3D打印-原理、技术与应用

3D打印原理、技术与应用青椒小助手增材制造技术由来和定义人类制造技术的发展已有几千年历史，制造工艺经历了手工制造、等材制造、减材制造到增材制造几个阶段。手工制造：最原始的，通过极其的简易工具对材料加工的方法。减材制造：采用车、磨、铣等技术，在加工过程中原材料会有部分的损失。等材制造：采用锻造、铸造、焊接、粉末冶金等技术热加工材料的制造方法。在加工过程中原材料基本不会有损失。增材制造：采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术。通常也被称之为“3D打印”技术。增材制造（AdditiveManufacturing，AM）也叫快速原型制造（RapidPrototyping，RP）或者3D打印（3DPrinting），是人类通过对物质可控的动态累积以逼近目标形体的一种生产过程；是与材料去除成形、受迫成形等对应的科学技术体系；是以“堆积”为共同特征的技术群。3D打印技术简介3D打印，即快速成型技术的一种,它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠的方式来打印构造物体的技术。它具有如下几个方面的优势：全数字化制造全柔性制造：任意形状与内部结构控形控性：材料与外形一体化高度自动化、智能化、网络化增材制造工艺过程增材制造技术的发展历史快速原型/快速成形快速工具/模具/铸型快速成形直接制造成型制造技术的发展采用立体平面印刷（SL)的第一台商用3D打印设备问世。Stratasys成功研发基于FDM技术的3D打印设备。DTM公司成功开发基于选择性激光烧结（SLS）技术的3D打印设备。基于胶体喷射技术的3D打印设备成功问世。基于叠层堆积成型（LOM)技术的3D打印设备成功开发。AeroMet公司成功研发用于金属激光烧结的3D打印设备。Optomec成功开发LENS激光烧结技术。Object更新SLA技术，使用紫外光源和液滴喷射综合技术，大幅提升制造精度。198719911992199319961997199820002001Solido开发出第一代桌面级3D打印机Stratasys更新设备设计，将FDM技术的制造速度提升14%；Object公司开发出支持两种性能材料同时进行打印的设备。SpeedPart开发红外线烧结成型技术。DWS开发新工艺大幅提高基于SL技术的打印成型设备的制造速度。Zcorp公司推出世界第一台高精度彩色3D打印机。EOS开发出DMLS激光烧结技术。200320052006200720112010KorEcologic推出全球第一辆3D打印的汽车Urbee。美国Carbon3D公司发布一种新的光固化技术：连续液态界面制造CLIP2015重塑全球制造业竞争格局上世纪美国《时代》周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”改变未来生产和生活模式社会化制造那么每个人都可以成为一个工厂它将改变制造商品的方式并改变世界的经济格局进而改变人类的生活方式3D打印技术对未来的影响3D打印技术对于中国的战略意义可成为我国制造业自主创新的有效手段符合绿色制造发展方向，有利于制造业的可持续发展可促进传统制造技术水平的提升，促进制造与服务融合发展有望培育新兴产业、优化产业结构、促进产业升级增材制造技术应用领域情况制造复杂物品不增加成本产品多样化不增加成本无需组装零时间交付设计空间无限零技能制造不占空间，便携制造减少废弃副产品材料无限组合精确的实体复制增材制造的优点TheEndAnyQuestions？海量图书方便查询免费申请样书下载配套资源优惠购书成为作者囊括各大品类，您想要的应有尽有教师免费申请样书，我们将安排快递迅速送达教学视频、PPT课件、教学案例、习题答案、模拟试卷等丰富资源免费下载教师可以申请最低折扣学生直接优惠购买图书欢迎写文章／投稿，我们强大的编辑团队将为您提供专业和高效的编辑出版服务更多样书申请和资源下载需求，请登录人邮教育社区（)3D打印原理、技术与应用人民邮电出版社3D打印技术核心思想起源于19世纪照相雕塑技术（Photosculpture）和地貌成型技术（Topography）3D打印技术局限于当时材料技术和计算机技术等众多原因没有广泛应用，直到20世纪80年代才得到实现，也被称为快速成型技术（RapidPrototype）3D打印技术起源以三维设计模型文件为基础，运用不同的技术和特定的材料，通过逐层堆叠的方式来制造实物的技术。3D打印有多种叫法：RP（RapidPrototyping，快速成型）、AM（AdditiveManufacturing,增材制造）3D打印定义3D打印原理示意图CharlesHull先生与第一台真正的3D打印机1983年，CharlesHull发明了SLA（StereoLithographyApparatus）技术1984年申请美国专利1986年获得3D打印专利技术证书（US4573330）1986年成立业界著名的3DSystems公司1988年，生产出第一台光固化3D打印设备SLA250，从此开创3D打印新纪元3D打印技术的诞生1989年，MichaelFeygin发明了三维打印技术（Three-dimensionalPrinting，3DP）技术1991年,Stratasys公司发明融熔成积成型（FusedDepositionModeling，FDM）技术1991年，美国Helisys公司发明叠层实体制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）技术1996年，3DSystems发明Z4023D打印机德国EOS推出EOSINT打印设备以色列Cubital推出实体平面固化（SolidGroundCuring，SGC）打印技术欧洲、日本等许多国家纷纷开始相关技术研究，试图抢占战略制高点3D打印技术在国外的发展3D打印技术在中国的发展20世纪80年代末，中国开始3D打印技术的研究清华大学、华中科技大学、西安交通大学、北京航空航天大学等高校为主要代表整体水平与世界先进水平同步、某些领域世界领先（如钛合金大型构件成型）民营企业依托高校等研究机构开始涉足3D打印行业C919飞机3D打印大型钛合金结构件华中科技大学研制的SLS3D打印机中美两国3D打印技术主要差距产业化进程缓慢，市场需求不足；美国3D打印产品的快速制造水平比国内高；激光烧结的材料尤其是金属材料，质量和性能比我们好；激光烧结陶瓷粉末、金属粉末的工艺方面还有一定差距；国内企业的收入结构单一，主要靠卖3D打印设备；而美国的公司则是多元化经营：设备、服务和材料基本各占销售收入的1/3。