聚合物3D列印與3D影印技術

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楊衛民
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具体描述

  3D列印,一開始叫「快速成型技術」,誕生於一九八〇年代後期,是基於材料堆積法的一種高科技製造技術,多學科、跨領域知識的普及,使得快速成型技術飛速發展。

  借鑒這樣一個成功的範例,本書在模塑成型的基礎上提出了「3D影印」的概念:基於目標產品的虛擬設計或三維掃描建模、模具結構智慧規劃三維列印、智慧化射出模塑成型集成創新,「3D影印」可望成為現代製造業智慧化發展的新趨勢。

  本書類比介紹了聚合物3D列印與3D影印兩種技術,並詳細闡述了聚合物3D影印技術的核心原理及工藝,聚合物3D影印機的組成、基本參數、結構設計聚合物3D影印製品的精確度控制方法、缺陷的產生機制及解決辦法,以及產業發展趨勢,可供從事聚合物加工的工程技術人員、研發人員和相關系所師生參考。

本書特色

  1.【原創與國際化】:以網路化、智慧化技術為核心,反映了全球最新的一些技術成果,為研究提供新方向、拓展新思路。

  2.【聚焦前景趨勢】:在介紹相應專業領域的新技術、新理論和新方法的同時,優先介紹有應用前景的新技術及其推廣應用的範例。

  3.【多位專家執筆】:以國際控制工程專家孫優賢院士為首,吳澄、王天然、鄭南寧等多位業內專家參與策劃,具有高學術水準與編寫品質。

  4.【兼顧傳統創新】:本書在篇章結構上兼顧學術參考和工業應用兩方面的需要,系統地反映了聚合物3D列印及3D影印技術的內容和應用。
 
图书简介: 《先进材料的革命:微观结构调控与宏观性能实现》 内容提要: 本书深度剖析了当前材料科学领域最前沿的进展,聚焦于如何通过精确调控材料的微观结构,实现宏观性能的突破性提升。全书系统梳理了从原子尺度到宏观尺度的材料设计、制备与表征的完整链条,旨在为材料工程师、研究人员及高新技术产业从业者提供一套系统化、前瞻性的理论框架与实践指导。 第一部分:基础理论与计算模拟 本部分奠定了理解先进材料的理论基础。首先,详细阐述了晶体学、缺陷物理学及界面科学的核心概念,强调了晶界、位错、相界等微观结构要素对材料力学、电学和热学性能的决定性影响。随后,深入探讨了第一性原理计算(如DFT)在预测材料电子结构和反应路径中的应用,并介绍了分子动力学模拟(MD)在模拟材料动态行为和相变过程中的关键作用。特别关注了如何利用相场法(Phase-field modeling)来描述微观结构演化过程,如晶粒生长、偏析形成等,为后续的材料设计提供了理论指导。 第二部分:新型功能材料的理性设计 本章聚焦于当前备受关注的几类高性能材料的理性设计策略。 高熵合金与多相复合材料: 阐述了如何通过组元复杂性来抑制传统合金的有序化倾向,实现超高强度与韧性的协同优化。重点解析了界面工程在复合材料中的作用,包括通过优化界面结合强度和化学成分梯度来提高材料的断裂韧性。 智能响应材料: 详细介绍了形状记忆合金、压电陶瓷和磁致伸缩材料的设计原理。探讨了如何通过应变梯度理论和细观力学模型来精确调控这些材料在外部刺激(温度、电场、磁场)下的响应特性和转换机制。 能源存储与转化材料: 聚焦于锂离子电池正负极材料、燃料电池催化剂的微观结构设计。讨论了如何通过控制孔隙率、颗粒形貌和导电网络结构,显著提升电化学性能和循环稳定性。 第三部分:先进制备技术与结构控制 本部分着重介绍了实现微观结构精准调控的前沿制造技术。 增材制造(Additive Manufacturing)的后处理与冶金学: 深入分析了激光选区熔化(SLM)和电子束熔化(EBM)过程中熔池的快速凝固行为,揭示了瞬态热历史如何导致独特的组织形成,例如细小的胞状晶结构或层状组织。详细讨论了通过热处理、冷加工等后处理手段对增材制造缺陷(如残余应力、孔隙)的消除与结构优化方法。 薄膜与表面工程: 涵盖了原子层沉积(ALD)和磁控溅射等技术在制备超薄功能层方面的优势。重点讲解了如何利用这些技术实现材料界面性质的精确调控,例如制备具有优异硬度与耐磨性的类金刚石薄膜(DLC)或高介电常数的栅氧层。 高通量实验技术: 介绍了利用高通量筛选平台(如微阵列反应器、机器人自动化实验系统)加速材料体系的探索,并结合机器学习方法,实现从实验数据到材料性能的快速关联与优化。 第四部分:性能表征与失效分析 理解材料性能的最终环节在于精确的表征和失效机理的揭示。 先进电子显微技术: 详述了球差校正透射电子显微镜(STEM/TEM)在原子尺度成像和元素分析(EELS/EDS)中的应用,特别关注如何利用低角度环形明场像(HAADF)识别和量化高熵合金中的局域化学序构。 同步辐射光源的应用: 介绍了同步辐射X射线衍射、小角散射(SAXS/SANS)在原位/非原位分析材料相变、应力分布和纳米尺度结构演化中的强大能力。 力学性能的微观关联: 阐述了纳米压痕技术、原位拉伸/压缩试验在同步电镜下的应用,用于实时观察晶体塑性、裂纹萌生与扩展过程,从而建立微观形核机制与宏观力学响应的定量关系。 总结与展望: 本书最终将目光投向未来材料科学的发展方向,探讨了计算材料学、人工智能辅助设计(Materials Informatics)与原位表征技术的深度融合,展望了实现“材料设计即性能预测”的终极目标,为下一代具有颠覆性性能的结构、能源和信息功能材料的研发指明了方向。本书内容严谨、图文并茂,是相关领域研究人员和工程师的必备参考书。

