快速成型技术及原理

RP技术简介
快速原型制造技术，又叫快速成形技术，（简称RP技术）；
英文：RAPID PROTOTYPING（简称RP技术），或
RAPID PROTOTYPING MANUFACTUREING，简称RPM。

快速成型（RP）技术是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术, 对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。

自该技术问世以来，已经在发达国家的制造业中得到了广泛应用，并由此产生一个新兴的技术领域。

RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。

不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。

但是，其基本原理都是一样的，那就是"分层制造，逐层叠加"，类似于数学上的积分过程。

形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"。

RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。

RP技术的基本原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。

快速成型机的工艺
立体光刻成型sla
层合实体制造lom
熔融沉积快速成型fdm
激光选区烧结法SLS
多相喷射固化mjs
多孔喷射成型mjm
直接壳法产品铸造dspc
激光工程净成型lens
选域黏着及热压成型SAHP
层铣工艺lmp
分层实体制造som
自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。

其成形原理分别介绍如下：
（1）SLA（光固化成型法）快速成形系统的成形原理：
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。

（2）SLS（激光选区烧结法）快速成形系统的成形原理：
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。

（3）LOM（叠层实体制造法）快速成形系统的成形原理：
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。

（4）FDM（熔融沉积法）快速成形系统的成形原理：
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。

黏合剂粘结法（3D-P三维打印）
3D-P三维打印是利用喷头喷粘结剂选择性粘结粉末成型。

首先铺粉机构在加工平台上精确地铺上一薄层粉末材料，然后喷墨打印头根据这一层的截面形状在粉末上喷出一层特殊的胶水，喷到胶水的薄层粉末发生固化。

然后在这一层上再铺上一层一定厚度的粉末，打印头按下一截面的形状喷胶水。

如此层层叠加，从下到上，直到把一个零件的所有层打印完毕。

然后把未固化的粉末清理掉，得到一个三维实物原型。

免费开源的快速成型机项目
△1.reprap
△2.fabathome
△3.CupCakeCNC
上面3个是免费开源的快速成型机项目，开放包括源代码在内的所有资料，完全可以手工自己造出一台来。

reprap
reprap是由英国巴恩大学的Adrian Bowyer 等人,设计制作的一种3D立体打印机.
它与传统的平面打印机不同的是,它打印的都是立体的物件而不是平面的,它的打印原料使用的也不
是普通的墨汁,而abs塑料,聚已酸内酯,等等.
reprap最初的设计目的是为了一个很科幻的目的,不停的复制它自己,但现在它只能复制自己60%左右,还只是部分机械零件.这也是它的名字的由来---RepRap is sho rt for
Replicating Rapid-prototyper快速复制原型.
reprap也可以用来制造它自己零件以外的东西,列如门把手,挂衣钩,酒杯等.
reprap现在是开源的设计,谁都可以去它的网站下载设计资料,包括电路与机械部分,还有软件的源代码.
reprap现在能用的版本有3个.简单的是RepStrap "Seedling",稍微复杂点的是R epRap "Darwin",第三个版本叫做"孟德尔(Mendel)",已经发布了，现在可以下载相关的资料了。

.Darwin现在还在不停的更新设计.
reprap的工作原理是(这里是以塑料为原料的Darwin来说明,还有激光版的),把原料加热,一层一层的抹出一个物体,可能需要后期手工修饰.
Fabber
fabber,是一个免费的开源的快速成型机的名字，任何人都可以去他们的网站fab athome.下载，制做快速成型机fabber的资料。

右边图就是fabber
现在fabber有两个快速成型机的版本，The Model 1 is the original Fab@Ho me fabber，.与Model 1 2-Syringe System，这两个系统最明显的不同是一个是单挤出机头，一个是双挤出机头。

