快速原型制造技术
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图1.1 快速成形过程示意图
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图1.2 快速成形过程示意图
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图1.3 快速成形过程示意图
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快速原型制造技术的基本过程
CA 模型 D
逐面地进行材料“三维堆积”成型，再经过必要的后处理，使其在外观、強 度和性能等方面达到设计要求，达到快速、准确地制造原型或实际零件的方
法。
16.04.2019
快速原型制造技术的产生 快速原型制造技术的基本原理与过程 快速原型制造技术的特点 快速原型制造技术的重要特征 快速原型制造技术的种类 快速原型制造技术的应用 快速原型制造技术的发展趋势
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快速原型技术与传统成形方式的区别： 成形机理和工艺控制方面： （1）RP加工不是一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、 电等物理手段实现材料的转移或堆积； （2）原型是通过堆积不断增大，其力学性能不但取决于成型 材料本身，而且与成型中所施加的能量大小及施加方式有密 切关系，故在成型工艺控制方面，需要对多个坐标进行精确 的动态控制； （3）能量在成型物理过程中是一个极为关键的因素，在以往 的去除成形和受迫成形中，能量是被动地供给的，一般无须 对加工能量进行精确的预测与控制，而在离散、堆积类型的 RP中，单元体制造中能量是主动供给的，需要准确地预测与 控制，对成型中的能量形式、强度、分布、供给方式以及变 化等进行有效的控制，从而经由单元体的制造而完成成型。
23
技术的高度集成
快速成形技术是CAD/CAM技术、计算机技术、数 控技术、控制技术、激光技术、新材料技术和机械工 程等多项交叉学科的综合集成。它以离散／堆积为方 法，在计算机和数控技术的基础上，追求最大的柔性 为目标。
CAD技术通过计算机进行精确的离散运算和繁杂的 数据转换，实现零件的曲面或实体造型，数控技术为 高速精确的二维扫描提供必要的基础，这又是以精确 高效堆积材料为前提的，激光器件和功率控制技术使 材料的固化、烧结、切割成为现实。快速扫描的高分 辨率喷头为材料精密堆积提供了技术保证。
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快速响应性
快速原型零件制造从CAD设计到原型 (或零 件 )的加工完毕，只需几个小时至几十个小时， 复杂、较大的零部件也可能达到几百小时， 但从总体上看，速度比传统的成形方法要快 得多。尤其适合于新产品的开发， RP 技术已
成为支持并行工程和快速反求设计及快速模
快速原型制造技术 （RapidPrototyping)
学习目的及要求
1. 认识和理解快速成形技术的基本原理、基本方法； 2. 了解快速成型设备的基本结构、技术性能； 3. 掌握一、两种成型设备的操作技能及原型件制造的 工艺方法； 4. 对快速成形技术及应用有较全面的了解。
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快速原型制造技术与传统加工的比较
RP机器： 1. 工件复杂程度不受限制（产品制造过程几乎与零件的复杂 程度无关）； 2.产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和 单件小批量零件的生产； 3. 加工时，不需要夹具； 4.无切割、噪音和振动等，有利于环保； 5.采用非接触加工，没有工具更换和磨损之类的问题，可以 做到无人值守； 6.生产过程数字化，与 CAD 模型具有直接的关联，零件可 大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造； 7. 编程简便。 8.与传统方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小 批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。
目录
第1章 绪论 第2章 几种典型的快速成型工艺 第3章 快速成形的软件系统 第4章 快速原型设备 第5章 快速成形技术的工程应用
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第1章
绪 论
RP技术是借助计算机辅助设计或由实体逆向方法取得原型或零件几何形狀，
进而以此建立数字化模型，再利用计算机控制的机电集成制造系统，逐点、
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CAD模型直接驱动
CAD/CAM一体化，无需人员干预或 较少干预，是一种自动化的成形过程。 提高了新产品开发的一次成功率，缩短 了开发周期，降低了研发成本。（据统 计：可减少产品开发成本30—70%，缩 短开发时间50%至更少。）
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设计、制造一体化
在传统的CAD/CAM技术中，复杂的CAPP 一直是实现设计、制造一体化过程中比较难以克
服的一个障碍。而快速成形技术突破了成形思想
的局限性，采用了离散 堆积的加工工艺，避开