著者信息

作者簡介

楊衛民


  博士生導師,長期從事高分子材料加工成型與先進製造方面的研究,發明了高分子材料PVT特性線上測試方法及裝置、塑膠精密注射成型裝備、高分子材料單位轉子擾流強化傳熱技術及裝置等,並開闢了高分子製品微奈製造的新途徑、提出聚合物加工領域的微積分思維,並據此發明了一系列微奈製造新方法和新設備,成功應用,如熔體微分注射成型、熔體微分靜電紡絲、熔體微積分納奈疊層、熔體微積分3D列印等。申請發明專利300餘項,已授權193項、美國專利2項、PCT國際專利6項、發表論文260餘篇、被EI收錄60餘篇、SCI收錄40餘篇、著作9本、譯著3本。

图书目录

第1章 緒論
1.1 3D列印概論
1.1.1 3D列印的工作原理
1.1.2 3D列印發展歷程
1.1.3 3D列印在聚合物加工成型中的應用
1.2 3D影印概論
1.2.1 3D影印的工作原理
1.2.2 3D影印的意義
1.3 3D列印與3D影印的區別
參考文獻

第2章 聚合物3D列印與3D影印工藝
2.1 資料擷取
2.2 資料處理
2.2.1 三維建模軟體
2.2.2 數值分析軟體
2.2.3 點雲端處理軟體
2.2.4 3D列印切片軟體
2.3 原料製備與塑化
2.4 模具設計與製造
2.5 「樣本複製」──列印和影印
2.5.1 聚合物3D列印工藝──FDM
2.5.2 聚合物3D影印工藝──射出成型
參考文獻

第3章 聚合物3D列印機
3.1 聚合物3D列印常用技術
3.2 聚合物直接熔融3D列印設備
3.2.1 自由成型機
3.2.2 熔體微分3D列印機
3.2.3 熔體微分3D列印理論分析
3.2.4 熔體微分3D列印裝置的設計
3.2.5 工業級熔體微分3D列印機
參考文獻

第4章 聚合物3D影印機
4.1 概述
4.2 3D影印機的組成及分類
4.2.1 3D影印機的組成
4.2.2 3D影印機的分類
4.3 3D影印機的工作原理
4.3.1 塑化
4.3.2 充模與成型
4.4 3D影印機的基本參數
4.4.1 射出裝置主要參數
4.4.2 合模裝置主要參數
4.5 3D影印機結構設計
4.5.1 射出裝置
4.5.2 合模裝置
4.5.3 驅動與安全裝置
4.6 3D影印機過程控制
4.6.1 製品精確度控制核心原理
4.6.2 製品精確度過程控制方法
4.7 精密3D影印機
參考文獻

第5章 聚合物3D影印用材料及缺陷分析
5.1 3D影印材料
5.1.1 3D影印材料分類
5.1.2 材料的熔體特點
5.1.3 材料的加工特性
5.1.4 材料的微觀特性
5.2 模具模穴可視化
5.3 3D影印缺陷產生機制及解決辦法
5.3.1 製品的常見缺陷
5.3.2 典型缺陷產生機制
5.3.3 3D影印製品缺陷產生原因及解決方案
參考文獻

第6章 聚合物3D影印技術的未來
6.1 模具智慧製造
6.1.1 3D列印模具
6.1.2 響應式模具
6.2 3D印製技術
6.3 智慧物聯時代
參考文獻
索引

 

