《3D打印理论与应用》重点阐述3D打印的基础知识与核心技术，并详细介绍3D打印技术在日常生活、工业、生物医学，以及教学等领域应用的精彩案例。《3D打印理论与应用》还对3D打印的发展瓶颈做了介绍，同时对3D打印的未来发展做了大胆的预测。为了强化《3D打印理论与应用》介绍内容的可操作性，还介绍了3D打印实战、3D打印与云计算、3D打印服务及其平台等。
研究生、本科生，3D打印研发人员和爱好者
目录
前言
篇 神奇的3D打印
第1章 3D打印的前世今生 3
1.1 3D打印的起源与发展 3
1.2 3D打印的成长期 7
1.3 早期的3D打印机 11
1.4 小结 14
参考文献 14
第2章 3D打印的发展与瓶颈 15
2.1 3D打印的发展——第三次工业革命 15
2.1.1 次工业革命 15
2.1.2 第二次工业革命 16
2.1.3 第三次工业革命 16
2.2 打印耗材对3D打印产业的制约 17
2.2.1 工程塑料 17
2.2.2 光敏树脂 29
2.3 知识产权对3D打印产业的制约 32
2.3.1 知识产权的定义与分类 32
2.3.2 知识产权对3D打印的影响 33
2.4 3D打印对人类伦理的挑战 36
2.5 小结 36
参考文献 37
第3章 3D打印机在国内外的发展概述 38
3.1 国外3D打印机 38
3.1.1 国外3D打印机产业化发展现状 38
3.1.2 国外3D打印技术产业应用现状 39
3.1.3 3D打印技术未来产业化发展趋势 39
3.1.4 国外3D打印技术产业化的先进经验和启示 44
3.2 国内3D打印技术产业化现状 46
3.2.1 3D打印技术研发 46
3.2.2 3D打印技术产业应用 47
3.2.3 目前我国3D打印领域存在的问题 47
3.3 小结 49
参考文献 50
第二篇 3D打印机技术
第4章 3D打印机工作原理 53
4.1 熔融沉积快速成型 53
4.1.1 技术原理 53
4.1.2 技术特点 54
4.1.3 FDM工艺处理过程 54
4.1.4 FDM打印机介绍 54
4.2 光固化成型 57
4.2.1 技术原理 57
4.2.2 技术特点 57
4.2.3 SLA工艺处理过程 58
4.2.4 SLA打印机介绍 58
4.3 选择性激光烧结成型 60
4.3.1 SLS工艺技术原理 60
4.3.2 SLS工艺技术特点 61
4.3.3 SLS工艺处理过程 61
4.3.4 SLS打印机介绍 62
4.4 三维粉末粘接 64
4.4.1 技术原理 64
4.4.2 技术特点 65
4.4.3 处理过程 65
4.4.4 3DP打印机介绍 65
4.5 小结 67
参考文献 67
第5章 3D打印机的驱动控制系统 68
5.1 驱动控制系统的组成 68
5.2 主控芯片 69
5.2.1 Atmega640/1280/1281/2560/2561系列微处理器简介 70
5.2.2 Atmega640/1280/1281/2560/2561系列微处理器的体系结构和特性 70
5.3 系统主板 74
5.3.1 MakerBot主板 74
5.3.2 Smoothieboard主板 78
5.4 步进电机驱动板 80
5.4.1 MakerBot步进电机驱动板 81
5.4.2 Pololu步进电机驱动板 85
5.5 挤压头驱动板 87
5.5.1 挤压头概述 87
5.5.2 MakerBot挤压头驱动板 88
5.6 限位定挡 89
5.6.1 限位定挡原理 89
5.6.2 Opto Endstop 2.1 91
5.7 3D打印软件 92
5.7.1 ReplicatorG 93
5.7.2 MakerBot MakerWare 98
5.7.3 Arduino IDE 100
5.8 小结 101
参考文献 101
第6章 3D打印机的种类 103
6.1 工业级3D打印机 103
6.1.1 工业级3D打印机市场现状 103
6.1.2 国外工业级3D打印机生产厂家及主要产品 104
6.1.3 工业级3D打印机对材料的要求 112
6.1.4 工业级3D打印技术发展及前景 113
6.2 桌面级3D打印机 114
6.2.1 总体情况 114
6.2.2 个人打印机 115
6.3 小结 137
参考文献 137
第三篇 3D打印技术应用
第7章 3D打印在日常生活领域的应用 141
7.1 概述 141
7.2 经典案例 141
7.2.1 婚纱人偶 141
7.2.2 个性鞋子 141
7.2.3 个性戒指 143
7.2.4 个性吊坠 143
7.2.5 个性台灯 144
7.2.6 个性桌椅 145
7.2.7 巧克力 145
7.2.8 汉堡包和披萨 145
7.2.9 耳机 147
7.2.10 衣服 148
7.2.11 3D打印时装 150
7.2.12 3D彩色晶体内衣 151
7.2.13 高跟鞋 151
7.2.14 3D打印珊瑚手镯 152
7.3 小结 152
参考文献 152
第8章 3D打印在工业领域的应用 154
8.1 概述 154
