作者：辛志杰 等 编著
出版社：化学工业出版社
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3D打印轻松实践：从材料应用到三维建模试读：
前言
前 言三维建模是采用三维表达方式对实体进行从概念到模型的一种设计方法。随着计算机辅助设计技术的发展，通过三维设计软件利用虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型已成为三维建模的主要方式，三维模型在各种不同的产业领域具有非常广泛的应用。
3D打印技术是具有工业革命意义的新兴增材制造技术，它正逐步融入产品的研发、设计、生产各个环节，是材料科学、制造工艺与信息技术的高度融合与创新，是推动生产方式向柔性化、绿色化发展的重要途径，是优化、补充传统制造方式，催生生产新模式、新业态和新市场的重要手段。当前，3D打印技术已在装备制造、机械电子、军事、医疗、建筑、食品等多个领域起步应用，产业呈现快速增长势头，发展前景良好。3D打印是基于打印件的CAD模型，采用增材制造原理，应用不同的打印方法，高效、高精度地制造出产品或模型。三维建模是3D打印的前提和基础，三维建模和3D打印技术的广泛应用，能够有效地缩短产品的研发和制造周期，促进产品的多样化。
本书介绍了三维建模与3D打印技术的相关概念、3D打印的建模方法及其应用，分别以PTC Creo parametric、UG NX、Solidworks三种参数化设计软件为例，结合实际应用进行了建模方法的详细应用。本书还阐述了3D打印技术的原理和3D打印技术的分类，介绍了熔融沉积成形（FDM）、光固化快速成形（SLA）、叠层实体制造（LOM）以及黏结剂喷射成形（3DP）的工作原理、技术特点、成形误差、控制系统和典型的打印设备，详细介绍了金属材料3D打印成形的各种技术原理、工艺特点及其实际应用，阐述了大量3D打印常用材料的分类、性能及其应用领域、应用技术等。本书可供从事机电产品设计、机械制造及其自动化、材料科学与工程等专业的科技人员和在校师生参考，也可供广大机械制造、材料成形、医疗、汽车制造、飞机零部件、商业机器、模型、玩具、服装等领域专业人士和众多3D打印DIY人士参考。
本书由辛志杰等编著。在本书编写过程中，王睿、张燕、石慧琳参加编写了第2章，陈振亚参加编写了第8章。本书在编写过程中参考了许多宝贵的文献资料，使本书更加系统和完善。在此向这些文献的作者表示衷心感谢！
由于编者水平和时间有限，书中难免存在不足之处，敬请广大读者批评、指正。编著者2018年12月第1章 概述
三维建模是物体的多边形三维表达方式，通常用计算机或者其他视频设备进行显示或输出。显示的物体可以是现实世界的实体，也可以是虚构的物体。三维模型一般用三维建模软件生成，也可以用其他方法生成。三维建模有三种层次的建立方法，即线框、曲面和实体，也就是分别对应于用一维的线、二维的面和三维的体来构造形体。通过计算机辅助设计（CAD）建立的立体、有光、有色的生动画面，可以虚拟逼真地表达出产品的设计效果，比传统的二维设计图更符合人的思维习惯与视觉习惯。
产品的设计制造方法是：首先设计者根据用户需求或设计构思进行产品的概念设计，提出产品要满足的功能；然后提出满足功能的原理实现方案，通过分析计算，确定具体的功能结构，并进行详细的工程图设计；根据工程图或实体模型进行加工生产。在产品设计、制造过程中，由于计算机辅助设计的介入，实现了三维立体化设计，产品的任何细节都能在计算机中进行显示，设计者可以对产品的形态、色彩、纹理、比例等进行全方位的修改和完善。
3D打印成形不同于传统的切削加工等减材制造方式，而是一个全新的增材制造领域。3D打印是基于打印件的CAD模型，采用增材制造原理，应用不同的打印方法，高效、高精度地制造出产品或模型。在传统制造业中，产品的加工需要按照图样要求和工艺文件进行加工生产，所经历的步骤繁多，产品工艺链长，工艺文件编制涉及的加工资料多，产品改型经济损耗大。而3D打印在整个制造过程中缩减了产品的外围生产资料，直接从产品模型到产品。对于产品的修改只需对模型进行修改，改善了产品工艺的柔性。3D打印工艺采用细微原材料逐层堆叠而生成三维立体的实体，该工艺只需在计算机上设计出产品模型或者扫描实体得到数据，就可以用3D打印机打印出实物。该工艺无需传统的机床、刀具、模具、辅具、夹具，不需要经过复杂的工艺过程，就可以将设计的模型变为实物。1.1 3D打印成形技术1.1.1 3D打印技术简介