图书序言

  • ISBN:9786263321205
  • 規格:平裝 / 324頁 / 17 x 23 x 1.62 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读

前言

  3D列印技術最開始被叫做快速成型技術,誕生於一九八〇年代後期,是基於材料堆積法的一種高科技製造技術。「3D列印」的概念被提出後,使得人們重新認識快速成型技術。多學科跨領域知識的普及,也使得快速成型技術得到飛速發展。借鑒這樣一個成功的範例,我們在模塑成型的基礎上提出了「3D影印」的概念。基於目標產品的虛擬設計或三維掃描建模、模具結構智慧規劃三維列印、智慧化射出模塑成型集成創新發展起來的「3D影印」技術可望成為現代製造業智慧化發展的新趨勢,有著廣闊的應用前景。

  3D影印技術最早可追溯到青銅器時代,甚至比二維紙本印刷出現得還要早。早在3000多年前,人類就開始使用模具製造青銅立人、四羊方尊、後母戊鼎等大型青銅作品。北宋時畢昇發明活字印刷術,雕版印刷「泥活字」,先製成單字的陽文反體字模,然後按照稿件把單字挑選出來,排列在字盤內,塗墨印刷,印完後再將字模拆出,留待下次排印時再次使用。進入20世紀以來,隨著製造業和經濟水準的飛速發展,模塑成型以其成型效率高、產品品質好等優勢成為製造業最重要的加工方法之一。

  本書圍繞聚合物3D列印與3D影印智慧製造技術的主題,通過對3D列印和3D影印的類比介紹,集成聚合物精密射出模塑成型和熔體微分3D列印技術應用基礎研究成果,結合智慧製造的重大需求和背景知識,創新提出並初步探索3D列印/影印

  智慧製造的核心原理和技術路線,探討了3個關鍵環節的科學技術問題和解決方案。全書共6章:第1章主要介紹3D列印與3D影印的概念、意義和核心原理等基礎知識;第2章主要介紹聚合物3D列印與3D影印工藝;第3章和第4章分別介紹幾種典型的聚合物3D列印機和3D影印機;第5章對聚合物3D影印用材料及其製品缺陷產生機制和解決辦法進行了闡述;第6章對聚合物3D影印技術的未來進行了展望和暢想,重點介紹了幾種切實可行的發展方向。

  本書內容參閱了國際公開發表的研究論文和技術資料,其中也包括筆者和同事們近年來在該研究領域所取得的一些研究成果,目的是幫助廣大讀者比較系統全面地瞭解該領域的理論發展與技術進步,並且以影印的觀念重新認識模塑成型技術,希望能夠推動聚合物模塑成型技術的快速發展。對本書原創成果有重要貢獻的團隊老師有楊衛民、關昌峰、張有忱、謝鵬程、焦志偉、丁玉梅、閻華、何雪濤、安瑛、譚晶等,直接以本書內容為研究課題的博士研究生有鑒冉冉、遲百宏、王建、張攀攀等,碩士研究生有解利楊、劉豐豐、劉曉軍、嚴志雲、杜彬、李月林等。此外參與本書整理工作的學生還有胡力、張玉麗等。

  筆者在本書著述過程中反覆斟酌,數易其稿,系統深入介紹聚合物3D列印與3D影印創新知識,特別注意了兼顧學術參考和工業應用兩方面的需要,但是因水準所限,書中不足之處在所難免,還請讀者批評指正。

楊衛民

用户评价

评分

哎呀,這本《聚合物3D列印與3D影印技術》聽起來真是太硬核了,我最近剛好在研究一些關於材料科學跟先進製造的議題,想說來看看有沒有什麼實用的新知可以吸收。不過,坦白講,這本書的書名給我的第一印象是,它大概會聚焦在非常專業的製程細節,像是不同類型聚合物的流變學特性、雷射燒結(SLS)或熔融沉積成型(FDM)的參數優化,甚至可能會深入到後處理的化學反應機制。對於一個可能更偏向設計應用或者產業導入層面的讀者來說,我會比較期待看到更多關於「如何選擇合適的材料來解決特定的工程問題」的案例分析,或是探討不同列印技術在成本效益與產品可靠性之間的權衡。例如,如果我今天想用3D列印來製作一個需要耐高溫、高強度的原型件,這本書會不會清楚地比較PLA、ABS、PETG乃至於PEEK這些常見材料的極限在哪裡?或者,它會不會有專門章節討論如何利用3D影印(我猜測這裡指的是較高解析度的光固化技術,如DLP/SLA)來製作精密模具或微流道元件的實戰經驗?如果內容過於著重在學理推導,而缺少了實際操作層面的「眉角」(像是常見的翹曲問題如何避免、支撐結構的最佳移除方式),那對我這種需要快速將技術落地的人來說,實用性可能就會打個折扣了。我希望它能提供的不僅是「這是什麼」,更是「我該怎麼用它」。