3D打印与中国制造20252015年，《中国制造2025》、《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》相继出台李克强总理听取院士专家汇报3D打印技术互联网+制造，催生新的经济增长科技部将3D打印编入《国家高新技术研究发展计划（“863计划”）》3D打印技术的发展与市场空间全球3D打印机销售额份额全球工业级3D打印机出货国家分布3D打印技术的发展与市场空间TheEndAnyQuestions？海量图书方便查询免费申请样书下载配套资源优惠购书成为作者囊括各大品类，您想要的应有尽有教师免费申请样书，我们将安排快递迅速送达教学视频、PPT课件、教学案例、习题答案、模拟试卷等丰富资源免费下载教师可以申请最低折扣学生直接优惠购买图书欢迎写文章／投稿，我们强大的编辑团队将为您提供专业和高效的编辑出版服务更多样书申请和资源下载需求，请登录人邮教育社区（)3D打印原理、技术与应用人民邮电出版社3D打印机硬件系统组成电机电源导轨丝杆加热板喷头打印机框架FDM打印机实例电机选择电机(Motor),俗称马达。是指根据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。主要作用是产生驱动转矩，作为各种电器或机械的动力源。步进电机直流电机伺服电机力矩和速度在低速下满转矩，速度增加转矩明显下降在速度增大的情况下，转矩变化很小几乎线性化的力、速度曲线动态特性（速度和加速度）小小良好的加速度特性，高速稳定性加速的时候固定平率的振动会引发问题，细分控制可减少此类问题整个动态范围内平滑、安静运动宽动态范围内平稳运动目标位置准确达到目标位置；自然力矩保持位置稳；开环控制下，如果过载或者超速，目标位置无法达到通过闭环控制达到目标位置（有未知错误纠正功能）；PID整定不正确的情况下，纠正位置错误；可能出现位置超出或持续误差更高速度、更小步距、无后冲。电源选择电源通常可以选择12V/200W开关电源。用于提供12V电压，也可以使用PC机上的ATX电源，但接线时需要注意。电源选择标准：输入电压范围宽，符合全球使用标准。效率高，工作温度低。软启动电流、有效降低AC输入冲击。具有恒压、过压、自动恢复等功能。体积小、重量轻。抗干扰性能好。直流波纹小，工作效率高。绝缘性能好，抗电强度高。具有短路、过载、过压保护等功能。导轨的选择光轴导轨：结构简单，易于安装，行走速度流畅，使用寿命较长，维修方便。主要缺点为精度略低。直线导轨：结构略为复杂，安装维护难度较大。主要优势为精度很高。丝杆的选择丝杆：是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件之一，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。丝杆选择的几个重要参数直径：12、14、16、…80、100、120等。导程：螺距，每秒移动的距离。长度：有效行程精度：精度等级1、2、3、4等螺母：尽量选双切边法兰单螺母加热板加热板(热床):FDM打印机特有的配件。主要作用是防止ABS或PLA材料在打印过程中的翘曲。常见热床种类聚酰亚胺加热片：加热不均匀，容易损坏。加热棒/铝板：加热不均匀，铝板需要很厚。PCB热床：加热均匀，工作稳定，不易损坏。打印喷头喷头：打印材料进入打印喷头，通过调节喷头内的电热调节器和热电偶对黄铜喷嘴进行加热，使料丝融熔并挤出。挤出机原理示意图蓝色区域是冷端，材料在冷端的时候温度必须低于80℃，防止材料变软，会失去下推力。圆圈内所示区域，为喉管区，这一区域越短越好，因为这个区域的料是软的，会影响出料精度。图中红色区域是热区。热区要求材料液化后保持良好的流动性，并且在喷口尖端让材料尽可能达到固化点，确保材料一旦从喷口流出，接触到空气之后立刻冷却凝固。挤出机结构示意图喷头热释图机身结构-三角爪式(Delta)Delta结构是开源3D打印机的一个重要分支，其数学原理通过三角函数将笛卡尔坐标系中X、Y坐标映射到三台垂直的运动轴上去。这种结构对喷头的重量有较高的要求，而其机械复杂程度要比传统的直角坐标系结构简单很多。机身结构-三角形式（Reprap）三角形式机身结构基本特点是机身侧边是一个三角形，热床一般置于三角形底部。X轴在两个Z轴部件电机构成的平面上活动，而Z轴则与机身三角形的垂直中线重合。Reprap的分支众多，现在比较流行的是Mendel，Huxley和Prusa等几个分支。机身结构-矩形盒式矩形盒式是目前最为普及的机型。该类型机器的特点为热床是沿Z轴移动的，物体固定在热床上不会有XY轴方向的移动，所以基本不用担心打印物体在打印过程中出现位移的情况。由于喷头只需在XY平面移动，因此喷头设计时重量可减轻，从而可以提高打印速度和打印精度。机身结构-矩形杆式矩形杆式结构采用了激光切割技术机身组装，精度可以跟盒式矩形结构相媲美，同时继承了三角形结构的简单特性。其XYZ轴的运动方式与三角形结构的运动方式是一致，所以也同时继承了三角形结构的缺点。矩形杆式结构的Z轴步进电机放在机身的底部，由于杆式结构与工作平台的接触面积较小，所以将较重的步进电机放在底部以降低重心。3D打印机硬件控制系统原理3D打印机硬件系统示意图驱动控制系统示意图3D打印机通用控制芯片简介对于低成本的桌面普及型FDM3D打印机设计，我们通常采用ArduinoMega2560主控板以及RAMPS1.4扩展板和若干4988步进电机驱动板组成核心驱动控制系统。RAMPS连接强大的ArduinoMEGA平台，并拥有充足的扩展空间，除了步进电机驱动器接口外，还提供了大量其他应用电路的扩展接口，是一款更换零件非常方便，拥有强大的升级能力和扩展模块化设计的Arduino扩展板。步进电机驱动与主控制板连接示意图3D打印机驱动控制电路接线示意图3D打印机通用软件控制系统对于桌面级通用FDM打印机，有很多第三方3D打印上位机综合控制软件。在开源社区比较流行的著名软件的有Repetier-Host和Printrun等。Printrun软件界面Repetier软件界面TheEndAnyQuestions？