或拆卸台面上的零件，接着进行机器归零，先进行Z轴归零，再进行X、Y轴归零。然后对成型设备进行相关操作，如底板是否需要涂不粘胶、相关参数是否正确、检查各运动机构是否可靠、吐丝是否正常，最后打印成型零件。（3）后处理

将成型零件从工作台拆卸下来，去除支撑材料。对难以去除的支撑，可用钳子或刮刀进行去除。最后对零件进行抛光打磨。如有特殊要求，则按特殊要求的条件进行后处理。1.7　其他3D工艺

快速成型技术作为基于离散/堆积原理的一种崭新加工方式，自出现以来便得到了广泛的关注，对其成型工艺方法的研究一直十分活跃。除了前面介绍的4种快速成型方法比较成熟之外，其他的许多技术也已经实用化，如电子束熔化（electron beam melting，EBM）、喷射固化成型（polyjet）、三维喷涂黏结（three dimensional printing and gluing，3DPG，常被称为3DP）、三维焊接（three dimensional welding，TDW）、直接烧结技术等。1.7.1　电子束熔化

1994年瑞典ARCAM公司申请的一份专利，所开发的技术称为电子束熔化成型（electron beam melting，EBM）技术。ARCAM公司是世界上第一家将电子束快速制造商业化的公司，并于2003年推出第一代设备，此后美国麻省理工学院、美国航空航天局、我国北京航空制造工程研究所和清华大学均开发出了各自的基于电子束的快速制造系统。

美国麻省理工学院开发的电子束实体自由成型（electron beam solid freeform fabrication，EBSFF）技术采用送丝方式供给成型材料，利用电子束熔化金属丝材，电子束固定不动，金属丝材通过送丝装置和工作台移动，与激光近形制造技术类似，如图1-18所示。电子束熔丝沉积快速制造时，影响因素较多，如电子束流、加速电压、聚焦电流、偏摆扫描、工作距离、工件运动速度、送丝速度、送丝方位、送丝角度、丝端距工件的高度、丝材伸出长度等。这些因素共同作用影响熔积体截面几何参量，准确区分单一因素的作用十分困难。瑞典ARCAM公司与清华大学开发的电子束选区熔化（electron beam selective melting，EBSM）是利用电子束熔化铺在工作台面上的金属粉末，与激光选区熔化技术类似，利用电子束实时偏转实现熔化成型。该技术不需要二维运动部件，可以实现金属粉末的快速扫描成型，如图1-18所示。图1-18　电子束选区熔化装置（1）电子束选区熔化的原理

类似激光选区烧结和激光选区熔化工艺，电子束选区熔化（EBSM）技术是一种采用高能高速的电子束选择性地轰击金属粉末，从而使得粉末材料熔化成型的快速制造技术。EBSM技术的工艺过程为：首先在铺粉平面上铺展一层粉末；然后电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化，金属粉末在电子束的轰击下被熔化在一起，并与下面已成型的部分粘接，层层堆积，直至整个零件全部熔化完成；最后去除多余的粉末便得到所需的三维产品。上位机的实时扫描信号经数/模转换及功率放大后传递给偏转线圈，电子束在对应的偏转电压产生的磁场作用下偏转，达到选择性熔化。经过研究发现，对于一些工艺参数，如电子束电流、聚焦电流、作用时间、粉末厚度、加速电压、扫描方式，进行正交实验，作用时间对成型影响最大。（2）电子束选区熔化的优势

电子束直接金属成型技术采用高能电子束作为加工热源，扫描成型可通过操纵磁偏转线圈进行，没有机械惯性，且电子束具有的真空环境还可避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。

电子束与激光相比，具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高、稳定及运行维护成本低等优点。EBSM技术优点是成型过程效率高，零件变形小，成型过程不需要金属支撑，微观组织更致密等。

电子束的偏转、聚焦控制更加快速、灵敏。激光的偏转需要使用振镜，在激光进行高速扫描时振镜的转速很高。在激光功率较大时，振镜需要更复杂的冷却系统，而振镜的重量也显著增加。因而在使用较大功率扫描时，激光的扫描速度将受到限制。在扫描较大成型范围时，激光的焦距也很难快速地改变。电子束的偏转和聚焦利用磁场完成，可以通过改变电信号的强度和方向快速灵敏地控制电子束的偏转量和聚焦长度。

