作者：赖周艺,朱铭强,郭峤
出版社：重庆大学出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
3D打印项目教程试读：
前言
随着世界经济的全球化与知识化不断加快，制造业已逐步从传统的离散型制造向绿色智能型先进制造转变。3D打印技术作为一项可能使全球制造业面目一新的新兴技术，近年来发展迅速并受到广泛重视。英国《经济学人》杂志认为，3D打印将与其他数字化生产模式一起，推动实现新的工业革命——“第三次工业革命”，美国《时代》周刊将3D打印列入美国十大增长最快的工业。根据国际快速制造行业权威报告《Wohlers Report 2011》发布的调查结果，全球3D打印产业的产值在1988—2010年保持26.2％的高速年均增长速度。世界3D打印技术产业联盟秘书长罗军在2014世界3D打印技术产业大会上指出，2013年全球3D打印的产值30多亿美元（国内3亿美元）；2014年全球规模有望突破60亿美元（国内6亿美元）；预计2016年，全球规模将突破100亿美元（国内10亿美元）；3D打印技术将在2020年前全面实现产业化。
在2011年以前，市面上出售的绝大多数3D打印机为工业级3D打印机，价格为几十万甚至几百万元人民币。自2011年起，低成本（价格降至几万甚至几千元人民币）而又方便携带的桌面级3D打印机开始风靡，在拉低了3D打印技术应用门槛的同时，让这一项技术走进教育，走入生活。
3D打印人才极度匮乏，教育培训的标准与教材亟待开发。我们广泛涉猎相关文献，并系统梳理打印经验，编写本教材，以满足社会系统性培养应用人才的需求。我们通过设计5个典型的训练项目，全面介绍桌面级3D打印机的各种应用，使操作者能全面而深入地掌握3D打印机的操作，能独立完成各种模型的打印成形。
本书由赖周艺、朱铭强、郭峤编著，北京太尔时代科技有限公司林卓鹏，佛山力尚三维打印科技有限公司黄冠锋、伍力尚和深圳信息职业技术学院姜俊侠、肖永山、刘秀娟等同志参与了部分章节的编写和修改。重庆理工大学胡亚民教授审阅了全部书稿。
本书在编写过程中，得到了深圳信息职业技术学院、佛山力尚三维打印科技有限公司和北京太尔时代科技有限公司的大力支持和帮助，作者在此表示衷心感谢。
由于时间仓促，水平有限，不当之处敬请专家与广大读者批评指正。编者2014年8月任务1.1 认识3D打印1.1.1 3D打印的重要意义
3D打印技术（3D Printing Technology）起源于20世纪80年代出现的快速原型制造技术，依据计算机的三维设计和三维计算，通过软件和数控系统，将特制材料以逐层堆积固化、叠加成形的方式逐层增加材料，从而生成3D实体，因此也被称为“增材制造”，是一种全新的制造方式；被认为是最近20年来世界制造技术领域的一次重大突破。
3D打印技术的发展与应用，把当前在科学研究、技术研发和文化娱乐等领域发挥了重要作用的“虚拟世界”带回“现实”。借助3D打印技术，计算机虚拟世界中大量由数学公式和物理定律生成的物体，几乎可以不经过专业技术人员的再处理即可直接转化为现实世界存在的物体。3D打印技术使虚拟（数字、网络）世界、现实（物理）世界与人（设计者、生产者和消费者）密切联系起来，形成了前所未有的信息回路（如图1.1所示）将对未来产生深远影响：
①扩展工业设计的可行性边界，人们可以直接制造出大量形状奇异、结构精细、具有工程学或美学意义的特殊形体。
②加速产品与技术更新，人们通过“数字设计＋3D打印”的产品设计和测试新过程，可以获得比仿真模拟试验更可靠的测试结果，同时比传统设计制造普遍采用的物理实验和产品测试更快捷。
③促进产品设计，人们可以借助3D扫描成像和逆向工程等技术手段，快速从现实世界中借鉴某些物理结构，直接转化为产品设计和3D打印制造方案。图1.1 信息回路1.1.2 3D打印的发展现状
美国、日本、德国、韩国及欧洲进入3D打印领域较早，是拥有3D打印技术专利最多的国家和地区。国外3D打印已经历萌芽期、稳步增长期和快速增长期，目前处在技术相对成熟期。美国、德国等发达国家高度重视并积极推广3D打印技术，其商品化3D打印设备如图1.2所示。2012年8月，美国政府宣布，将在俄亥俄州建立制造业创新研究所，主要研发3D打印技术。2013年2月，奥巴马在国情咨文中宣布，投入5亿美元推动3D打印。目前国外3D打印研究的技术主题主要是研发新的成形材料、成形工艺及打印设备，扩大技术的应用范围、简化工艺、降低成本，使打印设备实用化，提高打印制品的精度。（a）美国3D Systems（b）美国Stratasys公司（b）德国EOS公司公司图1.2 外国产3D打印设备
