增材制造技术基础 课件 项目2 3D打印技术实务

项目二3D打印技术实务

3D打印的建模步骤是指通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分割”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。打印是指3D打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。【项目目标】（1）学习三维模型构造方法。（2）掌握3D打印技术的基本要求和成形过程。【知识目标】（1）了解常用的3D建模软件。（2）熟悉STL格式文件。（3）熟悉三维模型的切片处理。【能力目标】（1）能弄清三维模型构造的原理。（2）能说出3D打印技术流程。（3）培养学习3D打印的兴趣、会分析3D打印技术的步骤。提纲2.1三维模型构造2.2三维模型的STL格式化2.3三维模型的切片处理2.4打印3D模型2.1三维模型构造什么是三维模型？

三维模型经常用三维建模工具这种专门的软件生成，但是也可以用其它方法生成。作为点和其它信息集合的数据，三维模型可以手工生成，也可以按照一定的算法生成。2.1三维模型构造一、课堂引入1.3D打印与三维建模的关系3D打印作为一门崭新的应用技术得到飞速发展，渗透到工业制造、生物医疗、航空航天、建筑工程、文化创意、数码娱乐等各个行业。3D打印分三维建模和3D打印两个过程，要完成3D打印，三维建模是基础，没有数字化模型，就无法进行3D打印。2.1三维模型构造二、相关知识1.几何建模基本概念

几何建模就是形体的描述和表达，是建立在几何信息和拓扑信息基础的建模。其主要处理零件的几何信息和拓扑信息。2.1三维模型构造二、相关知识1.几何建模基本概念

（1)几何模型几何模型是把三维实体的几何形状及其属性用合适的数据结构进行描述和存储，供计算机进行信息转换与处理的数据模型,包含了三维形体的几何信息、拓扑信息以及其他属性的数据。几何建模技术的发展过程经历了线框模型→曲面模型→实体模型的过程。2.1三维模型构造二、相关知识1.几何建模基本概念

（2）几何建模几何建模是指用计算机及其图形系统来表示和构造形体的几何形状，建立计算机内部模型的技术方法，形体的表达建立在几何信息和拓扑信息的处理基础上。2.1三维模型构造二、相关知识1.几何建模基本概念

（3）几何信息几何信息是指形体的形状、位置和大小的信息。如：直线描述方程，矩形体的长宽高等。2.1三维模型构造二、相关知识1.几何建模基本概念

（4）拓扑信息反映形体各组成元素数量及其相互间关系。如：相交、相邻、相切、垂直、平行等。注意两形体几何信息相同，若拓扑信息不同，则两形体可能完全不同。2.1三维模型构造二、相关知识1.几何建模基本概念

（5）非几何信息非几何信息是指除产品几何信息和拓扑信息之外的信息，不仅包括零件的质量、材料，性能参数等物理属性，还包括公差、加工粗糙度和技术要求等工艺属性。2.1三维模型构造二、相关知识2.形体的表示

如图所示，形体在计算机内采用六层拓扑结构进行定义，形体基本元素包括点、边、面。2.1三维模型构造二、相关知识3.三维建模的应用

（1）工业领域主要用于工业级别的产品建模，比如汽车、手机、计算机等。

2.1三维模型构造二、相关知识3.三维建模的应用

（2）建筑领域、景观场景主要用于建筑类的建模，通过一张建筑的概念图，上色、建模、将这栋建筑表现出来。设计师通过灵感绘出概念图，建模师将他的灵感实现，变成立体模型表现出来。2.1三维模型构造二、相关知识3.三维建模的应用

（3）室内设计更多的用于室内装修设计，与装修公司合作较多。

（4）动画影视通过设计稿，建模，最终完成。

（5）游戏美术多用于游戏类建模，包括：角色建模、环境建模、手绘贴图、次世代贴图。2.1三维模型构造二、相关知识4.三维建模类型

（1）正向设计根据设计者的数据、草图、照片、工程图纸（二维）等信息在计算机上利用CAD软件构建三维模型。常用软件：UG、Pro/E、、3DSMAX、Solidworks等。2.1三维模型构造二、相关知识4.三维建模类型

