3D打印技術(shù)簡介課件

3D打印技術(shù)簡介3D打印技術(shù)簡介1傳統(tǒng)的制造加工工藝

----等材制造工藝

鑄造是一種金屬熱加工工藝，是將液體金屬（例：銅、鐵、鋁、錫、鉛等）澆鑄到與零件形狀相適應(yīng)的空腔（稱為鑄模，材料可以是砂、金屬甚至陶瓷）中，待其冷卻凝固后，以獲得零件或毛坯的方法。人類在幾千年前就掌握了這種制造工藝，比如出土的春秋戰(zhàn)國時期的青銅器皿就是通過鑄造制造的。傳統(tǒng)的制造加工工藝

--2鑄造車間環(huán)境鑄造車間環(huán)境3鍛造是利用鍛壓機(jī)械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸鍛件的制造工藝。人類在幾千年前也掌握了這種制造工藝，就是民間俗稱的“打鐵”工藝。一般地，由于鍛造能消除金屬在冶煉過程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，鍛件的機(jī)械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。

鍛造是利用鍛壓機(jī)械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得4鍛造車間環(huán)境鍛造車間環(huán)境5沖壓是靠壓力機(jī)和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的工件（沖壓件）的成形加工工藝。生活中很多物品，比如汽車的車身、容器的殼體，儀器儀表、家用電器、辦公機(jī)械、生活器皿等，都是沖壓件。沖壓和鍛造同屬塑性加工（或稱壓力加工），合稱鍛壓。由于這些加工工藝在加工物品的過程中，材料只是從一種形式變到另一種形式，材料并沒有增加或減少，因此稱為等材制造工藝。沖壓是靠壓力機(jī)和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之6一般是指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的工藝方法，車銑刨磨是四種基本的加工方式，包括車削加工、銑削加工、刨削加工、磨削加工，不同零件所需的加工方式不同，有的零件需使用其中多種方式才可完成零件的加工。由于這種加工工藝將多余的材料從工件中削除，被削除的材料是浪費(fèi)（稱為廢料）的，因此稱為減材制造工藝。傳統(tǒng)的制造加工工藝

----減材制造工藝

一般是指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的工藝方法，車銑刨磨是四種基7車削加工車削加工8磨削加工磨削加工9銑削加工銑削加工10什么是3D打印？3D打印并不神秘：它只是一種新型的制造和加工工藝

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在上世紀(jì)80年代末至90年代初（也稱為快速成型技術(shù)），至今也就30年不到的時間。其原理很簡單：以3D數(shù)字模型文件為輸入，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。什么是3D打??？3D打印并不神秘：它只是一種新型的制造和加工11形象來講，普通的打印機(jī)是將2D圖像或圖形數(shù)字文件通過墨水輸出到紙張上；3D打印機(jī)則是將實(shí)實(shí)在在的原材料（比如金屬、陶瓷、塑料、砂等）輸出為一薄層（物理上具有一定的厚度），然后不斷重復(fù)一層層疊加起來，最終變成空間實(shí)物。因此，3D打印在輸出某一分層時，過程與噴墨打印是相似的。就像蓋房子，是通過一塊一塊磚所累積而成，而3D打印的物品是通過原材料的一粒一粒所累積而成。形象來講，普通的打印機(jī)是將2D圖像或圖形數(shù)字文件通過墨水輸出12由于3D打印是將材料一層一層堆積而成，因此也稱為增材制造工藝。3D打印并不神秘，相對于具有千年的等材制造工藝和具有百年的減材制造工藝，它只是一種制造成型的新工藝，只有30年不到的歷史。由于3D打印是將材料一層一層堆積而成，因此也稱為增材制造工藝133D打印區(qū)別于其他制造工藝有

哪些優(yōu)勢和劣勢？1.

設(shè)計(jì)空間無限。對于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜物品（比如內(nèi)部有非常復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或空腔結(jié)構(gòu)的物品），傳統(tǒng)的制造工藝是無法進(jìn)行加工的，需要將物品進(jìn)行分解分別加工再組裝。而3D打印將物體分解成一層一層的2D區(qū)域，因此加工任意復(fù)雜的物體都沒有問題，加工精度只是取決于打印機(jī)所能輸出的最小材料顆粒。這是3D打印帶給我們最大的優(yōu)勢，能讓設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)任意復(fù)雜的幾何形狀，設(shè)計(jì)空間無限。正是這個優(yōu)勢，給了我們在幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面大量需要解決的問題，后面會詳述。3D打印區(qū)別于其他制造工藝有

哪些優(yōu)勢和劣勢？1.

設(shè)計(jì)空間142.

零技能制造。傳統(tǒng)的制造工藝設(shè)備龐大且昂貴，需要較高的技能才能進(jìn)行操作。而3D打印機(jī)（比如FDM3D打印機(jī)）小巧而廉價，有些已經(jīng)進(jìn)入家庭，使用簡單方便；相對于昂貴的鑄模，3D打印只需要一個數(shù)字化文件即可進(jìn)行成型。因此，通過3D打印，能夠輕松實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個性化設(shè)計(jì)與定制，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)時間。這個優(yōu)勢給了我們非機(jī)械專業(yè)的研究工作者，也能進(jìn)行相關(guān)的幾何、結(jié)構(gòu)、材料等方面的研究，大大加深和拓展了制造中所存在的相關(guān)研究問題。2.

零技能制造。傳統(tǒng)的制造工藝設(shè)備龐大且昂貴，需要較高的技153.

材料無限組合。多噴頭的3D打印機(jī)能夠?qū)Χ喾N材料進(jìn)行組合打印。通過材料的堆疊和組合，打印的物品具有與單一材料所不同的物理和力學(xué)的特性。因此，通過不同材料的組合，可以產(chǎn)生性能不同的“新的材料”。這個優(yōu)勢提供給了我們利用控制材料的分布來控制物品的物理、力學(xué)及結(jié)構(gòu)的特性，從而能產(chǎn)生多樣化的物品，增加產(chǎn)品的靈活性。3.

