《快速成型制造技术》-复习

《快速成型制造技术》_复习第一页，共130页。快速制造技术是由

计算机辅助设计（CAD）、

逆向工程（ReverseEngineering，简称RE）、

快速成形（RapidPrototyping，简称RP，或RapidPrototypingandManufacturing，简称RP&M）、

快速制模（RapidTooling，简称RT）一起在信息互联网支持下，形成的一套快速制造系统的技术。 快速制造技术经过十几年的发展，在快速设计、逆向工程、快速成形、快速制模等各方面都有了长足的进步。

第二页，共130页。

逆向工程（RE）、快速成形技术（RP&M）和快速制模技术（RT）是先进制造技术和设计技术中相当重要的部分。

RE、RP&M、RT在产品设计与制造中的应用使得产品以优良的品质、低廉的制造成本加速进入市场。第三页，共130页。逆向工程(ReverseEngineering)也称反求工程、反向工程，它起源于精密测量和质量检验，是设计下游向设计上游反馈信息的回路。实物逆向工程是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品和实物模型转化为工程设计模型和概念模型，并在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。第四页，共130页。快速成型（RapidPrototyping，RP）技术是一种离散/堆积的加工技术，其基本过程是首先将零件的三维实体沿某一坐标轴进行分层处理，得到每层截面的一系列二维截面数据，按特定的成形方法（LOM、SLS、FDM、SLA等）每次只加工一个截面，然后自动叠加一层成形材料，这一过程反复进行直到所有的截面加工完毕生成三维实体原型。液态光敏树脂固化(SLA，StereolithgraphyApparatus)熔融沉积成形（FDM，FusedDepositionModeling）选择性激光烧结（SLS）分层实体制造（LOM）实体磨削固化（SGC，SolidGroundCuring）3DP……快速模具(RapidTooling，RT)技术指利用快速原型(RapidPrototyping，RP)技术制造快速模具，即RP+RT第五页，共130页。第六页，共130页。建立一套完整的逆向工程系统需要下列基本配备：测量设备，例如：三坐标测量仪、三维扫描仪；点数据处理软件（逆向工程软件）：Imageware、Geomagic…CAD/CAM/CAE软件：UG、Pro/E、CATIA…CNC机床；快速成型机等。第七页，共130页。数据获取方法非接触方法接触方法光学声学磁学三角形法距离法结构光法图象分析法触发式连续式干涉测量法MRI测量法CT测量法

超声波法

逐层切除测量法第八页，共130页。

将被测物体置于三坐标机的测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测对象的几何尺寸、形状和位置。第九页，共130页。使用手动或CNC利用一个可以做多方向感测指示的球形电子测头，沿着X、Y、Z，3轴移动以进行测量。测量时，测头与工件表面保持切线接触，达到特定压力时，即可触发信号，撷取测头的X、Y、Z方向相对基准点的坐标。经计算机计算处理，可得测头与真实尺寸的关系，进而纪录点资料并作为后续逆向工程或相关工作做用。三坐标测量仪(CMM)是接触式测量的代表，它是一种发展较为成熟的接触式测量设备，具有噪声低、精度高（可达±0.5μm）、重复性好等优点，但测量速度慢、效率低，对软体对象难以做精密测量，需要对测头表面损伤和测头半径进行补偿，测量数据的特点是高精度低密度。使用接触式时，有这样一些参数需要考虑：探头型状、大小、扫描间隔、步进距离，允许误差，扫描速度，扫描方向，扫描模态（固定速率或变化速率，单向或往复）等。一般扫描方向与模型陡峭面成正交为佳。由于工件形状的不同，所以常常要将模型分成不同的区域以不同参数扫描。第十页，共130页。非接触式测量系统是利用LED或激光光源，经聚光透镜直射待测工件物体，反射光线经传感器可以测得到位置坐标值。根据物理作用方式的不同，非接触式测量法可分为光学法、工业CT、超声波法和磁共振（MRI）等。在逆向工程中，光学测量法应用最为广泛。典型的光学测量法有基于三角测量原理的主动式结构光编码测量和基于图象分析的被动式断层测量。根据编码光的结构，主动式结构光编码的三角测量法可分为单激光点扫描法、光切法（LightSectioning）和投影光栅法等。其中，单激光点扫描法测量精度高，速度最低。相比之下，投影光栅法精度较低但数据获取速度最高，而光切法的测量精度和速度都较理想。第十一页，共130页。(1)按自动化程度分(a)数显示及打印型 (b)带小型计算机的测量机(c)计算机数字控制(CNC)型(2)按结构形式与运动关系分类移动桥式、龙门式、悬臂式、水平臂式、坐标镗床、卧镗式和仪器台式等。(3)按测量范围分类(a)小型坐标测量机 (b)中型坐标测量机 (c)大型坐标测量机(4)按精度分类低精度测量机的单轴最大测量不确定度大体在1×10-4L左右，而空间最大测量不确定度为(2～3)×l0-4L，其中L为最大量程；中等精度的其单轴与空间最大测量不确定度分别约为1~10-5L和(2～3)×10-5L；精密度的则分别小于1×10-6L和(2～3)×10-6L。(5)按测量探头是否和零件表面接触分类三坐标测量机按测量探头是否和零件表面接触可分为接触式、非接触式。非接触式又可分为激光式、光学式等。第十二页，共130页。大型三坐标测量机大型三坐标测量机主要用来检测如飞机机翼、机身、汽车外壳以及航天器上的大型零部件。大型测量机的X方向的测量范围一般在2000mm以上。一般来说，大型测量机都配有较大容量的计算机，不但能进行数控测量，而且能自动对零件轮廓进行表面连续扫描。中型三坐标测量机中型三坐标测量机是机械制造工业中用的最广泛的一种，适用于汽车、航空、机床、工具制造等领域。中型测量机的测量范围是指X坐标在500～1200mm范围内。中型测量机的品种规格相当多。小型三坐标测量机小型三坐标测量机主要用于电子工业、机器制造工业中的小型零不见的检测。小型测量机的测量范围一般是X轴方向小于500mm。一般来说，小型测量机的精度都较高。第十三页，共130页。

悬臂式测量机龙门固定式测量机龙门移动式测量机活动桥式测量机固定桥式测量机第十四页，共130页。第十五页，共130页。3D扫描的应用医学质量管理CAD/CAM其它几何造型、CNC模具与零件加工、电极制作、RP实体模型检测立体定位手术人体测量1．动画2．电影3．广告4．虚拟世界美容服装设计化妆第十六页，共130页。(1)应用行业模具及机加工汽车制造玩具兵器航空航天造船家用电器医学整形乐器考古动画设计(2)应用部门产品设计部门柔性三坐标测量逆向（反向）设计设计改进快速设计快速模具零部件存档修改存档产品性能仿真及计算机辅助工程CAE生产车间及设备检修部门现场测量重大物体测量在线检测模具修改存档设备检修品质保证部门快速测量在线检测质量检测配套零部件质量监控管理部门制造过程优化运行风险控制运行成本控制第十七页，共130页。测量数据的三维实体重构是目前逆向工程领域研究的“瓶颈”。工程实际中原型往往不是由一张简单曲面构成，而是由大量初等解析曲面（如平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面等）及部分自由曲面组成，故三维实体重构的任务是：将测量数据按实物原型的几何特征进行分割，针对不同数据块采用不同的曲面建构方案（如初等解析曲面、B-spline曲面、Bezier曲面、NURBS曲面等）进行造型，将这些曲面块拼接成实体。第十八页，共130页。目前比较流行的复杂曲面重构软件有美国IMAGEWARE公司的Surface，法国MATRA公司的Equlidstyler，英国DELCAM公司的CopyCAD等，它们大都具有“点云”数据处理、曲线曲面构造、曲面拼接、重构质量分析等功能。实体造型还需借助通用CAD软件，如Pro/E、UG、CATIA、Cimatron以及Strim等。初等解析曲面的造型相对比较成熟，自由曲面的CAD建模是逆向工程的关键技术之一。第十九页，共130页。读入点云是否存在多视点云检查数据对齐多视点云过滤、精简点云分块是否第二十页，共130页。特征提取主要针对平面、柱面、球面、锥面等二次曲面的识别与点云数据分块，其主要方法可大致分为三种：基于边的方法（Edge-BasedMethod）基于面的方法(Surface-BasedMethod)混合法（HybridMethod）。数据分块是指将点云数据划分成互不重叠、特征单一的连通区域。由区域分割的定义不难看出，数据分块与特征提取具有其内在的联系，两者密不可分，属“蛋”与“鸡”的问题。通过数据分块进行曲面重建是逆向工程建模的基本方法。

