本書由華中科技大學(xué)閆春澤、史玉升、魏青松等教授所撰寫，本書入選國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金資助湖北省學(xué)術(shù)著作出版專項(xiàng)資金資助，是在中國制造2025十三五國家科技創(chuàng)新規(guī)劃及國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃等背景下策劃的叢書中的一本。作者團(tuán)隊(duì)在激光選區(qū)燒結(jié)3D打印技術(shù)方面有著近30年的研究經(jīng)驗(yàn)，全面系統(tǒng)地介紹了激光選區(qū)燒結(jié)3D打印技術(shù)的理論和方法，具有較好的學(xué)術(shù)價(jià)值及參考價(jià)值，可供院校師生、科研院所及行業(yè)相關(guān)人員參考。全書為精裝彩色印刷。

本書以華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室快速制造中心20余年的研究成果為基礎(chǔ)，全面系統(tǒng)地介紹了激光選區(qū)燒結(jié)3D打印技術(shù)的理論和方法。第1章概述了激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及工藝原理。第2章介紹了激光選區(qū)燒結(jié)裝備及控制系統(tǒng)，重點(diǎn)講解了溫控和激光掃描系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)優(yōu)化。第3章研究了軟件算法及路徑規(guī)劃，分析了其對激光選區(qū)燒結(jié)成形質(zhì)量的影響規(guī)律。第4章、第5章分別介紹了高分子和無機(jī)非金屬材料的制備及成形工藝研究。第6章研究了激光選區(qū)燒結(jié)成形精度的影響因素及調(diào)控方法。第7章研究了激光選區(qū)燒結(jié)關(guān)鍵技術(shù)數(shù)值分析，采用數(shù)值模擬方法分析了預(yù)熱場和成形件致密化過程。第8章介紹了激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)的典型應(yīng)用案例。本書內(nèi)容深入淺出，兼顧了不同知識背景讀者的需求，既保證內(nèi)容新穎，反映國內(nèi)外*研究成果，又有理論知識探討和實(shí)際應(yīng)用案例。因此，本書既可供不同領(lǐng)域的工程技術(shù)人員閱讀，也可作為相關(guān)專業(yè)在校師生的參考書。

總序一

中國制造2025提出通過三個(gè)十年的三步走戰(zhàn)略，使中國制造綜合實(shí)力進(jìn)入世界強(qiáng)國前列。近三十年來，3D打�。ㄔ霾闹圃欤┘夹g(shù)是歐美日等高端工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)、試制、定型的重要支撐技術(shù)，也是中國制造業(yè)創(chuàng)新、重點(diǎn)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重大共性需求技術(shù)。 新的增材原理、新材料的研發(fā)、設(shè)備創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、工程應(yīng)用，必然引起各國產(chǎn)學(xué)研投界的高度關(guān)注。

　　3D打印是一項(xiàng)集機(jī)械、計(jì)算機(jī)、數(shù)控、材料等多學(xué)科于一體的，新的數(shù)字化先進(jìn)制造技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)可以成形任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)。其制造材料涵蓋了金屬、非金屬、陶瓷、復(fù)合材料和超材料等，并正在從3D打印向4D、5D打印方向發(fā)展，尺度上已實(shí)現(xiàn)8 m構(gòu)件制造并向微納制造發(fā)展，制造地點(diǎn)也由地表制造向星際、太空制造發(fā)展。這些進(jìn)展促進(jìn)了現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念的變革，而智能技術(shù)的融入又會促成新的發(fā)展。3D打印應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在航空、航天、航海、潛海、交通裝備、生物醫(yī)療、康復(fù)產(chǎn)業(yè)、文化創(chuàng)意、創(chuàng)新教育等領(lǐng)域都有非常誘人的前景。中國高度重視3D打印技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，通過國家基金項(xiàng)目、攻關(guān)項(xiàng)目、研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目支持3D打印技術(shù)的研發(fā)推廣，經(jīng)過二十多年培養(yǎng)了一批老中青結(jié)合、具有國際化視野的科研人才，國際合作廣泛深入，國際交流碩果累累。作為中國制造2025的發(fā)展重點(diǎn)，3D打印在近幾年取得了蓬勃發(fā)展，圍繞重大需求形成了不同行業(yè)的示范應(yīng)用。通過政策引導(dǎo)，在社會各界共同努力下，3D打印關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，裝備性能顯著提升，應(yīng)用領(lǐng)域日益拓展，技術(shù)生態(tài)和產(chǎn)業(yè)體系初步形成；涌現(xiàn)出一批具有一定競爭力的骨干企業(yè)，形成了若干產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展局面。

