快速成型技術課件

快速成型技術

(RP)

快速成型技術(RP)1快速成型技術(RP)的起源1979年，東京大學的中川威雄教授利用分層技術制造了金屬沖裁模、成形模和注塑模。20世紀70年代末到80年代初，美國3M公司的AlanJ.Hebert（1978年）、日本的小玉秀男（1980年）、美國UVP公司的CharlesW.Hull（1982年）和日本的丸谷洋二（1983年），各自獨立地首次提出了RP的概念，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化制作三維實體的新思想。CharlesW.Hull在UVP的資助下，完成了第1個RP系統(tǒng)StereolithographyApparatus（SLA），并于1986年獲得專利，這是RP發(fā)展的一個里程碑。隨后許多快速成形概念、技術及相應的成形機也相繼出現(xiàn)?？焖俪尚图夹g(RP)的起源1979年，東京大學2a）b）傳統(tǒng)加工與快速成型比較模具模具設計鑄造焊接鍛壓毛坯（大于工件）半成品半成品工件去除加工設計模具樣品快速成形a）3快速成型技術(RP)的定義快速成型技術(RapidPrototyping&Manufacturing,縮寫為(RP)技術，又叫快速原型技術。RP技術是將計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機數(shù)控技術(CNC)、材料學和激光結合起來的綜合性造型技術?？焖俪尚图夹g(RP)的定義快速成型技術(RapidProt4快速成型技術(RP)的基本原理快速成型技術是對零件的三維CAD實體模型，生成STL文件、按照一定的厚度進行分層切片處理，生成二維的截面信息，然后根據(jù)每一層的截面信息，利用不同的方法生成截面的形狀，借助計算機控制的成型機完成材料的形體制造。這一過程反復進行，各截面層層疊加，最終形成三維實體。分層的厚度可以相等，也可以不等。分層越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚度分層的目的在于加快成型速度。不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成形材料不同，成形原理和系統(tǒng)特點也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是"分層制造，逐層疊加"，類似于數(shù)學上的積分過程。形象地講，快速成形系統(tǒng)就像是一臺"立體打印機"?？焖俪尚图夹g(RP)的基本原理快速成型技術是對零件的三維CA5快速成型技術(RP)的成型過程快速成型技術(RP)的成型過程：首先建立目標件的三維計算機輔助設計(CAD3D)模型,然后對該實體模型在計算機內(nèi)進行模擬切片分層,沿同一方向(比如Z軸)將CAD實體模型離散為一片片很薄的平行平面;把這些薄平面的數(shù)據(jù)信息傳輸給快速成型系統(tǒng)中的工作執(zhí)行部件,將控制成型系統(tǒng)所用的成型原材料有規(guī)律地一層層復現(xiàn)原來的薄平面,并層層堆積形成實際的三維實體,最后經(jīng)過處理成為實際零件?？焖俪尚图夹g(RP)的成型過程快速成型技術(RP)的成型過程6快速成型過程噴粘結劑噴熱熔材料三維產(chǎn)品（樣品/模具）表面處理構造三維模型模型近似處理切片處理激光噴射源固化樹脂切割箔材燒結粉末快速成型過程噴粘結劑噴熱熔材料三維產(chǎn)品（樣品/模具）表面處理7快速成型技術(RP)的技術體系一個比較完整的快速成型技術的技術體系包含CAD造型、反求工程、數(shù)據(jù)轉換、原型制造以及物性轉換等基本環(huán)節(jié)。1、三維CAD造型

三維造型包括實體造型和曲面造型。利用各種三維CAD軟件進行幾何造型,得到零件的三維CAD數(shù)學模型，這是快速成型制造技術的重要組成部分，是獲得初始信息的最常用方法，也是制造過程的第一步。目前較著名的CAD軟件系統(tǒng)主要有Pro／Engineer，AutoCAD，I—DEAS，Unigraphics，CATIA，CADKEY等，其三維造型方式主要有實體造型和曲面造型，三維數(shù)據(jù)格式主要有IGES，DXF，VDA—FS，Uni—versallFiles等。目前許多CAD軟件在目前系統(tǒng)中加入一些專用模塊，將三維造型結果進行離散化，生成面片模型文件(STL文件、CFL文件等)或層片模型文件(LEAF文件、CLI文件、HPGL文件等。快速成型技術(RP)的技術體系一個比較完整的快速成型技術82、反求工程

物理形態(tài)的零件是快速成型制造技術中零件幾何信息的另一個重要來源。這里既包括天然形成的各種幾何形體，也包括利用各種技術手段，如鍛造、鍛壓、焊接、車、銑、刨、磨、堆積等傳統(tǒng)工藝加工而成的幾何實體。幾何實體包含了零件的幾何信息,但這些信息必須經(jīng)過反求工程將三維物理實體的幾何信息數(shù)字化,將獲得的數(shù)據(jù)進行必要的處理后,實現(xiàn)三維重構而得到CAD三維模型。反求工程是將三維的物理實體幾何信息數(shù)字化的一系列技術手段的總稱，它完成實物信化的功能。反求工程的整個過程主要由兩個部分組成，首先是零件表面數(shù)字化，提取零件的表面三維數(shù)據(jù)。主要的技術手段有三坐標測量儀、三維激光數(shù)字化儀、工業(yè)CT和磁共振成像MRI，以及自動斷層掃描儀等。通過三維數(shù)字化設備得到的數(shù)據(jù)往往是一些散亂的無序點或線的集合，還必須對其進行三維重構得到三維CAD模型，或者層片模型等。2、反求工程

