3D打印：原理、技术与应用

目　录
第1　章 引论 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　1
第２章　3D 打印技术的起源与发展 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　6
2．1　3D 打印技术的基本原理与起源 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　6
2．2　3D 打印技术国内外发展现状 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　10
2．2．1　国外3D 打印技术的发展现状 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　10
2．2．2　国内3D 打印技术的发展现状 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　11
2．3　3D 打印技术与中国制造2025 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　13
2．3．1　中国制造2025 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　13
2．3．2　3D 打印与中国制造2025 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　14
第３章　3D 打印机系统结构与控制系统 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
3．1　通用3D 打印机硬件系统概述 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　19
3．1．1　3D 打印机机械结构系统 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　20
3．1．1．1　电机 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　20
3．1．1．2　电源 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　24
3．1．1．3　导轨 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　25
3．1．1．4　丝杠 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　25
3．1．1．5　加热板 热床 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　27
3．1．1．6　挤出机 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　28
3．1．1．7　机身结构 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　30
3．1．2　3D 打印机硬件控制系统 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　36
3．2　通用3D 打印机软件控制系统 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　38
第4　章 3D 打印技术及材料分类与应用 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．43
4．1　3D 打印技术分类 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　43
4．1．1　熔融沉积成型技术 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　43
4．1．2　选择性激光烧结技术 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　44
4．1．3　激光选区熔化成型技术 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　45
4．1．4　光固化立体成型技术 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　47
4．1．5　分层实体制造技术 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　48
4．1．6　三维打印成型技术 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　49
4．1．7　其他3D 打印技术 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　51
4．2　3D 打印材料分类 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　55
4．2．1　3D 打印材料物理状态分类 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　55
4．2．2　3D 打印材料化学性能分类 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　55
4．2．3　3D 打印材料成型方法分类 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　55
4．3　各类打印材料及其应用 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　56
4．3．1　3D 打印工程塑料 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　56
4．3．2　3D 打印光敏树脂 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　58
4．3．3　3D 打印橡胶类材料 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　58
4．3．4　3D 打印金属材料 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　59
4．3．5　3D 打印陶瓷材料 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　59
4．3．6　其他3D 打印材料 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　60
4．4　我国3D 打印材料技术发展的现状与机遇 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　62
第5　章 3D 打印数据处理与通用建模软件概览 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　63
5．1　3D 打印数据处理 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　63
5．1．1　STL 格式简介 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　63
5．1．2　3D 打印数据处理流程 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　64
5．2　3D 建模通用软件简介 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　65
5．2．1　3ds Max 简介与STL 建模实例 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　65
5．2．2　UG 简介与STL 建模实例 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　70
5．2．3　Pro Engineer 简介与STL 建模实例 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　79
5．2．4　SolidWorks 简介与STL 建模实例 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　89
第6　章 3D 打印编程技术与通用算法 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　100
6．1　3D 打印编程技术简介 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　100
6．1．1　3D 打印机固件开发环境 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　100
6．1．2　3D 打印与Gcode ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　105
6．2　3D 打印技术相关算法 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　111
6．2．1　3D 打印分层切片处理 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　111
6．2．1．1　STL 切片算法 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　111
6．2．1．2　STL 文件结构与操作处理编程 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．　114
6．2．1．3　基于CuraEngine 的3D 模型切片 ．．．．．．．．．．．．．．　123
6．2．2　扫描路径生成与填充算法 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　130
6．2．3　支撑生成算法 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　137
6．2．4　成型方向与算法优化概述 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　146
第7　章 3D 打印云芯片与云切片技术 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　150
7．1　云控制芯片简介与应用 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　151
7．2　CUDA 编程技术简介 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　154
7．2．1　CUDA 概述 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　154
7．2．2　GPU 架构概述 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　157
7．2．3　CUDA 与并行计算 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　157
7．2．3．1　建立CUDA 编程环境 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　158
7．2．3．2　CUDA 编程架构优缺点 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　162
7．3　CUDA 编程实例 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　165
7．3．1　编写第一个CUDA 程序 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　165
7．3．2　CUDA 并行编程 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　167
7．4　基于CUDA 架构的3D 模型切片 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　170
7．4．1　CUDA 多核编程API 简介 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　170
7．4．2　CUDA 架构模型切片处理流程 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　172
第8　章 3D 打印云平台与个性化定制 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　175
8．1　构建3D 打印生态云平台 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　175
8．1．1　3D 打印云生态系统 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　175
8．1．1．1　云计算技术简介 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　175
8．1．1．2　基于云计算架构的3D 打印生态系统 ．．．．．．．　178
8．1．2　3D 打印生态系统用户群 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　181
8．2　云平台个性化定制服务系统 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　182
8．2．1　云创意设计中心 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　184
8．2．2　云打印中心 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　185
8．2．3　周边服务交易中心 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　187
8．3　分布式云打印与个性化定制 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　188
8．3．1　3D 打印与个性化定制 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　188
8．3．1．1　个性化市场趋势分析 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　188
8．3．1．2　个性化定制商品的市场容量 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　189
8．3．1．3　3D 打印生态系统的个性化服务流程 ．．．．．．．．　191
8．3．2　3D 打印智能制造云平台管理系统简介 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　192
第9　章 工业4．0 与3D 打印 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　197
9．1　工业4．0 概述 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　197
9．1．1　“工业4．0”概念的由来 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　197
9．1．2　“工业4．0”的核心技术与行业影响 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　199
9．2　3D 打印技术在工业4．0 中的重要作用 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　209
第10　章 3D 打印技术应用展望 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　213
10．1　3D 打印技术应用 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　213
10．1．1　3D 打印时代的生活 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　213
10．1．2　3D 打印时代的教育 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　219
10．1．3　3D 打印时代的制造 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　223
10．1．4　3D 打印时代的知识产权 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　225
10．2　3D 打印时代的机遇与挑战 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　226
10．3　4D 打印技术简介 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　228
附录A　中英文术语对照表 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　230
附录B　3D 打印机安装测试与常见故障维修 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　234
B．1　3D 打印机安装调试 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　234
B．2　3D 打印机常见故障与处理方法 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　243
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　250