3D打印技术是由三维模型驱动的快速制造三维实体的技术总称。它是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成形系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成形，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、庞大的机床及众多的人力，直接从计算机图形数据便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。
3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同。普通打印机可以打印计算机设计的平面物品，普通打印机的打印材料是墨粉和纸张。而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的打印材料（属于实实在在的原材料）。3D打印机与计算机连接后，通过计算机控制可以把打印材料一层层叠加起来，最终把计算机上显示的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，如打印出机器人、玩具车、各种模型，甚至食物等。
3D打印技术将是新的工业革命的核心，是产品创新和制造技术创新的共性使能技术，并深刻改革制造业的生产模式和产业形态。有学者提出3D打印将带来第三次工业革命，将形成多品种、小批量、定制式的新型生产模式。3D打印既是制造工艺的原理创新，也是应用数字化技术的产品创新，将可能改变整个制造业的面貌。3D打印是增材制造方法的新发展，能大大提高新材料的成形能力。3D打印机是制造业数字化的典型代表，特别适用于个性化定制生产；3D打印机是产品创新的一种高效共性使能装备；3D打印机可能成为生命科学最有效的装备之一。在第三次工业革命中，生命科学的发展占有十分重要的位置，例如制造人体活器官的组织工程研究，在此项研究中如何构成所需的复杂多孔3D支架，以及如何注入人体种子细胞是组织工程的关键所在。目前出现的3D生物打印机，可以进行细胞/器官打印工艺，期待成为未来人体器官制造的重要装备。1.1.2 3D打印技术分类
3D打印是“增材制造”（Additive Manufacturing，AM）的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“减材制造”（Subtractive Manufacturing，SM）。传统制造一般是在原材料基础上，使用切削、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。而“增材制造”与之截然不同，无需原坯和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，简化了产品的制造程序，缩短了产品的研制周期，提高了效率并降低成本。
3D打印是增材制造的统称，可以概括为几种不同的成形工艺，如表1-1所示。其中前五种是根据增材制造初期出现的子技术（快速成形）产生和发展的工艺；后两种是根据增材制造当今发展的子技术（3D打印）产生的工艺。表1-1 增材制造工艺分类
按照采用材料形式和工艺实现方法，可将3D打印技术分为如图1-1所示的五大类。图1-1 广义3D打印技术分类1.1.3 三维建模与3D打印成形技术
3D打印技术是产品数字化设计技术的典型应用。没有数字化设计技术的发展，不可能实现3D打印技术。三维CAD模型是3D打印的基础和前提，3D打印所需的CAD造型有两种设计方法：一种是实体造型设计；另一种是曲面造型设计。建模只是设计从概念或想法到实体的中间过程，它把概念或想法赋予可视化的形体，在此过程中离不开人的思考或抽象，创意或创新的形成需要设计者完成。
3D打印机成形工件的全过程包括：用CAD软件设计产品的数学模型，或通过3D数字扫描机和反求软件建立产品的数学模型；将产品的数字模型输入3D打印机，在计算机的控制下，实现产品的无模自由成形。1.2 3D打印建模方法
3D打印建模方法主要分为正向设计、逆向设计和正逆向混合设计。这三种方法在具体应用时，可以利用三维软件建模、仪器设备测量建模或利用图像或者视频建模，采用其中的一种或几种技术相结合。1.2.1 正向设计