挤出机可以想象成一个打印机的打印头，不过这个打印头打出来的是立体的物体。

挤出机使用的原
料也是多种多样，从巧克力到气凝胶，只要能在规定时间内自动凝固的东西都可以用。

忘了说，挤出机现在用的是注射器，由电脑通过
控制步进电机的移动，来推动注射器，挤出各种原料。

fabber的外壳是由亚克力塑料(有机玻璃），经过激光雕刻机切割出来的，
可以去广告公司订做，样本资料在fabathome有下载，其他零件参数也都有。

[1] CupCakeCNC
CupCakeCNC是一种快速成型机的名字，见右图。

它是免费开源的，只要去它的网站makerbot[1]就可以下载CupCakeCNC的设计资料，仔细找。

CupCakeCNC与快速成型机reprap是同门，两者使用的控制软件与电路部分基本相同，甚至现在reprap的挤出机设计还参考了CupCakeCNC的轮式挤出机的设计。

CupCakeCNC的外壳是用胶合板经过激光雕刻机切割出来的。

CupCakeCNC的挤出机类似打印机的打印头，不过它打印出来的是3维立体的物体，它使用的原料是，树脂，塑料等。

CupCakeCNC现在在欧美已经广泛被大学生，艺术家，航模爱好者采用，因为CupCakeCNC本身比较容易制造，它打印出的物体精度尚可。

Z Corporation 是世界上速度最快的3D打印机的开发商、制造商和营销商。

具有2D桌面打印的速度，且具有便捷性，可用来制作真实世界的3D实体成型。

尽管价格昂贵，但是颇受欢迎。

领先的制造商、财富500 (Fortune 500)公司以及许多研究中心都依赖Z Corp.的打印机来制作成型，从而开发出一系列世界级的产品和技术。

Z Corp.系统不仅是目前的市场上速度最快的3D打印机，而且也是唯一能提供彩色3D打印功能的系统。

Z Corporation的三维打印机实惠于那些需要彩色打印件的用户。

而Dimension打印机则更适合那些需要打印物件更精确、更耐久的用户。

Dimension打印机基于ABS材料的零件，可以反复地进行形状试验、装配和功能试验。

如果顾客需要完全免动手的便利，还可选择利用可溶性支撑去除系统的Dimension SST。

它操作简单，插入自动装载的材料盒，然后按照控制面版的提示操作，3D打印就会通过Dimension或Dimension SST慢慢展示在你的眼前。

该产品用途广泛，如外形设计、装配、测试等；成型最大尺寸为203x203x305毫米；
自动上料盒内含922立方厘米材料或支撑材料；设备尺寸大小是686x914x1041毫米；重量达136千克。

快速成型机品牌
•Z Corp
•CONTEX
Z Corp ZPrinter 310 Plus ￥40万
•
•Z Corp ZPrinter 650 ￥90万•
Z Corp ZPrinter 510
•
￥90万
•
•
•
•
Z Corp ZPrinter 450
•
￥60万
Z Corp ZPrinter 350•
￥50万
CONTEX DESIGNmate Cx •
￥50万
RP技术的应用
RP技术的实际应用主要集中在以下几个方面：
(1)在新产品造型设计过程中的应用快速成形技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。

(2)在机械制造领域的应用由于RP技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。

有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用RP技术直接进行成型，成本低，周期短。

(3)快速模具制造传统的模具生产时间长，成本高。

将快速成型技术与传统的模具
制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计
与制造薄弱环节的有效途径。

快速成形技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用RP技术直接堆积制造出模具，间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具。

(4)在医学领域的应用近几年来，人们对RP技术在医学领域的应用研究较多。

以医学影像数据为基础，利用RP技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。

(5)在文化艺术领域的应用在文化艺术领域，快速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。

(6)在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。

该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性，采用RP技术，根据C
AD模型，由RP设备自动完成实体模型，能够很好的保证模型质量。

(7)在家电行业的应用目前，快速成形系统在国内的家电行业上得到了很大
程度的普及与应用，使许多家电企业走在了国内前列。

如：广东的美的、华宝、科龙；
江苏的春兰、小天鹅；青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到
了很好的效果。

