逆向設(shè)計與3D打印案例教程 課件匯 1-1逆向工程概述-6.手持式激光掃描儀

逆向工程概述一、逆向工程的定義逆向工程（ReverseEngineering，RE），也稱反求工程、反向工程，其思想最初來自從油泥模型到產(chǎn)品實物的設(shè)計過程。逆向工程技術(shù)并不是簡單意義的仿制，而是以設(shè)計方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運用各種專業(yè)人員的設(shè)計經(jīng)驗、知識和創(chuàng)新思維，對已有產(chǎn)品進行解剖、分析、重構(gòu)和再創(chuàng)造。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計通常是從概念設(shè)計到圖樣，再制造出產(chǎn)品，其流程為：構(gòu)思—設(shè)計—產(chǎn)品，我們稱之為正向設(shè)計或者順向工程。而產(chǎn)品的逆向設(shè)計是根據(jù)零件或原型生成圖樣，再制造出產(chǎn)品。一、逆向工程的定義廣義的逆向工程包括幾何形狀逆向、工藝逆向和材料逆向等諸多方面，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前，大多數(shù)有關(guān)逆向工程技術(shù)的研究和應(yīng)用都集中在“幾何形狀逆向”上，即重建產(chǎn)品實物的CAD模型和最終產(chǎn)品的制造方面，又稱為“實物逆向工程”。目前，“實物逆向工程”已成為CAD/CAM領(lǐng)域的一個研究熱點，并發(fā)展成為一個相對獨立的領(lǐng)域。在這一意義下，逆向工程可定義為：逆向工程是將實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。二、逆向工程的應(yīng)用范圍1.新產(chǎn)品研發(fā)在對產(chǎn)品（如汽車、飛機等產(chǎn)品）外觀有工業(yè)美學(xué)特別要求的領(lǐng)域，首先需要設(shè)計師利用油泥、黏土或木頭等材料制作出產(chǎn)品的比例模型，將所要表達的意向以實體的方式表現(xiàn)出來，而后利用逆向工程技術(shù)將實體模型轉(zhuǎn)化為CAD模型，進而得到精確的數(shù)字定義。2.產(chǎn)品的仿制和改型設(shè)計利用逆向工程技術(shù)對現(xiàn)有產(chǎn)品進行表面數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理從而獲得與實物相符的CAD模型，并在此基礎(chǔ)上進行產(chǎn)品改型和設(shè)計、誤差分析、生成加工程序等，這是常用的產(chǎn)品設(shè)計方法。這種設(shè)計方法是在借鑒國內(nèi)外先進設(shè)計理念和方法的基礎(chǔ)上提高自身設(shè)計水平和理念的一種手段，該方法被廣泛應(yīng)用于家用電器、玩具等產(chǎn)品外形的修復(fù)、改造和創(chuàng)新設(shè)計。二、逆向工程的應(yīng)用范圍3.產(chǎn)品損壞或磨損部位的還原修復(fù)利用逆向工程技術(shù)對產(chǎn)品損壞或磨損部位進行信息提取，從而進行自主開發(fā)設(shè)計、破損部位的表面數(shù)據(jù)恢復(fù)或結(jié)構(gòu)的推算、還原修復(fù)等。4.快速模具制造對現(xiàn)有模具進行逆向數(shù)據(jù)采集，重建CAD模型并生成數(shù)控加工程序，既可以提高模具的生產(chǎn)效率又能降低模具的制造成本。還可以以實物零件為對象，逆向反求其幾何CAD模型，并在此基礎(chǔ)上進行模具設(shè)計。二、逆向工程的應(yīng)用范圍5.文物、藝術(shù)品的保護、監(jiān)測和修復(fù)6.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用利用逆向工程技術(shù)對文物及藝術(shù)品進行表面數(shù)據(jù)采集，將表面數(shù)據(jù)保存于計算機中以待需要時調(diào)取。還可對文物或藝術(shù)品進行定期數(shù)據(jù)采集，通過兩次模型的比較，找到破壞點從而制定相應(yīng)的保護措施，或者進行相應(yīng)的修復(fù)。逆向工程技術(shù)結(jié)合3D打印技術(shù)可以根據(jù)人體骨骼和關(guān)節(jié)的形狀進行假體的設(shè)計、制作、植入及外科手術(shù)規(guī)劃等。三、逆向工程的工作流程圖1-1逆向工程的工作流程逆向工程的第一步，也是后續(xù)工作的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備的方便、快捷、操作的簡易程度、數(shù)據(jù)的準確性、完整性是衡量測量設(shè)備的重要指標，也是保證后續(xù)工作高質(zhì)量完成的重要前提。目前產(chǎn)品表面三維數(shù)據(jù)的獲取主要通過三維測量技術(shù)來實現(xiàn)，通常采用三坐標測量機（CMM）、激光三維掃描、結(jié)構(gòu)光測量等裝置來獲取產(chǎn)品的三維表面坐標值。產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)采集是基礎(chǔ)，采集數(shù)據(jù)的好壞直接影響到原型CAD模型重建的質(zhì)量。1.數(shù)據(jù)采集三、逆向工程的工作流程通過三坐標測量機得到的測量坐標點數(shù)據(jù)在CAD模型重構(gòu)之前必須進行格式轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、平滑、對齊、合并、插值補點等一系列的數(shù)據(jù)處理。對于海量的復(fù)雜點云數(shù)據(jù)還要進行數(shù)據(jù)精簡、按測量數(shù)據(jù)的幾何屬性進行數(shù)據(jù)分割處理，采用幾何特征匹配的方法獲取樣件原型所具有的設(shè)計和加工特征。數(shù)據(jù)處理是關(guān)鍵，從測量設(shè)備所獲取的點云數(shù)據(jù)，不可避免地會帶入誤差和噪聲，而且數(shù)據(jù)量龐大，只有通過數(shù)據(jù)處理才能提高精度和曲面重建的算法效率。2.數(shù)據(jù)處理三、逆向工程的工作流程模型重構(gòu)是在獲取了處理好的測量數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)各面片的特性分別進行曲面擬合，然后在面片間求交、拼接和匹配，使之成為連續(xù)光順的曲面，從而獲得樣件原型CAD模型的過程。三維模型的重構(gòu)是后續(xù)處理的關(guān)鍵步驟，它不僅需要設(shè)計人員對軟件熟練掌握，還要熟悉逆向造型的方法步驟，并且要洞悉產(chǎn)品原設(shè)計人員的設(shè)計思路，然后再有所創(chuàng)新，結(jié)合實際情況，進行造型。模型重構(gòu)中的曲面設(shè)計是當中最重要最困難的問題，其目的在于尋找某種數(shù)學(xué)描述形式，精確、簡潔地描述一個給定的物理曲面形狀，并以此為依據(jù)進行分析、計算、修改和繪制。3.模型重構(gòu)三、逆向工程的工作流程三維數(shù)據(jù)模型重構(gòu)完成以后，可以采用三種方法進行模型制造：快速成型制造、2D圖紙加工或者無圖紙加工、快速制模。模型制造是將CAD模型轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品實物的途徑，也是逆向流程中最關(guān)鍵關(guān)節(jié)，其能夠充分發(fā)揮逆向工程系統(tǒng)的優(yōu)勢，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。4.模型制造四、逆向工程系統(tǒng)的組成圖1-2逆向工程工作流程及系統(tǒng)框架產(chǎn)品實物的逆向設(shè)計首先通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及各種先進的數(shù)據(jù)處理手段獲得產(chǎn)品表面數(shù)據(jù)，然后充分利用成熟的CAD/CAM技術(shù)，快速、準確地完成實體幾何模型重構(gòu)。在工程分析的基礎(chǔ)上，采用實物制造的方法，最后制成產(chǎn)品，實現(xiàn)產(chǎn)品（模型）—設(shè)計—產(chǎn)品的整個生產(chǎn)流程。五、逆向工程與產(chǎn)品創(chuàng)新在設(shè)計制造領(lǐng)域，任何產(chǎn)品的問世都蘊含著對已有科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用和借鑒，并在繼承的基礎(chǔ)上進一步提高與發(fā)展。逆向工程所追求的不是簡單的仿制，而是再提高、再創(chuàng)造，并以實現(xiàn)創(chuàng)新為最終目的。面向創(chuàng)新設(shè)計的逆向工程是一個“認識原型—分析原型—重構(gòu)原型—超越原型”的過程。通過逆向工程，消化和吸收先進技術(shù)和設(shè)計理念，建立和掌握自己的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計技術(shù)，進行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計，即在仿制的基礎(chǔ)上進行改進創(chuàng)新，這是提升我國制造業(yè)水平一種途徑。六、逆向工程的發(fā)展趨勢1.逆向工程技術(shù)存在的問題（1）測量結(jié)果存在誤差和遺漏

