王运赣，华中科技大学教授、博士生导师，国务院享受突出贡献专家，曾任华中科技大学校长助理。20世纪90年代初以来致力于快速成形及快速模具的研究，近年来着重研究微滴喷射技术在电子工业和生物医学工程中的应用，特别在喷墨打印技术应用于印制电路板制作、生物组织工程支架和义齿的制作方面取得了可喜的进展；致力于国内三维打印技术开发和研究，研发了多种国内首创的三维打印机。王宣，上海富奇凡机电科技公司总经理、总工程师。

　　《三维打印技术》介绍近年来快速发展的三维打印技术，这种技术传承了增材制造法的基本思想，是快速成形技术的延续与发展。实现三维打印技术的关键是三维打印机和三维打印自由成形工艺。三维打印机与自由成形工艺的结合特别适合于由光电子材料、生物医学材料、航空航天材料等构成的功能件的成形。
　　《三维打印技术》总结了编著者近年来有关三维打印技术的研究实践，汇集了国内外大量有关文献中的精华，系统地阐述了三维打印机的原理和结构，以及三维打印自由成形工艺和最新应用进展。
　　《三维打印技术》分为三维打印机和三维打印自由成形工艺两篇，共12章内容包括概述、喷墨黏粉式三维打印机、熔融挤压式三维打印机、压电驱动式三维打印机、气动式三维打印机、电动式三维打印机和普及式三维打印机，三维打印自由成形工艺流程、金属构件三维打印自由成形、机电器件三维打印自由成形、生物医学器件三维打印自由成形和三维打印自由成形的应用。《三维打印技术》可作为高等学校制造工程类、材料工程类、生命科学类和产品设计类院系的教材和参考书，也可作为从事有关研究、设计、制造工作的工程技术人员的重要参考资料。

　　1.3 增材制造装备的佼佼者—三维打印机
　　快速成形技术基于增材制造法原理，并为这种全新机械制造方法的实践开创了先河，5种快速成形机在制造业的发展中作出了许多贡献，特别是在新产品的设计验证方面作用显著，但是随着时代的进步，快速成形机的缺陷愈显突出，这主要表现在：
　　1.快速成形机适用的成形材料很有限
　　由于5种快速成形机的工作原理和结构等的原因，他们适用的成形材料很有限，例如，SLA使用的材料只能是特定液态光敏树脂，FDM使用的材料只能是特定直径和成分的塑料丝，最初出现的3DP使用的材料只能是特定成分的石膏粉、陶瓷粉等粉材，SLS使用的材料只能是特定成分的塑料粉、覆膜砂和金属粉等粉材，LOM使用的材料只能是特定成分的纸等。而且，保证成形机正常工作必须的最小成形材料数量相当大，无法使用小量的成形材料。甚至有的成形机的料盒上还设置了专用芯片，用户非用快速成形机制造厂商提供的有限种材料不可，否则成形机不能工作，这种为了成形机制造厂商的小利而造成的垄断，极大地阻碍了增材制造技术的应用与发展。
　　上述状况的实质是，成形材料必须顺从、适应快速成形机。因此，针对成形材料的适应能力比较，基于增材制造法的快速成形机远不如基于减材制造法的切削加工机床，从而导致快速成形的一大缺陷。
　　然而在科技飞跃发展的今天，制造业又倍加寄希望于快速成形技术。因为新材料层出不穷，特别是光电子材料、生物医学材料和航空航天材料，这些材料的成分、性能和形态各异，并且由这些新材料构成的零件多数要求有非常复杂的内外形状，包含精细的特征结构，仅用减材制造法难于获得满意的产品，迫切希望增材制造法成为减材制造法的重要补充，为此必须克服快速成形机适用成形材料的局限性。
　　基于上述情况，快速成形机制造厂商多年来想方设法研制新成形材料与相应的成形工艺，努力使材料更好地顺应快速成形机，可用的成形材料的牌号、组分、性能和适用范围有一些扩大，但是仍能有限，与用户所需的诸多成形材料相比还有很大的差距。于是突显两个难于解决的矛盾：（1）不断出现的无限种成形材料与有限种快速成形机的矛盾，如何使无限种的成形材料顺应有限种的快速成形机？（2）有限的快速成形机制造厂商与无限用户需求的成形材料和成形工艺的矛盾，有限多的快速成形机制造厂商如何提供无限多用户需求的成形材料和成形工艺？
　　由于材料是决定成形件性能的根本因素，因此，材料的局限性导致快速成形机制作的零件大多还是只能用于形体观测的样品（prototype），不是真实可用的功能构件，其机械、电气、力学、生物性能等与真实产品的要求相比还有较大的差距，只有一些快速成形件的性能符合相应真实产品的功能要求（例如，激光烧结式快速成形机制作的覆膜砂铸模、一些塑料件和金属件等），这与人们对于快速成形技术的期望大相径庭。
　　2.快速成形机的制造成本居高不下
