作者：姚栋嘉,陈智勇,吕磊,等
出版社：机械工业出版社
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3D打印技术试读：
前言
在经济发展全球化的大背景下，制造技术在快速发展过程中，不断地汲取各种技术研究成果的养分，并与计算机、信息、自动化、材料、化学、生物及现代管理等学科相融合，使传统意义上的制造技术有了质的飞跃，形成了先进制造技术的新体系。
从1986年Charles Hull开发了第一台商业3D打印机算起，3D打印已经走过了30余年，蛋糕、别墅、汽车、飞机、心脏……关于3D打印应用的新闻报道不断刷新人们的想象。随着物联网、云计算、大数据等技术的不断成熟和广泛应用，“中国制造2025”“工业4.0”等工业发展战略已然兴起，推动了工业机器人、3D打印等智能制造产业的发展。我国是全球最大的工业生产国，随着国家政策的扶持和企业需求的扩大，未来3D打印将在我国工业生产制造中扮演重要的角色。
本书将系统地介绍3D打印技术，以使学生对3D打印技术在目前的大环境下所涉及的前沿技术领域和最新科技成果，有一个全面的认识，着重培养学生的思维创造和设计能力。本书编写过程中力求体现理论结合实际的特色，并注重新技术的普及与推广。本书编写模式新颖，采用团队通力协作、校企深度合作的模式完成。
全书共8章，由河南泛锐复合材料研究院有限公司组编。参加编写人员及具体分工如下：河南泛锐复合材料研究院有限公司的杨红霞编写了第1、第3章，韩硕编写了第2章，高阳编写了第8章；河南工业大学的吕磊编写了第4~第7章。全书由河南泛锐复合材料研究院有限公司的姚栋嘉、洛阳理工学院陈智勇统稿，由西北工业大学曾庆丰教授主审。
3D打印技术涉及众多学科，发展日新月异，由于编者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正。编者第1章 绪论
教学要点
课前准备
在生活中，我们可以使用普通打印机将计算机设计的平面物品打印出来。3D打印机与普通打印机的工作原理基本相同，打印材料却存在差异，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有塑料、陶瓷、金属、砂等不同的“打印材料”，是确确实实的原材料。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，最终把计算机上的蓝图变成实物。
那么3D打印机是否是近年来才出现的技术呢?3D打印机的具体工作原理是什么?能应用于哪些行业?同学们带着这些问题，开始本章内容的学习。1.1 3D打印的发展概况
1.1.1 国际3 D打印的发展概况
3D打印技术的核心制造思想最早起源于19世纪末的美国，到20世纪80年代后期3D打印技术发展成熟并被广泛应用。
1984年，Charles Hull发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术。
1986年，Chuck Hull发明了立体光刻工艺，并获得利用紫外线照射将树脂凝固成型来制造物体的专利。随后，他成立了一家名为“3D Systems”的公司，开始专注发展 3D 打印技术。1988年，该公司生产出世界上首台以立体光刻技术为基础的3D打印机 SLA-250，体型非常庞大。
1988年，美国人Scott Crump发明了一种新的3D打印技术—— 熔融沉积成型。该技术适用于产品的概念建模及形状和功能测试，不适合制造大型零件。
1989年，美国人C.R.Dechard发明了选择性激光烧结技术，该技术的特点是选材范围非常广泛，如尼龙、蜡、ABS树脂（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、金属和陶瓷粉末等都可以作为原材料。
1992年，美国人Helisys发明层片叠加制造技术。
1995年，Z Corporation获得MIT的许可，开始着手开发基于3DP技术的打印机。
1996年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation（以下简称Z Corp）各自推出了新一代的快速成型设备，而后快速成型便有了更加通俗的称呼——“3D打印”。
2005年，Z Corp公司推出世界上第一台高精度彩色3D打印机Spectrum Z510。
2011年，英国南安普敦大学的工程师们成功设计并试驾了全球首架3D打印的飞机。
2012年，荷兰医生和工程师们采用LayerWise制造的3D打印机，打印出一个定制的下颚假体。