国内3D打印技术较国外发展存在一定差距，处在该领域的快速成长期，技术分布范围扩大，正向产业化阶段迈进。清华大学、华中科技大学、西安交通大学是国内最早进行3D打印研发的单位，科研团队主要包括清华大学颜永年团队、华中科技大学史玉升团队、西安交通大学卢秉恒团队以及北京航空航天大学王华明团队等。国内研究内容主要是基于分层实体制造、熔融沉积、光固化成形等技术的研发及成形系统的研制；部分企业（北京太尔时代、西安恒通智能机器、武汉滨湖机电）依靠高校科研成果已实现3D打印设备一定程度上的产业化，但规模仍在扩大。图1.3所示为国产的部分3D打印设备。（a）北京太尔时代（c）武汉滨湖（b）西安恒通智能机器公司公司机电公司图1.3 国产3D打印设备1.1.3 3D打印机的分类
按照应用层次分类，3D打印机可分为工业级和桌面级，前者先诞生。工业级3D打印机，主要用于科研和企业生产，体积庞大而且价格昂贵。在2011年以前，市面上出售的绝大多数3D打印机为工业级3D打印机，价格为几十万甚至几百万元人民币。自2011年起，低成本（价格降至几万甚至几千元人民币）而又方便携带的桌面级3D打印机（如图1.4所示）开始风靡，在拉低了3D打印技术的应用门槛的同时，让这一项技术走进教育，走入生活。桌面级3D打印机是大型工业3D打印机的简化和小型化，成本更低廉，操作更简便，更加适用于分布化生产、设计与制造一体化的需求。目前桌面级3D打印机在实用化方面亟待发展，研究打印材料的性能和工艺参数对打印精度的影响，提高打印效率，是今后我国3D打印技术的研究重点。图1.4 桌面级3D打印机1.1.4 桌面级3D打印机的应用
目前，桌面级3D打印机正被迅速推广应用到建筑设计、工业设计、机械设计、电影动漫、模具设计、玩具设计、艺术设计等各个领域，打印得到各种各样的模型（如图1.5所示），用作产品样本和用于设计评审、机能测试及装配试验等。3D打印机在欧美大学里几乎就是制造物理模型必不可少的工具，主要应用有：
①机械工程学院：3D打印机可完整地将计算机中的数字模型转换为实物模型，使学生可以直观地评估自己的设计成果，从而提高学生的设计创造能力。
②建筑工程学院：3D打印机可将整栋建筑物模型分批打印，最后组装成形，使学生的设计模型从平面展示时代推至三维时代。
③工业设计学院：3D打印机可使学生突破制造工艺的限制，从而获得任何复杂的工业模型。
④美术学院：3D打印机可将设计的美术模型以三维方式呈现，使学生可从后期的评论反馈中继续提高设计水平。图1.5 3D打印模型1.1.5 桌面级3D打印机的主流技术
目前桌面级3D打印机普遍采用熔融堆积成形（FDM）或立体激光固化成形（SLA）成形技术。
FDM（Fused Deposition Modeling），即熔融堆积成形，其原理如图1.6所示，主要采用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金）作为原材料，将加热的材料从喷头里挤出，在温度低于材料熔点的工作台上，迅速形成一层薄片轮廓截面，然后工作台下降一定高度（即层厚），喷头继续挤出加热材料，这样逐层堆积，最终成形三维产品零件。FDM的优势有：操作环境干净、安全，可以在办公室环境下进行，表面质量好，易于装配，可以快速构建实体或中空零件；原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换，材料费用低，材料品种多（如可染色的ABS和PLA等），材料利用率高。存在的技术不足有：零件表面精度较低，成形速度相对较慢，不适合构建大型零件。目前FDM成形技术被广泛应用于桌面级3D打印机：如美国Maker Bot公司的Replicator2（如图1.7（a）所示），3D Systems公司的Cube X Duo（如图1.7（b）所示）和中国北京太尔时代公司的UP Plus 2（如图1.4所示）。图1.6 熔融挤出成形原理（a）Replicator2（b）Cube X Duo图1.7 FDM桌面级3D打印机
