3d打印建模教学课件

打印建模教学课件3D第一章打印技术概述3D打印的定义与发展历程3D技术萌芽期年代11980塑料打印技术首次出现，发明光固化成型技术3D CharlesHull并申请专利，奠定了现代打印的基础这一时期，技SLA3D术主要局限于实验室和高端工业应用2关键转折点年2009熔融沉积成型技术专利到期，引发了桌面级打印机的FDM3D普及浪潮开源项目如出现，大幅降低了入门门槛，使RepRap广泛应用期现今3更多人能够接触这一技术打印的核心原理3D增材制造的本质数字驱动的制造流程与传统减材制造不同，打印采用逐层叠加材料的方式构建实体，实现整个打印过程由数字模型控制，从三维设计软件到切片程序，再到打印3D从无到有的制造过程这种方法显著减少了材料浪费，并能制造出传统机执行，形成完整的数字化制造链条这种数字驱动特性使得个性化定工艺难以实现的复杂结构制和远程制造成为可能核心设备材料多样性喷头光源系统、运动系统、控制系统构成了打印机的三大核心/3D部分，不同打印工艺对这些系统有着不同的实现方式打印工作原理3D这张图展示了打印机的工作过程，直观呈现了逐层叠加成型的核心原理无论采用3D何种打印工艺，分层制造始终是打印技术的基本特征3D数字模型被切片软件分解为无数薄层•打印机按照切片数据逐层构建实体•每一层硬化凝固后与前一层牢固结合•/打印技术的国家战略意义3D增材制造是制造业发展的颠覆性技术，是第三次工业革命的标志性技术之一王华明院士——技术自主创新大国重器制造创新精神培养在王华明院士等科学家的带领下，我国在金属打印技术在航空航天、国防军工等关键领3D打印等关键领域取得重大突破，打破了国域发挥重要作用，为大型飞机发动机部件、火3D外技术垄断，实现了核心技术的自主可控箭推进系统等大国重器的研发制造提供了创新解决方案第二章主流打印工艺与材料3D（熔融沉积建模）技术FDM技术是目前最为普及的打印工艺，其原理是将热塑性材料加热至熔融状态，然后通FDM3D过挤出机喷嘴按照预设路径逐层堆积，冷却固化后形成所需的三维结构优点设备成本低，入门门槛低•材料种类丰富且价格实惠•操作简单，维护容易•适合教育培训和个人爱好者使用•缺点打印精度有限（层厚通常在）•

0.1-

0.3mm表面粗糙，需要后期处理•打印速度相对较慢•强度有限，不适合高强度应用•（光固化）技术SLA技术利用紫外激光或投影光源，使光敏树脂发生光聚合反应，逐层固化成型这种技术是SLA最早发明的打印工艺之一，现已发展出多种变体，如（数字光处理）和（液晶屏3D DLPLCD光固化）等优点极高的打印精度（层厚可达）•