了传统的工艺规划制定，使CAD和CAM能够很
顺利地结合在一起，实现了设计制造一体化。
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§1.3 快速原型制造技术的特点
高度柔性
CAD模型直接驱动
技术的高度集成
设计、制造一体化
快速响应性 制造成型自由化 材料使用的广泛性
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高度柔性
RP技术最特出的特点就是柔性好，在计算机管理 和控制下使所制造的零件的信息过程和物理过程并 行发生，把可重编程、重组、连续改变的生产装备 用信息方式集成到一个制造系统中，使制造成本完 全与批量无关。 不需要任何刀具，模具及工装卡具的情况下，可 将任意复杂形状的设计方案快速转换为三维的实体 模型或样件。 对整个制造过程，仅需改变CAD模型或反求数据结 构模型，对成形设备进行适当的参数调整，即可在 计算机的管理和控制下制造出不同形状的零件或模 型。
具制造系统的重要技术之一。
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制造成型自由化
可根据零件的形状，不受任何专用工 具或模具的限制而自由成形，也不受零件 复杂程度的限制，能够制造任意复杂形状 与结构、不同材料复合的零件。
§ 1.2 快速原型制造技术的基本原理与过程
快速原型制造技术的基本原理
传统的零件加工过程是先制造毛坯，然后经切削加工，从毛 坯上去除多余的材料得到零件的形状和尺寸，这种方法统称 为材料去除制造。 快速原型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法，而基于 “材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简 单的材料二维添加的组合，它能在CAD模型的直接驱动下， 快速制造任意复杂形状的三维实体，是一种全新的制造技术。 快速成形技术是由CAD模型直接驱动，快速制造任意复杂形 状的三维物理实体的技术。快速成形技术的本质是用材料堆 积原理制造三维实体零件。它是将复杂的三维实体模型 “切” （Spice）成设定厚度的一系列片层，从而变为简单的二维 图形，再采用粘接、聚合、熔结、焊接或化学反应等手段使 其逐层堆积成一体制造出所设计的三维模型或样件。如图 1.1、图1.2和1.3所示。
2
学习内容
快速成型原理及应用 数据处理软件 设备控制软件 成型准备及演示设备操作 操作设备、制作典型零件、故障处理及分析 标准零件制作 实体零件制作 薄壁零件制作 6. 零件的后处理 7. 注：考试通过将发给科技部国有制造业信息化“3DCAD应用工程师”资格证书 1. 2. 3. 4. 5.
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图1.5 快速原型详细工艺流程
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快速原型制造技术的基本过程
（1）CAD模型设计：应用三维CAD软件，根据产品要求设计 三维模型，或采用逆向工程技术获取产品的三维模型。 （2）三维模型的近似处理：用一系列小三角形平面来逼近模型 上的不规则曲面，从而得到产品的近似模型。 （3）三维模型的Z向离散化（即分层处理）：将近似模型沿高 度方向分成一系列具有一定厚度的薄片，提取层片的轮廓信息 （4）处理层片信息，生成数控代码：根据层片几何信息，生成 层片加工数控代码，用以控制成形机的加工运动。 （5）逐层堆积制造：在计算机控制下，根据生成的数控指令， RP系统中的成形头在X－Y平面内按截面轮廓进行扫描，固化液 态树脂，从而堆积出当前的一个层片，并将当前层与已加工好 的零件部分粘合。然后，成形机工作台面下降一个层厚的距离， 再堆积新的一层。如此反复进行直到整个零件加工完毕。 （6）后置处理：对完成的原型进行处理，使之达到要求。（清 理零件表面，去除辅助支撑结构）
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市场变化 快 速 原 型 制 造 技 术 产 生 的 背 景
客户要求
计算机技术
RP
能源科学
CAD/CAM 材料科学
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• 全球一体化市场、制造业竞争激烈，产品的开发速度 成为市场竞争的主要矛盾。 快 • 从技术发展角度，计算机、CAD/CAM、材料、激 速 光等技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了 原 基础。 型 制 • 快速原型制造于20世纪80年代后期产生于美国，并 造 很快扩展到日本及欧洲，于20世纪90年代初引入我 技 术 国，是近20年来制造技术领域的一项重大突破。 产 • 它借助计算机、激光、精密传动、数控技术等现代手 生 段，将CAD和CAM集成于一体，根据在计算机上构 的 背 造的三维模型，能在很短的时间内直接制造出产品样 景 品，使设计工作进入一种全新的境界。 • 改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发周期， 加快了产品交新换代的速度，降低了企业投资新产品 16.04.2019 昆明学院 孙艳萍 8 的风险。
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RP技术的基本原理图
三维CAD模型
分层切片
各层截面的轮廓