2015年3月，美国Carbon 3D公司发布了一种新的光固化技术——连续液态界面制造（Continuous Liquid Interface Production，CLIP），该技术利用氧气和光连续地从树脂材料中制出模型，比之前的3D打印技术要快25~100倍。
21世纪以来，3D打印技术发展非常迅速，很多国家都已加入到3D打印技术的研发与应用队伍中来。
2011年，美国总统奥巴马宣布启动“先进制造伙伴关系计划”（AMP）；2012年2月，美国国家科学与技术委员会发布了《先进制造国家战略计划》；2012年3月，奥巴马又宣布实施投资10亿美元的“国家制造业创新网络计划”（NNMI）。在这些战略计划中，均将增材制造技术列为未来美国最关键的制造技术。2012年8月，作为NNMI计划的一部分，奥巴马宣布联邦政府投资3000万美元成立国家增材制造创新研究所（NAMII），致力于增材制造技术和产品的开发，以保持美国的领先地位。
欧洲也十分重视3D打印技术的研发应用，英国《经济学人》杂志是最早将3D打印称为“第三次工业革命的引擎”的媒体；2013年10月，欧洲航天局公布了“将3D打印带入金属时代”的计划，主要利用3D打印技术为宇宙飞船、飞机和聚变项目制造零部件，最终的目标是利用3D打印技术实现整颗卫星的整体制造；德国将“选择性激光熔结技术”列入德国光子学研究计划。
日本持续不断地尝试将本国已取得的技术成果推广和应用到工业中，致力于推动3D打印产业链后端；澳大利亚于2013年制定了金属3D打印技术路线，并于当年6月揭牌成立中澳轻金属联合研究中心（3D打印）；南非政府着眼于大型3D打印机的研制和开发，协同发展核心激光设备研制与扶持激光技术。
1.1.2 我国3 D打印的发展概况
1988年，颜永年正在美国加州大学洛杉矶分校做访问学者，偶然得到了一张工业展览宣传单，上面介绍了快速成型技术。颜永年回国后，就转攻快速成型技术领域，他多次邀请美国学者来华讲学，并建立了清华大学激光快速成型中心。
1992年，西安交通大学卢秉恒教授（国内3D打印技术的先驱人物之一）赴美做高级访问学者，发现了快速成型技术在汽车制造业中的应用，回国后随即转向研究这一领域，于1994年成立了先进制造技术研究所。
1998年，清华大学的颜永年又将快速成型技术引入生命科学领域，提出生物制造工程学科概念和框架体系，并于2001年研制出生物材料快速成型机，为制造科学提出一个新方向。
我国3D打印的起步并不晚，对3D打印的研发已经有20多年的探索和积累，在核心技术方面具有先进的一面，但是在产业化方面的发展稍显滞后。
扩展阅读
近年来，我国积极探究3D打印技术，并已初步取得成效。自20世纪90年代初以来，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校在3D打印设备制造技术、3D打印材料技术、3D设计与成型软件开发、3D打印工业应用研究等方面开展了积极的探索，已有部分技术处于世界先进水平。我国地方政府也非常重视3D打印产业，珠海、青岛、双流、南京等地先后建立了多个3D打印技术产业创新中心和科技园。1.2 3D打印的基本概念
3D打印（3D Printing）技术又称为增材制造或增量制造（Additive Manufacturing），指基于三维数学模型数据，通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术。3D打印实现过程如图1-1所示。图1-1 3D打印实现过程
增材制造技术起步于20世纪90年代前后,经过短短二十几年的发展，迅速成长为现代制造业的核心技术。简单来说，3D打印机就是可以“打印”出真实三维物体的设备，通过分层、叠层以及逐层加料的方式做出立体实物。随着堆叠方式种类的增多，3D打印技术也呈现出各种各样的成型方式，且不同技术所用的打印材料以及成型构件的样式也各不相同，但其成型的基本原理都是离散-堆积，属于由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。3D打印的工作原理如图1-2所示。
简单来讲，3D打印的基本过程分为四步，如图1-3所示。
1）建模。通俗来讲，3D建模就是通过三维制作软件在虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型。
2）切片处理。切片的目的是将模型用片层的方式来描述。切片就是把3D模型切成一片一片的形状，设计好打印的路径，并将切片后的文件储存成.gcode格式（一种3D打印机能直接读取并使用的文件格式）。然后通过3D打印机控制软件，把.gcode文件发送给打印机并控制3D打印机的参数、运动使其完成打印。