　　華中科技大學(xué)出版社緊跟時(shí)代潮流，瞄準(zhǔn)3D打印科學(xué)技術(shù)前沿，組織策劃了本套3D打印前沿技術(shù)叢書，并且，其中多部將與愛思唯爾（Elsevier）出版社一起，向全球聯(lián)合出版發(fā)行英文版。本套叢書內(nèi)容聚焦前沿、關(guān)注應(yīng)用、涉獵廣泛，不同領(lǐng)域?qū)＜�、學(xué)者從不同視野展示學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科交叉融合。本套叢書采用開放選題模式，聚焦3D打印技術(shù)前沿及其應(yīng)用的多個(gè)領(lǐng)域，如航空航天、工藝裝備、生物醫(yī)療、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。本套叢書不僅可以成為我國有關(guān)領(lǐng)域?qū)＜�、學(xué)者學(xué)術(shù)交流與合作的平臺，也是我國科技人員展示研究成果的國際平臺。

　　近年來，中國高校設(shè)立了3D打印專業(yè)，高校師生、設(shè)備制造與應(yīng)用的相關(guān)工程技術(shù)人員、科研工作者對3D打印的熱情與日俱增。由于3D打印技術(shù)僅有三十多年的發(fā)展歷程，該技術(shù)還有待于進(jìn)一步提高。希望這套叢書能成為有關(guān)領(lǐng)域?qū)＜�、學(xué)者、高校師生與工程技術(shù)人員之間的紐帶，增強(qiáng)作者、編者與讀者之間的聯(lián)系，促進(jìn)作者、讀者在應(yīng)用中凝練關(guān)鍵技術(shù)問題和科學(xué)問題，在解決問題的過程中，共同推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展。

　　我樂于為本套叢書作序，感謝為本套叢書做出貢獻(xiàn)的作者和讀者，感謝他們對本套叢書長期的支持與關(guān)注。

西安交通大學(xué)教授

中國工程院院士

盧秉恒

2018年11月

目錄

上 冊 目 錄

第1章緒論(1)

1.1激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展概況(1)

1.2激光選區(qū)燒結(jié)的工藝原理(1)

1.3激光選區(qū)燒結(jié)的工藝特點(diǎn)(2)

1.4激光選區(qū)燒結(jié)的應(yīng)用(3)

第2章裝備及控制系統(tǒng)(4)

2.1SLS裝備系統(tǒng)組成(4)

2.2SLS裝備溫度控制系統(tǒng)(5)

2.2.1溫控系統(tǒng)組成(5)

2.2.2溫控算法(6)

2.2.3溫度控制穩(wěn)定性分析(15)

2.2.4實(shí)際案例(16)

2.3振鏡式激光掃描系統(tǒng)(17)

2.3.1振鏡式激光掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化(17)

2.3.2振鏡式激光掃描系統(tǒng)掃描控制卡設(shè)計(jì)(41)

2.3.3激光選區(qū)燒結(jié)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制及系統(tǒng)監(jiān)控(55)

2.3.4振鏡掃描及激光選區(qū)燒結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證(70)

本章參考文獻(xiàn)(86)

第3章軟件算法及路徑規(guī)劃(92)

3.1STL文件容錯(cuò)、快速切片算法(92)

3.1.1STL文件的錯(cuò)誤分析(93)

3.1.2STL文件容錯(cuò)切片策略(96)

3.1.3算法的實(shí)現(xiàn)方法(98)

3.1.4算法的時(shí)間和空間復(fù)雜度分析(101)

3.1.5算法的實(shí)測性能(103)

3.1.6小結(jié)(104)

3.2STL模型布爾運(yùn)算的研究與實(shí)現(xiàn)(105)

3.2.1STL網(wǎng)格模型的相關(guān)定義與規(guī)則(105)

3.2.2三維實(shí)體正則集合運(yùn)算原理(107)

3.2.3STL模型布爾運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)步驟(109)