材料無限組合。多噴頭的3D打印機(jī)能夠?qū)Χ喾N材料進(jìn)行組合163D打印技術(shù)最被看重的三大優(yōu)勢是加速產(chǎn)品的研發(fā)過程、提供個性化和定制產(chǎn)品和增加生產(chǎn)的靈活性。從成型工藝上看3D打印突破了傳統(tǒng)成型方法，無需先行制作模具和機(jī)械加工，通過快速自動成型硬件系統(tǒng)與CAD軟件模型結(jié)合就能夠制造出各種形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，這使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期大大縮短，生產(chǎn)成本大幅下降。3D打印技術(shù)最被看重的三大優(yōu)勢是加速產(chǎn)品的研發(fā)過程、提供個性173D打印作為一項(xiàng)年輕的成型工藝，還存在著許多的不足，比如成型時間慢、精度低、材料種類少、無法大批量生產(chǎn)等?，F(xiàn)階段3D打印的實(shí)際使用仍屬于快速成型范疇，即為企業(yè)在生產(chǎn)正式的產(chǎn)品前提供產(chǎn)品原型的制造，業(yè)內(nèi)也稱作手板。因此，3D打印成型工藝現(xiàn)階段是作為與傳統(tǒng)制造工藝互補(bǔ)的方式存在，要成為主流的生產(chǎn)制造技術(shù)還尚需時日。但是要相信，人類對技術(shù)的追求是無限的，隨著3D打印設(shè)備和打印材料的研發(fā)的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)會越來越被廣泛得到使用。3D打印作為一項(xiàng)年輕的成型工藝，還存在著許多的不足，比如成型18從另一個角度來看，3D打印技術(shù)讓制造從工廠走向了家庭，催生了大量的個人設(shè)計(jì)者（即創(chuàng)客），激發(fā)了無限的創(chuàng)意設(shè)計(jì)的可能。這是筆者認(rèn)為3D打印技術(shù)能帶給我們大眾最大的意義。從另一個角度來看，3D打印技術(shù)讓制造從工廠走向了家庭，催生了193D打印的相關(guān)領(lǐng)域3D打印是一種新型的快速成型技術(shù)，它綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，涉及的領(lǐng)域較多。3D打印作為一種制造工藝(Manufacturing)，最主要涉及有3個方面：1.材料(Material)。即用于3D打印中的材料，包括樹脂、金屬、陶瓷、塑料或天然材料等，這些材料通過堆積形成實(shí)在的功能產(chǎn)品。2.設(shè)備(Machine)。3D打印設(shè)備將材料按照軟件（設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和制作數(shù)據(jù)）的要求實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的成型?，F(xiàn)有的3D打印設(shè)備有許多種類。3.建模(Modeling)。這是3D打印工藝中的軟件部分。包括切片、模型的構(gòu)建與優(yōu)化、成型過程控制等。3D打印的相關(guān)領(lǐng)域3D打印是一種新型的快速成型技術(shù)，它綜合了20如果將3D打印比作做一道菜，材料就是菜的原料，設(shè)備就是鍋，而建模則是菜譜和制作方法。建模作為3D打印的“大腦”，在成型過程中起到至關(guān)重要的作用，這正是我們從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和幾何建模的研究工作者的研究工作。因此，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是3D打印中的不可或缺的一個重要研究領(lǐng)域。如果將3D打印比作做一道菜，材料就是菜的原料，設(shè)備就是鍋，而213D打印常用材料簡介“巧婦難為無米之炊”，材料是3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，是當(dāng)前制約3D打印發(fā)展的瓶頸之一。在3D打印中所使用的材料主要包括工程塑料、橡膠、光敏樹脂、石膏、金屬和陶瓷等，在生物應(yīng)用領(lǐng)域還有人造骨粉、細(xì)胞生物原料等。這些材料都是針對3D打印設(shè)備和工藝來研發(fā)的，有不同的形態(tài)，比如粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。比如，粉末狀3D打印材料的顆粒呈現(xiàn)球形狀，半徑在100微米以下。3D打印常用材料簡介“巧婦難為無米之炊”，材料是3D打印的物22以下簡單介紹一些常用的3D打印材料，工程塑料指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。工程塑料是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類3D打印材料，常見的有ABS類材料、PC類材料、尼龍類材料等。ABS材料是FDM（熔融沉積造型）快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料，具有強(qiáng)度高、韌性好、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)。以下簡單介紹一些常用的3D打印材料，工程塑料指被用做工業(yè)零件23

光敏樹脂即UV樹脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光（紫外光）引發(fā)劑（或稱為光敏劑）。在一定波長的紫外光（250０～300ｎｍ）照射下能立刻引起聚合反應(yīng)完成固化。光敏樹脂一般為液態(tài)，可用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水材料。目前，研究光敏材料3D打印技術(shù)的主要有美國3Dsystem公司和以色列object公司。常見的光敏樹脂有somosNEXT材料、樹脂somos11122材料、somos19120材料和環(huán)氧樹脂。

光敏樹脂即UV樹脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中24

橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特征，這些材料所具備的硬度、斷裂伸長率、抗撕裂強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應(yīng)用領(lǐng)域。3D打印的橡膠類產(chǎn)品主要有消費(fèi)類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及汽車內(nèi)飾、輪胎、墊片等。

橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特征，這些材料所具備的25金屬材料：在國防領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國家非常重視3D打印技術(shù)的發(fā)展，不惜投入巨資加以研究，而3D打印金屬零部件一直是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等。金屬材料：在國防領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國家非常重視3D打印技術(shù)的發(fā)展26陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。但由于陶瓷材料硬而脆的特點(diǎn)使其成形尤其困難。陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐273D打印設(shè)備技術(shù)簡介現(xiàn)有的3D打印設(shè)備有很多種，設(shè)備是與材料配合來設(shè)計(jì)的。這里只是簡單羅列一下常見的一些3D打印設(shè)備3D打印設(shè)備技術(shù)簡介現(xiàn)有的3D打印設(shè)備有很多種，設(shè)備是與材料28

1.分層實(shí)體成型工藝（LOM）：這是歷史最為悠久的3D打印成型技術(shù)。LOM技術(shù)成型多使用紙材、PVC薄膜等材料，價格低廉且成型精度高。激光切割器將沿著工件截面輪廓線對薄膜進(jìn)行切割，可升降的工作臺能支撐成型的工件，并在每層成型之后降低一個材料厚度以便送進(jìn)將要進(jìn)行粘合和切割的新一層材料，最后熱粘壓部件將會一層一層地把成型區(qū)域的薄膜粘合在一起。1.分層實(shí)體成型工藝（LOM）：這是歷史最為悠久的3D打292.立體光固化成型工藝（SLA）：以光敏樹脂作為材料，在系統(tǒng)控制下紫外激光將對液態(tài)的光敏樹脂進(jìn)行掃描從而讓其逐層凝固成型。液槽中會先盛滿液態(tài)的光敏樹脂，氦—鎘激光器或氬離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在計(jì)算機(jī)的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行逐行逐點(diǎn)掃描，這使掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化從形成工件的一個薄層。2.立體光固化成型工藝（SLA）：以光敏樹脂作為材料，在303.選擇性激光燒結(jié)工藝（SLS）：SLS工藝使用的是粉末狀材料，激光器在計(jì)算機(jī)的操控下對粉末進(jìn)行掃描照射而實(shí)現(xiàn)材料的燒結(jié)粘合，就這樣材料層層堆積實(shí)現(xiàn)成型。先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表面，數(shù)控系統(tǒng)操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進(jìn)行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，從而進(jìn)行燒結(jié)并于下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘合。3.選擇性激光燒結(jié)工藝（SLS）：SLS工藝使用的是粉末314.三維印刷工藝（3DP）：工作原理類似于噴墨打印機(jī)，與SLS工藝也有著類似的地方，采用的都是粉末狀的材料，如陶瓷、金屬、塑料，但與其不同的是3DP使用的粉末并不是通過激光燒結(jié)粘合在一起的，而是通過噴頭噴射粘合劑將工件的截面“打印”出來并一層層堆積成型的。4.三維印刷工藝（3DP）：工作原理類似于噴墨打印機(jī)，與S32