正向设计的方法是一个从概念设计起步到CAD模型，它是设计者在进行产品造型设计时主要采用的方法。正向设计的一般流程包括：首先对要设计产品的功能进行分析，在此基础上进行产品的概念设计，即提出满足功能需求、所有的原理实现方案，通过比较选择合适的原理方案；然后通过分析计算得出详细的结构参数，在此基础上建立产品模型。对于复杂的产品，正向设计过程难度系数大、周期较长、成本高、产品研制开发难。正向设计是一个反复的过程，由于设计者无法完全预估产品在设计过程中会出现的状况，需要不断地修改设计方案，才能最终确定产品的定型结构。
常用的正向设计软件包括UG NX、PTC CreoParamatric、SolidWorks、CATIA等。它们的共同特点是利用一些基本的几何元素（如立方体、球体等），通过一系列几何操作（如平移、旋转、拉伸以及布尔运算等）来构建复杂的几何实体。图1-2所示为采用正向设计方法建立的扫地车产品模型。图1-2 正向设计方法建立的扫地车产品模型1.2.2 逆向设计
逆向设计又称反求设计，是一种基于逆向推理的设计，通过对现有样件进行产品开发，运用适当的手段进行仿制，或按预想的效果进行改进，并最终超越现有产品或系统的设计过程。逆向设计的一般流程包括：首先对产品样件进行三维数据采集，然后通过相关软件对采集的数据进行降噪、精简、光顺等数据处理，最后进行模型的重构或修改，从而得到产品的三维模型。常用的逆向设计软件包括Imageware、Geomagic Studio等。1.2.3 正逆向混合设计
传统的设计方法以正向设计为主，但并不能满足产品设计的需求，将正向设计和逆向设计有机地结合起来已成为设计研发领域的一种趋势。逆向设计和正向设计方法各有所长，逆向设计优势在于测量数据点的强大处理功能和复杂自由曲面的设计，一般逆向软件都提供了对自由曲面的重构、编辑修改等功能；正向设计优势在于特征造型和实体造型，对零件特征的编辑修改比较方便。复杂产品外壳常常既带有复杂曲面，又包含一些简单特征，要通过单一的逆向设计或正向设计方法难以实现设计意图。为此，需要把逆向设计和正向设计的优势结合起来，即采用正逆向混合建模技术，对现有产品进行第二次创新。
混合设计是从测量数据中提取出可以重新进行参数化设计的特征及设计意图，进行再设计，完成CAD 模型。混合建模方法可以分为三种：基于特征与自由形状的反求建模方法混合；基于截面线与基于面的曲面重建方法混合；几何形状创建过程中曲线曲面的特征形式表达与NURBS 形式表达混合。混合建模结合了正向建模与逆向建模的优势，将产品经过三维扫描，获得点云数据，对工件进行对齐、封装、修复、填充等处理建立网格面模型，然后经过特征提取、草图设计和定位对齐等来正向设计，以此获得CAD 模型，如图1-3所示。正逆向混合建模软件包括Geomagic Design Direct等。图1-3 正逆向混合建模1.3 计算机辅助三维建模
计算机辅助建模是利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力，辅助设计者进行工程和产品的设计与分析，以达到理想的目的或取得创新成果的一种技术。1.3.1 线框建模
线框模型的表达只需包罗形体的顶点和边界，在计算机中存储顶点表和边表就可以建立形体的线框模型。线框模型数据结构简单、计算量小，但不能解决求交、消隐问题，不能计算物理参数（如重量和惯性矩等）。
线框造型是CAD技术发展过程中最早应用的三维模型，这种模型表示的是物体的棱边。线框模型由物体上的点、直线和曲线组成。在线框造型的过程中，首先根据设计的需要输入点的坐标值，计算机根据输入的坐标值实时地将点显示出来，然后将点用直线或曲线连接起来，即构成了三维线框模型。在汽车、飞机、船舶等新产品的设计中，大量采用线框模型来进行新产品的构思和初步结构设计，待设计方案确定后，再在线框模型基础上进行曲面或实体造型，完成最终的产品结构详细设计。1.3.2 曲面建模
曲面造型（surface modeling）是计算机辅助几何设计和计算机图形学的一项重要内容，它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的外形放工艺。曲面造型当前已形成以有理B样条曲面参数化特征设计和隐式代数曲面表示这两类方法为主体，以插值、拟合、逼近这三种方法为主要手段的几何理论体系。曲面建模包括直纹面、扫描曲面、蒙皮面、过渡曲面和边界曲面的建模等。1.3.3 实体建模