第二十一页，共130页。基于边的方法：主要针对图象数据的几何特征提取与区域分割。分割特征包括：尖边（CreaseEdge）、跳跃边（JumpEdge）、光顺边（SmoothEdge,VirtualEdge）三种边界上的点及曲面上的点，根据边界数据点曲率的特殊性（极值点，不连续点）识别Creaseedge与Jumpedge上的点，然后利用边界数据点将图像数据分割成互不连通的独立区域。正象所有的基于边的区域分割方法一样，这种方法不能识别SmoothEdge，而且识别的边界通常不封闭，因此该方法很难获得良好结果。基于面的方法：主要应用二次曲面法矢、曲率(平均曲率和高斯曲率)具有一定规律的特性进行区域分割。基于面的方法又可细分为基于二次曲面曲率特殊性的方法和拟合误差控制的方法。第二十二页，共130页。在逆向工程的技术发展中有一重要课题，即是建立产品的CAD模型，并由此可再进一步的到CAM处理或CAE的分析，而仿制出产品的外型。CAD模型是由许多不同的几何形状所组合而成，而每一种几何形状皆有其特性。曲面重构是逆向工程的最重要的一步，也是反求工程CAD建模的主要目的之一。曲面重构是以所测量的CMM或扫描点资料为输入资料来重新建构曲面模型。得到产品的数据资料后，用逆向工程软件进行点资料的处理，经过分门别类、群组区隔、点线面与实体误差的比对后，在重新建构曲面模型，产生CAD资料，制造或NC加工或RP制作。重构曲面的品质和精度直接影响最终产品的CAD模型的优劣。

第二十三页，共130页。(1)构思分割曲面在建立曲面前，应先了解曲面变化的情况，也就是了解如何利用各种特征曲线去制造出所须的曲面，并规划出如何分割曲面，并且还要注意面与面之间必须一致，视其曲面的形状及走向来决定曲线。曲面重构的方法很多，可以由点资料所组成的图素中截取所要的特征曲线，加以铺设曲面。也可以利用加工路径的原理，设定刀具，设定精度，设定加工方式，对图素作加工的仿真，取得各种加工路径成为曲面重建的工作图素，(2)选取特征曲线利用刀具路径的方法取得的3D曲线后，再利用2D设计图的轮廓线，进行曲面分割。(3)曲面光顺处理利用完成的曲面，产生triangle格式，并着色检查其表面的品质。通过对经线（lat）、纬线（lon）的向量的调整可进行光顺处理，若曲面变化不大则可减少经线（lat）及纬线（lon）的数量，并且也可利用轮廓线来修整曲面边界。第二十四页，共130页。点云分割选择适当的造型方法生成曲面曲面质量评价（精度、光顺性）曲面裁剪、生成外表面外表面光顺性评价第二十五页，共130页。随着反求工程技术的不断发展和应用，商业化的反求工程软件也不断涌现并日渐成熟。目前较为成熟的通用反求工程软件有：ImagewareSurfacerGeomagicDelcamCimatronStrim……

第二十六页，共130页。G0连续又叫点连续。是指曲线或曲面与任意平面交线是连续曲线，没有断点，即曲线方程连续。对曲面来说就是没有裂缝。G1连续又叫相切连续。是指曲线或曲面与任意平面交线平滑无折点（相切），即曲线方程一阶导数连续。对曲面来说，就是处处圆滑相切，没有楞，显示曲率时颜色没有突变。G2连续又叫曲率连续。是指曲线或曲面与任意平面交线的各点曲率连续，作曲率分析的曲线是连续曲线，无断点。第二十七页，共130页。计算机辅助设计软件产生的模型文件输出格式有多种，其中常用的有IGES、HPGL、STEP、DSF、STL等。（1）IGES（InternationalGraphicsExchangeStandard）是大多数CAD系统采用的一种美国标准，可支持不同文件格式间的转化；（2）HPGL（HPGraphicsLanguage）是HP公司开发的一种用来控制自动绘图机的语言格式，它已被广泛地接受，成为一种事实标准。这种表达格式的基本构成是描述图形的矢量，用X和Y坐标来表示矢量的起点和终点，以及绘图笔相应的抬起和放下。一些快速成形系统也用HPGL来驱动它们的成形头；（3）STEP（StandardforTheExchangeofProduct）是一种正在逐步国际标准化的产品数据交换标准。目前，典型的CAD系统都能输出STEP格式文件，有些快速成形技术的研究工作者正试图借助STEP格式，不经STL格式的转化，直接对三维CAD模型进行切片处理，以便提高快速成形的精度；（4）DXF是用于AutoCAD输出的一种格式，它已广泛地为其它PC系统所采用；（5）STL（StereoLithographyinterfacespecification）是快速成形机常采用的一种格式。第二十八页，共130页。RP系统可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。整个过程是在计算机的控制下，由快速成形系统自动完成的。不同公司制造的RP系统所用的成形材料不同，系统的工作原理也有所不同，但其基本原理都是一样的，那就是“分层制造、逐层迭加”。这种工艺可以形象地叫做“增长法”或“加法”。每个截面数据相当于医学上的一张CT像片整个制造过程可以比喻为一个“积分”的过程。

第二十九页，共130页。RP系统可在未实际生产制造产品之前，制作出与实际产品的模型，分送各个部门做正确的评估。在逆向工程中RP样件可以:1．设计评估（DesignReview）RP原型可作为设计过程所用的概念模型（ConceptModel），它比图面或计算机图形更能表达设计者的概念，且更能让非专业人员一目了然地评估产品。2．设计确认（DesignVerification）RP原型是依据CAD模型制造出来。任何复杂的机构或形状的工件都可以不须经过任何机械加工，由RP系统制造，进而设计或组装测试。CAD可提供迅速修改设计的能力，再搭配RP系统快速制造，节省加工程序设计之花费，避免设计错误或修改所造成的成本浪费。3．评估加工制造特性（Manufacturability）制造部门可依据RP工件仿真加工方法及流程，在末实际加工前，找出加工限制，提供设计者做为修改设计的依据，从而降低制造成本，加强产品品质。4．可作为各式模具的样模（PatternsforMould）RP原型可作为翻砂铸造、脱腊铸造、压铸、射出模，真空成型或硅胶模的原型。由RP原型翻制模具只须几天的时间，而不需耗上数周或数月的时间。5．产品展示（Presentation）RP工件可提供客户在买卖前对产品进行深入的评估。若客户认为产品应做某些修正，RP系统也可在短时间内依据修改后的资料，重新制作产品模型，满足客户的需求。第三十页，共130页。据统计，目前世界上已有数百所大学、研究机构和企业正在研究和开发RP技术。国外RP技术的研究和应用主要集中在美国、欧洲和日本。从技术、材料和应用等方面比较来看，总的情况是美国领先于欧洲和日本，欧洲和日本平分秋色。我国在这方面的发展起步较晚，但发展迅速，据美国WohlersAssociates咨询公司称，2002年中国RP设备台数仅次于美国和日本，居世界第三位。

