第4章 快速成型技术概述

•4）熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling，简称FDM)： 采用热熔喷头，使半流动状态的材料流体按模型分层数据控
制的路径挤压出来，并在指定的位置沉积、凝固成型，这样逐层
沉积、凝固后形成整个原型。
• 5）三维打印(Three Dimensional Printing，简称3DP)：
图4-6 车灯快速成型样件性能测试
2. 结构设计验证与装配干涉校验
图4-7 汽车前保险杠
4.3.2 快速成型在模具制造中的应用
传统模具制造的方法很多,如数控铣削加工、成形磨削、电
火花加工、线切割加工、铸造模具、电解加工、电铸加工、
压力加工和照相腐蚀等。由于这些工艺复杂、加工周期长、 费用高而影响了新产品对于市场的响应速度。
薄层物体叠加技术 薄层物体叠加（LOM）工艺是用加热辊和激光束对背 面涂有热熔胶的薄片材料（纸、塑料、金属等）进行逐层 粘结和切割，以形成模具的各层截面轮廓，最终制成模具。 由于金属片的粘结温度和环境温度难以协调和控制，金属 片经过加热、粘结和冷却很容易发生扭曲，模具成型质量 不是很高。 三维打印技术 三维打印（3DP）工艺利用粘结剂喷头有选择地喷涂 粘结剂，使金属粉末如不锈钢、碳化钨等粘结成截面轮廓， 一层层粘结形成三维形状，这种低密度的成形件在经过高 温烧结和渗铜处理，便可得到致密度达到92%以上的金属 实体，对其表面进行抛光打磨处理后就可作模具使用。
逆向工程与快速成型技术应用
第4章 快速成型技术概述
RP 技术产生背景
• (1)随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈， 产品的开发速度日益成为主要矛盾。在这种情况下，自主 快速产品开发(快速设计和快速工模具)的能力(周期和成 本)成为制造业全球竞争的实力基础。
• (2)制造业为满足日益变化的用户需求，要求制造技术有 较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品 的成本。因此，产品的开发速度和制造技术的柔性就十分 关键。
4.3.1 快速成型在新产品研发中的应用
1.概念模型的可视化、设计评价 2.结构设计验证与装配干涉校验
3.性能和功能测试
1. 概念模型的可视化、设计评价
图4-3 快速成型样件
2. 结构设计验证与装配干涉校验
图4-4 吸尘器外壳
2. 结构设计验证与装配干涉校验
图4-5 棘轮棘爪原型
2. 结构设计验证与装配干涉校验
3）选择性激光烧结(Slected Laser Sintering，简称SLS)： 按照计算机输出的原型或零件分层轮廓，采用激光束按指定路
径在选择区域内扫描并熔融工作台上很薄、且均匀铺层的材料粉
末。处于扫描区域内的粉末颗粒被激光束熔融后，形成一层烧结 层。各层全部烧结后去掉多余的粉末即获得原型或零件。

快速模具直接制造的工艺还有激光选区熔化（SLM）、
电子束选区熔化（EBM）、电子束自由制造（EBF）等， 这些工艺都是利用高能量使粉末材料选择性熔化而形成金 属零件的。 Stanford大学开发的形状沉积制造（SDM）快速成型工 艺，结合了材料增长和材料去除2种成型方法。首先微滴 金属液根据CAD模型的二维层片信息沉积为实体层片，然 后通过数控加工形成精确尺寸和形状的层片，每一层的制 作过程都是一个结合微型铸造和数控加工的工艺，在快速 制造大型模具方面有很广阔的发展前景。
层地堆积材料，然后将各层粘结，最终得到原型产品。
4) 后处理。
•从成型系统里取出成型件，进行剥离、后固化、修补、打磨、 抛光、涂挂等处理，降低其表面粗糙度，提高强度等。
4.1.3 快速成型技术的特点
1)可以制造任意复杂的三维几何实体。 RP技术采用离散/堆积成型的原理，将十分复杂的三维制造过
程简化为二维制造过程的叠加,越是复杂的零件越能显示RP技
原材料是液态的，利用光能或热能使特殊的液态聚合物固 2）粉末烧结与粘结：
原材料是固态粉末，通过激光烧结或用粘结剂把材料粉末粘
3）丝材、线材熔化粘结：
原材料为丝材或线材，通过升温使其熔化并按指定的路线堆
4）膜、板材层合： 原材料是固态的板材或膜，通过粘结把各片薄层板粘结在一
2. 按制造工艺原理分类
