本書系統(tǒng)全面地闡述了目前3D打印技術(shù)的發(fā)展情況及其具體應(yīng)用，主要涵蓋了聚合物、復(fù)合材料、金屬、陶瓷、生物材料等方面的新技術(shù)，以及其在工業(yè)、航空、電子技術(shù)、材料、醫(yī)學(xué)和教育等領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)層次分明，內(nèi)容詳實(shí)豐富。希望讀者能夠通過本書了解、學(xué)習(xí)到一些有助于自己學(xué)習(xí)、研究和工作的3D打印知識(shí)，同時(shí)希望通過本書提供的一些實(shí)例給讀者帶來思路的啟發(fā)。
來自美國、德國等國家10余家科研機(jī)構(gòu)和公司24位3D打印行業(yè)專家的傾力之作囊括了聚合物、復(fù)合材料、金屬、陶瓷、生物材料等多種先進(jìn)材料的3D打印技術(shù)介紹了3D打印技術(shù)在工業(yè)、航天、電子、材料、醫(yī)學(xué)和教育等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用
由于美國及其他發(fā)達(dá)和發(fā)展中國家制造業(yè)關(guān)注點(diǎn)的轉(zhuǎn)變, 近年來3D 打印領(lǐng)域得以飛速發(fā)展。在計(jì)算機(jī)上畫一些圖形, 然后就可以在3D 打印機(jī)中打印出來并且可以被觸摸或感覺到, 這樣的經(jīng)歷吸引著我們許多人。同樣, 我們也可以看到我們的孩子, 雖然還只是在上初中或高中, 但也通過他們自己的創(chuàng)造而經(jīng)歷著3D 打印的革命。正是由于3D 打印機(jī)價(jià)格大幅降低和零件質(zhì)量的提高, 這樣的社會(huì)變革才成為可能。在10 年前的美國, 一臺(tái)高品質(zhì)3D 打印機(jī)的成本超過10 萬美元, 由于其價(jià)格很高, 大多數(shù)人只能看到3D 打印機(jī)的圖片或視頻。 而隨著3D 打印機(jī)成本的大幅降低, 以及3D 打印機(jī)可靠性和零件質(zhì)量的改善,許多企業(yè)、大學(xué)甚至中學(xué)開始對(duì)3D 打印機(jī)投資, 以體驗(yàn)、探索和創(chuàng)新這些令人著迷的3D 打印技術(shù)。所以, 我們認(rèn)為本書的出版是非常及時(shí)的, 因?yàn)槲覀冊噲D捕捉到一些近年來面向先進(jìn)材料, 且令人興奮的3D 打印技術(shù)的發(fā)展。 我們知道有一些書籍也涉及了3D 打印, 但當(dāng)我們查閱了相關(guān)文獻(xiàn)之后,會(huì)意識(shí)到這些書籍大多數(shù)是由機(jī)械工程師編寫的, 他們注重的是打印機(jī)本身而不是其應(yīng)用。在目前情況下, 大多數(shù)的3D 打印技術(shù)是比較成熟的, 而大部分的創(chuàng)新是在3D 打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。因此, 我們把工作重點(diǎn)放在了3D 打印的應(yīng)用上, 而不是在3D 打印的核心技術(shù)上。我們希望讀者能夠看到這些技術(shù)目前是如何被應(yīng)用的, 然后有助于他們在自己領(lǐng)域的創(chuàng)新。本書的設(shè)計(jì)在某種程度上也可以適用于課堂授課形式。前幾章節(jié)根據(jù)對(duì)不同種類材料的利用, 重點(diǎn)介紹了各種各樣的3D 打印技術(shù); 中間的章節(jié)論述了3D 打印的重要應(yīng)用領(lǐng)域; 最后幾章討論了3D 打印的教育和監(jiān)管問題, 因?yàn)樵?D 打印日益成熟并應(yīng)用于許多行業(yè)之后, 這些因素變得更加重要。 如同編撰任何一本書籍一樣, 我們承認(rèn)沒有所有作者的共同努力, 本項(xiàng)工作是不可能完成的, 我們對(duì)他們的貢獻(xiàn)表示衷心感謝。我們也感謝許多學(xué)生對(duì)這本書的支持, 尤其是Tom Gualtieri、Sahar Vahabzadeh 與Dongxu Ke。我們還要感謝來自孩子Shohom 和Aditya 的支持, 沒有他們, 我們也不可能完成這項(xiàng)工作。 即使在這一領(lǐng)域工作了20 年, 我們?nèi)匀欢ㄆ趯W(xué)習(xí)3D 打印的相關(guān)新應(yīng)用。我們希望有經(jīng)驗(yàn)的研究人員以及那些正在進(jìn)入這一領(lǐng)域的研究人員都能從本書獲益,希望本書能夠幫助他們更好地理解3D 打印這一主題, 并有助于未來一代。 Amit Bandyopadhyay Susmita Bose華盛頓州立大學(xué)