數(shù)據(jù)測量時需要根據(jù)實物幾何特點進行測量路徑規(guī)劃，這是一種無指導(dǎo)下的行為，所以測量結(jié)果會出現(xiàn)一些誤差和遺漏，因此，尋求數(shù)據(jù)測量最佳路徑仍是今后研究的重要內(nèi)容。（2）復(fù)雜曲面重構(gòu)困難

由多個子曲面拼合而成的組合曲面，由于其表面特征識別的難度增大，影響了后續(xù)的數(shù)據(jù)分割和造型處理。盡管三角曲面插值是解決異形的有效方法，但三角曲面模型和四邊形模型兼容問題仍有待完善。六、逆向工程的發(fā)展趨勢（3）曲面光順和精度難統(tǒng)一

曲面光順和精度保證是一對對立的矛盾。曲面光順一般是針對曲面片，沒有一個整體曲面光順的方法，大多數(shù)場合，調(diào)整曲面的光順度后的曲面精度反而變差。進行模型評價時，應(yīng)根據(jù)零件的使用要求進行曲面光順和精度的選擇。1.逆向工程技術(shù)存在的問題（4）CAD軟件技術(shù)不完善

盡管現(xiàn)在已有多種專用的逆向軟件進入市場，但目前軟件的數(shù)據(jù)處理技術(shù)、造型技術(shù)仍不完善，可以這么說，仍沒有一種令操作者得心應(yīng)手的軟件，模型質(zhì)量的高低仍直接受操作者的經(jīng)驗、水平的影響。六、逆向工程的發(fā)展趨勢1.逆向工程技術(shù)存在的問題（5）技術(shù)的通用性受限

不同的測量方式、設(shè)備以及軟件都有其具體的應(yīng)用范圍，但多數(shù)企業(yè)和研究單位只能選配一種方式的設(shè)備和軟件，如選擇接觸式測量或非接觸式測量、某種CAD系統(tǒng)軟件等，因而使技術(shù)的通用性受到一定限制。（6）操作人員專業(yè)性要求高

逆向工程技術(shù)的應(yīng)用仍是一項專業(yè)性很強的工作，各個過程都需要專業(yè)的人才，需要經(jīng)驗豐富的工程師，特別是對三維模型重建人員有更高的要求。除需了解產(chǎn)品特點、制造方法和熟練使用CAD軟件、逆向造型軟件外，還要熟悉上游的測量設(shè)備，甚至必須參與測量過程，以了解數(shù)據(jù)特點，并且了解下游的制造過程，包括制造設(shè)備和制造方法等。2.逆向工程技術(shù)的發(fā)展趨勢六、逆向工程的發(fā)展趨勢（1）三坐標測量設(shè)備高精度化、自動化、非接觸測量、使用現(xiàn)場化

（2）大規(guī)模散亂數(shù)據(jù)處理過程的高精確性和智能化

（3）曲面重構(gòu)智能化

（4）逆向工程的集成化

（5）工業(yè)設(shè)計逆向工程技術(shù)系統(tǒng)化

（6）測量方法選用與測量方案規(guī)劃合理化（7）點云處理方法高效化、通用化逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)一、數(shù)據(jù)采集技術(shù)數(shù)據(jù)采集是指通過特定的測量方法和設(shè)備，將物體表面形狀轉(zhuǎn)換成幾何空間坐標點，從而得到逆向建模以及尺寸評價所需數(shù)據(jù)的過程。選擇快速而精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是實現(xiàn)逆向設(shè)計的前提條件，它在很大程度上決定了所設(shè)計產(chǎn)品的最終質(zhì)量，以及設(shè)計的效率和成本。圖1-3逆向設(shè)計數(shù)據(jù)采集方法分類一、數(shù)據(jù)采集技術(shù)1.非接觸式數(shù)據(jù)采集方法非接觸式數(shù)據(jù)采集方法適用于需要大規(guī)模測量點的自由曲面和復(fù)雜曲面的數(shù)字化。優(yōu)點：測量速度快；易獲取曲面數(shù)據(jù);測量數(shù)據(jù)不需要進行測頭半徑補償；可測量柔軟、易碎、不可接觸、薄件、皮毛及變形細小等工件；無接觸力，不會損傷精密表面等。缺點：測量精度較差，易受工件表面反射性的影響，如顏色、粗糙度等因素會影響測量結(jié)果；對邊線、凹坑及不連續(xù)形狀的處理較困難；工件表面與探頭表面不垂直時，測得的數(shù)據(jù)誤差較大。一、數(shù)據(jù)采集技術(shù)（1）激光三角測距法圖1-4激光三角測距法原理原理：通過激光發(fā)射裝置將激光束打到待測物體表面，然后用感光器件接受物體表面的反射光，根據(jù)反射時間、光源與感光設(shè)備間的距離、夾角等位置關(guān)系推算出物體表面點的坐標。圖1-5手持式激光掃描儀1.非接觸式數(shù)據(jù)采集方法一、數(shù)據(jù)采集技術(shù)（2）結(jié)構(gòu)光學(xué)法圖1-6結(jié)光學(xué)法測量原理原理：利用結(jié)構(gòu)光學(xué)照明中的幾何信息幫助提供景物中的幾何信息，根據(jù)相機、結(jié)構(gòu)光、物體之間的幾何關(guān)系來確定物體的三維信息。圖1-7白光雙目掃描儀1.非接觸式數(shù)據(jù)采集方法一、數(shù)據(jù)采集技術(shù)（3）圖像分析法將一定模式的光照射到被測物體的表面，攝取反射光的圖像，通過匹配確定物體上一點在兩幅圖像中的位置，由視差計算距離。（4）計算機斷層掃描成像技術(shù)（CT）

通過對產(chǎn)品實物進行層析掃描后，獲得一系列斷層圖像切片和數(shù)據(jù)。通過切片和數(shù)據(jù)提供的工件截面輪廓及其內(nèi)部機構(gòu)的完整信息，可以測量物體表面、內(nèi)部和隱藏結(jié)構(gòu)特征。（5）核磁共振測量法（MRI）

用磁場來標定物體某層面的空間位置，然后用射頻脈沖序列照射，當被激發(fā)的核在動態(tài)過程中自動恢復(fù)到靜態(tài)場的平衡時，把吸收的能量發(fā)射出來，利用線圈來檢測這種信號并輸人計算機，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像。（6）逐層切削掃描法以極小的厚度逐層切削實物，獲得一系列斷面圖像數(shù)據(jù)，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)進行輪廓邊界提取后，再經(jīng)過坐標標定、邊界跟蹤等處理得到截面上各輪廓點的坐標值。一、數(shù)據(jù)采集技術(shù)2.接觸式數(shù)據(jù)采集方法接觸式數(shù)據(jù)采集方法是通過傳感測量設(shè)備與樣件的接觸來記錄樣件表面的坐標位置。接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要用于基于特征的CAD模型的檢測，特別是對僅需少量特征點的規(guī)則曲面模型組成的實物的測量與檢測。優(yōu)點：測量數(shù)據(jù)不受樣件表面光照、顏色及曲率因素的影響，物體邊界的測量相對精確，測量精度高。缺點：逐點測量，測量速度慢，不能測量軟質(zhì)材料和超薄形物體，對曲面上探頭無法接觸的部分不能進行測量，應(yīng)用范圍受到限制，測量過程需要人工干預(yù)，接觸力大小會影響測量值，測量前后需做測頭半徑補償?shù)?。一、?shù)據(jù)采集技術(shù)（1）觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集2.接觸式數(shù)據(jù)采集方法當采樣測頭的探針剛好接觸到樣件表面時，探針尖因受力產(chǎn)生微小變形，觸發(fā)采樣開關(guān)，使數(shù)據(jù)系統(tǒng)記錄下探針尖的即時坐標，逐點移動，直到采集完樣件表面輪廓的坐標數(shù)據(jù)。觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法一般適用于樣件表面形狀檢測，或需要數(shù)據(jù)較少的表面數(shù)字化的情況。（2）連續(xù)掃描式數(shù)據(jù)采集

