作者：杨卫民、鉴冉冉 著
出版社：化学工业出版社
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聚合物3D打印与3D复印技术试读：
前言
前 言3D打印技术最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复印技术最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最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。第1章 绪论
随着社会的不断发展，聚合物在各领域的应用比重逐年提高，甚至表现出比金属材料更优异的性能，不仅可以达到金属材料的强度刚度要求，还可以通过添加助剂使其具有阻燃、导电、抗氧化等特性以满足特定场合的使用要求，在某些领域已经代替钢铁等金属材料。而聚合物加工成型与先进制造技术也取得了长足的发展，正朝着更加精密、更加节能、更加高效的方向发展。
聚合物3D打印技术是一种先进制造技术，它为材料到结构提供了一种新的制造方法，是一种“从无到有”的增材制造方法，突破了传统制造技术在形状复杂性产品制造方面的技术瓶颈，能快速制造出传统工艺难以加工，甚至无法加工的复杂形状及结构特征。但是，目前由于其设备和材料成本高昂，制品精度和强度较低，应用范围受到很大限制。此外，由于“3D打印”是以逐层堆积的方式构造产品，成型效率相对较低。
在聚合物模塑成型技术基础上发展起来的聚合物“3D复印技术”，对三维实体进行精确复制，将熔融的聚合物注入特定模腔进行冷却固化成型，是一种“从一到多”的等材制造方法。聚合物“3D复印”技术是将注塑成型装备作为“3D复印机”，以3D打印模具为手段，实现复杂结构特征塑料制品的三维立体复制，生产过程高度自动化、效率高、速度快、制品精度高。“3D复印机”与传统的纸质复印机一样，能够实现样本的快速、高精度、大批量复制。而复印的价值就在于“低成本、高效率”，因此3D复印技术具有广阔的应用前景，能够满足日益迫切的市场需求。3D复印工艺大致分为三个阶段：制品实体扫描或原型构建、模具设计与打印、模塑成型。无论是高精度产品制造还是大批量生产，“3D复印”技术都有着其他技术无可比拟的优势。1.1 3D打印概论
随着新型工业化、信息化、城镇化的同步推进，居民消费潜力不断释放，客户需求日趋多样化和个性化，产品更新速度加快、生产周期变短、质量要求越来越高、成本越来越低。多品种、小批量生产模［1-3］式已成为企业现代经济的一种模式。而个性化、小批量的高分子医用产品、航空航天配件、文化创意制品等需求的快速发展，又使研发及设计样品制造需求不断扩大，因此一种满足小批量快速加工的塑料成型方法成为研究热点。
3D打印技术是先进制造技术中的重要研究领域，它的优点在于［4］可制备复杂曲面制品、近净成型、数字化设计与制造等。经过30多年的发展，3D打印技术从概念、工艺及设备研发向行业应用迅速转移，给传统制造业及智能制造发展趋势带来深刻影响。根据加工材料的类型与方式进行分类，又可分为金属3D打印、聚合物3D打印、生物材料3D打印等。
我们平常使用的普通打印是用于打印计算机输出的平面物品，但是实际上，3D打印与普通打印的工作原理基本相似。普通打印是将墨水喷涂在纸张上，而3D打印则是利用金属、塑料等材料累积叠加成三维立体图形，将计算机建立的模型以实物的形式展现出来。
与传统加工方式相比，3D打印技术的生产成本与制品的复杂程度无关，只与用料多少及用料成本有关，从一定程度上，能够降低制造成本。3D打印技术可以直接成型整个部件，无需组装，并且大大扩展了所加工制品形状的范围。3D打印因具有的这些优势，在未来会逐渐渗透到人们的生活中，得到越来越广泛的应用。1.1.1 3D打印的工作原理
3D打印技术（3D Printing）又被称为增材制造技术（additive manufacturing）、快速成型技术（rapid prototyping）。ASTM国际标准组织F42增材制造技术委员会对其原理的定义为：“根据三维模型数据，通过逐层堆积材料的方式进行加工，有别于减材制造方法，通常通过喷头、喷嘴或其他打印技术进行材料堆积的一种制品加工方［5］法。”它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一点点叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。
3D打印材料、3D打印机、设计好的3D模型图是3D打印的必备条件。3D打印材料就如同普通喷墨打印机的“A4纸”和“墨水”，想打印不同种类，只需根据自身需求，结合实际情况选择相应的3D打印材料就可打印出最终作品。要提到的一点是，如果选择金属类材料，需选择与之对应的金属3D打印。
3D打印基本的加工流程可分为5个步骤，如图1-1所示。
①三维建模 运用三维软件构建三维曲面或实体模型，可使用的软件包括NX、Pro/E、SolidWorks等工程类软件，Rhinos、Maya、3Dmax等复杂曲面建模软件等。
②三角网格化（STL） STL文件是一种数字化网格文件，能够描述三维物体的几何信息。在三维软件中可通过设置弦高的方式提高模型精度，并导出模型的数字文件。
