《3D打印理論與應(yīng)用》重點(diǎn)闡述3D打印的基礎(chǔ)知識(shí)與核心技術(shù)，并詳細(xì)介紹3D打印技術(shù)在日常生活、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)，以及教學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用的精彩案例?！?D打印理論與應(yīng)用》還對(duì)3D打印的發(fā)展瓶頸做了介紹，同時(shí)對(duì)3D打印的未來(lái)發(fā)展做了大膽的預(yù)測(cè)。為了強(qiáng)化《3D打印理論與應(yīng)用》介紹內(nèi)容的可操作性，還介紹了3D打印實(shí)戰(zhàn)、3D打印與云計(jì)算、3D打印服務(wù)及其平臺(tái)等。
研究生、本科生，3D打印研發(fā)人員和愛(ài)好者
目錄
前言
篇 神奇的3D打印
第1章 3D打印的前世今生 3
1.1 3D打印的起源與發(fā)展 3
1.2 3D打印的成長(zhǎng)期 7
1.3 早期的3D打印機(jī) 11
1.4 小結(jié) 14
參考文獻(xiàn) 14
第2章 3D打印的發(fā)展與瓶頸 15
2.1 3D打印的發(fā)展——第三次工業(yè)革命 15
2.1.1 次工業(yè)革命 15
2.1.2 第二次工業(yè)革命 16
2.1.3 第三次工業(yè)革命 16
2.2 打印耗材對(duì)3D打印產(chǎn)業(yè)的制約 17
2.2.1 工程塑料 17
2.2.2 光敏樹(shù)脂 29
2.3 知識(shí)產(chǎn)權(quán)對(duì)3D打印產(chǎn)業(yè)的制約 32
2.3.1 知識(shí)產(chǎn)權(quán)的定義與分類 32
2.3.2 知識(shí)產(chǎn)權(quán)對(duì)3D打印的影響 33
2.4 3D打印對(duì)人類倫理的挑戰(zhàn) 36
2.5 小結(jié) 36
參考文獻(xiàn) 37
第3章 3D打印機(jī)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概述 38
3.1 國(guó)外3D打印機(jī) 38
3.1.1 國(guó)外3D打印機(jī)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀 38
3.1.2 國(guó)外3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀 39
3.1.3 3D打印技術(shù)未來(lái)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì) 39
3.1.4 國(guó)外3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和啟示 44
3.2 國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀 46
3.2.1 3D打印技術(shù)研發(fā) 46
3.2.2 3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用 47
3.2.3 目前我國(guó)3D打印領(lǐng)域存在的問(wèn)題 47
3.3 小結(jié) 49
參考文獻(xiàn) 50
第二篇 3D打印機(jī)技術(shù)
第4章 3D打印機(jī)工作原理 53
4.1 熔融沉積快速成型 53
4.1.1 技術(shù)原理 53
4.1.2 技術(shù)特點(diǎn) 54
4.1.3 FDM工藝處理過(guò)程 54
4.1.4 FDM打印機(jī)介紹 54
4.2 光固化成型 57
4.2.1 技術(shù)原理 57
4.2.2 技術(shù)特點(diǎn) 57
4.2.3 SLA工藝處理過(guò)程 58
4.2.4 SLA打印機(jī)介紹 58
4.3 選擇性激光燒結(jié)成型 60
4.3.1 SLS工藝技術(shù)原理 60
4.3.2 SLS工藝技術(shù)特點(diǎn) 61
4.3.3 SLS工藝處理過(guò)程 61
4.3.4 SLS打印機(jī)介紹 62
4.4 三維粉末粘接 64
4.4.1 技術(shù)原理 64
4.4.2 技術(shù)特點(diǎn) 65
4.4.3 處理過(guò)程 65
4.4.4 3DP打印機(jī)介紹 65
4.5 小結(jié) 67
參考文獻(xiàn) 67
第5章 3D打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) 68
5.1 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 68
5.2 主控芯片 69