实体模型在计算机内提供了对物体完整的几何和拓扑定义，可以直接进行三维设计，在一个完整的几何模型上实现零件的质量计算、有限元分析、数控加工编程和消隐立体图的生成等。随着实体模型领域内诸如特征、约束等概念的提出，几何实体造型的设计方法应用非常广泛。实体造型的表示方法主要有边界表示法（B-rep）、体素构造法（Constructive Solid Geometry，CSG）、八叉树表示法、欧拉操作法、射线表示法等。第2章 三维建模方法2.1 概述
三维建模简单来说就是从概念到模型，通常是指正向实体建模，这一过程利用绘图或建模等手段预先设计出产品原型，然后根据原型制造产品。随着计算机辅助设计技术的发展，通过三维设计软件利用虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型已成为三维建模的主要方式。三维建模常用的软件包括PTC Creo Parametric、UG NX、SolidWorks、CATIA等。
目前，三维模型在各种不同的行业领域具有非常广泛的应用，工程行业将它们用于新产品设计、模拟仿真和加工制造等；医疗行业使用它们制作器官的精确模型；影视游戏产业将它们作为活动的人物、道具等视频游戏中的资源；建筑业将它们用来展示虚拟的建筑物或者场景等。2.2 基于PTC Creo Parametric的三维建模方法2.2.1 PTC Creo Parametric简介及特点
Creo Parametric是Pro/E软件新的版本，Pro/E操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。该软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/E作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。
Creo Parametric是一套功能强大的三维产品设计、开发软件，是PTC新的3D参数化建模系统。它利用了Pro/Engineer、CoCreate和ProductView中经过验证的技术，并提供了数以百计可提高设计效率和生产力的新功能，涉及零件设计、整机装配、模具开发、工业设计、加工制造、钣金件设计、铸造件设计、机构分析、有限元分析、产品数据库管理等功能。
Creo Parametric保留了功能强大和可靠耐用的特点，它提供了极其丰富的3D CAD、CAID、CAM和CAE集成功能，而且用户界面直观、可提高用户生产力。此外，Creo Parametric中的许多新功能为用户提供了比以往更高的设计灵活性、效率和速度。到现在，它已经成为全世界最普及的三维CAD/CAM系统标准软件之一，被广泛应用于机械、模具、电子、家电、玩具、工业设计、汽车、航天等行业。其强大的功能使得产品开发时间大大缩短，产品开发流程得到了简化。全球已有近三万企业采用Creo Parametric软件系统，作为企业产品设计的标准软件。2.2.2 PTC Creo Parametric工作界面
以Creo Parametric 3.0为例，启动Creo Parametric 3.0应用程序以后，显示其浏览器界面，如图2-1所示。图2-1 Creo Parametric 3.0浏览器界面
新建或打开一个已有文件，显示其工作界面，如图2-2所示。图2-2 Creo Parametric 3.0工作界面
①主窗口标题栏 列有当前的软件版本、工作模块和正在处理的文件名称。
②快速访问工具栏 提供对常用按钮的快速访问。
③文件菜单 包括管理文件、准备、发送等命令。
④功能区 包括模型、分析、注释、渲染、工具、视图、柔性建模、应用程序等选项卡。
⑤导航区 包括模型树、文件导航器、个人收藏夹和层树，通过它们来显示零部件特征以方便用户的选择和辨识。
⑥图形窗口和图形工具栏 显示和编辑所建立特征的形状。
⑦浏览器窗口 提供对内部和外部网站的访问功能。
⑧状态栏 显示控制和消息区。
⑨命令操控板 是执行命令的载体，如图2-3为“草绘”操控板。图2-3 “草绘”操控板2.2.3 PTC Creo Parametric快速上手
一般来说，建模常用工具为草绘、拉伸、倒角。本节以一杯子为例对Creo Parametric常用功能进行介绍。
a.打开Creo Parametric 3.0，新建文件beizi，如图2-4所示。图2-4 Creo Parametric 3.0新建文件