③模型分层 将STL文件转到3D打印软件进行模型分层和工艺设定。不同类型的3D打印设备具有不同的工艺设定软件，如开源3D桌面打印机的Cura、Simplify、Makerware软件等；对于工业级3D打印机，其软件与设备合成，开源软件较少。在软件中对数字模型进行切片分层、路径规划，并对打印速度、填充率、温度、压力等参数进行设定，最终生成3D打印设备可识别的语句，如Gcode切片文件。
④堆积制造 不同类型的3D打印机有不同的打印准备流程，与耗材及工艺相关，但均采用逐层堆积的方式进行加工，这样将复杂的物理实体转化为二维片层加工，降低了加工难度，而且产品的结构复杂程度对加工工艺无影响。
⑤后期处理 在打印完成后，为保证制品的表面精度及其他性能，需进行一系列后处理，如清除支撑结构、清洗残余粉末及树脂等；或者在丙酮蒸气里进行表面光滑处理，以及为提高制品力学性能，用紫外线进行照射等处理方法。图1-1 3D打印基本流程1.1.2 3D打印发展历程
3D打印的想法起源于19世纪末美国的一项分层构造地貌地形图的专利。1984年，Hull提出快速成型的概念，真正确立则是以美国麻省理工学院的Scans E.M和Cima M.J等在1991年申报关于三维打印专利为标志。近三十年来，3D打印技术得到了迅速发展，其发展历程如图1-2所示。2005年，Zcrop公司成功研制出首台高清彩色3D打印机——Spectrum Z510。2010年11月，第一辆3D打印的汽车Urbee由美国Jim Kor团队打造出来。之后，更是出现3D打印金属枪/飞机等。图1-2 3D打印发展历程［6］
3D打印工艺主要分为7大类：耗材挤出成型（material extrusion）、耗材喷射成型（material jetting）、胶液喷射成型（binder jetting）、片层堆叠成型（sheet lamination）、光固化成型（vat photopolymerization）、粉末床熔结成型（power bed fusion）、定向能量沉积成型（direction energy deposition）。每大类包含众多分类，成型工艺稍有区别。
常用于聚合物且已得到广泛应用的3D打印工艺有：丝材熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）、选择性激光烧结成型（selective laser sintering，SLS）、液态树脂光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）、薄材叠层实体制造（laminated objected manufacturing，LOM）、三维印刷（three dimension printing，3DP）、微滴喷射成型（micro-droplet jetting，MDJ）。这6种打印工艺各有优缺点，根据耗材的不同或其3D打印设备的价格来选择不同的成型工艺，将在后续章节进行详细介绍。1.1.3 3D打印在聚合物加工成型中的应用［6］
根据Wohlers 2015 研究报告，3D打印技术应用日趋广泛，2014年非金属打印机销售13393台，其中用于聚合物加工的设备占90%以上。基于聚合物的3D打印制品主要应用于模型制品及结构功能制品，主要分布在：①视觉教具，应用于工程、设计及医学教学领域；②展示模型，应用于建筑及创新设计展示领域；③结构器件，应用于临时装配、组装的机械结构领域；④铸造模具，应用于小批量翻模或铸造阳模等领域；⑤功能制品，具有特殊用途的相关制品领域。
研究人员在聚合物3D打印制品应用领域进行了大量的尝试，并针对其特殊应用对3D打印工艺进行优化，拓宽了3D打印的应用范围。1.2 3D复印概论
3D复印技术是相较于3D打印技术而提出的概念，顾名思义，是指大批量复制三维实体的技术。狭义上讲，即聚合物模塑成型技术，包括注塑、吹塑、滚塑等；广义上讲，所有依靠“模子”来重复成型制品的技术均属于3D复印的范畴，例如，金属铸造、金属压铸、冲压等金属加工技术。
3D复印工艺分为三个阶段：制品实体扫描或原型构建、模具设计与制造、模塑成型。制品实体扫描是指以实物化为导向，对实体进行三维数据采集，导入计算机系统；制品原型构建是指以数字化为导向，通过三维制图软件进行制品设计和模拟仿真软件进行制品优化，形成三维数据。
模具是3D复印技术的核心部件。它的作用是控制和限制材料（固态或液态）的流动，使之形成所需要的形体。模具因其具有效率高、产品质量好、材料消耗低、生产成本低的特点而广泛应用于制造业中。在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通信等产品中，60%～80%的零部件都依靠模具成形。模具质量的高低决定着产品质量的高低，因此，模具被称为“工业之母”。模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍，甚至上百倍。
传统的模具制造主要通过机加工的方式，成型周期较长。而在3D复印工艺中，可通过3D打印模具或模仁的方式，缩短成型周期。3D打印模具主要分为塑料模具和金属模具，首先打印塑料模具进行试模修模等，然后打印金属模具进行最终制品的成型和复制。