5.2.1 Atmega640/1280/1281/2560/2561系列微處理器簡(jiǎn)介 70
5.2.2 Atmega640/1280/1281/2560/2561系列微處理器的體系結(jié)構(gòu)和特性 70
5.3 系統(tǒng)主板 74
5.3.1 MakerBot主板 74
5.3.2 Smoothieboard主板 78
5.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板 80
5.4.1 MakerBot步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板 81
5.4.2 Pololu步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板 85
5.5 擠壓頭驅(qū)動(dòng)板 87
5.5.1 擠壓頭概述 87
5.5.2 MakerBot擠壓頭驅(qū)動(dòng)板 88
5.6 限位定擋 89
5.6.1 限位定擋原理 89
5.6.2 Opto Endstop 2.1 91
5.7 3D打印軟件 92
5.7.1 ReplicatorG 93
5.7.2 MakerBot MakerWare 98
5.7.3 Arduino IDE 100
5.8 小結(jié) 101
參考文獻(xiàn) 101
第6章 3D打印機(jī)的種類 103
6.1 工業(yè)級(jí)3D打印機(jī) 103
6.1.1 工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)市場(chǎng)現(xiàn)狀 103
6.1.2 國(guó)外工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)生產(chǎn)廠家及主要產(chǎn)品 104
6.1.3 工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)對(duì)材料的要求 112
6.1.4 工業(yè)級(jí)3D打印技術(shù)發(fā)展及前景 113
6.2 桌面級(jí)3D打印機(jī) 114
6.2.1 總體情況 114
6.2.2 個(gè)人打印機(jī) 115
6.3 小結(jié) 137
參考文獻(xiàn) 137
第三篇 3D打印技術(shù)應(yīng)用
第7章 3D打印在日常生活領(lǐng)域的應(yīng)用 141
7.1 概述 141
7.2 經(jīng)典案例 141
7.2.1 婚紗人偶 141
7.2.2 個(gè)性鞋子 141
7.2.3 個(gè)性戒指 143
7.2.4 個(gè)性吊墜 143
7.2.5 個(gè)性臺(tái)燈 144
7.2.6 個(gè)性桌椅 145
7.2.7 巧克力 145
7.2.8 漢堡包和披薩 145
7.2.9 耳機(jī) 147
7.2.10 衣服 148
7.2.11 3D打印時(shí)裝 150
7.2.12 3D彩色晶體內(nèi)衣 151
7.2.13 高跟鞋 151
7.2.14 3D打印珊瑚手鐲 152
7.3 小結(jié) 152
參考文獻(xiàn) 152
第8章 3D打印在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 154
8.1 概述 154
8.2 經(jīng)典案例 155
8.2.1 航空、航天領(lǐng)域 155
8.2.2 工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域 160
8.3 小結(jié) 169
參考文獻(xiàn) 169
第9章 3D打印在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 170
9.1 概述 170
9.2 經(jīng)典案例 171
9.2.1 醫(yī)療領(lǐng)域經(jīng)典案例 171
9.2.2 生物領(lǐng)域經(jīng)典案例 178
9.3 小結(jié) 181
參考文獻(xiàn) 181
第10章 3D打印在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 182
10.1 3D打印機(jī)逐漸走入中學(xué)課堂 182
10.2 3D打印機(jī)在高教中應(yīng)用 184
10.3 3D打印提升SCAD的設(shè)計(jì)教學(xué)水平 185
10.4 3D打印機(jī)可以引發(fā)教育革命化 187
10.5 3D打印的新水平 188
10.6 EDUTECH：澳大利亞布里斯班 188
10.7 3D印刷實(shí)驗(yàn)室 190
10.8 3D印刷在芝加哥藝術(shù)學(xué)院的探索 190