5.熔融沉積成型工藝（FDM）：將絲狀的熱熔性材料（通常為ABS或PLA材料）進(jìn)行加熱融化，通過帶有微細(xì)噴嘴的擠出機(jī)把材料擠出來，熔融的絲材被擠出后隨即會和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積后工作臺將按預(yù)定的增量下降一個厚度，然后重復(fù)以上的步驟直到工件完全成型。這是最常見的3D打印機(jī)，現(xiàn)在價格只要幾千元，也是進(jìn)入家庭和個人工作室（創(chuàng)客）最多的3D打印設(shè)備。也稱為桌面型3D打印機(jī)。5.熔融沉積成型工藝（FDM）：將絲狀的熱熔性材料（通常333D打印的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究在3D打印中，3D數(shù)字化模型是前提和基礎(chǔ)，3D打印是結(jié)果，它使3D模型“落地開花”。但是，在很多情況下，3D模型并不能直接輸出給3D打印機(jī)或者打印出來的物體不滿足用戶的需求。這時，就需要經(jīng)過一些幾何建模與處理的方法，將輸入的3D模型進(jìn)行修正、調(diào)整、處理和優(yōu)化，使其能更好地滿足3D打印的需求，避免打印出的物體無法正常發(fā)揮功能。3D打印的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究在3D打印中，3D數(shù)字化模型是34

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)或計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)中，3D建模的主要目的是為造型、渲染或動畫，考慮的是模型的數(shù)學(xué)屬性，比如曲面的形狀、連續(xù)性、光滑性、材質(zhì)、變形等性質(zhì)；而在3D打印中，3D模型輸出的是一個實(shí)物模型，更多需要考慮的是實(shí)物模型的物理屬性（力學(xué)屬性與功能屬性）。因此，傳統(tǒng)的3D建模與處理的手段需要進(jìn)一步修正和加強(qiáng)，需要在建模的過程中就考慮到輸出實(shí)物模型的力學(xué)及功能屬性。一方面，模型的數(shù)學(xué)屬性影響著其物理屬性；另一方面，對物理屬性的要求影響著數(shù)學(xué)屬性的修改，這兩個屬性相互影響，往往在處理和優(yōu)化的過程中需要迭代進(jìn)行。我們稱之為面向制造的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)或計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)中，3D建模的主要目的是351.幾何計(jì)算問題：給定一個3D數(shù)字模型，需要離散成三角網(wǎng)格(STL文件)，然后加填充結(jié)構(gòu)、加支撐結(jié)構(gòu)，然后切片計(jì)算和路徑規(guī)劃，最后才送到3D打印機(jī)，通過G代碼輸出一個實(shí)物模型。這個過程是3D打印機(jī)的切片引擎軟件的主要工作，中間涉及到大量的幾何計(jì)算；2.打印約束問題：在很多情況下，輸入的3D模型存在著一些問題，并不能直接輸出給3D打印機(jī)，比如：3D模型本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不規(guī)范，無法切片；由于出現(xiàn)懸空部分而打印失??；模型的尺寸太大，超過打印機(jī)所能打印的尺寸限制；沒有考慮穩(wěn)定性導(dǎo)致打印出物體無法正常放置等；1.幾何計(jì)算問題：給定一個3D數(shù)字模型，需要離散成三角網(wǎng)格363.結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題：由于設(shè)計(jì)師缺乏一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與力學(xué)知識，會導(dǎo)致其設(shè)計(jì)結(jié)果因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)問題不能正常打印或在3D打印后會存在一些結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題。強(qiáng)度不足可能會使3D模型在打印、運(yùn)輸或日常使用過程中受到破壞。這種問題我們稱其為結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化問題；這時就需要通過力學(xué)與物理的仿真計(jì)算（有限元方法--FEM）來優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)來滿足需求；3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題：由于設(shè)計(jì)師缺乏一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與力學(xué)知識，會374.功能定制問題：定制化是3D打印最大的優(yōu)勢之一，這里催生了大量的研究問題和研究方法。比如，(1)將繪制理論中發(fā)展起來的各種模型和方法應(yīng)用于3D打印，涉及到打印材料的外觀模擬、測量以及合成優(yōu)化等技術(shù)；(2)面向醫(yī)療、教育、娛樂和時尚等需求的模型定制問題以及面向光影與聲音效果的逆向設(shè)計(jì)問題；(3)通過子塊設(shè)計(jì)與打印以及通過鉸鏈，滑輪，齒輪，電機(jī)等機(jī)械裝置組裝而成的具有特定功能的物體，其中有許多機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化問題。4.功能定制問題：定制化是3D打印最大的優(yōu)勢之一，這里催383D打印技術(shù)的相關(guān)研究工作3D打印的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面做了系列的研究工作，簡單介紹如下：1.“經(jīng)濟(jì)節(jié)約型”的3D打印技術(shù)：受到建筑領(lǐng)域使用剛架結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出一種“蒙皮-剛架”技術(shù)：對于給定的一個3D模型，我們將模型表達(dá)成一個很薄的蒙皮以及內(nèi)部的剛架結(jié)構(gòu)，使得表達(dá)后的物體的體積（即所使用的打印材料）最小，而且使得打印物體能夠滿足所要求的物理強(qiáng)度，受力穩(wěn)定性，自平衡性及可打印性等要求。與實(shí)體填充的打印相比，這樣的方法能節(jié)省約50-70%以上的材料。2.節(jié)省打印時間的自適應(yīng)切片技術(shù)：切片的層數(shù)決定了3D打印的時間，切片數(shù)越多，打印時間越長。該工作基于形狀的可視顯著度，自適應(yīng)地進(jìn)行切片計(jì)算，能夠保證在不影響視覺效果的情況下，切片的層數(shù)達(dá)到最小，以減少打印時間。3.基于自鎖結(jié)構(gòu)的大物體分解技術(shù)：大物體的打印需要分解成多塊小物體進(jìn)行打印，然后進(jìn)行組裝；傳統(tǒng)的方法是用膠水或者插銷結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝。該工作將物體分解為多個小物體，小物體之間通過自鎖結(jié)構(gòu)（卯榫結(jié)構(gòu)）進(jìn)行組裝，組裝后整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且可以重復(fù)拆裝，便于運(yùn)輸。同時，也是一種類似于孔明鎖（魯班鎖）的空間智力玩具。3D打印技術(shù)的相關(guān)研究工作3D打印的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面做了系394.基于剪刀結(jié)構(gòu)的可伸縮物體的設(shè)計(jì)：剪刀結(jié)構(gòu)是一種生活中常見的鉸鏈結(jié)構(gòu)，常用于可伸縮物體中，比如傘，伸縮門等。給定兩個2D形狀，如何設(shè)計(jì)剪刀結(jié)構(gòu)，使之能夠在收縮和展開時分別逼近給定的形狀，是個逆向設(shè)計(jì)的問題，也是比較困難的。該工作給出了一個算法，使得能夠生成剪刀結(jié)構(gòu)，插值2個給定的形狀，產(chǎn)生它們之間的連續(xù)變形(morphing)。5.結(jié)合2D切割和3D打印的大物體打印技術(shù)：激光切割(LaserCutting)作為另一種制造工藝，相比較于3D打印，雖然只能制造具有二維形狀的物體，但其制造材料成本低，且切割速度非?？?。我們結(jié)合3D打印和激光切割各自的制造優(yōu)勢，提出一種快速、廉價的分塊制造大物體的方法。該方法的主要思想是在三維物體內(nèi)部構(gòu)造由激光切割板塊組裝成的三維支撐結(jié)構(gòu)，然后將多個3D打印部件貼附到支撐結(jié)構(gòu)上保證物體的外觀。6.使用機(jī)器臂的空間3D打印技術(shù)：將FDM打印投固定在6軸機(jī)器臂上，使用機(jī)器臂進(jìn)行空間3D打印，在很多領(lǐng)域都能得到應(yīng)用。該工作提出兩種空間3D打印的裝置方法。4.基于剪刀結(jié)構(gòu)的可伸縮物體的設(shè)計(jì)：剪刀結(jié)構(gòu)是一種生活中常407.空間框架形狀的3D打印技術(shù)：使用機(jī)器人空間3D打印來打印框架形狀，一個重要的問題是如何決定框架邊的打印順序。該工作提出一種有效的算法，能決定所有邊的打印順序：一方面保證在打印過程中，已打印的框架結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，且不能發(fā)生大的變形（否則機(jī)器人無法定位）；另一方面，機(jī)器人在打印的時候不能與已打印的框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生碰撞。8.定制化發(fā)條玩具設(shè)計(jì)：提出一種計(jì)算方法，根據(jù)用戶指定的玩具外形和運(yùn)動，自動設(shè)計(jì)發(fā)條玩具的傳動機(jī)構(gòu)，可以直接用于3D打印快速制造出來。算法是對一系列基本的傳動機(jī)構(gòu)單元進(jìn)行幾何和運(yùn)動學(xué)建模，通過連接這些基本機(jī)構(gòu)單元自動構(gòu)造出可以傳遞復(fù)雜運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，最后對整個機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化使得輸出的運(yùn)動達(dá)到指定效果。7.空間框架形狀的3D打印技術(shù)：使用機(jī)器人空間3D打印來打419.可重構(gòu)家具的自動設(shè)計(jì)：可重構(gòu)家具是由多個部件組裝起來的家具，通過改變部件的相對位置和連接關(guān)系來改變整體結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)不同的形態(tài)和功能。該文提出一種計(jì)算方法，根據(jù)用戶指定的家具外形，自動設(shè)計(jì)可重構(gòu)家具的三維幾何模型。其思想是對給定的多個家具外形做協(xié)同分割得到可重用部件的主體模型，進(jìn)而在部件的主體模型上協(xié)同構(gòu)造連接頭，使得每個家具形態(tài)中的所有部件通過連接頭形成穩(wěn)定的三維自鎖結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)出的可重構(gòu)家具模型可通過多種方式制造出來，如3D打印、激光切割、木工制造。10.基于筋勒結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：筋勒結(jié)構(gòu)是建筑及結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中常見的一種輕量化結(jié)構(gòu)，是由一些沿著曲面的筋勒網(wǎng)構(gòu)成。一種自動優(yōu)化一個曲面的筋勒網(wǎng)的分布的優(yōu)化方法。9.可重構(gòu)家具的自動設(shè)計(jì)：可重構(gòu)家具是由多個部件組裝起來的423D打印與創(chuàng)客“創(chuàng)客”一詞來源于英文單詞“Maker”，是指努力把各種創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的人，將其定義為“喜歡搗鼓新玩意，將想法變成現(xiàn)實(shí)的一群人”。3D打印技術(shù)使得個人定制并加工復(fù)雜的零件不再遙不可及，3D打印走進(jìn)家庭更加降低了創(chuàng)新創(chuàng)造的準(zhǔn)入門檻和成本；同時，開源硬件（比如Ardunoi，PDdunoi,樹莓派等）的簡易化與平民化，讓硬件的編程和使用變得簡單易學(xué)，相比實(shí)驗(yàn)室長期、復(fù)雜的創(chuàng)造發(fā)明，普通人只要有靈感的火花，就能夠快速、輕松地設(shè)計(jì)出產(chǎn)品原型，將生活中萌發(fā)的小創(chuàng)意，轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)產(chǎn)品；另外，得益于互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展（比如社區(qū)，技術(shù)群等），不同文化、專業(yè)背景的普通人，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行交流和討論，并且在新的科技手段的裝備下，展現(xiàn)出他們巨大的創(chuàng)新天份。3D打印與創(chuàng)客“創(chuàng)客”一詞來源于英文單詞“Maker”，是43