海量图书方便查询免费申请样书下载配套资源优惠购书成为作者囊括各大品类，您想要的应有尽有教师免费申请样书，我们将安排快递迅速送达教学视频、PPT课件、教学案例、习题答案、模拟试卷等丰富资源免费下载教师可以申请最低折扣学生直接优惠购买图书欢迎写文章／投稿，我们强大的编辑团队将为您提供专业和高效的编辑出版服务更多样书申请和资源下载需求，请登录人邮教育社区（)3D打印原理、技术与应用人民邮电出版社各类型3D打印技术概览3D打印技术分类-FDMFDM技术也叫融熔沉积成型（FusedDepositionModeling），该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，在计算机的控制下，喷头作X-Y平面运动，FDM喷头受CAD分层数据控制，使半流动状态的熔丝材料从喷头中挤压出来，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面。当一层成型后，喷头上移一层高度后进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。FDM成型工艺原理图FDM成型工艺流程图3D打印技术分类-SLSSLS技术也叫选择性激光烧结（SelectedLaserSintering），该方法采用二氧化碳（CO2）激光器作为能源，将均匀铺洒在工作台上的金属粉末按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结并去掉多余粉末，然后进行打磨烘干等处理获得成型零件。与其它3D打印技术相比，SLS技术最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛，工业应用优势明显。SLS成型工艺原理图3D打印技术分类-SLMSLM技术也叫激光选区熔化成型(SelectiveLaserMelting)。该成型工艺与SLS基本相同，使用材料多为不同金属组成的混合物，各种成分在烧结过程中相互补偿，有利于保证制作精度。SLM技术成型精度高、性能好、且不需要工模具，属于典型的数字化过程，目前在复杂精密金属零件的成型中具有不可替代性，在精密机械、能源、电子、石油化工、交通运输等几乎所有的高端制造领域都具有广阔的工业应用前景。3D打印技术分类-SLASLA技术也叫光固化立体成型(StereoLithographyApparatus)。该技术以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外光按预定零件各分层界面的轮廓对液态树脂进行连点扫描，使被扫描区域的树脂产生光聚合反应，从而形成一个零件的薄层截面。固化完成后，移动工作台开始下一轮廓的成型。SLA成型工艺原理图3D打印技术分类-LOMLOM技术也叫分层实体制造或层叠法成型(LaminatedObjectManufacturing)。该技术以片材（纸片、塑料薄膜或复合材料）为原料，激光切割系统按照计算机提取的轮廓线数据将背面涂有热熔胶的材料切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样层层地切割、粘合，最终成为三维工件。LOM成型工艺原理图3D打印技术分类-3DP3DP成型工艺原理图3DP技术也叫三维打印成型(3DimensionalPrinting)。与SLS工艺类似，采用粉末材料(如陶瓷粉末、金属粉末等)打印成型。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，需要进行后期处理。3D打印技术分类-CLIPCLIP成型工艺原理图CLIP技术也叫连续液体界面制造(ContinuousLiquidInterfaceProduction)。与SLA工艺类似，也是采用液态树脂为原料。所不同的是CLIP用一个投影设备连续不断地用紫外线从下方无形地切割出物体的剖面。这种光能让整个池子的液体树脂的底部一层硬化，与此同时，一个可升降平台(BuildPlatform)会把已经成型的物体从树脂池中抬起来。CLIP的最重要特点就是池子底部：一个能让氧和紫外线穿过的窗口（OxygenPermeableWindow）。各种3D打印材料作品展示3D打印材料-物理状态分类液体材料液体3D打印材料一般是液体树脂材料。在光固化（SLA）和连续液面成型技术（CLIP）中经常用到。固体材料固体材料又可以分成丝状材料、薄片状材料以及粉末状材料等等。3D打印材料-物理状态分类ABS/PLA材料高精度树脂类材料石蜡材料金属材料陶瓷材料砂岩材料尼龙材料其他复合材料食品级材料3D打印材料-化学性能分类工业制造生物、医学军事应用其他民用3D打印材料应用TheEndAnyQuestions？海量图书方便查询免费申请样书下载配套资源优惠购书成为作者囊括各大品类，您想要的应有尽有教师免费申请样书，我们将安排快递迅速送达教学视频、PPT课件、教学案例、习题答案、模拟试卷等丰富资源免费下载教师可以申请最低折扣学生直接优惠购买图书欢迎写文章／投稿，我们强大的编辑团队将为您提供专业和高效的编辑出版服务更多样书申请和资源下载需求，请登录人邮教育社区（)3D打印原理、技术与应用人民邮电出版社3D打印流程CAD软件3D建模2D图形信息三维模型打印材料后期处理成品3D打印处理流程示意图3D打印数据处理流程3D打印数据处理流程示意图STL格式简介STL（Stereolithography）格式是目前3D打印设备使用最多的通用接口格式。STL将复杂的数字模型以一系列的三角形面片（TriangulatedSurface/TriangularFacet）来近似表达。STL模型是一种空间封闭的、有界的、正则的唯一表达物体的模型，具有点、线、面的几何信息，能够输入给增材制造设备，用于快速制作实物样品。明码://字符段意义solidfilenamestl//文件路径及文件名facetnormalxyz//三角面片法向量的3个分量值outerloopvertexxyz//三角面片第一个顶点坐标vertexxyz//三角面片第二个顶点坐标vertexxyz//三角面片第三个顶点坐标endloopendfacet//完成一个三角面片定义

......//其他facet