利用測頭探針的位置偏移所產(chǎn)生的電感或電容的變化，進行機電模擬量的轉(zhuǎn)換。當采樣探頭的探針沿樣件表面以一定速度移動時，就發(fā)出對應(yīng)各坐標位置偏移量的電流或電壓信號。連續(xù)掃描式數(shù)據(jù)采集方法適用于生產(chǎn)車間環(huán)境的數(shù)字化，它能保證在較短的測量時間內(nèi)實現(xiàn)最佳的測量精度。一、數(shù)據(jù)采集技術(shù)2.接觸式數(shù)據(jù)采集方法（3）接觸式數(shù)據(jù)采集設(shè)備1-工作臺2-移動橋架3-中央滑架4-Z軸5-測頭6-電子系統(tǒng)圖1-8三坐標測機的組成原理：設(shè)備在三個方向上均裝有高精度的光柵尺和讀數(shù)頭，通過相應(yīng)的電氣系統(tǒng)控制操作使其沿相應(yīng)的導(dǎo)軌方向移動，通過測頭對被測零件進行接觸或掃描，從而達到數(shù)據(jù)采集的目的，再通過相應(yīng)的軟件處理，完成零部件的測量或掃描工作。（a）懸臂式

（b）橋式

（c）龍門式圖1-9三坐標測量機的主要機型一、數(shù)據(jù)采集技術(shù)三坐標測量機的操作流程

：三坐標測量機可以實現(xiàn)工件的高精度全尺寸檢測，測量前需要根據(jù)被測工件的尺寸選取合適的測針。針對待測量的元素，如面、圓、圓柱、球體、鍵槽等應(yīng)，根據(jù)實際需要測量相應(yīng)的幾何量，并進行公差評價與報告輸出。圖1-10三坐標測量機操作流程一、數(shù)據(jù)采集技術(shù)3.接觸式與非接觸式數(shù)據(jù)采集方法對比表1-1逆向設(shè)計中常用的數(shù)據(jù)采集方法對比需要根據(jù)產(chǎn)品的自身特性、精度要求、制造材質(zhì)等多項因素綜合考慮之后，在滿足使用要求的基礎(chǔ)上對設(shè)備進行合理的評估和選擇。二、數(shù)據(jù)處理與CAD建模技術(shù)1.

應(yīng)用概述伴隨著逆向工程及其相關(guān)技術(shù)理論研究的深入進行，其成果的商業(yè)化應(yīng)用也逐漸受到重視，目前，開發(fā)專用的逆向工程軟件及結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件成為逆向工程技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。表1-2國內(nèi)外幾大逆向工程軟件的基本情況和特點2.主要軟件介紹二、數(shù)據(jù)處理與CAD建模技術(shù)（1）GeomagicWrap軟件該軟件可輕易地從掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面，是目前應(yīng)用較為廣泛的逆向工程軟件，是對點云處理及三維曲面構(gòu)建功能最強大的軟件之一。圖1-11GeomagicWrap的應(yīng)用界面2.主要軟件介紹二、數(shù)據(jù)處理與CAD建模技術(shù)（2）GeomagicDesignX軟件該軟件的前身是韓國INUS公司出品的逆向工程軟件RapidForm。它提供了新一代運算模式，可實時根據(jù)點云數(shù)據(jù)運算出無接縫的多邊形曲面，使它成為3DScan后處理的最佳接口。GeomagicDesignX也能使工作效率提升，使3D掃描設(shè)備的運用范圍擴大，并改善掃描品質(zhì)。圖1-12GeomagicDesignX的應(yīng)用界面認識3D打印技術(shù)一、3D打印的定義3D打印，是一種快速成形技術(shù)，它以計算機三維設(shè)計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式，將粉末狀金屬、塑料、陶瓷粉末、細胞組織等特殊的可粘合材料，進行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。通俗地說，就是將液體或粉末等“打印材料”裝入打印機，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。3D打印技術(shù)是“增材制造”的主要實現(xiàn)形式，其體現(xiàn)了信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與先進材料技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)的密切結(jié)合，是先進制造業(yè)的重要組成部分。二、3D打印所需的關(guān)鍵技術(shù)1.信息技術(shù)要有先進的設(shè)計軟件及數(shù)字化工具，輔助設(shè)計人員制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并且根據(jù)模型自動分析打印的工序，自動控制打印器材的走向。3D打印以“每層的疊加”為加工方式，要生產(chǎn)高精度的產(chǎn)品，必須對打印設(shè)備的精準程度、穩(wěn)定性有較高的要求。2.精密機械3.材料科學(xué)用于3D打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉末化、絲化，打印完成后又能重新結(jié)合起來，并具有合格的物理、化學(xué)性質(zhì)。三、3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域3D打印在產(chǎn)品概念設(shè)計、原型制作、產(chǎn)品評審、功能驗證、制作模具原型或直接打印模具、直接打印產(chǎn)品等方面優(yōu)勢突出，可以有效降低成本，規(guī)避傳統(tǒng)零部件研發(fā)和檢測高投入和長耗時的弊端。1.工業(yè)制造在建筑領(lǐng)域用3D打印機打印建筑模型，速度快、成本低、環(huán)境友好，同時制作精美，完全合乎設(shè)計者的要求，同時又能節(jié)省大量材料。打印建筑所使用的原理與一般的3D打印機基本相同，不過原料卻換成了水泥和玻璃纖維的混合物。2.建筑工程醫(yī)療應(yīng)用是目前最受關(guān)注的下游行業(yè)，比較成熟的是骨骼類。牙齒、手臂、下顎骨及關(guān)節(jié)等都已經(jīng)在動物身上得到驗證并在人體移植上得到成功應(yīng)用。3.生物醫(yī)療4.消費品隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于珠寶、服飾、鞋類、玩具、工具、創(chuàng)意作品等消費品的設(shè)計及生產(chǎn)。三、3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域5.航空航天、國防軍工利用3D打印技術(shù)，可以直接制造航空航天、國防軍工中復(fù)雜形狀、尺寸微細、特殊性能的零部件及機構(gòu)。用于制作形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊的藝術(shù)表達載體。廣泛用于教學(xué)和科研，主要用于模型驗證科學(xué)假設(shè)、學(xué)科實驗、教學(xué)等?；诰W(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)下載，電子商務(wù)的個性化打印定制服務(wù)。6.文化創(chuàng)意和數(shù)碼娛樂7.教育8.個性化定制四、3D打印的主要技術(shù)優(yōu)勢1.產(chǎn)品制造的復(fù)雜程度降低傳統(tǒng)制造業(yè)是通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終形成產(chǎn)品，而3D打印是將三維實體變?yōu)槿舾蓚€二維平面，并通過對材料處理實現(xiàn)逐層疊加進行生產(chǎn)，因而大大降低了制造的復(fù)雜度。2.生產(chǎn)制造的范圍擴大3D打印對工藝、機床、人力的要求降低，它直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸，并可以造出任何形狀的物品。3.更大程度滿足客戶個性化需求企業(yè)可以根據(jù)用戶訂單使用3D打印機制造出特別的或定制的產(chǎn)品滿足客戶需求。4.生產(chǎn)制造效率提高3D打印技術(shù)可以將制造出一個模型的時間縮短為數(shù)個小時，而用傳統(tǒng)方法通常需要更長的時間。5.提高原材料的利用效率3D打印的種類及應(yīng)用一、3D打印技術(shù)分支圖2-13D打印技術(shù)的分支快速成型（rapidprototyping，RP）技術(shù)又稱快速原型，其可以快速、自動地將設(shè)計思想物化為具有結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零部件。快速成型和3D打印技術(shù)都是“增材制造”的子技術(shù)，前者側(cè)重的是成形用于形體觀測的樣品，后者側(cè)重的是成形功能構(gòu)件，并使構(gòu)件材質(zhì)的力學(xué)、電氣、化學(xué)性能等盡可能地趨近真實可用?？梢詫⒖焖俪尚闻c3D打印統(tǒng)稱為廣義3D打印，廣義的3D打印主要有五大分支二、光固化成型技術(shù)（SLA）光固化成型技術(shù)（stereolithographyappearance，SLA）又稱立體光刻造型技術(shù)。它主要采用液態(tài)光敏樹脂原料，通過3D設(shè)計軟件（CAD）設(shè)計出三維數(shù)字模型，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M行切片處理，設(shè)計掃描路徑，按設(shè)計的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面，分層掃描固化疊加成三維工件原型。圖2-2光固化成型技術(shù)工作原理示意圖1.成型原理圖2-3典型SLA設(shè)備2.典型SLA設(shè)備與原料二、光固化成型技術(shù)（SLA）（1）設(shè)備光固化成型設(shè)備由光學(xué)系統(tǒng)、樹脂容器、數(shù)字控制和數(shù)字軟件系統(tǒng)組成，主要包括激光器、激光掃描裝置和液槽、升降臺和刮刀。2.典型SLA設(shè)備與原料二、光固化成型技術(shù)（SLA）（2）原料①光固化實體材料