RP技术应用发展很快，一个显著的指标是RP服务机构的数量和收入的快速递增。90年代中后期，国外RP服务的数量以每年59%的速度递增，可以说，国外已经从对RP工艺的熟悉、观望、尝试性应用阶段进入了将RP真正作为产品开发的重要环节，提高产品开发质量、加快产品开发速度的阶段。第三十一页，共130页。RP集成了机械工程、计算机控制、CAD、数控技术、检测技术、激光材料等各种学科的前沿技术，是一种典型的高新技术。(1)RP与CAD技术的关系(2)RP技术与材料科学的关系(3)RP与数控技术的关系(4)RP与激光技术的关系(5)RP与其它相关技术的关系总之，RP技术是多学科的技术集成，它是各门学科协调发展的结果，同时，又为各门学科的发展增添了新的研究内容。第三十二页，共130页。(a)采用金属材料等高强度材料直接成形是RP重要发展方向(b)不同制造目标相对独立发展(c)向大型制造与微型制造进军(d)追求RP的更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性(e)更广泛地和其它科学相交融，形成交叉学科(f)RP设备将日趋人性化和智能化第三十三页，共130页。快速成形的全过程可归纳为三个步骤：1）前处理包括工件的三维模型的构造、三维模型的近似处理、模型成形方向的选择和三维模型的切片处理。2）分层叠加成形是快速成形的核心，包括模型截面轮廓的制作与截面轮廓的叠合。3）后处理包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光和表面强化处理等。第三十四页，共130页。快速原型制造的前处理问题，包括：样件的三维模型的构造确定成形方向（Orientation）必要时建立支撑结构（Support）切片处理第三十五页，共130页。RP系统无法直接读取三维CAD模型文件，要经过转换接口处理。接口的好坏与加工时扫描路径有密切的关系。在计算加工轨迹时，需求出物体每一层的轮廓，轮廓必须是连续的，不能有破洞或空隙，才能判别轮廓内外何者为须扫描的区域。

最常见的方法是：先将三维CAD模型转换成STL格式模型再对STL格式模型进行切片处理STL格式已广为RP系统使用，许多CAD系统都将它纳入成为系统的一部份，一般在CAD系统中只要先设定适当精度，就可由STL接口将CAD实体转为许多小三角形平面。多数反求软件也可直接将处理过的点群转为STL格式。STL就是STereoLithography的缩写，它是将三维模型的表面近似表达为小三角形平面的组合，非常相似于有限元分析中的三结点平面单元。STL格式文件包括许多三角形平面的顶点坐标及法线向量。第三十六页，共130页。STL文件的主要优势在于表达简单清晰，文件中只包含相互衔接的三角形片面节点坐标及其外法向量，属于“中性”文件。STL数据格式的实质是用许多细小的空间三角形面来逼近还原CAD实体模型，这类似于实体数据模型的表面有限元网格划分。STL模型的数据是通过给出三角形法向量的三个分量及三角形的三个顶点坐标来实现的。STL文件记载了组成STL实体模型的所有三角形面，它有二进制(BINARY)和文本文件(ASCII)两种形式。第三十七页，共130页。STL文件的数据格式是采用小三角形来近似逼近三维实体模型的外表面，小三角形数量的多少直接影响着近似逼近的精度。显然，精度要求越高，选取的三角形应该越多。STL文件是面向快速成型制造的，过高的精度要求也是不必要的。所以，从CAD／CAM软件输出STL文件时，选取的精度指标和控制参数应该根据CAD模型的复杂程度以及快速成型精度要求的高低进行综合考虑。

不同的CAD／CAM系统输出STL格式文件的精度控制参数是不一致的，但最终反映STL文件逼近CAD模型的精度指标表面上是小三角形的数量，实质上是三角形平面逼近曲面时的弦差的大小。弦差指的是，近似三角形的轮廓边与曲面之间的径向距离。

第三十八页，共130页。(1)取向规则。(2)点点规则。每一个合理的实体面至少应有1.5条边，因此应该满足三个约束条件：1)面必须是偶数的；2)边必须是3的倍数；3)2×边=3×面。(3)取值规则。STL文件中所有的顶点坐标必须是正的，零和负数是错的。STL文件不包含任何刻度信息，坐标的单位是随意的。很多快速成型前处理软件是以实体反映出来的绝对尺寸值来确定尺寸的单位。STL文件中的小三角形通常是以Z增大的方向排列的，以便于切片软件的快速解算。(4)合法实体规则。STL文件不得违反合法实体规则，即在三维模型的所有表面上，必须布满小三角形平面，不得有任何遗漏(即不能有裂缝或孔洞)，不能有厚度为零的区域，外表面不能从其本身穿过等。第三十九页，共130页。遗漏正确的STL文件所含有的点、边、面和构成的实体数量必须满足欧拉公式：F-E+V=2-2H,其中，F(Face)、E(Edge)、V(Vertix)、H(Hole)分别指面数、边数、点数和实体中穿透的孔洞数。如果一个STL文件中的数据不符合上述的欧拉公式，则该STL文件就有漏洞，在切片软件进行运算时就会产生某一边不封闭的后果，直接造成在快速成型制造中激光束或是刀具行走时漏过该边。出现遗漏的原因：一是两个小三角形片面在空间的交差（实体布尔运算出错）二是在两个连接表面三角形化时不匹配造成的。退化面退化的面不会造成快速成型加工过程的失败。主要包括以下2种类型：(1)点共线。不共线的面在数据转换过程中形成了三点共线的面。(2)点重合。在数据转换运算时造成这种结果。退化面的数据要占据空间，而且这些数据有可能使快速成型前处理的分析算法失败，并且使后续的工作量加大和造成困难。模型错误由CAD／CAM系统中原始模型的错误造成，将在快速成型制造过程中表现出来。错误法矢面进行STL格式转换时，会因未按正确的顺序排列构成三角形的顶点而导致计算所得法向量的方向相反。第四十页，共130页。快速成型属于分层实体制造，故在快速成型系统中，切片处理及切片软件是极为重要的。切片的目的是要将模型以片层方式来描述。通过这种描述，无论零件多么复杂，对每一层来说却是很简单的平面。切片处理是将计算机中的几何模型变成轮廓线来表述。这些轮廓线代表了片层的边界，是用一个以Z轴正方向为法向的数学平面与模型相交计算而得的，交点的计算方法与输入的几何形状有关，计算后得到的输出数据是统一的文件格式。轮廓线是由一系列的环路来组成的，由许多点来组成一个环路。切片软件的主要任务是接受正确的STL文件，并生成指定方向的截面轮廓线和网格扫描线。第四十一页，共130页。1．STL切片(1)直接STL切片

只要求得切片平面与所有与该平面相交的小三角形平面的交线就能求得切片平面内成形件的廓线，这就将问题转化成简单的求两平面的交线问题，然后再将求得的交线端点按外环反时针、内环顺时针排序，就可得到切片平面内成形件的内外廓线，供快速成形机进行数控加工（固化、切割或涂覆、烧结）。精度损失（曲面→小平面，曲线→折线）。(2)容错切片(3)定层厚切片(4)适应性切片2．直接切片