endsolidfilenamestl//整个STL文件定义结束通用3D建模软件简介-3DStudioMax3DStudioMax通常简称为3dsMax或MAX，是Autodesk公司开的基于PC系统的三维模型制作和动画渲染（Rendering）软件。其前身是基于DOS操作系统的3DStudio系列软件。在Discreet3Dsmax7后，正式更名为Autodesk3dsMax最新版本是3dsmax2017。3dsMax目前广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。通用3D建模软件简介-UGUG（UnigraphicsNX）它SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。UG针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。通用3D建模软件简介-Pro/EngineerPro/Engineer该软件是美国PTC公司旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维设计软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有非常重要的地位。Pro/Engineer和WildFire是PTC官方使用的软件名称，但在中国用户所使用的名称中，并存着多个叫法，比如ProE、Pro/E等，proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0等都是该软件的不同版本。通用3D建模软件简介-Pro/EngineerSolidWorksSolidWorks软件是世界上第一个基于Windows系统开发的三维CAD系统，其技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势。Solidworks软件具有功能强大、组件繁多、易学易用和技术创新等优点，成为领先的主流三维CAD解决方案。TheEndAnyQuestions？海量图书方便查询免费申请样书下载配套资源优惠购书成为作者囊括各大品类，您想要的应有尽有教师免费申请样书，我们将安排快递迅速送达教学视频、PPT课件、教学案例、习题答案、模拟试卷等丰富资源免费下载教师可以申请最低折扣学生直接优惠购买图书欢迎写文章／投稿，我们强大的编辑团队将为您提供专业和高效的编辑出版服务更多样书申请和资源下载需求，请登录人邮教育社区（)3D打印原理、技术与应用人民邮电出版社固件简介固件(Firmware)就是写入EROM（可擦写只读存储器）或EEPROM(电可擦可编程只读存储器)中的程序。固件是指设备内部保存的设备“驱动程序”，通过固件，操作系统才能按照标准的设备驱动实现特定机器的运行动作，比如光驱、刻录机等都有内部固件。固件是担任着一个系统最基础最底层工作的软件。而在硬件设备中，固件就是硬件设备的灵魂，因为一些硬件设备除了固件以外没有其它软件组成，因此固件也就决定着硬件设备的功能及性能。固件开发环境-Arduino开源的3D打印机固件大多使用Arduino平台。Arduino的核心是一块AVR单片机，是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，主要包含硬件部分和软件部分。Arduino构建于开放原始码simpleI/O介面版，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。硬件部分是可用来做电路连接的各种类型Arduino电路板，软件部分则是ArduinoIDE。固件开发环境-ArduinoArduino开发工具：ArduinoIDEArduinoIDE的安装(1)ArduinoIDE官方网址：http://arduino.cc/en/main/software最新安装包：http://downloads.arduino.cc/arduino-1.5.8-windows.exeArduinoIDE安装步骤：单击“IAgree”开始安装单击“Next”继续在“Browse”框中选择安装目录，然后单击“Install”继续安装ArduinoIDE的安装(2)选择“安装（I）”单击“Close”结束安装ArduinoIDE的安装(3)ArduinoIDE的安装(4)双击桌面“Arduino”图标，启动ArduinoIDE编程界面3D打印流程简介计算机3D建模模型切片转换成Gcode传送到3D打印控制器开始打印打印成品GCode简介Gcode在工业控制上用得的很多，是一种通用的控制指令，数控机床（CNC）上经常用到。3D打印控制命令一般也使用Gcode代码。在建立了3D模型以后要就进行切片。切片实际上就是将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。注释代码我们来看一段Gcode代码：N5G28*22;这是一条注释N6G1F1500.0*82;这也是一条注释N7G1X2.0Y2.0F3000.0*85上述代码中有两行注释部分，N5以及N6行，系统会直接忽略掉，把它们当空白对待。GCode示例代码(1)标记代码代码片段:N100[...Gcode指令...]*20这是行码和标记码。固件会以一个本地计算的值来对比标记码，如果两者值不同，就会要求一个重复的输入。行码和检查码都可以去掉，RepRap仍会工作,但它不会作检查.你必须同时使用，或同时放弃使用.GCode示例代码(2)延时G指令固件接收到这些命令后，会先存储在一个循环队列缓存里再执行。这意味着固件在接收到一条命令后马上可以传输下一条。另一方面，这也意味着一组线段可以在没有间断的情况下连续打印。为了实现命令流的控制，当接受到可缓存的命令时，如果固件把它成功放到本地缓存里，就立即给出应答，如果本地缓存已满，则会延时等到缓存有空出的位置时才给出应答。延时G指令示例：G0:快速移动示例:G0X15这个命令会移动的距离X=15mm。事实上,对于固件来说，这个命令的效果和G1X15是一样的。G1:可控移动示例:G1X88.2Y13.8E23.5从当前的位置点(X,Y)移动到目的点(88.2,13.8),并会在行进过程中挤出22.4mm的打印丝。G28:MovetoOrigin移动到原点G29-G32:对热床进行检查GCode示例代码(3)即时G指令可以被缓存,但是直到所有之前缓存的命令被执行完，并且该命令执行后，才会给出应答，因此主机会等待命令执行完毕（才收到的应答）。这些命令导致的短暂停顿不会影响机器的正常性能。即时G指令示例G4:停顿示例:G4P200停顿200毫秒，在停顿过程中机器仍可以被控制，如挤出头温度。G10:打印头偏移示例：G10P3X17.8Y-19.3Z0.0R140S205这条命令设置打印头3（参数P3）的X，Y方向偏移。

