科技打印未来：探索3D打印技术

实验室内，一个超轻的细小精密航空航天零件正在打印生成。

广场上，一座公用凉亭在十几分钟内打印成形、拔地而起并投入使用。

私人订制商店中，交给店主一张设计图，片刻之后，想要的商品已经生

产完成并打包好。

……

这些科技幻想已经或即将实现，这正是 3D 打印带来的现在和未来的改变。

3D 打印技术是制造行业的一次伟大变革，如今各行各业都能看到它的存在，甚至航空航天领域中也有它的身影，其重要性不言而喻。

3D 打印技术已经走进我们的日常生活，未来将深刻影响我们的生活。

你对3D打印技术了解多少呢？ 3D打印技术的原理是什么？如何打印物体？ 3D打印技术凭借什么被人赞誉？答案就在本书之中。

本书由易到难、由浅入深地系统介绍了3D打印技术的基础知识，带你

走入3D打印技术的奇幻世界；追溯3D打印技术的发展历史，和你一起了解3D打印设备的分类和组成；从材料到成形工艺技术，揭开3D打印技术的秘密；从3D打印技术的核心知识入手，介绍CAD软件的使用方法及其相关算法；对现阶段3D打印产品的应用情况进行总结，展望未来，了解 3D打印技术的优势，回顾3D打印技术的得与失。

本书特别设计了三个版块：“3D 百科”助你快速了解当前 3D 打印技术的前沿知识和科技，体会3D打印技术的强大；“我说你想”帮你拓展思维，进一步了解3D打印相关知识；“快问快答”助你测试实力水平，有效提高对3D打印技术的掌握能力。

全书结构清晰，内容丰富，语言通俗易懂，启发性强。通过阅读本书，相信你一定可以掌握 3D 打印技术，从中有所收获。

本书在编撰过程中，参考了不少学者的观点与相关资料，在此深表感谢！同时，欢迎读者提出意见和建议以便交流和不断完善本书，不胜感激！

随着科技时代的到来，3D打印技术在制造行业发挥着越来越重要的作用。本书从硬件到软件，全面系统地阐述了3D打印机的组成、3D打印材料、3D打印的成形工艺技术，并着重介绍了3D打印技术的核心，即CAD建模及其算法，展望了未来3D打印技术的发展。本书结构完整、内容全面、语言精简，适合3D打印技术爱好者、3D打印技术初学者使用。相信阅读本书后你一定可以更加全面地了解3D打印技术，对3D打印有更新的认识。

葛媛媛，副教授，山东机械工程学会特种加工专业委员会委员，曾获国防科工委科技进步二等奖1项，发明专利及实用新型专利若干项，在三维数字化创新、机电产品创新、电子与信息技术领域颇有研究。