直接从CAD模型中获取截面描述信息。在加工高次曲面时，直接切片(DirectSlicing)明显优于STL方法。第四十二页，共130页。1．准备工件（PartPreparation）A.分层（Slice）分层处理软件是读取STL资料，根据加工方式设定分层厚度（约0.1~0.25mm）及截面路径（Hatch）间距后，算出边界路径（Border）与截面路径（X，YHatch）。分层厚度视加工方式而定，有开环控制与闭环控制之分。对于LOM型一般是闭环的，也就是根据当前层迭的材料厚度确定下一层的层高。对于其它加工类型一般是固定厚度（约0.125~0.25mm）。B.加工参数要设定的加工参数（PrePare，Merge）视加工方式不同而不同。如SLA的主要加工参数树脂硬化深度（CureDepth）、液面水平调整参数（RecoatingParameter）等。树脂硬化深度比分层厚度大，这样各层间才会相互重迭，结合为一体，液面水平之调整是靠上下移动之浮筒（Plunger）调整液面高度，以前后移动之刮板（Recoater）抹平液面。LOM的主要加工参数包括激光切割时的功率和速度、激光切割废料网格的功率和速度、工件边框的参数等。2．加工（build）例如：SLA的加工程序有液面水平调整及激光扫描。激光扫描速度是根据树脂硬化深度自动算出，激光直径约为0.25mm，扫描间距约为0.25mm。LOM的加工程序有覆加材料、加热加压、测定当前层高、按截面形状切割等。

第四十三页，共130页。成形材料：液态光敏树脂；制件性能：相当于工程塑料或蜡模；主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。基本工作原理：用紫外激光在光敏树脂表面扫描，令其有规律地固化，由点到线，再到面，完成一个层面的建造，每次产生零件的一层。在扫描的过程中，只有激光的曝光量超过树脂固化所需的阈值能量的地方，液态树脂才会发生聚合反应形成固态。每一层固化完毕之后，升降工作台移动一个层片厚度的距离，然后将树脂涂在前一层上，再建造一个层。如此反复，每形成新的一层均粘附到前一层上，直到制作完零件的最后一层，成为一个三维实体。这样零件就堆积完毕，再对零件进行一些必要的后处理，整个制做过程就完成了。主要优点：操作环境干净、安全可在办公室环境下进行，制造速度快，材料的质感与ABS相近，材料缩小率低（约在0.005～0.008之间）。适于快速制造小齿轮（尤其是具有小齿者）、小功能件、薄壁小件、造模的用缩小比例件。

第四十四页，共130页。优点：成形过程自动化程度高表面质量优良可以制作结构十分复杂的模型缺点：成形过程中伴随物理和化学变化，制作较易弯曲，需要支撑设备运转及维护成本较高可作用的材料种类较少液态树脂有气味和毒性，且需要避光保护需要二次固化液态树脂固化后的性能不如常用的工业塑料，较脆，易断裂，不便进行机加工第四十五页，共130页。原型叠层制作结束后，工作台升出液面，停留5~10min（晾干）将原型和工作台一起斜放景干，并将其浸入丙酮、酒精等清洗液中，搅动并刷掉残留的气泡，45min后放入水池中清洗工作台由外向内从工作台上取下原型，并去除支撑结构再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化。第四十六页，共130页。常用的有：斜支撑直支撑单腹板双腹板十字壁板第四十七页，共130页。材料：自由基光固化树脂阳离子光固化树脂混杂型光固化树脂变形成型过程中树脂收缩产生变形零件后固化时收缩产生变形变形的控制选择合适的扫描轨迹和扫描间距以减少残存的液态树脂改进树脂的配方，在收缩性树脂中引入适当量的膨胀型单体第四十八页，共130页。汽车航空医学最早公开上市的SLA系统（美国3DSystems公司），其机型有四种形式：SLA-190、SLA-251、SLA-400、SLA-500，数字所代表的意义为可加工之工件的大约宽度，单位为mm。

第四十九页，共130页。成形材料：固体丝状工程塑料；制件性能：相当于工程塑料或蜡模；主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。基本工作原理：将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过加热器熔化，在移动头的运动过程中挤压喷出细丝，按零件的截面形状沉积成一薄层，这样逐层堆积制成一个零件。在沉积过程中，喷头受水平分层数据的控制沿XY移动，同时半流动融丝从FDM喷头中挤压出来，必须精确控制从挤压头孔流出的材料数量和喷头的移动速度，当它和前一层相粘结时很快就会固化，整个零件是在一个活塞上制作的。该活塞可以上下移动，当制作完一层后活塞下降，为下一层制作留出层厚所需的空间。FDM可以使用很多种材料，任何有热塑特性的材料均可作为其候选材料。

主要优点：操作环境干净、安全可在办公室环境下进行，制造速度快，材料的质感与ABS相近，材料缩小率低（约在0.005～0.008之间）。适于快速制造小齿轮（尤其是具有小齿者）、小功能件、薄壁小件、造模的用缩小比例件。第五十页，共130页。优点：系统原理和简单，运行安全，可以使用无毒材料成形速度快可用蜡成型用于失蜡铸造成型过程中无化学变化，变形小原材料利用率高无需清洗缺点：表面有较明显的条纹沿成型轴垂直方向的强度比较弱需要设计与制作支撑结构需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间长原材料价格较贵第五十一页，共130页。将制件从工作台上取下打磨、喷漆、电镀、拋光第五十二页，共130页。材料：成型材料：ABS，医学专用ABSi、MABS塑料丝、蜡丝、聚烯烃树脂丝、尼龙丝、聚酰胺丝等支撑材料各种能够承受一定高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性好的材料第五十三页，共130页。汽车机械航空航天家电通讯电子建筑医学外观评估，方案选择、装配检查、功能测试、看样订货、开模前校验等主要的系统有美国sratasys公司的FDM系统。

第五十四页，共130页。成形材料：工程塑料粉末；制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型；主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。基本工作原理：利用红外激光光束所提供的热量熔化热塑性材料以形成三维零件。在制作区域均匀铺上一薄层热塑性粉末材料，然后用激光在粉末表面扫描零件的截面形状，激光扫描到的地方粉末烧结形成固体，激光未扫描到的地方仍是粉末，可以作为下一层的支撑并能在成形完成后去掉，上一层制作完毕后，再铺平一层粉末，继续扫描下一层。SLS使用的原料有蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙和金属材料等。主要优点：可快速交货（依成品大小区分，一般约在2～4天）。不需支撑。可直接制造出金属件，可作为塑料注塑成形模具。

第五十五页，共130页。优点：可采用多种材料（加热时粘度降低即可）制造工艺简单高精度（原料颗粒为0.1mm以下时能达到1%）材料利用率高，价格便宜，成本低无需支撑结构缺点：能量消耗高原型表面粗糙、疏松多孔第五十六页，共130页。材料：各类粉末：金属、陶瓷、石蜡、聚合物尼龙、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蜡粉、金属粉、覆裹热凝树脂的细砂、覆蜡陶瓷粉、复蜡金属粉等粉末粒度一般在0.050~0.125mm之间第五十七页，共130页。直接制作快速模具复杂金属零件的快速无模具铸造此类系统此类系统主要有美国DTM公司的SLS系统及德国EOS公司之Stereos系统等