激光器（或喷嘴）按各层截 面轮廓切割、固化或烧结 微小厚度的片状实体 逐层堆积 三维模型或样件
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快速原型制造技术与传统加工 的比较
人工：慢
CNC加工机床： 1. 复杂性高，加工不容易； 2. 加工时需要设计工装夹具； 3. 编程工作繁琐。
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它与NC机床的主要区别在于高度柔性。无论是数控机床还 是加工中心，都是针对某一类型零件而设计的。如车削加工中 心，铣削加工中心等。对于不同的零件需要不同的装夹，用不 同的工具。虽然它们的柔性非常高，可以生产批量只有几十件、 甚至几件的零件，而不增加附加成本。但它们不能单独使用， 需要先将材料制成毛坯。而RP技术具有最高的柔性，对于任何 尺寸不超过成形范围的零件，无需任何专用工具就可以快速方 便的制造出它的模型(原型)。从制造模型的角度，RP具有NC机 床无法比拟的优点，即快速方便、高度柔性。
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§ 1.1 快速原型制造技术的产生
快 速 原 型 制 造 技 术 的 基 本 概 念 1. 快速原型技术（RP — Rapid Prototyping ）是一种基 于离散堆积成形思想的新型成形技术，它产生于20世 纪80年代，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等的基 础上集成发展起来的先进的产品研究与开发技术，实 现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。 2、快速原型制造(RPM — Rapid Prototyping Manufacturing）技术是使用RP技术，由CAD模型直 接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术 的总称。 3. RP技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下， 可将任意复杂形状的设计方案快速转换为三维的实体 模型或样件，这就是 RP 技术所具有的潜在的革命意 义。
向离散化 分层 ） Z （
快速成形由6个步骤组成： ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ CAD模型设计 Z向离散化 层面信息处理 层面加工与粘结 层层堆积 后置处理
分 解 过 程
层面信息化处理
计 算 机 中 信 息 处 理 成 形 机 中 堆 积 成 形
层层堆积
加工完毕
组 合 过 程
后置处理
图1.4 快速成形的基本过程
图1.1 快速成形过程示意图
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图1.2 快速成形过程示意图
16.04.2019 昆明学院 孙艳萍 11
图1.3 快速成形过程示意图
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快速原型制造技术的基本过程
CA 模型 D
逐面地进行材料“三维堆积”成型，再经过必要的后处理，使其在外观、強 度和性能等方面达到设计要求，达到快速、准确地制造原型或实际零件的方
法。
16.04.2019
快速原型制造技术的产生 快速原型制造技术的基本原理与过程 快速原型制造技术的特点 快速原型制造技术的重要特征 快速原型制造技术的种类 快速原型制造技术的应用 快速原型制造技术的发展趋势
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快速原型技术与传统成形方式的区别： 成形机理和工艺控制方面： （1）RP加工不是一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、 电等物理手段实现材料的转移或堆积； （2）原型是通过堆积不断增大，其力学性能不但取决于成型 材料本身，而且与成型中所施加的能量大小及施加方式有密 切关系，故在成型工艺控制方面，需要对多个坐标进行精确 的动态控制； （3）能量在成型物理过程中是一个极为关键的因素，在以往 的去除成形和受迫成形中，能量是被动地供给的，一般无须 对加工能量进行精确的预测与控制，而在离散、堆积类型的 RP中，单元体制造中能量是主动供给的，需要准确地预测与 控制，对成型中的能量形式、强度、分布、供给方式以及变 化等进行有效的控制，从而经由单元体的制造而完成成型。
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技术的高度集成
快速成形技术是CAD/CAM技术、计算机技术、数 控技术、控制技术、激光技术、新材料技术和机械工 程等多项交叉学科的综合集成。它以离散／堆积为方 法，在计算机和数控技术的基础上，追求最大的柔性 为目标。
CAD技术通过计算机进行精确的离散运算和繁杂的 数据转换，实现零件的曲面或实体造型，数控技术为 高速精确的二维扫描提供必要的基础，这又是以精确 高效堆积材料为前提的，激光器件和功率控制技术使 材料的固化、烧结、切割成为现实。快速扫描的高分 辨率喷头为材料精密堆积提供了技术保证。
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快速响应性
快速原型零件制造从CAD设计到原型 (或零 件 )的加工完毕，只需几个小时至几十个小时， 复杂、较大的零部件也可能达到几百小时， 但从总体上看，速度比传统的成形方法要快 得多。尤其适合于新产品的开发， RP 技术已