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最重要的加工手段之一（图1-3）。而模具生产的工艺水平及科技含量的高低，已成为衡量一个国家科技与产品制造水平的重要标志，它在很大程度上决定着产品的质量、效益、新产品的开发能力，决定着一个国家制造业的国际竞争力。图1-3 3D复印技术1.2.1 3D复印的工作原理
3D复印的基本原理（图1-4）是根据三维实体的结构轮廓、形状特征等信息制作模具型腔，然后在模具型腔内注入材料，在外力或材料自身相态变化的作用下，复制成型。在此加工过程中，不同的材料需要分别加以控制，使其达到所需要的加工温度，而后按预先设定好的工艺流程，注入模具中，最后冷却固化得到所需要的制品。图1-4 3D复印基本原理
3D复印成型加工有许多种基本方式。这里主要介绍两种：一种是注塑技术及其衍生技术；另一种是滚塑成型技术。（1）注塑技术及其衍生技术
注射成型技术（简称注塑技术），是将加热熔融的聚合物材料注射到模具型腔内，经冷却固化而得到成型制品的技术，它是塑料制品加工成型最重要的工艺方法之一，也是3D复印技术最基本、应用最［7］广泛的形式之一。
注射成型是一个周期性往复循环的过程，从注射成型机（简称注塑机）单元操作来看，其动作分为塑化、注射、充模、保压、冷却、脱模等阶段，其工作过程循环周期如图1-5所示。循环由模具闭合开始，熔体注射进入型腔；型腔充满后会继续保持压力以补充物料收缩，称为保压；在物料冷却过程开始时，螺杆开始转动，在螺杆前端储料用于下一次注射；待制品充分冷却后，开模，顶出制品。完成一次循环的时间称为成型周期，它是关系生产率和设备使用率的重要指标。图1-5 注塑机工作过程循环周期
①模具的闭合与锁紧 注塑机的复印过程从模具闭合开始，动模板首先以高速向定模板移动，在二者快要接触时，动模板改以低速压紧，待动定模板之间的压力达到所需值之后，信号反馈给控制系统，进行下一动作。
②注射座前移、注射及保压 注射系统接到控制系统的信号后，开始慢慢地向模具系统移动，直到和模具贴合。螺杆在注塑油缸驱动下快速前移，以一定压力和速度将熔料注入模具中。但是，由于低温模具的冷却作用，注入模具中的熔料，随着时间的推移会发生收缩，为了补偿这一部分收缩，制得质量致密的制品，通常螺杆前端会存有少量熔料（料垫），收缩过程中，这部分熔料便进入到模具中，此时螺杆相应的会有一小段向前的位移。
③制品冷却与预塑化 熔料自进入模具便开始冷却，冷却达到一定程度后，浇口封闭，此时熔料无法回流到注射系统，制品便在模具内慢慢冷却定型。为了缩短成型周期、提高生产效率，制品冷却的同时，注射系统开始为下一次注射做准备，螺杆转动，料斗内的料粒或粉料向前输送并熔融塑化，在正常情况下，熔料向前的压力低于喷嘴给它的阻力，但大于注射油缸工作油的回泄阻力，所以螺杆边转动边后退，后移量即为料垫的量。当螺杆后退到达到计量值时，螺杆停止转动。
④注射座后移与制品取出 螺杆塑化计量结束后，注射系统后移，模具打开，利用顶出机构将已定型的制品顶出，一个注塑周期结束。
在整个成型周期中，以注射时间和冷却时间最为重要，它们对于制品成型质量有着决定性的影响。注射时间包括充模时间和保压时间两个部分。充填时间相对较短，一般在3～5s；保压时间所占比例较大，一般为20～120s（壁厚增加时则更长）。注塑机充填过程以速度控制方式完成，经过速度/压力切换点转换为压力控制方式开始保压，速度/压力切换时间的确定直接影响到制品质量。
在保压过程中，保压压力与时间的关系称为保压曲线。保压压力过高或保压时间过长，产品容易出现飞边且残余应力较高；而保压压力过低或保压时间过短，产品则容易产生缩痕，影响产品质量。因此保压曲线存在最佳值，在浇口凝固之前，通常以制品收缩率波动范围最小的压力曲线为准。
冷却时间则主要取决于制品的厚度、塑料的热性能和结晶性能以及模具的温度。冷却时间过长，会影响成型周期，降低生产力；冷却时间过短，将造成产品粘模，难以脱模，且成品未完全冷却固化便脱模，容易受外力影响而引起变形。成型周期中其他时间则与注塑机自［8］身性能及自动化程度有关。
注射成型技术是根据金属压铸成型原理发展而来的。随着科技的不断进步，注射成型工艺不断创新，诸如注射压缩成型、注拉吹成型、气体或水辅助注射成型、传递模塑成型（RTM技术）、反应注射成型、［9］微发泡注射成型、多组分注射成型、微分注射成型（图1-6）、纳米注射成型等。图1-6 微分注射成型技术（2）滚塑成型技术［10］
滚塑成型技术（又叫旋塑成型技术），是顺应大型塑料制品的市场需求而出现的特种高分子制品模塑成型技术，是一种在高温、低压条件下制造中空塑料制品的工艺方法。它适用于模塑表面纹理精细、形状复杂的大尺寸及特大尺寸中空制品，且所加工制造的产品具有壁厚均匀、尺寸稳定、无残余应力、无成型缝、无边角废料等优点。
滚塑成型过程主要分为填充、加热、冷却、脱模4个阶段（见图1-7），具体如下。
①填充 将依据科学计算后所需的热塑性工程塑料进行称量和预处理，以粉料或者液体的形式注入滚塑模具的型腔中。
②加热 把滚塑成型装置置于加热室中，对滚塑模具进行加热。在对滚塑模具加热的过程中，同时对内外轴（也称主副轴）按照一定的旋转速比进行旋转，使所有的粉料黏附并固化在滚塑模具型腔的内表面上。
③冷却 将滚塑模具从加热室移置于冷却室内，使得滚塑模具型腔内的热塑性粉料冷却到能够定型的温度。在此过程中需要依据物料的流动性能和制品的结构形状设置精确的冷却时间和冷却条件，并且滚塑成型装置需要保持不断地旋转。