物理形態(tài)的零件是快速成型制造技術中零件幾何93、數(shù)據(jù)處理與轉換

快速成型系統(tǒng)比繪圖儀、打印機要復雜得多，同時設備工藝也具有更大的多樣性，因此利用快速成型系統(tǒng)制造零件并不像使用打印機、繪圖儀那樣簡單，只要將CAD系統(tǒng)的文件發(fā)送過去就行了。三維CAD造型或反求工程得到的數(shù)據(jù)必須進行大量處理，才能用于控制RP成型設備制造零件。數(shù)據(jù)處理的主要過程包括表面離散化，生成STL文件或CFL文件，分層處理生成SLC、CLI、HPGL等層片文件，根據(jù)工藝要求進行填充處理，對數(shù)據(jù)進行檢驗和修正并轉換為數(shù)控代碼。3、數(shù)據(jù)處理與轉換

快速成型系統(tǒng)比繪圖儀、打印機要復雜得10表面離散化是在CAD系統(tǒng)上對三維的立體模型或曲面模型內(nèi)外表面進行網(wǎng)絡化處理,即用離散化的小三角形平面片來代替原來的曲面或平面,經(jīng)網(wǎng)絡化處理后的模型即為STL文件.該文件記錄每個三角形平面片的頂點坐標和法向矢量.然后用一系列平行于X2Y平面(可以是等間距或不等間距)對基于STL文件表示的三維多面體模型用分層切片算法對其進行分層切片,然后對分層切片信息進行數(shù)控后處理,生成控制成型機運動的數(shù)控代碼.目前已經(jīng)有許多比較成熟的RP專用數(shù)據(jù)處理軟件面市。如BridgeworksandSolidView，Brockware，StlView，Velocity，Z_Shifter，RapidTools，RapidPrototypingModule，RapidTools，以及清華大學激光快速成型中心開發(fā)的Lark’98等。表面離散化是在CAD系統(tǒng)上對三維的立體模型或曲面模型內(nèi)外表面114、原型制造

即利用快速成型設備將原材料堆積成為三維物理實體。材料、設備、工藝是快速原型制造中密切相關的三個基本方面。不同的工藝要求不同的材料，要求不同的設備來實現(xiàn)。這里材料問題是一個基本的問題。目前許多制造商可以提供多種快速原形設備，而且新的工藝設備也在不斷出現(xiàn)。常見的系統(tǒng)有3DSystems的SLA—250，Helisys的LOM—2030，Stratasys的FDM1650，F(xiàn)DM2000，F(xiàn)DM8000，國內(nèi)清華大學激光快速成型中心的MRPMS—II等。各種設備具有不同的特點和局限，有著不同的應用范圍。4、原型制造125、物性轉換通過快速原形系統(tǒng)制造的零件的力學、物理性質往往不能直接滿足需要，仍然需要進一步的處理，即對其物理性質進行轉換。該環(huán)節(jié)是RP&M實際應用的一個重要環(huán)節(jié)，包括精密鑄造、金屬噴涂制模、硅膠模鑄造、快速EDM電極、陶瓷型精密鑄造等多項配套制造技術，這些技術與RP技術相結合，形成快速鑄造、快速模具制造等新技術。在目前RP制造技術尚不能直接制造滿足工業(yè)要求的結構和功能零件的情況下，這是RP技術走向工業(yè)應用的重要橋梁。5、物性轉換13快速成型技術(RP)系統(tǒng)分類RP系統(tǒng)可分為兩大類：1、基于激光或其它光源的成形技術，如：立體光造型（Stereolithography：SL）、迭層實體制造（LaminatedObjectManufacturing：LOM）、選擇性激光燒結（SelectedLaserSintering：SLS）、形狀沉積制造（ShapeDepositionManufacturing：SDM）等；2、基于噴射的成形技術，如：熔融沉積制造（FusedDepositionModeling：FDM）、三維打印制造（ThreeDimensionalPrinting：3DP）等?？焖俪尚图夹g(RP)系統(tǒng)分類RP系統(tǒng)可分為兩大類：14快速成型技術(RP)的劃分方法目前基于快速成型技術(RP)開發(fā)的工藝種類較多,可以分別按所用材料劃分,成型方法劃分為1)利用激光或其它光源的成型工藝的成型:---立體光造型(簡稱SL),或光固化快速成型;---疊層實體造型(簡稱LDM)---選擇性激光燒結(簡稱SLS)---形狀層積技術(簡稱SDM);2)利用原材料噴射工藝的成型:---熔融層積技術(簡稱FDM)---三維印刷技術(簡稱3DP)其它類型工藝有:---樹脂熱固化成型(LTP)---實體掩模成型(SGC)---彈射顆粒成型(BFM)---空間成型(SF)---實體薄片成型(SFP)快速成型技術(RP)的劃分方法目前基于快速成型技術(RP)開15目前較為成熟的快速成型方法及典型成形工藝目前快速成型技術的成型工藝方法有十幾種,各種方法有自身的特點和實用范圍。比較成熟并已商品化的成型方法有：1、立體光固化成型法(SM)2、選擇性激光燒結法(SLS)3、疊層制造法(UM)4、熔融沉積造型法(FDM)5、LSL(LaserSteroLithography)法目前較為成熟的快速成型方法及典型成形工藝目前快速成型技術的成16自美國3D公司1988年推出第一臺商品SLA快速成形機以來，已經(jīng)有十幾種不同的成形系統(tǒng)，其中比較成熟的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。其成形原理分別介紹如下：（1）光固化成形（簡稱：SLA或AURO）(SL—Stereolithography)光敏樹脂為原料：SLA快速成形系統(tǒng)的成形原理：