我也比較喜歡創(chuàng)客文化，創(chuàng)客的本質(zhì)就是一群愛玩的人在一起玩，玩出創(chuàng)意，玩出創(chuàng)新。因?yàn)榭蒲械谋举|(zhì)也是玩！要享受玩的過程！一個好的創(chuàng)客空間要滿足三個條件：1)人：有一群愛玩的人，這群人不僅能玩，而且還有很多奇思妙想，對新事物和新科技有好奇心，并且喜歡動手（硬件和軟件）；2）地：有一個物理空間，提供各種工具，比如打印機(jī)、切割機(jī)、機(jī)器人、電路、焊槍等；3）事：有一個或若干個比較明確的令人熱血沸騰的共同目標(biāo)，需要大家激情滿滿而且齊心協(xié)力地合作去完成。創(chuàng)客中心可有效激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在科研動力和動手能力，在校園里營造良好的創(chuàng)意和創(chuàng)新氛圍。

我也比較喜歡創(chuàng)客文化，創(chuàng)客的本質(zhì)就是一群愛玩的人在一起玩44

1.學(xué)生創(chuàng)客：“創(chuàng)客空間”對學(xué)生開放時間沒有限制，平時都有學(xué)生在其中進(jìn)行相關(guān)課題和項(xiàng)目的研究。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備：在創(chuàng)客空間，需要購置許多實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括3D數(shù)字采集設(shè)備，比如3D激光掃描儀和深度相機(jī)（MSKinect,IntelRealsense等）、3D打印機(jī)、平面激光切割機(jī)、工業(yè)六軸機(jī)器臂UR-2、移動機(jī)器人平臺Turtle-Box、四翼飛行器、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備OculusRift、五金工具等。