0.025mm表面光滑，细节表现出色•适合制作精细模型和原型•可实现透明或半透明效果•打印过程中，激光或投影光源精确照射树脂表面，实现SLA缺点逐点逐层固化材料成本较高•设备复杂且价格较贵•光敏树脂有一定毒性，需注意安全•（选择性激光烧结）技术SLS技术使用高功率激光选择性地将粉末材料烧结成型这种工艺无需支撑结SLS构，因为未烧结的粉末本身就能支撑悬垂部分，使其能够制造更为复杂的几何形状优点可打印金属、尼龙等高性能材料•机械性能优异，可直接用于功能部件•无需支撑结构，设计自由度高•适合批量生产和工业应用•缺点设备成本高，维护复杂•能耗大，激光功率高•表面多孔，需后处理•操作要求高，不适合教育入门•其他工艺简介技术技术技术LOM3DP DLP层叠制造Laminated ObjectManufacturing，通过将薄片材料逐层粘合并切割成形主要优势是三维喷墨打印3D Printing，利用喷墨打印头将粘合剂喷射到粉末材料上，实现选择性粘合成型色成本低、速度快，适合制作大型模型，但精度和材料选择有限在建筑模型制作中有特定应用彩表现力强，可实现全彩打印，但机械强度较弱，主要用于概念模型和艺术品制作常用打印材料介绍3D热塑性塑料金属材料其他特种材料生物可降解，易于打印，无异味，适合教育铝合金粉末轻量高强，适合航空航天光敏树脂多种特性树脂，如高透明、高韧性、耐PLA环境高温钛合金粉末生物相容性好，用于医疗植入物强度高，耐热性好，但有刺激性气味，易翘陶瓷浆料用于艺术品和特殊工业应用ABS不锈钢粉末成本相对较低，应用广泛曲生物材料可用于组织工程和医疗研究特种合金高温合金、镍基合金等特殊应用结合易打印和强度的优点，稳定PETG PLAABS复合材料如碳纤维增强塑料，性能更优异性好柔性材料，可制作弹性部件TPU材料类型适用工艺主要优势典型应用场景塑料易打印、环保无毒教育、原型设计PLA FDM光敏树脂高精度、表面光滑珠宝设计、牙科模型SLA/DLP尼龙粉末强度高、耐用功能性零件、小批量生产SLS钛合金生物相容性好SLM第三章三维建模基础与软件操作三维建模的基本概念正向建模与逆向建模数字模型的构成与格式正向建模是从无到有创建三维模型的过程，通常基于设计者的构思，使多边形网格由三角面或四边面组成，适合表示复杂形状，常用Mesh用软件从基本几何体开始构建复杂形体这种方法精确可控，适合于艺术设计和打印，典型格式有、CAD3D STLOBJ精确尺寸的工程零件设计参数化实体基于精确数学描述的实体模型，可精确控制尺寸，Solid主要用于工程设计，常见于、格式STEP IGS逆向建模则是通过扫描等技术获取已有实物的三维数据，再转化为可3D编辑的数字模型这种方法适合复杂有机形体的复制与修改，在文物修点云数据由大量空间点坐标组成，通常是3D扫描的原始输出，需要转换为网格或实体才能打印复、医疗定制等领域应用广泛常用建模软件介绍TinkerCAD Fusion360一款基于浏览器的免费在线设计工具，以简单直观的操作界面著公司的云端软件，集成了参数化设计、自由形3D AutodeskCAD/CAM称采用积木式建模方法，通过基本几何体的组合、布尔运算等实态建模、仿真分析等功能，并针对打印进行了优化3D现设计意图优点功能强大且全面、云端协作、免费教育版•优点零安装、学习曲线平缓、适合教育入门•缺点学习曲线较陡，资源占用较大•缺点功能有限，不适合复杂模型设计•适用人群工程师、产品设计师、中高级爱好者•适用人群初学者、青少年、教育工作者•Blender SolidWorks强大的开源三维创作软件，以丰富的建模、雕刻、渲染功能著称，近业界标准的专业参数化设计软件，以精确的工程设计和仿真能力3D年来增加了许多针对打印的工具和插件著称，广泛应用于机械设计领域3D优点完全免费开源、功能全面、社区活跃优点精确可靠、行业标准、工程性强••缺点界面复杂、学习难度大缺点价格昂贵、学习门槛高••适用人群艺术家、动画师、想要深入学习的爱好者适用人群专业工程师、高校工科学生••建模基础操作演示Blender界面导航与视图控制旋转视图鼠标中键拖动或左键拖动Alt+平移视图中键拖动Shift+缩放视图鼠标滚轮或中键拖动Ctrl+视图切换小键盘或视图立方体1-7基本几何体创建与编辑添加基本体打开添加菜单Shift+A选择模式键切换编辑对象模式Tab/的打印工具箱提供了丰富的功能，可以检查模型Blender3D变换操作移动、旋转、缩放是否适合打印，并自动修复常见问题作为免费开源软件，GRS在中国创客社区和教育机构中得到广泛应用修改器应用使用布尔、细分等修改器Blender网格修复与打印准备工具打印工具箱检查并修复非流形边缘、重叠面3D实体化确保模型是水密的实体尺寸调整按实际打印比例设置导出设置合适的精度参数STL打印工具箱Blender3D的打印工具箱是专为确保模型可打印性而设计的功能集合，能帮助设计者Blender3D识别并解决常见的几何问题清理非流形几何体自动检测并修复不符合打印要求的网格问题，如非流形边缘、重叠面和内部3D面等体积计算计算模型体积，帮助估算打印材料用量和成本网格分析检查模型的悬垂部分，预测可能需要支撑的区域尺寸校准精确控制模型尺寸，确保符合实际打印需求逆向建模技术简介三维扫描原理扫描数据处理与模型重建三维扫描是通过特定设备获取物体表面几何信息的技术，主要有以下几种方式激光扫描利用激光线条照射物体，通过摄像头捕捉反射光线的变形来重建三维形状精度高，适合精密工业应用结构光扫描投射特定图案（如条纹）到物体表面，分析图案变形重建三维模型速度快，价格适中光度立体扫描从不同角度拍摄多张照片，通过计算机视觉算法重建三维模型成本低，但精度有限扫描能够获取物体内部结构，适用于复杂内部几何形状的扫描CT扫描获取的原始数据通常是大量离散点云，需要经过一系列处理才能转化为可用的打印模型3D点云配准将多次扫描的点云数据对齐合并点云滤波去除噪点和冗余数据网格重建将点云转换为三角网格模型网格修复填补孔洞、平滑表面特征提取识别几何特征，转换为参数化模型第四章打印机操作与维护3D本章将详细介绍打印机的组成结构、工作流程、操作方法以及日常维护技巧掌握这些知识对于确保打印质量、延长设备寿命以及高效解决常见问题至关重要我们将从硬件认识、软件使用到实际操作全方位讲解打印全流程3D打印机组成与工作流程3D主要部件介绍打印参数设置挤出系统参数典型值影响打印机的核心部分，包括送料机构、加热块和喷嘴负责将材料加热熔融并精确挤出喷嘴直径（通常为）决定了打层厚精度与速度FDM