--成形材料：液態(tài)光敏樹脂；

--制件性能：相當于工程塑料或蠟模；

--主要用途：高精度塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。光固化成形是最早出現(xiàn)的快速成形工藝。其原理是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。光固化工藝的設備做出的零件其優(yōu)點是精度較高、表面效果好，零件制作完成打磨后，將層層的堆積痕跡去除,但運行費用高，且強度低，無法進行裝配。自美國3D公司1988年推出第一臺商品SLA快速成形機以來，17例如：光敏樹脂固化成型原理：基于光敏樹脂受紫外光照射凝固的原理，計算機控制激光逐層掃描固化液槽中的光敏樹脂。每一層固化的截面是由零件的三維CAD模型軟件分層得到，直至最后得到光敏樹脂實物原型。例如：18快速成型技術課件19（2）粉末燒結成形（簡稱：SLS(SelectiveLaserSintering)）蠟粉為原料：SLS快速成形系統(tǒng)的成形原理：

--成形材料：工程塑料粉末；

--制件性能：相當于工程塑料、蠟模、砂型；

--主要用途：塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。SLS法采用各種粉末(金屬、陶瓷、蠟粉、塑料等)為材料，在激光照射下燒結的原理，利用滾子鋪粉，用CO2高功率激光器對粉末進行加熱，在計算機控制下堆積成形，直至燒結成塊。其優(yōu)點是多零件制作時速度快；但精度較低，后處理工藝復雜。利用該方法可以加工出能直接使用的金屬件。（2）粉末燒結成形（簡稱：SLS(SelectiveLas20（3）SLA使用二氧化碳激光器燒結粉末材料（如蠟粉，PS粉，ABS粉，尼龍粉，覆膜陶瓷和金屬粉等）。成型時先在工作臺上鋪一層粉末材料，激光束在計算機的控制下，按照截面輪廓的信息，對制件的實心部分所在的粉末進行燒結。一層完成后，工作臺下降一個層厚，再進行后一層的鋪粉燒結。如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。特點：這種方法適合成型中小型零件，能直接制造蠟?；蛩芰希沾珊徒饘佼a(chǎn)品。制件的翹曲變形比SLS工藝小，但仍需對容易發(fā)生變形的地方設計支撐結構。這種工藝要對實心部分進行填充掃描燒結，因此成型時間較長。和、可燒結覆膜陶瓷粉和覆膜金屬粉，得到成型件后，將制件置于加熱爐中，燒掉其中的粘結劑，并在孔隙滲入填充物。它最大的優(yōu)點在與適用材料很廣，幾乎所用的粉末都可以使用，所以其應用范圍也最廣。（3）SLA21（4）LSL(LaserSteroLithography)法LSL法是以各類樹脂為成形材料，以氦-鎘激光器為能源，以樹脂受熱固化為特征的快速成形方法。具體做法是，由CAD系統(tǒng)設計出零件的三維模型，然后分屬設定工藝參數(shù)，由數(shù)控裝置控制激光束的掃描軌跡。當激光束照射到液態(tài)樹脂時，被照射的液態(tài)樹脂固化。當一層加工完畢后，就生成零件的一個截面，然后移動工作臺。加上一層新的樹脂，進行第二層掃描，第二層就牢固地粘貼到第一層上，就這樣一層一層加工直至整個零件加工完畢。（4）LSL(LaserSteroLithography22（5）分層實體成形（簡稱：LOM(LaminatedObjectManufacturing)或SSM）紙為原料快速成形系統(tǒng)的成形原理：

--成形材料：涂敷有熱敏膠的纖維紙；

--制件性能：相當于高級木材；

--主要用途：快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。LOM法的特點是以片材(如紙片、塑料薄膜或復合材料)為材料，片材表面事先涂覆上一層熱熔膠，根據(jù)三維模型每一個截面的輪廓線，在計算機的控制下，利用CO2激光器為能源，用激光束對薄型材料切割片材的邊界線，形成某一層的輪廓，同樣逐步得到各層截面。各層間的粘接利用加熱、加壓的方法，最后形成零件的形狀。該方法的特點是：材料廣泛，成本低；適合成形大中型零件，翹曲變形??；成型時間較短，但尺寸精度不高，材料浪費大，且清除廢料困難。材料品種使用紙材，不能裝配，不適宜做薄壁原型，受濕度影響容易變形，此工藝已基本淘汰。（5）分層實體成形（簡稱：LOM(LaminatedObj23（6）熔融擠壓成形FDM（簡稱：FDM或MEM）(FusedDepositionModeling)使用蠟絲(ABS絲)為原料，快速成形系統(tǒng)的成形原理：