3）打印过程。启动3D打印机，通过数据线、SD卡等方式把STL格式的模型切片得到gcode文件传送给3D打印机，同时装入相应的3D打印材料，调试打印平台，设定打印参数，然后打印机开始工作，材料会一层一层地打印出来。层与层之间以各种方式粘合起来。就像盖房子一样，砖块是一层一层的，但累积起来后就形成一个立体的房子。最终经过分层打印、层层粘合、逐层堆砌，一个完整的物品就会呈现出来。图1-2 3D打印的工作原理图1-3 3D打印的基本过程
4）后期处理。3D打印机完成工作后，取出物体，根据不同的使用场景和要求进行后期处理。例如，在打印一些悬空结构时，需要有个支撑物，然后才可以打印悬空上面的部分，对于这部分多余的支撑需要通过后期处理去掉。有时候打印出来的物品表面会比较粗糙，需要抛光；有时需要对打印出来的物体进行上色处理，不同材料需要采用不一样的颜料；有时为加强模具成型的强度，需进行静置、强制固化、去粉、包覆等处理。1.3 3D打印的特点
3D打印不需要机械加工或模具就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，使得产品的生产周期极大地缩短，从而提高生产率。
1）利用计算机辅助制造技术、现代信息技术以及新材料技术等，通过综合集成的方式构成完整的生产制造体系。
2）3D打印技术具有设计和制造高度一体化的特点。3D打印技术属于一种自动化的成型过程，它不受产品结构复杂程度等因素的限制，可以制造出任意形状的三维物品。
3）3D打印技术的生产过程具有高度柔性化的特点。在此过程中，能够根据客户的需求对产品品种和规格等进行相应调整，在调整的过程中只需要改动CAD模型，重新设计相关参数，不仅能够确保整个生产线快速响应市场变化，同时还有可调节性作为支撑，进一步保障了生产质量。
4）3D打印技术具有生产速度快的特点。应用该打印技术不仅能够提升产品成型的速度，而且还能缩短加工周期，从而使设计人员能够在短时间内将设计思想物化成三维实体，便于对其外观形状以及装配等展开测试。
5）3D打印材料具有相应的广泛性。3D打印技术所应用的材料广泛性较强，金属、陶瓷、塑料、橡胶等材料都适用于打印生产操作。
具体来讲，与传统制造对比，3D打印具有以下八大优势：
1）降低产品制造的复杂程度。传统制造业通过模具及车、铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以生产产品。与传统制造不同的是，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。
2）扩大生产制造的范围。3D打印技术不需要复杂的工艺、庞大的机床、众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任意形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸，可以造出任何形状的实物。
3）缩短生产制造时间，提高生产率。根据模型的尺寸以及复杂程度，传统方法制造出一个模型通常需要花费数小时到数天时间，但是采用3D打印技术，根据打印机的性能、模型的尺寸和复杂程度，则可以将时间缩短为数小时到数十分钟。
4）减少产品制造的流程。实现了近净成型，极大地减少了后期辅助加工量，避免了委外加工时数据泄密和时间跨度问题，特别适合一些高保密性的军工、核电等行业。
5）即时生产且能满足客户个性化需求。3D打印机可以按需打印，即时生产，从而减少企业的实物库存。企业还可以根据客户订单使用3D打印机制造出定制的产品满足其个性化需求。
6）开发更加丰富多彩的产品。用传统制造技术制造的产品形状有限，制造形状的能力受所使用工具的限制。3D打印机可以突破这些局限，充分发挥设计的空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状物品。
7）提高原材料的利用效率。与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。
8）提高产品的精确度。扫描技术和3D打印技术将共同提高实体和数字世界之间形态转换的分辨率，可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。