• (3)从技术发展角度看，计算机科学、CAD技术、材料科学、 激光技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了技术 物质基础。
4.1 快速成型技术的原理
•快速成型又称快速原型。 •原型是被仿制或研制的第一个模型或最原始的模型。 •要求原型尽可能与样品相像，能精确的再现样品的形状。
RP技术基本原理
4.3.2.2 间接快速模具制造 快速模具间接制造就是以快速原型作为母模，然后转用其 他工艺在快速原型的基础上复制出所要求的模具。实际上该 工艺的实践基础在模具行业中早就存在，即以母模或者样件 通过各种方法如铸造、喷涂和电铸等制造相应的模具，因此 技术开发和应用都很实用。 尽管直接快速制模法的工序少，但是模具精度和性能很 难满足要求，而间接制造方法是快速原型和传统成型工艺的 结合，可以根据模具的应用要求选择不同复杂程度和成本的 配合工艺，模具的精度、表面质量、材质要求和力学性能等 更接近实际应用情况，因此目前工业界多使用快速模具间接 制造方法。
激光粉末熔覆近净成型技术
是一种基于激光熔覆技术的快速金属零件和模具制造工艺， 成型零件组织致密，具有明显的快速熔凝特征，力学性能 高，并可实现非均质和梯度材料零件和模具的制造。不过， 由于热应力的影响和缺乏支撑材料，制造的模具在表面粗 糙度值和尺寸精度方面尚不能满足大部分模具的要求，限
制了LENS工艺在模具制造领域的应用。
4.3.2.1 直接快速模具制造
直接快速模具制造是利用不同类型的快速成型技术直接制造 出模具本身，然后进行一些必要的后处理和机加工以获得模具所 要求的力学性能、尺寸精度和表面粗糙度。直接快速模具制造方
法可制造出树脂模、陶瓷模、金属模等模具。
快速模具直接制造是由CAD模型驱动直接由快速成型机分层 堆积形成所需要的模具。由于工艺流程短，模具成型更加快捷，
放一层新的光敏树脂以便进行循环扫描、固化。新固化的一层牢
固地粘结在前一层上，如此重复堆积成整个原型。
2）分层实体制造(Laminated Object Manufacturing，简称 LOM)： 采用激光器和加热辊，按照分层模型所获得的数据，用激光束 将单面涂有热熔胶的纸片、塑料带、金属带或其他材料的箔带切 割成欲制样品的内外轮廓，再通过加热使刚刚切好的一层和下面 的已切割层粘结在一起。这样通过逐层反复的切割、粘合，最终
三维打印原理类似于喷墨打印机原理，首先铺粉，利用喷嘴 按指定路径将液态粘结剂喷在粉层上的特定区域，粘结后去除多
余的材料便得到所需的原型或零件。也可以直接逐层喷涂陶瓷或
其他材料粉浆，硬化后即得到所需的原型或零件。
4.3 快速成型技术的应用
•目前，就RP技术的发展水平而言，在国内主要是应用于新产品
（包括产品的更新换代）开发的设计验证和模拟样品的试制上， •即完成从产品的概念设计（或改型设计）- 造型设计 - 结构设 计 - 基本功能评估 - 模拟样件试制这段开发过程。但实际上， 快速成型技术 •应用的领域几乎包括了制造领域的所有行业，以及医疗、人体 工程、文物保护等领域。
而传统的快速模具(例如中低熔点合金模具、电铸模、喷涂 模具等) 因其工艺粗糙、精度低、寿命短,很难完全满足用
4.3.2 快速成型在模具制造中的应用
快速模具制造(RT)技术是用快速成型技术及相应的后续加工来 快速制作模具的技术。
应用快速模具制造技术制造模具,在最终生产模具开模之前进 行新产品试制与小批量生产,可以大大提高产品开发的一次成功 率, 制造周期仅为原来的1/3～1/10,生产成本仅为原来的1/3～ 1/5,这些优点使RT技术具有很好的发展条件。 由于市场需求旺盛,许多公司都研制出RT 新工艺、新设备,并 且取得了良好的经济效益。由于这些技术中高新技术的含量高, 并且涉及许多科技领域,解决了以前难以解决甚至认为是不可能 解决的技术难题,所以得到了广泛的关注。 快速模具制造技术在快速成型技术领域中,发展最迅速,产值增
粉末成型法

粉末成型法中最具代表性的是美国3DSystems公司开 发的3DKeltool工艺。
4)成型的快速性。
5)成型过程中信息过程和材料过程的一体化，尤其适合成型
材料为非均质并具有功能梯度或有孔隙要求的原型。
6)技术的高度集成性。
4.2 快速成型制造工艺的分类
1.按制造工艺所使用的材料的状态、性能特征分类
2.按制造工艺原理分类