--成形材料：固體絲狀工程塑料；

--制件性能：相當于工程塑料或蠟模；

--主要用途：塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。（6）熔融擠壓成形FDM（簡稱：FDM或MEM）(Fused24FDM的工藝原理：是利用熱塑性材料的熱熔性、粘結性，采用電加熱方式將蠟絲熔化成蠟液，快速成型機的加熱噴頭受計算機控制，根據(jù)水平分層數(shù)據(jù)作x-y平面運動。絲材由送絲機構送至噴頭，經(jīng)過加熱、熔化，從噴頭擠出粘結到工作臺面，然后快速冷卻并凝固。每一層截面完成后，工作臺下降一層的高度，再繼續(xù)進行下一層的造型。如此重復，直至完成整個實體的造型。每層的厚度根據(jù)噴頭擠絲的直徑大小確定。

FDM工藝關鍵是保持熔融的成型材料剛好在凝固點之上，通?？刂圃诒饶厅c高1℃左右。該方法污染小，材料可以回收，運行成本較低。FDM的工藝原理：25快速成型技術課件2610.1.4快速成形工藝是直接根據(jù)產(chǎn)品CAD的三維實體模型數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機處理后，將三維模型轉化為許多平面模型的迭加，再通過計算機控制、制造一系列平面模型并加以聯(lián)結，形成復雜的三維實體零件。快速成形技術具有以下特點1）高度柔性2）技術的高度集成3）設計制造一體化4）快速性5）自由成形制造6）材料的廣泛性10.1.4快速成形工藝是直接根據(jù)產(chǎn)品CAD的三維實體27快速成型技術目前具有以下幾個特點：(1)技術系統(tǒng)化快速成型技術已經(jīng)與其它相關技術結合形成了一個龐大的技術體系。任何一項技術必須與其它技術相結合才能發(fā)揮自己的作用。

(2)需求多樣化隨著快速成型技術的應用領域不斷擴大，人類的實踐領域的不斷擴大，對快速成型技術出現(xiàn)了各種各樣、干差萬別、不同層次的需求。

(3)技術多樣化在快速成型技術體系中任何一個環(huán)節(jié)，都有大量的不同技術工具，這些技術工具都有自己的優(yōu)點與局限，可以滿足不同的需求。沒有什么技術可以占據(jù)統(tǒng)治地位。

(4)技術復雜化快速成型技術是多種高新技術集成的結果，在這個技術體系中任何一項技術都具有很高的技術含量，都是一個復雜的技術系統(tǒng)。(5)技術更新速度不斷加快需求、技術的多樣化使得快速成型領域的競爭非常激烈，現(xiàn)有技術不斷改進，新工藝技術不斷出現(xiàn)，技術的更新?lián)Q代速度越來越快?？焖俪尚图夹g目前具有以下幾個特點：(1)技術系統(tǒng)化快速成型技28快速成型技術(RP)產(chǎn)生的意義大大縮短新產(chǎn)品研制周期，確保新產(chǎn)品上市時間；——使模型或模具的制造時間縮短數(shù)倍甚至數(shù)十倍；提高了制造復雜零件的能力；——使復雜模型的直接制造成為可能；顯著提高新產(chǎn)品投產(chǎn)的一次成功率；——可以及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計的錯誤，做到早找錯、早更改，避免更改后續(xù)工序所造成的大量損失；支持同步（并行）工程的實施；——使設計、交流和評估更加形象化，使新產(chǎn)品設計、樣品制造、市場定貨、生產(chǎn)準備、等工作能并行進行；