从本质上来讲，3D打印技术与传统制造业有很大差异。传统制造业通过对原材料进行磨削、腐蚀、切割以及熔融等处理后，各个零部件通过焊接、组装等方法形成最终产品，其制造过程烦琐复杂，消耗大量人力和物力。对3D打印技术来说，可直接参照计算机提供的图像数据，再利用添加材料的方式即可生成想要的实物模型，不需要原坯和模具，产品的制造过程更简单，所制作的成品具有高效率低成本的优势，给人们带来了极大的便利。3D打印技术与传统制造技术的主要差异见表1-1。表1-1 3D打印技术与传统制造技术的比较
相对传统制造技术来讲，3D打印技术是一次重大的技术革命。它可以解决传统制造业所不能解决的技术难题，对传统制造业的转型升级和结构性调整将起到积极的推动作用。然而传统制造业所擅长的批量化、规模化、精益化生产，恰恰是3D打印技术的短板。从技术上分析，目前3D打印技术只能根据对物品外部扫描获得的数据或者根据CAD软件设计的物品数据打印出产品，并且只能用来表达物品外观几何尺寸、颜色等属性，无法打印产品的全部功能。因此，从成本核算、材料约束、工艺水平等多方面因素综合比较来看，3D打印并不能够完全代替传统的生产方式，而是要为传统制造业的创新发展注入新鲜动力。1.4 3D打印的应用领域
近年来，3D打印技术发展迅速，应用领域几乎遍及所有领域，已经成为现代模型、模具和零部件制造的有效手段，尤其在航空航天、国防军工、生物医药、家电、建筑工程、教学研究和农用工具、大众消费等领域得到一定的应用，并取得了良好的效果。
1.4.1 3D打印在汽车行业的应用
与人们生活息息相关的汽车业也受到了3D打印技术的影响。3D打印技术为汽车制造业注入了新的血液，不仅是汽车零部件的设计与制造，而且汽车外观造型、内部结构或汽车内饰功能上的设计，都在不同程度上应用了3D打印技术。目前3D打印技术在汽车设计中的应用主要集中在概念模型开发、功能验证原型制造、工具制造及小批量定制型成品的生产四个阶段。
在国外的汽车制造领域，3D打印技术的应用已经相对比较成熟，有很多成功的案例。2013年世界首辆3D打印汽车Urbee（见图1-4）问世，整个车身采用3D打印技术一体成型，具有其他片状金属材料所不具有的可塑性和灵活性。整车的零件打印只需2500h即可完成，工人需要做的只是把所有打印好的零部件组装在一起，生产周期远远快于传统汽车制造周期。新版的Urbee2则只需要50个3D打印的零部件即可，而传统标准汽车则需要由上千个零件组装而成。图1-4 世界首辆3D打印汽车Urbee（图片来源：网易汽车）
1.4.2 3D打印在武器装备领域的应用
在武器装备领域，3D打印应用主要集中在武器设计创意验证和模具制作方面，可以直接打印一些特殊、复杂的结构件，同时有效实现结构件的轻量化。在世界各国的广泛关注与大力推进下，3D打印技术的发展与应用不断取得突破，对武器装备的发展也产生了深远影响。
3D打印可用于武器装备的设计。3D打印技术不需要传统制造方式的铸锭、制胚、模具、模锻等过程，可以直接快速、低成本地进行原型机生产，且整个生产过程可随时修正、随时制造，在短时间内就可进行大量的验证性试验，从而显著降低研制风险、缩短研制时间、降低研制费用。例如，某外国公司通过引入3D打印技术，将坦克外置装备的制造成本从每单件10万美元降至4万美元以下。
3D打印还可用于武器零部件的维修和更换。在战场上难以预测装备受损情况，依靠备件或供应链容易产生保障不足或过量的情况。3D打印技术具备快速制造不同零部件的能力，只要有电子设计图样及打印材料，就可根据需要快速地打印出各种部件。图1-5所示为3D打印的坦克观望机架。图1-5 3D打印的坦克观望机架（图片来源：stratasys公司官网）
1.4.3 3D打印在航空航天领域的应用
航空航天领域正在利用3D打印来改善资产的分配，减少维护费用，并通过制备更轻的部件节省燃料成本。航空航天装备的零部件生产遍布世界各地，这些零部件可能需要几周时间才能运送到装配厂，如果是突发性的紧急事件，将严重的影响装备的测试或应用。使用3D打印技术现场打印组件，就能省去运输时间，减少供应链中的摩擦，也能减少工厂的库存。例如，波音公司已经使用3D打印机为其787飞机生产环境控制管道（ECD）。通过3D打印，可以将ECD作为一体，不需要组装。而且由于3D打印件的质量减小，从而可使飞机节省燃料。3D打印对于航空航天装备中的具有复杂内部结构的零件特别有效，图1-6所示为3D打印的形状复杂的金属机翼支架。图1-6 3D打印的金属机翼支架（图片来源：EADS公司官网）
1.4.4 3D打印在医疗行业的应用