第五十八页，共130页。成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸；制件性能：相当于高级木材；主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。基本工作原理：用激光按该层零件的轮廓剪切，零件轮廓以外的部分用激光剪切成网格状碎片以便零件制作完毕之后移去。每一层箔材之间涂有热溶胶，通过加热和加压粘到前一层上，层层的箔材逐层粘成一个固体块。当所有的层被粘结并进行剪切之后，整个零件就埋置在一大块支撑材料中，去掉支撑碎片，就获得所需的三维实体。这里所说的箔材可以是涂覆纸（涂有粘接剂覆层的纸）、涂覆陶瓷箔、金属箔或其它材质的箔材。主要优点：系统购置成本低，可在办公室环境下使用，适用于设计确认模型、翻砂铸造用母模等。第五十九页，共130页。优点：原型精度高制件以承受高达200度的温度，有较高的硬度和较好的力学性能，可进行各种切削加工无须后固化处理废料易剥离可制作尺寸大的制件原材料价格便宜，制作成本低设备可靠性高，安全，可长时间连续运行缺点：不能直接制作塑料件抗拉强度和弹性不够好易吸湿膨胀表面有台阶纹理，其高度等于材料的厚度第六十页，共130页。原型叠层制作结束后，从工作台上取下制件去除废料后置处理修补、打磨、抛光、表面涂覆第六十一页，共130页。材料：纸塑料薄膜金属箔误差每一层与上、下层的不一致约束导致内应用，产生变形成型功率控制不当（过大烧焦、切透）废料网格尺寸控制不当（废料去除的难易及成形精度工艺参数不稳定（温度、压力、功率、速度）成形后环境变化（热变形、湿变形）后处理不当（剥件、打磨、抛光、表面涂覆）误差的控制适当的成型方向废料网格尺寸的多样化加压下冷却，冷却后剥件，及时进行表面处理第六十二页，共130页。结构件模型制鞋业砂型铸造快速模具主要的系统有美国Helisys公司LOM系统、日本Kira公司的SolidCenter系统、新加坡精技公司的ZIPPY系统等。其中Kira公司的系统可采普通纸，且以特殊刀片切割形状，使用更为方便且价格低廉。

第六十三页，共130页。成形材料：光固化树脂；制件性能：相当于工程塑料或蜡模；主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。基本工作原理：采用掩膜版技术使一层光固化树脂整体一次成形,不像SLA设备那样逐层逐点照射成形。UV射线通过玻璃罩照射在一薄层液态光敏树脂表面，玻璃罩上透光部分与零件截面形状相同，零件截面形状部分被固化，其余部分仍为液态树脂，将其吸掉，然后用蜡代替它。下一层零件就可以在此基础上进行制做，当零件的所有层均制做完成后，整个零件就被埋置在一大块蜡之中。可以通过熔化将蜡去除掉，剩下的就是由完全固化的树脂形成的零件。优点：不需另增支撑，整层一次成型，精度较好（约为0.01mm左右），最适用于需要多件原型时、需翻制模具时、大型件。

第六十四页，共130页。(1)3DP（Three-DimensionalPrinting）工艺：即三维印刷或三维打印,它采用逐点喷洒粘结剂来粘结粉末材料来制造原型；优点：不需支撑（Sander需要支撑），工作环境可适用于办公室，最适于设计确认、评估产品性能等。(2)BPM（BallisticParticleManufacturing）工艺：即弹道粒子制造，它采用具有五轴自由度的喷头喷射熔融材料的方法来制造原型；(3)PCM（PatternlessCastingManufacturing）工艺：即无木模铸造，它采用逐点喷洒粘结剂和催化剂的方法来实现铸造沙粒间的粘结，这一技术由清华大学开发成功；(4)MJS(MultipleJetSolidification)工艺：亦称为多相喷射固化，它采用活塞挤压熔融材料使其连续地挤出喷嘴方法来堆积成形；(5)CC(ContourCraft)工艺：亦称为轮廓成形工艺,它采用堆积轮廓和浇铸熔融材料相结合的方法来制造原型，这种工艺在堆积轮廓时采用了简单的模具等。

第六十五页，共130页。在选择快速原型制造方式时，要考虑制件的用途、制件可选用的材质、制件的大小、制件批量与制造成本等诸多因素。

成型方法成型速度原型精度制造过程制件大小使用材料立体印刷成型较快较高中等中、小件热固性光敏材料层合实体制造快低简单或中等中、大件纸、金属箔带、塑料膜选域激光烧结较慢较低复杂中、小件石蜡、塑料、金属、陶瓷等粉末熔融沉积造型较慢较低中等中、小件石蜡、塑料、低熔点金属第六十六页，共130页。

快速模具技术（RapidTooling，简称RT）是应用快速成形方法（RPM），快捷、方便地制作工具或模具的一种新兴技术。RT一直受到产品开发商和模具界的广泛重视，可以说，RT是传统快速模具技术与现代先进制造技术相结合的典范。RT的显著特点是：模周期短、工艺简单、易于推广、制模成本低，精度和寿命能满足特定的功能需要，综合经济效益良好，特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证以及多品种小批量生产。目前，RT已被广泛应用到汽车制造、航空航天、军工、电子、医学和家电等领域。第六十七页，共130页。对于不同的制造批量，有三种典型的工艺路线。单件、小批量产品制造，可采用硅橡胶模(批量50件以下)，可以利用快速原型技术和真空注塑技术，直接制造环氧树脂模具(数百件以下)；对于3000件以下中等批量的注塑零件的生产，可利用快速制造的原型，采用喷涂技术制造金属冷喷模；对于5000件以上的大批量零件的模具生产，可先利用快速原型技术制造石墨电极，再通过电火花加工钢模。

第六十八页，共130页。RT技术是一种用高新制造技术改造传统制造技术的技术，包括：用硅橡胶、金属粉、环氧树脂粉、低熔点合金等方法将RP原形准确地复制成模具，这些简易模具的寿命是50~1000件，适宜产品试制阶段。由原形翻制三维研具，用研具研磨整体石墨电极，再用电极在电火花机床上加工长寿命的钢模具。这一工艺的特点是快速高效，耗时仅为传统制造的1/5，精度也有所提高。以RP生成的实体模型作模芯或模套，结合精铸、粉末烧结或电极研磨等技术可以快速制造出企业生产所需要的功能模具或工装设备，其制造周期较之传统的数控切削方法可缩短30%～40%以上，而成本却下降35%～70%。模具的几何复杂程度愈高，这种效益愈显着。第六十九页，共130页。第七十页，共130页。制模方法制作成本／美元制作周期／周模具寿命／件硅橡胶浇注法5230金属树脂浇注法94～5300电弧热喷涂法256～71000镍蒸发沉积法306～75000传统机加工方法6016～18250000第七十一页，共130页。快速模具制造一般分为直接制模法和间接制模法，主要用于制造塑料模、冲压模和铸模等。把精密铸造、中间软模过渡法以及金属喷涂、电火花加工、研磨等先进模具制造技术和快速原型制造结合起来，就可以快速地制造出各种简易模具和钢模具来。

第七十二页，共130页。由RP直接制造出使用模具的技术称之为直接RT技术。快速原型技术可精确制作模具的型芯和型腔，可直接用于注射成型过程制作塑料样件，也可以直接制造钢模具、铸造砂型和熔模铸造的型壳。直接成型的金属模具往往是低密度的多孔状结构，可将低熔点相的金属渗入后直接形成金属模具。

第七十三页，共130页。采用快速原型技术，结合精密铸造、金属喷涂制模、硅橡胶等制造软模、电极研磨、粉末烧结等技术就能间接快速制造出模具。间接RT技术是指利用快速原型制造技术首先制作模芯，然后用此模芯复制硬模具(如铸造模具)，或采用喷涂金属法获得轮廓形状，或者制作母模复制软模具等。对快速原型制造技术得到的原型表面进行特殊处理后代替木模，直接制造石膏型或陶瓷型，或是由原型经硅橡胶模过渡转换得到石膏型或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型制造金属模具。其方法则根据零件生产批量大小而不同。常用的有：硅橡胶模(批量50件以下)、环氧树脂(数百件以下)、金属冷喷涂模(3000件以下)、快速制作EDM电极加工钢模(5000件以上)等。

第七十四页，共130页。直接快速模具制造具有其独特的优点：制造环节简单，能够较充分地发挥RP技术的优势，特别是与计算机技术密切结合，快速完成模具制造，对于那些需要复杂形状的内流道冷却的模具与零件，采用直接RT有着其它方法不能替代的独特优势。