3.2.4STL文件的存儲格式(110)

3.2.5STL模型的拓?fù)渲貥?gòu)(113)

3.2.6相交性測試(115)

3.2.7交線環(huán)探測(121)

3.2.8相交表面的剖分(122)

3.2.9位置關(guān)系測試(130)

3.2.10程序界面和計(jì)算實(shí)例(138)

3.2.11STL模型布爾運(yùn)算的應(yīng)用初探(139)

3.2.12小結(jié)(140)

3.3相交性測試優(yōu)化方法研究(140)

3.3.1空間分解法(141)

3.3.2層次包圍體樹法(144)

3.3.3小結(jié)(148)

3.4基于遞歸拾取和標(biāo)識計(jì)算的網(wǎng)格支撐生成算法(149)

3.4.1支撐生成的算法原理(150)

3.4.2支撐區(qū)域的快速遞歸拾取(151)

3.4.3支撐線段的標(biāo)識計(jì)算(156)

3.4.4網(wǎng)格支撐的生成(160)

3.4.5支撐工藝實(shí)驗(yàn)分析與對比(164)

3.4.6小結(jié)(167)

3.53D打印振鏡掃描系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理(168)

3.5.1基于切弧過渡的連接優(yōu)化(168)

3.5.2基于F�睺heta物鏡的雙振鏡快速校正算法(173)

3.5.3掃描數(shù)據(jù)的延遲處理(177)

3.5.4雙線程掃描數(shù)據(jù)傳輸處理(183)

3.5.5小結(jié)(185)

本章參考文獻(xiàn)(185)

第4章SLS高分子材料制備及成形工藝研究(196)

4.1SLS高分子材料概述(196)

4.2激光選區(qū)燒結(jié)材料的制備方法(202)

4.2.1機(jī)械混合法(202)

4.2.2低溫粉碎法(202)

4.2.3溶劑沉淀法(204)

4.2.4其他制備方法(205)

4.3高分子材料的制備與成形工藝(205)

4.3.1尼龍粉末的制備與SLS成形工藝(206)

4.3.2聚苯乙烯的SLS成形工藝與后處理(234)

4.3.3聚碳酸酯的SLS成形工藝及其制件性能(240)

4.4高分子復(fù)合材料的制備與成形工藝(245)

4.4.1碳纖維/尼龍復(fù)合粉末的制備及SLS成形工藝(245)

4.4.2累托石/尼龍復(fù)合粉末的制備及SLS成形工藝(266)

4.4.3鈦酸鉀晶須/尼龍復(fù)合粉末的制備及SLS成形工藝(278)

4.4.4無機(jī)填料/尼龍復(fù)合粉末的SLS工藝與制件性能(287)

4.4.5納米二氧化硅/尼龍復(fù)合粉末的制備及SLS成形工藝(297)

4.4.6尼龍覆膜鋁復(fù)合粉末的制備及SLS工藝研究(307)

4.4.7間接SLS用尼龍覆膜球形碳鋼的制備、成形及后處理(325)

4.4.8尼龍/銅復(fù)合粉末的制備及SLS成形工藝(349)

本章參考文獻(xiàn)(366)

下 冊 目 錄

第5章SLS無機(jī)非金屬材料制備及成形工藝研究(371)

5.1無機(jī)非金屬材料的SLS成形及研究進(jìn)展(371)

5.1.1基于漿料的SLS技術(shù)(371)

5.1.2基于粉末材料的SLS技術(shù)(372)

5.1.3SLS/CIP/FS復(fù)合成形技術(shù)研究現(xiàn)狀(373)

5.1.4鑄造覆膜砂的SLS成形及研究進(jìn)展(374)

5.2陶瓷�拆そY(jié)劑復(fù)合材料的SLS成形及后處理工藝(375)

5.2.1納米氧化鋯�簿酆衔飶�(fù)合粉末的制備及成形(375)

5.2.2氧化鋁零件SLS/CIP/FS成形機(jī)理與工藝研究(408)

5.2.3高白土粉末SLS/CIP/FS復(fù)合成形工藝研究(426)

5.2.4碳化硅陶瓷的SLS成形與后處理研究(438)

5.3覆膜砂的SLS燒結(jié)機(jī)理與成形工藝研究(461)