3D打印最令人鼓舞的应用行业是在医疗行业，3D打印具有挽救生命或大幅改善医疗条件的潜能。可利用3D打印技术使用金属、塑料等非活体组织材料定制生产假肢、牙齿模具、骨科植入物、助听器外壳等医疗器械，如图1-7所示为3D打印的牙齿模具，但这些都属于3D打印技术在医疗行业应用的初级阶梯。3D打印血管、软骨组织这类单一的活体组织属于中级阶梯。3D打印人工肝脏、心脏等人工器官则属于顶级阶梯。无论是人造血管、软骨组织，还是肝脏、心脏等器官，其核心都是特定类型细胞的分离（或定向诱导）和大规模扩增。而3D打印技术在人工组织、器官培养过程中更多地承担了三维形状的构建任务，即让人体细胞按照预先设计的形状生长。图1-7 3D打印的牙齿模具（图片来源：Stratasys公司官网）
1.4.5 3D打印在建筑行业的应用
3D打印建筑的发展将对人们的未来生活产生巨大的影响。3D打印在建筑领域的应用主要集中在建筑设计阶段和工程施工阶段。
在建筑设计阶段，建筑的设计工作引入3D打印技术后设计师们能够对很多建筑创意想法进行实践，提高多种不同建筑类型实施的可行性，对现实的施工具有较强的指导作用。其次，运用3D打印技术能够对局部进行特殊设计提前做出有效的预估，获得最直观的感受，并提前设定好相应的辅助措施，弥补不足之处，确保建筑工程的质量。图1-8所示为3D打印的建筑模型。
在工程施工阶段有效应用3D打印技术，可以极大地缩短工期，提供高质量的应急住房。2016年5月全球首座使用3D打印技术建造的办公室（见图1-9）在阿联酋迪拜国际金融中心落成。图1-8 3D打印的建筑模型（图片来源：hk3Dprint公司官网）图1-9 3D打印技术建造的办公室（图片来源：新华网）
1.4.6 3D打印在服装行业的应用
3D打印在服装行业的运用，改变了以往布料难以塑造的立体造型，给人们带来了焕然一新的视觉冲击。3D打印的使用给了设计师充分的想象空间，能够让设计师在产品形态创意和功能创新方面不受约束，挥洒自如，给服装制造业带来空前的发展机遇。
如图1-10所示，3D打印技术打破了传统产品设计的限制，利用计算机能够实现传统工艺得不到的线条，选择不同的制造材料，根据客户自己的想法、个人喜好等不同的需求进行定制，使得传统制造业无能为力的产品成为可能。
在减少库存、节约成本方面，3D打印技术在生产成品之前基本无须任何材料的消耗，同时可以循环使用生产资料，如果想要改进已生产出来的产品，可以将原材料（或旧材料）粉碎再打印。同时，3D打印可以打印单个产品，不像工厂那样需要大批量生产。3D打印技术在服装行业的应用能够节省能源，减少浪费，多次利用资源，简化生产过程。图1-10 3D打印设计的衣服（图片来源：雷锋网）
1.4.7 3D打印在食品行业的应用
合理的膳食不仅能满足人体的生长、发育和各种生理、体力活动的需要，而且还能保障不同年龄段人群的健康，减少疾病的发生。而多材料食品3D打印技术将成为解决膳食平衡问题的有效措施。3D打印技术将为食品领域带来全新的概念和动力。
3D打印技术可用于提供健康食品。通过对材料盒中的食物原料进行科学合理的配置，3D打印技术可以打印出适用于青少年、老人、孕妇及各类病患者不同营养需求的食品。
3D打印技术可用于航空食品。载人航天技术面临着保障航天员在太空环境中长期生活的难题，然而3D打印机中的材料盒可以存放碳水化合物、蛋白质、色素、调味剂及微量元素等营养成分，保质期可长达30年，完全杜绝了食材变质和浪费的现象，从而为宇航员们提供了保质期更长久的食物。
3D打印技术可用于个性化需求。3D打印技术不仅可以制造出传统食品生产技术无法制造出的外形，而且还可以简化生产过程，快速有效又低成本地生产出单个物品。图1-11所示为3D打印出的食物。
1.4.8 3D在教育行业的应用
3D打印技术可用于教学模型的制作周期和方式的革新。当前，教学工具和仪器一般由专门的教学设备制作机构制作发行，更新慢；多媒体课件中展示的教学内容模型也无法使学生直接接触和观察教学。每位教师都可以使用3D打印方便地打印模型，以有形的三维格式展示教科书中提取的二维信息，并可以自行设计个性化的教学模型进行教学。同时，3D打印可以用于制作特殊的教学模型，特别是像医学解剖、有毒材料、文物古迹等难以获取的模型。图1-11 3D打印出的食物（图片来源：Biozoon公司网站）
3D打印技术可用于创新课程设计。很多学科可以通过3D打印制作相关的模型，更加形象地进行课程内容的学习和试验设计。在教学活动中，生动的DIY （自己动手制作）和立体化的学习方式越来越受到学生的喜爱。在机械设计和工业设计等专业，3D打印机能够直接创建出三维外观原型，使学生们能够更直观地评估自己的设计。1.5 3D打印的就业方向
近年来，随着3D打印行业的快速发展和广阔的市场前景，很多企业开始涉足其中，对3D打印专业人才的需求也越来越旺盛。据有关机构统计，目前我国3D打印行业的专业人才缺口超过千万人，其中制造行业对3D应用人才需求最大，缺口约为800万人，且需求还在不断攀升。