第 1 章　神奇的3D打印技术 ┆ 001

1.1　走近3D打印技术 ┆ 003

1.1.1　初识3D打印 ┆ 003

1.1.2  3D 打印技术的前世今生 ┆ 007

1.1.3  3D 打印和普通打印的区别 ┆ 010

1.1.4　纵观古今，3D打印技术现状 ┆ 013

1.2   3D 打印技术的打印过程 ┆ 019

1.2.1  3D 打印流程的秘密 ┆ 019

1.2.2　从实物到文件的过程 ┆ 021

1.2.3　从文件到实物的过程 ┆ 021

1.3   3D打印技术的优点—快、好、省 ┆ 024

1.3.1  3D打印技术 VS 传统制造技术 ┆ 024

1.3.2　迅速打印出产品，速度优 ┆ 025

1.3.3　精准打印出产品，质量佳 ┆ 026

1.3.4　简单操作打印出产品，成本低 ┆ 028

第 2 章　硬件设施奠定 3D 打印的基石 ┆ 031

2.1  3D打印机，打印立体物体步 ┆ 033

2.1.1　认识 3D 打印机 ┆ 033

2.1.2　硬件系统构成 ┆ 034

2.2  3D打印机的两大家族 ┆ 037

2.2.1  3D打印机的种类 ┆ 037

2.2.2  FDM 类型的3D打印机 ┆ 038

2.2.3  SLA和SLS类型的3D 打印机 ┆ 051

2.3　不同类型的3D打印机的异同 ┆ 056

2.4　如何挑选一台合适的 3D 打印机 ┆ 057

第 3 章　材料发展赋予 3D 打印更多可能 ┆ 059

3.1  3D 打印材料—特性各异 ┆ 061

3.2　常见的 3D 打印材料及应用 ┆ 064

3.2.1  3D 打印材料的发展 ┆ 064

3.2.2　工程塑料 ┆ 065

3.2.3　光敏树脂 ┆ 068

3.2.4　橡胶类材料 ┆ 072

3.2.5　金属材料 ┆ 073

3.2.6　陶瓷材料 ┆ 077

3.2.7　其他打印材料 ┆ 080

3.3 3D 打印材料发展方向 ┆ 083

第 4 章　3D 打印的法宝―― 打印成形工艺技术 ┆ 085

4.1　常见的 3D 打印成形工艺技术 ┆ 087

4.1.1  3D 打印成形工艺有哪些？ ┆ 087

4.1.2　熔融沉积成形 ┆ 088

4.1.3　激光烧结成形 ┆ 091

4.1.4　激光选区熔化成形 ┆ 094

4.1.5　光固化快速成形 ┆ 097

4.1.6　分层实体制造技术 ┆ 099

4.1.7　三维打印成形技术 ┆ 101

4.2  3D 打印其他成形工艺技术 ┆ 104

4.2.1  EBM 工艺技术 ┆ 104

4.2.2  DMLS 工艺技术 ┆ 106

第 5 章　 3D 打印的灵魂―― CAD 建模软件 ┆ 109

5.1　开启 3D 打印之旅，轻松学会建模 ┆ 111

5.2　走进 Tinkercad 之门 ┆ 113

5.2.1　基础工具的使用 ┆ 113科技打印未来

5.2.2 “加”“减”的应用 ┆ 115

5.2.3　制作一个 CAD 模型 ┆ 117

5.3　探秘 Meshmixer 软件 ┆ 122

5.3.1  Meshmixer 软件的基础操作 ┆ 122

5.3.2　雕刻工具的使用 ┆ 125

5.3.3　支撑工具的妙用 ┆ 126

5.3.4　切割工具的使用 ┆ 127

5.4　熟悉 Fusion360 软件的使用方法 ┆ 131

5.4.1  Fusion360 软件的基础操作 ┆ 131

5.4.2  “修饰”功能的妙用 ┆ 133

5.5　了解 Creo（Pro/E）、UG 和 SoildWorks 软件 ┆ 136

5.5.1  Creo（Pro/E）软件—早实现参数化 ┆ 136

5.5.2  UG 软件—造型和编程一体化 ┆ 137

5.5.3  SoildWorks 软件—教学利器 ┆ 137

5.6　其他的 3D 打印软件 ┆ 139

第 6 章　3D 打印的“掌舵人”―― 算法 ┆ 141

6.1　算法让实物成形更优化 ┆ 143

6.2  STL 切片算法 ┆ 145

6.2.1  STL 文件的数据结构 ┆ 145

6.2.2  STL 文件的读写 ┆ 146

6.2.3　你不知道的 STL 模型和算法 ┆ 147

6.3　扫描路径生成和填充算法 ┆ 154

6.3.1　常见的扫描路径的方式 ┆ 154