成为支持并行工程和快速反求设计及快速模
快速原型制造技术 （RapidPrototyping)
学习目的及要求
1. 认识和理解快速成形技术的基本原理、基本方法； 2. 了解快速成型设备的基本结构、技术性能； 3. 掌握一、两种成型设备的操作技能及原型件制造的 工艺方法； 4. 对快速成形技术及应用有较全面的了解。
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快速原型制造技术与传统加工的比较
RP机器： 1. 工件复杂程度不受限制（产品制造过程几乎与零件的复杂 程度无关）； 2.产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和 单件小批量零件的生产； 3. 加工时，不需要夹具； 4.无切割、噪音和振动等，有利于环保； 5.采用非接触加工，没有工具更换和磨损之类的问题，可以 做到无人值守； 6.生产过程数字化，与 CAD 模型具有直接的关联，零件可 大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造； 7. 编程简便。 8.与传统方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小 批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。
目录
第1章 绪论 第2章 几种典型的快速成型工艺 第3章 快速成形的软件系统 第4章 快速原型设备 第5章 快速成形技术的工程应用
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绪 论
RP技术是借助计算机辅助设计或由实体逆向方法取得原型或零件几何形狀，
进而以此建立数字化模型，再利用计算机控制的机电集成制造系统，逐点、
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CAD模型直接驱动
CAD/CAM一体化，无需人员干预或 较少干预，是一种自动化的成形过程。 提高了新产品开发的一次成功率，缩短 了开发周期，降低了研发成本。（据统 计：可减少产品开发成本30—70%，缩 短开发时间50%至更少。）
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设计、制造一体化
在传统的CAD/CAM技术中，复杂的CAPP 一直是实现设计、制造一体化过程中比较难以克
服的一个障碍。而快速成形技术突破了成形思想
的局限性，采用了离散 堆积的加工工艺，避开
了传统的工艺规划制定，使CAD和CAM能够很
顺利地结合在一起，实现了设计制造一体化。
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§1.3 快速原型制造技术的特点
高度柔性
CAD模型直接驱动
技术的高度集成
设计、制造一体化
快速响应性 制造成型自由化 材料使用的广泛性
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高度柔性
RP技术最特出的特点就是柔性好，在计算机管理 和控制下使所制造的零件的信息过程和物理过程并 行发生，把可重编程、重组、连续改变的生产装备 用信息方式集成到一个制造系统中，使制造成本完 全与批量无关。 不需要任何刀具，模具及工装卡具的情况下，可 将任意复杂形状的设计方案快速转换为三维的实体 模型或样件。 对整个制造过程，仅需改变CAD模型或反求数据结 构模型，对成形设备进行适当的参数调整，即可在 计算机的管理和控制下制造出不同形状的零件或模 型。
具制造系统的重要技术之一。
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制造成型自由化
可根据零件的形状，不受任何专用工 具或模具的限制而自由成形，也不受零件 复杂程度的限制，能够制造任意复杂形状 与结构、不同材料复合的零件。
§ 1.2 快速原型制造技术的基本原理与过程
快速原型制造技术的基本原理
传统的零件加工过程是先制造毛坯，然后经切削加工，从毛 坯上去除多余的材料得到零件的形状和尺寸，这种方法统称 为材料去除制造。 快速原型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法，而基于 “材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简 单的材料二维添加的组合，它能在CAD模型的直接驱动下， 快速制造任意复杂形状的三维实体，是一种全新的制造技术。 快速成形技术是由CAD模型直接驱动，快速制造任意复杂形 状的三维物理实体的技术。快速成形技术的本质是用材料堆 积原理制造三维实体零件。它是将复杂的三维实体模型 “切” （Spice）成设定厚度的一系列片层，从而变为简单的二维 图形，再采用粘接、聚合、熔结、焊接或化学反应等手段使 其逐层堆积成一体制造出所设计的三维模型或样件。如图 1.1、图1.2和1.3所示。
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学习内容
快速成型原理及应用 数据处理软件 设备控制软件 成型准备及演示设备操作 操作设备、制作典型零件、故障处理及分析 标准零件制作 实体零件制作 薄壁零件制作 6. 零件的后处理 7. 注：考试通过将发给科技部国有制造业信息化“3DCAD应用工程师”资格证书 1. 2. 3. 4. 5.
