《三维数字化建模与3D打印》袁赟，袁锋编著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《三维数字化建模与3D打印》

【作　者】袁赟，袁锋编著

【丛书名】高等职业教育机械类专业系列教材

【页 数】 311

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2020.02

【ISBN号】978-7-111-64547-4

【分 类】三维动画软件-教材-立体印刷-印刷术-教材

【参考文献】 袁赟，袁锋编著. 三维数字化建模与3D打印. 北京：机械工业出版社, 2020.02.

图书封面：

图书目录：

《三维数字化建模与3D打印》内容提要：

本教材结合了作者多年从事3D打印、CAD/CAM/CAE的教学和培训经验编著而成。全书共分9章，第1章为3D打印技术概述；第2章为典型3D打印工艺方法及应用；第3章为3D打印常用材料；第4章为3D打印机切片软件种类及使用方法；第5章为Prusa i3开源3D打印机组装；第6章为蜗杆蜗轮零件三维数字化设计与3D打印；第7章为滚动轴承零件三维数字化设计与3D打印；第8章为曲轴零件三维数字化设计与3D打印；第9章为摩托车反光镜三维逆向反求设计与3D打印。本教材三维数字化建模采用UG NX12.0作为设计软件，以文字和图形相结合的形式，详细介绍了零件的设计过程和UG软件的操作步骤，并配有操作过程的动画演示。

《三维数字化建模与3D打印》内容试读

第1章

3D打印技术概述

1.13D打印技术的基本概念

3D打印(3 D Printing)技术作为快速成型领域的一种新兴技术，是一种以数字模型为基础，通过软件分层离散和计算机数字控制系统，运用热熔喷嘴、激光束等方式，将塑料、金属粉末、陶瓷粉末或生物医用材料等通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实

体的技术（图1-1），其基本原理是离散-堆积原理。由于3D打印技术与传统的去除材料加

工技术不同，因此又称为增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术，是一种新材料应用与数字化技术紧密结合的先进制造技术，被称为“改变未来世界的创造性科技”。

图1-1所示为3D打印流程图。

过去，3D打印技术通常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现在，3D打印

3D打印流程图

3D文件

3D打印机

3D立体模型

2

铺开一层粉末

打印横截面

打印粉末层

图1-1

三维数字化建模与3D打印

技术正逐渐用于一些产品的直接制造。目前，该技术已在航空航天，汽车，模具制造，工业

设计，动漫，考古，珠宝首饰，建筑、工程和施工(AEC)以及医疗等领域有所应用。3D

打印技术可以大大节省工业样品制作时间，提高原材料和能源的使用效率，减少对环境的影响，大幅降低生产成本，还能根据消费者的需求为其量身定制产品。

3D打印技术的发展日新月异，在医疗领域，科学家们正在利用3D打印机制造皮肤、

肌肉和血管，并实现了像肾脏、肝脏甚至心脏这样的人体重要器官的三维打印。

1.23D打印技术的发展历程

3D打印技术作为“19世纪的思想，20世纪的技术，21世纪的市场”，经历了一下几个

发展过程。

19世纪末，美国研究出了的照相雕塑和地貌成型技术，1892年美国学者BLANTHER J

E第一次公布了使用层叠成型的方法制作地形图的构思。

1940年，Perera提出了在硬纸板上沿等高线切割轮廓，然后叠成模型制作三维地形图的方法。

1972年，MATSUBARA K在纸板层叠技术的基础上首先提出可以尝试使用光固化材料，

将光敏聚合树脂涂在耐火的颗粒上面，这些颗粒被填充到叠层，加热后会生成与叠层对应的板层，光线有选择地投射或扫描到这个板层上，将指定的部分硬化，没有扫描或没有硬化的部分被某种化学溶剂溶解掉，这样板层会不断堆积直到最后形成一个立体模型，这样的方法

适用于制作传统工艺难以加工的曲面。这一技术设想和装置已经初步具备了当代3D打印机

的雏形，因为其已经有逐层、增材、成型的技术加工过程。

1977年，美国学者SWAINSON W K提出了可以通过激光选择性照射光敏聚合物的方法

直接制造立体模型。同时期，SCHEWERZEL R E在Battlle实验室也开展了类似的技术研发工作。

1979年，日本东京大学的NAKAGAWA T教授开始使用薄膜技术制作出实用的工具；同

年，美国科学家HOUSHOLDER R F获得类似“快速成型”技术的专利，但没有被商业化。

1981年，美国科学家KODAMA H首次提出了一套功能感光聚合物快速成型系统的设计

方案。

1982年，美国人CHARLES W H试图将光学技

术应用于快速成型领域。

1986年，CHARLES W H成立了3 D Systems公

司，研发了著名的STL文件格式，STL格式逐渐成为

CAD、CAM系统接口文件格式的工业标准。

1988年，3 D Systems公司推出了世界上第一台

基于SLA技术的商用3D打印机SLA-250(图1-2)，

其体积非常大，CHARLES把它称为“立体平板印刷

机”。尽管SLA-250身形巨大且价格昂贵，但它的面

世标志着3D打印商业化的起步，这是3D打印技术

发展的一个里程碑。同年，Scott Crump发明了另一

图1-2

第1章3D打印技术概述

种3D打印技术，即融熔沉积快速成型(Fused Deposition Modeling,FDM)技术并成立了

Stratasys公司。

1989年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的DECHARD C R博士发明了选择性激光烧结

