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《Additive Manufacturing Technologies：Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing》
增材制造技术：直接数字化制造的快速原型技术
作者：I. Gibson
D. W. Rosen
B. Stucker
出版社：Springer
出版时间：2010年
《Additive Manufacturing Technologies：Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing》
《Additive Manufacturing Technologies：Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing》
《Additive Manufacturing Technologies：Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing》
《Additive Manufacturing Technologies：Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing》
目录
1 Introduction and Basic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 What is Additive Manufacturing?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 What Are AM Parts Used For? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 The Generic AM Process. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1 Step 1: CAD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.2 Step 2: Conversion to STL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.3 Step 3: Transfer to AM Machine and STL
File Manipulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.4 Step 4: Machine Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.5 Step 5: Build. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.6 Step 6: Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.7 Step 7: Postprocessing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.8 Step 8: Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Why Use the Term Additive Manufacturing? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.1 Automated Fabrication (Autofab). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.2 Freeform Fabrication or Solid Freeform Fabrication . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.3 Additive Manufacturing or Layer-based Manufacturing . . . . . . . . . . 7
1.4.4 Stereolithography or 3D Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.5 Rapid Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 The Benefits of AM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.6 Distinction Between AM and CNC Machining. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6.1 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6.2 Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6.3 Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6.4 Accuracy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6.5 Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6.6 Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.7 Other Related Technologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7.1 Reverse Engineering Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7.2 Computer-Aided Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7.3 Haptic-Based CAD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.8 About This Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.9 Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Development of Additive Manufacturing Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Computers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Computer-Aided Design Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Other Associated Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.1 Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.2 Printing Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.3 Programmable Logic Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.4 Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.5 Computer Numerically Controlled Machining . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 The Use of Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6 Classification of AM Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6.1 Liquid Polymer Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.2 Discrete Particle Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6.3 Molten Material Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6.4 Solid Sheet Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6.5 New AM Classification Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.7 Metal Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.8 Hybrid Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.9 Milestones in AM Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.10 AM Around the World. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.11 The Future? Rapid Prototyping Develops into Direct Digital
Manufacturing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.12 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 Generalized Additive Manufacturing Process Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 The Eight Steps in Additive Manufacture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1 Step 1: Conceptualization and CAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.2 Step 2: Conversion to STL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.3 Step 3: Transfer to AM Machine and STL
File Manipulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.4 Step 4: Machine Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.5 Step 5: Build. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.6 Step 6: Removal and Cleanup. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.7 Step 7: Post-process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.8 Step 8: Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3 Variations from One AM Machine to Another . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.1 Photopolymer-Based Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 Powder-Based Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.3 Molten Material Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.4 Solid Sheets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4 Metal Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.1 The Use of Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.2 Energy Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.3 Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.4 Accuracy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.5 Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5 Maintenance of Equipment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.6 Materials Handling Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.7 Design for AM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.7.1 Part Orientation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.7.2 Removal of Supports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.7.3 Hollowing Out Parts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.7.4 Inclusion of Undercuts and Other Manufacturing
Constraining Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.7.5 Interlocking Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.7.6 Reduction of Part Count in an Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.7.7 Identification Markings/Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.8 Application Areas That Don’t Involve Conventional
CAD Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.8.1 Medical Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.8.2 Reverse Engineering Data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.8.3 Architectural Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.9 Further Discussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.9.1 Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4 Photopolymerization Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 Photopolymerization Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.1 UV Curable Photopolymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.2 Overview of Photopolymer Chemistry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.3 Resin Formulations and Reaction Mechanisms. . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3 Reaction Rates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 Vector Scan SL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.1 SL Process Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.2 SL Machines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.5 SL Resin Curing Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.5.1 Irradiance and Exposure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5.2 Laser–Resin Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.5.3 Photospeed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.5.4 Time Scales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.6 SL Scan Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.6.1 Layer-Based Build Phenomena and Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.6.2 WEAVE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.6.3 STAR-WEAVE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.6.4 ACES Scan Pattern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.7 Vector Scan Microstereolithography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.8 Mask Projection Photopolymerization Technologies
and Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.8.1 Mask Projection SL Technology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.8.2 Commercial MPSL Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.8.3 MPSL Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.9 Two-Photon SL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.11 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5 Powder Bed Fusion Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2 SLS Process Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.3 Powder Fusion Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3.1 Solid-state Sintering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3.2 Chemically-induced Sintering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.3.3 Liquid-phase Sintering and Partial Melting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.3.4 Full Melting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.4 Powder Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4.1 Powder Handling Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4.2 Powder Handling Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.4.3 Powder Recycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5 Approaches to Metal and Ceramic Part Creation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.5.1 Metal Parts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.5.2 Ceramic Parts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.6 Variants of Powder Bed Fusion Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.6.1 Laser-based Systems for Low-temperature
Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.6.2 Laser-based Systems for Metals and Ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.6.3 Electron Beam Melting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.6.4 Line-wise and Layer-wise PBF Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.7 Process Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.8 Applied Energy Correlations and Scan Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.9 Typical Materials and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.10 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.10.1 Capabilities and Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.11 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.12 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6 Extrusion-Based Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.2 Basic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.2.1 Material Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.2.2 Liquification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.2.3 Extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.2.4 Solidification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.2.5 Positional Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.2.6 Bonding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.2.7 Support Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.3 Plotting and Path Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.4 Fused Deposition Modeling from Stratasys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.4.1 FDM Machine Types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.5 Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.6 Limitations of FDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.7 Bioextrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.7.1 Gel Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.7.2 Melt Extrusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.7.3 Scaffold Architectures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.8 Other Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.8.1 Contour Crafting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.8.2 Nonplanar Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.8.3 FDM of Ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.8.4 Reprap and Fab@home . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.9 Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7 Printing Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.1 Evolution of Printing as an Additive Manufacturing Process . . . . . . . . . 171
7.1.1 Historical Development of 3D Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.1.2 Commercially Available Printing Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.1.3 Advantages of Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.2 Research Achievements in Printing Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.2.1 Polymers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.2.2 Ceramics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.2.3 Metals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.3 Technical Challenges of Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.3.1 Droplet Formation Technologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.3.2 Continuous Mode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.3.3 Drop-on-Demand Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.3.4 Other Droplet Formation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.4 Printing Process Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
7.5 Material Modification Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
7.5.1 Hot Melt Deposition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.5.2 Solution- and Dispersion-Based Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.5.3 Prepolymer Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.6 Three-Dimensional Printing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.6.1 Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.6.2 Commercial Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.6.3 Other Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.7 Advantages of Binder Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
7.8 Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8 Sheet Lamination Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8.1 Gluing or Adhesive Bonding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8.1.1 Bond-then-Form Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.1.2 Form-then-Bond Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.2 Thermal Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.3 Processes Based on Sheet Metal Clamping. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8.4 Ultrasonic Consolidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8.4.1 UC Bond Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
8.4.2 UC Process Fundamentals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
8.4.3 UC Process Parameters and Process Optimization . . . . . . . . . . . . . 220
8.4.4 Microstructures and Mechanical Properties of UC Parts . . . . . . . 222
8.4.5 Modeling of UC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8.4.6 UC Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
8.5 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.6 Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9 Beam Deposition Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.2 General Beam Deposition Process Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.3 Material Delivery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
9.3.1 Powder Feeding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
9.3.2 Wire Feeding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.4 BD Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
9.5 Process Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.6 Typical Materials and Microstructure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.7 Processing–Structure–Properties Relationships. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
9.8 BD Benefits and Drawbacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
9.9 Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
10 Direct Write Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
10.1 Direct Write Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
10.2 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
10.3 Ink-Based DW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
10.3.1 Nozzle Dispensing Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
10.3.2 Quill-Type Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
10.3.3 Inkjet Printing Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
10.3.4 Aerosol DW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
10.4 Laser Transfer DW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
10.5 Thermal Spray DW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10.6 Beam Deposition DW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10.6.1 Laser CVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10.6.2 Focused Ion Beam CVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
10.6.3 Electron Beam CVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
10.7 Liquid-Phase Direct Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
10.8 Beam Tracing Approaches to Additive/Subtractive DW. . . . . . . . . . . . . 276
10.8.1 Electron Beam Tracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
10.8.2 Focused Ion Beam Tracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
10.8.3 Laser Beam Tracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
10.9 Hybrid Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
10.10 Applications of Direct Write Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
10.10.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11 Design for Additive Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
11.1 Motivation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
11.2 Design for Manufacturing and Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
11.3 Core DFAM Concepts and Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
11.3.1 Complex Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
11.3.2 Customized Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
11.3.3 Integrated Assemblies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