1.學(xué)生創(chuàng)客：“創(chuàng)客空間”對學(xué)生開放時間沒有限制45未來展望3D打印技術(shù)近年來發(fā)展很快，可以預(yù)見，3D打印在智能制造、中國制造2025與工業(yè)4.0、云制造等領(lǐng)域會發(fā)揮著非常重要的作用。未來在各個行業(yè)都有著廣闊的應(yīng)用。從科研的角度來看，3D打印中的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化仍有許多新的問題和新的方向值得去探索。這里列舉幾個我們正在思考和從事研究的問題和方向，以供大家探討交流。1.3D幾何的表達(dá)：現(xiàn)在的基于點(diǎn)和三角網(wǎng)格的表達(dá)，或者基于NURBS曲面表達(dá)的3D形狀是適合于數(shù)控加工（減材制造）的；我們認(rèn)為，隱式曲面在增材制造方面具有系列良好的優(yōu)點(diǎn)，切片計(jì)算快，幾何計(jì)算簡單等。未來展望3D打印技術(shù)近年來發(fā)展很快，可以預(yù)見，3D打印在智能462.組合材料：材料的不同組合能得到不同物理特性的物體，組合優(yōu)化也是是幾何的空間分布優(yōu)化；不同的組合材料、功能材料、梯度材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，使用多重材料混合打印是個值得探索的方向。3.動態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：3D打印的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究仍處在初級階段，3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與其它制造方式相比顯得較為簡單，人們對于機(jī)器人的憧憬，對于3D打印機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)這個研究方向而言既是一個機(jī)會也是一個挑戰(zhàn)。如何更簡單、高效地設(shè)計(jì)動態(tài)3D打印模型甚至3D打印機(jī)器人可能成為未來這方面研究的重點(diǎn)。2.組合材料：材料的不同組合能得到不同物理特性的物體，組合473D打?。ㄔ霾闹圃欤┎⒉皇侨f能的，我們需要辯證地來看待這一新興技術(shù)。3D打印只是一種新型的成型工藝技術(shù)，是與現(xiàn)有的成型工藝（等材制造和減材制造）不同的，也是互補(bǔ)的。這些不同的制造工藝技術(shù)各有優(yōu)勢，也各有不足。在很多情況下，還需要合理利用各種不同的工藝來對產(chǎn)品進(jìn)行成型加工。任何科學(xué)技術(shù)都存在著觸發(fā)期，期望膨脹期，幻滅期，復(fù)蘇期，成熟期五個時期。3D打印技術(shù)作為一種成型工藝，有其獨(dú)特的存在價值，在未來一定有其廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域；但也存在著許多的不足，仍需各領(lǐng)域的人們一起努力去改進(jìn)（從設(shè)備，到材料，到軟件）。作為研究工作者，要清醒了解和理解該技術(shù)的優(yōu)勢與不足，不斷改進(jìn)和解決該技術(shù)中所存在的一些問題，相信有朝一日這些技術(shù)或多或少會對該領(lǐng)域的發(fā)展起到重要的作用。3D打?。ㄔ霾闹圃欤┎⒉皇侨f能的，我們需要辯證地來看待這一新484.4D打?。褐悄懿牧?SmartMaterial)，在外界環(huán)境激勵下，如溫度場、電磁場、濕度、光等，能夠自動完成相應(yīng)的反應(yīng)（比如膨脹或收縮）。4D打印技術(shù)是指由3D打印技術(shù)制造的智能材料結(jié)構(gòu)，在一定的環(huán)境激勵下，可以隨時間產(chǎn)生形狀結(jié)構(gòu)的變化。4D打印技術(shù)相比于3D打印技術(shù)增加了一個額外的維度：時間t；廣義來講，在4D打印中t是廣義的，它是可表征一切智能打印材料中所隱含的可變參量的總代表。4D打印對于制造業(yè)所帶來的變革將是深遠(yuǎn)的，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。4.4D打?。褐悄懿牧?SmartMaterial)，在493D打印技術(shù)簡介3D打印技術(shù)簡介50傳統(tǒng)的制造加工工藝

----等材制造工藝

鑄造是一種金屬熱加工工藝，是將液體金屬（例：銅、鐵、鋁、錫、鉛等）澆鑄到與零件形狀相適應(yīng)的空腔（稱為鑄模，材料可以是砂、金屬甚至陶瓷）中，待其冷卻凝固后，以獲得零件或毛坯的方法。人類在幾千年前就掌握了這種制造工藝，比如出土的春秋戰(zhàn)國時期的青銅器皿就是通過鑄造制造的。傳統(tǒng)的制造加工工藝

--51鑄造車間環(huán)境鑄造車間環(huán)境52鍛造是利用鍛壓機(jī)械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸鍛件的制造工藝。人類在幾千年前也掌握了這種制造工藝，就是民間俗稱的“打鐵”工藝。一般地，由于鍛造能消除金屬在冶煉過程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，鍛件的機(jī)械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。

鍛造是利用鍛壓機(jī)械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得53鍛造車間環(huán)境鍛造車間環(huán)境54沖壓是靠壓力機(jī)和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的工件（沖壓件）的成形加工工藝。生活中很多物品，比如汽車的車身、容器的殼體，儀器儀表、家用電器、辦公機(jī)械、生活器皿等，都是沖壓件。沖壓和鍛造同屬塑性加工（或稱壓力加工），合稱鍛壓。由于這些加工工藝在加工物品的過程中，材料只是從一種形式變到另一種形式，材料并沒有增加或減少，因此稱為等材制造工藝。沖壓是靠壓力機(jī)和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之55一般是指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的工藝方法，車銑刨磨是四種基本的加工方式，包括車削加工、銑削加工、刨削加工、磨削加工，不同零件所需的加工方式不同，有的零件需使用其中多種方式才可完成零件的加工。由于這種加工工藝將多余的材料從工件中削除，被削除的材料是浪費(fèi)（稱為廢料）的，因此稱為減材制造工藝。傳統(tǒng)的制造加工工藝

----減材制造工藝

一般是指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的工藝方法，車銑刨磨是四種基56車削加工車削加工57磨削加工磨削加工58銑削加工銑削加工59什么是3D打?。?D打印并不神秘：它只是一種新型的制造和加工工藝

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在上世紀(jì)80年代末至90年代初（也稱為快速成型技術(shù)），至今也就30年不到的時間。其原理很簡單：以3D數(shù)字模型文件為輸入，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。什么是3D打?。?D打印并不神秘：它只是一種新型的制造和加工60形象來講，普通的打印機(jī)是將2D圖像或圖形數(shù)字文件通過墨水輸出到紙張上；3D打印機(jī)則是將實(shí)實(shí)在在的原材料（比如金屬、陶瓷、塑料、砂等）輸出為一薄層（物理上具有一定的厚度），然后不斷重復(fù)一層層疊加起來，最終變成空間實(shí)物。因此，3D打印在輸出某一分層時，過程與噴墨打印是相似的。就像蓋房子，是通過一塊一塊磚所累積而成，而3D打印的物品是通過原材料的一粒一粒所累積而成。形象來講，普通的打印機(jī)是將2D圖像或圖形數(shù)字文件通過墨水輸出61由于3D打印是將材料一層一層堆積而成，因此也稱為增材制造工藝。3D打印并不神秘，相對于具有千年的等材制造工藝和具有百年的減材制造工藝，它只是一種制造成型的新工藝，只有30年不到的歷史。由于3D打印是將材料一層一層堆積而成，因此也稱為增材制造工藝623D打印區(qū)別于其他制造工藝有

哪些優(yōu)勢和劣勢？1.