b.以FRONT基准面为草绘平面，绘制旋转特征，如图2-5所示。图2-5 草绘旋转特征
c.对旋转特征进行旋转拉伸，如图2-6所示。图2-6 旋转拉伸实体
d.去除杯子中间实体，利用旋转拉伸去除材料，如图2-7所示。图2-7 旋转拉伸去除材料
e.创建扫描特征，绘制杯子把手，如图2-8所示。图2-8 扫描创建杯子把手
f.创建圆角特征，如图2-9所示。图2-9 创建圆角特征2.2.4 三维建模实例
下面实例为iPhone 6 Plus的三维建模，采用的是PTC Creo Parametric 3.0版本。
①打开Creo Parametric 3.0软件 新建一个零件文档，即“文件”/“新建”/“iPhone”，如图2-10所示。图2-10 新建文档
②创建草绘1 单击主界面下“模型/草绘”按钮，以基准面FRONT：F3为草绘平面，默认参照进入草绘。单击草绘命令栏中的“中心矩形”命令，绘制158.1×77.8的矩形，如图2-11所示。单击“确认”按钮，草绘1完成。图2-11 创建草绘1
③创建拉伸特征1 单击主界面下“模型/拉伸”按钮，在“拉伸”操控面板中放置草绘1，设置拉伸类型为“实体”，拉伸方向为“双向拉伸”，拉伸深度为7.1，如图2-12所示。单击“确认”按钮，拉伸1完成。图2-12 创建拉伸特征1
④创建扫描特征1 单击主界面下“模型/扫描”按钮。在“扫描”操控面板中，单击右侧“草绘”按钮，以基准面FRONT：F3为草绘平面，默认参照进入草绘。绘制轨迹，选中草绘，单击“草绘”操控面板中的“投影”按钮，再单击“圆角/圆形修剪”选中相邻两条边，圆角半径12，单击“确认”按钮，草绘2完成，如图2-13所示。绘制截面，在扫描操控面板中单击“截面”按钮，绘制如图2-14所示形状。单击“确认”按钮，扫描1完成，如图2-15所示。图2-13 创建草绘2图2-14 创建截面图2-15 创建扫描特征1
⑤创建草绘3 单击主界面下“模型/草绘”按钮，以拉伸1为草绘平面，默认参照进入草绘。按住Ctrl键，选中扫描1的一条边，单击“草绘”命令栏中的“偏移”命令，选中环，向中心偏移0.5，单击“确认”按钮，偏移完成，如图2-16所示。单击“确认”按钮，草绘3完成。图2-16 创建草绘3
⑥创建草绘4 单击主界面下“模型/草绘”按钮，以拉伸1为草绘平面，默认参照进入草绘。选中拉伸1，单击“草绘”命令栏中的“投影”命令，单击“确认”按钮，草绘4完成，如图2-17所示。图2-17 创建草绘4
⑦创建拉伸特征2 单击主界面下“模型/拉伸”按钮，在“拉伸”操控面板中放置草绘4，设置拉伸类型为“实体”，拉伸方向为“单向拉伸”，拉伸深度为0.3，单击“确认”按钮，拉伸2完成，如图2-18所示。图2-18 创建拉伸特征2
⑧创建倒角1 单击主界面下“模型/倒角”按钮，选中拉伸2所要倒的边，尺寸为0.2，单击“确认”按钮，倒角1完成。
⑨创建草绘5 单击主界面下“模型/草绘”按钮，以拉伸2为草绘平面，默认参照进入草绘。单击“草绘”命令栏中的“中心矩形”命令，绘制121.8×68.5的矩形，单击“确认”按钮，草绘5完成，如图2-19所示。图2-19 创建草绘5创建拉伸特征3 单击主界面下“模型/拉伸”按钮，在“拉伸”操控面板中放置草绘5，设置拉伸类型为“实体”，拉伸方向为“单向拉伸”，拉伸深度为0.05，单击“确认”按钮，拉伸3完成，如图2-20所示。图2-20 创建拉伸特征3创建基准面DTM1 单击主界面下“基准/平面”按钮，将RIGHT：F1偏移60，单击“确认”按钮，DTM1完成，如图2-21所示。图2-21 创建基准面DTM1创建草绘6 单击主界面下“模型/草绘”按钮，以DTM1为草绘平面，默认参照进入草绘。绘制如图所示形状，参数为d=38，1d=50，r=1.60，单击“确认”按钮，草绘6完成，如图2-22所示。2图2-22 创建草绘6创建拉伸特征4 单击主界面下“模型/拉伸”按钮，在“拉伸”操控面板中放置草绘6，设置拉伸类型为“实体”，拉伸方向为“单向拉伸”，去除材料，拉伸深度为23，单击“确认”按钮，拉伸4完成，如图2-23所示。图2-23 创建拉伸特征4创建倒角2 单击主界面下“模型/倒角”按钮，选中拉伸4所要倒的边，尺寸为0.2，单击“确认”按钮，倒角2完成，如图2-24所示。
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