（2）逆向设计

对已有产品（样品或模型）进行三维扫描或自动测量，再由计算机生成三维模型。常见的三维扫描仪品牌有：Steinbichler、Gom、Breuckmann、Artec3d（德国），中国有shining3d。常用软件：UG、CopyCAD、PolyWorks等。2.1三维模型构造三、特征建模与三维建模软件1.特征建模

特征建模是在实体建模基础之上，通过特征及其集合来定义、描述零件模型的过程。不仅包含与生产有关的非几何信息，而且描述这些信息之间关系。2.1三维模型构造三、特征建模与三维建模软件1.特征建模（1）特征的分类

（1）形状特征

形状特征指具有一定工程语义的几何形体，可按照STEP标准或几何形状进行分类。2.1三维模型构造三、特征建模与三维建模软件1．特征建模

（1）特征的分类

（2）精度特征

包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。

（3）材料特征

如材料型号、性能、硬度、表面处理、检验方式等。2.1三维模型构造三、特征建模与三维建模软件1．特征建模

（1）特征的分类

（4）技术特征

描述零件的有关性能和技术要求。

（5）装配特征

描述装配过程中配合关系、装配顺序、装配方法等。

（6）管理特征

描述管理信息，如零件名、批量、设计者、日期等。2.1三维模型构造三、特征建模与三维建模软件（2）特征间的关系

（1）相邻关系：反映了特征在空间位置之间的相互关系。

（2）从属关系：特征往往有主特征与辅助特征，它们之间存在着某种从属关系，如附着于回转体轴段主特征的键槽、退刀槽、倒角等。

（3）分布关系：表示某类特征在空间按照某种方式所排列的关系。2.1三维模型构造三、特征建模与三维建模软件（3）特征建模方法

（1）特征识别

将设计的实体几何模型与系统内部预先定义特征库中的特征进行自动比较，确定特征的具体类型及其他信息，形成实体的特征建模。2.1三维模型构造三、特征建模与三维建模软件（3）特征建模方法

（2）基于特征的设计

利用系统内已预定义的特征库对产品进行特征造型或特征建模。2.1三维模型构造三、特征建模与三维建模软件（3）特征建模方法

（3）特征映射

特征具有多视域性，视域不同造型特征也可能不同。如图所示，从力学考虑可认为是筋，从机械加工考虑则认为是槽，因而须将设计特征映射为后续所需要特征。2.1三维模型构造三、特征建模与三维建模软件

(3)特征建模方法

（4）交互特征确定

利用现有的实体建模系统建立产品的几何模型，由用户进入特征定义系统，通过图形交互拾取，在已有实体模型上定义特征几何所需要的几何要素，并将特征参数或精度、技术要求、材料热处理等信息，作为属性添加到特征模型中。2.1三维模型构造三、特征建模与三维建模软件2.常用的三维建模软件

三维建模软件众多，包括普通建模软件（AutoCAD）、基础建模软件（Tinkercad、Autodesk123D、3Done）和各种专业建模软件。2.1三维模型构造四、拓展阅读三维建模技术

一般来说，“3D建模”就是通过3D制作软件，通过虚拟的3D空间，用3D数据建立一个模型。三维建模大致可以分为NURBS和多边形网格。NURBS对要求精细、灵活、复杂的模型有很好的应用，适合定量生产。多边形建模基于拉面法，适用于渲染和复杂场景动画。总的来说，各有各的优势。2.1三维模型构造五、课堂讨论

请同学们根据自己对3D打印的理解，分组讨论以下问题：●什么是几何模型？什么是几何建模?●实体模型有哪些表示方法？●特征建模有哪些方法？各有什么特点？2.1三维模型构造六、思考与练习1.三维建模有什么应用?2.在机械行业，常用的三维建模软件有哪些？3.什么是逆向建模？逆向建模有什么应用？项目二3D打印技术实务