快速成形技术的应用很广泛，可以相信，随着快速成形制造技术的不
断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。

快速成型技术的发展方向
从目前RP技术的研究和应用现状来看，快速成型技术的进一步研究和开发工作主要有以下几个方面：
(1)开发性能好的快速成型材料，如成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料。

(2)提高RP系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。

(3)改善快速成形系统的可靠性，提高其生产率和制作大件能力，优化设备结构，尤其是提高成形件的精度、表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能实验提供基础。

(4)开发快速成形的高性能RPM软件。

提高数据处理速度和精度，研究开发利用CAD原始数据直接切片的方法，减少由STL格式转换和切片处理过程所产生精度损失。

(5)开发新的成形能源。

(6)快速成形方法和工艺的改进和创新。

直接金属成形技术将会成为今后研究与应用的又—个热点。

(7)进行快速成形技术与CAD、CAE、RT、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的集成研究。

(8)提高网络化服务的研究力度，实现远程控制。

快速成型机理及精度保证体系研究
原力技术网
摘要：阐述了RP技术的由来和优越性，分析了快速成型系统的成型原理，重点分析了一种新型激光熔敷快速成型系统，介绍了利用RP技术的快速性和铸造工艺的成熟性制造功能性产品的CAE系统，并构建了多回路误差控制及反馈系统。

关键词：快速成型；成型原理；CAE系统；误差控制。

1.引言
快速原型制造技术，又叫快速成型技术；英文：Rapid Prototyping（简称RP技术），或Rapid Prot otyping Manufacturing，简称RPM。

RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术等基础上集成发展起来的一项先进制造技术，对促进企业产品创新、缩短开发周期、降低开发成本、提高产品竞争力有积极推动作用。

它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。

由传统的“去除法”到今天的“增长法”，由有模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。

2. RP系统的基本工作原理
不同种类的快速成型系统因所用成型材料不同，成型原理和系统特点也各有不同。

但其基本工作原理都是一样的，那就是“分层制造，逐层叠加”，类似于数学上的积分过程。

形象地比喻：快速成型系统相当于一台“立体打印机”。

将一个复杂的三维物理实体离散成一系列二维层片的加工，是一种降维制造的思想，大大降低了加工难度，并且成形过程的难度与待成形的物理实体的形状和结构的复杂程度无关。

如图1所示：
（1）二维打印（2）三维成型
图1 RP基本工作原理
其整个成型过程是在没有任何刀具、模具及工装卡具的情况下，快速直接地实现零件单件生产的，这个过程只需很短的时间。

3. RP系统的成型机理
技术的基本原理：其基本过程如图2所示，首先由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面模型或实体模型；然后根据工艺要求，按一定的规则将该模型离散为一系列有序单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层或切片），把三维数字模型变成一系列的二维层片；再根据每个层片的轮廓信息进行工艺规划，选择合适的加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机（数控机床）接受指令控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度和特定形状的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一个三维物理实体。

自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成型机以来，到现在已经有十几种不同的成型系统，其中比较典型的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。

3.1 激光固化成型（SLA）的成型机理
A的基本构成如图3所示。

它以光敏树脂为原料，在计算机控制下，紫外激光按零件各分层截面数据对液态光敏树脂表面逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层；一层固化完毕后，工作台下降，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化；新固化的一层牢固地粘合在前一层上；如此重复直到整个零原件型制作完毕。