0.4mm

0.1-

0.3mm印精度和速度的平衡点打印速度质量与效率40-80mm/s填充率强度与材料用量运动系统15%-50%打印温度材料相关粘合性与流动性负责控制打印头或平台在、、三个方向上的精确移动常见配置有笛卡尔结构和结构两种精度和稳定性直接影响打印X YZ Delta质量平台温度材料相关附着力与翘曲冷却风扇层间冷却速度平台系统0%-100%承载打印物体的基础，通常配有加热功能和水平调节机构平台材质有玻璃、铝板、弹性钢板等，影响首层附着性和成品脱模难易度控制系统打印机的大脑，包括主控板、驱动器、传感器和用户界面负责解析代码并协调各部件动作，确保精确执行打印任务G打印前模型准备模型导入与切片软件使用支撑结构设计与优化切片软件是连接模型与打印机的桥梁，负责将三维模型转换为打印机可执行的代码指令常用切片软件包括、3D GCura、等Simplify3D PrusaSlicer模型导入将文件导入切片软件STL/OBJ模型检查确认尺寸正确，无破损几何体模型摆放调整位置、旋转角度，优化打印方向参数设置根据需求设置层厚、填充、速度等参数切片预览查看打印路径，检查潜在问题生成代码导出打印机可执行的指令文件G支撑结构是为打印过程中的悬垂部分提供临时支撑，打印完成后需要移除良好的支撑设计可以提高打印成功率，同时便于后期清理支撑类型线性、树状、接触点等不同形式支撑密度密度越高越稳定，但越难去除悬垂角度通常设置在°°之间45-60接触距离影响支撑与模型的分离难度支撑位置可选择性添加或排除特定区域打印过程监控与故障排除喷嘴堵塞打印件翘边层间分离症状材料挤出不均匀或完全停止症状模型边角从打印平台上翘起症状打印层之间出现明显裂缝或分离原因杂质污染、温度过低、长时间闲置原因材料收缩应力、平台温度不足、首层附着不良原因打印温度过低、冷却过快、打印速度过快解决方案解决方案解决方案