8.2 经典案例 155
8.2.1 航空、航天领域 155
8.2.2 工业设计领域 160
8.3 小结 169
参考文献 169
第9章 3D打印在生物医学领域的应用 170
9.1 概述 170
9.2 经典案例 171
9.2.1 医疗领域经典案例 171
9.2.2 生物领域经典案例 178
9.3 小结 181
参考文献 181
第10章 3D打印在教学领域的应用 182
10.1 3D打印机逐渐走入中学课堂 182
10.2 3D打印机在高教中应用 184
10.3 3D打印提升SCAD的设计教学水平 185
10.4 3D打印机可以引发教育革命化 187
10.5 3D打印的新水平 188
10.6 EDUTECH：澳大利亚布里斯班 188
10.7 3D印刷实验室 190
10.8 3D印刷在芝加哥艺术学院的探索 190
10.9 3D打印在学习环境中扮演的角色 192
10.10 小结 193
参考文献 193
第11章 3D打印实战 194
11.1 如何选择3D打印机 194
11.1.1 根据产品的制作需求来选择符合需求的3D打印机 194
11.1.2 根据打印机的性能参数来综合判断选择合适的打印机 197
11.2 如何选择打印耗材 200
11.2.1 常用的打印材料 200
11.2.2 利用沙子太阳能烧结打印 203
11.2.3 利用生物耗材打印人体器官 203
11.3 打印3D模型 206
11.3.1 取出安装 207
11.3.2 检查打印机 207
11.3.3 安装打印床 207
11.3.4 装载新材料盒 208
11.3.5 安装CubeX操作软件 208
11.4 小结 214
参考文献 214
第四篇 3D云打印
第12章 3D打印与云计算 217
12.1 云计算基础知识 217
12.1.1 什么叫云计算 217
12.1.2 云计算的定义 217
12.2 云计算的发展现状 218
12.2.1 国外发展现状与趋势 218
12.2.2 国内发展现状与趋势 220
12.3 云计算与3D打印 221
12.3.1 Autodesk提供基于云的3D打印服务 221
12.3.2 narkii提供基于云的3D打印服务 223
12.4 小结 224
参考文献 224
第13章 3D打印服务 225
13.1 3D打印服务概述 225
13.2 纳金网的3D打印服务平台 227
13.2.1 平台的定位 227
13.2.2 3D打印服务分类 228
13.2.3 3D打印材料 231
13.2.4 3D打印机 235
13.2.5 模型格式 238
13.2.6 纳金网3D打印服务平台的开店流程 238
13.2.7 纳金网3D打印服务平台客户下单打印流程 239
13.3 小结 242
参考文献 242
篇 神奇的3D打印
第1章 3D打印的前世今生
1.1 3D打印的起源与发展
从历史角度回顾3D打印的发展历程，早可以追溯到19世纪末。由于受到两次工业革命的刺激，18～19世纪欧美国家的商品经济得到了飞速的发展，产品生产技术的革新是一个永远的话题。为了满足科研探索和产品设计的需求，快速成型技术在这一时期开始萌芽，例如Willeme光刻实验室也在这个阶段开展了商业的探索，可惜受到技术的限制没能成功。
快速成型技术在商业上获得真正意义上的发展是从20世纪80年代末开始的，在此期间也涌现过几次3D打印的技术浪潮，但总体来看3D打印技术仍保持着稳健的发展。2007年，开源桌面级3D打印设备，此后新一轮的3D打印浪潮开始酝酿。2012年4月，英国著名经济学杂志The Economist发表了一篇关于第三次工业革命的封面文章，掀起了新一轮的3D打印浪潮。下面简述3D打印技术的发展历程。
1892年，Blanther首次在公开场合提出使用层叠成型方法制作地形图的构想。
1940年，Perera提出的设想与Blanther不谋而合，他提出可以沿等高线轮廓切割硬纸板，然后层叠成型制作三维地形图。
1972年，Matsubara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，光敏聚合树脂涂在耐火的颗粒上面，然后这些颗粒将被填充到叠层，加热后生成与叠层对应的板层，光线有选择地投射到这个板层上将指定部分硬化，而没有被无线投射的部分将会使用化学溶剂溶解掉。这样板层将不断堆积，直到后形成一个立体模型。这种方法适用于传统工艺难以制作加工的曲面。
1977年，Swainson提出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。与此同时，Battelle实验室的Schwerzel也开展了类似的研究工作。
1979年，日本东京大学的Nakagawa使用薄膜技术制作出实用的工具，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统的设计方案。
1982年，Hull试图将光学技术应用于快速成型领域。