④脱模 设置滚塑装置内外轴转速，使滚塑成型装置位于设定的开模位置，打开滚塑模具，取出制品，并作定型处理（可根据制品的结构复杂程度设计是否需要做定型处理）。图1-7 滚塑成型工艺原理
旋塑成型主要用于制造大型的塑料制品，例如，家具、皮划艇、军用包装箱等，如图1-8所示。目前的旋塑成型装备、模具及工艺技术相比于其他的塑料成型方法还比较落后，存在成型周期长、能源消耗大的问题，在很大程度上制约了旋塑技术在聚合物成型领域的广泛应用。图1-8 一些典型的旋塑产品1.2.2 3D复印的意义
在探索产业前进方向的进程中，3D打印的出现，使产品工业设计快速更新，对现代制造业生产流程产生着积极的影响。然而，3D打印以逐层堆积的方式构造产品，加工难度较大，成型效率相对较低。相对于3D打印，以注射成型为代表的3D复印在模塑成型领域则拥有着更为迫切的市场需求和广阔的应用前景。3D复印技术是将注塑成型装备作为3D复印机，实现复杂结构特征塑料制品的三维立体复制，生产过程高度自动化，效率高、速度快、制品精度高。无论是高精度产品制造还是大批量生产，3D复印技术都有着其他技术无可比拟的优势。
20世纪以来，人们的物质生活和精神生活都有了较高的要求。人们日益增长的物质文化需求必然依赖于先进的社会生产力，大批量、高精度的产品制造技术应运而生。因此，诸如注塑、滚塑等3D复印技术的出现，使得同一产品大规模生产成为可能。3D复印技术最大的特点是成型效率高。例如，在2013年德国国际橡塑展（K2013）上，Arburg（阿博格）公司推出1.85s生产64个薄壁零件的超高速注塑机，用于滴管系统的金银丝细工结构的薄壁扁平滴头制造；KraussMaffei（克劳斯玛菲）公司现场演示高速注塑瓶盖技术，注射成型周期仅为2.1s，一台设备一年可生产十几亿瓶盖，极大地提高了生产效率（图1-9）。图1-9 K2013展会推出的超高速注塑机1.3 3D打印与3D复印的区别
3D打印是以点为单位进行微滴堆叠，在成型复杂制品方面具有很大的灵活性，但是具有成型周期长、成型效率低、原料范围窄、制品精度无法满足实际生产需要等缺点，主要面向于多品种、小批量生产。目前，常规的线材3D打印机已得到大量推广应用，打印原材料主要有PLA和ABS两种，主要用于工艺品、装饰品等的成型。3D打印的应用领域延伸性很强，但是目前仍然处于概念阶段或起步阶段，例如，3D打印食品、3D打印房子、3D打印骨骼、3D打印太空零件等，相信随着3D打印技术日趋成熟，这些设想会在不久的将来得到成熟应用（图1-10）。
3D复印则以模腔为单位进行液体充填，分为一模一腔、一模多腔、嵌件注射等形式，具有成型周期短、成型效率高、原料范围宽、制品精度高等优点，但是模具制造成本较高，主要面向于单一制品、大批量生产，广泛地应用于日用品、汽车工业、航空航天、医疗器械、电子电器等领域（图1-10）。图1-10 3D打印与3D复印应用领域
在3D打印技术诞生之前，世界各地加工制造业都是以模具为生产主力。模具为加工制造业做出了巨大贡献，所以又被称为“工业之母”。3D打印工艺不需要模具，而是靠堆积成型来增材制造，就像燕子做窝，用嘴含着泥土一点点累积起来的，经过一定时间的堆积，最后形成最终作品。
3D打印与传统模具的区别如下。
传统模具：
①模具耐用性：要耐磨损，而且要经济实惠。鉴于此，大部分模具都采用钢制，有些甚至采用硬质合金制造。
②模具制造：用3D建模软件，例如，PRO/E将模具图绘制出来，经过不断调整达到最终成型效果。
③模具用途：以传统注塑和冲压产品为主。
④模具强度精度：根据用户实际需求确认强度，精度较高。
⑤模塑成型生产周期：成型时间较为快速。
3D打印技术：
①3D打印所需材料：根据用户实际需求考虑最适合的打印材料。
②3D打印成型方式：累积式，一点一点增加上去，最终打印完成作品。
③3D打印用途：小型复杂零件用3D打印可以轻松实现；大型零件，整体打印拼凑。
④3D打印强度精度：关于3D打印的强度和精度有很多综合因素，3D打印机的精度、所选材料的好坏、3D模型图的精度都决定了最终产品的精度和强度。3D打印强度和精度正在以飞快的速度在改善。
⑤3D打印生产时间：成型时间较长。
图1-11为模具实物图。图1-11 模具实物图参 考 文 献
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无论是3D打印技术还是3D复印技术，其工艺流程和纸质打印复印机是异曲同工的，都需要经过数据采集、模型分析、原料制备、样本复制等工艺过程，如图2-1所示。图2-1 3D打印与3D复印工艺2.1 数据采集
在进行3D打印或3D复印之前，都需要获取实体模型的信息，包括尺寸信息、轮廓信息、结构信息等。因此需要对三维物体进行测绘、扫描，从而得到实体样本。
对于三维实体的数据采集，传统的采集手段有现场测绘，对实体尺寸、轮廓等信息进行收集，然后得到二维图纸，进而进行三维建模或者直接加工制造。三维扫描仪的出现，使得对三维实体的数据采集变得更加简单方便。三维扫描仪能对物体进行高速高密度测量，输出三维点云（point cloud）供进一步后处理用。三维扫描仪扫描出来的点云可以通过点云处理软件转换格式输入到我们需要的各个三维软件中。如Geomagic Studio，是专门处理三维点云的软件，可以把三维点云数据处理成各种需要的格式，如STL格式，然后转到Cura、Simplify等3D打印切片软件进行模型切片和工艺参数设定，或者导入到3Dmax、CAD、Por/E、UG、CATIA、Imageware、ZBrush等三维建模软件进一步处理。