1.提高温度（比正常高20°C）进行热拉丝清理

1.提高平台温度（ABS需要100°C以上）

1.提高打印温度5-10°C

2.使用清洁针从喷嘴前端疏通

2.使用边缘裙边Brim或底座Raft

2.降低冷却风扇速度或关闭风扇

3.拆卸喷嘴，使用丙酮浸泡清洁

3.改善平台附着（使用胶水、胶带或特殊涂层）

3.降低打印速度，增加层间结合时间

4.使用密闭打印空间减少温度梯度

4.增加壁厚和层高，提高结构强度定期维护是预防故障的最佳方式建议每周进行基本清洁，每月进行一次深度维护，包括轴承润滑、皮带张力检查、电机运行测试等创建维护日志记录设备状态和调整历史，有助于长期维护和故障诊断打印后处理工艺支撑去除热处理与组装支撑结构的去除是后处理的首要步骤，需要耐心和适当工具尖嘴钳去除大块支撑的主要工具精细刀具处理难以触及的小型支撑砂纸打磨支撑残留痕迹热水浸泡对支撑结构特别有效PLA去除支撑时应避免过度用力，防止损坏模型本身复杂或精细结构需格外小心处理表面打磨与喷涂表面处理能显著提升打印件的外观质量打磨使用不同目数砂纸逐步细化180-2000填充使用腻子填补层纹或小缺陷底漆喷涂底漆提供均匀基础着色丙烯颜料或专用喷漆上色封闭层亚光或亮光清漆保护表面热处理可以提高打印件的机械性能和耐热性退火处理将件放入°烤箱约小时，提高结晶度和强度PLA80-100C1热水处理将浸入°热水，可提高韧性PLA60-70C蒸汽平滑使用丙酮蒸汽处理件，获得光滑表面ABS多部件组装技巧配合间隙设计时预留间隙

0.1-

0.2mm连接方式卡扣、螺纹、胶合等不同方式补强处理应力集中处可考虑环氧树脂加固桌面打印机日常维护要点3D喷嘴维护打印平台维护定期清理喷嘴外部碳化物清除残留胶水和材料••使用清洁丝料进行内部清洁定期校准平台水平••检查喷嘴磨损，定期更换检查加热系统工作状态••材料存储与处理运动系统维护密封存放未使用材料清洁并润滑线性导轨••保持材料干燥避免吸湿检查皮带张力，调整松紧••记录材料使用情况清理步进电机散热片••电气系统维护挤出机维护检查线缆连接牢固度清理齿轮及送料机构••清洁控制板散热片检查料丝压力调节••定期测试加热元件清洁冷却风扇••建立维护日志记录设备状态、调整历史和材料使用情况，有助于长期维护和故障诊断按照厂商建议的维护周期进行定期检查，可显著延长设备使用寿命第五章综合实践案例变速箱零件设计与打印——本章将通过一个完整的变速箱设计与打印案例，综合应用前面所学知识，展示从设计构思、三维建模到打印装配的全流程这个实践项目将帮助学生理解机械设计原理，提升空间思维能力，并培养团队协作解决问题的能力变速箱零件介绍核心零件组成机械传动原理1伞齿轮实现动力传递方向的改变，常用于将发动机的水平动力转为垂直输出齿形设计需考虑齿数、模数、压力角等参数，以确保平稳传动2直齿轮变速箱中最基础的传动部件，通过不同直径齿轮的啮合实现速度变化结构简单但需精确计算齿轮比和强度变速箱的核心原理是通过不同齿数齿轮的组合，实现不同的传动比，从而改变输出轴3的转速和扭矩以四档手动变速箱为例拨叉一档最大减速比，提供最大扭矩负责齿轮的选择与啮合，是变速器换挡机构的关键部件形状设计需考虑操作力度和定位精度二档中等减速比，平衡速度与扭矩三档轻微减速，提供较高速度四档直接传动或轻微增速4倒档通过额外齿轮实现反向输出挡杆连接拨叉与换挡机构，将驾驶员的换挡动作传递给内部机构需要考虑操作行程和阻尼感零件三维建模实操设计流程演示关键尺寸与公差控制需求分析与参数确定明确变速箱的功能要求，确定传动比、承载能力等关键参数以教学模型为目标，简化设计，突出原理展示概念设计与方案选择确定采用双轴四档手动变速箱结构，绘制结构草图，确定各零件的相对位置和连接关系零件详细建模使用软件进行参数化建模，先从简单的轴和箱体开始，逐步完成齿轮、拨叉等复杂零件利用软件的齿轮生成工具确Fusion360保啮合精度虚拟装配与干涉检查在软件中完成全部零件的虚拟装配，进行运动仿真和干涉检查，验证设计的可行性并进行必要的调整优化打印准备与优化为每个零件生成文件，根据打印机特性优化设计，添加装配用的定位特征，并考虑后处理需求STL打印中的公差控制尤为重要，需考虑以下因素3D打印机精度根据设备平面精度（通常±）预留裕量XY