3D打印的建模步骤是指通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分割”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。打印是指3D打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。【项目目标】（1）学习三维模型构造方法。（2）掌握3D打印技术的基本要求和成形过程。【知识目标】（1）了解常用的3D建模软件。（2）熟悉STL格式文件。（3）熟悉三维模型的切片处理。【能力目标】（1）能弄清三维模型构造的原理。（2）能说出3D打印技术流程。（3）培养学习3D打印的兴趣、会分析3D打印技术的步骤。提纲2.1三维模型构造2.2三维模型的STL格式化2.3三维模型的切片处理2.4打印3D模型2.2三维模型的STL格式什么是是STL格式？STL文件格式（stereolithography，光固化立体造型术的缩写）是由3DSYSTEMS公司于1988年制定的一个接口协议，是一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式。STL文件由多个三角形面片的定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个定点的三维坐标及三角形面片的法矢量。2.2三维模型的STL格式一、课堂引入1.STL格式文件

STL文件是3D打印的通用格式文件，输入3D打印机能够直接快速成形实体模型，工业设计比较常用。一般三维软件都可以将自己生成的模型另存为STL文件。2.2三维模型的STL格式一、课堂引入2.3D打印为什么要用STLSTL文件格式是3D打印最常用的文件格式。当与3D切片器结合使用时，它允许计算机与SLA3D打印机硬件通信。STL文件格式起初很少，已被许多其他CAD软件包采用和支持，如今已被广泛用于快速原型制作，3D打印和计算机辅助制造。2.2三维模型的STL格式二、相关知识1.STL文件简介（1）STL文件定义STL文件格式是一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式。它将实体表面离散化为大量的三角形面片，依靠这些三角形面片来逼近理想的三维实体模型。

（2）STL格式STL是片层格式文件，一种3D模型文件格式。当模型保存为STL文件之后，模型的所有表面和曲线都会被转换成网格2.2三维模型的STL格式二、相关知识1.STL文件简介

（3）STL文件特点

优点：生成简单，数据文件广泛，具有简单的分层算法，模型易于分割。

缺点：近似性，数据的冗余，信息缺乏，精度损失，错误和缺陷。2.2三维模型的STL格式二、相关知识2.STL文件的精度STL文件的数据格式是采用小三角形来近似逼近三维实体模型的外表面，小三角形数量的多少直接影响着近似逼近的精度。精度越高，网格的划分越细密，三角形面片形成的三维实体就越趋近于理想实体的形状。2.2三维模型的STL格式二、相关知识3.STL文件的基本规则

（1）取向规则用平面小三角形中的顶点排序来确定其所表达的表面是内表面或外表面，顺时针的顶点排序表示该表面为内表面，逆时针的顶点排序表示该表面为外表面。

2.2三维模型的STL格式二、相关知识3.STL文件的基本规则

（2）共顶点规则每个平面小三角形必须与每个相邻的平面小三角形共用两个顶点，即一个平面小三角形的顶点不能落在相邻的任何一个平面小三角形的边上。

2.2三维模型的STL格式二、相关知识3.STL文件的基本规则

（3）取值规则每个小三角形平面的顶点坐标值必须是正数，零和负数是错的。然而，目前几乎所有的CAD/CAM软件都允许在任意的空间位置生成STL文件，唯有AutoCAD软件还要求必须遵守这个规则。

2.2三维模型的STL格式二、相关知识3.STL文件的基本规则

（4）合法实体规则STL格式不得违反合法实体规则，又称充满法则。即在三维模型的所有表面上，必须布满小三角形平面，不得有任何遗漏（即不能有裂缝或孔洞），不能有厚度为零的区域，外表面不能从其本身穿过等。