主要是指光敏樹脂。光敏樹脂即UltravioletRays（UV）樹脂，一般為液態(tài)，由齊聚物、反應(yīng)性稀釋劑和光引發(fā)劑組成。在一定波長的紫外線（250～300nm）照射下能立刻引起聚合反應(yīng)完成固化，可用于制作高強度、耐高溫、防水材料。②支撐材料

SLA技術(shù)常用來進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造，這些零件通常會出現(xiàn)鏤空或者懸空的設(shè)計，為了避免在打印過程中產(chǎn)生變形影響制品的外形，因此需要用支撐材料填補零件的鏤空部分。打印完成時再對支撐材料進行清除，最后得到完整的制品。對支撐材料的要求是便于去除且不能損壞實體模型。常用作支撐材料的有相變臘支撐材料和光固化支撐材料。（1）SLA工藝的優(yōu)點①SLA技術(shù)出現(xiàn)時間早，技術(shù)成熟度高；②打印速度快，光敏反應(yīng)過程便捷，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短；③打印精度高，可打印結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜或傳統(tǒng)技術(shù)難以制作的原型和模具；④配套軟件功能完善，可聯(lián)機操作及遠程控制，有利于生產(chǎn)的自動化。（2）SLA工藝的缺點①SLA設(shè)備普遍價格昂貴，使用和維護成本高；②需要對毒性液體進行精密操作，對工作環(huán)境要求苛刻；③受材料所限，可使用的材料多為樹脂類，使得打印成品的強度、剛度及耐熱性能都非常有限，并且不利于長時間保存。④由于樹脂固化過程中會產(chǎn)生收縮，不可避免地會產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。3.SLA工藝的優(yōu)缺點二、光固化成型技術(shù)（SLA）二、光固化成型技術(shù)（SLA）4.SLA應(yīng)用（1）制造模具用SLA工藝快速制成的立體樹脂模可以代替蠟?zāi)＿M行結(jié)殼，型殼焙燒時去除樹脂模，得到中空型殼，即可澆注出具有高尺寸精度和幾何形狀、表面光潔度較好的合金鑄件或直接用來制造注射模的型腔。（2）對樣品形狀及尺寸設(shè)計進行直觀分析采用SLA可以快速制造樣品，供設(shè)計者和用戶直觀測量，并可迅速反復(fù)修改和制造，可大大縮短新產(chǎn)品的設(shè)計周期，使設(shè)計符合預(yù)期的形狀和尺寸要求。二、光固化成型技術(shù)（SLA）4.SLA應(yīng)用（3）產(chǎn)品性能測試與分析在塑料制品加工企業(yè)，由于SLA制件有較好的機械性能，可用于制品的部分性能測試與分析，提高制品設(shè)計的可靠性。（4）進行單件或小批量產(chǎn)品的制造在一些特殊行業(yè)，有些制件只需單件或小批量生產(chǎn)，這樣的產(chǎn)品通過制模再生產(chǎn)，成本高、周期長，一般可用SLA直接進行成型，成本低、周期短。（5）在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用光固化快速成型技術(shù)為不能制作或難以用傳統(tǒng)方法制作的人體器官模型提供了一種新的方法，基于CT圖像的光固化成型技術(shù)是應(yīng)用于假體制作、復(fù)雜外殼手術(shù)的規(guī)劃、口腔頜面修復(fù)的有效方法。二、光固化成型技術(shù)（SLA）5.SLA發(fā)展趨勢（1）數(shù)據(jù)處理軟件性能需要進一步提高；（2）成型速度需要進一步提升；（3）成型材料性能多樣化、功能化；（4）設(shè)備的穩(wěn)定性需要進一步提高。三、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）圖2-4SLS工藝原理選擇性激光燒結(jié)工藝是利用粉末狀材料（主要有塑料粉、蠟粉、金屬粉、表面附有粘結(jié)劑的覆膜陶瓷粉、覆膜金屬粉及覆膜砂等）在激光照射下燒結(jié)的原理，在計算機控制下按照界面輪廓信息進行有選擇的燒結(jié)，層層堆積成型）。SLS技術(shù)使用的是粉狀材料，從理論上講，任何可熔的粉末都可以用來打印成型。1.成型原理三、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）2.典型SLA設(shè)備與原料（1）設(shè)備圖2-5典型SLS設(shè)備SLS設(shè)備主要由機械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)在計算機控制系統(tǒng)的控制下協(xié)調(diào)工作，自動完成制件的加工成型。機械系統(tǒng)主要由機架、工作平臺、鋪粉機構(gòu)、兩個活塞缸、集料箱、加熱火燈和通風除塵裝置組成。三、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）2.典型SLA設(shè)備與原料（2）原料表2-1SLS工藝原料特點3.SLS工藝的優(yōu)缺點三、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）（1）SLS工藝的優(yōu)點①成型材料品種多、價格低廉；②對制件形狀幾乎沒有要求；③材料利用率高

未燒結(jié)的粉末可以重復(fù)利用；④制件精度高

一般能夠達到工件整體范圍內(nèi)（0.05-2.5）mm的公差；⑤可實現(xiàn)設(shè)計制造一體化

。

（2）SLS工藝的缺點①設(shè)備成本高昂；②制件內(nèi)部疏松多孔、表面粗糙度較大、機械性能不高；③制件質(zhì)量受粉末的影響較大，提升不易；④可制造零件的最大尺寸受到限制；⑤成型過程消耗能量大，后處理工序復(fù)雜。4.SLS應(yīng)用三、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）（1）快速原型制造

SLS工藝可快速制造所設(shè)計零件的原型，并對產(chǎn)品及時進行評價、修正，以提高設(shè)計質(zhì)量。（2）新型材料的制備及研發(fā)

利用SLS工藝可以開發(fā)一些新型的顆粒，如復(fù)合材料上的增強顆粒和硬質(zhì)合金。（3）小批量、特殊零件的制造加工

采用SLS技術(shù)可快速、經(jīng)濟地實現(xiàn)小批量和形狀復(fù)雜零件的制造。（4）快速模具和工具制造

SLS制造的零件可直接作為模具使用，如熔模鑄造、砂型鑄造、注塑模型、高精度形狀復(fù)雜的金屬模型等；也可以將成型件經(jīng)后處理后作為功能零件使用。（5）在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

SLS工藝燒結(jié)的零件由于很高的孔隙率，因此可用于人工骨的制造，根據(jù)國外對于用SLS技術(shù)制備的人工骨進行的臨床研究表明，人工骨的生物相容性良好。5.SLS發(fā)展趨勢三、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）（1）材料先進化、實用化；（2）SLS燒結(jié)機理研究定量化；（3）SLS工藝參數(shù)優(yōu)化；（4）SLS燒結(jié)過程仿真化。目前，SLS系統(tǒng)的速度、精度和表面粗糙度還不能完全滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，SLS設(shè)備成本也較高，并且激光工藝參數(shù)對零件質(zhì)量影響敏感，需要較長的時間摸索。針對目前SLS工藝出現(xiàn)的問題，未來的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾方面。四、熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）1.成型原理圖2-6FDM工作原理圖熔融沉積又叫熔絲沉積，它是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來。噴頭可沿著X軸方向移動，而工作臺則沿Y軸方向移動。如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型部分的溫度稍低于固化溫度，那么就能保證熱熔性材料噴出噴嘴后，即與前一層面熔結(jié)在一起。一個層面沉積完成后，工作臺按預(yù)定的增量下降一個層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個實體造型。2.典型SLA設(shè)備與原料（1）設(shè)備四、熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）圖2-7FDM設(shè)備典型FDM設(shè)備常見形式為桌面打印機。FDM3D打印設(shè)備由箱體結(jié)構(gòu)、控制X、Y、Z方向運動的機械結(jié)構(gòu)、噴射結(jié)構(gòu)、控制部分組成。2.典型SLA設(shè)備與原料四、熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）（2）原料①ABS塑料