图3 SLA成型机理
方法的特点是精度高、表面质量好、原材料利用率将近100%，能成型形状特别复杂(如空心零件)、特别精细（如手饰、工艺品等）的零件。

缺点是设备价格相对较贵。

3.2 选择性激光烧结成型（SLS）的成型机理
S技术原理如图4所示。

这项技术与SLA很相似，也是用激光束来扫描各层材料，但SLS的激光器为C
O2激光器，成型材料为粉末物质。

制作时，粉末被预热到稍低于其熔点温度，然后控制激光束来加热粉末，使其达到烧结温度，从而使之固化并与上一层粘结到一起。

目前烧结的材料主要有标准的铸造蜡材，标准的工程热塑性塑料如聚碳酸酯、尼龙、覆膜金属。

现在国内外正在研究陶瓷以及其它工程塑料的烧结成型。

图4 SLS成型机理
机器比较昂贵,制作的零件表面粗糙，后处理比较麻烦,例如要在表面涂敷环氧树脂固化、打磨等。

还有一个问题是成型件的致密程度较差。

3.3 激光层压成型（LOM）的成型机理
本原理是根据零件分层几何信息切割薄材(如纸张、金属箔材)，将所获得的层片依次粘结成三维实体。

一般采用一定功率（依被切割材料而定，如切纸可用20W）的CO2激光器进行切割，如图5所示，首先铺上一层薄材，然后激光器在计算机的控制下切出本层轮廓，并把非零件部分按一定形状切成碎片以便去除;本层完成后，再铺上一层薄材，用热辊碾压，以固化粘结剂，使新铺上的一层粘结在已形成的形体上，再切割。

其主要用于快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。

图5 LOM成型机理
3.4 熔积成型（FDM）的成型原理
3.4.1 多种材料组织的熔积成型
方法的原理如下：利用等离子放电来加热金属丝材料，加热头的结构如图6所示，熔化的材料熔积到工件逐渐成型。

制做一个多种材料的工件时需要多个喷头，各喷头可分别喷出不同的材料。

在CAD造型中设计出一个完整的器件，器件中的零件由不同材料组成，加工时根据各层所需材料的要求，分别喷上所需材料，这样就可成形出一个多种材料和部件的三维实体器件。

这种技术可在一些小型复杂结构器件的一次整体制造中使用，而无需分件加工和装配，是一个材料与结构一体化的方法，是发展微机械制造的一条有效途径。

图6 多种材料组织熔集成型
3.4.2 气相沉积成型（SALD）
康奈迪格（Connectict）大学的Kevin Jakubeas阐述了一种基于活性气体分解沉淀的成型技术，它称之为“Selective area laser deposition”（图7），即使用高能量激光的热能或光能分解一种活性气体。

这种活性气体在激光的作用下发生分解，沉积出一个材料的薄层进行逐层制造。

Jakubeas认为通过改变活性气体的成分和温度以及激光束的能量，可以沉积出不同材料的零件，包括成型陶瓷和金属零件。

3.5 激光熔覆快速制造技术（LCRM）
RM是一种基于激光熔覆的包括激光熔覆、送粉系统、CAD/CAM、传感器和数控技术的综合制造技术。

近几年来，天津工业大学激光工程中心对这一技术进行了深入的研究和开发，并取得了突破性的进展。

图8为该项技术的原理图。

激光熔覆最初是一种涂层技术，激光熔覆道沿平面横向多道搭接可以获得高性能的表面涂层，将激光熔覆
面沿垂直方向空间多层叠加便可以制造出三维金属零件。

图8 LCRM成形机理
RM技术的原理是：首先用CAD画出零件实体模型，然后用分层软件对实体模型进行处理，获取各截面的几何信息，并将其转化成NC工作台运动的轨迹信息。

成形时，有一束高功率激光会照射到基材表面形成熔池，与此同时金属粉末通过同轴送粉嘴被同轴地喷入熔池形成熔覆层，送粉嘴根据CAD给定的轨迹信息在NC的控制下逐层扫描堆积，最终制造出金属实体零件。