　　由于快速成形机采用价格昂贵的激光器、扫描振镜、精密滚珠丝杆、直线导轨、伺服/步进驱动和计算机控制系统，因此快速成形机的制造成本难于下降，每台售价通常为十几万元、几十万元甚至上百万元，一般只能用于少数高等学校、研究机构和大型企业，长期未能大范围推广应用。
　　为克服快速成形机的上述缺陷，增材制造工作者付出了巨大的努力，其中最重要的有以下3方面：（1）大力拓展快速成形机的适用成形材料，以及快速成形机的应用，促进快速成形（RapidPrototyping，RP）向快速制造（RapidManufacruring，RM）发展，突出直接成形真实可用功能构件的潜能，而不是只能成形供外表观测的样品；（2）最大限度地淡化成形材料对增材制造装备的从属依存关系；（3）最大限度地降低普及式增材制造装备的成本。
　　显而易见，大力拓展快速成形机适用成形材料仍然是淡化材料对增材制造装备从属依存关系的有效出路，但是，主要依赖快速成形机制造厂商来解决成形材料与相应成形工艺的出路十分有限，在增材制造装备与成形材料发生的矛盾中，不能一味追求无限多种出现的成形材料去顺应有限种的增材制造装备，否则永远无法满足广大用户所需成形材料与工艺的快速变化和发展。为满足新时代的要求，不能只限于几种快速成形机及其应用，增材制造必须有所创新——大力研发可适用多种多样材料的先进增材制造装备，最大限度地淡化材料对增材制造装备的从属依存关系。根据国内外已经取得的成功经验，目前主要采用了以下两项技术：
　　（1）想方设法使材料转变成可喷射的“墨水（ink）”
　　将材料转变成可喷射“墨水”的主要方法有：1）用溶剂使可溶材料溶解为液态“墨水”；2）用加热使可熔材料转变为熔态“墨水”；3）用分散剂使固态（例如金属、陶瓷等）微粒转变成悬浮液、浆料、胶体等种类“墨水”；4）用喷雾装置使熔化材料或含有金属、陶瓷微粒、细胞的悬浮液、浆料转变成雾滴流“墨水”；5）用高速气流使固态微粒流化成粉粒流“墨水”。采用上述方法后，几乎各种成形材料都能转变成可喷射的“墨水”，从而为广泛材料的成形提供了极为有利的条件。
　　（2）利用微滴喷射技术（Micro-dropletjetting），通过多种型式的精细喷头来配送、操控“墨水”，使其按需喷射并逐步堆积为功能构件。微滴喷射式喷头能喷射体积小至皮升的“墨水”滴，“墨水”的类型非常广泛，增材制造装备用户或材料供应厂商可以根据成形件的需求自行配置成形材料和确定成形工艺。
　　目前已用于产品的喷头主要有压电驱动式、气动式和电动式等三大类，在此基础上，研制、生产了一批新型增材制造装备（目前主要有15种）。由于这些装备采用的微滴喷射式喷头源于二维打印机的喷墨头，因此将这些新型增材制造装备称为三维打印机，相应的成形技术称为三维打印。为表明这些新型三维打印机与最初出现的三维打印机的区别，又在“三维打印机”名称的前面加冠“先进”二字，其先进性体现在：采用这些先进三维打印机及其开放式控制软件，用户可以用成形件所需的材料，根据自己开发的工艺，成形真实可用的功能构件，从而可解决上述两个矛盾。
　　从以上叙述可见，先进三维打印是快速成形的延续与发展，“延续”是指先进三维打印继承了快速成形技术的依据——增材制造法，“发展”是指先进三维打印机大大缩小了快速成形机适用成形材料的局限，是一种新型增材制造装备。
　　本书按照三维打印机出现的时间将其分为3大类：
　　（1）传统三维打印机
　　传统三维打印机是最初（20世纪90年代）出现的三维打印机，包括：喷墨粘粉式（3DP）
　　和熔融挤压式（FDM）等2种快速成形机。
　　（2）先进三维打印机
　　先进三维打印机是近年来出现的新型三维打印机，按照实现可控喷印而施加于喷头的使
　　能动力形式可分为压电驱动式（主要适用于低粘度“墨水”）、气动式（主要适用于中低粘度“墨水”）和电动式（主要适用于高粘度“墨水”）等3大类15种。例如，目前正在大力发展的同步送粉激光熔覆式金属件直接成形机是先进三维打印机的典型代表。
　　（3）普及式三维打印机
　　普及式三维打印机是正在发展和将要发展的大众化三维打印机（目前已有几十种型式），
　　包括：工程设计用（目前售价为10000～20000美元）、简易实验用（目前售价为1000～4000美元）、学生学习用（目前售价为几百美元）和家用（售价更低）等4种类型的三维打印机，其中家用三维打印机还处于研制阶段。
　　由于三维打印机与快速成形机的渊源关系，可以将三维打印机与快速成形机合称为“广义三维打印机”（见图1.41），或者简称“三维打印机”。
　　图1.41三维打印机的类型
