先进制造技术3-9

快速成形制造RPM

-------Rapid

Prototyping

Manufacturing

产生的背景

技术原理（要求掌握）分类（要求掌握）

应用场合快速成型技术全球市场一体化，制造业竞争激烈，使得产品更新换代日益加快。1.产生背景

企业的竞争力将主要体现在根据市场要求，不断地推出新产品。 传统制造方法的瓶颈机床设备和工模具，费时又费钱。有些企业往往由于缺乏产品成形制造能力而造成产品设计不尽合理或上市太慢，错过大好的市场机遇。

RapidPrototyping-RP快速成型技术RP技术是20世纪80年代后期发展起来的一项高科技成果。

RP技术对制造业的影响可以和20世纪50～60年代发展起来的数控技术相媲美。

RP技术是基于离散(discrete)和堆积(deposit)原理，将零件的CAD模型按一定方式离散，成为可加工的离散面、离散线和离散点，而后采用物理或化学手段，将这些离散的面、线段和点堆积而形成零件的整体形状。增材制造AdditiveManuf.2.技术原理SLA–光固化立体造型法，三维光刻法,SLS－激光粉末烧结法；LOM－薄片叠层法；FDM－熔丝堆积法；3.RP工艺方法的分类

SL-Stereo(铅版,立体照片)Lithogra-phy(平版印刷术)ApparatusSL法最成熟，也是市场的最大占有者。美国3DSystems公司1988年制造第一台原型机（SLA-1）发明人CharlesHul，1984年获美国专利3.1

三维光刻法

基于液态光敏(photosensitive)树脂(resin)的光聚合(

polymerize)原理。

光敏树脂在一定波长和功率的紫外激光的照射下能够迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也能从液态转变为固态。三维光刻法的工作原理*13一层扫描完成后，除该层及之前成型部分，其余仍是液态树脂。升降台带动工作台下降一层高度，成型面上又布满一层树脂。刮平器刮平树脂液面，再进行下一层的扫描；新固化的一层牢固地粘在前一层上。如此重复直到整个零件制造完毕，即得到一个三维实体模型。刮平器升降台工作台三维光刻工艺的工作原理*14原理演示*15SLA成型机产品——LPS系列气体激光型（He-Cd50mw)：LPS250型(A,B,C配置)LPS350型(A,B,C配置)LPS600型(A,B,C配置)激光器寿命>2000小时配用材料：XH-1,420元/公斤精度高、表面质量好(精度在0.1mm国内SLA精度在0.1—0.3mm之间，并且存在很大的波动性）；；原材料利用率接近100%;制造出来的原型件，可以制造各种模具。成形速度较快、系统工作相对稳定能制造形状特别复杂（如空心零件）、特别精细（如首饰、工艺品等）的零件；三维光刻法的工艺特点*18SLA快速成型技术缺点1、需要专用的实验室环境，成型件需要后处理，比如：二次固化，防潮处理等工序。2、尺寸稳定性差，随着时间推移，树脂会吸收空气中的水分，导致软薄部分的翘曲变形，进而极大地影响成型件的整体尺寸精度（圆会不像圆是SLA最大的缺陷，竖向）

；3、氦-镉激光管的寿命仅3000小时，价格较昂贵，由于需对整个截面进行扫描固化，成型时间较长，因此制作成本相对较高。4、可选择的材料种类有限，必须是光敏树脂。由这类树脂制成的工件在大多数情况下都不能进行耐久性和热性能试验，且光敏树脂对环境有污染，使皮肤过敏。5、需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位，支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。

SLS-Selective（选择性的）Laser（激光）Sintering(烧结)

美国C.R.Dechard1989年发明3.2选择性激光粉末烧结法SLS工艺的工作过程粉末平铺(工作台)工作平台下降(约0.1mm)粉末烧结(激光束扫描)辊子刮平层与层烧结三维实体原型SLS工艺的工作过程*23原理演示材料适应面广塑料材料陶瓷、石蜡等材料直接制造金属零件无需加支撑没被烧结的粉末起支撑作用

可烧结制造空心、多层镂空的复杂零件。零件的构建时间较短，可达到1in/h高度

SLS的工艺特点*26SLS快速原型技术缺点

1、需要专门实验室环境，维护费用高昂。2、在加工前，要花近2小时的时间将粉末加热到熔点以下，当零件构建之后，还要花5-10小时冷却，然后才能将零件从粉末缸中取出。3、成形件强度和表面质量较差，精度低。表面的粗糙度受粉末颗粒大小及激光光斑的限制，一般不适宜做比较小的部件。4、零件的表面多孔性，为了使表面光滑必须进行渗蜡等后处理。在后处理中难于保证制件尺寸精度，后处理工艺复杂，样件变型大，无法装配。5、需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工的成本高。6、该工艺产生有毒气体，污染环境。*29原理演示*30实物演示LOM工艺只需要在片材（如纸、塑料薄膜等）上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此易于制造大型、实体零件。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，故无需支撑。零件的精度较高（<0.15mm）。薄片分层叠加成形法的工艺特点*32Lom快速原型技术的缺点

1、需要专门实验室环境，维护费用高昂。2、可实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材料，例如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是纸，其他箔材商在研制开发中。3、表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；且纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上漆。4、难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。5、由于难以（虽然并非不可能）去除里面的废料，该工艺不宜构建内部结构复杂的零件。6、当加工室的温度过高时常有火灾发生。因此，工作过程中需要专职人员职守。

FDM（Fused(熔丝的)