10.9 3D打印在學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演的角色 192
10.10 小結(jié) 193
參考文獻(xiàn) 193
第11章 3D打印實(shí)戰(zhàn) 194
11.1 如何選擇3D打印機(jī) 194
11.1.1 根據(jù)產(chǎn)品的制作需求來(lái)選擇符合需求的3D打印機(jī) 194
11.1.2 根據(jù)打印機(jī)的性能參數(shù)來(lái)綜合判斷選擇合適的打印機(jī) 197
11.2 如何選擇打印耗材 200
11.2.1 常用的打印材料 200
11.2.2 利用沙子太陽(yáng)能燒結(jié)打印 203
11.2.3 利用生物耗材打印人體器官 203
11.3 打印3D模型 206
11.3.1 取出安裝 207
11.3.2 檢查打印機(jī) 207
11.3.3 安裝打印床 207
11.3.4 裝載新材料盒 208
11.3.5 安裝CubeX操作軟件 208
11.4 小結(jié) 214
參考文獻(xiàn) 214
第四篇 3D云打印
第12章 3D打印與云計(jì)算 217
12.1 云計(jì)算基礎(chǔ)知識(shí) 217
12.1.1 什么叫云計(jì)算 217
12.1.2 云計(jì)算的定義 217
12.2 云計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀 218
12.2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 218
12.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 220
12.3 云計(jì)算與3D打印 221
12.3.1 Autodesk提供基于云的3D打印服務(wù) 221
12.3.2 narkii提供基于云的3D打印服務(wù) 223
12.4 小結(jié) 224
參考文獻(xiàn) 224
第13章 3D打印服務(wù) 225
13.1 3D打印服務(wù)概述 225
13.2 納金網(wǎng)的3D打印服務(wù)平臺(tái) 227
13.2.1 平臺(tái)的定位 227
13.2.2 3D打印服務(wù)分類 228
13.2.3 3D打印材料 231
13.2.4 3D打印機(jī) 235
13.2.5 模型格式 238
13.2.6 納金網(wǎng)3D打印服務(wù)平臺(tái)的開(kāi)店流程 238
13.2.7 納金網(wǎng)3D打印服務(wù)平臺(tái)客戶下單打印流程 239
13.3 小結(jié) 242
參考文獻(xiàn) 242
篇 神奇的3D打印
第1章 3D打印的前世今生
1.1 3D打印的起源與發(fā)展
從歷史角度回顧3D打印的發(fā)展歷程，早可以追溯到19世紀(jì)末。由于受到兩次工業(yè)革命的刺激，18～19世紀(jì)歐美國(guó)家的商品經(jīng)濟(jì)得到了飛速的發(fā)展，產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的革新是一個(gè)永遠(yuǎn)的話題。為了滿足科研探索和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求，快速成型技術(shù)在這一時(shí)期開(kāi)始萌芽，例如Willeme光刻實(shí)驗(yàn)室也在這個(gè)階段開(kāi)展了商業(yè)的探索，可惜受到技術(shù)的限制沒(méi)能成功。
快速成型技術(shù)在商業(yè)上獲得真正意義上的發(fā)展是從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始的，在此期間也涌現(xiàn)過(guò)幾次3D打印的技術(shù)浪潮，但總體來(lái)看3D打印技術(shù)仍保持著穩(wěn)健的發(fā)展。2007年，開(kāi)源桌面級(jí)3D打印設(shè)備，此后新一輪的3D打印浪潮開(kāi)始醞釀。2012年4月，英國(guó)著名經(jīng)濟(jì)學(xué)雜志The Economist發(fā)表了一篇關(guān)于第三次工業(yè)革命的封面文章，掀起了新一輪的3D打印浪潮。下面簡(jiǎn)述3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程。
1892年，Blanther首次在公開(kāi)場(chǎng)合提出使用層疊成型方法制作地形圖的構(gòu)想。
1940年，Perera提出的設(shè)想與Blanther不謀而合，他提出可以沿等高線輪廓切割硬紙板，然后層疊成型制作三維地形圖。