GCode示例代码(4)即时M、T指令示例M0:Stop停止系统会终止任何动作,然后关机。所有的马达和加热器都将被关掉，你需要按reset按钮来重启主控制器。M1:Sleep睡眠系统会终止任何动作,然后关机。所有的马达和加热器都很被关掉，你仍可以发送G或M命令来唤醒它M21:初始化SD卡M22:弹出SD卡M23:选择SD卡上的文件示例:M23filename.gcoSD卡上这个文件filename.gco(支持8.3命名规则)会被选中载入，准备打印。M80:打开ATX电源M81:关闭ATX电源M82:设置挤出机使用绝对坐标模式M83:设置挤出机为相对坐标模式M103关闭所有挤出机M104:设置挤出机（热头）温度M105:获取温度……3D打印相关算法-模型分层切片切片（Slicing）处理是快速成型软件系统的关键内容之一，目前所用的切片软件可按照其数据来源分为两大类：基于STL数据模型切片和基于CAD精确模型的直接切片（DirectSlicing）。STL切片：文件格式简单，在数据处理上较为方便，所以目前被广泛采用。目前大多数CAD系统都提供STL文件接口。CAD直接切片：它所处理的对象来自于CAD系统的三维精确模型，该方法可以避免由于STL格式的局限性所带来的如精度低、数据量相对大、以及自身的算法缺陷等。但是由于大型复杂CAD模型由于切片耗时过长，而且各类CAD系统之间的相互兼容性问题导致该类切片软件通用性差，目前此类方法还在广泛研究中。对一个STL文件进行读取，具体算法如下：1）定义一个临时三角形T；2)依次读取上述数据结构中一个facet段，将normal和三个vertex分别存于三角形T的法向量和顶点中；3)创建一个三角形链表L，在L中添加T；4)判断STL文件是否读完，如果是则转至下一步，否则返回第二步继续循环；5)文件读取完毕。3D打印相关算法-模型分层切片STL文件定义代码示例：solidfilename//三维实体名称;facetnormalx0,y0,z0//三角形面片的法矢量几何数据;outerloopvertexx1,y1,z1//三角片面的第一个顶点的信息;vertexx2,y2,z2//三角片面的第二个顶点的信息;vertexx3,y3,z3//三角片面的第三个顶点的信息;endloopendfacet//该三角片面的信息结束；endsolidfilename//三维实体的信息结束；

3D打印相关算法-模型分层切片模型载入分层划分组件路径生成Gcode生成分层就是每隔一定高度就用一个XY平面去和模型相交作切片，层与层之间的距离称为层高。全部层高切完后就可以得到模型在每一个层上的轮廓线。计算机中的3D模型大多是以三角形面组合成的表面所包裹的空间来表示的。三角形作为3D模型的基本单元，有结构简单，通用性强，可组合成任意面的特点。经过分层之后，我们得到了一叠2D平面图形。接下来需要做的事情就是对每一层的平面图形进行分析并标记出哪里是外墙、内墙、填充、上下表面、支撑等等。路径生成就要开始规划喷头在不同的组件中怎么运动。路径按大类来分，有轮廓和填充两种。路径成完毕之后，将其转换成3D打印机可以识别的GCode代码。3D打印相关算法-扫描路径生成与填充扫描路径生成算法分类：来回扫描分区域扫描星形发散扫描及斜向星形发散扫描分型扫描螺旋路径扫描偏置扫描（环形扫描）基于维诺图（Voronoi）的扫描路径生成轮廓环分组路径计算排序与合并优化倒置Gcode生成单联通和多联通域示意图扫描路径生成与填充-轮廓环分组如果一个外轮廓环仅包容内轮廓环,那么它们共同组成的区域就是一个有空洞的实体区域,这样的区域称为单连通区域。而如果一个外轮廓环所包容的内轮廓环又包容其它轮廓环,那么它们共同组成的区域则是一个多连通区域。一个多连通区域通过合理的轮廓环分组可以分成多个单连通区域。轮廓环分组算法将找出一种方法能够去分辨各个轮廓环之间的相互关系,并且将一个层面分化成一些单连通的区域,一个单连通区域就是一个组,在进行二维图形的运算时就只需考虑单连通区域,从而简化运算，提高效率。轮廓环分组示意图找出所有的外轮廓环。图中环L1和L3为外环。根据上述规则所述可知,外环的个数与轮廓环的分组数相等。按照环的包容关系计算各轮廓环被包容的次数。根据轮廓环的存在规则和相互关系,可以知道一个单连通区域的轮廓环的被包容次数只相差1,而且如果一个外环(或者内环)被另一个外环(或者内环)包容的话,那么它们的被包容次数肯定大于1，所以,如果一个内环被一个外环包容,且内环的被包容次数比外环的被包容次数仅仅大1,那么它们为一组。轮廓环分组算法：一个轮廓环上的所有点和它们之间的连线都落在另外一个环内部则称此轮廓环被这个环包容,如果轮廓环上的所有点都落在另外一个环内部而各点之间的连线有可能与那个环相交,左图就是一个例子,环FGHI的所有点都落在环ABCDE内部,但是线段GH却与线段BC和CD相交。由于对于无错误的三维模型切片得到的各轮廓环之间不可能相交,因此判断环之间的包容关系时只需判断环上的一个点是否落在另外一个环所包围的区域即可,而判断一个点是否落在另一个环内部可以使用交点计数法。轮廓环相交示意图扫描路径生成与填充算法混合路径填充算法流程图不同扫描路径填充算法实例效果图扫描路径生成与填充算法支撑生成算法在基于FDM方式的3D打印制造过程中，成型物体的当前层都是在上一层的基础上堆积而成，前一层对当前层起到一个定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当上层截面积大于下层截面积的时候，会发生塌陷或形变，影响制件的成型精度。因此，支撑生成（SupportGeneration）对于制件原型的制作起着至关重要的作用。支撑添加技术有两大类型：一种是在制作物体三维模型的时候手动添加支撑，另外一种是由软件自动生成支撑。支撑的手动生成需要用户对成型工艺非常熟悉，否则支撑的质量难以保证。因此，支撑的自动生成技术是目前研究的重点。支撑自动生成算法主要有两种，分别基于多边形布尔运算（BooleanOperations）和STL模型。待支撑面示意图在成型制造中，当上层截面大于下层截面时，上层截面的多余部位由于无相应的支撑将会出现悬浮或悬空的现象，从而导致该部位成型中发生偏差，进而影响零件的成型精度甚至导致成型制作失败。模型待支撑区域主要分为待支撑面、悬吊边、悬吊点三种。由于三种区域的几何特征是不同的，所以其提取算法也是各异的。