目前能够直接制造金属模具的RP工艺包括激光选区烧结(SLS)、三维打印(3D-P)、形状沉积制造(SDM)和三维焊接(3D-Welding)等。直接RT技术在模具精度和性能控制方面比较困难，特殊的后处理设备与工艺使成本提高较大，模具的尺寸也受到较大的限制。堆积金属(黑色金属、有色金属及其合金等)的难度决定了直接RT技术在未来的五六年内无法在RT领域中占据统治地位。第七十五页，共130页。间接快速模具制造通过快速原型技术与传统的模具翻制技术相结合制造模具，优点是：由于模具翻制技术的成熟、多样性，可以根据不同的应用要求，选择不同复杂程度和成本的工艺，一方面可以较好地控制模具的精度、表面质量、机械性能与使用寿命，另一方面也可以满足经济性的要求。因此，目前间接RT技术占统治地位。这类技术包括喷涂模具、中低熔点合金模具、表面沉积模具、电铸模、铝颗粒增强环氧树脂模具、硅胶模以及快速精密铸造模具等。间接RT技术制成的模具的同样要进行后处理，而且通过原型转换将损失精度，使精度的补偿控制复杂化；另外间接RT生产的模具寿命往往较低，这也是它在竞争中处于不利地位的一个原因。第七十六页，共130页。工具和模具具有一个巨大的市场，世界范围内已经达到650亿美元产值的水平。这个市场对于模具的要求是全面的，如精度、材料、寿命、尺寸、形状复杂程度以及快速性。由于市场全球化以及竞争的加剧，模具市场对于每一种模具技术最首要的、带有先决性的要求是其快速性，即从设计到进入市场的时间(LeadingTime)，这就是RP+RT技术产生的根本原因。许多快速模具公司同时采用RT和HSM两种技术，正是利用了它们之间相辅相成的特点。离散／堆积的原理同时也限制了RT当前的精度和表面粗糙度，使其在与高速数控铣削技术HSM(HighSpeedsMachining，HSM)的竞争中还有很多技术难题要解决。从制造科学发展的根本方向来说，离散堆积成形必然会在许多方面取代去除成形，RT技术将得到更加快速的发展。第七十七页，共130页。所谓软模具(SoftTooling)，是指用硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等材料制作的模具。用快速成形件作母模，浇注上述材料可形成软型腔，形成软模具。这是一种间接制模方法。软模具制造成本低，制作周期短，因而在新产品开发过程中作为产品功能检测和投入市场试运行，以及国防、般空等领域单件、小批量产品的生产方面受到高度重视，尤其适用于批量小、品种多、改型快的现代制造模式。目前的软模具制造方法主要有硅橡胶浇注法、金属喷涂法、树脂浇注法等。软模具生产制品的数量一般为10~5000件。第七十八页，共130页。硅橡胶模的制造工艺过程为：制作原型对原型表面处理使其具有较好的表面粗糙度固定放置原型对原型表面施脱模剂在抽真空装置中抽去硅橡胶混合体中的气泡浇注硅橡胶混合体得到硅橡胶模具硅橡胶固化，取出原型如发现模具具有少数的缺陷，可用新调配的硅橡胶修补。第七十九页，共130页。目前，制模用硅橡胶为双组分液体硅橡胶，分为缩合型和加成型两类，都已在国内外许多行业获得了广泛应用。缩合型模具硅橡胶主要组分包括：端基和部分侧基为羟基的聚硅氧烷(生胶)、填料、交联剂和硫化促进剂。加成型模具硅橡胶主要组分包括：端基和部分侧基为乙烯基的聚硅氧烷(生胶)、含氢硅油(交联剂)、铂触媒(催化剂)、白炭黑(填料)。第八十页，共130页。由于RP技术生产出来的原型材料与硅橡胶不发生反应，制造过程中没有经过变形，也不会产生褶皱，能够生产出与精密塑料件一样的表面质量。

RP原型真空脱泡硅胶计量型框制作取出母模刀剖开模硬化注入硅胶完成第八十一页，共130页。(1)原型表面处理。(2)制作型框和固定原型。(3)硅橡胶计量、混合并真空脱泡。(4)硅橡胶浇注及固化。(5)拆除型框、刀剖开模并取出原型。(6)如发现模具具有少数的缺陷，可用新调配的硅橡胶修补第八十二页，共130页。在翻制硅橡胶模具时，硅橡胶模具的成本、寿命及尺寸精度是硅胶模制作过程中需重点考虑的因素。(1)型框尺寸。(2)为了脱模方便，应合理选取分型面。(3)对于较高的薄壁件，如果壁厚尺寸要求精确，在选择分型面时要注意将薄壁整体置于同一半模中，以减小因合模或模具捆绑时引起薄壁型腔的变形而导致壁厚尺寸误差。(4)型框一般做成长方形或正方形，但是对于一些特殊结构的零件，为了节省硅胶，降低成本，可按其形状搭建型框。(5)对于存在大面积平面形状的原型，当贴好分型面后，应合理选定浇道的位置及方向。(6)在刀剖开模的时候，手术刀的行走路线是刀尖走直线，刀尾走曲线，使硅胶模的分模面形状不规则，这样可以确保上下模合模时准确定位，避免

因合模错位引起的误差。第八十三页，共130页。硅橡胶材料的成本较高，占据着硅橡胶模具制作小批量样件的大部分成本，尤其是尺寸较大单件制品的制作。为此，人们一直在努力研究在该类技术方法中如何能够节省硅橡胶材料的用量，而同样也能够制作出满足要求的样件来。通过与石膏混合制作硅橡胶模具的工艺方法：原型或样件——分型处理——贴粘土或橡皮泥——配石膏浆——石膏造型——去粘土——浇注硅橡胶——修型——试制产品。

第八十四页，共130页。(1)安放原型。对原型进行必要的清理和处理后放置到平板上固定好，制作并固定模框，使原型周围距模框的距离均匀，在模框平板内表面上涂刷脱模剂(2)贴粘土和浇石膏背衬。在原型表面贴粘土或橡皮泥，如图b所示。然后将配好的石膏浆浇注到模框中，待石膏浆固化后，再去掉粘土或橡皮泥层，粘在原型上的粘土或橡皮泥要清洗干净，以免影响模具的表面质量。(3)硅橡胶浇注。根据去掉的粘土层的体积，计算所需调配的硅橡胶体积，再加上一定的损耗，进行硅橡胶的调配。调配均匀后，放入抽真空装置中排除硅橡胶混合体中的气泡。脱泡后进行硅橡胶浇注。(4)硅橡胶固化。将浇注好的硅橡胶模具在室温下固化或加热固化。待硅橡胶不粘手后，取出原型，继续在室温下或加热使硅橡胶充分固化。(5)修型。取出原型后，如果发现模具有少量缺损，可以用新调配的硅橡胶修补，并经固化处理即可，如图f所示。

第八十五页，共130页。对于批量不大的注塑件生产，可以采用RP原型快速翻制的硅橡胶模具通过树脂材料的真空注型来实现，这样，能够显著缩短产品的制造时间，降低成本，提高效率。对于没有细筋、小孔的一般零件，采用硅橡胶模具浇注树脂件可制作制品达到50件。

清洗胶模树脂计量组合胶模喷离型剂取注型品硬化真空铸型脱泡混合完成第八十六页，共130页。(1)清理硅胶模，预热模具。(2)喷洒离型剂，组合硅胶模具。(3)计量树脂。(4)脱泡混合，真空注型。(5)温室硬化，取出制件。(6)制件后处理。第八十七页，共130页。环氧树脂快速制模借用金属浇注方法，将已准备好的浇注原料(液态的环氧树脂与有机或无机材料复合而成的基体材料)注入一定的型腔中使其固化(完成聚合或缩聚反应)，从而制得模具的方法。树脂浇注法工艺简单、成本低廉，树脂型模传热性能好、强度高，且型面不需加工，适于注塑模、薄板拉伸模、吹塑膜及发泡成型模等。