6.3.2　混合路径填充算法 ┆ 156

6.4　支撑生成算法 ┆ 162

6.4.1　支撑算法的两种形式 ┆ 162

6.4.2　支撑算法数据结构 ┆ 163

6.4.3　待支撑区域识别过程 ┆ 163

6.4.4　支撑结构生成过程 ┆ 166

第 7 章　Gcode 文件―― 3D打印后一步 ┆ 169

7.1　切片软件生成Gcode文件 ┆ 171

7.2  3D 打印的语言——Gcode 代码指令 ┆ 174

7.2.1  Gcode指令的作用 ┆ 174

7.2.2　代码的注释 ┆ 175

7.2.3　代码的标记 ┆ 176

7.3  Gcode 代码指令和编程 ┆ 178

7.3.1　延时指令的应用 ┆ 178

7.3.2　即时指令的应用 ┆ 179

第 8 章　想象成真，3D打印技术的应用 ┆ 185

8.1　缩短制造周期，提高制造精度 ┆ 187

8.1.1  3D打印在模型行业中的应用 ┆ 187

8.1.2  3D打印在航空航天领域的应用 ┆ 189

8.1.3  3D打印在精密零件中的应用 ┆ 191

8.1.4  3D打印在私人定制中的应用 ┆ 193

8.2　助力生物医学，创造不一样的奇迹 ┆ 195

8.2.1  3D生物医学模型的制造 ┆ 195

8.2.2  3D骨骼植入物的应用 ┆ 197

8.2.3  3D打印活体器官 ┆ 199

8.3　打印汽车及零件，制造更加高效 ┆ 202

8.3.1  3D 打印汽车整体 ┆ 202

8.3.2  3D打印汽车零件 ┆ 203

8.4　打印服饰，让生活更有趣 ┆ 205

8.4.1  3D打印在衣物方面的应用 ┆ 205

8.4.2  3D打印在饰品方面的应用 ┆ 208

8.5　打印食品，让生活更便捷 ┆ 209

8.5.1　食品3D打印机的出现 ┆ 209

8.5.2  3D打印在食品方面的应用 ┆ 209

第 9 章　展望未来，3D打印技术大有可为 ┆ 213

9.1  3D打印产品走进日常生活 ┆ 215

9.2  3D打印技术走进学校和课堂 ┆ 218

9.2.1　课堂上的3D打印技术 ┆ 218

9.2.2  3D 打印技术会改变传统教育吗？ ┆ 220

9.3　巧用3D打印，减少制作成本 ┆ 222

9.3.1　原材料种类变得更加丰富 ┆ 222

9.3.2　成形工艺更加成熟 ┆ 224

9.4　减少浪费，保护环境 ┆ 226

9.4.1  3D打印技术VS传统制造业 ┆ 226

9.4.2　减重也能减少污染？ ┆ 227

9.5  3D打印时代的得与失 ┆ 230

9.5.1　我们得到的是什么？ ┆ 230

9.5.2　我们将失去什么？ ┆ 231

参考文献 ┆ 235

随着科技时代的到来，3D打印技术在制造行业发挥着越来越重要的作用。本书从硬件到软件，全面系统地阐述了3D打印机的组成、3D打印材料、3D打印的成形工艺技术，并着重介绍了3D打印技术的核心，即CAD建模及其算法，展望了未来3D打印技术的发展。本书结构完整、内容全面、语言精简，适合3D打印技术爱好者、3D打印技术初学者使用。相信阅读本书后你一定可以更加全面地了解3D打印技术，对3D打印有更新的认识。

葛媛媛，副教授，山东机械工程学会特种加工专业委员会委员，曾获国防科工委科技进步二等奖1项，发明专利及实用新型专利若干项，在三维数字化创新、机电产品创新、电子与信息技术领域颇有研究。

第4章

3D 打印的法宝——打印成形工艺技术

我们在数学计算上常常遇到这样的问题：从 A 地到 B地走哪条路线时间短，哪条路线省力？

想要达到同一个地点有好多种方式，殊途同归，但每种方式总是有它的优势和不足。同样，3D 打印成形的工艺技术有很多种，它们的原理相似，都是利用分层加工的方式，然后通过堆叠原材料完成真实物体的三维打印，但每种工艺技术都有各自的特点。

你知道每种成形工艺技术的原理吗？你知道它们各有什么优势和不足吗？接下来我们就一起来寻找答案吧。

4.1　常见的 3D 打印成形工艺技术

4.1.1　3D 打印成形工艺有哪些？

3D 打印成形工艺技术是 3D 打印的法宝，每种工艺都有自己的特点和优势，还有与之相对应的原材料。通过不同的工艺将不同的原材料打印成真实物品，形成的物品更是各有优劣，构成了 3D 打印技术中重要的一环—打印物体成形。