0.1mm材料收缩约，约，需预先补偿ABS1-2%PLA

0.2-

0.5%配合类型过盈配合预留（零件将被强行压入）•-

0.1mm过渡配合预留（适度摩擦力）•0mm间隙配合预留（自由活动）•

0.2-

0.4mm打印与装配过程零件打印参数设定装配步骤与调试技巧零件类型推荐材料层厚填充率特殊要求齿轮尼龙低速打印，增强壁厚PETG/

0.1mm50-70%轴类垂直打印，避免层间PLA+/ABS

0.15mm80-100%应力箱体增加顶底层数量PLA/ABS

0.2mm20-30%拨叉操控件注意支撑设计/PLA+/PETG

0.15mm40-60%打印布局策略功能相关零件分组打印，便于调试•精密件单独打印，降低风险•大件合理分割，提高打印成功率•准备工作打磨所有零件，确保光滑无毛刺轴系安装先安装主轴和副轴到箱体齿轮组装按顺序装入各档位齿轮，检查啮合换挡机构安装拨叉和挡杆，调整行程箱体封装安装箱盖，注意密封性功能测试逐一测试各档位切换和传动装配失败原因分析与改进齿轮卡滞调整中心距或重新打印齿轮轴承间隙过大使用垫片或胶水固定团队合作与创新思维培养小组分工与协作模式设计优化与功能改进讨论变速箱项目采用4-6人小组协作完成，每个小组成员负责不同部分在基础变速箱模型完成后，鼓励学生进行创新改进设计师负责整体方案和关键零件设计提高可靠性改进齿形设计，增加导向机构工艺师优化模型结构，确保可打印性扩展功能增加档位指示器、锁止机构制造师负责3D打印参数设置和过程监控降低噪音设计齿轮减震系统装配师零件后处理和最终装配调试增强交互性添加透明观察窗，展示内部机构测试师功能验证和性能测试跨学科结合集成电子传感器监测运行状态文档师记录设计思路和技术文档每个改进点需通过团队讨论确定可行性，并通过迭代设计和测试验证效果通过定期例会和在线协作平台，确保信息共享和进度同步课程总结与展望通过本课程的学习，我们已经掌握了打印技术的基础知识、主流工艺特点、三维建模技能、设备操作维护以及综合应用能力这些知识和技能将为你们未来的3D学习和创新实践奠定坚实基础技术发展趋势打印技术正朝着更高速度、更多材料、更大尺寸和更智能化方向发展生物打印、打印（形状记忆）、多材料复合打印等前沿技术将带来革3D3D4D命性变革智能制造与打印的深度融合将重塑未来生产方式3D持续探索与创新技术学习没有终点，鼓励大家在课程结束后继续关注行业动态，参与开源社区，不断扩展知识边界可以尝试更复杂的项目，如多功能机器人、智能家居设备或创意艺术品，将所学知识应用到实际问题解决中实现创意梦想打印最大的魅力在于将创意转化为现实的能力希望大家能充分利用这一工具，勇敢追求自己的创意梦想无论是解决生活中的小问题，还是探索3D未知领域的大胆尝试，都可以通过打印技术得到支持期待看到你们在未来创造出更多令人惊叹的作品！3D创新不仅仅是有好点子，更重要的是将点子变为现实的能力和勇气打印给了我们这样的工具，而如何使用它，取决于你的想象力3D。