3D打印技术的特点决定了3D打印行业对人才的综合性特殊要求。例如：3D打印的技术研究和材料开发，主要需高层次专业技术人才；3D打印设备的研发生产主要需要更多涉及机械加工制造领域的人才；3D打印应用服务则主要需要具备一定的工业设计、计算机软件编程等能力的技术应用人才。下面具体介绍3D打印不同的岗位需求。
1.3D打印研发岗位
3D打印研发人员主要根据企业产品开发计划，参与3D打印机的系统研发工作，对新产品进行调试，对原有产品进行改进和功能优化，具体岗位职责和任职资格见表1-2。表1-2 3D打印研发岗位
2.3D打印设计岗位
3D打印设计人员主要根据企业产品开发计划，参与产品模型设计和模型数据的处理工作，开展市场调研，收集相关技术、产品信息，为产品设计决策提供信息支持，具体岗位职责和任职资格见表1-3。表1-3 3D打印设计岗位
3.3D打印操作岗位
3D打印操作工程师主要负责3D打印机等机械设备的操作和产品生产，依据产品的特点和要求，选择合适的耗材投入使用，对生产的产品质量负责，具体岗位职责和任职资格见表1-4。表1-4 3D打印操作岗位
4.3D打印质检岗位
3D打印质检工程师主要负责对3D打印耗材进行质量检查，对3D打印的生产过程和生产的产品数量和质量进行检查，对于不符合要求的产品，应做出相应处理并及时反馈，具体岗位职责和任职资格见表1-5。表1-5 3D打印质检岗位（续）
5.3D打印上色岗位
3D打印上色工程师主要根据不同的3D打印产品的设计要求，对打印后的产品按要求进行上色，使产品色泽鲜亮，提高打印效果，具体岗位职责和任职资格见表1-6。表1-6 3D打印上色岗位
6.3D打印销售岗位
3D打印销售人员主要负责企业品牌的推广和产品的线上线下销售，通过有效的方法开拓市场，对客户关系进行维护和管理，具体岗位职责和任职资格见表1-7。表1-7 3D打印销售岗位（续）
本章小结
本章学习了3D打印的相关基本知识；了解了3D打印的发展历程；学习了3D打印的定义；明白了3D打印技术是基于三维数学模型数据，通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术。重点学习了3D打印的基本原理、基本流程及特点；了解了3D打印技术在各个行业的应用概况；了解了3D打印就业的岗位需求，以及岗位的职责和任职资格。
课后练习
1.列举3D打印技术在生活中的应用。
2.与传统制造工艺相比，3D打印技术的优点有哪些?第2章 3D打印主流工艺
教学要点
课前准备
传统的制造在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起，而随着多材料3D打印技术的发展，则可以将不同原材料融合在一起。以前无法混合的原料混合后将形成新的材料，这些材料色调种类繁多，具有独特的属性或功能。随着多种新材料的产生，就会有相应的技术与之匹配。
那么3D打印有哪些技术工艺?这些工艺的原理和适应的材料是什么?同学们带着这些问题，开始本章内容的学习。
经过几十年的发展，目前已经开发出多种3D打印技术路径，从大类上划分为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型和其他成型几大类，见表2-1。挤出成型主要代表技术路径为熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）；粒状物料成型技术路径主要包括电子束熔化成型（Electron Beam Melting，EBM）、选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）、三维打印黏结成型（Three Dimension Printing，3DP）、选择性热烧结（Selective Heat Sintering,SHS）等；光聚合成型主要包括光固化成型（Stereo Lithography Appearance, SLA）、数字光处理（Digital Light Processing,DLP）；其他技术包括激光熔覆快速制造技术（Laser Engineering Net Shaping, LENS）、微滴喷射技术（Droplet Ejecting Technology，DET）、熔丝制造（Fused Filament Fabrication, FFF）、熔化压模（Meltedand Extrusion Modeling，MEM）、叠层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）等。表2-1 3D打印主要方式
