《3D打印理論與應用》重點闡述3D打印的基礎知識與核心技術，并詳細介紹3D打印技術在日常生活、工業、生物醫學，以及教學等領域應用的精彩案例。《3D打印理論與應用》還對3D打印的發展瓶頸做了介紹，同時對3D打印的未來發展做了大膽的預測。為了強化《3D打印理論與應用》介紹內容的可操作性，還介紹了3D打印實戰、3D打印與云計算、3D打印服務及其平臺等。
研究生、本科生，3D打印研發人員和愛好者
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打印的起源與發展 3
1.2 3D打印的成長期 7
1.3 早期的3D打印機 11
1.4 小結 14
參考文獻 14
第2章 3D打印的發展與瓶頸 15
2.1 3D打印的發展——第三次工業革命 15
2.1.1 次工業革命 15
2.1.2 第二次工業革命 16
2.1.3 第三次工業革命 16
2.2 打印耗材對3D打印產業的制約 17
2.2.1 工程塑料 17
2.2.2 光敏樹脂 29
2.3 知識產權對3D打印產業的制約 32
2.3.1 知識產權的定義與分類 32
2.3.2 知識產權對3D打印的影響 33
2.4 3D打印對人類倫理的挑戰 36
2.5 小結 36
參考文獻 37
第3章 3D打印機在國內外的發展概述 38
3.1 國外3D打印機 38
3.1.1 國外3D打印機產業化發展現狀 38
3.1.2 國外3D打印技術產業應用現狀 39
3.1.3 3D打印技術未來產業化發展趨勢 39
3.1.4 國外3D打印技術產業化的先進經驗和啟示 44
3.2 國內3D打印技術產業化現狀 46
3.2.1 3D打印技術研發 46
3.2.2 3D打印技術產業應用 47
3.2.3 目前我國3D打印領域存在的問題 47
3.3 小結 49
參考文獻 50
第二篇 3D打印機技術
第4章 3D打印機工作原理 53
4.1 熔融沉積快速成型 53
4.1.1 技術原理 53
4.1.2 技術特點 54
4.1.3 FDM工藝處理過程 54
4.1.4 FDM打印機介紹 54
4.2 光固化成型 57
4.2.1 技術原理 57
4.2.2 技術特點 57
4.2.3 SLA工藝處理過程 58
4.2.4 SLA打印機介紹 58
4.3 選擇性激光燒結成型 60
4.3.1 SLS工藝技術原理 60
4.3.2 SLS工藝技術特點 61
4.3.3 SLS工藝處理過程 61
4.3.4 SLS打印機介紹 62
4.4 三維粉末粘接 64
4.4.1 技術原理 64
4.4.2 技術特點 65
4.4.3 處理過程 65
4.4.4 3DP打印機介紹 65
4.5 小結 67
參考文獻 67
第5章 3D打印機的驅動控制系統 68
5.1 驅動控制系統的組成 68
5.2 主控芯片 69
5.2.1 Atmega640/1280/1281/2560/2561系列微處理器簡介 70
5.2.2 Atmega640/1280/1281/2560/2561系列微處理器的體系結構和特性 70
5.3 系統主板 74
5.3.1 MakerBot主板 74
5.3.2 Smoothieboard主板 78
5.4 步進電機驅動板 80
5.4.1 MakerBot步進電機驅動板 81
5.4.2 Pololu步進電機驅動板 85
5.5 擠壓頭驅動板 87
5.5.1 擠壓頭概述 87
5.5.2 MakerBot擠壓頭驅動板 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 101
參考文獻 101
第6章 3D打印機的種類 103
6.1 工業級3D打印機 103
6.1.1 工業級3D打印機市場現狀 103
6.1.2 國外工業級3D打印機生產廠家及主要產品 104
6.1.3 工業級3D打印機對材料的要求 112
6.1.4 工業級3D打印技術發展及前景 113
6.2 桌面級3D打印機 114
6.2.1 總體情況 114
6.2.2 個人打印機 115
6.3 小結 137
參考文獻 137
第三篇 3D打印技術應用
第7章 3D打印在日常生活領域的應用 141
7.1 概述 141
7.2 經典案例 141
7.2.1 婚紗人偶 141
7.2.2 個性鞋子 141
7.2.3 個性戒指 143
7.2.4 個性吊墜 143
7.2.5 個性臺燈 144
7.2.6 個性桌椅 145
7.2.7 巧克力 145
7.2.8 漢堡包和披薩 145
7.2.9 耳機 147
7.2.10 衣服 148
7.2.11 3D打印時裝 150
7.2.12 3D彩色晶體內衣 151
7.2.13 高跟鞋 151
7.2.14 3D打印珊瑚手鐲 152
7.3 小結 152
參考文獻 152
第8章 3D打印在工業領域的應用 154
8.1 概述 154
8.2 經典案例 155