ABS塑料具有優(yōu)良的綜合性能，其強度、柔韌性、機械加工性優(yōu)異，并具有更高的耐溫性，是工程機械零部件的優(yōu)先塑料。ABS塑料的缺點是在打印過程中會產(chǎn)生氣味，而且由于ABS的冷收縮性，在打印過程中模型易與打印平板產(chǎn)生脫離。②PLA塑料

PLA塑料是當前桌面式3D打印機使用最廣泛的一種材料。PLA塑料是生物可降解材料，使用可再生的植物資源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。PLA強度高、收縮率極低、成型性能優(yōu)秀、熱成型尺度穩(wěn)定、層與層之間的粘合性好，同時也擁有良好的光澤性，適用于吹塑、熱塑等各種加工方法，加工方便，應(yīng)用十分廣泛。四、熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）3.FDM工藝的優(yōu)缺點（1）優(yōu)點①系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡單，維護成本低，系統(tǒng)運行安全；②可以使用無毒的原材料，設(shè)備系統(tǒng)可在辦公環(huán)境中安裝使用；③可以成型任意復(fù)雜程度的零件，常用于成型具有很復(fù)雜的內(nèi)腔、孔等零件；④原材料在成型過程中無化學(xué)變化，制件的翹曲變形??；⑤原材料利用率高，且材料壽命長；⑥支撐去除簡單，無須化學(xué)清洗，分離容易。（2）缺點①成型件的表面有較明顯的條紋；②沿成型軸垂直方向的強度比較弱；③需要設(shè)計與制作支撐結(jié)構(gòu)；④需要對整個截面進行掃描涂覆，成型時間較長。四、熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）4.FDM應(yīng)用FDM快速成型技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車、機械、航空航天、家電通信、電子、建筑、醫(yī)學(xué)、玩具等產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，如產(chǎn)品外觀評估、方案選擇、裝配檢查、功能測試、用戶看樣訂貨、塑料件開模前校驗設(shè)計以及少量產(chǎn)品制造等。與傳統(tǒng)方法相比，以前需要幾個星期、幾個月才能制造的復(fù)雜產(chǎn)品原型，在采用FDM成型技術(shù)后，無須任何刀具和模具，很快便可完成。四、熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）5.FDM發(fā)展趨勢憑借智能制造技術(shù)的逐漸成熟，以及新的信息技術(shù)、控制技術(shù)等在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，F(xiàn)DM技術(shù)正在朝精密化、智能化、通用化以及便捷化等方向發(fā)展。（1）直接面向產(chǎn)品的制造；（2）通用化；（3）集成化與智能化；（4）擴展應(yīng)用領(lǐng)域。五、三維打印成型技術(shù)（3DP）圖2-83DP技術(shù)原理圖按照設(shè)定的層厚進行鋪粉，隨后根據(jù)每層疊層的界面信息，利用噴嘴按照指定的路徑將液態(tài)黏結(jié)劑噴在預(yù)先鋪好的粉層特定區(qū)域，之后將工作臺下降一個層厚的距離，繼續(xù)進行下一疊層的鋪粉，逐層黏結(jié)后去除多余底料得到所需形狀的制件。1.成型原理五、三維打印成型技術(shù)（3DP）2.3DP原料3DP材料應(yīng)用范圍極廣，包括原型制件應(yīng)用材料，如尼龍粉末、ABS粉末、石膏粉末；模具應(yīng)用材料，如各種金屬粉末、陶瓷粉末以及用于砂模鑄造的各種砂粉、高性能尼龍等；快速制造應(yīng)用材料，如貴金屬粉末、輕質(zhì)金屬粉末、高強度金屬粉末、橡膠粉末、結(jié)構(gòu)陶瓷粉末、功能陶瓷粉末等。五、三維打印成型技術(shù)（3DP）3.3DP工藝的優(yōu)缺點（1）優(yōu)點①成型速度快，適合做桌面型的快速成型設(shè)備；②在粘結(jié)劑中添加顏料，可以制作彩色原型，這是該工藝最具競爭力的特點之一；③成型過程不需要支撐，多余粉末的去除比較方便，特別適合于做內(nèi)腔復(fù)雜的原型。（2）缺點制件強度較低，只能做概念性模型，而不能做功能性試驗。五、三維打印成型技術(shù)（3DP）4.3DP應(yīng)用（1）3D照相及創(chuàng)意娛樂

目前，3DP工藝的最熱門應(yīng)用是在文創(chuàng)娛樂領(lǐng)域，如當下流行的3D攝影，只需一臺3DP全彩打印機和一臺三維掃描儀即可實現(xiàn)人物模型的全彩打印。（2）金屬零件直接成型

使用3DP工藝制造金屬零件時，金屬粉末被一種特殊的黏合劑黏結(jié)成型，將制件從成型設(shè)備中取出后，再放入熔爐中燒結(jié)即可得到金屬零件成品。（3）鑄造用砂模成型

使用3DP工藝可以將鑄造用砂制成模具，用于傳統(tǒng)的金屬鑄造，可以間接制造出金屬產(chǎn)品。五、三維打印成型技術(shù)（3DP）5.3DP發(fā)展趨勢（1）3DP技術(shù)噴頭專用化；（2）噴頭控制程序應(yīng)考慮液體參數(shù)；（3）材料成形過程研究微觀化；（4）技術(shù)應(yīng)用范圍規(guī)模化。六、薄材疊層制造成型技術(shù)（LOM）1.成型原理圖2-10LOM工藝原理圖LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠，加工時，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成型的工件粘結(jié)；用CO2激光器在剛粘結(jié)的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對齊的網(wǎng)格；激光切割完成后，工作臺帶動已成型的工件下降，與帶狀片材（料帶）分離；供料機構(gòu)轉(zhuǎn)動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域；工作臺上升到加工平面；熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚；再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)直至零件的所有截面粘結(jié)、切割完，得到分層制造的實體零件。LOM工藝使用的成型材料為單面涂覆有熱熔型黏結(jié)劑的片狀材料，由基體材料和黏結(jié)劑組成。常用于LOM工藝的基體材料有紙片材、金屬片材、陶瓷片材和復(fù)合材料片材等，因為涂覆紙價格較為便宜，所以目前的LOM基體材料主要為紙材。六、薄材疊層制造成型技術(shù)（LOM）2.LOM原料六、薄材疊層制造成型技術(shù)（LOM）（1）優(yōu)點①成型速度較快