三维扫描仪的用途是创建物体几何表面的点云（point cloud），这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云创建的模型越精确（这个过程称作三维重建）。
最早出现的三维扫描仪采用接触式测量方法，如三维坐标测量机，虽然精度达到微米量级（0.5μm），但是由于体积巨大、造价高以及不能测量柔软的物体等，使其应用领域受到限制。于是出现了非接触式测量方法，主要分两类：一类是被动方式，就是不需要特定的光源，完全依靠物体所处的自然光条件进行扫描，常采用双目技术，但是精度低，只能扫描出有几何特征的物体，不能满足很多领域的要求；另一类是主动方式，就是向物体投射特定的光，其中代表技术是激光线式扫描，精度比较高，但是由于每次只能投射一条光线，所以扫描速度慢。另外，由于激光会对生物体以及比较珍贵的物体造成伤害，所以不能应用于某些特定领域。
新兴的技术是结构光非接触式扫描，属于主动方式，通过投影或者光栅同时投射多条光线，就可以采集物体的一个表面，只需要几个面的信息就可以完成扫描，其特点是扫描速度快，可编程实现。
结构光非接触式扫描是一种结合结构光、相位测量、计算机视觉的复合三维非接触式测量技术，所以又称之为“三维结构光扫描仪”。其基本原理如图2-2所示，测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图像，然后对图像进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，计算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。图2-2 三维结构光扫描仪原理
这种测量技术使得对物体进行照相测量成为可能。所谓照相测量，就是类似于照相机对视野内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图像，而三维扫描仪获得的是物体的三维信息。与传统的三维扫描仪不同的是，该扫描仪能同时测量一个面。
三维扫描仪可随意搬至工件位置做现场测量，并可调节成任意角度做全方位测量，对大型工件可分块测量，测量数据能实时自动拼合，非常适合各种大小和形状物体（如汽车、摩托车外壳及内饰、家电、雕塑等）的测量。2.2 数据处理
三维实体的数据处理主要依靠各类软件。数据处理软件分为三维建模软件、数值分析软件、点云处理软件、3D打印切片软件等。2.2.1 三维建模软件
对3D打印来讲，除了通过三维扫描仪对三维实体进行扫描外，还可以通过三维建模软件直接建模，以提高模型的准确性，便于优化设计。因为使用三维扫描仪进行实体扫描，可能会出现扫描的实体不完整，难以进行结构优化等问题，此外模型的精度受限于点云的疏密。
对于3D复印来讲，通过计算机辅助设计（CAD）的手段进行数据分析、建立模型等已经成为工程师进行机械设计的必要手段之一。通过三维建模软件，可以对模具结构进行设计与优化，减少了试模修模的次数，降低试验成本，提高工作效率。此外通过三维建模软件建立的模型，可以继续导入有限元分析软件进行计算机辅助工程设计（CAE），如结构力学分析、模流分析等，进一步优化。
三维建模软件主要是建立三维实体模型，针对所建立的三维模型进行结构优化设计，大大节省了设计的时间和精力，而且准确性更高。常见的三维建模软件有Pro/E、SolidWorks、UG（Unigraphics）、CATIA等。（1）Pro/E
①Pro/E软件概述 Pro/E是Pro/Engineer的缩写，是由美国PTC（Parametric Technology Corporation）公司开发的一款CAD/CAM/CAE一体化的功能强大的三维系统设计软件。Pro/Engineer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采用模块化方式，可以进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。
②Pro/E软件的应用范围 Pro/E在工程机械设计、分析中的应用极为广泛。在机械设计过程中，可以利用Pro/E的各种功能模块，迅速地对要加工的对象有个直观形象的认识了解。它可以应用于工作站，也可以应用到单机上。［1］
③Pro/E软件的主要特点
a.参数化设计。Pro/E是首个提出参数化设计概念的CAD软件。所谓参数化设计是相对于产品而言的，当把产品看成几何模型的时候，无论多么复杂的几何模型，都能将其分解成有限能处理的特征结构，此时可对每个特征结构进行参数化和量化。
b.基于特征建模。特征建模就是将一个无比复杂的几何模型分解，然后对其有限特征结构进行参数化。Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者在设计上提供了从未有过的简易和灵活。