3D 打印成形工艺都有哪些呢？目前，国内外 3D 打印工艺有 20 余种，主流的 3D 打印成形工艺有 6 种，如图 4-1 所示。

图 4-1　常见的 3D 打印成形工艺科技打印未来

3D 百科

常见的成形工艺技术的“双胞胎”

目前，国内外有 20 余种打印工艺，深入了解，你会发现有很多成形工艺技术基本雷同，只是在原材料或者某些装置上做了稍微变动，其中就包括 SLA 工艺技术和 UV 工艺技术、SLS 和 SLM 工艺技术等。

SLA 工艺技术利用紫外光固化光敏树脂，UV 固化工艺同样也是利用紫外光来固化油墨、涂料、胶等材料（材料里面添加了“光启始剂”化学品）。两种工艺技术很相似，称为“双胞胎”也不为过。SLS 工艺技术和 SLM 工艺技术则是基于激光烧结和熔化的原理，对于金属材料，SLS 熔化粘结剂，SLM 则直接熔化金属。除此之外，每一种成形工艺技术都有和其他工艺技术相同的地方，有的是物体成形原理相似，有的是设备装置相似。

4.1.2　熔融沉积成形

说到熔融沉积成形（FDM）技术工艺，你一定很熟悉，在讲述 3D 打印机的分类时我们就已经了解到这门技术。

熔融沉积成形技术工艺，又被称作 FDM 工艺，该工艺打印 3D 物体的方法是使用丝状材料作为原料，熔融材料，使材料保持半流动的“液体”状态。这个状态如何保持呢？我们可以把加热温度控制在比材料的熔点高1℃，这样材料就会处于半流动状态。然后在计算机的控制下，打印头做平面运动，挤出熔融的材料，选择性地喷涂在热床上，经过冷却形成物品的一层薄面，打印头在计算机的控制下上移一层高度，重复以上流程，直到物体沉积成形。FDM 工艺原理如图 4-2 所示。

图 4-2　FDM 工艺原理

采用电阻加热的方式，温度范围有限制，很难拥有较高温度，对 FDM工艺技术来说有利有弊。弊端在于材料选择的限制，只能选择熔点较低的材料，不能对金属等高熔点材料进行打印。有利的地方就是污染小，材料可以回收，适用于小型工件的打印，安全系数高。

目前，应用广泛、的材料有三种，都具有热塑性，保证材料加热熔融后性质不会改变，那就是 ABS 工程塑料材料、PC 工程塑料材料、PPSF 材料。

FDM 工艺技术的主要缺点就是存在打印物品精度不高，容易变形，打印制品的表面光洁度较差等问题。

FDM 工艺也在不断改进和完善中，比如采用了双喷头的设置，一个喷头用来喷出原材料形成物体，另一个喷头喷出支撑材料进行支撑，这样可以有效提高物体成形效率，如图 4-3 所示。

通常，原型材料丝越细，成本就可能会越高，沉积效率自然会变低。所以，新型 FDM 工艺技术采取双喷头设置，一个喷头用来沉积原型材料，另一个喷头用来沉积支撑材料（用来支撑悬空部分不掉落），然后后期对支撑材料进行去除处理，这样就可以在提高沉积效率的同时降低原型材料成本。

图 4-3　双喷头 FDM 类型的 3D 打印机

双喷头的设置对支撑材料提出了要求，比如支撑材料的耐热性要好，和原型材料不浸润，流动性比较好，具有水溶性或者酸溶性等。FDM 工艺技术主要用于塑料制件、熔模铸造等方面，由于安全系数高，目前国内外常见的桌面级 3D 打印机大都采取 FDM 工艺技术进行打印、制作物品。

3D 百科

FDM 工艺的“前世今生”