編著者主編簡介譯者序前言第1 章 3D 打印與工程全球化 1 1. 1 引言 1 1. 2 3D 打印的歷史 2 1. 2. 1 3D 打印的開始 2 1. 2. 2 其他3D 打印技術(shù)的發(fā)展 2 1. 2. 3 從原型制作到3D 打印零件 3 1. 2. 4 3D 打印的影響 5 1. 3 當(dāng)前制造業(yè)面臨的難題 5 1. 3. 1 集中式和基于預(yù)測的制造中存在的問題 5 1. 3. 2 通用化設(shè)計(jì): 消費(fèi)者僅對(duì)符合其要求的產(chǎn)品滿意 6 1. 4 3D 打印: 無法比擬的工藝典范 7 1. 4. 1 3D 打印技術(shù)的現(xiàn)狀及其概念 7 1. 4. 2 3D 打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn): 隨心所欲地設(shè)計(jì) 7 1. 4. 3 3D 打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn): 在制造業(yè)中的多功能性 8 1. 4. 4 3D 打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn): 可增強(qiáng)材料的性能 8 1. 4. 5 3D 打印技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)的一部分 9 1. 4. 6 從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)到3D 打印技術(shù)的演變及其對(duì)制造業(yè)的影響 9 1. 5 工程全球化與3D 打印 10 1. 5. 1 工程從本地化轉(zhuǎn)化為全球化 10 1. 5. 2 工程師在世界任何地方都可以變得有效和高效 11 1. 5. 3 太空制造不再是一個(gè)夢想 12 1. 6 發(fā)展趨勢 12 1. 6. 1 定制產(chǎn)品的按需生產(chǎn) 12 1. 6. 2 允許人們把創(chuàng)造力轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí) 14 1. 6. 3 個(gè)人3D 打印設(shè)備: 一種標(biāo)配的家庭設(shè)備 14 1. 6. 4 3D 打印推進(jìn)醫(yī)療技術(shù)并救助生命 15 1. 7 結(jié)語 16 參考文獻(xiàn) 17第2 章 聚合物和復(fù)合材料的3D 打印 20 2. 1 引言 20 2. 2 高強(qiáng)度熱塑性塑料和纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的3D 打印技術(shù) 24 2. 3 高強(qiáng)度熱固性塑料和短切纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D 打印技術(shù) 28 2. 4 可用于納米復(fù)合材料的3D 打印工藝 32 2. 5 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D 打印過程 36 2. 6 3D 打印過程中粘結(jié)劑的作用及其選擇 46 2. 7 特例: 3D 打印過程中的原位纖維強(qiáng)化 56 2. 8 當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)及未來的發(fā)展趨勢 58 參考文獻(xiàn) 59第3 章 金屬的沉積法及固態(tài)3D 打印技術(shù) 64 3. 1 引言 64 3. 2 技術(shù)現(xiàn)狀 66 3. 2. 1 粉末沉積技術(shù) 66 3. 2. 2 熔絲沉積技術(shù) 73 3. 