設(shè)計(jì)空間無限。對于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜物品（比如內(nèi)部有非常復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或空腔結(jié)構(gòu)的物品），傳統(tǒng)的制造工藝是無法進(jìn)行加工的，需要將物品進(jìn)行分解分別加工再組裝。而3D打印將物體分解成一層一層的2D區(qū)域，因此加工任意復(fù)雜的物體都沒有問題，加工精度只是取決于打印機(jī)所能輸出的最小材料顆粒。這是3D打印帶給我們最大的優(yōu)勢，能讓設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)任意復(fù)雜的幾何形狀，設(shè)計(jì)空間無限。正是這個優(yōu)勢，給了我們在幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面大量需要解決的問題，后面會詳述。3D打印區(qū)別于其他制造工藝有

哪些優(yōu)勢和劣勢？1.

設(shè)計(jì)空間632.

零技能制造。傳統(tǒng)的制造工藝設(shè)備龐大且昂貴，需要較高的技能才能進(jìn)行操作。而3D打印機(jī)（比如FDM3D打印機(jī)）小巧而廉價，有些已經(jīng)進(jìn)入家庭，使用簡單方便；相對于昂貴的鑄模，3D打印只需要一個數(shù)字化文件即可進(jìn)行成型。因此，通過3D打印，能夠輕松實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個性化設(shè)計(jì)與定制，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)時間。這個優(yōu)勢給了我們非機(jī)械專業(yè)的研究工作者，也能進(jìn)行相關(guān)的幾何、結(jié)構(gòu)、材料等方面的研究，大大加深和拓展了制造中所存在的相關(guān)研究問題。2.

零技能制造。傳統(tǒng)的制造工藝設(shè)備龐大且昂貴，需要較高的技643.

材料無限組合。多噴頭的3D打印機(jī)能夠?qū)Χ喾N材料進(jìn)行組合打印。通過材料的堆疊和組合，打印的物品具有與單一材料所不同的物理和力學(xué)的特性。因此，通過不同材料的組合，可以產(chǎn)生性能不同的“新的材料”。這個優(yōu)勢提供給了我們利用控制材料的分布來控制物品的物理、力學(xué)及結(jié)構(gòu)的特性，從而能產(chǎn)生多樣化的物品，增加產(chǎn)品的靈活性。3.

材料無限組合。多噴頭的3D打印機(jī)能夠?qū)Χ喾N材料進(jìn)行組合653D打印技術(shù)最被看重的三大優(yōu)勢是加速產(chǎn)品的研發(fā)過程、提供個性化和定制產(chǎn)品和增加生產(chǎn)的靈活性。從成型工藝上看3D打印突破了傳統(tǒng)成型方法，無需先行制作模具和機(jī)械加工，通過快速自動成型硬件系統(tǒng)與CAD軟件模型結(jié)合就能夠制造出各種形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，這使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期大大縮短，生產(chǎn)成本大幅下降。3D打印技術(shù)最被看重的三大優(yōu)勢是加速產(chǎn)品的研發(fā)過程、提供個性663D打印作為一項(xiàng)年輕的成型工藝，還存在著許多的不足，比如成型時間慢、精度低、材料種類少、無法大批量生產(chǎn)等?，F(xiàn)階段3D打印的實(shí)際使用仍屬于快速成型范疇，即為企業(yè)在生產(chǎn)正式的產(chǎn)品前提供產(chǎn)品原型的制造，業(yè)內(nèi)也稱作手板。因此，3D打印成型工藝現(xiàn)階段是作為與傳統(tǒng)制造工藝互補(bǔ)的方式存在，要成為主流的生產(chǎn)制造技術(shù)還尚需時日。但是要相信，人類對技術(shù)的追求是無限的，隨著3D打印設(shè)備和打印材料的研發(fā)的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)會越來越被廣泛得到使用。3D打印作為一項(xiàng)年輕的成型工藝，還存在著許多的不足，比如成型67從另一個角度來看，3D打印技術(shù)讓制造從工廠走向了家庭，催生了大量的個人設(shè)計(jì)者（即創(chuàng)客），激發(fā)了無限的創(chuàng)意設(shè)計(jì)的可能。這是筆者認(rèn)為3D打印技術(shù)能帶給我們大眾最大的意義。從另一個角度來看，3D打印技術(shù)讓制造從工廠走向了家庭，催生了683D打印的相關(guān)領(lǐng)域3D打印是一種新型的快速成型技術(shù)，它綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，涉及的領(lǐng)域較多。3D打印作為一種制造工藝(Manufacturing)，最主要涉及有3個方面：1.材料(Material)。即用于3D打印中的材料，包括樹脂、金屬、陶瓷、塑料或天然材料等，這些材料通過堆積形成實(shí)在的功能產(chǎn)品。2.設(shè)備(Machine)。3D打印設(shè)備將材料按照軟件（設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和制作數(shù)據(jù)）的要求實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的成型?，F(xiàn)有的3D打印設(shè)備有許多種類。3.建模(Modeling)。這是3D打印工藝中的軟件部分。包括切片、模型的構(gòu)建與優(yōu)化、成型過程控制等。3D打印的相關(guān)領(lǐng)域3D打印是一種新型的快速成型技術(shù)，它綜合了69如果將3D打印比作做一道菜，材料就是菜的原料，設(shè)備就是鍋，而建模則是菜譜和制作方法。建模作為3D打印的“大腦”，在成型過程中起到至關(guān)重要的作用，這正是我們從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和幾何建模的研究工作者的研究工作。因此，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是3D打印中的不可或缺的一個重要研究領(lǐng)域。如果將3D打印比作做一道菜，材料就是菜的原料，設(shè)備就是鍋，而703D打印常用材料簡介“巧婦難為無米之炊”，材料是3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，是當(dāng)前制約3D打印發(fā)展的瓶頸之一。在3D打印中所使用的材料主要包括工程塑料、橡膠、光敏樹脂、石膏、金屬和陶瓷等，在生物應(yīng)用領(lǐng)域還有人造骨粉、細(xì)胞生物原料等。這些材料都是針對3D打印設(shè)備和工藝來研發(fā)的，有不同的形態(tài)，比如粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。比如，粉末狀3D打印材料的顆粒呈現(xiàn)球形狀，半徑在100微米以下。3D打印常用材料簡介“巧婦難為無米之炊”，材料是3D打印的物71以下簡單介紹一些常用的3D打印材料，工程塑料指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。工程塑料是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類3D打印材料，常見的有ABS類材料、PC類材料、尼龍類材料等。ABS材料是FDM（熔融沉積造型）快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料，具有強(qiáng)度高、韌性好、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)。以下簡單介紹一些常用的3D打印材料，工程塑料指被用做工業(yè)零件72