2.2三维模型的STL格式二、相关知识4.常见的STL文件错误

像其他的CAD/CAM常用的交换数据一样，STL也经常出现数据错误和格式错误，其中最常见的错误如下：

（1）出现违反共顶点规则的三角形。

（2）出现违反取向规则的三角形。

（3）出现错误的裂缝或孔洞。

（4）三角形过多或过少。

（5）微小特征遗漏或出错。2.2三维模型的STL格式三、增材制造的前处理1.三维模型的创建根据专业需要，选择熟悉的三维建模软件（如3DOnePlus、AutoCAD、Inventor）创建三维模型。2.2三维模型的STL格式三、增材制造的前处理2.STL文件的输出当三维模型创建完成之后，在进行快速原型制作之前，需要进行STL文件的输出。目前，几乎所有的商业化CAD/CAM系统都有STL文件的输出数据接口，而且操作和控制也十分方便。在STL文件输出过程中，根据模型的复杂程度和所要求的精度指标，可以选择STL文件的输出精度。2.2三维模型的STL格式三、增材制造的前处理3.格式转换与纠错

基于STL文件出现的错误，在快速成形机开始工作之前，应对STL格式文件进行检查。目前，已有多种用于观察、纠错和编辑STL格式文件的专用软件。2.2三维模型的STL格式三、增材制造的前处理4.分割与处理文件

（1）STL文件的分割处理在实际快速原型制作过程中，如果所要制作的原型尺寸相对于快速成形系统台面尺寸过大或过小，就必须对STL模型进行剖切处理或者有必要进行拼接处理。2.2三维模型的STL格式三、增材制造的前处理4.分割与处理文件

（2）STL文件处理MagicsRP是一款对STL文件进行编辑修改、缝补的软件。2.2三维模型的STL格式四、拓展阅读3D打印三维模型文件STL格式规范

STL格式由Albert咨询集团（今天的Albert-Battaglin咨询集团）于1987年为3DSystems开发，用于将3DCAD模型移动到其立体光刻设备(SLA)机器上。STL文件使用链接的三角形刻面来描述三维对象的表面几何形状。STL格式允许ASCII和（较小的）二进制表示。STL是标准镶嵌语言的首字母缩写。2.2三维模型的STL格式五、课堂讨论

请同学们根据自己对3D打印的理解，分组讨论以下问题：●你觉得什么样的文件可以用于3D打印?●你认为STL文件有什么样的特点?●你认为STL文件常见的错误有哪些?2.2三维模型的STL格式六、思考与练习1.什么是STL文件?STL文件的精度取决于什么?2.STL文件的基本规则有哪些?3.STL格式转换常见的有哪些软件?4.在实际快速原型制作过程中，如果所要制作的原型尺寸过大，应该怎么处理？项目二3D打印技术实务

3D打印的建模步骤是指通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分割”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。打印是指3D打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。【项目目标】（1）学习三维模型构造方法。（2）掌握3D打印技术的基本要求和成形过程。【知识目标】（1）了解常用的3D建模软件。（2）熟悉STL格式文件。（3）熟悉三维模型的切片处理。【能力目标】（1）能弄清三维模型构造的原理。（2）能说出3D打印技术流程。（3）培养学习3D打印的兴趣、会分析3D打印技术的步骤。提纲2.1三维模型构造2.2三维模型的STL格式化2.3三维模型的切片处理2.4打印3D模型2.3三维模型的切片处理什么是模型切片处理？切片是指用软件把模型文件转换成3D打印机动作数据，是指将一个实体分成厚度相等的很多层，这是3D打印的基础，分好的层将是3D打印进行的路径。

CAD模型

软件切片2.3三维模型的切片处理一、课堂引入

3d打印切片就是对三维模型数据处理过程的简称。3D打印机配套的有一个切片软件，这个切片软件就是对要打印的三维模型文件进行打印参数设置的软件。模型切片2.3三维模型的切片处理二、相关知识1.三维模型文件的近似处理由于工件的三维模型上往往有一些不规则的自由曲面,所以成形前必须对其进行近似处理。目前在3D打印中最常见的近似处理方法是将工件的三维CAD模型转换成STL模型,即用一系列小三角形平面来逼近工件的自由曲面。2.3三维模型的切片处理二、相关知识2.三维模型文件的切片处理