1986年，Hull成立3D Systems公司，并研发了著名的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，3D Systems公司推出世界上台基于光固化成型(stereo lightgraphy apparatus，SLA)技术的商用3D打印机SLA-250，如图1-1所示。其体积非常大，Charles把它称为立体平版印刷机。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。
图1-1 Hull与世界上台商用3D打印机SLA-250
同年，Crump发明了另一种3D打印技术，即熔融沉积快速成型技术(fused deposition modeling，FDM)，并成立了Stratasys公司［1］。
1989年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的Dechard发明了选择性激光烧结工艺(selective laser sintering，SLS)。SLS技术应用广泛并支持多种材料成型，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公司推出台基于FDM技术的3D打印机——3D造型者，这标志着FDM技术步入商用阶段。
1993年，美国麻省理工大学的Sachs发明了三维印刷技术(three-dimension printing，3DP)。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，3D Systems、Stratasys和Z Corporation各自推出新一代的快速成型设备Actua 2100、Genisys和Z402，此后快速成型技术便有了更加通俗的称谓——3D打印。
1999年，3D Systems推出了SLA 7000。
2002年，Stratasys公司推出Dimension系列桌面级3D打印机(图1-2)，Dimension系列价格相对低廉，主要基于FDM技术，以ABS塑料为成型材料。
图1-2 高精度彩色3D打印机Spectrum Z510
2007年，3D打印服务创业公司Shapeways正式成立。Shapeways建立了一个规模庞大的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。
2008年，款开源的桌面级3D打印机RepRap。RepRap是英国巴恩大学Bowyer团队2005年的开源3D打印机研究项目，得益于开源硬件的进步与欧美实验室团队的无私贡献，桌面级的开源3D打印机为新一轮的3D打印浪潮带来契机。
2009年，Pettis带领团队创立了著名的桌面级3D打印机公司——MakerBot(图1-3)。MakerBot的设备主要基于早期的RepRap开源项目，但对RepRap的机械结构重新进行了设计，发展至今已经经历几代的升级，在成型精度、打印尺寸等指标上有了长足的进步。
图1-3 MakerBot
MakerBot继承了RepRap项目的开源精神，其早期的产品同样是以开源的方式，在互联网上能够非常方便地找到MakerBot早期项目所有的工程材料，MakerBot也出售设备的组装套件。此后，国内厂商便以这些材料为基础开始了仿造工作，国内的桌面级3D打印机市场也此打开［2］。
2012年9月，3D打印的两个经验丰富企业Stratasys和Objet宣布合并，交易额为14亿美元，合并后的公司名仍为Stratasys。此项合并进一步确立了Stratasys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MIT Media Lab的团队成立Formlabs公司，并了世界上台廉价高精度SLA消费级桌面3D打印机Form1，引起业界的重视(图1-4)。此后在著名众筹网站Kickstarter上的3D打印项目呈现百花齐放的盛况，国内的生产商也开始研发基于SLA技术的桌面级3D打印机［3］。
图1-4 Formlabs公司推出的桌面级3D打印机
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、清华大学等科研机构和3D行业经验丰富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，各大报刊、网媒、电台、电视台也争相报道关于3D打印的新闻。
3D打印机通常被认为是一款日常生活中经常会用到的家电产品。为什么说3D打印机是款家电产品呢？首先，我们大胆假设下，如果人们在安装某设备时，突然发现少了一颗螺丝，正常情况下会去五金店里买，但有了3D打印机之后，就可以在家中打印一个相符的螺丝，用户无需出门就可以解决困扰。另外，用户也可通过3D打印机制作产品，比如在网络上看见非常别致的装饰品，就可通过3D打印机将其打印出来。当然，生活中会使用到3D打印机的机会当然不止这些。
2013年，《环球科学》邀请各领域的科学家，经过数轮讨论评选出了2012年值得铭记、对人类社会产生影响为深远的十大科技成果，其中3D打印位列第九。