(Selective Laser Sintering,SLS)技术，SLS技术应用广泛并支持多种材料成型，例如尼龙、

蜡、陶瓷、甚至是金属，SLS技术的发明让3D打印生产走向多元化。

1992年，Stratasys公司推出了第一台基于FDM技术的3D打印机一3D造型者(3D

Modeler),这标志着FDM技术步入了商用阶段。

1993年，麻省理工学院的EMANUAL S教授发明了三维印刷(Three-Dimension Printing,

3DP)技术，3DP技术通过黏结剂把金属、陶瓷等粉末黏合成型。

1995年，快速成型技术被列为我国未来十年十大模具工业发展方向之一，国内的自然科学学科发展战略调研报告也将快速成型与制造技术、自由造型系统以及计算机集成系统研究列为重点研究领域之一。

1996年，3 D Systems、Stratasys、Z Corporation公司分别推出了新一代的快速成型设备

Actua2100、Genisys、Z402,此后快速成型技术便有了更加通俗的称谓一3D打印。

2002年，Stratasys公司推出Dimension系列桌面级3D打印机（图1-3），Dimension系列

3D打印机的价格相对低廉，主要也是基于FDM技术以ABS塑料作为成型材料。

2005年，Z Corporation公司推出世界上第一台高精度彩色3D打印机SpeCTRum

2510,让3D打印走进了彩色时代。

2007年，3D打印服务创业公司Shape-ways成立，Shapeways公司基于3D打印机对于“商品数据”的依赖性，建立起了一个规

模庞大的3D打印设计在线交易平台，为用户

提供个性化的3D打印服务，深化了社会化制

造模式(Social Manufacturing)。

图1-3

2OO8年，第一款开源的桌面级3D打印机RepRap发布，RepRap是英国巴斯大学ADRIANB团队于2005年立项的开源3D打印机研究项目。同年，美国Organovo公司首次使用增材制造技术制造出人造血管。

2009年，BREP带领团队创立了著名的桌面级3D打印机公司一MakerBot。MakerBot的设备主要基于早期的RepRap开源项目，但对RepRap的机械结构进行了重新设计，发展至今已经历几代的升级，在成型精度、打印尺寸等指标上都有长足的进步。

2011年，英国南安普敦大学工程师创造出世

界首架3D打印无人机（图1-4）。该无人机除了

发动机之外，所有的部件都是使用3D打印技术打

印出来的。

同年，Kor Ecologic公司推出世界第一辆从表

面到零部件都是运用3D打印技术制造的车

Urbee(图1-5)。

图1-4

3

三维数字化建模与3D打印

图1-5

2012年，英国《经济学人》杂志的封面文章，声称3D打印将引发第三次工业革命。

2012年9月，3D打印市场两个领先企业Stratasys公司和以色列的0bjet公司宣布合并，交易额为l4亿美元，合并后的公司名仍为Stratasys。此项合并进一步确立了Stratasys公司在

高速发展的3D打印及数字制造业中的领导地位。

2012年10月，来自麻省理工学院的Media Lab团队成立Formlabs公司并发布了世界上第一台廉价的高精度SLA消费级桌面3D打印机Fom1(图1-6)。

2012年11月，苏格兰科学家利

用人体细胞使用3D打印机首次成功

打印出人造人体肝脏组织。

同期，由亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清

华大学等权威科研机构和3D行业领

先企业共同发起的中国3D打印技术

产业联盟正式宣告成立。国内关于3D

打印的门户网站、论坛、博客如雨后春笋般涌现，各类媒体争相报道关于

3D打印的新闻。

图1-6

2012年11月，中国宣布是世界上唯一掌握大型结构关键件激光成型技术的国家。

2012年12月，美国分布式防御组织成功测试了3D打印的枪支弹夹（图1-7）。

图1-7

2013年8月，美国国家航空航天局(NASA)测试3D打印的火箭部件，其可承受

9072kg推力，并可耐177.5℃的高温。

第1章3D打印技术概述

20l4年7月，美国南达科塔州一家名为Flexible Robotic Environments(FRE)的公司公

布了最新开发的全功能制造设备VDK6000。

2015年3月，美国Carbon3D公司发布一种新的光固化技术一连续液态界面制造(Continuous Liquid Interface Production,CLIP),该技术利用氧气和光连续地从树脂材料中逐层输出模型，打印速度快。