3D打印是按每一层截面轮廓来制作工件的,因此,成形前必须在三维模型上用切片软件沿成形的高度方向,每隔一定的间隔(即切片层高)进行切片处理,以便提取截面的轮廓。2.3三维模型的切片处理二、相关知识3.常见的切片软件

常见的切片软件有cura、s3d、RepetierHost。2.3三维模型的切片处理三、切片方法1.软件安装双击Cura_14.07.exe安装Cura（安装路径不要有中文）2.3三维模型的切片处理三、切片方法2.软件参数

设置界面

advanced设置

expert设置

2.3三维模型的切片处理三、切片方法3.切片

（1）载入模型

单击如下图标载入需要切片的模型。2.3三维模型的切片处理三、切片方法3.切片

（2）旋转、放大操作首选鼠标左键单击载入的模型（这样才能选中模型）：①旋转操作②缩放操作。2.3三维模型的切片处理三、切片方法3.切片

（3）保存gcode文件等到切片的进度条完成，则切片完成，单击file-saveGcode保存gcode文件，如图所示。2.3三维模型的切片处理四、拓展阅读3D打印切片软件

在建立了3D模型以后要就进行切片，切片的工作是讲3D模型转化为3D打印机本身可以执行的代码，G代码，M代码，下面介绍一款常用的3D打印切片软件。Cura由3D打印机公司Ultimaker及其社区开发和维护。Cura本身源于开源，3D打印切片软件是免费的，也是行业内普及率非常高的一款切片软件，早期国内很多3D打印厂商也在用Cura做切片功能。我们能看到Cura甚至为竞争对手的3D打印机添加了配置文件，其开源和开放的态度非常明确，也让许多用户因此受益。2.3三维模型的切片处理五、课堂讨论请同学们根据自己对3D打印的理解，分组讨论以下问题：●什么是3D切片软件？它能做什么？●常见的3D切片软件有哪些？优缺点？●3D打印文件常用哪几种格式？2.3三维模型的切片处理六、思考与练习1.你们学校用哪一种或哪几种切片软件？2.你知道每个参数的含义吗？3.如何通过合理设置参数来提高打印质量？项目二3D打印技术实务

3D打印的建模步骤是指通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分割”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。打印是指3D打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。【项目目标】（1）学习三维模型构造方法。（2）掌握3D打印技术的基本要求和成形过程。【知识目标】（1）了解常用的3D建模软件。（2）熟悉STL格式文件。（3）熟悉三维模型的切片处理。【能力目标】（1）能弄清三维模型构造的原理。（2）能说出3D打印技术流程。（3）培养学习3D打印的兴趣、会分析3D打印技术的步骤。提纲2.1三维模型构造2.2三维模型的STL格式化2.3三维模型的切片处理2.4打印3D模型2.4打印3D模型模型打印前准备工作

在正式打印模型前应当做好准备工作，要将打印机调平并将模型切片。模型切片打印机1234顺序调平2.4打印3D模型一、课堂引入打印模型

你最想打印一个什么物品，为什么？你觉得3D打印出这个物品需要进行哪些操作步骤？你认为在打印过程中哪个步骤是最关键的？2.4打印3D模型二、相关知识1.将模型转换为STL格式

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。平时选择模型时要选择STL格式。如果设计的3D模型不是STL格式，那么将其转换成打印机可以识别的STL格式是3D打印关键的一步。

2.4打印3D模型二、相关知识2.将模型进行切片

有了STL的模型之后还需要在电脑上安装相应的3D打印切片软件，用它来实现3D模型的参数调整，并将模型切片，转换成3D打印机可以识别的格式，最后才能将模型发送到打印机打印。打印机识别的格式一般是X3G、gcode格式。2.4打印3D模型二、相关知识3.选择材质，使打印机正常进丝