工艺过程为：制作原型——表面处理——设计、制作模框——选择、设计分型面——在原型表面、分型面刷脱模剂——刷胶衣树脂——浇注凹模——浇注凸模。当凹模制造完成后，倒置，同样需要在原型表面及分型面上均匀涂脱模剂及胶衣树脂，分开模具。在常温下浇注的模具，一般1～2天基本固化定型，即能分模。与传统注塑模相比，成本只有传统方法的几分之一，生产周期大大减少。模具寿命不及钢模，但比硅胶模高。第八十八页，共130页。(1)模型准备(2)底座制作并固定原型(3)涂脱模剂(4)浇注树脂(5)去除底座并进行另一半模的制作(6)树脂硬化并脱模(7)模具修整并组装第八十九页，共130页。所谓硬模具（Hardtooling）是指金属模具、陶瓷模具、石膏模具等。硬模具的制作方法有两种：直接制模和间接制模。硬模具可用于砂型铸造、消失模的压型制作、注塑模以及简易非钢质拉深模等。

第九十页，共130页。设计模型原型原型原型原型原型复制被加工原型复制石墨电极复制陶瓷型复制消失型直接成形熔射、电极金属模具铸造FDM第九十一页，共130页。可分为金属面硬背衬模具用熔模铸造法制作的金属模用芯模铸造法制作的金属模等种类。主要为金属面硬背衬模具，即以快速成形件作母模，用电弧喷镀法在母模表面喷镀形成1.6~6.4mm的金属壳体，然后移去母模，在壳的背面注入金属基合成材料（液态金属）或环氧树脂，形成所谓金属面、硬背衬模具。

第九十二页，共130页。电弧喷涂制模技术是将两根带电的制模专用金属丝通过导管不断地向前输送，金属丝在喷枪前端相交形成电弧，金属丝经电弧熔化，在压缩空气的作用下，将熔化的金属雾化成金属微粒，并以一定的速度喷射到样模表面，一层一层地相互叠加堆积而形成高密度、高结合强度的金属喷涂层，即模具型腔的壳体(或实体)。这层壳体的内壁形状与样模表面完全吻合，从而形成了所需的模具型腔。喷涂形成的金属壳体与其他基体材料填充加固，结合成一整体，再配以其他部件，即组成一付完整的模具。这种制模方法类似于电铸制模，但又不完全相似。它制模工艺简单，容易掌握，模具制作周期短，费用低，对比制作同一形状尺寸的钢模，制模周期和模具费用均可降低60％以上。

第九十三页，共130页。加工生产塑料用模具的方法通常有：机械加工、金属铸造、锻造成型、数控仿形、真空蒸镀镍壳等方法。同其他几种方法相比，电弧喷涂制模技术具有如下优点：(1)不论原模的材料是金属、木材、或塑料制品，所得到的模具型腔线条轮廓清晰，外形尺寸不变，因喷涂时原模的表面温度一般不超过60~C，因此没有热应力引起的变形问题。(2)制模效率高，大大缩短制模周期。(3)尺寸不受限制，小至硬币的尺寸，大至制造汽车内顶蓬真空成型模具(4)使塑料生产线能迅速更改产品的品种，符合市场的变化要求。(5)设备投资小，经济效益好。随着加工时间的增加，用此方法加工模具的成本优势就越显著。同其他方法相比，此方法成本可节省2—20倍。电弧喷涂制模是一种典型的快速制模技术，具有制模工艺简单、制作周期短、型腔表面及其精细花纹一次同时形成、模具成本低等显著特点，特别适用于小批量、多品种的生产使用。国内外节水灌溉用滴头就是采用这种制造技术来实现的。

第九十四页，共130页。金属喷涂法工艺简单、周期短，型腔及其表面精细花纹可一次同时成型，耐磨性能好，尺寸精度高。存在的问题：在制作过程中要注意解决好涂层与原型表面的贴合和脱离间题。目前该技术主要用于塑料模具上，少量应用于粉末射出成型模具及铸造用射蜡模具。第九十五页，共130页。第九十六页，共130页。(1)模型准备(清理模型表面、刷脱模剂)。(2)在模型上喷涂金属。(3)制作模具框架。(4)浇注模具的填充材料。(5)脱模、加工处理。按制作上半模的程序制作下半模。在制模中还会涉及到其他一些问题，如喷涂规范，浇注时是否需加冷却水管，是否需加镶嵌等，都应根据实际情况而定。第九十七页，共130页。电弧喷涂工作系统一般由喷涂电源、送丝机构、喷枪和压缩气体等系统组成。

第九十八页，共130页。用于电弧喷涂制模的材料，在满足低熔点、低收缩率的情况下，应尽可能具有较好的力学性能和较致密的涂层组织。选择电弧喷涂材料时，既要考虑所得到的涂层具有足够高的硬度，良好的抗压、抗弯等力学性能，可以在实际中应用；又要兼顾涂层材料的熔点不要太高。

通过对涂层的显微组织分析，对涂层的硬度、抗拉、抗弯强度等力学性能的测试，常采用Al、Zn基丝材做为喷涂材料。目前市场提供的电弧喷涂用丝材有铝、锌、铜、镍、不锈钢、铝青铜、巴氏合金、复合丝等许多品种。

第九十九页，共130页。目前市场提供的电弧喷涂用丝材有铝、锌、铜、镍、不锈钢、铝青铜、巴氏合金、复合丝等许多品种。高熔点金属，如钢、镍、铜等在喷涂时涂层收缩率、热应力、孔隙率都比较大，涂层容易开裂、翘曲、剥落。目前只有低熔点的锌、铝丝材适合用于模具制造。

第一百页，共130页。国内电弧喷涂中采用的喷涂丝材直径主要有两个系列，一个是Ø2mm系列，另一个为Ø3mm系列。喷涂丝材直径不同，对送丝机构和喷枪设计将有不同要求，同时也将影响到喷涂和涂层性能。Ø3mm丝材适用于大面积的电弧喷涂作业中。同种材料丝材，Ø2mm丝材的喷涂规范要比Ø3mm丝材宽，同一种规范条件下，Ø2mm丝材的表面更致密、更光滑。Ø2mm丝材在小电流时仍能正常喷涂，且涂层表面光洁、抛光性能好。小电流下喷涂，涂层热输入量小，因而涂层残余热应力减小，这正是电弧喷涂制模及零件修复工艺所要求的。Ø2mm管状丝材在喷涂中显示出更大的优势。这是因为丝材越细，管状丝里面的药粉混合得就越均匀，喷涂时药粉熔化和冶金反应进行得就越充分，涂层质量越好。第一百零一页，共130页。电弧喷涂模具的基本结构可分为三部分，即金属喷涂层、背衬层和钢结构部分。从上述分析可见，电弧喷涂模具表层由喷涂层(如锌合金)、内部由背衬层(如铋锡合金)构成，因此能够合理利用各种性能材料，从外到内，材料呈梯度分布。这是传统制模方法所不能做到的。第一百零二页，共130页。要成功地将低熔点金属喷涂到非常精细的母模模型表面上，很大程度取决于对温度敏感的母模模型材料。对母模模型材料要求清洁无污、气密性好，模型材料应易于抛光。喷涂前，先用清洁剂去掉模型表面油污，再涂上薄薄的防护剂，干燥后即可进行喷涂。

型腔表面材料预处理方法预处理材料注意事项金属磨光、机加工清洁剂、表面防护剂充分预热磨光面木面密封面抛光清洁剂、表面防护剂表面不应有渗透现象硅橡胶涂表面防护剂

石膏密封面磨光

皮革对皮革粒面进行处理清洁剂、表面防护剂用软肥皂在其表面印一下，观察肥皂表面的粒度热固性树脂用一般方法稍微处理，光滑自然清洁剂、表面防护剂热塑成型用一般方法稍微处理，光滑自然清洁剂、表面防护剂检查成型品有无缺陷，较薄的壳体需采取保护措施粘土光滑自然表面防护剂