SLA（Stereo Lithography Appearance），即立体激光固化成形，其原理如图1.8所示，利用激光逐层照射液态光敏树脂使其固化，使之以由点到线、由线到面的顺序凝固，完成一个层面的成形，然后升降台在垂直方向移动一个层片高度，再固化另一个层面；这样层层叠加构成一个三维实体。立体激光固化成形是目前研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法，它的优势在于技术成熟度高、精度高，但设备造价贵，使用和维护成本高，对工作环境要求苛刻（对温度和湿度要求严格）。目前采用SLA技术的桌面级3D打印机，主要为美国Form Labs公司的Form 1机型，如图1.9所示。图1.8 光固化成形原理图1.9 SLA桌面级3D打印机任务1.2 认识3D打印机-UP Plus 21.2.1 3D打印机介绍
北京某企业生产的UP Plus 2为目前国内主流桌面级3D打印机，因其操作简易和打印性能稳定，曾获美国制造杂志《MAKE》2012年最佳整体体验奖（Best Overall Experience Award）和2013年度消费者最易使用奖（Best in Class：Just Hit Print）。该3D打印机的结构简图如图1.10所示，主要配件如图1.11所示。其主要零部件的作用见表1.1。UP Plus 2打印机的打印范围为140 mm×140 mm×135 mm。图1.10 3D打印机（UP Plus 2）结构简图1—基座 2—初始化按钮 3—信号灯 4—丝材 5—丝材支架 6—风扇 7—送丝管 8—喷头 9—喷嘴 10—自动对高块 11—打印工作台 12—电源开关按钮 13—电源插口 14—3.5 mm双头线插口 15—USB数据连接线插口（a）电源适配器（b）USB数据连接线（c）打印平板（d）3.5 mm双头线（c）水平校准器图1.11 3D打印机（UP Plus 2）主要配件表1.1 3D打印机（UP Plus 2）的主要零部件序号名称作用1基座支撑机身，内部放置线路板按一次，对打印机进行手动初始化；连2初始化按钮续按两次可实现脱机重复打印；长按关闭打印机3信号灯显示打印机工作状态4丝材打印用原材料5丝材支架放置打印用的丝材6风扇冷却喷头与成形模型7送丝管引导丝材至喷头，对丝材起导向作用8喷头运送并熔融丝材9喷嘴喷出设定直径（ϕ0.4 mm）的熔融丝材10自动对高块对打印工作台进行自动对高11打印工作台放置并加热打印平板 12电源开关按钮13电源插口连接电源适配器插口 143.5 mm双头线插口USB数据连接线插 15口 16电源适配器17USB数据连接线实现计算机与打印机之间的数据传输18打印平板打印过程中固定打印模型 193.5 mm双头线20水平校准器对打印平板进行水平校准1.2.2 安装3D打印机及控制软件（1）安装打印平板
如图1.12所示，将打印平板置于打印工作台上，然后拨动工作台边缘的8个弹簧以固定打印平板。图1.12 安装打印平板与丝材支架示意图（2）安装丝材支架
将丝材支架背面的开口插入机身左侧的插槽中，然后向下推动以固定。（3）安装丝材
如图1.13所示，将丝材挂在丝材支架上，牵引丝材穿过丝材支架的顶部限位槽，穿过送丝管，插入打印机喷头的丝材入口。图1.13 安装丝材示意图（俯视图）1—丝材 2—送丝管 3—喷头丝材入口（4）连接电源
将电源适配器连接打印机和电源插板，使打印机通电。（5）连接USB数据线
将USB数据线分别插入打印机插口和计算机插口，使打印机与计算机连接。（6）安装打印机控制软件及驱动
将随机光盘放入计算机光驱，运行UP！Setup.exe安装文件，并安装到指定目录，完成打印机控制软件的安装。打印机驱动在安装目录，默认为“c:\ProgramFiles\UP\Driver”。1.2.3 3D打印机控制软件
单击计算机桌面上的图标启动程序，主界面如图1.14所示，从上至下分别显示软件版本信息、主菜单、标准（Standard）工具条、工作区和状态栏，工作台位于工作区中央；工作台的XYZ坐标方向与图1.15所示打印机的坐标一致。3D打印机控制软件菜单树如图1.16所示，菜单各选项的功能简介见表1.2，具体功能将在后续项目中结合具体任务进行介绍。图1.14 3D打印机控制软件界面图1.15 3D打印机坐标方向示意图图1.16 3D打印机控制软件菜单树表1.2 3D打印机控制软件菜单各项功能主菜二级菜单功能介绍单载入打印模型，支持格式为SLT、UP3和打开…UPP卸载将已载入的打印模型卸载激活该选项，系统将自动把新载入的模自动布局型布局至系统默认最佳位置将选定模型保存为UP3格式，不含打印文件保存参数对平台内多个模型进行保存，每个模型保存所有重新生成单独的UP3格式文件，不含打印参数另存为工程将模型及打印参数进行保存，UPP格式
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]