5.3.1覆膜砂的SLS燒結(jié)機(jī)理與特征研究(461)

5.3.2覆膜砂的SLS成形工藝與性能研究(473)

本章參考文獻(xiàn)(486)

第6章SLS成形精度的控制(490)

6.1尺寸精度(490)

6.1.1平面尺寸誤差(491)

6.1.2高度尺寸誤差(494)

6.2形狀精度(498)

6.2.1一維翹曲(498)

6.2.2二維翹曲(500)

6.2.3圓形變方問題(501)

6.3成形收縮(502)

6.3.1成形收縮的組成(503)

6.3.2成形收縮的計(jì)算(504)

6.3.3減小成形收縮的措施(510)

6.4次級燒結(jié)(511)

6.4.1次級燒結(jié)的原因(511)

6.4.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(512)

6.4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析(512)

6.4.4小結(jié)(515)

6.5Z軸盈余(516)

6.5.1Z軸盈余產(chǎn)生的原因(516)

6.5.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(517)

6.5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析(517)

6.5.4小結(jié)(519)

6.6鋪粉過程中燒結(jié)件的移動(dòng)(520)

6.6.1鋪粉過程中燒結(jié)件的移動(dòng)現(xiàn)象及其對燒結(jié)過程的影響(520)

6.6.2鋪粉過程中燒結(jié)件移動(dòng)的原因(520)

6.6.3鋪粉過程中燒結(jié)件移動(dòng)現(xiàn)象的表征及實(shí)驗(yàn)研究(522)

本章參考文獻(xiàn)(523)

第7章SLS關(guān)鍵技術(shù)數(shù)值分析(525)

7.1預(yù)熱溫度場的數(shù)值模擬(525)

7.1.1SLS預(yù)熱溫度場的傳熱分析(525)

7.1.2輻射加熱建模與求解(526)

7.1.3數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析(529)

7.1.4改進(jìn)措施(535)

7.1.5小結(jié)(535)

7.2SLS成形致密化過程數(shù)值模擬(536)

7.2.1SLS成形致密化過程材料模型研究(536)

7.2.2基于Cam�睠lay模型的SLS致密化過程模擬(545)

7.2.3基于DPC模型的SLS致密化過程模擬(570)

7.2.4間接SLS成形金屬制件CIP過程數(shù)值模擬實(shí)例(580)

7.2.5間接SLS成形金屬制件HIP過程數(shù)值模擬實(shí)例(590)

7.3SLS成形陶瓷件致密化過程數(shù)值模擬研究(610)

7.3.1氧化鋁陶瓷件SLS/CIP/FS復(fù)合成形數(shù)值模擬技術(shù)路線(611)

7.3.2氧化鋁陶瓷SLS試樣冷等靜壓致密化數(shù)值模擬研究(612)

7.3.3氧化鋁陶瓷SLS/CIP試樣高溫?zé)�結(jié)致密化數(shù)值模擬研究(617)

7.3.4小結(jié)(621)

本章參考文獻(xiàn)(622)

第8章激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)的典型應(yīng)用(626)

8.1激光選區(qū)燒結(jié)在砂型鑄造中的應(yīng)用(626)

8.1.1復(fù)雜液壓閥的制造(626)

8.1.2氣缸蓋的制造(632)

8.1.3其他砂型(芯)的SLS成形(633)

8.2激光選區(qū)燒結(jié)在熔模鑄造中的應(yīng)用(634)

8.2.1SLS模料的選擇(634)

8.2.2SLS原型件的滲蠟后處理(635)

8.2.3SLS模料的熱性能(636)

8.2.4結(jié)殼脫蠟工藝的研究(639)

8.3激光選區(qū)燒結(jié)在制造隨形冷卻流道注塑模具中的應(yīng)用(643)

8.3.1隨形冷卻技術(shù)(643)

8.3.2SLS成形(647)

8.3.3形坯后處理(649)

8.3.4零件注射成形(655)

8.4激光選區(qū)燒結(jié)在制造陶瓷零件中的應(yīng)用(658)

8.5激光選區(qū)燒結(jié)在制造塑料功能件中的應(yīng)用(659)

8.5.1間接SLS成形塑料功能件(659)

8.5.2直接SLS成形塑料功能件(663)

本章參考文獻(xiàn)(666)