c.单一数据库处理。Pro/E的单一数据库处理工作流程是指每一个独立为产品工作的资料，全来自同一个数据库。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以反应在整个设计前后过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整结合，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。（2）SolidWorks
①SolidWorks软件概述 SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，是由美国SolidWorks公司在总结和继承大型机械CAD软件的基础上，在Windows环境下实现的第一个机械CAD软件，于1995年11月研制成功。它能够十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。它主要包括机械零件设计、装配设计、动画和渲染、有限元高级分析技术和钣金制作等模块，［2］功能强大，完全满足机械设计的需求。它能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。
②SolidWorks软件的应用范围 目前，SolidWorks已经成为了领先的、主流的三维CAD解决方案，该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中。［3］
③SolidWorks软件的主要特点
a.基于特征及参数化的造型。SolidWorks装配体由零件组成，而零件由特征（例如，凸台、螺纹孔、筋板等）组成。这种特征造型方法，直观地展示人们所熟悉的三维物体，体现设计者的设计意图。
b.巧妙地解决了多重关联性。SolidWorks创作过程包含三维与二维交替的过程，因此完整的设计文件包括零件文件、装配文件和二者的工程图文件。SolidWorks软件成功处理了创作过程中存在的多重关联性，使得设计过程顺畅、简单及准确。
c.易学易用。SolidWorks软件易于使用者学习，便于使用者进行设计、制造和交流。熟悉Windows系统的人基本上都可以运用SolidWorks软件进行设计，而且软件图标的设计简单明了，帮助文件详细，自带教程丰富，又采用核心汉化，易学易懂。其他三维CAD软件学习通常需要几个月的时间，而SolidWorks只需要几星期就可以掌握。（3）UG（Unigraphics）
①UG软件概述 UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。UG是一款CAD/CAE/CAM一体化的机械工程计算机软件。它具有高性能的实体造型能力、极方便的图形显示及编辑能力。它提供了包括特征造型、曲面造型、实体造型在内的多种造型方法，同时提供了自顶向下和自下向上的装配设计方法，也为产品设计效果图输出提供了强大的渲染、材质、纹理、动画、背景、可视化参数设置等支持。
②UG软件的应用范围 UG最早应用于美国麦道飞机公司。UG的加工制造模块功能极强，它在航空制造业和模具制造业已有十几年成功应用经验，是其他应用软件无法比拟的。［4］
③UG绘图模块主要特点
a.在视图显示上，可以灵活地根据需要选择视图的数目和种类，最多时可多达6个视图。除常见的平面视图外，还包含轴测图，直观、形象。另外，UG在造型画图上的优势还在于它只在一个视图上工作（对点、线等造型），其他视图上会自动生成相应的投影几何形状。它还可以通过一些模块来达到用户所需之造型，而且省时、准确。
b.UG可以通过特殊的曲面、曲线模块伴以工作坐标系的旋转、变换来完成三维构图。二维绘图部分可以将三维实体模型直接传送到二维不同的视图中。能直接对实体作旋转、剖切和阶梯切，产生剖面图，增强了工程图绘制的实用性。
c.具有良好的二次开发工具GRIP，用户能增加一些程序来补充菜单操作的不足。它是一种类似FORTRAN的高级语言，具有对UG各模块进行操作的语句。用户可以运用GRIP语言建立和发展几何图形，可用程序控制方法执行一些复杂或重复的操作，将交互操作转化成批处理。
d.造型中的辅助功能，如标注尺寸也很简单。它通过系统本身的存储对相应的选择项稍加修改，辅以鼠标操作。可自动生成多样尺寸，尺寸的格式可以根据用户的需要来更正、变换，并保证符合标准。此外，较复杂的形位公差也能标注。
④UG制造模块的主要特点
a.该模块具有2.5～5轴的数控加工能力，可以直接加工实体造型模块生成的任何实体模型。
b.能自动检测碰刀，避免过切，可进行加工过程的动态仿真及加工路径模拟校核，能给出加工方向，并考虑生成最佳走刀轨迹。加工曲面表面光顺，只要给定刀痕高度，可自动确定刀具走刀路径和尺寸。
c.具有通用性极强的后置处理程序，能生成西门子、发那科、辛辛拉提等80多种数控机床控制系统的G代码程序，驱动机床动作，真正实现CAD/CAM集成制造。（4）CATIA
①CATIA软件概述 CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案，它作为一种CAD软件，具有强大的曲线曲面造型功能，使用［5］Automation技术提供API。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计、工程分析及仿真、数控加工和CATweb网络应用解决方案有机地结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境。