1. 按制造工艺所使用的材料的状态、性能特征分类
1）液态聚合、固化：
术的优越性。
2)快速成型产品单价与原型的复杂程度和原型的制造数量均 无关，如图4-2所示。
2)快速成型产品单价与原型的复杂程度和原型的制造数量均无关， 如图4-2所示。
图4-2 快速成型与传统制造方法的产品单价比较
3)高度的柔性。 成型过程无需专用的工具或夹具即可以完成任意复杂形 状的三维实体的制造，通过对CAD模型的修改重组就可获 得新零件的设计和加工信息。
2、 三维模型的分层处理
根据被加工模型的特征选择合适的成型方向，在成型 高度方向上用一系列一定间隔的平面切割模型，以便提取 截面的轮廓信息。 间隔一般取0.05-0.5mm。 间隔越小，成型精度越高，但成型时间越长，效率越低； 反之则成型精度降低，但效率提高。
3) 层层制造，堆积成型。
•根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头(激 光头或喷头)按各截面轮廓信息作扫描运动，在工作台上一层一
工艺过程更易控制，直接制造金属模具成为最被看好的先进技术， 是快速模具制造技术所追求的目标。
快速模具直接制造最成功的快速成型工艺是激光选区烧结技 术（SLS）。 工艺过程为：高能量激光选择性地将粉末烧结为层片，逐层 烧结后，将未烧结的松散粉末除去，然后经过高温烧结及渗 铜后即可作为模具使用。该方法在小型注射模和吹塑模上已 得到成功应用。 直接金属激光烧结工艺是德国EOS公司基于SLS工艺开发的一 种新型模具直接制造技术，不用中间粘结剂而直接烧结金属 粉末，所制造出的模具密度接近纯金属。DMLS模具不必再进 行后期的高温烧结和渗铜，但需在表面渗入一层高温环氧树 脂，目前模具的精度能达到0.05mm，用于注射模能注射出高 达1.5万件的塑件，用于压铸模可以铸造几百件金属零件。
•1）光固化成型(Stereo Lithography Apparatus,简称SLA)： •以光敏树脂为原料，采用计算机控制下的紫外激光束以原型各
分层截面轮廓为轨迹进行逐点扫描，使被扫描区内的树脂薄层产
生光聚合反应后固化，从而形成制件的一个薄层截面。 •一层固化完毕后，向下移动工作台，在刚刚固化的树脂表面布
• 快速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理
采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技
术。从成形角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加。 从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息，
再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由
点到面，由面到体地堆积零件。从制造角度看，它根据 CAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激
光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。
百度文库
4.1.2
快速成型过程
1)产品CAD实体模型的构建。 2)三维模型的分层处理。
3)层层制造，堆积成型。
4)后处理。
图4-1
快速成型的过程
1) 产品CAD实体模型的构建。
•由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建成型产
品的三维CAD模型。 •三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件(如Pro/E，I DEAS， Solid Works，UG等)直接构建；也可以将已有产品的二维图样进 行转换而形成三维模型；或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫 描，得到点云数据，然后利用逆向工程的方法来构造三维模型。 •由于目前快速成型软件接受的数据文件一般为STL格式，所以必 须对三维模型进行近似处理，用一系列的小三角形平面逼近原来 的模型。一般的CAD软件都带有转换和输出STL格式文件的功能。