其中熔融沉积成型（FDM）、光固化成型（SLA）、叠层实体制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）、三维打印黏结成型（3DP）、电子束熔化成型（EBM）为主流技术。熔融沉积成型（FDM）工艺一般是热塑性材料，以丝状形态供料，材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，被挤出的材料迅速凝固，并与周围的材料凝结；光固化成型（SLA）又称立体光刻、光成型等，是一种采用激光束逐点扫描液态光敏树脂使之固化的快速成型工艺；叠层实体制造（LOM）工艺是快速原型技术中具有代表性的技术之一，是基于激光切割薄片材料、由粘结剂黏结各层成型；选择性激光烧结SLS工艺，采用红外激光作为热源来烧结粉末材料，并以逐层堆积方式成型三维零件的一种快速成型技术；三维打印黏结成型工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘结剂将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。电子束熔化成型（EBM）主要采用钛合金粉末成型。微滴喷射技术（DET）突破了其他快速成型技术在材料上的限制，不仅可以成型低熔点的非金属材料，而且可以成型高熔点的金属材料。2.1 熔融沉积成型
熔融沉积成型又称为熔丝沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM），由Scott Crump于20世纪80年代发明，美国Stratasys公司在世界发达国家注册了专利。在3D打印技术中，FDM的机械结构最简单，设计也最容易，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此FDM技术是目前应用最广泛的3D打印技术。
2.1.1 熔融沉积成型的原理
FDM是将丝状热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料熔化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。FDM工艺的原理如图2-1所示，FDM切片软件自动将3D模型（由CATIA或UG、Creo等三维设计软件得到）分层，生成每层的模型成型路径和必要的支撑路径。材料的供给分为模型材料和支撑材料。相应的热熔头也分为模型材料喷头和支撑材料喷头。图2-1 FDM工艺的原理
如图2-2所示,熔融沉积造型技术加工的每一个产品，从最初的造型到最终的加工完成主要经历的过程如下：（1）成型件的三维CAD建模 三维CAD模型数据是成型件真实信息的虚拟描述，它将作为快速成型系统的输入信息，所以在加工之前要先利用计算机软件建立好成型件的三维CAD模型。这种三维模型可以通过CATIA、UG或Creo等三维设计软件来完成，这些软件都具有通用性。（2）三维CAD模型的近似处理 由于要成型的零件通常都具有比较复杂的曲面，为便于后续的数据处理，减小计算量，首先要对三维CAD模型进行近似处理。近似处理的原理是用很多的小三角形平面来代替原来的面，相当于将原来的所有面进行量化处理，而后用三角形的法矢量以及它的三个顶点坐标对每个三角形进行唯一标识，可以通过控制和选择小三角形的尺寸来达到所需要的精度要求。（3）三维CAD模型数据的切片处理 快速成型实际完成的是每一层的加工，然后工作台或打印头发生相应的位置调整，进而实现层层堆积。因此，要得到打印头的每层行走轨迹，就要获得每层的数据。对近似处理后的模型进行切片处理，就是提取出每层的截面信息，生成数据文件，再将数据文件导入到快速成型机中。切片时切片的层厚越小，成型件的质量越高，但加工效率变低；反之，则成型质量低，加工效率提高。图2-2 FDM工艺流程（4）实际加工成型 快速成型机在数据文件的控制下，打印头按照所获得的每层数据信息逐层扫描，一层一层地堆积，最终完成整个成型件的加工。（5）成型件的后处理 从打印机中取出的成型件，还要进行去支撑、打磨、抛光等处理，进一步提高打印的成型质量。
2.1.2 熔融沉积成型的特点
FDM技术是基于层层堆积成型的工艺过程，它具有以下优点：
1）制造系统可用于办公环境，没有毒气或有毒化学物质的危害。
2）可快速构建瓶状或中空零件。
3）与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，丝材更加清洁，易于更换和保存，不会在设备中或附近形成粉末或液态污染。