光敏樹脂即UV樹脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光（紫外光）引發(fā)劑（或稱為光敏劑）。在一定波長的紫外光（250０～300ｎｍ）照射下能立刻引起聚合反應(yīng)完成固化。光敏樹脂一般為液態(tài)，可用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水材料。目前，研究光敏材料3D打印技術(shù)的主要有美國3Dsystem公司和以色列object公司。常見的光敏樹脂有somosNEXT材料、樹脂somos11122材料、somos19120材料和環(huán)氧樹脂。

光敏樹脂即UV樹脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中73

橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特征，這些材料所具備的硬度、斷裂伸長率、抗撕裂強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應(yīng)用領(lǐng)域。3D打印的橡膠類產(chǎn)品主要有消費(fèi)類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及汽車內(nèi)飾、輪胎、墊片等。

橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特征，這些材料所具備的74金屬材料：在國防領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國家非常重視3D打印技術(shù)的發(fā)展，不惜投入巨資加以研究，而3D打印金屬零部件一直是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等。金屬材料：在國防領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國家非常重視3D打印技術(shù)的發(fā)展75陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。但由于陶瓷材料硬而脆的特點(diǎn)使其成形尤其困難。陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐763D打印設(shè)備技術(shù)簡介現(xiàn)有的3D打印設(shè)備有很多種，設(shè)備是與材料配合來設(shè)計(jì)的。這里只是簡單羅列一下常見的一些3D打印設(shè)備3D打印設(shè)備技術(shù)簡介現(xiàn)有的3D打印設(shè)備有很多種，設(shè)備是與材料77

1.分層實(shí)體成型工藝（LOM）：這是歷史最為悠久的3D打印成型技術(shù)。LOM技術(shù)成型多使用紙材、PVC薄膜等材料，價格低廉且成型精度高。激光切割器將沿著工件截面輪廓線對薄膜進(jìn)行切割，可升降的工作臺能支撐成型的工件，并在每層成型之后降低一個材料厚度以便送進(jìn)將要進(jìn)行粘合和切割的新一層材料，最后熱粘壓部件將會一層一層地把成型區(qū)域的薄膜粘合在一起。1.分層實(shí)體成型工藝（LOM）：這是歷史最為悠久的3D打782.立體光固化成型工藝（SLA）：以光敏樹脂作為材料，在系統(tǒng)控制下紫外激光將對液態(tài)的光敏樹脂進(jìn)行掃描從而讓其逐層凝固成型。液槽中會先盛滿液態(tài)的光敏樹脂，氦—鎘激光器或氬離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在計(jì)算機(jī)的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行逐行逐點(diǎn)掃描，這使掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化從形成工件的一個薄層。2.立體光固化成型工藝（SLA）：以光敏樹脂作為材料，在793.選擇性激光燒結(jié)工藝（SLS）：SLS工藝使用的是粉末狀材料，激光器在計(jì)算機(jī)的操控下對粉末進(jìn)行掃描照射而實(shí)現(xiàn)材料的燒結(jié)粘合，就這樣材料層層堆積實(shí)現(xiàn)成型。先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表面，數(shù)控系統(tǒng)操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進(jìn)行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，從而進(jìn)行燒結(jié)并于下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘合。3.選擇性激光燒結(jié)工藝（SLS）：SLS工藝使用的是粉末804.三維印刷工藝（3DP）：工作原理類似于噴墨打印機(jī)，與SLS工藝也有著類似的地方，采用的都是粉末狀的材料，如陶瓷、金屬、塑料，但與其不同的是3DP使用的粉末并不是通過激光燒結(jié)粘合在一起的，而是通過噴頭噴射粘合劑將工件的截面“打印”出來并一層層堆積成型的。4.三維印刷工藝（3DP）：工作原理類似于噴墨打印機(jī)，與S81

5.熔融沉積成型工藝（FDM）：將絲狀的熱熔性材料（通常為ABS或PLA材料）進(jìn)行加熱融化，通過帶有微細(xì)噴嘴的擠出機(jī)把材料擠出來，熔融的絲材被擠出后隨即會和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積后工作臺將按預(yù)定的增量下降一個厚度，然后重復(fù)以上的步驟直到工件完全成型。這是最常見的3D打印機(jī)，現(xiàn)在價格只要幾千元，也是進(jìn)入家庭和個人工作室（創(chuàng)客）最多的3D打印設(shè)備。也稱為桌面型3D打印機(jī)。5.熔融沉積成型工藝（FDM）：將絲狀的熱熔性材料（通常823D打印的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究在3D打印中，3D數(shù)字化模型是前提和基礎(chǔ)，3D打印是結(jié)果，它使3D模型“落地開花”。但是，在很多情況下，3D模型并不能直接輸出給3D打印機(jī)或者打印出來的物體不滿足用戶的需求。這時，就需要經(jīng)過一些幾何建模與處理的方法，將輸入的3D模型進(jìn)行修正、調(diào)整、處理和優(yōu)化，使其能更好地滿足3D打印的需求，避免打印出的物體無法正常發(fā)揮功能。3D打印的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究在3D打印中，3D數(shù)字化模型是83