第一百零三页，共130页。在实施电弧喷涂之前，还应注意对母模进行必要的其它预处理：1)放置金属辅助嵌件。2)喷涂前清洁处理。3)侧面开孔。4)浇口和流道。5)支承架。6)支承材料。7)模具排气。8)除尘。第一百零四页，共130页。利用电弧喷涂技术制作模具，既要求金属微粒均匀致密地贴敷到样模表面，又要求形成壳体后能顺利、完整地从样模上分离下来，而且在喷涂过程中要保护好样模，使其表面花纹能经得起喷涂金属微粒的冲击。常用的脱模剂有硬脂酸锌、液体石蜡、硅油、聚乙烯醇等。其中，聚乙烯醇最适合于电弧喷涂制模工艺

第一百零五页，共130页。1)对喷涂环境的控制。2)喷涂层厚度的控制。3)喷涂均匀性的控制。4)母模表面温度的控制。第一百零六页，共130页。填充基体必须具有易成型的特点，要有一定的耐热性，同时导热性及热胀系数应与金属喷涂层相近，特别是当模具工作温度较高时更应注意。1)环氧树脂、固化剂与铝粉的配比计算。2)模具基体填充材料的制备与浇注。环氧树脂增多，固化后的填料的抗压强度会提高，并且表现韧性断裂特征，试样只有压缩变形，没有断裂破坏，但热导率会降低；金属粉含量增多，填充材料的抗压强度降低，并表现脆性断裂特征，试详呈斜面剪切破坏，但填充材料热导率提高。第一百零七页，共130页。快速成型和电弧喷涂相结合的模具快速制造方法其步骤为：1)激光快速成型机快速成型零件原型。2)用电弧喷涂方法在原型零件表面喷涂l~3mm厚的金属壳。3)在金属壳背后用环氧树脂等材料加固。4)取出原型零件即得到表面为金属的模具。原型零件成型、喷涂和金属喷涂层加固是关键。1)RP原型制作a)提高产品3D模型的建模精度。b)对RP原型进行后处理，包括对原型表面进行修整、打磨、抛光。2)硅胶模和过渡模的制作电弧喷涂时金属微滴温度很高，直接在RP原型上喷涂会损坏原型(一般要保存原型)，因此要制作能精确复制原型模样的硅胶模，再用硅胶模翻制耐高温的过渡基模，在过渡基模上喷涂金属层。过渡基模在硅胶模上翻制，要求具有一定的强度、耐热性和较好的溃散性。常用的材料有水泥、石膏、石墨、陶瓷、金属等，制作时要防止过渡基模变形和开裂。3)金属壳的制作4)喷涂工艺参数选择第一百零八页，共130页。采用合理的电弧喷涂工艺参数，可获得良好的喷涂效果，使涂层具有较高的结合强度、微观硬度、宏观硬度和耐磨性及较小的孔隙率。电弧喷涂工艺参数主要有电压、雾化气压、喷涂距离和喷枪移动速度等。第一百零九页，共130页。应该针对金属喷涂模具的特点，适当地调整注塑工艺参数。(1)注射压力(2)锁模力(3)模具温度控制(4)保压压力和保压时间第一百一十页，共130页。电铸模是一种结合快速原型和传统电铸的快速模具技术，原理和制造过程与金属喷涂法比较类似，采用电化学原理，通过电解液使金属沉积在原型表面上，再背衬其他充填材料来制作模具的方法。基本过程为：首先对RP原型表面进行必要的处理，如打磨、抛光、涂敷导电层等；然后置人电铸槽中，通过电解液使金属沉积在原型表面获得金属壳层，该壳层的内表面精确地复制出了RP原型的外表面；通过中高温烧结去除金属壳内的原型；最后在模具框和金属壳外侧之间浇铸低熔点合金或铝粉一树脂混合材料背衬，即可得到电铸模。电铸制模法制作的模具复制性好且尺寸精度高，适合于精度要求较高、形态均匀一致和形状花纹不规则的型腔模具，如人物造型模具、儿童玩具和鞋模等。第一百一十一页，共130页。美国的爱达荷国家工程与环境实验室(IdahoNationalEngineeringandEnvironmentalLaborratory，INEEL)研制的RSP(RapidSolidificationProcess)快速制模技术的原理：采用普通的工具合金(如P20、H13与D2工具钢或其它合金)粉末，通过沉积技术在RP原型的表面形成一层具有足够厚度的沉积层。在增压的作用下，熔融金属液体进入喷头，在高速气体的带动下，金属微粒甚至可以以增原子的方式沉积在表面上，能够把RP原型表面极细微的特征复制下来。表面粗糙度可以达到3Llm、沉积率为227kg／h，适用于此项工艺的材料不仅有金属，而且包括陶瓷、聚合物等各类材料。

第一百一十二页，共130页。间接金属粉末激光烧结制模工艺RapidToolTM方法的工艺过程原理：首先利用C02激光照射外层包有粘结剂的金属粉末而使粉末粘结成型；将成型完成后未经任何处理的制件放入充以70％氮气和30％氦气的加热炉内，并在适当位置摆设铜砖，升温至300～400℃将粘结剂烧掉，此时由于粘结剂的挥发所得到的制件含有大量的孔隙，当炉温继续升高至700℃时，金属粉末开始熔化烧结而粘结在一起，当温度继续升高至1120℃时，制品下面的铜砖开始熔化并因毛细管现象渗入制品中因粘结剂蒸发所遗留下来的空隙中，得到无孔隙的致密制品；再将此制品进行一些后处理的工作（如加工入料孔、冷却水孔、顶出孔等）然后直接安装在模座上，便可以在注射成型机上进行批量制品的生产。该方法所得到的模芯用60％的钢和40％的铜所组成，材料力学性能优于A17075，寿命可超过50000件。该方法的优点为：(1)制作过程快速(约5~15工作日)。(2)模具型芯中含有40％或45％的铜，因此注射模具的冷却效果好，不时间可大大缩短。(3)模具寿命长。(4)可使用传统工具进行机加工。该快速模具工艺方法的缺点是在1120℃渗铜时会因高温导致制件变形。第一百一十三页，共130页。铝颗粒增强环氧树脂模具采用环氧树脂作为模具主要材料，以RP原型为母模，在原型表面涂一层环氧树脂，再在后面填充混有铝粒(或者全部为金属颗粒)的环氧树脂作为背衬，脱模得到铝基环氧树脂模。主要用作注塑模，其寿命一般为500~2000件。工艺步骤为：制作RP母模；画出分型线；设计制造套装夹具(通常为木制)；固定RP原型，木制夹具被切割成几块(固定复杂的原型要切割成10～15块)；将石蜡灌注到切割间隙或裂缝中；然后将35％的环氧树脂和65％的增强铝颗粒混合后涂抹于原型的表面上；固化后进行修整制成铝颗粒增强环氧树脂模具。第一百一十四页，共130页。将RP原型翻制的硅胶型，通过涂层转移获得精密陶瓷型，浇铸铸铝或黑色金属，可以制作子午线轮胎模等。过程:快速成型制作母模——浇注硅橡胶环氧树脂构成软模——移去母模——在软模中浇注化学粘结陶瓷(CBC陶瓷基合成材料)型腔——在205℃下固化CBC型腔——型腔表面抛光——加入浇注系统和冷却系统——生产注射模。

也可采用类似于此工艺的使用石膏型的工艺路线快速制造模具。由CAD模型制造出LOM的模具原型——由RP原型翻制硅胶型——通过涂层转移获得精密石膏型，增压振动进行浇铸，得到轮毂的模具。

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