评分

這本書的篇幅如果夠紮實,我猜測它肯定會花很大篇幅去解析「影印技術」這個部分,畢竟現在的製造業對於客製化和小批量生產的需求越來越高,3D影印(或者我們更常聽到的Additive Manufacturing, AM)已經從單純的原型製作工具,逐漸轉變為最終產品的製造手段。我個人特別關注的是在品質控制(QC)這一塊的探討。畢竟,透過層層堆疊製造出來的物件,其各向異性(Anisotropy)是一個繞不開的挑戰。這本書有沒有深入探討如何使用無損檢測技術,比如X射線電腦斷層掃描(XCT),來量化列印件內部的孔隙率、分層界面的結合強度,以及這些微觀結構缺陷如何影響最終的機械性能?如果只是描述了幾種常見的測試方法,那就顯得有些基礎了。我更希望能看到作者結合大量的實驗數據,去建立一套預測模型,讓工程師可以根據設計的幾何形狀和選擇的材料,預先模擬出物件在不同負載條件下的表現。對於聚合物來說,長期耐久性也是關鍵,例如抗紫外線老化、化學溶劑侵蝕等,這些在汽車、醫療器材等領域是決定生死的關鍵因素,希望這本著作能提供這方面的深度見解,而不僅僅停留在列印成功的層面。

评分

說實話,台灣的製造業基礎很強,但對於新興的數位製造技術,很多時候還是仰賴國外的標準和文獻。我希望這本《聚合物3D列印與3D影印技術》能夠在「標準化與法規調適」這方面多著墨一些。畢竟,當3D列印從實驗室走向量產,產品的一致性和可追溯性就成了重中之重。它有沒有針對國際間(如ASTM或ISO)針對增材製造制定的品質標準進行詳盡的解說?特別是在聚合物材料方面,由於熱效應的影響,每一層的黏合介面都是潛在的弱點。書中是否提供了可行的檢測流程,確保列印出來的零件能夠通過嚴苛的行業認證?此外,在軟體與供應鏈的整合上,數位工作流程(Digital Thread)的建立是未來趨勢。這本書在探討列印技術時,有沒有把CAD模型準備、切片軟體參數設定、到最終的列印機操作介面,這些軟硬體之間的銜接問題,做一個全面的梳理?單純的技術介紹是遠遠不夠的,如何將這些技術無縫地整合進現有的工業生產線,才是真正的挑戰所在。

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對於我這樣一個對高解析度成型技術(或許就是書中提到的「3D影印」)比較有興趣的讀者來說,我會特別關注那些需要極高精度和複雜幾何結構才能實現的應用。例如,微光學元件、高精度的儀器外殼,或是需要極薄壁結構的流體元件。這本書對於如何控制光聚合反應中的體積收縮和內部應力,有沒有提供深入的物理模型分析?光固化技術(SLA/DLP)的優勢在於其極高的表面光潔度和解析度,但缺點往往是材料選擇相對受限,且零件的脆性問題較大。我期望看到它能提供針對不同光固化樹脂(如環氧基樹脂、丙烯酸酯類)的詳細性能對比,以及如何透過調整固化能量密度、層厚,甚至加入特定添加劑來改善最終零件的韌性與耐熱性。如果能提供一些業界頂尖實驗室的「獨門秘笈」——那些關於如何優化光照均勻度和排除氣泡的經驗談——那這本書的含金量就會大大提升,讓讀者覺得物超所值,畢竟這些細節往往是教科書裡不會寫的「軟實力」。

评分

從書名來看,《聚合物3D列印與3D影印技術》涵蓋了相當廣泛的主題範疇。不過,現今的3D列印市場發展日新月異,許多新興的複合材料和功能性材料層出不窮,例如導電聚合物、生物可降解材料,甚至是含有奈米顆粒增強的複合材料。一本好的參考書,除了要紮穩基礎的聚合物科學原理外,還必須具備前瞻性。我特別好奇的是,這本書是否有探討到如何將「功能性」植入到列印材料中?舉例來說,如何透過精確控制列印路徑和材料配方,來實現梯度功能材料(Functionally Graded Materials, FGM)的製造?或者,在生醫領域,是否有提到利用生物相容性聚合物進行組織工程支架的設計與列印?這類結合多學科知識的內容,才能真正體現出這類書籍的價值,而不只是停留在工業級應用。如果它只專注於傳統的熱塑性或熱固性塑膠的機械性能,那對於需要跨界創新的工程師來說,可能就顯得有點「過時」了,畢竟現在大家都在追求的不只是結構強度,還有「智慧化」和「客製化」的整合應用。

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