支持技術創(chuàng)新、改進產(chǎn)品外觀設計；——有利于優(yōu)化產(chǎn)品設計，這對工業(yè)外觀設計尤為重要。成倍降低新產(chǎn)品研發(fā)成本；——節(jié)省了大量的開模費用快速模具制造可迅速實現(xiàn)單件及小批量生產(chǎn)，使新產(chǎn)品上市時間大大提前，迅速占領市場?？焖俪尚图夹g(RP)產(chǎn)生的意義大大縮短新產(chǎn)品研制周期，確保新29快速成型技術(RP)的優(yōu)越性RP技術的優(yōu)越性顯而易見：它可以在無需準備任何模具、刀具和工裝卡具的情況下，直接接受產(chǎn)品設計（CAD）數(shù)據(jù)，快速制造出新產(chǎn)品的樣件、模具或模型。因此，RP技術的推廣應用可以大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高開發(fā)質量。由傳統(tǒng)的"去除法"到今天的"增長法"，由有模制造到無模制造，這就是RP技術對制造業(yè)產(chǎn)生的革命性意義。快速成型技術(RP)的優(yōu)越性RP技術的優(yōu)越性顯而易見：它可以30快速成形技術的國外發(fā)展現(xiàn)狀美國是世界上最重要的RP設備生產(chǎn)國，1999年美國生產(chǎn)的RP設備占全世界的8l.5%，美國的RP發(fā)展水平及其趨勢基本代表了世界的RP發(fā)展水平及趨勢。1立體光造型1999年3DSystems公司推出SLA27000機型，掃描速度可達9.52m/s，層厚最小可達0.025mm。AUTOSTRADE公司（日本）開發(fā)了以680nm左右波長半導體激光器為光源的RP系統(tǒng)，及針對該波長的可見光樹脂。提供光固化樹脂的有瑞士Ciba公司、日本旭電化公司、美國Dupont公司等。2迭層實體制造Helisys公司研制出多種LOM工藝用的成形材料，可制造用金屬薄板制作的成形件。該公司還與Dayton大學合作開發(fā)基于陶瓷復合材料的LOM工藝。蘇格蘭的Dundee大學使用CO2激光器切割薄鋼板，使用焊料或粘接劑制作成形。日本Kira公司PLT2A4成形機采用超硬質刀具切割和選擇性粘接的方法制作成形件。澳大利亞的Swinburn工業(yè)大學開發(fā)了用于LOM工藝的金屬2塑料復合材料?？焖俪尚渭夹g的國外發(fā)展現(xiàn)狀美國是世界上最重要的RP設備生產(chǎn)國313選擇性激光燒結DTM公司推出了系列Sinterstation成形及多種成形材料，其中Somos材料具有橡膠特性，耐熱、抗化學腐蝕，用該材料制造出了汽車上的蛇形管、密封墊等柔性零件。EOS公司研制了PA3200GF尼龍粉末材料，用其制作的零件具有較高的精度和表面光潔度。4熔融沉積制造Stratasys公司推出FDM系列成形機，可使用兩個噴頭同時造形，制作速度快。1999年推出使用熱塑性塑料的Genisys成形，并開發(fā)出水溶性支撐材料，解決了復雜及小型孔洞中的支撐材料難以去除的問題。3選擇性激光燒結32國內(nèi)快速成形技術的發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)有多所高校自20世紀90年代初開始進行RP技術的研究開發(fā)。清華大學主要研究RP方面的現(xiàn)代成型學理論、SSM（SlicingSolidManufacturing）、FDM工藝，并開展了基于SL工藝的金屬模具的研究；華中科技大學研究LOM工藝，推出了HRP系列成形機和成形材料；西安交通大學開發(fā)出LPS和CPS系列的光固化成形系統(tǒng)及相應樹脂，CPS系統(tǒng)采用紫外燈為光源，成形精度0.2mm。但RP技術在國內(nèi)的應用還不十分廣泛，目前僅限于大型企業(yè)和少部分科研院所。國內(nèi)已成立多家RP服務中心，開始應用RP技術開發(fā)新產(chǎn)品。香港較內(nèi)地RP技術起步較早，香港生產(chǎn)力促進局和香港科技大學、香港理工大學、香港城市大學等都擁有RP設備，但其重點是RP技術應用與推廣而不是研制RP設備。臺灣大學擁有LOM設備，臺灣各單位及軍方安裝多臺進口SL系列設備。目前國內(nèi)在RP技術的研究應用上存在著研究隊伍比較薄弱，資金投入有限，應用普及范圍不夠，沒有統(tǒng)一協(xié)調的管理機制等缺陷。

國內(nèi)快速成形技術的發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)有多所高校自20世紀90年代初33快速成型技術課件34快速成型技術

(RP)

快速成型技術(RP)35快速成型技術(RP)的起源1979年，東京大學的中川威雄教授利用分層技術制造了金屬沖裁模、成形模和注塑模。20世紀70年代末到80年代初，美國3M公司的AlanJ.Hebert（1978年）、日本的小玉秀男（1980年）、美國UVP公司的CharlesW.Hull（1982年）和日本的丸谷洋二（1983年），各自獨立地首次提出了RP的概念，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化制作三維實體的新思想。CharlesW.Hull在UVP的資助下，完成了第1個RP系統(tǒng)StereolithographyApparatus（SLA），并于1986年獲得專利，這是RP發(fā)展的一個里程碑。隨后許多快速成形概念、技術及相應的成形機也相繼出現(xiàn)?？焖俪尚图夹g(RP)的起源1979年，東京大學36a）b）傳統(tǒng)加工與快速成型比較模具模具設計鑄造焊接鍛壓毛坯（大于工件）半成品半成品工件去除加工設計模具樣品快速成形a）37快速成型技術(RP)的定義快速成型技術(RapidPrototyping&Manufacturing,縮寫為(RP)技術，又叫快速原型技術。RP技術是將計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機數(shù)控技術(CNC)、材料學和激光結合起來的綜合性造型技術。快速成型技術(RP)的定義快速成型技術(RapidProt38快速成型技術(RP)的基本原理快速成型技術是對零件的三維CAD實體模型，生成STL文件、按照一定的厚度進行分層切片處理，生成二維的截面信息，然后根據(jù)每一層的截面信息，利用不同的方法生成截面的形狀，借助計算機控制的成型機完成材料的形體制造。這一過程反復進行，各截面層層疊加，最終形成三維實體。分層的厚度可以相等，也可以不等。分層越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚度分層的目的在于加快成型速度。不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成形材料不同，成形原理和系統(tǒng)特點也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是"分層制造，逐層疊加"，類似于數(shù)學上的積分過程。形象地講，快速成形系統(tǒng)就像是一臺"立體打印機"。快速成型技術(RP)的基本原理快速成型技術是對零件的三維CA39快速成型技術(RP)的成型過程快速成型技術(RP)的成型過程：首先建立目標件的三維計算機輔助設計(CAD3D)模型,然后對該實體模型在計算機內(nèi)進行模擬切片分層,沿同一方向(比如Z軸)將CAD實體模型離散為一片片很薄的平行平面;把這些薄平面的數(shù)據(jù)信息傳輸給快速成型系統(tǒng)中的工作執(zhí)行部件,將控制成型系統(tǒng)所用的成型原材料有規(guī)律地一層層復現(xiàn)原來的薄平面,并層層堆積形成實際的三維實體,最后經(jīng)過處理成為實際零件。快速成型技術(RP)的成型過程快速成型技術(RP)的成型過程40快速成型過程噴粘結劑噴熱熔材料三維產(chǎn)品（樣品/模具）表面處理構造三維模型模型近似處理切片處理激光噴射源固化樹脂切割箔材燒結粉末快速成型過程噴粘結劑噴熱熔材料三維產(chǎn)品（樣品/模具）表面處理41快速成型技術(RP)的技術體系一個比較完整的快速成型技術的技術體系包含CAD造型、反求工程、數(shù)據(jù)轉換、原型制造以及物性轉換等基本環(huán)節(jié)。1、三維CAD造型