1972年，Matsubara在紙板層疊技術(shù)的基礎(chǔ)上首先提出可以嘗試使用光固化材料，光敏聚合樹(shù)脂涂在耐火的顆粒上面，然后這些顆粒將被填充到疊層，加熱后生成與疊層對(duì)應(yīng)的板層，光線有選擇地投射到這個(gè)板層上將指定部分硬化，而沒(méi)有被無(wú)線投射的部分將會(huì)使用化學(xué)溶劑溶解掉。這樣板層將不斷堆積，直到后形成一個(gè)立體模型。這種方法適用于傳統(tǒng)工藝難以制作加工的曲面。
1977年，Swainson提出可以通過(guò)激光選擇性照射光敏聚合物的方法直接制造立體模型。與此同時(shí)，Battelle實(shí)驗(yàn)室的Schwerzel也開(kāi)展了類似的研究工作。
1979年，日本東京大學(xué)的Nakagawa使用薄膜技術(shù)制作出實(shí)用的工具，如落料模、注塑模和成型模。
1981年，Kodama首次提出一套功能感光聚合物快速成型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。
1982年，Hull試圖將光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于快速成型領(lǐng)域。
1986年，Hull成立3D Systems公司，并研發(fā)了著名的STL文件格式。STL格式逐漸成為CAD/CAM系統(tǒng)接口文件格式的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
1988年，3D Systems公司推出世界上臺(tái)基于光固化成型(stereo lightgraphy apparatus，SLA)技術(shù)的商用3D打印機(jī)SLA-250，如圖1-1所示。其體積非常大，Charles把它稱為立體平版印刷機(jī)。盡管SLA-250身形巨大且價(jià)格昂貴，但它的面世標(biāo)志著3D打印商業(yè)化的起步。
圖1-1 Hull與世界上臺(tái)商用3D打印機(jī)SLA-250
同年，Crump發(fā)明了另一種3D打印技術(shù)，即熔融沉積快速成型技術(shù)(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)，并成立了Stratasys公司［1］。
1989年，美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Dechard發(fā)明了選擇性激光燒結(jié)工藝(selective laser sintering，SLS)。SLS技術(shù)應(yīng)用廣泛并支持多種材料成型，如尼龍、蠟、陶瓷，甚至是金屬。SLS技術(shù)的發(fā)明讓3D打印生產(chǎn)走向多元化。
1992年，Stratasys公司推出臺(tái)基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)——3D造型者，這標(biāo)志著FDM技術(shù)步入商用階段。
1993年，美國(guó)麻省理工大學(xué)的Sachs發(fā)明了三維印刷技術(shù)(three-dimension printing，3DP)。3DP技術(shù)通過(guò)黏結(jié)劑把金屬、陶瓷等粉末黏合成型。
1995年，快速成型技術(shù)被列為我國(guó)十年十大模具工業(yè)發(fā)展方向之一，國(guó)內(nèi)的自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報(bào)告也將快速成型與制造技術(shù)、自由造型系統(tǒng)，以及計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)研究列為重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。
1996年，3D Systems、Stratasys和Z Corporation各自推出新一代的快速成型設(shè)備Actua 2100、Genisys和Z402，此后快速成型技術(shù)便有了更加通俗的稱謂——3D打印。
1999年，3D Systems推出了SLA 7000。
2002年，Stratasys公司推出Dimension系列桌面級(jí)3D打印機(jī)(圖1-2)，Dimension系列價(jià)格相對(duì)低廉，主要基于FDM技術(shù)，以ABS塑料為成型材料。
圖1-2 高精度彩色3D打印機(jī)Spectrum Z510
2007年，3D打印服務(wù)創(chuàng)業(yè)公司Shapeways正式成立。Shapeways建立了一個(gè)規(guī)模龐大的3D打印設(shè)計(jì)在線交易平臺(tái)，為用戶提供個(gè)性化的3D打印服務(wù)，深化了社會(huì)化制造模式。