电子束偏转、聚焦系统不会被金属蒸镀干扰。用激光和电子束熔化金属时，金属蒸气会弥散在整个成型空间，并在接触的任何物体表面镀上金属薄膜。电子束偏转、聚焦都是在磁场中完成的，因而不会受到金属蒸镀的影响；激光器振镜等光学器件则容易受到蒸镀污染。（3）电子束选区熔化的主要问题

① 真空系统易受污染。在真空室抽气过程中粉末容易被气流带走，造成真空系统的污染。但其存在一个比较特殊的问题——粉末溃散现象，其原因是电子束具有较大动能，当高速轰击金属原子使之加热升温时，电子的部分动能直接转化为粉末微粒的动能。当粉末流动性较好时，粉末颗粒会被电子束推开形成溃散现象。防止粉末溃散的基本原则是提高粉床的稳定性，克服电子束的推力，主要有四项措施：降低粉末的流动性、对粉末进行预热、对成型底板进行预热、优化电子束扫描方式。因此，粉末材料一直很难成为真空电子束设备的加工对象，工艺参数方面的研究更是鲜有报道。针对粉末在电子束作用下容易溃散的现象，提出不同粉末体系所能承受的电子束域值电流（溃散电流）和电子束扫描域值速度（溃散速度）判据，并在此基础上研究出混合粉末。

② 结构复杂，生产率较低。EBSM技术成型室中必须为高真空，才能保证设备正常工作，这使EBSM技术整机复杂度提高。还因在真空度下粉末容易扬起而造成系统污染。此外，EBSM技术需要将系统预热到800℃以上，使粉末在成型室内预先烧结固化在一起，高预热温度对系统的整体结构提出非常高的要求，加工结束后零件需要在真空成型室中冷却相当长一段时间，降低了零件的生产效率。

③ 对精密微细件制造有难度。电子束无法比较难像激光束一样聚焦出细微的光斑，成型件难以达到较高的尺寸精度。对于精密或有细微结构的功能件，EBSM技术是难以直接制造出来的。

④ 电子束偏转误差。EBSM系统采用磁偏转线圈产生磁场，使电子偏转。由于偏转的非线性以及磁场的非均匀性，电子束在大范围扫描时会出现枕形失真。

⑤ 大偏角时的散焦。EBSM系统采用聚焦线圈使电子束聚焦。若聚焦线圈中的电流恒定，电子束的聚焦面为球面，而电子束在平面上扫描。因此，电子束在不偏转时聚焦，而在大角度偏转时出现散焦。1.7.2　喷射固化成型

喷射固化成型技术作为光固化成型技术的一种延伸，由Object Geomatries公司于2007年发布（目前被Stratasys公司收购）。Stratasys最新推出基于PolyJet技术的Object500 Connex3增材制造设备支持同一部件多种材料、多种颜色打印。（1）喷射固化成型工艺的原理

喷射固化成型工艺如图1-19所示。使用陈列式喷头，在计算机控制下，喷嘴工作腔内的液态光敏树脂瞬间形成液滴，在压力作用下液滴喷射到基底的指定位置，并立即使用紫外线将其固化，薄层聚集在托盘上，形成精确的3D模型或零件。图1-19　喷射固化成型工艺

喷射固化成型的层分辨率可达16μm，精度可达0.1mm。在悬垂部分或形状复杂部位有支撑需要去除时，我们可用手或水轻松快速地去除凝胶状支撑。（2）喷射固化成型工艺的特点

喷射固化成型技术具有打印彩色多材料的特点，使透明和着色的半透明材料、刚性材料、橡胶类韧性材料以及专业光聚合物材料均可实现打印，在牙科、医疗以及消费产品行业有着广泛的应用。1.7.3　三维喷涂黏结（1）三维喷涂黏结工艺的原理图1-20　三维喷涂黏结工艺原理