三維造型包括實體造型和曲面造型。利用各種三維CAD軟件進行幾何造型,得到零件的三維CAD數(shù)學模型，這是快速成型制造技術的重要組成部分，是獲得初始信息的最常用方法，也是制造過程的第一步。目前較著名的CAD軟件系統(tǒng)主要有Pro／Engineer，AutoCAD，I—DEAS，Unigraphics，CATIA，CADKEY等，其三維造型方式主要有實體造型和曲面造型，三維數(shù)據(jù)格式主要有IGES，DXF，VDA—FS，Uni—versallFiles等。目前許多CAD軟件在目前系統(tǒng)中加入一些專用模塊，將三維造型結果進行離散化，生成面片模型文件(STL文件、CFL文件等)或層片模型文件(LEAF文件、CLI文件、HPGL文件等?？焖俪尚图夹g(RP)的技術體系一個比較完整的快速成型技術422、反求工程

物理形態(tài)的零件是快速成型制造技術中零件幾何信息的另一個重要來源。這里既包括天然形成的各種幾何形體，也包括利用各種技術手段，如鍛造、鍛壓、焊接、車、銑、刨、磨、堆積等傳統(tǒng)工藝加工而成的幾何實體。幾何實體包含了零件的幾何信息,但這些信息必須經(jīng)過反求工程將三維物理實體的幾何信息數(shù)字化,將獲得的數(shù)據(jù)進行必要的處理后,實現(xiàn)三維重構而得到CAD三維模型。反求工程是將三維的物理實體幾何信息數(shù)字化的一系列技術手段的總稱，它完成實物信化的功能。反求工程的整個過程主要由兩個部分組成，首先是零件表面數(shù)字化，提取零件的表面三維數(shù)據(jù)。主要的技術手段有三坐標測量儀、三維激光數(shù)字化儀、工業(yè)CT和磁共振成像MRI，以及自動斷層掃描儀等。通過三維數(shù)字化設備得到的數(shù)據(jù)往往是一些散亂的無序點或線的集合，還必須對其進行三維重構得到三維CAD模型，或者層片模型等。2、反求工程

物理形態(tài)的零件是快速成型制造技術中零件幾何433、數(shù)據(jù)處理與轉換

快速成型系統(tǒng)比繪圖儀、打印機要復雜得多，同時設備工藝也具有更大的多樣性，因此利用快速成型系統(tǒng)制造零件并不像使用打印機、繪圖儀那樣簡單，只要將CAD系統(tǒng)的文件發(fā)送過去就行了。三維CAD造型或反求工程得到的數(shù)據(jù)必須進行大量處理，才能用于控制RP成型設備制造零件。數(shù)據(jù)處理的主要過程包括表面離散化，生成STL文件或CFL文件，分層處理生成SLC、CLI、HPGL等層片文件，根據(jù)工藝要求進行填充處理，對數(shù)據(jù)進行檢驗和修正并轉換為數(shù)控代碼。3、數(shù)據(jù)處理與轉換

快速成型系統(tǒng)比繪圖儀、打印機要復雜得44表面離散化是在CAD系統(tǒng)上對三維的立體模型或曲面模型內(nèi)外表面進行網(wǎng)絡化處理,即用離散化的小三角形平面片來代替原來的曲面或平面,經(jīng)網(wǎng)絡化處理后的模型即為STL文件.該文件記錄每個三角形平面片的頂點坐標和法向矢量.然后用一系列平行于X2Y平面(可以是等間距或不等間距)對基于STL文件表示的三維多面體模型用分層切片算法對其進行分層切片,然后對分層切片信息進行數(shù)控后處理,生成控制成型機運動的數(shù)控代碼.目前已經(jīng)有許多比較成熟的RP專用數(shù)據(jù)處理軟件面市。如BridgeworksandSolidView，Brockware，StlView，Velocity，Z_Shifter，RapidTools，RapidPrototypingModule，RapidTools，以及清華大學激光快速成型中心開發(fā)的Lark’98等。表面離散化是在CAD系統(tǒng)上對三維的立體模型或曲面模型內(nèi)外表面454、原型制造