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图1.5 快速原型详细工艺流程
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快速原型制造技术的基本过程
（1）CAD模型设计：应用三维CAD软件，根据产品要求设计 三维模型，或采用逆向工程技术获取产品的三维模型。 （2）三维模型的近似处理：用一系列小三角形平面来逼近模型 上的不规则曲面，从而得到产品的近似模型。 （3）三维模型的Z向离散化（即分层处理）：将近似模型沿高 度方向分成一系列具有一定厚度的薄片，提取层片的轮廓信息 （4）处理层片信息，生成数控代码：根据层片几何信息，生成 层片加工数控代码，用以控制成形机的加工运动。 （5）逐层堆积制造：在计算机控制下，根据生成的数控指令， RP系统中的成形头在X－Y平面内按截面轮廓进行扫描，固化液 态树脂，从而堆积出当前的一个层片，并将当前层与已加工好 的零件部分粘合。然后，成形机工作台面下降一个层厚的距离， 再堆积新的一层。如此反复进行直到整个零件加工完毕。 （6）后置处理：对完成的原型进行处理，使之达到要求。（清 理零件表面，去除辅助支撑结构）
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市场变化 快 速 原 型 制 造 技 术 产 生 的 背 景
客户要求
计算机技术
RP
能源科学
CAD/CAM 材料科学
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• 全球一体化市场、制造业竞争激烈，产品的开发速度 成为市场竞争的主要矛盾。 快 • 从技术发展角度，计算机、CAD/CAM、材料、激 速 光等技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了 原 基础。 型 制 • 快速原型制造于20世纪80年代后期产生于美国，并 造 很快扩展到日本及欧洲，于20世纪90年代初引入我 技 术 国，是近20年来制造技术领域的一项重大突破。 产 • 它借助计算机、激光、精密传动、数控技术等现代手 生 段，将CAD和CAM集成于一体，根据在计算机上构 的 背 造的三维模型，能在很短的时间内直接制造出产品样 景 品，使设计工作进入一种全新的境界。 • 改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发周期， 加快了产品交新换代的速度，降低了企业投资新产品 16.04.2019 昆明学院 孙艳萍 8 的风险。
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RP技术的基本原理图
三维CAD模型
分层切片
各层截面的轮廓
激光器（或喷嘴）按各层截 面轮廓切割、固化或烧结 微小厚度的片状实体 逐层堆积 三维模型或样件
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快速原型制造技术与传统加工 的比较
人工：慢
CNC加工机床： 1. 复杂性高，加工不容易； 2. 加工时需要设计工装夹具； 3. 编程工作繁琐。
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它与NC机床的主要区别在于高度柔性。无论是数控机床还 是加工中心，都是针对某一类型零件而设计的。如车削加工中 心，铣削加工中心等。对于不同的零件需要不同的装夹，用不 同的工具。虽然它们的柔性非常高，可以生产批量只有几十件、 甚至几件的零件，而不增加附加成本。但它们不能单独使用， 需要先将材料制成毛坯。而RP技术具有最高的柔性，对于任何 尺寸不超过成形范围的零件，无需任何专用工具就可以快速方 便的制造出它的模型(原型)。从制造模型的角度，RP具有NC机 床无法比拟的优点，即快速方便、高度柔性。
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§ 1.1 快速原型制造技术的产生
快 速 原 型 制 造 技 术 的 基 本 概 念 1. 快速原型技术（RP — Rapid Prototyping ）是一种基 于离散堆积成形思想的新型成形技术，它产生于20世 纪80年代，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等的基 础上集成发展起来的先进的产品研究与开发技术，实 现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。 2、快速原型制造(RPM — Rapid Prototyping Manufacturing）技术是使用RP技术，由CAD模型直 接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术 的总称。 3. RP技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下， 可将任意复杂形状的设计方案快速转换为三维的实体 模型或样件，这就是 RP 技术所具有的潜在的革命意 义。
向离散化 分层 ） Z （
快速成形由6个步骤组成： ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ CAD模型设计 Z向离散化 层面信息处理 层面加工与粘结 层层堆积 后置处理
分 解 过 程
层面信息化处理
计 算 机 中 信 息 处 理 成 形 机 中 堆 积 成 形
层层堆积
加工完毕
组 合 过 程
后置处理
图1.4 快速成形的基本过程