三维喷涂黏结快速成型工艺是由美国麻省理工学院开发成功的，其工作过程类似于喷墨打印机，工艺原理如图1-20所示。首先铺粉或铺基底薄层（如纸张），利用喷嘴按指定路径将液态黏结剂喷在预先铺好的粉层或薄层上特定区域，逐层黏结后去除多余底料便得到所需形状制件；也可以直接逐层喷涂陶瓷或其他材料粉浆，硬化后得到所需形状的制件（图1-21），结构陶瓷制品和注射模具是采用三维喷涂黏结工艺制作的。图1-21　三维喷涂黏结工艺制品（2）三维喷涂黏结工艺的特点

三维喷涂黏结快速原型制造技术在将固态粉末生成三维零件的过程中与传统方法比较具有以下优点。

① 速度快。速度快是3DP的最大优点。由于不需要特殊的刀具、夹具、模型和模具，只要有了零件的CAD模型就可以直接制造零件，因此可以快速地制造零件。有资料介绍，从计算机模型到零件生产只要15min。

② 适于制造复杂形状的零件。3DP技术和其他快速原型技术一样，对零件的复杂性几乎没有限制，只要能提供合适的CAD模型，就可以制造出相应的零件。

③ 可用于制造复合材料或非均质材料的零件。3DP技术在制造零件过程中可以改变材料，因此可以生产各种不同材料、颜色、力学性能、热性能组合的零件。

④ 可适合用于制造小批量零件。（3）三维喷涂黏结制件制作速度和精度

三维喷涂黏结工艺的生产速度受黏结剂喷射量的限制。假设生成的零件含有同等体积量的黏结剂和陶瓷粉末，则零件的生产速度是黏3结剂喷射量的两倍。典型的喷嘴以1cm/min的流量喷射黏结剂，若有3100个喷嘴，则零件生产速度为200cm/min。美国麻省理工学院开发了两种形式的喷射系统：点滴式与连续式。多喷嘴的点滴式系统的生产速度已达每层仅用5s的时间（每层面积为0.5m×0.5m），而连续式的生产速度则达到每层0.025s的时间。

三维喷涂黏结快速原型的精度由两个方面决定：一是喷涂黏结时生产的零件坯的精度，二是零件坯经后续处理（焙烧）后的精度。在喷涂黏结过程中，喷射黏滴的定位精度、喷射黏滴对粉末的冲击作用以及上层粉末重量对下层零件的压缩作用均会影响零件坯的精度。后续处理（焙烧）时零件产生的收缩和变形甚至微裂纹均会影响零件最后的精度。1.8　软件与数据处理1.8.1　3D软件功能与构成（1）3D软件功能介绍

3D打印系统的软件是整个打印的控制中心，相当于人的大脑。它的主要功能是把CAD设计的数字模型数据（主要指符合3D打印系统需要的3D数字模型文件，一般是STL文件）转换为3D打印机需要的分层数据，再控制打印机的各硬件部分按照分层数据运动打印出需要的三维模型，如图1-22所示。图1-22　3D打印系统流程（2）3D打印软件构成

根据软件的功能，我们可以认为3D打印软件由进行分层处理的预处理软件和控制打印机运动的控制软件两部分构成，如图1-23所示。图1-23　3D打印软件构成示意图（3）预处理软件

预处理软件是指可以对3D模型文件进行一定的编辑（一般包括缩放、旋转、镜像、复制等）处理，同时可以按照设备的性能参数进行切片处理和支撑生成，最后合成某种分层数据文件（它一般是CLI的分层数据或GCode的机器命令数据文件）的软件。这种软件是在计算机上运行的，可以不连接打印机，有些甚至没有连接打印机的功能。

比利时Materialise公司开发的Magics软件就是比较优秀的一款强大的面向3D打印工艺开发的预处理软件。除了有常规的对STL文件进行旋转、变换、复制、镜像、调整尺寸和装配等编辑功能，对各种特征进行2D和3D的距离、半径、角度等的测量功能，对STL文件进行压缩和解压操作功能外，重要的是它不仅具有对STL文件自动修复的功能，还能手工进行有缺陷的或缺少的三角形的修复。而对于需要设计支撑的SLA及FDM快速成型工艺，该软件提供了自动施加支撑的功能。该软件可以根据分层处理的需要，进行模型本体和支撑结构的切片分层编辑处理。Magics软件界面如图1-24所示。图1-24　Magics软件界面