即利用快速成型設備將原材料堆積成為三維物理實體。材料、設備、工藝是快速原型制造中密切相關的三個基本方面。不同的工藝要求不同的材料，要求不同的設備來實現(xiàn)。這里材料問題是一個基本的問題。目前許多制造商可以提供多種快速原形設備，而且新的工藝設備也在不斷出現(xiàn)。常見的系統(tǒng)有3DSystems的SLA—250，Helisys的LOM—2030，Stratasys的FDM1650，F(xiàn)DM2000，F(xiàn)DM8000，國內(nèi)清華大學激光快速成型中心的MRPMS—II等。各種設備具有不同的特點和局限，有著不同的應用范圍。4、原型制造465、物性轉換通過快速原形系統(tǒng)制造的零件的力學、物理性質往往不能直接滿足需要，仍然需要進一步的處理，即對其物理性質進行轉換。該環(huán)節(jié)是RP&M實際應用的一個重要環(huán)節(jié)，包括精密鑄造、金屬噴涂制模、硅膠模鑄造、快速EDM電極、陶瓷型精密鑄造等多項配套制造技術，這些技術與RP技術相結合，形成快速鑄造、快速模具制造等新技術。在目前RP制造技術尚不能直接制造滿足工業(yè)要求的結構和功能零件的情況下，這是RP技術走向工業(yè)應用的重要橋梁。5、物性轉換47快速成型技術(RP)系統(tǒng)分類RP系統(tǒng)可分為兩大類：1、基于激光或其它光源的成形技術，如：立體光造型（Stereolithography：SL）、迭層實體制造（LaminatedObjectManufacturing：LOM）、選擇性激光燒結（SelectedLaserSintering：SLS）、形狀沉積制造（ShapeDepositionManufacturing：SDM）等；2、基于噴射的成形技術，如：熔融沉積制造（FusedDepositionModeling：FDM）、三維打印制造（ThreeDimensionalPrinting：3DP）等?？焖俪尚图夹g(RP)系統(tǒng)分類RP系統(tǒng)可分為兩大類：48快速成型技術(RP)的劃分方法目前基于快速成型技術(RP)開發(fā)的工藝種類較多,可以分別按所用材料劃分,成型方法劃分為1)利用激光或其它光源的成型工藝的成型:---立體光造型(簡稱SL),或光固化快速成型;---疊層實體造型(簡稱LDM)---選擇性激光燒結(簡稱SLS)---形狀層積技術(簡稱SDM);2)利用原材料噴射工藝的成型:---熔融層積技術(簡稱FDM)---三維印刷技術(簡稱3DP)其它類型工藝有:---樹脂熱固化成型(LTP)---實體掩模成型(SGC)---彈射顆粒成型(BFM)---空間成型(SF)---實體薄片成型(SFP)快速成型技術(RP)的劃分方法目前基于快速成型技術(RP)開49目前較為成熟的快速成型方法及典型成形工藝目前快速成型技術的成型工藝方法有十幾種,各種方法有自身的特點和實用范圍。比較成熟并已商品化的成型方法有：1、立體光固化成型法(SM)2、選擇性激光燒結法(SLS)3、疊層制造法(UM)4、熔融沉積造型法(FDM)5、LSL(LaserSteroLithography)法目前較為成熟的快速成型方法及典型成形工藝目前快速成型技術的成50自美國3D公司1988年推出第一臺商品SLA快速成形機以來，已經(jīng)有十幾種不同的成形系統(tǒng)，其中比較成熟的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。其成形原理分別介紹如下：（1）光固化成形（簡稱：SLA或AURO）(SL—Stereolithography)光敏樹脂為原料：SLA快速成形系統(tǒng)的成形原理：

--成形材料：液態(tài)光敏樹脂；

--制件性能：相當于工程塑料或蠟模；

--主要用途：高精度塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。光固化成形是最早出現(xiàn)的快速成形工藝。其原理是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。光固化工藝的設備做出的零件其優(yōu)點是精度較高、表面效果好，零件制作完成打磨后，將層層的堆積痕跡去除,但運行費用高，且強度低，無法進行裝配。自美國3D公司1988年推出第一臺商品SLA快速成形機以來，51例如：光敏樹脂固化成型原理：基于光敏樹脂受紫外光照射凝固的原理，計算機控制激光逐層掃描固化液槽中的光敏樹脂。每一層固化的截面是由零件的三維CAD模型軟件分層得到，直至最后得到光敏樹脂實物原型。例如：52快速成型技術課件53（2）粉末燒結成形（簡稱：SLS(SelectiveLaserSintering)）蠟粉為原料：SLS快速成形系統(tǒng)的成形原理：