由于只需要使用激光束沿物體的輪廓進行切割，無須掃描整個斷面，因此成型速度很快，常用于加工內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單的大型零件；②無須設(shè)計和制作支撐結(jié)構(gòu)；③可進行切削加工；④可制作尺寸大的原型。（2）缺點①原型的抗拉強度和彈性不夠好；②原型易吸濕膨脹，因此成型后應(yīng)盡快進行表面防潮處理；③原型表面有臺階紋理，難以構(gòu)建形狀精細、多曲面的零件，因此成型后需進行表面打磨；④切割的材料無法二次利用，形成材料的浪費。3.LOM工藝的優(yōu)缺點六、薄材疊層制造成型技術(shù)（LOM）4.LOM應(yīng)用（1）產(chǎn)品設(shè)計評估；（2）產(chǎn)品裝配檢驗；（3）鑄造用型芯制造；（4）制模用母模成型；（5）模具直接制造。5.LOM發(fā)展趨勢由于傳統(tǒng)的LOM成型工藝，CO2激光器成本高，且原材料種類過少，紙張的強度偏弱，容易受潮等原因，傳統(tǒng)的LOM已經(jīng)逐漸退出3D打印的歷史舞臺。3D打印國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景一、3D打印材料現(xiàn)狀3D打印材料是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在某種程度上，材料的發(fā)展決定著3D打印能否有更廣泛的應(yīng)用。1.工程塑料工程塑料是指被用于工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，其強度、抗沖擊性，耐熱性，硬度及抗老化性均較優(yōu)。工程塑料是當前應(yīng)用最廣泛的一類3D打印材料。（1）ABS材料強度高、韌性好、耐沖擊，在汽車、家電、電子消費品領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。一、3D打印材料現(xiàn)狀1.工程塑料（2）PC材料高強度、耐高溫、抗沖擊、拉彎曲，可以作為最終零部件使用，廣泛應(yīng)用于電子消費品、家電、汽車制造、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。與普通塑料相比，其拉伸強度、彎曲強度有所增強，熱變形溫度以及材料的模量有所提高，材料的收縮率減小，但表面變粗糙，沖擊強度有所降低。材料熱變形溫度為110℃，主要應(yīng)用于汽車、家電、電子消費品領(lǐng)域。（3）玻璃纖維增強尼龍（4）PC/ABS材料具備了ABS的韌性和PC材料的高強度及耐熱性，大多應(yīng)用于汽車、家電及通信行業(yè)。一、3D打印材料現(xiàn)狀2.光敏樹脂（1）SomosNext材料韌性非常好，基本可達到SLS制作的尼龍材料性能，而精度和表面質(zhì)量更佳，主要應(yīng)用于汽車、家電、電子消費品等領(lǐng)域。（2）Somos11122材料具有優(yōu)秀的防水性和尺寸穩(wěn)定性，很適合用在汽車、醫(yī)療以及電子類產(chǎn)品領(lǐng)域。（3）Somos19120材料是一種鑄造專用材料。（4）環(huán)氧樹脂是一種便于鑄造的激光快速成形樹脂，可用于制造極其精密的快速鑄造型模。3.橡膠類材料一、3D打印材料現(xiàn)狀橡膠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、撕裂強度和拉伸強度，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)品主要有消費類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及汽車內(nèi)飾、輪胎、墊片等。4.金屬材料近年來金屬材料的3D打印技術(shù)發(fā)展迅速。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。一、3D打印材料現(xiàn)狀4.金屬材料（1）鈦合金

具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點，被廣泛用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件，以及火箭、導(dǎo)彈和飛機的各種結(jié)構(gòu)件。（2）鈷鉻合金

是一種以鈷和鉻為主要成分的高溫合金，它的抗腐蝕性能和力學(xué)性能都非常優(yōu)異，用其制作的零部件強度高、耐高溫。采用3D打印技術(shù)制造的鈦合金和鈷鉻合金零部件，強度非常高，尺寸精確，能制作的最小尺寸可達1mm，而且其零部件力學(xué)性能優(yōu)于鍛造工藝。（3）不銹鋼

不銹鋼粉末是金屬3D打印經(jīng)常使用的一類性價比較高的金屬粉末材料。3D打印的不銹鋼模型具有較高的強度，而且適合打印尺寸較大的物品。5.陶瓷材料一、3D打印材料現(xiàn)狀陶瓷材料具有高強度、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。但陶瓷材料難加工，傳統(tǒng)加工工藝成本高、耗時長。然而用3D打印陶瓷材料，結(jié)合較為先進的燒結(jié)技術(shù)，可以制備出高精度、高強度的陶瓷零件，這相比于傳統(tǒng)的制備工藝，會顯著降低加工成本、縮短生產(chǎn)周期、節(jié)省原材料，其發(fā)展?jié)摿薮螅瑢⑼苿?D打印陶瓷技術(shù)在航天航空、醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。6.其它3D打印材料一、3D打印材料現(xiàn)狀（1）彩色石膏材料

是一種全彩色的3D打印材料，是基于石膏的、易碎、堅硬且色彩清晰的材料?；谠诜勰┙橘|(zhì)上逐層打印的成形原理，3D打印成品在處理完畢后，表面可能出現(xiàn)細微的顆粒效果，外觀很像巖石，在曲面表面可能出現(xiàn)細微的年輪狀紋理，因此，多應(yīng)用于動漫玩偶等領(lǐng)域。（2）人造骨粉

3D打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)、組織工程相結(jié)合，可制造出藥物、人工器官等用于治療疾病。利用類似噴墨打印機的技術(shù)，將人造骨粉轉(zhuǎn)變成精密的骨骼組織。打印機會在骨粉制作的薄膜上噴灑一種酸性藥劑，使薄膜變得更堅硬。（3）食品材料

可打印的材料包括砂糖、奶油、奶酪、巧克力、香料等。例如，砂糖3D打印機可通過噴射加熱過的砂糖，直接做出具有各種形狀且美觀又美味的甜品。（4）混凝土

作為3D打印原材料，是3D打印技術(shù)的拓展，更是建筑領(lǐng)域的一種革新。將3D打印技術(shù)與建筑行業(yè)相結(jié)合，與建筑工業(yè)化的理念不謀而合。二、我國3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題1.產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用我國已有部分技術(shù)處于世界先進水平，其中，激光直接加工金屬技術(shù)發(fā)展較快，已基本滿足特種零部件的機械性能要求，已經(jīng)成功應(yīng)用與航天、航空裝備制造。生物細胞3D打印技術(shù)取得顯著進展，已可以制造立體的模擬生物組織，為我國生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尖端科學(xué)研究提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。目前，已有部分企業(yè)依托高校成果，對3D打印設(shè)備進行產(chǎn)業(yè)化運作，這些公司都已實現(xiàn)了一定程度的產(chǎn)業(yè)化，部分公司生產(chǎn)的便攜式桌面3D打印機的價格已具備國際競爭力，成功進入歐美市場。一些中小企業(yè)成為國外3D打印設(shè)備的代理商，經(jīng)銷全套打印設(shè)備、成型軟件和特種材料。還有一些中小企業(yè)購買了國內(nèi)外各類3D打印設(shè)備，專門為相關(guān)企業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)提供服務(wù)。他們發(fā)揮科技人才密集的優(yōu)勢，向國內(nèi)外客戶提供服務(wù)，取得了良好的經(jīng)濟效益。二、我國3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題2.存在的問題（1）缺乏宏觀規(guī)劃和引導(dǎo)；（2）具備自主制造3D打印設(shè)備的企業(yè)規(guī)模普遍較小，研發(fā)力量不足；（3）缺乏教育培訓(xùn)和社會推廣。我國3D打印產(chǎn)業(yè)雖然發(fā)展迅速，但仍面臨缺乏宏觀規(guī)劃和引導(dǎo)、研發(fā)投入不足、產(chǎn)業(yè)鏈缺乏統(tǒng)籌發(fā)展、缺乏教育培訓(xùn)和社會推廣等一系列問題。三、我國發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)的重要戰(zhàn)略意義當前，全球正在興起一輪數(shù)字化制造浪潮。發(fā)達國家面對近年來制造業(yè)競爭力的下降，大力倡導(dǎo)“再工業(yè)化，再制造化”戰(zhàn)略，提出智能機器人、人工智能、3D打印是實現(xiàn)數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)，并希望通過這三大數(shù)字化制造技術(shù)的突破，鞏固和提升制造業(yè)的主導(dǎo)權(quán)。加快3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可以推動我國由“工業(yè)大國”向“工業(yè)強國”的轉(zhuǎn)變。（1）發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，可以提升我國工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)水平，提高工業(yè)設(shè)計能力；（2）發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，可以生產(chǎn)出復(fù)雜、特殊、個性化產(chǎn)品，有利于攻克技術(shù)難關(guān)；（3）發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，可以形成新的經(jīng)濟增長點，促進就業(yè)。四、我國3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景在我國產(chǎn)業(yè)升級的大變革背景下，3D打印技術(shù)自然而然得到國家層面的重視。特別是2015年工信部發(fā)布《國家增材制造（3D打印）產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016）》，首次明確將3D打印列入了國家戰(zhàn)略層面，對3D產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了整體計劃。到2016年，初步建立較為完善的增材制造產(chǎn)業(yè)體系，整體技術(shù)水平保持與國際同步，在航空航天等直接制造領(lǐng)域達到國際先進水平，在國際市場上占有較大的市場份額。目前來看，3D打印發(fā)展迅速，但也受到一定的制約，產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模仍較小。根據(jù)分析，原材料開發(fā)壁壘遠高于提供3D打印服務(wù)的壁壘，原材料的發(fā)展仍是主要的3D打印技術(shù)發(fā)展的主要制約因素。發(fā)展新型原材料將有可能處于產(chǎn)業(yè)鏈的最高端。為此，我們認為應(yīng)首先做好上游材料的發(fā)展；對于下游，我們則應(yīng)做好3D打印技術(shù)在附加價值更高的航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。支架式白光掃描儀一、設(shè)備結(jié)構(gòu)