目前桌面3D打印机最常用的就是PLA和ABS两种材质，其次是光敏树脂液体材料，金属、陶瓷粉末等材料。当然，不同的机型适用的材料是不一样的，我们要根据打印物品的需要准备好打印材料，并在打印机上安装好，使机器能够正常进丝。。

2.4打印3D模型三、3D打印机的使用1.打印机底板调平

（1）连续按左方向键，返回主菜单，显示屏显示如下：2.4打印3D模型三、3D打印机的使用1.打印机底板调平

（2）按向下键选择“调试选项”2.4打印3D模型三、3D打印机的使用1.打印机底板调平

（3）选择“底板调平”选项后，按中间确认后显示2.4打印3D模型三、3D打印机的使用1.打印机底板调平

（4）按向下键选中“调平底板”选项，按中间键确认，进入调平模式，再连续按五次中键，这时屏幕显示“请稍等”并且墨头开始移动，准备再底板上选取第一个调试点。2.4打印3D模型三、3D打印机的使用1.打印机底板调平

（5）此时上键为增温，下键为降温。预设完毕后，单击确认按键，保存已设置的温度2.4打印3D模型三、3D打印机的使用1.打印机底板调平

（6）当屏幕上显示如图时，则表示墨头已经找好第一个点，这时我们可以开始对前面的两个点进行调节。2.4打印3D模型三、3D打印机的使用1.打印机底板调平

（7）如图所示，可以看到，墨头已经压在了相片纸（A4）纸上，这时我们轻轻拉动相片纸，如果相片纸可以拉动但是感觉刀有轻微的阻力为最佳状态。如果相片纸被紧紧咬住或者感觉不到丝毫阻力，则需要调节底板与墨头的间距使之合适。2.4打印3D模型三、3D打印机的使用1.打印机底板调平

（8）如果墨头与底板间距过小（相片纸被咬住）或者过大（感觉不到阻力），则需要通过调节底面四个螺丝来调节底板高度，具体操作为：俯视底板，顺时针旋动螺丝为上升底板，逆时针旋动螺丝为下降底板，直到调至合适高度为止。2.4打印3D模型三、3D打印机的使用1.打印机底板调平

（9）按中心键进入下一个点的测试，重复上述操作，依次调试前、后、左、右、中心五个点。调试结束后，屏幕的状态如下图所示。2.4打印3D模型三、3D打印机的使用1.打印机底板调平

（10）按一下确认键完成调试。调试完成后可再重新调试一遍，确保打印板水平。不同型号的打印机调平方法不尽相同，但都要保证打印头和底板之间的距离适中，并保持水平。2.4打印3D模型三、3D打印机的使用2.打印机预热

（1）“开始预热”为机器预热选项，按确认键进入预热界面，如图所示。2.4打印3D模型三、3D打印机的使用2.打印机预热

（2）如果想要左头和底板加热，向下按键选择“左头”选项，按中间确认键，“关”状态装换成“开”，此时按向上按键，选择“开始预热”选项，左头和底板即为加热状态。2.4打印3D模型三、3D打印机的使用2.打印机预热

（3）如果想要设置左右打印头及加热板的预热温度，主界面选择“信息和设置”选项，单击确认按键进入“预热设置”选项，如图所示。2.4打印3D模型三、3D打印机的使用2.打印机预热

（4）在“预热设置”选项内，例如要设置右头预热温度，单击确认按键后箭头指到温度，如图所示。2.4打印3D模型三、3D打印机的使用2.打印机预热

（5）此时上键为增温，下键为降温。预设完毕后，单击确认按键，保存已设置的温度，如图所示。2.4打印3D模型三、3D打印机的使用3.开始打印

（1）将切片模型导入打印机。找到打印机上的SD卡插槽，在按键的右边，将SD卡正面向前，按照如图所示的方向压入卡槽内，注意内存卡