2. 3 固態(tài)3D 打印工藝 79 3. 2. 4 基于電沉積的3D 打印技術(shù) 82 3. 3 新興的3D 打印技術(shù) 85 3. 3. 1 摩擦自由成型制造技術(shù) 85 3. 3. 2 混合技術(shù) 86 3. 4 機(jī)遇和挑戰(zhàn) 87 3. 4. 1 材料方面 87 3. 4. 2 工藝方面 88 3. 4. 3 設(shè)備方面 88 3. 5 未來的發(fā)展方向 89 參考文獻(xiàn) 90第4 章 基于粉末技術(shù)的金屬3D 打印技術(shù) 102 4. 1 從快速原型到快速制造 102 4. 2 基于粉床的3D 打印系統(tǒng)的功能描述 106 4. 3 一般過程 111 4. 3. 1 CAD 文件 111 4. 3. 2 STL 轉(zhuǎn)化為分層文件 112 4. 3. 3 文件導(dǎo)入到機(jī)器 114 4. 3. 4 構(gòu)建過程 114 4. 3. 5 后處理 115 4. 4 激光參數(shù) 115 4. 5 植入物或生物醫(yī)療器械的特殊要求 120 4. 6 Ti6Al4V 122 4. 7 多孔結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn) 124 4. 8 多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 125 4. 9 格子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 126 4. 9. 1 Netfabb 軟件設(shè)計(jì)格子結(jié)構(gòu) 126 4. 9. 2 Within Enhance 軟件設(shè)計(jì)格子結(jié)構(gòu) 128 4. 10 工藝過程的影響因素 133 4. 10. 1 曝光 134 4. 10. 2 固化區(qū) 134 4. 10. 3 束偏移 134 4. 10. 4 基本曝光類型ChessRotLx 136 4. 10. 5 基本曝光類型Contours 136 4. 10. 6 基本曝光類型SkinCore 137 4. 10. 7 基本曝光類型SLI-HatchLx 138 4. 10. 8 基本曝光類型UpDownStripesAdaptiveLx 138 4. 10. 9 基本曝光類型UpDownStripesAdaptiveRotLx 138 4. 11 結(jié)語 140 參考文獻(xiàn) 140第5 章 陶瓷的3D 打印技術(shù) 145 5. 1 引言 145 5. 2 陶瓷的立體光刻技術(shù) 146 5. 2. 1 立體光刻技術(shù)的歷史及方法 146 5. 2. 2 陶瓷懸浮液的穩(wěn)定性及其流變特性 147 5. 2. 3 陶瓷懸浮液的立體光刻技術(shù) 148 5. 2. 4 應(yīng)用及未來的發(fā)展 149 5. 3 陶瓷的選擇性激光燒結(jié)技術(shù) 151 5. 3. 1 選擇性激光燒結(jié)的歷史與方法 151 5. 3. 2 陶瓷的直接選擇性激光燒結(jié)技術(shù) 152 5. 3. 3 陶瓷的間接選擇性激光燒結(jié)技術(shù) 154 5. 3. 4 應(yīng)用和未來的發(fā)展 156 5. 4 陶瓷的噴墨3D 打印技術(shù) 157 5. 4. 1 噴墨3D 打印技術(shù)的歷史及方法 157 5. 4. 2 噴墨3D 打印加工陶瓷 159 5. 5 陶瓷的熔融沉積成型技術(shù) 162 5. 5. 1 陶瓷熔融沉積技術(shù)的歷史及方法 162 5. 5. 2 陶瓷熔融沉積加工陶瓷 164 5. 6 陶瓷的分層實(shí)體制造技術(shù) 166 5. 6. 1 分層實(shí)體制造技術(shù)的歷史與方法 166 5. 6. 2 分層實(shí)體制造加工陶瓷 168 5. 7 激光近凈成型技術(shù)TM 169 5. 7. 1 激光近凈成型技術(shù)的歷史與方法 169 5. 7. 2 激光近凈成型技術(shù)加工陶瓷 171 5. 8 自動(dòng)注漿成型技術(shù) 175
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