《快速成型技术及应用》课件第1章 概论

1.1快速成型技术（RP）的成型过程1.2快速成型技术（RP）的技术体系1.3快速成型技术（RP）系统分类1.4快速成型技术的特点1.5快速成型技术的优越性主要内容1.6快速成型技术的应用1.7快速成型技术的发展趋势1.1快速成型技术（RP）的成型过程

快速成型技术（RP）的成型过程见图1-2所示。首先建立目标件的三维计算机辅助设计（CAD3D）模型,然后对该实体模型在计算机内进行模拟切片分层,沿同一方向（比如Z轴）将CAD实体模型离散为一片片很薄的平行平面;把这些薄平面的数据信息传输给快速成型系统中的工作执行部件,将控制成型系统所用的成型原材料有规律地一层层复现原来的薄平面,并层层堆积形成实际的三维实体,最后经过处理成为实际零件。1.1快速成型技术（RP）的成型过程1.2快速成型技术（RP）的技术体系一个比较完整的快速成型技术的技术体系包含CAD造型、反求工程、数据转换、原型制造以及物性转换等基本环节。1.三维CAD造型三维造型包括实体造型和曲面造型。利用各种三维CAD软件进行几何造型,得到零件的三维CAD数学模型，这是快速成型制造技术的重要组成部分，是获得初始信息的最常用方法，也是制造过程的第一步。1.2快速成型技术（RP）的技术体系2.反求工程物理形态的零件是快速成型制造技术中零件几何信息的另一个重要来源。这里既包括天然形成的各种几何形体，也包括利用各种技术手段，如锻造、锻压、焊接、车、铣、刨、磨、堆积等传统工艺加工而成的几何实体。几何实体包含了零件的几何信息,但这些信息必须经过反求工程将三维物理实体的几何信息数字化,将获得的数据进行必要的处理后,实现三维重构而得到CAD三维模型。1.2快速成型技术（RP）的技术体系3.数据处理与转换

快速成型系统比绘图仪、打印机要复杂得多，同时设备工艺也具有更大的多样性，因此利用快速成型系统制造零件并不像使用打印机、绘图仪那样简单，只要将CAD系统的文件发送过去就行了。三维CAD造型或反求工程得到的数据必须进行大量处理，才能用于控制RP成型设备制造零件。数据处理的主要过程包括表面离散化，生成STL文件或CFL文件，分层处理生成SLC、CLI、HPGL等层片文件，根据工艺要求进行填充处理，对数据进行检验和修正并转换为数控代码。1.2快速成型技术（RP）的技术体系4.原型制造

即利用快速成型设备将原材料堆积成为三维物理实体。材料、设备、工艺是快速原型制造中密切相关的三个基本方面。不同的工艺要求不同的材料，要求不同的设备来实现。这里材料问题是一个基本的问题。目前许多制造商可以提供多种快速原形设备，而且新的工艺设备也在不断出现。常见的系统有3DSystems的SLA-250，Helisys的LOM-2030，Stratasys的FDM1650，FDM2000，FDM8000，国内清华大学激光快速成型中心的MRPMS-Ⅱ等。各种设备具有不同的特点和局限，有着不同的应用范围。1.2快速成型技术（RP）的技术体系5.物性转换通过快速原形系统制造的零件的力学、物理性质往往不能直接满足需要，仍然需要进一步的处理，即对其物理性质进行转换。该环节是RP&M实际应用的一个重要环节，包括精密铸造、金属喷涂制模、硅胶模铸造、快速EDM电极、陶瓷型精密铸造等多项配套制造技术，这些技术与RP技术相结合，形成快速铸造、快速模具制造等新技术。在目前RP制造技术尚不能直接制造满足工业要求的结构和功能零件的情况下，这是RP技术走向工业应用的重要桥梁。1.3快速成型技术（RP）系统分类