如果对应的零件CAD模型发现如某一部位有上述三种结构特征之一时，如右图所示，应该对应加以支撑。支撑生成算法待支撑面的提取算法支撑生成算法悬吊点特征示意图悬吊点是指那些在零件水平分层切片时，出现的一些孤立点，经过层层叠加后，孤立的悬吊点逐渐发展成为孤立的实体区域，也称孤岛，如左图所示。很明显，图中C点不是悬吊点，而B点才是悬吊点，从STL文件的拓扑关系来看，可以总结出悬吊点的几何属性：悬吊点的Z坐标值在包含它的三角形面片的三个顶点中是最小的，即最低点；包含悬吊点的面都是非待支撑面；包含悬吊点的三角形面片法矢之和不能朝上。支撑生成算法悬吊点的特征提取算法流程图支撑生成算法支撑生成算法悬吊点支撑示意图支撑生成算法悬吊边示意图如左图所示，悬吊边AB在两个三角形中的对顶点分别为点C和点D，它们都是在各自三角形中Z值最大的点，即最高点，(a)中与悬吊边相接的两个三角形是三角形ABC和ABD，它们的法矢分别为n1和n2，他们都是向下的，所以AB是悬吊边，而(b)中两个三角形的法矢是向上的，所以这里的AB是非悬吊边。但是如果与悬吊边相接的三角形其中之一是待支撑面的三角形，就要排除这个悬吊边，因为可以通过待支撑面的支撑来完成对悬吊边的支撑。而且当悬吊边与X-Y平面的夹角大于一定值时，与边相邻的三角形可以通过自支撑的方式顺利成型。支撑生成算法悬吊边特征提取算法对三种待支撑区域同时添加支撑前后对比图对典型零件(齿轮)添加支撑前后对比图支撑生成算法成型方向与算法优化在快速成型过程中,零件的制造过程是先对STL文件的三维模型进行二维离散，然后再用二维离散数据堆积成三维实物。因此，在零件的倾斜表面会留下大量的呈阶梯状台阶，导致实际的制件表面与期望值有交大的区别，进而影响制件表面质量和精度，这在快速成型技术中被称为台阶效应（StaircaseEffect）如下图所示。快速成型中的台阶效应示意图台阶效应造成的制件形变示意图成型方向与算法优化3D打印成型过程中的台阶效应可以通过减小分层厚度来控制，也可以通过选择合理的分层方向来减小。目前的成型方向优化算法主要有基于遗传算法（GeneticAlgorithm）的优化算法、基于Pareto最优解的优化算法以及填充扫描矢量方向的优化方法等。等层厚分层处理变层厚分层处理成型方向与算法优化在分层处理之前，模型有无数种摆放姿态或方向。不同的摆放方向会导致不同的成型时间和成型精度。TheEndAnyQuestions？海量图书方便查询免费申请样书下载配套资源优惠购书成为作者囊括各大品类，您想要的应有尽有教师免费申请样书，我们将安排快递迅速送达教学视频、PPT课件、教学案例、习题答案、模拟试卷等丰富资源免费下载教师可以申请最低折扣学生直接优惠购买图书欢迎写文章／投稿，我们强大的编辑团队将为您提供专业和高效的编辑出版服务更多样书申请和资源下载需求，请登录人邮教育社区（)3D打印原理、技术与应用人民邮电出版社定义：通过网络提供可伸缩的廉价的分布式计算能力什么是云计算超大规模：Google服务器超过100万台虚拟化：用户可以在任意位置，各种终端获取服务高可靠性：多副本容错，计算节点同构可互换通用性：不针对特定应用，可支撑不同应用运行高可扩展性：规模可根据用户需求动态伸缩按需服务：云是个庞大的资源池，用户可按需购买极其廉价：花很小的代价构建以前需要大代价的处理任务云计算的主要特征云计算技术架构云控制芯片简介共享打印资源互联：基于共享经济模式的用户碎片化需求和闲置小微生产力的无缝对接打印资源定位：LBS（LocationBasedService）集成应用终端客户信息采集：采集联机的用户设备信息系统数据与信息推送：监控联机设备运行状态并发出警示信息云控制芯片功能云打印控制系统功能云打印控制系统用于个人计算机、工作站和游戏机的专用图像显示设备显示卡或主板集成nVidia和ATI(nowAMD)是主要制造商GraphicProcessingUnit(GPU)GPU简介GPU诞生背景：超高计算能力要求1.CPU处理能力不断强大，但在进入3D时代后，人们发现庞大的3D图像处理数据计算使得CPU越来越不堪重荷，并且远远超出其计算能力；2.图形计算需求日益增多，作为计算机的显示芯片也飞速发展。图形，图像计算等计算的功能被脱离出来，单独设计为一块芯片——GPU（也就是显卡）。GPU的变革：G80的诞生1.流处理器的出现：图像渲染；强大的运算能力；

2.CPU：串行的计算方式向并行计算发展，比如目前主流的双核、四核CPU；

3.GPU：核心的一个流处理器相当于一个“核”，GPU的“核”数量已经不再停留在单位数，而是几十甚至是上百个。GPU简介GPU提升程序运行速度示意图GPU与CPU的比较CPU的内部结构：控制单元、逻辑单元和存储单元运算器：算术运算(如加减乘除)和逻辑运算(如逻辑加、逻辑乘和非运算)

控制器：读取各种指令,并对指令进行分析,作出相应的控制。若干个寄存器：可直接参与运算并存放运算的中间结果。GPU采用了大量的执行单元，这些执行单元可以轻松的加载并行处理，而不像CPU那样的单线程处理。另外，现代的GPU也可以在每个指令周期执行更多的单一指令。GPU多“核”：SM真正意义的变革通用计算重要突破GPU通用计算开始出现世界上第一个GPUGeForce8800GeForce6800GeForce3GeForce256从GPU到CUDACPU系统环境GPU程序内核内存对象命令队列编译代码创建数据和参考发送到执行程序CPU二进制程序集GPU二进制程序集lineSpacing;int64_txMin=p0.X,xMax=p1.X;if(p0.X>p1.X){xMin=p1.X;xMax=p0.X;}if(idx0>idx1){inttmp=idx0;idx0=idx1;idx1缓存区分层数据将3D模型的每个截面，生成单独的层，内核中为单层待处理对象有序分层队列其它无序任务GPU多核处理流程示意图上海大学计算机学院CUDA–异构并行host+device异构并行C应用程序Host端串行C代码Device端SPMD并行化kernel（内核）C代码CPU串行代码(host)GPU并行内核(device)KernelA<<<nBlk,nTid>>>(args);CPU串行代码(host)GPU并行内核(device)KernelB<<<nBlk,nTid>>>(args);......