　　1.4三维打印与第三次工业革命
　　近来，许多学者和领导强调第三次工业革命即将到来（见图1.42），“其核心技术是制造业数字化和智能化”，这项技术“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”，“形成多品种、小批量、定制式的新型生产模式”，“三维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。”[5]。有些学者还预言：“三维打印将带来第三次工业革命”，第三次工业革命是“三维打印机为标志的革命”。今后的科技发展也许证实三维打印并不能做出如此巨大的贡献，但是切切不可轻视三维打印的作用。
　　为什么三维打印如此重要？本书作者认为：
　　1.三维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
　　第三次工业革命的一个重要内容是发展新材料，特别是生物医学材料，同时还应解决相应的新材料成形难题。如上所述，现在的三维打印机继承了增材制造方法的基本思路，并突破原有快速成形的局限，可使用的材料几乎没有限制，因此必然成为新材料成形的优选方法，为第三次工业革命提供有力的成形手段。
　　2.三维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
　　图1.42第三次工业革命（《The Economist》）
　　三维打印机成形工件的全过程包括：（1）用CAD软件设计产品的数学模型，或通过三维数字扫描机和反求软件建立产品的数学模型。（2）将产品的数学模型输入数控三维打印机，在计算机的控制下，实现产品的无模自由成形。以上过程表明，三维打印机是CAD/CAM一体化数字制造技术的典型，无需预先准备任何模具和刀具，其生产效率、品质和成本与产品的批量大小无关，因此特别适合于个性化定制生产，符合第三次工业革命中新型生产模式的需求。
　　3.三维打印机是产品创新的一种高效共性使能装备
　　实现产品创新必须有以下几个先决条件：（1）3D创造性思维，以便设计创新产品。（2）创造性思维的体现——产品的快速试制。（3）产品设计的快速修改。（4）产品的快速小批量生产，及时投放市场，快速信息反馈。显而易见，三维打印是3D创造性思维直观、快速、有效的体现手段，是实现上述条件的高效共性使能装备。
　　4.三维打印机可机能成为生命科学的最有效装备
　　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三维支架，以及如何注入人体种子细胞是组织工程的关键所在。目前出现的三维生物打印机，可以进行细胞/器官打印工艺（见图1.43），非常可能成为未来人体器官制造的重要装备。
　　图1.43打印人体器官（《The Economist》）
　　5.三维打印是普及创造性三维教育和数字制造技术教育的一种重要手段
　　许多学者认为，为迎接第三次工业革命教育必须先行，在这些教育中，创造性三维教育和数字制造技术教育尤为重要。三维打印的普及将极大地满足创造性三维教育和数字制造技术教育的需要，在全社会营造第三次工业革命的浓厚氛围。
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上篇 三维打印机
第1章 概述
1.1 减材制造法、增材制造法与快速成形
1.2 快速成形机
1.2.1 激光固化式快速成形机
1.2.2 激光烧结/熔化式快速成形机
1.2.3 贴片刻写式快速成形机
1.2.4 电子束熔化式快速成形机
1.3 增材制造装备的佼佼者——三维打印机
1.4 三维打印与第三次工业革命
第2章 喷墨黏粉式三维打印机
2.1 喷墨黏粉式三维打印机工作原理
2.2 ZPrinter打印机
2.3 ExOne打印机
2.4 Voxeljet打印机
2.5 Therics打印机
2.6 富奇凡LTY型打印机
2.7 NCKU型打印机
2.8 喷墨黏粉式三维打印机使用的成形材料
第3章 熔融挤压式三维打印机
3.1 熔融挤压式三维打印机工作原理
3.2 Stratasys打印机
3.3 富奇凡HTS型打印机
3.4 6轴熔融挤压式打印机
3.5 殷华公司的熔融挤压式打印机
3.6 辊轮螺杆式熔挤系统设计
3.7 熔融挤压式三维打印机使用的成形材料
第4章 压电驱动式三维打印机
4.1 容积型压电喷头
4.2 OBJET打印机
4.3 3DSystems打印机