1988 年，FDM 工艺技术诞生了， 该工艺由美国学者 Dr. Scott Crump 研制，FDM 工艺技术的推广是由美国 Stratasys 公司完成。1993 年，Stratasys 公司开发出台 FDM 类型的 3D 打印机—FDM1650 后，就在 FDM 领域做了大量研究工作，从材料、工艺等方面进行改进，先后推出了 FDM2000、FDM3000、FDM8000 等系列 3D打印机设备。

 1998 年，Stratasys 公司推出 FDM Quantum 机型，该 3D 打印机可以打印的物体的体积达到 600 mm×500 mm×600 mm。

我国的清华大学是国内较早研制 FDM 工艺技术、进行 FDM 设备商业推广的机构之一，它和北京殷华公司曾合作研制出 FDM 工艺设备—MEM250。

4.1.3　激光烧结成形

激光烧结成形（SLS）技术诞生于美国的德克萨斯大学奥斯汀分校，美国 DTM 公司将这门工艺技术进一步推广，1992 年，该公司将 SLS 工艺的设备进行商业生产化，自此，SLS 工艺开始出现在大众面前。

1992 年之后，奥斯汀分校和 DTM 公司一直在探索研究 SLS 工艺，并在材料开发、设备研制、改进工艺中取得了卓越的成就，占据了大部分市场。另外，德国的 EOS 公司也在 SLS 工艺领域有所研究，并在该工艺的基础初上衍生出了金属粉末直接激光烧结（DMLS）成形工艺系统，推出了几款 SLS 类型的 3D 打印设备，占据市场的一定份额。

SLS 工艺技术是怎样做到将原材料打印成薄层的呢？它对打印原材料有什么要求？原理是什么？使用 SLS 工艺技术打印物体的过程：在工作台上均匀铺上一层粉末材料（金属或者非金属均可），厚度大概在 100μm ～ 200μm 之间。当然，这靠人工不可能做到，所以会由铺粉滚筒的装置来完成，然后以二氧化碳激光器发出的激光束作为能源，按照计算机的控制对工作台上的粉末材料进行分层面的选择性的烧结，粉末材料会粘结形成一层截面，至此，一层扫描算是结束了。升降台上升一定高度后（此高度不超过 1 mm），铺粉滚筒再次将粉末铺平，重复上述过程，直到形成实物，如图 4-4 所示。

图 4-4　SLS 工艺技术原理

物品打印出来后，生产工作并没有结束，要想得到终成品，还需要进行后期处理，终烧结完成的物品会有多余的粉末，需要去除多余的粉末，还要经过打磨、烘干才能得到终的产品。

大家也许会有这样的疑惑，为什么经过激光扫描之后粉末就会“粘结”在一起呢？这是因为粉末材料在加热之后，“粉末球”之间可以形成粘结，这是由材料本身的性质决定的，所以理论上，任何具有原子间粘结性质的粉末材料都可以作为 SLS 工艺技术的原材料。

SLS 工艺技术使用激光作为能源，不用担心温度的高低问题，既可以熔化低熔点的工程塑料粉末、尼龙材料粉末，又可以驾驭高熔点的覆蜡陶瓷粉、覆蜡金属粉等，成形物体的精度相比较 FDM 工艺提高了不少。不仅如此，SLS 工艺在打印物体成形的过程中，那些没有经过烧结的粉末正好充当了支撑结构，因此不必专门设置支撑工艺结构。

SLS 工艺技术也有它的局限性，对于单一金属材料来说，在用激光熔化过程中容易产生“球化”现象。什么是“球化”现象呢？在粉末熔化为液体的过程中，粉末很容易就会受力不均匀，导致粉末熔化后的液体不能很好地“融合”在一起，这就会影响打印物体的尺寸精度。如果激光的能量过高，粉末就会熔化过度，产生粉末飞溅的情况，这同样会影响物体的尺寸精度。

为了减少“球化”现象，科学家将目光转向了多原液相烧结，该原理是利用低熔点的粘结剂，利用熔化的粘结剂粘结粉末材料，如图 4-5 所示。

图