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)或計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)中，3D建模的主要目的是為造型、渲染或動畫，考慮的是模型的數(shù)學(xué)屬性，比如曲面的形狀、連續(xù)性、光滑性、材質(zhì)、變形等性質(zhì)；而在3D打印中，3D模型輸出的是一個實(shí)物模型，更多需要考慮的是實(shí)物模型的物理屬性（力學(xué)屬性與功能屬性）。因此，傳統(tǒng)的3D建模與處理的手段需要進(jìn)一步修正和加強(qiáng)，需要在建模的過程中就考慮到輸出實(shí)物模型的力學(xué)及功能屬性。一方面，模型的數(shù)學(xué)屬性影響著其物理屬性；另一方面，對物理屬性的要求影響著數(shù)學(xué)屬性的修改，這兩個屬性相互影響，往往在處理和優(yōu)化的過程中需要迭代進(jìn)行。我們稱之為面向制造的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)或計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)中，3D建模的主要目的是841.幾何計(jì)算問題：給定一個3D數(shù)字模型，需要離散成三角網(wǎng)格(STL文件)，然后加填充結(jié)構(gòu)、加支撐結(jié)構(gòu)，然后切片計(jì)算和路徑規(guī)劃，最后才送到3D打印機(jī)，通過G代碼輸出一個實(shí)物模型。這個過程是3D打印機(jī)的切片引擎軟件的主要工作，中間涉及到大量的幾何計(jì)算；2.打印約束問題：在很多情況下，輸入的3D模型存在著一些問題，并不能直接輸出給3D打印機(jī)，比如：3D模型本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不規(guī)范，無法切片；由于出現(xiàn)懸空部分而打印失敗；模型的尺寸太大，超過打印機(jī)所能打印的尺寸限制；沒有考慮穩(wěn)定性導(dǎo)致打印出物體無法正常放置等；1.幾何計(jì)算問題：給定一個3D數(shù)字模型，需要離散成三角網(wǎng)格853.結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題：由于設(shè)計(jì)師缺乏一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與力學(xué)知識，會導(dǎo)致其設(shè)計(jì)結(jié)果因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)問題不能正常打印或在3D打印后會存在一些結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題。強(qiáng)度不足可能會使3D模型在打印、運(yùn)輸或日常使用過程中受到破壞。這種問題我們稱其為結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化問題；這時就需要通過力學(xué)與物理的仿真計(jì)算（有限元方法--FEM）來優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)來滿足需求；3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題：由于設(shè)計(jì)師缺乏一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與力學(xué)知識，會864.功能定制問題：定制化是3D打印最大的優(yōu)勢之一，這里催生了大量的研究問題和研究方法。比如，(1)將繪制理論中發(fā)展起來的各種模型和方法應(yīng)用于3D打印，涉及到打印材料的外觀模擬、測量以及合成優(yōu)化等技術(shù)；(2)面向醫(yī)療、教育、娛樂和時尚等需求的模型定制問題以及面向光影與聲音效果的逆向設(shè)計(jì)問題；(3)通過子塊設(shè)計(jì)與打印以及通過鉸鏈，滑輪，齒輪，電機(jī)等機(jī)械裝置組裝而成的具有特定功能的物體，其中有許多機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化問題。4.功能定制問題：定制化是3D打印最大的優(yōu)勢之一，這里催873D打印技術(shù)的相關(guān)研究工作3D打印的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面做了系列的研究工作，簡單介紹如下：1.“經(jīng)濟(jì)節(jié)約型”的3D打印技術(shù)：受到建筑領(lǐng)域使用剛架結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出一種“蒙皮-剛架”技術(shù)：對于給定的一個3D模型，我們將模型表達(dá)成一個很薄的蒙皮以及內(nèi)部的剛架結(jié)構(gòu)，使得表達(dá)后的物體的體積（即所使用的打印材料）最小，而且使得打印物體能夠滿足所要求的物理強(qiáng)度，受力穩(wěn)定性，自平衡性及可打印性等要求。與實(shí)體填充的打印相比，這樣的方法能節(jié)省約50-70%以上的材料。2.節(jié)省打印時間的自適應(yīng)切片技術(shù)：切片的層數(shù)決定了3D打印的時間，切片數(shù)越多，打印時間越長。該工作基于形狀的可視顯著度，自適應(yīng)地進(jìn)行切片計(jì)算，能夠保證在不影響視覺效果的情況下，切片的層數(shù)達(dá)到最小，以減少打印時間。3.基于自鎖結(jié)構(gòu)的大物體分解技術(shù)：大物體的打印需要分解成多塊小物體進(jìn)行打印，然后進(jìn)行組裝；傳統(tǒng)的方法是用膠水或者插銷結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝。該工作將物體分解為多個小物體，小物體之間通過自鎖結(jié)構(gòu)（卯榫結(jié)構(gòu)）進(jìn)行組裝，組裝后整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且可以重復(fù)拆裝，便于運(yùn)輸。同時，也是一種類似于孔明鎖（魯班鎖）的空間智力玩具。3D打印技術(shù)的相關(guān)研究工作3D打印的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面做了系884.基于剪刀結(jié)構(gòu)的可伸縮物體的設(shè)計(jì)：剪刀結(jié)構(gòu)是一種生活中常見的鉸鏈結(jié)構(gòu)，常用于可伸縮物體中，比如傘，伸縮門等。給定兩個2D形狀，如何設(shè)計(jì)剪刀結(jié)構(gòu)，使之能夠在收縮和展開時分別逼近給定的形狀，是個逆向設(shè)計(jì)的問題，也是比較困難的。該工作給出了一個算法，使得能夠生成剪刀結(jié)構(gòu)，插值2個給定的形狀，產(chǎn)生它們之間的連續(xù)變形(morphing)。5.結(jié)合2D切割和3D打印的大物體打印技術(shù)：激光切割(LaserCutting)作為另一種制造工藝，相比較于3D打印，雖然只能制造具有二維形狀的物體，但其制造材料成本低，且切割速度非常快。我們結(jié)合3D打印和激光切割各自的制造優(yōu)勢，提出一種快速、廉價的分塊制造大物體的方法。該方法的主要思想是在三維物體內(nèi)部構(gòu)造由激光切割板塊組裝成的三維支撐結(jié)構(gòu)，然后將多個3D打印部件貼附到支撐結(jié)構(gòu)上保證物體的外觀。6.使用機(jī)器臂的空間3D打印技術(shù)：將FDM打印投固定在6軸機(jī)器臂上，使用機(jī)器臂進(jìn)行空間3D打印，在很多領(lǐng)域都能得到應(yīng)用。該工作提出兩種空間3D打印的裝置方法。4.基于剪刀結(jié)構(gòu)的可伸縮物體的設(shè)計(jì)：剪刀結(jié)構(gòu)是一種生活中常897.空間框架形狀的3D打印技術(shù)：使用機(jī)器人空間3D打印來打印框架形狀，一個重要的問題是如何決定框架邊的打印順序。該工作提出一種有效的算法，能決定所有邊的打印順序：一方面保證在打印過程中，已打印的框架結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，且不能發(fā)生大的變形（否則機(jī)器人無法定位）；另一方面，機(jī)器人在打印的時候不能與已打印的框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生碰撞。8.定制化發(fā)條玩具設(shè)計(jì)：提出一種計(jì)算方法，根據(jù)用戶指定的玩具外形和運(yùn)動，自動設(shè)計(jì)發(fā)條玩具的傳動機(jī)構(gòu)，可以直接用于3D打印快速制造出來。算法是對一系列基本的傳動機(jī)構(gòu)單元進(jìn)行幾何和運(yùn)動學(xué)建模，通過連接這些基本機(jī)構(gòu)單元自動構(gòu)造出可以傳遞復(fù)雜運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，最后對整個機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化使得輸出的運(yùn)動達(dá)到指定效果。7.空間框架形狀的3D打印技術(shù)：使用機(jī)器人空間3D打印來打909.可重構(gòu)家具的自動設(shè)計(jì)：可重構(gòu)家具是由多個部件組裝起來的家具，通過改變部件的相對位置和連接關(guān)系來改變整體結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)不同的形態(tài)和功能。該文提出一種計(jì)算方法，根據(jù)用戶指定的家具外形，自動設(shè)計(jì)可重構(gòu)家具的三維幾何模型。其思想是對給定的多個家具外形做協(xié)同分割得到可重用部件的主體模型，進(jìn)而在部件的主體模型上協(xié)同構(gòu)造連接頭，使得每個家具形態(tài)中的所有部件通過連接頭形成穩(wěn)定的三維自鎖結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)出的可重構(gòu)家具模型可通過多種方式制造出來，如3D打印、激光切割、木工制造。10.基于筋勒結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：筋勒結(jié)構(gòu)是建筑及結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中常見的一種輕量化結(jié)構(gòu)，是由一些沿著曲面的筋勒網(wǎng)構(gòu)成。一種自動優(yōu)化一個曲面的筋勒網(wǎng)的分布的優(yōu)化方法。9.可重構(gòu)家具的自動設(shè)計(jì)：可重構(gòu)家具是由多個部件組裝起來的913D打印與創(chuàng)客