Deposition（沉积）Manufacturing）美国学者Dr.ScottCrump提出1988年美国Stratasys推出商业化机器3.4熔丝堆积法

FDM工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘接性，在计算机控制下层层堆积成型。FDM工艺的工作原理抽丝(热塑性材料)工作台下降喷头运动(沿零件截面轮廓和填充轨迹)加热熔化（喷头内）三维实体原型熔丝挤出,固化FDM工艺的工作过程*36实物演示FDM工艺不需要激光工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾，使用、维护简单，制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的危险。成本较低，原材料费用低，一般零件均低于20美元；原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。可快速构建瓶状或中空零件。可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、浇铸用蜡和人造橡胶。FDM工艺特点*38FDM快速原型技术的缺点1、精度较低，难以构建结构复杂的零件。2、垂直方向强度小。3、速度较慢，不适合构建大型零件

TDP,3DP（ThreedimensionPrinting)麻省理工学院的EmanualSachs等提出3.5三维打印TDP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金属粉末、甚至淀粉和石膏粉末等。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。a.TDP工艺的工作原理b.TDP工艺的工作过程*423DP快速成形技术的优点1)3DP快速成形机类似打印机，易于操作，工艺过程较为清洁，可作为计算机的外围设备用于办公环境。2)可使用多种原材料，如淀粉加粘合剂、液态蜡，熔融塑料或光敏树脂等。3)3DP快速成形机的价格较为便宜。4)成形速度较快，Z406型TDP快速成形机单色每分钟可打印6层(0．6mm厚)。*433DP快速成形技术的缺点1)精度和表面粗糙度不够理想，主要用于制作概念模型，不适合构建结构复杂和细节较多的原型。2)由于材料从喷嘴中喷出，以微粒堆砌成为三维原型，微粒粘合力有限，原型的强度较小。*44总结:

快速成形的基本流程CAD前处理快速造型后处理三维模型生成STL文件建立支撑切片造型除去支撑清理表面稳定处理成品*45基于快速成形工艺的金属加工比较*46快速成形技术的性能和价格比较成形工艺光敏树脂固化薄材叠层制造激光粉末烧结三维打印主要供应商

3DSystems

CubicTechnologies

EOS

Z—Corporation设备型号

SLA5000

LOM2030H

EOSintM250

Z6lO最大成行尺寸（mm）

508×508×584

8l2x560x508

250×250×200

203×254×203成形速度中等快中等很快成形精度很高一般高一般光洁度很高一般一般一般主要优点原型形状精确原型尺寸大原型较精确成形速度快设备类型较多材料便宜材料多样化彩色原型主要缺点需要支撑结后处理费事设备价格高原型强度低构和后处理原型精度低表面光洁度低表面光洁度低堆砌材料片状、粒状、液体堆砌技术胶粘剂粘结、光诱导粘结、激光熔合、高分子树脂固化、熔融材料固化RP工艺方法我国于20世纪90年代初研究。

研究机构：华中科技大学快速制造中心陕西省激光快速成形与模具制造工程研究中心西安交通大学先进制造技术研究所（卢秉恒）北京清华大学殷华实业有限公司（颜永年）3.5快速成型技术的发展快速成型技术的应用非常广泛(制造领域的各个行业、医疗、人体工程、文物保护等)。4.快速成型技术的应用新产品验证（设计，功能，可制造性、可装配性检验，市场验证）快速制模技术；反求工程与快速成型；医疗手术模拟；使用快速成型技术快速制作产品的物理模型，以验证设计人员的构思，发现产品设计中存在的问题。使用传统方法制作原型意味着从绘图到工装模具设计和制造，一般至少历时数月，经过多次返工和修改。采用快速成型技术则可节省大量时间和费用。4.1新产品设计验证

使用快速成型技术制作的原型可直接进行装配检验、干涉检查和模拟产品真实工作情况的一些功能试验，如运动分析、应力分析、流体和空气动力学分析等，从而迅速完善产品的结构和性能、相应的工艺及所需工模具的设计。4.2新品功能验证

快速成型技术是一种面向装配和制造设计的配套技术，对开发结构复杂的新产品（如汽车、飞机、卫星、导弹等），事先验证零件的可制造性、零件之间的相互关系以及部件的可装配性尤为重要。4.3可制造性、可装配性检验

在新产品正式投产之前或按照定单制造时，需要制作产品的展览样品或摄制产品样本照片，采用快速成型是理想的方法。当客户询问产品情况时，能够提供物理原型无疑会加深客户对产品的印象。4.4新品市场验证

根据CT扫描信息，快速制作出实物模型，可以进行手术模拟、人体骨关节的配制，颅骨修复。

4.5医疗手术模拟

在许多情况下，人们希望快速成得到的零件与最终零件具有相同的物理机械特性。因此，需要用各种转换技术将快速成型转换为最终零件。

利用硅胶模、环氧树脂与精密铸造等工艺结合制造模具。经过一次或多次转换后制造最终产品，或者将快速成型得到的工件直接用作产品的试制模具，或者将此工件当作母模，制作生产用的模具，加快模具的制作过程。4.6快速制模技术

首先对原模型进行扫描测量，然后用快速成型作出铸造用的蜡模，经过精密铸造就得到金属零件。4.7反求工程与快速成型SLS工艺成形的叶轮原型

北京殷华公司为四川空分(集团)有限公司制造了复杂型面叶轮原形型共三个，轮廓清晰，表面质量好，尺寸稳定，达到验收标准。CAD造型4.8复杂型面叶轮成形件的尺寸大小5.快速成形方法的选择

每种型号的成形机有自己的规格大小，原则上工件不能超过其上限值；

采用LOM成形的纸基工件粘结性能较好，因此，可分割成“块”做，然后粘结成“整体