屬于非接觸光學(xué)掃描儀

關(guān)鍵部分：計算機、光柵發(fā)射器、CCD攝像機、連接線、標定塊、標志點。掃描頭云臺三腳架一、設(shè)備結(jié)構(gòu)注意：禁止用利器擊打兩個CCD相機鏡頭和光柵發(fā)射器的鏡頭，禁止用手觸摸CCD相機和光柵發(fā)射器的鏡頭片。

1.設(shè)備主體一、設(shè)備結(jié)構(gòu)2.云臺1所示為控制云臺的螺桿，可以調(diào)節(jié)云臺上下旋轉(zhuǎn)；

2所示為控制云臺的螺桿，可以調(diào)節(jié)云臺水平旋轉(zhuǎn)；3所示為控制云臺的螺桿，可以調(diào)整云臺左右旋轉(zhuǎn)；

4所示為固定測量頭的兩個螺絲，用來把測量頭固定到云臺上。

注：安裝和使用設(shè)備時一定要把上面所示的三個螺桿和兩個螺絲鎖緊，否則設(shè)備固定不緊，容易脫落摔碎。一、設(shè)備結(jié)構(gòu)3.腳架1所示為三腳架的搖桿，可以通過旋轉(zhuǎn)搖桿升降設(shè)備；2所示為三腳架的頂絲，用來鎖死螺桿；3所示為三腳架升降控制鈕，用來控制三腳架內(nèi)接桿的升降。注意：每次調(diào)整好設(shè)備的高度后請把三腳架的頂絲鎖緊，否則在測量過程中設(shè)備容易晃動，而且會影響中軸的剛性。二、設(shè)備軟件1.工作界面二、設(shè)備軟件操作界面系統(tǒng)名稱和當前活動窗口包括所有的操作選項提供了操作的快捷方式菜單欄工具欄標題欄1.工作界面二、設(shè)備軟件操作界面2.掃描視窗二、設(shè)備軟件操作界面3.菜單欄二、設(shè)備軟件操作界面3.菜單欄新建：結(jié)束當前掃描，開始新的掃描。單面掃描模式：此項不可用；標志點拼接模式：已完成一面以上掃描才可用；建立框架拼接模式：已完成一面以上掃描才可用。打開：打開已經(jīng)存在的點云數(shù)據(jù)，打開格式包括OKO、ASC、TGT、CSV格式；二、設(shè)備軟件操作界面用于設(shè)定測量的模式，可以選擇“單面掃描”、“標志點拼接”、“建立框架”三種模式，當前的模式呈灰色為不可選。直接拼接：直接利用標志點的信息對拍攝的物體進行拼接；面面重合拼接：利用物體多次拍攝重合部分信息對拍攝物體進行拼接。二、設(shè)備軟件操作界面畫框設(shè)定：手動在屏幕上畫出測量范圍；最大區(qū)域：相機屏幕所顯示的所有范圍都被測量。預(yù)投光柵：投射光柵在物體上，通過調(diào)整光柵發(fā)射器的焦距使得物體上的光柵最清晰。測量過程中通過觀察光柵的清晰度來判斷掃描儀到物體的測量距離是否合適，距離過遠或過近投的光柵都不清晰。視場中心：投射十字光標在物體上，觀察左右鏡頭視窗，使光標都在中心位置以確定合適的物距。二、設(shè)備軟件操作界面系統(tǒng)設(shè)置二、設(shè)備軟件操作界面攝像機控制在默認情況下，左攝像機處于連續(xù)采集模式，此時可以調(diào)整左攝像機的參數(shù)。連續(xù)捕獲圖像：左攝像機處于連續(xù)采集并實時顯示模式；停止捕獲圖像：停止當前的連續(xù)采集；更新單幀圖像：單幀采集當前圖像，只有在“停止捕獲圖像”的時候才可用，用于更新單幀圖像；二、設(shè)備軟件操作界面攝像機參數(shù)調(diào)整一般情況下曝光時間設(shè)置為53左右，增益調(diào)節(jié)為11左右；以物件不反光為宜；二、設(shè)備軟件操作界面常用圖標注釋三、設(shè)備標定1.標定塊的作用1攝像機定標是得到三維世界中物體點的三維坐標與其圖像上對應(yīng)點的函數(shù)關(guān)系的過程。2攝像機定標的精度是決定系統(tǒng)掃描精度的重要因素。3通過拍攝不同位置的圖像，來實現(xiàn)對系統(tǒng)的標定。4采用平面標定塊。1.標定塊的作用三、設(shè)備標定定標過程中要使用標定塊，如圖所示。三、設(shè)備標定三、設(shè)備標定定標需找出和掃描儀相對應(yīng)的標定板，以保證定標精度。注：標定板后四位尾數(shù)與掃描儀尾數(shù)一致！三、設(shè)備標定1、為了人眼能夠在拍攝圖像上清晰分辨出黑色圓點，可能要通過調(diào)整增益來達到最好的效果；

2、在每個位置上要保證能看到四個大點，其他點可以有看不見的部分，但要盡可能看到更多的點；3、三個不同的點位置要盡量充滿待測物體每次掃描區(qū)域可能占據(jù)的空間；4、第一個位置標定塊放置在圖像中看到的結(jié)果是：四個大點中，共線的三個大點在另一個大點的下方。定標要求三、設(shè)備標定精度在0.02以外系統(tǒng)調(diào)整使用過程中嚴重震動長途運輸需要重新定標三、設(shè)備標定1、標定板（大點向上）放置相機下方，十字光斑位于中心大圓內(nèi)，調(diào)整相機角度及高度，盡量使十字中心對齊；2、旋轉(zhuǎn)標定板90°，三腳架高度上調(diào)兩圈，使紅十字位于黑十字外；3、同方向旋轉(zhuǎn)標定板90°,三腳架高度下調(diào)四圈，使紅十字位于黑十字外；標定流程三、設(shè)備標定5、同方向旋轉(zhuǎn)標定板90°，三腳架高度上調(diào)兩圈，使紅十字位于黑十字外；6、同方向旋轉(zhuǎn)標定板90°，三腳架高度下調(diào)四圈，使紅十字位于黑十字外；7、同方向旋轉(zhuǎn)標定板90°，調(diào)整相機左傾角（角度約15~20°)，使十字中心對齊；8、同方向旋轉(zhuǎn)標定板90°，三腳架高度上調(diào)兩圈，使紅十字位于黑十字外；三、設(shè)備標定9、同方向旋轉(zhuǎn)標定板90°，三腳架高度下調(diào)四圈，使紅十字位于黑十字外；10、同方向旋轉(zhuǎn)標定板90°，調(diào)整相機右傾角（角度約15~20°)，使十字中心對齊；11、同方向旋轉(zhuǎn)標定板90°，三腳架高度上調(diào)兩圈，使紅十字位于黑十字外；12、同方向旋轉(zhuǎn)標定板90°，三腳架高度下調(diào)四圈，使紅十字位于黑十字外。四、掃描前準備工作首先須確保三維掃描儀是建立在一個穩(wěn)定的環(huán)境中,包括光環(huán)境：避免強光和逆光對射;三維掃描儀的穩(wěn)固性等，要最大限度地減少環(huán)境破壞，確保三維掃描結(jié)果不會受到外部因素的影響。1.確保穩(wěn)定的掃描環(huán)境2.掃描儀精度校準校準掃描儀時，應(yīng)根據(jù)掃描對象調(diào)整設(shè)備系統(tǒng)設(shè)置的三維掃描環(huán)境。正確的相機設(shè)置會影響掃描數(shù)據(jù)的準確性，因此必須確保曝光設(shè)置是正確的。嚴格按照制造商的說明進行校準工作，仔細校正不準確的三維數(shù)據(jù)。校準后，可通過用三維掃描儀掃描已知三維數(shù)據(jù)的測量物體來檢查比對，如果發(fā)現(xiàn)掃描儀掃描的精度無法實現(xiàn)時，需要重新校準掃描儀。四、掃描前準備工作3.對掃描物體表面進行處理被測物體表面的材質(zhì)、色彩及反光透光等都有可能對測量結(jié)果有一定的影響，而被測物體表面的灰塵、切屑等更會帶來測量數(shù)據(jù)的噪聲，所以首先要對掃描件進行清洗，對黑色銹蝕表面、透明表面、反光面做表面處理。