--成形材料：工程塑料粉末；

--制件性能：相當于工程塑料、蠟模、砂型；

--主要用途：塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。SLS法采用各種粉末(金屬、陶瓷、蠟粉、塑料等)為材料，在激光照射下燒結的原理，利用滾子鋪粉，用CO2高功率激光器對粉末進行加熱，在計算機控制下堆積成形，直至燒結成塊。其優(yōu)點是多零件制作時速度快；但精度較低，后處理工藝復雜。利用該方法可以加工出能直接使用的金屬件。（2）粉末燒結成形（簡稱：SLS(SelectiveLas54（3）SLA使用二氧化碳激光器燒結粉末材料（如蠟粉，PS粉，ABS粉，尼龍粉，覆膜陶瓷和金屬粉等）。成型時先在工作臺上鋪一層粉末材料，激光束在計算機的控制下，按照截面輪廓的信息，對制件的實心部分所在的粉末進行燒結。一層完成后，工作臺下降一個層厚，再進行后一層的鋪粉燒結。如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。特點：這種方法適合成型中小型零件，能直接制造蠟模或塑料，陶瓷和金屬產(chǎn)品。制件的翹曲變形比SLS工藝小，但仍需對容易發(fā)生變形的地方設計支撐結構。這種工藝要對實心部分進行填充掃描燒結，因此成型時間較長。和、可燒結覆膜陶瓷粉和覆膜金屬粉，得到成型件后，將制件置于加熱爐中，燒掉其中的粘結劑，并在孔隙滲入填充物。它最大的優(yōu)點在與適用材料很廣，幾乎所用的粉末都可以使用，所以其應用范圍也最廣。（3）SLA55（4）LSL(LaserSteroLithography)法LSL法是以各類樹脂為成形材料，以氦-鎘激光器為能源，以樹脂受熱固化為特征的快速成形方法。具體做法是，由CAD系統(tǒng)設計出零件的三維模型，然后分屬設定工藝參數(shù)，由數(shù)控裝置控制激光束的掃描軌跡。當激光束照射到液態(tài)樹脂時，被照射的液態(tài)樹脂固化。當一層加工完畢后，就生成零件的一個截面，然后移動工作臺。加上一層新的樹脂，進行第二層掃描，第二層就牢固地粘貼到第一層上，就這樣一層一層加工直至整個零件加工完畢。（4）LSL(LaserSteroLithography56（5）分層實體成形（簡稱：LOM(LaminatedObjectManufacturing)或SSM）紙為原料快速成形系統(tǒng)的成形原理：

--成形材料：涂敷有熱敏膠的纖維紙；

--制件性能：相當于高級木材；

--主要用途：快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。LOM法的特點是以片材(如紙片、塑料薄膜或復合材料)為材料，片材表面事先涂覆上一層熱熔膠，根據(jù)三維模型每一個截面的輪廓線，在計算機的控制下，利用CO2激光器為能源，用激光束對薄型材料切割片材的邊界線，形成某一層的輪廓，同樣逐步得到各層截面。各層間的粘接利用加熱、加壓的方法，最后形成零件的形狀。該方法的特點是：材料廣泛，成本低；適合成形大中型零件，翹曲變形??；成型時間較短，但尺寸精度不高，材料浪費大，且清除廢料困難。材料品種使用紙材，不能裝配，不適宜做薄壁原型，受濕度影響容易變形，此工藝已基本淘汰。（5）分層實體成形（簡稱：LOM(LaminatedObj57（6）熔融擠壓成形FDM（簡稱：FDM或MEM）(FusedDepositionModeling)使用蠟絲(ABS絲)為原料，快速成形系統(tǒng)的成形原理：

--成形材料：固體絲狀工程塑料；

--制件性能：相當于工程塑料或蠟模；

--主要用途：塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。（6）熔融擠壓成形FDM（簡稱：FDM或MEM）(Fused58FDM的工藝原理：是利用熱塑性材料的熱熔性、粘結性，采用電加熱方式將蠟絲熔化成蠟液，快速成型機的加熱噴頭受計算機控制，根據(jù)水平分層數(shù)據(jù)作x-y平面運動。絲材由送絲機構送至噴頭，經(jīng)過加熱、熔化，從噴頭擠出粘結到工作臺面，然后快速冷卻并凝固。每一層截面完成后，工作臺下降一層的高度，再繼續(xù)進行下一層的造型。如此重復，直至完成整個實體的造型。每層的厚度根據(jù)噴頭擠絲的直徑大小確定。

FDM工藝關鍵是保持熔融的成型材料剛好在凝固點之上，通?？刂圃诒饶厅c高1℃左右。該方法污染小，材料可以回收，運行成本較低。FDM的工藝原理：59快速成型技術課件6010.1.4快速成形工藝是直接根據(jù)產(chǎn)品CAD的三維實體模型數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機處理后，將三維模型轉化為許多平面模型的迭加，再通過計算機控制、制造一系列平面模型并加以聯(lián)結，形成復雜的三維實體零件。快速成形技術具有以下特點1）高度柔性2）技術的高度集成3）設計制造一體化4）快速性5）自由成形制造6）材料的廣泛性10.1.4快速成形工藝是直接根據(jù)產(chǎn)品CAD的三維實體61快速成型技術目前具有以下幾個特點：(1)技術系統(tǒng)化快速成型技術已經(jīng)與其它相關技術結合形成了一個龐大的技術體系。任何一項技術必須與其它技術相結合才能發(fā)揮自己的作用。

(2)需求多樣化隨著快速成型技術的應用領域不斷擴大，人類的實踐領域的不斷擴大，對快速成型技術出現(xiàn)了各種各樣、干差萬別、不同層次的需求。

(3)技術多樣化在快速成型技術體系中任何一個環(huán)節(jié)，都有大量的不同技術工具，這些技術工具都有自己的優(yōu)點與局限，可以滿足不同的需求。沒有什么技術可以占據(jù)統(tǒng)治地位。

(4)技術復雜化快速成型技術是多種高新技術集成的結果，在這個技術體系中任何一項技術都具有很高的技術含量，都是一個復雜的技術系統(tǒng)。(5)技術更新速度不斷加快需求、技術的多樣化使得快速成型領域的競爭非常激烈，現(xiàn)有技術不斷改進，新工藝技術不斷出現(xiàn)，技術的更新?lián)Q代速度越來越快?？焖俪尚图夹g目前具有以下幾個特點：(1)技術系統(tǒng)化快速