并发执行上海大学计算机学院CUDADevicesandThreads计算设备（device）CPUorhost的协处理器（coprocessor）拥有独自的DRAM(devicememory)可以并行的运行很多Threads一般来说是GPU，也可以是其他并行处理器一个应用程序的数据并行部分能够用许多设备内核（devicekernel）线程表示GPU线程和CPU线程不同点GPU线程是轻量级线程很少的创建开销(overhead)GPU要完全利用至少需要1000个线程多核CPU则不需要上海大学计算机学院CUDA—内存空间Eachthreadcan:Read/writeper-threadregistersRead/writeper-threadlocalmemoryRead/writeper-blocksharedmemoryRead/writeper-gridglobalmemoryRead/onlyper-gridconstantmemoryGridGlobalMemoryBlock(0,0)SharedMemoryThread(0,0)RegistersThread(1,0)RegistersBlock(1,0)SharedMemoryThread(0,0)RegistersThread(1,0)RegistersHostConstantMemory上海大学计算机学院CUDA处理器术语SPAStreamingProcessorArray(流处理器阵列，8inG80)TPCThreadProcessingCluster(线程处理集群，2SM+Texture,inG80，3SM+Texture,inGTX200)SMStreamingMultiprocessor(流多处理器，8SP’s)Multi-threadedprocessorcore(多线程处理器核)BasicprocessingunitforCUDAthreadblock(CUDA线程块的基本处理单元)SPStreamingProcessor(流处理器)ScalarprocessorforasingleCUDAthread(CUDA单一线程的标量处理器)上海大学计算机学院G80—GraphicModelL2FBSPSPL1TFThreadProcessorVtxThreadIssueSetup/Rstr/ZCullGeomThreadIssuePixelThreadIssueInputAssemblerHostSPSPL1TFSPSPL1TFSPSPL1TFSPSPL1TFSPSPL1TFSPSPL1TFSPSPL1TFL2FBL2FBL2FBL2FBL2FBStreamingMultiprocessor(SM)StreamingProcessor(SP)上海大学计算机学院G80—CUDAModelStreamingMultiprocessor(SM)StreamingProcessor(SP)Load/storeGlobalMemoryThreadExecutionManagerInputAssemblerHostTextureTextureTextureTextureTextureTextureTextureTextureTextureParallelData

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CacheLoad/storeLoad/storeLoad/storeLoad/storeLoad/storeThreadProcessingCluster(TPC)ScalableStreamingProcessorArray(SPA)上海大学计算机学院GTX200—GraphicModel上海大学计算机学院GTX200—CUDAModel上海大学计算机学院CUDA函数声明函数执行处函数调用处__device__floatDeviceFunc()devicedevice__global__voidKernelFunc()devicehost__host__floatHostFunc()hosthost

__global__

定义一个kernel函数必须返回void类型

__device__和__host__能够同时用上海大学计算机学院GPU

GlobalMemory分配cudaMalloc()分配显存中的globalmemory两个参数对象数组指针和数组尺寸cudaFree()释放显存中的globalmemory对象数组指针intblk_sz=64;float*Md;intsize=blk_sz*blk_sz*sizeof(float);cudaMalloc((void**)&Md,size);…cudaFree(Md);上海大学计算机学院Host–Device数据交换cudaMemcpy()MemorydatatransferRequiresfourparametersPointertodestinationPointertosourceNumberofbytescopiedTypeoftransferHosttoHost,HosttoDevice,DevicetoHost,DevicetoDevicecudaMemcpy(Md,M.elements,size,cudaMemcpyHostToDevice);cudaMemcpy(M.elements,Md,size,cudaMemcpyDeviceToHost);中国“天河一号A”超级计算机系统美国“深蓝”超级计算机与NVIDIA芯片基于CUDA的应用案例STL三维模型切片算法基于CUDA的切片处理流程TheEndAnyQuestions？