這些物體包括半透明材料(玻璃制品、玉石)，有光澤，或顏色較暗的物體。五、物體表面處理對于掃描后需要清洗表面的物體，只能使用白色顯像劑。物體最適合進行三維光學(xué)掃描的理想表面狀況是亞光白色，因此表面處理的方法是在物體表面噴一薄層白色物質(zhì)，一般可選擇白色的亞光漆、白色顯像劑。五、物體表面處理對掃描物體噴上薄薄的一層顯像劑，目的是是為了更好的掃描出物體的三維特征，數(shù)據(jù)會更精確。1.在噴粉時，要注意在滿足掃描要求的前提下盡可能地薄且均勻，噴粉距離約為30cm左右。顯像劑噴灑過多，會造成物體厚度疊加，對掃描精度造成影響。2.顯像劑不會對物體表面及人體造成損害，掃描完成后用清水洗掉即可。3.應(yīng)給被掃描工件準備一個顏色較暗的背景，最好是黑色（掃描系統(tǒng)對黑色表面不生成任何數(shù)據(jù)），這樣可以減少背景掃描數(shù)據(jù)，增加有效掃描數(shù)據(jù)的比重。六、掃描策略制定在對被掃描工件進行掃描時，需要經(jīng)過多角度、多范圍的多次掃描，才能完成對被掃描工件的完整掃描。注意：掃描系統(tǒng)要求在本次掃描中，至少能攝取到4個在之前掃描時提取出的標志點。同時要求這4個標志點盡可能不共線，且不對稱（例如其中3個不能構(gòu)成等邊或等腰三角形）。采用標志點來實現(xiàn)多次掃描數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)一（掃描系統(tǒng)會精確、自動地提取標志點三維坐標），即將每次生成的點云數(shù)據(jù)均統(tǒng)一到公共坐標系，從而完成點云的自動拼接。掃描策略對于整個掃描項目是非常重要的，因此在掃描之前就應(yīng)該進行制定。六、掃描策略制定根據(jù)待測物體選擇測量模式，在菜單“參數(shù)設(shè)定”選擇“測量模式設(shè)定”，可選擇“單面掃描”、“標志點拼接”、“建立框架”三種模式；1、單面掃描：對一些物體的測量，只要拍攝一面就能得到所需的數(shù)據(jù)，此時需要使用單面掃描操作。2、標志點拼接：一些較大的物體一次不能測完全部數(shù)據(jù)，可通過貼標志點，利用標志點拼接方式完成。3、建立框架拼接

：測量一些大物體時，由于積累誤差使最后的測量誤差偏大，為了控制整體誤差，測量大物體時先建立框架再進行標志點拼接測量。掃描方式六、掃描策略制定針對一個被掃描工件，首先根據(jù)其大小、形狀、復(fù)雜程度判斷大致需要掃描的次數(shù)，以及掃描的次序。下面分三種情況予以介紹：策略一：被掃描工件大小在掃描系統(tǒng)單面掃描范圍內(nèi)。

在這種情況下，只需考慮按照一個合適的掃描次序，保證本次掃描與之前掃描提取出的標志點均有至少4個公共點即可。掃描策略六、掃描策略制定策略二：被掃描工件大小超出掃描系統(tǒng)的單面掃描范圍，但不超過2倍（如超出2倍以上，則需與三維攝影掃描系統(tǒng)配套使用）在這種情況下，第一次掃描應(yīng)從可得到最多標志點的工件中部開始。

上述兩個策略中，標志點均粘貼在工件表面上。這兩個策略的優(yōu)點是被掃描工件可以隨意移動或轉(zhuǎn)動，但帶來的缺點是粘貼標志點處會產(chǎn)生較多的環(huán)狀空洞（因標志點外圍是黑色的，掃描系統(tǒng)將不會產(chǎn)生掃描數(shù)據(jù)點）。六、掃描策略制定在實際掃描中，如果工件不易搬動，我們也可以使用輔助裝置。如將被掃描工件放置在轉(zhuǎn)臺裝置上。策略三：標志點可以粘貼在被掃描工件周圍的轉(zhuǎn)臺表面上，這種粘貼方案可以有效減少工件表面的標志點數(shù)量，使掃描數(shù)據(jù)盡可能少地產(chǎn)生空洞。但這種策略不允許被掃描工件與轉(zhuǎn)臺有任何的相對位移，否則會造成拼接誤差增大，甚至導(dǎo)致掃描項目失敗。七、標志點粘貼注意事項（1）標志點盡量粘貼在平面區(qū)域或者曲率較小的曲面，且距離工件邊界較遠一些；（2）標志點不要粘貼在一條直線上，且不要對稱粘貼；標志點粘貼在特征上，影響特征采集標志點粘貼成一條直線或?qū)ΨQ不利于特征的采集，而且貼點過多。七、標志點粘貼注意事項（3）公共標志點至少為4個，但因掃描角度等原因，一般建議5-7個為宜；標志點應(yīng)使相機在盡可能多的角度可以同時看到；標志點過少，無法采集特征曲面標志點粘貼、分布較合理（4)粘貼標志點要保證掃描策略的順利實施，根據(jù)工件的長、寬、高合理分布粘貼；（5）標志點應(yīng)使相機在盡可能多的角度可以同時看到。八、掃描注意事項1.掃描過程中避免掃描系統(tǒng)震動，同時被掃描工件也須是靜止狀態(tài)；2.掃描時外部環(huán)境光線不要太強，暗室操作效果更佳；3.深色或反光的工件要噴顯像劑進行掃描；4.對于容易變形的工件，可以通過云臺移動掃描頭或移動掃描系統(tǒng)進行掃描；5.掃描時十字盡量投在被掃描工件上；6.掃描時，根據(jù)實際需要可通過云臺確定掃描頭的位置或角度；7.掃描系統(tǒng)具有仿生學(xué)視覺特點，為順利完成掃描工作，掃描人員可以站在掃描頭的位置判斷能否看到需要提取的標志點，若不能請及時調(diào)整被掃描工件的擺放角度。GeomagicStudio點云處理軟件教學(xué)一、軟件簡介GeomagicStudio由美國Raindrop(雨滴)公司出品，2013年被3DSystems收購，擁有強大的點云處理能力，能夠輕易的從掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動轉(zhuǎn)換城NURBS曲面，可直接用于3D打印、制造、藝術(shù)和工業(yè)設(shè)計等方面。

該軟件是除Imageware之外應(yīng)用最為廣泛的逆向工程軟件，是目前市面上進行點云處理與三維曲面構(gòu)建功能最強大的軟件。（1）建模時采用點云三角網(wǎng)格面曲面的方式；（2）軟件功能操作便捷，易學(xué)易用；（3）具有自動擬合曲面功能，對玩具、工藝類工件等自由曲面優(yōu)勢較大。二、軟件界面三、鼠標應(yīng)用左鍵在圖形區(qū)域的活動對象上選擇區(qū)域。CTRL+左鍵取消選擇區(qū)域ALT+左鍵

移動光源

SHIFT+左鍵

激活模型(當同時處理幾個模型時)滾輪或中鍵縮放CTRL+中鍵設(shè)置多個激活模型。(必須是同樣的數(shù)據(jù)類型)ALT+中鍵平移SHIFT+CTRL+中鍵

在當前平面上移動模型右鍵

單擊獲得快捷菜單CTRL+右鍵旋轉(zhuǎn)ALT+右鍵平移

SHIFT+右鍵

縮放四、主要功能GeomagicStudio軟件提供了六大數(shù)據(jù)模塊，包括基礎(chǔ)模塊、點處理模塊、多邊形處理模塊、形狀模塊、Fashion模塊、參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。（1)基礎(chǔ)模塊主要作用是提供基礎(chǔ)操作環(huán)境，包括文件保存、顯示控制、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。（2)點處理模塊A優(yōu)化掃描數(shù)據(jù)（去除體外孤點、減少噪音等）B拼接多個掃描數(shù)據(jù)；C降低數(shù)據(jù)密度；D將掃描數(shù)據(jù)封裝城三角面片。四、主要功能（3)多邊形處理模塊A清除、刪除釘狀物，減少噪點光順三角網(wǎng)格；B簡化三角面片數(shù)目；C自動填充模型中的孔，并清楚不必要的特征；D加厚、抽殼、偏移三角網(wǎng)格；E創(chuàng)建、編輯邊界。（4)精確曲面A自動擬合曲面；B編輯處理輪廓