8.2.1 航空、航天領域 155
8.2.2 工業設計領域 160
8.3 小結 169
參考文獻 169
第9章 3D打印在生物醫學領域的應用 170
9.1 概述 170
9.2 經典案例 171
9.2.1 醫療領域經典案例 171
9.2.2 生物領域經典案例 178
9.3 小結 181
參考文獻 181
第10章 3D打印在教學領域的應用 182
10.1 3D打印機逐漸走入中學課堂 182
10.2 3D打印機在高教中應用 184
10.3 3D打印提升SCAD的設計教學水平 185
10.4 3D打印機可以引發教育革命化 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印刷實驗室 190
10.8 3D印刷在芝加哥藝術學院的探索 190
10.9 3D打印在學習環境中扮演的角色 192
10.10 小結 193
參考文獻 193
第11章 3D打印實戰 194
11.1 如何選擇3D打印機 194
11.1.1 根據產品的制作需求來選擇符合需求的3D打印機 194
11.1.2 根據打印機的性能參數來綜合判斷選擇合適的打印機 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 利用沙子太陽能燒結打印 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 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 214
參考文獻 214
第四篇 3D云打印
第12章 3D打印與云計算 217
12.1 云計算基礎知識 217
12.1.1 什么叫云計算 217
12.1.2 云計算的定義 217
12.2 云計算的發展現狀 218
12.2.1 國外發展現狀與趨勢 218
12.2.2 國內發展現狀與趨勢 220
12.3 云計算與3D打印 221
12.3.1 Autodesk提供基于云的3D打印服務 221
12.3.2 narkii提供基于云的3D打印服務 223
12.4 小結 224
參考文獻 224
第13章 3D打印服務 225
13.1 3D打印服務概述 225
13.2 納金網的3D打印服務平臺 227
13.2.1 平臺的定位 227
13.2.2 3D打印服務分類 228
13.2.3 3D打印材料 231
13.2.4 3D打印機 235
13.2.5 模型格式 238
13.2.6 納金網3D打印服務平臺的開店流程 238
13.2.7 納金網3D打印服務平臺客戶下單打印流程 239
13.3 小結 242
參考文獻 242
篇 神奇的3D打印
第1章 3D打印的前世今生
1.1 3D打印的起源與發展
從歷史角度回顧3D打印的發展歷程，早可以追溯到19世紀末。由于受到兩次工業革命的刺激，18～19世紀歐美國家的商品經濟得到了飛速的發展，產品生產技術的革新是一個永遠的話題。為了滿足科研探索和產品設計的需求，快速成型技術在這一時期開始萌芽，例如Willeme光刻實驗室也在這個階段開展了商業的探索，可惜受到技術的限制沒能成功。
快速成型技術在商業上獲得真正意義上的發展是從20世紀80年代末開始的，在此期間也涌現過幾次3D打印的技術浪潮，但總體來看3D打印技術仍保持著穩健的發展。2007年，開源桌面級3D打印設備，此后新一輪的3D打印浪潮開始醞釀。2012年4月，英國著名經濟學雜志The Economist發表了一篇關于第三次工業革命的封面文章，掀起了新一輪的3D打印浪潮。下面簡述3D打印技術的發展歷程。
1892年，Blanther首次在公開場合提出使用層疊成型方法制作地形圖的構想。
1940年，Perera提出的設想與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在紙板層疊技術的基礎上首先提出可以嘗試使用光固化材料，光敏聚合樹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應的板層，光線有選擇地投射到這個板層上將指定部分硬化，而沒有被無線投射的部分將會使用化學溶劑溶解掉。這樣板層將不斷堆積，直到后形成一個立體模型。這種方法適用于傳統工藝難以制作加工的曲面。
1977年，Swainson提出可以通過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，Battelle實驗室的Schwerzel也開展了類似的研究工作。
1979年，日本東京大學的Nakagawa使用薄膜技術制作出實用的工具，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的設計方案。
1982年，Hull試圖將光學技術應用于快速成型領域。
1986年，Hull成立3D Systems公司，并研發了著名的STL文件格式。STL格式逐漸成為CAD/CAM系統接口文件格式的工業標準。