海量图书方便查询免费申请样书下载配套资源优惠购书成为作者囊括各大品类，您想要的应有尽有教师免费申请样书，我们将安排快递迅速送达教学视频、PPT课件、教学案例、习题答案、模拟试卷等丰富资源免费下载教师可以申请最低折扣学生直接优惠购买图书欢迎写文章／投稿，我们强大的编辑团队将为您提供专业和高效的编辑出版服务更多样书申请和资源下载需求，请登录人邮教育社区（)3D打印原理、技术与应用人民邮电出版社3D打印云平台系统架构云计算基础架构系统功能模块在线设计中心云切片处理系统需求匹配分销子系统集成分布式制造智能管理系统3D打印服务接入网集成企业统一管理云平台社区3D打印连锁服务中心专业分类模型库增值服务专业大数据分析增值系统3D打印生态云平台核心子系统在线设计中心（OnlineDesignCenter）3D模型云切片系统（CloudBased3DModelSlicingSystem）需求匹配分销系统（DistributionSystemBasedonSupply-DemandMatching）集成分布式制造智能管理云平台（CloudbasedIntegrateIntelligentManagementPlatformforDistributed3DManufacturing）3D打印服务接入网（3DPrintingServicesAccessNetwork）集成企业统一管理云平台（CloudBasedIntegratedPlatformforEnterprisesInformation&MarketingManagement）社区3D打印连锁服务中心（Community3DPrintingServicesChainBusinessCenter）专业分类模型库增值服务系统(ValueAddedServicesSystemforProfessionallyclassified3DModelLibraries)大数据挖掘和商业智能增值服务系统(ValueAddedServicesSystemBasedonBigDataMining&BusinessIntelligence)3D打印生态云平台建设的意义个性化定制需求日益旺盛目前条件下无有效途径去满足这种需求产品手版验证开模费用高工艺结构复杂产品生产困难个性化需求满足率低特殊结构工业零部件生产难大量的3D打印机闲置众多的设计师创意和作品无法市场化剩余小微生产力闲置率高三维模型设计图纸尺寸大、闲置率高工业3D打印机开工不足，造成生产力浪费，桌面打印机使用率低模具制造工业小批量生成短板明显，批量生产产品研发周期长，成本高，面临升级转型压力3D打印服务解决方案提供商，为用户提供基于3D打印一站式产品制造管家服务。设计共享低3D打印机闲置率高批量生产成本高生态云平台3D打印开模设计场景01普通用户找不到可以打印的三维图纸02设计师电脑里有大量的三维图纸闲置03企业或个人的三维设计需求得不到解决04设计师富裕的设计能力没有合适的共享渠道05企业或个人购置的3D打印机闲置率高06企业、个人的产品研发打样、个性定制需求得不到满足07创客企业自己对接模具生产企业管理成本高08模具制造企业生产开工不足、人力成本高、转型压力大现实需求图纸设计打印制造3D打印开模设计场景专利平台定制平台设计平台人人都是设计师批量制造服务中心私人定制平台为用户提供集设计、打样、定制、开模批量生产一条龙服务平台，衍生出专利、创客、产品销售等一系列产品与服务。生产制造中心人人都是发明家产品平台造万物模具服务平台3D打印开模设计场景3D打印生态云平台个性化角色定位1想法无法变成数字模型想法无法变成打印实物普通用户2具有3D模型设计技能想要通过网络提供设计服务模型设计师3拥有一种或几种3D打印机愿意为他人提供打印服务打印服务商3D打印生态云平台用户群分类云平台个性化服务中心功能示意图创意中心作品展示3D煎饼打印机让3D打印走进了普通百姓生活食品个性化定制创业好帮手只需将想象的食品模型通过电脑软件录入到打印机中，就可以通过3D打印技术轻松将想象中的美食“打印出来”食品3D打印个性化创意示例3D打印云平台系统示例通过“平台+服务+终端+应用”对3D打印行业进行垂直整合从线上线下多个维度构建一个闭合的3D打印个性化服务生态系统打破产业边界，衍生新的商品形态和服务3D云平台服务模式设计师打印服务商机器企业模型库设计师库打印商库打印机库普通用户3D打印智能制造云平台简介3D打印智能制造云平台简介TheEndAnyQuestions？海量图书方便查询免费申请样书下载配套资源优惠购书成为作者囊括各大品类，您想要的应有尽有教师免费申请样书，我们将安排快递迅速送达教学视频、PPT课件、教学案例、习题答案、模拟试卷等丰富资源免费下载教师可以申请最低折扣学生直接优惠购买图书欢迎写文章／投稿，我们强大的编辑团队将为您提供专业和高效的编辑出版服务更多样书申请和资源下载需求，请登录人邮教育社区（)3D打印原理、技术与应用人民邮电出版社人类历史上四次工业革命工业4.0”是德国联邦政府教研部与经济技术部在2013年汉诺威工业博览会上提出的概念。它描绘了制造业的未来愿景，提出了继蒸汽机应用，规模化生产和电子信息技术等三次工业革命之后，人类将迎来以信息物理融合系统(Cyber-PhysicalSystems,CPS)为基础，以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命。信息物理系统（CPS）简介工业4.0的创新方程式“工业4.0”本质是基于“信息物理系统”实现“智能工厂”。在生产设备层面，通过嵌入不同的传感器进行实时感知。通过宽带网络，通过数据对整个过程进行精确控制；在生产管理层面，通过互联网技术、云计算、大数据、宽带网络、工业软件、管理软件等一系列技术构成服务互联网，实现物理设备的信息感知、网络通信、精确控制和远程协作。工业4.0的本质工业4.0九大支柱技术人工智能工业物联网云计算工业大数据3D打印工业机器人工业网络安全知识工作自动化虚拟现实工业4.0九大技术支柱包括工业物联网、云计算、工业大数据、工业机器人、3D打印、知识工作自动化、工业网络安全、虚拟现实和人工智能。这一轮的工业革命是由科技革命所导致的，在我国的“互联网+”里，工业4.0是“互联网+”的一个组成部分，“互联网+制造”就是德国版的工业4.0，也就是“中国制造2025”。九大支柱技术中，其中虚拟现实和人工智能是面向未来的两大牵引技术。3D打印、工业机器人是两大硬件工具。工业网络安全与知识工作自动化是两大软件支持。工业物联网、云计算和工业大数据是基于分布式和连接的三大基础。中国制造2025中国制造20253D打印与中国制造20253D打印所涉及的部分应用领域3D打印与中国制造20252015年5月8日，国务院正式印发了《中国制造2025》。这份被认为是中国版的“工业4.0”发展规划，明确了在新一轮科技革命和产业变革的大背景下，中国主动应对全球产业竞争新格局和未来产业竞争新挑战的发展战略。3D打印（增材制造）作为代表性的新兴技术占有重要位置，在全文中共出现6次，贯穿于背景介绍、国家制造业创新能力提升、信息化与工业化深度融合、重点领域突破发展等重要段落，并融入于推动智能制造的主线。这一方面体现出我国对3D打印的重视程度，另一方面也彰显了在战略层面我国对制造业发展面临的形势和环境的深刻理解。

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