不过，目前市场上的Cura、Replicator等预处理软件由于使用的打印机是执行GCode指令的，所以它们分层后生成的不是以轮廓、线段数据组成的CLI分层文件，而是直接由GCode指令组成的GCode文件，等于把要走的分层路径直接变成了GCode指令，打印机可以直接根据这些命令的解释执行打印。这种预处理软件一般还可以通过USB口连接打印机发送GCode指令，实现直接联机打印，如图1-25是Cura软件界面。图1-25　Cura软件操作界面（4）控制软件

控制软件是根据预处理软件的结果控制打印机运动的软件。预处理软件的结果有两种，对应控制软件有以下两种。

① 如果预处理软件的结果是点、线数据构成的分层数据文件，对应打印机一般本身就会连接计算机，控制软件将直接安装在这台计算机上，它通过运动控制卡、通信端口等按分层数据文件的规划移动打印机的各轴运动完成工件的打印，同时还会具备一些参数调整、设备调试之类的功能。

这里的分层数据文件一般会是标准CLI文件，它是由顺序的每层的轮廓线、填充线组合成的文件。其中轮廓线代表了片层中轮廓的边界，填充线是轮廓包围的构成实体的线，而线又是由一个个点来组成的，所以整个文件的数据基本就是由点的坐标数据组成的文件。

② 如果预处理软件的结果是GCode文件时，一般打印机都是采用单片机的嵌入式系统，这相当于一台微型计算机，程序直接烧结在程序存储器中，一启动就自动执行程序。这个程序就是控制软件，可以称为固件，也可以称为下位机的软件。

这个软件的功能除了对GCode命令进行解析外，还包括打印机屏幕上的画面显示、用SD卡打印、参数调整、设备调试等。GCode命令大致是通用的，但有些特殊命令的设置没有统一的标准，是各公司自己定义的，所以控制软件中的GCode命令解析需要和预处理软件中的保持一致。使用这种控制软件的3D打印机平时可以不用连接计算机，采用插SD卡的方式直接打印。1.8.2　3D软件模型文件

3D打印机处理的原始数据是所谓3D模型文件，它来源于CAD数字模型文件，但是必须转换为3D打印系统所能接受的数据格式，目前能够接受诸如STL、SLC、CLI、RPI、LEAF、SIF等多种数据格式。其中由美国3D Systems公司开发的STL文件格式可以被大多数3D打印机所接受，因此被工业界认为是目前3D打印数据的准标准。几乎所有类型的3D打印系统都采用STL数据格式，它是以一系列三角片来表示物体表面轮廓的，如图1-26所示。图1-26　三角片文件数据（1）获取3D模型数据

获取3D模型数据有多种的方法，如利用三维建模软件设计（NX、Soliworks、Rhion、Pro/E等）、三维扫描仪扫描的模型数据（CT或MRI数据）、用普通相机拍摄多组相片进行合成（Photofly、123D Catch、Photosynth）、用简单软件对一张图片进行设计（3-Sweep、123D Design）等。

以Photofly为例，我们可以对人像进行多角度的拍摄，以获得不同角度的人像数据，最后经过计算机的数据处理得到三维模型，如图1-27所示。图1-27　Photofly获得3D数据（2）STL文件

实质上，STL文件的数据格式是用许多细小的空间三角形面来逼近还原CAD实体模型，这类似于实体数据模型的表面有限元网格划分，如图1-26所示。其中的空间三角面片是通过给出三角形法向量的三个分量及三角形的三个顶点坐标来实现的。

STL文件有二进制（BINARY）和文本文件（ASC Ⅱ）两种形式。ASCⅡ起初主要是为了检验CAD界面而设计开发的，便于用户理解。但是由于其自身格式太大，使它在实际中没有太大的应用，主要用来调试程序，如图1-28所示就是ASC Ⅱ STL文件的语法格式。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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