②CATIA软件的应用范围 CATIA广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域。CATIA提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。CATIA源于航空航天业，但其强大的功能已得到各行业的认可。CATIA的著名用户包括波音、宝马、奔驰等一大批知名企业，其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，从而也确定了CATIA在CAD/CAE/CAM行业内的领先地位。
③CATIA软件的主要特点
a.CATIA具有先进的混合建模技术，包括设计对象的混合建模、变量和参数化的混合建模以及几何和智能工程的混合建模。CATIA具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性无论是实体建模还是曲面造型，由于CATIA提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于CATIA来说，都是非常容易的事。
b.CATIA所有模块具有全相关性。CATIA的各个模块基于统一的数据平台，因此CATIA的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维、有限元分析、模具和数控加工的程序中。
c.并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短。CATIA提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式已不再是新鲜的概念，总体设计部门只要将基本的结构尺寸发放出去，各分系统的人员便可开始工作，既可协同工作，又不互相牵连；由于模型之间的互相连接性，使得上游设计结果可作为下游的参考，同时，上游对设计的修改能直接影响到下游工作的刷新，实现真正的并行工程设计环境。
d.CATIA覆盖了产品开发的整个过程。CATIA提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立。2.2.2 数值分析软件（1）有限元分析
有限元分析是针对结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是20世纪50年代首先在连续体力学领域——飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元分析软件目前最流行的有ABAQUS、ANSYS等。
①ABAQUS
a.ABAQUS软件概述。ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件，包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库，并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能。ABAQUS有两个主求解器模块ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。ABAQUS还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块ABAQUS/CAE。ABAQUS对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。
b.ABAQUS软件的应用范围。ABAQUS解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如，热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析等。由于其具有良好的前后处理程序以及强大的非线性求解器，在高层、大跨建筑结构和大型桥梁结构的抗震分析中的应用日趋广泛［6］
。
c.ABAQUS软件的主要特点。
• ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学、结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。
• ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。
• ABAQUS具有优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性，在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。［7］
②ANSYS