11.3.4 Elimination of Conventional DFM Constraints . . . . . . . . . . . . . . 289
11.4 AM Unique Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
11.4.1 Shape Complexity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
11.4.2 Hierarchical Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
11.4.3 Functional Complexity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
11.4.4 Material Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
11.5 Exploring Design Freedoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
11.5.1 Part Consolidation and Redesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
11.5.2 Hierarchical Structures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
11.5.3 Industrial Design Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
11.6 Design Tools for AM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
11.6.1 Challenges for CAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
11.6.2 Solid-Modeling CAD Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
11.6.3 Promising Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
11.6.4 Search and Synthesis Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
11.6.5 Cantilever Beam Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
11.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
11.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
12 Guidelines for Process Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.2 Selection Methods for a Part. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
12.2.1 Decision Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
12.2.2 Approaches to Determining Feasibility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
12.2.3 Approaches to Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
12.2.4 Selection Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
12.3 Challenges of Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
12.4 Example System for Preliminary Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
12.5 Production Planning and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
12.5.1 Production Planning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
12.5.2 Pre-processing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
12.5.3 Part Build. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
12.5.4 Post-processing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
12.5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
12.6 Open Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
12.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
13 Software Issues for Additive Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
13.2 Preparation of CAD Models – the STL File. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
13.2.1 STL File Format, Binary/ASCII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
13.2.2 Creating STL Files from a CAD System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
13.2.3 Calculation of Each Slice Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
13.2.4 Technology Specific Elements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
13.3 Problems with STL Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
13.4 STL File Manipulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
13.4.1 Viewers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
13.4.2 STL Manipulation on the AM Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
13.5 Beyond the STL File. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
13.5.1 Direct Slicing of the CAD Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
13.5.2 Color Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
13.5.3 Multiple Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
13.5.4 Use of STL for Machining. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
13.6 Additional Software to Assist AM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
13.6.1 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
14 Direct Digital Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
14.1 Align Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
14.2 Siemens and Phonak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
14.3 Custom Soccer Shoes and Other DDM Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
14.4 DDM Drivers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
14.5 Manufacturing vs. Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
14.6 Cost Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
14.6.1 Cost Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
14.6.2 Build Time Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.6.3 Stereolithography Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
14.7 Life-Cycle Costing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
14.8 Future of Direct Digital Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
14.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
15 Medical Applications for Additive Manufacture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
15.2 The Use of AM to Support Medical Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
15.2.1 Surgical and Diagnostic Aids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
15.2.2 Prosthetics Development. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
15.2.3 Manufacturing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
15.2.4 Tissue Engineering and Organ Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
15.3 Software Support for Medical Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
15.4 Limitations of AM for Medical Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
15.4.1 Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
15.4.2 Cost. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
15.4.3 Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
15.5 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
15.5.1 Ease of Use. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
15.6 Further Development of Medical AM Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
15.6.1 Approvals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
15.6.2 Insurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
15.6.3 Engineering Training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
15.6.4 Location of the Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
15.6.5 Service Bureaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
15.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
16 Post-Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
16.1 Support Material Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
16.1.1 Natural Support Post-Processing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
16.1.2 Synthetic Support Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
16.2 Surface Texture Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
16.3 Accuracy Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
16.3.1 Error Sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
16.3.2 Model Pre-processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
16.3.3 Machining Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
16.4 Aesthetic Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
16.5 Preparation for use as a Pattern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
16.5.1 Investment Casting Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
16.5.2 Sand Casting Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
16.5.3 Other Pattern Replication Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
16.6 Property Enhancements using Non-thermal Techniques . . . . . . . . . . . . . 416
16.7 Property Enhancements using Thermal Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
16.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
16.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
17 The Use of Multiple Materials in Additive Manufacturing . . . . . . . . . . . 423
17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
17.2 Multiple Material Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
17.3 Discrete Multiple Material Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
17.4 Porous Multiple Material Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
17.5 Blended Multiple Material Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
17.6 Embedded Component AM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
17.7 Commercial Applications Using Multiple Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
17.8 Future Directions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
17.8.1 Design Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
17.8.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
17.8.3 Multi-axis Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
17.8.4 Materials Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
17.8.5 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
17.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
17.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
18 Business Opportunities and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
18.2 New Types of Products and Employment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
18.2.1 New Types of Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
18.2.2 New Types of Employment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
18.3 Digiproneurship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
18.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
18.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
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