2008年，款開(kāi)源的桌面級(jí)3D打印機(jī)RepRap。RepRap是英國(guó)巴恩大學(xué)Bowyer團(tuán)隊(duì)2005年的開(kāi)源3D打印機(jī)研究項(xiàng)目，得益于開(kāi)源硬件的進(jìn)步與歐美實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)的無(wú)私貢獻(xiàn)，桌面級(jí)的開(kāi)源3D打印機(jī)為新一輪的3D打印浪潮帶來(lái)契機(jī)。
2009年，Pettis帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立了著名的桌面級(jí)3D打印機(jī)公司——MakerBot(圖1-3)。MakerBot的設(shè)備主要基于早期的RepRap開(kāi)源項(xiàng)目，但對(duì)RepRap的機(jī)械結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，發(fā)展至今已經(jīng)經(jīng)歷幾代的升級(jí)，在成型精度、打印尺寸等指標(biāo)上有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
圖1-3 MakerBot
MakerBot繼承了RepRap項(xiàng)目的開(kāi)源精神，其早期的產(chǎn)品同樣是以開(kāi)源的方式，在互聯(lián)網(wǎng)上能夠非常方便地找到MakerBot早期項(xiàng)目所有的工程材料，MakerBot也出售設(shè)備的組裝套件。此后，國(guó)內(nèi)廠商便以這些材料為基礎(chǔ)開(kāi)始了仿造工作，國(guó)內(nèi)的桌面級(jí)3D打印機(jī)市場(chǎng)也此打開(kāi)［2］。
2012年9月，3D打印的兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富企業(yè)Stratasys和Objet宣布合并，交易額為14億美元，合并后的公司名仍為Stratasys。此項(xiàng)合并進(jìn)一步確立了Stratasys在高速發(fā)展的3D打印及數(shù)字制造業(yè)中的領(lǐng)導(dǎo)地位。
2012年10月，來(lái)自MIT Media Lab的團(tuán)隊(duì)成立Formlabs公司，并了世界上臺(tái)廉價(jià)高精度SLA消費(fèi)級(jí)桌面3D打印機(jī)Form1，引起業(yè)界的重視(圖1-4)。此后在著名眾籌網(wǎng)站Kickstarter上的3D打印項(xiàng)目呈現(xiàn)百花齊放的盛況，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)商也開(kāi)始研發(fā)基于SLA技術(shù)的桌面級(jí)3D打印機(jī)［3］。
圖1-4 Formlabs公司推出的桌面級(jí)3D打印機(jī)
同期，由亞洲制造業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)和3D行業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富企業(yè)共同發(fā)起的中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟正式宣告成立。國(guó)內(nèi)關(guān)于3D打印的門(mén)戶網(wǎng)站、論壇、博客如雨后春筍般涌現(xiàn)，各大報(bào)刊、網(wǎng)媒、電臺(tái)、電視臺(tái)也爭(zhēng)相報(bào)道關(guān)于3D打印的新聞。
3D打印機(jī)通常被認(rèn)為是一款日常生活中經(jīng)常會(huì)用到的家電產(chǎn)品。為什么說(shuō)3D打印機(jī)是款家電產(chǎn)品呢？首先，我們大膽假設(shè)下，如果人們?cè)诎惭b某設(shè)備時(shí)，突然發(fā)現(xiàn)少了一顆螺絲，正常情況下會(huì)去五金店里買(mǎi)，但有了3D打印機(jī)之后，就可以在家中打印一個(gè)相符的螺絲，用戶無(wú)需出門(mén)就可以解決困擾。另外，用戶也可通過(guò)3D打印機(jī)制作產(chǎn)品，比如在網(wǎng)絡(luò)上看見(jiàn)非常別致的裝飾品，就可通過(guò)3D打印機(jī)將其打印出來(lái)。當(dāng)然，生活中會(huì)使用到3D打印機(jī)的機(jī)會(huì)當(dāng)然不止這些。
2013年，《環(huán)球科學(xué)》邀請(qǐng)各領(lǐng)域的科學(xué)家，經(jīng)過(guò)數(shù)輪討論評(píng)選出了2012年值得銘記、對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生影響為深遠(yuǎn)的十大科技成果，其中3D打印位列第九。