快速成型技术的工艺方法目前已有十余种。根据所使用的材料和建造技术的不同，目前应用比较广泛的方法有：采用光敏树脂材料通过激光照射逐层固化的光固化成型法（StereolithographyApparatus，SLA）、采用纸材等薄层材料通过逐层粘接和激光切割的叠层实体制造法（LaminatedObjectManufacturing，LOM）、采用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化的选择性激光烧结法（SelectiveLaserSintering，SLS）和熔融材料加热熔化挤压喷射冷却成型的熔融沉积制造法（FusedDepositionManufacturing，FDM）等。1.3快速成型技术（RP）系统分类1.4快速成型技术的特点1.自由成型制造2.制造过程快速3.添加式和数字化驱动成型方式4.技术高度集成5.突出的经济效益6.广泛的应用领域1.5快速成型技术的优越性1.设计者受益采用快速成型技术之后，设计者在设计的最初阶段,就能拿到实在的产品样品，在单个零件和装配部件的级别上，对产品设计进行校验和优化，并可在不同阶段快速地修改、重做样品，甚至做出试制用工具、模具及少量的产品。这将给设计者创造一个优良的设计环境，提供一个快捷、有力的物理模拟手段，无需多次反复思考、修改，即可尽快得到优化结果，从而能显著地缩短设计周期和降低成本。1.5快速成型技术的优越性2.制造者受益制造者在产品设计的最初阶段也能拿到实在的产品样品，甚至试制用的工具、模具及少量产品，这使得他们能及早地对产品设计提出意见,做好原材料、标准件、外协加工件、加工工艺和批量生产用工具、模具等的准备工作，最大限度地减度少失误和返工，大大节省工时、降低成本和提高产品质量。1.5快速成型技术的优越性3.推销者受益推销者在产品设计的最初阶段也能拿到实在的产品样品，甚至少量产品，这使得他们能据此及早、实在地向用户宣传和征求意见，以及进行比较准确的市场需求预测，而不是仅凭抽象的产品描述或图样、样本来推销。所以快速成型技术的应用可以显著地降低新产品的销售风险和成本，大大缩短其投放市场的时间和提高竞争能力。1.5快速成型技术的优越性4.用户受益用户在产品设计的最初阶段，也能见到产品样品甚至少量产品，这使得用户能及早、深刻地认识产品，进行必要的测试，并及时提出意见，从而可以在尽可能短的时间内，以最合理的价格得到性能最符合要求的产品。1.5快速成型技术的优越性1.设计者受益采用快速成型技术之后，设计者在设计的最初阶段,就能拿到实在的产品样品，在单个零件和装配部件的级别上，对产品设计进行校验和优化，并可在不同阶段快速地修改、重做样品，甚至做出试制用工具、模具及少量的产品。这将给设计者创造一个优良的设计环境，提供一个快捷、有力的物理模拟手段，无需多次反复思考、修改，即可尽快得到优化结果，从而能显著地缩短设计周期和降低成本。1.6快速成型技术的应用1.工业产品开发及样件试制（1）在国外，快速原型即首版的制作，已成为供应商争取订单的有力工具。美国Detroit的一家制造商，利用2台不同型号的快速成型机以及快速精铸技术，在接到Nord公司标书后的4个工作日内生产出了第一个功能样件，从而拿到了Ford公司年生产总值300万美元的发动机缸盖精铸件的合同。1.6快速成型技术的应用1.工业产品开发及样件试制（2）在RP系统中，一些使用特殊材料制作的原型(如光敏树脂等)可直接进行装配检验、模拟产品真实工作状况的部分功能试验。Chrysler直接利用RP技术制造的车体原型进行高速风洞流体动力学试验，节省成本达70%。（3）结合逆向工程、并行工程，RP显示出了更大的发展空间。1.6快速成型技术的应用2.快速模具(RapidTooling)制造RP技术可用于制作注塑模、铸造模、陶瓷模、硬质合金模、锻模和冲压模等等，其各种工艺方法都可直接或是间接地用于快速模具制造。例如，LOM法可用于制造下列用途的模具，灌注石蜡铸造蜡模的模具、石膏成型模、塑料压铸成型模和低熔点合金铸造模等；SLS法可直接烧结金属模具或陶瓷模具，用作注塑、压铸、挤塑等塑料成型模及冲压成型模，SLS制作的模具经浸铜后，还可直接用作金属模具。1.6快速成型技术的应用3.在医学上的应用

由于医学上一些严重面容畸形的形态特殊（如先天性唇裂，面容的多发性骨折等）其周围解剖关系复杂，往往通过二维平面的观察很难确定病变范围。这给医生制定手术方案带来很大的困难。因此，如果在手术前，利用逆向工程应用螺旋CT或MRI获得缺损骨连续性缺损三维数据模型，在计算机上模拟重建三维图像，可以直观地对骨性疾病做出正确的诊断。然后将三维数据模型通过快速成型技术转化为二维仿真生物模型后，为术者提供了手术平台，术前能够对个体化实体模型直观地进行分析、测量，并预演整个手术过程，明确截骨范围，熟悉手术过程，缩短了手术时间，简化手术，从而减少手术并发症状的发生。1.7快速成型技术的发展趋势1.新型分层叠加成型方法的研究与开发口。快速成型的基础是分层制造、积分叠加成型，然而，用什么材料进行分层叠加，以及如何进行分层叠加却大有文章可做。因此，除了常见的SLA、SLS、LOM、FDM、TDP等方法外，现正在研究开发一些新的分层叠加成型方法，以便进一步改善制件的性能、精度和成型效率。1.7快速成型技术的发展趋势1.新型分层叠加成型方法的研究与开发口。快速成型的基础是分层制造、积分叠加成型，然而，用什么材料进行分层叠加，以及如何进行分层叠加却大有文章可做。因此，除了常见的SLA、SLS、LOM、FDM、TDP等方法外，现正在研究开发一些新的分层叠加成型方法，以便进一步改善制件的性能、精度和成型效率。1.7快速成型技术的发展趋势2.快速成型技术的进一步研究和开发的方向RP技术虽然有其巨大的优越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限，零件精度低，表面粗糙度高；原型零件的物理性能较差，成型机的价格较高，运行制作的成本高等，所以在一定程度上成为该技术的推广普及的瓶颈。1.7快速成型技术的发展趋势3.研究新的成型方法与工艺在现有的基础上，拓展RP技术的应用，开展新的成型技术的探索。新的成型方法层出不穷，如三维微结构制造、生物活性组织的工程化制造、激光三维内割技术、层片曝光方式等。对于RP微型制造的研究主要集中于：RP微成型机理与方法、RP系统的精度控制、激光光斑尺寸的控制以及材料的成型特性等方面。目前制作的微零件仅是概念模型，并不能称之为功能零件，更谈不上微机电系统（MEMS），要达到MEMS还需克服很多的问题，如：随着尺寸的减小，表面积与体积之比相对增大，表面力学、表面物理效应将起主导作用；微摩擦学、微热力学、微系统的设计、制造、测试等。1.7快速成型技术的发展趋势4.开发新的成型材料成型材料是决定快速成型技术发展的基本要素之一。加工对