2016年3月，美国国家航空航天局(NASA)将其第二代便携式机载3D打印机成功送

上国际空间站。

2016年12月，悉尼的心脏研究所(HRI)开发了一款能3D打印人类细胞的生物打印

机，并成功的3D打印出跳动的心脏细胞，这些细胞可用来修复受损的心脏组织。

2017年1月16日，美国硅谷一家科技公司Bellus3D研发出一种新型3D照相技术，可

完整拍下高分辨率的人脸3D照片，使用这些照片进行3D打印出的面具与真正的人脸几乎

毫无二致。

2017年4月7日，德国运动品牌阿迪达斯

·(Adidas)推出了全球首款鞋底3D打印制成的运动鞋（图1-8），计划2018年开始批量生产，以应对快速变化的时尚潮流，生产更多定制产品。

2018年5月，英国纽卡斯尔大学的科学家已

经成功3D打印出了第一个人类角膜，该技术成

熟以后可于未来无限量供应角膜。

图1-8

1.33D打印技术的基本原理

3D打印技术使用了离散-堆积成型原理（图1-9）：首先采用计算机设计三维数字模型，

然后对三维数字模型进行分层切片（类似于微分操作，将模型离散为有限个面单元、线单元或点单元)，最后将打印的材料一层层地沉积于工作台上（以有限的单元来逼近连续体），逐步堆积成三维实体模型。

3D打印过程（图1-10)：通过计算机建模软件建立三维CAD数字模型，根据不同的工

三维CAD数字模型

三维CAD数字模型

”一一一一-一一一一模型分层/切片

离散

体离散

〔离散过程)

处理层片信息

Q22阳

离散的点、线、面

控制信息

面离散

线离散

单层打印

(叠加过程)

堆积

层片叠加

--

实体模型

实体模型

图1-9

图1-10

三维数字化建模与3D打印

艺要求，将模型沿着某一方向（如Z方向），按一定厚度分层（切片），即将模型离散为一系

列有序的二维层面，得到一系列的二维平面信息；对切片后的数据信息进行处理，将这些离散

的信息与3D打印机的加工参数相结合，生成3D打印机可识别的代码信息，驱动打印机有序

地加工出每一层并将这些薄型层面堆叠黏合，直至形成一个三维实体模型，即叠加的过程。

1.43D打印技术的文件处理流程

3D打印技术的文件处理流程（图1-11）主要可以分为两个步骤：一是三维模型数据的

处理阶段；二是3D打印数据的处理阶段。算法的步骤可以分成两个部分：一部分是三维模

型数据的获取与处理，即获取通用的三维立体图；另一部分是3D打印中的预处理，主要功

能是对三维模型进行栅格化处理，让3D打印机一步一步打印出三维实体模型。

人工建模

S

维

扫描等获取

中间文件

层切片处成层面信

印

三维模型数据的处理

3D打印数据的处理

图1-11

1.5三维模型数据的获取与处理方法

要进行3D打印之前，首先要获取产品的三维模型，才能进行三维模型的重构。获取三

维模型数据就是获取物体的每一个点的高度信息。获取的模型数据的准确度直接影响3D打

印的效果。三维模型数据获取有正向建模获取、逆向建模获取和医学扫描三种方法。

1.5.1正向建模获取三维模型数据

正向建模是指设计者根据经验，按照建模规范逐步建模，是传统的模型设计技术。通常由人工通过三维造型软件建模获得。建模过程可使用3 ds Max、Maya、Rhino、AutoCAD

SketchUp、UG、Creo、CATIA、SolidWorks等常用3D建模软件完成。

需要注意的是，在整个建模过程中要确保产品尺寸准确无误，打印机严格按照尺寸数据

控制产品最终外形。正向建模是3D打印技术中获取三维模型文件的一种常用方式。这种方

式比较灵活，精度也比较高。

根据建模思想的不同，一般将正向建模方法分为实体建模、曲面建模和参数化建模三种类型。

1.实体建模（Solid Modeling)

实体建模是指通过数学上定义的几何信息和位相数据展现出三维形状的建模方式，最常用的是边界描述法(Boundary Represent,B-Rep,即通过点、线、面的连接关系及面的位置关系来表示)和构造实体几何法(Computed Structure Geometry,CSG,即通过几何形状之间的和、差、交等逻辑运算来表示)。实体建模一般用于设计规则的几何形状，它包含了实心

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···试读结束···