4.4 容积型压电喷头的供料系统和压力控制系统
4.4.1 供料系统
4.4.2 压力控制系统
4.5 拍击型压电喷头
4.6 拍击型压电驱动式打印机
4.7 开关型压电喷头与打印机
4.8 压电驱动式三维打印机使用的成形材料
第5章 气动式三维打印机
5.1 活塞开关型气动喷头与打印机
5.2 时间压力型气动喷头与打印机
5.3 容积型气动喷头与打印机
5.3.1 压力助推微注射器型喷头
5.3.2 三维生物打印机
5.3.3 富奇凡PAM打印机
5.4 气动膜片型喷头与打印机
5.5 雾化型气动喷头与打印机
5.5.1 雾化型气动喷头
5.5.2 Solidscape蜡模打印机
5.5.3 华中科技大学雾化型气动喷头
5.5.4 Optomec雾化型气动喷头
5.6 粉粒流型气动喷头与打印机
5.6.1 同轴送粉激光熔覆式气动喷头
5.6.2 侧向送粉激光熔覆式气动喷头
5.6.3 同轴光内送粉激光熔覆式气动喷头
5.6.4 同步送粉激光熔覆式打印机
5.6.5 同步送粉焊接熔覆式打印机
5.6.6 送粉系统
5.6.7 熔覆过程检测与控制
5.7 气动式三维打印机使用的成形材料
第6章 电动式三维打印机
6.1 电磁阀操控型喷头与打印机
6.2 微注射器型电动喷头与打印机
6.3 电流体动力喷射喷头与打印机
6.4 电场偏转型喷头与打印机
6.5 电动螺杆型喷头与打印机
6.6 复合型三维打印机
6.7 电动式三维打印机使用的成形材料
第7章 普及式三维打印机
7.1 工程设计用普及式三维打印机
7.2 简易实验用普及式三维打印机
7.3 学生学习用普及式三维打印机
7.4 家用普及式三维打印机
7.5 普及式三维打印机的特点
7.6 普及式三维打印机的机身结构
7.7 普及式三维打印机的驱动控制系统
7.8 普及式三维打印机的应用前景
参考文献

下篇 三维打印自由成形工艺
第8章 三维打印自由成形工艺流程
8.1 三维打印自由成形工艺流程概述
8.2 CAD模型的建立
8.3 CAD模型的近似处理
8.4 CAD模型的分层切片
第9章 金属构件三维打印自由成形
9.1 金属构件喷墨黏粉式成形
9.2 金属构件激光烧结式成形
9.3 金属构件激光熔化式成形
9.4 金属构件激光熔覆式成形
9.4.1 激光熔覆式成形原理
9.4.2 激光熔覆式成形工艺研究
9.5 金属构件电子束熔化式成形
9.6 金属构件电子束熔覆式成形
9.7 金属构件微束等离子弧熔覆式成形
9.7.1 微束等离子弧熔覆式成形原理
9.7.2 微束等离子弧熔覆式成形工艺研究
9.8 金属构件熔化液滴喷射沉积式成形
9.8.1 金属构件熔化液滴喷射沉积式成形原理
9.8.2 金属构件熔化液滴喷射沉积式成形工艺研究
9.9 金属构件增材与减材复合式成形
9.9.1 沉积技术与计算机数控切削加工复合式成形
9.9.2 分层实体制造技术与计算机数控切削加工复合式成形
9.9.3 激光熔化成形技术与计算机数控切削加工复合式成形
第10章 机电器件三维打印自由成形
10.1 电子元器件打印成形
10.2 太阳能电池打印成形
10.3 曲面天线打印成形
10.4 电气互连金属焊料打印成形
10.5 铸造蜡模打印成形
10.6 复杂器件三维打印折叠成形
10.7 梯度材料构件打印成形
第11章 生物医学器件三维打印自由成形
11.1 组织工程支架打印成形
11.1.1 支架喷墨黏粉式打印成形
11.1.2 支架MAM/PAM式打印成形
11.1.3 支架Ejet式打印成形
11.2 细胞打印成形
11.2.1 细胞压电喷墨式打印成形
11.2.2 细胞MAM/PAM式打印成形
11.2.3 细胞气动雾化式打印成形
11.2.4 细胞Ejet式打印成形
11.3 口腔修复体打印成形
11.3.1 口腔金属修复体蜡模打印成形
11.3.2 口腔陶瓷修复体MAM式打印成形
11.3.3 口腔陶瓷修复体复合式打印成形
11.3.4 口腔金属修复体DMD式打印成形
11.4 控释给药系统打印成形
第12章 三维打印自由成形的应用
12.1 陶瓷构件打印成形
12.2 珠宝与首饰蜡模打印成形
12.3 建筑模型与构件打印成形
12.4 食品打印成形
12.5 时尚品打印成形
12.5.1 时装打印成形
12.5.2 时尚家庭用品打印成形
12.5.3 时尚工艺品打印成形
12.6 科教模型打印成形
参考文献

附录A 常用材料英中文名称对照
附录B 本书英中文术语对照