4）概念设计原型的三维打印对精度和物理化学特性要求不高，其具有明显的价格优势。
5）可选用多种材料，如可染色的ABS、医用ABS、聚酯（PC）、聚砜（PPSF）、PLA和聚乙烯醇（PVA）等。
6）后处理简单，仅需要几分钟到十几分钟的时间，剥离支撑后原型即可使用。
经过了几十年的发展，FDM 3D打印机虽然得到广泛的应用，但它仍存在很多不足之处，具体如下：
1）成型精度低、打印速度慢。这是FDM 3D打印机的主要限制因素。
2）控制系统智能化水平低。采用FDM技术的3D打印机操作相对简单，但在成型过程中仍会出现问题，这就需要有丰富经验的技术人员操作机器，以便随时观察成型状态。因为当成型过程中出现异常时，现有系统无法进行识别，也不能自动调整，如果不去人工干预，将无法继续打印或将缺陷留在工件里的效果，这一操作上的限制影响了FDM 3D打印的普及。
3）打印材料限制性较大。目前在打印材料方面存在很多缺陷，如FDM用打印材料易受潮，成型过程中和成型后存在一定的收缩率等。打印材料受潮将影响熔融挤出的顺畅性，易导致喷头堵塞，不利于工件的成型；塑性材料在熔融后的凝固过程中，均存在收缩性，这会造成打印过程中工件的翘曲、脱落和打印完成后工件的变形，影响加工精度，造成材料浪费。
2.1.3 熔融沉积成型用材料
FDM工艺要求成型材料熔融温度低、黏度低、粘接性好和收缩率小。熔融温度低是为了方便加热；材料的黏度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利挤出。如果材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成形精度。材料的收缩率会直接影响到最终成型制品的质量，收缩率越小越好。根据熔融沉积成型的要求，目前可以用来制作线材或丝材的材料主要有石蜡、塑料、尼龙丝等低熔点材料和金属、陶瓷等。目前市场上普遍可以购买到的线材包括ABS、PLA、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等，其中ABS和PLA最为常用。图2-3所示为使用ABS打印的模型，图2-4所示为使用PLA打印的坦克玩具模型。表2-2列举了ABS和PLA材料的性能特点和区别。图2-3 FDM工艺使用ABS打印的模型（图片来源：Form 1 打印的产品模型）图2-4 FDM工艺使用PLA打印的坦克玩具模型（图片来源：中关村在线）表2-2 ABS和PLA材料的性能特点和区别
除了以上的材料之外，FDM工艺还要用到一种十分重要的材料——支撑材料。支撑材料是在3D打印过程中对成型材料起到支撑作用的部分，在打印完成后，支撑材料需要进行剥离，因此也要求其具有一定的性能。目前采用的支撑材料一般为水溶性材料，即在水中能够溶解，方便剥离，FDM技术对支撑材料的要求见表2-3。表2-3 FDM技术对支撑材料的要求
总而言之，FDM对支撑材料的具体要求有能够承受一定的高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性要好等。
由于在加工过程中不涉及激光技术，整体设备体积较小，耗材获取较为容易，打印成本也相对较低，因此FDM技术路径是面向个人的3D打印机的首选技术。通过采用FDM技术的3D打印机，设计人员可以在很短的时间内设计并制作出产品原型，并通过实体对产品原型进行改进。与传统的计算机建模相比，FDM技术能够真实地将实物展现在设计人员的面前。同时,FDM技术也可以在各种文娱创意领域中广泛应用，能够满足人们对一些产品的个性化定制服务。随着人民生活水平的提高，这种需求将不断增加。随着FDM技术研究的不断加深，其相应的应用缺陷将得以改进，其应用范围将得到极大的拓展。2.2 选择性激光烧结
1986年美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard提出了选择性激光烧结（Selective Laser Sintering , SLS）的思想，并于1989年获得了第一个SLS技术专利。1992年美国DTM公司推出商品化SLS成型机，同时开发出多种烧结材料，可直接制造蜡模、塑料、陶瓷和金属零件。该技术在新产品的研制开发、模具制造、小批量产品的生产等方面均具有广阔的应用前景，SLS技术在短时间内得以迅速发展，已成为技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。图2-5所示为使用SLS成型工艺打印的产品模型。
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