a.ANSYS软件概述。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，它融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换。ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如，应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。
b.ANSYS软件的应用范围。ANSYS软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。
c.ANSYS软件的主要特点。
• 数据统一。ANSYS使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。
• 强大的建模能力。ANSYS具备三维建模能力，仅靠ANSYS的GUI（图形界面）就可建立各种复杂的几何模型。
• 强大的求解功能。ANSYS提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。
• 强大的非线性分析功能。ANSYS具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。
• 智能网格划分。ANSYS具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。
• 良好的优化功能。
• 良好的用户开发环境。（2）模流分析
模流分析软件是对熔体充模过程进行模拟的软件，可以准确预测熔体的填充、保压和冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题并及时进行修改，而不是等到试模后再返修模具。这不仅是对传统模具设计方法的一次突破，而且在减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等方面，都有着重大的技术、经济意义。常用的模流分析软件有Moldflow、Moldex3D等。
①Moldflow
a.Moldflow软件概述。Moldflow是美国Moldflow公司开发的一款具有强大功能的专业注射成型CAE软件，该软件具有集成的用户界面，可以方便地输入CAD模型、选择和查找材料、建立模型并进行一系列的分析，同时先进的后处理技术能为用户观察分析结果带来方便，还［8］可以生成基于Internet的分析报告，方便地实现数据共享。［9］
Moldflow软件主要包括以下两部分。
• 产品优化顾问（MPA）：在设计完产品后，运用MPA软件模拟分析，在很短的时间内就可以得到优化的产品设计方案，并确认产品表面质量。
• 注射成型模拟分析（MPI）：对塑料制品和模具进行深入分析的软件包。它可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体辅助成型分析等，使设计者在设计阶段就找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率。
b.Moldflow软件的应用范围。早期，Moldflow主要应用于结构体强度计算与航天工业上。目前，Moldflow软件被广泛应用于注射成型领域中的模流分析。
c.Moldflow软件的主要特点。使用Moldflow软件能够优化塑料制品，得到制品的实际最小壁厚，优化制品结构；能够优化模具结构，得到最佳的浇口位置、合理的流道与冷却系统；能够优化注塑工艺参数，确定最佳的注塑压力、保压压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间和冷却时间，以注塑出最佳的塑料制品。
②Moldex3D
a.Moldex3D软件概述。Moldex是Mold Expert的缩写，而Moldex3D为科盛科技公司研发的三维实体模流分析软件，该软件拥有计算快速准确的能力，并且搭配超人性化的操作界面与最新引入的三维立体绘图技术，真实呈现所有分析结果，让用户学习更容易，操作更方便。
b.Moldex3D软件的应用范围。该软件可用于仿真成型过程中的充填、保压、冷却以及脱模塑件的翘曲过程，并且可在实际开模前准确预测塑料熔胶流动状况、温度、剪切应力、体积收缩量等变量在各程序结束瞬间的分布情形等。［10］
c.Moldex3D软件的主要特点。Moldex3D主要特点包括先进的数值分析算法、友好的用户界面、丰富的塑胶材料库以及高分辨率的3D立体图形显示，具体如下。
• Moldex3D首创真三维模流分析技术，经过严谨的理论推导与反复的实际验证，将惯性效应、重力效应和喷泉效应等许多现实因素加入分析考虑，并且拥有计算准确、稳定快速的优点，进行真正的三维实体模流分析，使分析结果更接近现实状况，并且大大节省工作时间。整个Moldex3D分析核心所采用的数值分析技术为特别针对三维模流分析所开发出的新数值分析法——高效能体积法，该方法不但具有传统有限元分析的优点，并且大幅度提高三维实体流动分析精确度、稳定度与分析性能，是Moldex3D三维模流分析的核心。
• 在操作界面上，Moldex3D提供高亲和力及更具人性化的直觉式视窗界面，采用图标工具栏，操作非常简便，让使用者轻松地选择模具、塑胶材料及设定射出机台，直观地得到各项分析结果，并制作最终分析报告。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]