由于激光熔覆的快速凝固特征，所制造出的金属零件具有优良的质量和强度。

图9是利用LCRM技术制造的复杂矩形零件，其尺寸为45×45×50mm。

图9 零件
4. RP系统产品精度保证体系
实际生产中，常常采用试错法来保证最终产品的精度。

随着计算机技术的发展以及对降低成本、实现数字化、过程可控性的要求，有必要采用计算机集成制造方法，对整个过程进行计算机模拟仿真研究。

图10 CAD模型到产品的工艺路线图
CAE（Computer Aided Engineering,计算机辅助工程）包括灵捷制造、柔性制造、同时工程，虚拟制造等。

引进CAE技术，可以把工艺路线绘制为图10所示。

其中比较关键的是“转换”技术，也称快速模具（RT，Rapid tooling）技术，它是用各种方法把RP原型转换成工模具的技术。

其中一个方法是将原型转换成陶瓷型，再利用铸造的方法转换成金属型。

利用RP原型与RT技术集成的制造精密铸造模具方法适应了现代工业向着多品种、变批量发展的要求，被称为“柔性工具”方法。

把中间过程看作“黑匣子”，则由CAD模型到产品的工艺路线，如图10所示；此过程相应的快速、多回路误差控制与反馈系统，如图11所示。

图11多回路误差控制及反馈系统
5. 结论
技术是二十一世纪世界先进制造技术和新产品研发的手段。

当前，市场竞争愈演愈烈，产品更新换代加速，迫切需要采用先进的创新手段。

RP技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下，可实现任意复杂形状的新产品样件的快速制造，提高此快速柔性系统的精度是当今急迫解决的问题。

分析了几种典型快速成形技术的原理，并以LCRP技术制造出了质量和强度较为满意的零件。

给出了计算机辅助工程的工艺路线，并结合生产实际总结出了合理的多回路误差控制及反馈系统，进而保证零件的加工精度。

原力技术网
SLS
粉末材料选择性烧结（Selected Laser Sintering）是一种快速原型工艺，简称SLS.
SLS快速原型技术的优点是：
1、与其他工艺相比，能生产最硬的模具。

2、可以采用多种原料，例如绝大多数工程用塑料、蜡、金属、陶瓷等。

3、零件的构建时间短，可达到1in/h高度。

4、无需对零件进行后矫正。

5、无需设计和构造支撑。

选择性烧结的最大优点是可选用多种材料，适合不同的用途、所制|考试|大|作的原型产品具有较高的硬度，可进行功能试验。

SLS快速原型技术缺点是：
1、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。

2、表面的粗糙度收粉末颗粒大小及激光点的限制。

3、零件的表面一般是多孔性的，为了使表面光滑必须进行后处理。

4、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。

5、该工艺产生有毒气体，污染环境。

LOM
LOM快速原型技术的优点是：
1、由于只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无需扫描整个断面，所以这是一个高速的快速原型工艺。

零件体积越大，效率越高。

2、加工后零件可以直接使用，无|考试|大|需进行后矫正。

3、无需设计和构建支撑结构。

4、易于使用，无环境污染。

LOM快速原型技术的缺点是：
1、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。

2、纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上漆。

3、难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。

4、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。

当加工室的温度过高时常有火灾发生。

FDM快速原型技术的优点是：
1、制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的危险。

2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。

3、可快速构建瓶状或中空零件。

4、原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。

5、原材料费用低，一般零件均低于20美元。

6、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快速原型技术的缺点是：
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。

SLA快速原型技术的优点是：
1、系统工作稳定。

系统一旦开始工作，构建零件的全过程完全自动运行，无需专人看管，直到整个工艺过程结束。

2、尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1mm以内。

3、表面质量较好，工件的最上层表面很光滑，侧面可能有台阶不平及不同层面间的曲面不平。

4、系统分辨率较高，因此能构建复杂结构的工件。

SLA快速原型的技术缺点：
1、随着时间推移，树脂会吸收空气中的水分，导致软薄部分的弯曲和卷翅。

2、氦-镉激光管的寿命仅3000小时，价格较昂贵。

同时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。

3、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。

4、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委都能可靠定位。