1988年，3D Systems公司推出世界上臺基于光固化成型(stereo lightgraphy apparatus，SLA)技術的商用3D打印機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。盡管SLA-250身形巨大且價格昂貴，但它的面世標志著3D打印商業化的起步。
圖1-1 Hull與世界上臺商用3D打印機SLA-250
同年，Crump發明了另一種3D打印技術，即熔融沉積快速成型技術(fused deposition modeling，FDM)，并成立了Stratasys公司［1］。
1989年，美國得克薩斯大學奧斯汀分校的Dechard發明了選擇性激光燒結工藝(selective laser sintering，SLS)。SLS技術應用廣泛并支持多種材料成型，如尼龍、蠟、陶瓷，甚至是金屬。SLS技術的發明讓3D打印生產走向多元化。
1992年，Stratasys公司推出臺基于FDM技術的3D打印機——3D造型者，這標志著FDM技術步入商用階段。
1993年，美國麻省理工大學的Sachs發明了三維印刷技術(three-dimension printing，3DP)。3DP技術通過黏結劑把金屬、陶瓷等粉末黏合成型。
1995年，快速成型技術被列為我國十年十大模具工業發展方向之一，國內的自然科學學科發展戰略調研報告也將快速成型與制造技術、自由造型系統，以及計算機集成系統研究列為重點研究領域之一。
1996年，3D Systems、Stratasys和Z Corporation各自推出新一代的快速成型設備Actua 2100、Genisys和Z402，此后快速成型技術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3D打印機(圖1-2)，Dimension系列價格相對低廉，主要基于FDM技術，以ABS塑料為成型材料。
圖1-2 高精度彩色3D打印機Spectrum Z510
2007年，3D打印服務創業公司Shapeways正式成立。Shapeways建立了一個規模龐大的3D打印設計在線交易平臺，為用戶提供個性化的3D打印服務，深化了社會化制造模式。
2008年，款開源的桌面級3D打印機RepRap。RepRap是英國巴恩大學Bowyer團隊2005年的開源3D打印機研究項目，得益于開源硬件的進步與歐美實驗室團隊的無私貢獻，桌面級的開源3D打印機為新一輪的3D打印浪潮帶來契機。
2009年，Pettis帶領團隊創立了著名的桌面級3D打印機公司——MakerBot(圖1-3)。MakerBot的設備主要基于早期的RepRap開源項目，但對RepRap的機械結構重新進行了設計，發展至今已經經歷幾代的升級，在成型精度、打印尺寸等指標上有了長足的進步。
圖1-3 MakerBot
MakerBot繼承了RepRap項目的開源精神，其早期的產品同樣是以開源的方式，在互聯網上能夠非常方便地找到MakerBot早期項目所有的工程材料，MakerBot也出售設備的組裝套件。此后，國內廠商便以這些材料為基礎開始了仿造工作，國內的桌面級3D打印機市場也此打開［2］。
2012年9月，3D打印的兩個經驗豐富企業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。此項合并進一步確立了Stratasys在高速發展的3D打印及數字制造業中的領導地位。
2012年10月，來自MIT Media Lab的團隊成立Formlabs公司，并了世界上臺廉價高精度SLA消費級桌面3D打印機Form1，引起業界的重視(圖1-4)。此后在著名眾籌網站Kickstarter上的3D打印項目呈現百花齊放的盛況，國內的生產商也開始研發基于SLA技術的桌面級3D打印機［3］。
圖1-4 Formlabs公司推出的桌面級3D打印機
同期，由亞洲制造業協會聯合華中科技大學、北京航空航天大學、清華大學等科研機構和3D行業經驗豐富企業共同發起的中國3D打印技術產業聯盟正式宣告成立。國內關于3D打印的門戶網站、論壇、博客如雨后春筍般涌現，各大報刊、網媒、電臺、電視臺也爭相報道關于3D打印的新聞。
3D打印機通常被認為是一款日常生活中經常會用到的家電產品。為什么說3D打印機是款家電產品呢？首先，我們大膽假設下，如果人們在安裝某設備時，突然發現少了一顆螺絲，正常情況下會去五金店里買，但有了3D打印機之后，就可以在家中打印一個相符的螺絲，用戶無需出門就可以解決困擾。另外，用戶也可通過3D打印機制作產品，比如在網絡上看見非常別致的裝飾品，就可通過3D打印機將其打印出來。當然，生活中會使用到3D打印機的機會當然不止這些。
2013年，《環球科學》邀請各領域的科學家，經過數輪討論評選出了2012年值得銘記、對人類社會產生影響為深遠的十大科技成果，其中3D打印位列第九。
