快速成型技术
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56
金属直接成形：
金属合金粉末的直接烧结。该方法基于SLS (激光选择性烧 结) 工艺。美国Austin大学在这方面进行了大量的研究，并 研制了成形高温材料的烧结设备。
用金属丝线，利用堆焊的方法成形金属零件。英国的 Nottingham 大学正在进行这方面的研究。
用激光切割金属板材，并用激光焊接的方法将各层截面连 接起来。
CT图像
点云
曲面
RP模型
41
基于快速成型的人工生物活性骨骼制造原理
42
生物材料快速成型机
43
网状弹力绷带和弹力网帽
升降颈托 （高分子）
44
（四）微型机械/零件制造的研究开发
采用激光熔化金属粉末材料直接制造金属零件是RP技 术向RM发展的必然趋势，也是世界各国研究开发的热点。 微型部件，薄壁金属零部件，通信产品零部件等难于用传统 方法加工，适合于光化学快速成型。
23
24
(一)产品开发过程中的设计评价和功能测试
25
26
27
检验发动机外壳和管接头的装配情况
28
奇瑞发动机进气管（石膏型铸造 ）
29
发动机叶轮
风洞实验/寿命计算和热量计算 30
(二)快速制造模具及复杂金属零件（小批量）
蜡模
金刚砂模
31
制作周期：10天 32
坦克发动机部件
飞机发动机部件
微型光快速成型CAD/CAM技术研究，是我国国防科工 委青年基金项目的一部分。采用激光直接烧结微细金属粉末 技术可以制造三维微型机械。
利用微纳粉末金属材料进行微成型目前尚处于探索阶段。 目前已经成功制作出壁厚只有100μm左右的微小金属件。
45
桌面制造系统是RP领域产品开发的一个热点。RP设备系 统作为CAD系统三维图形输出的外设而被人们接受。而桌面系 统要求体积小，操作、维护简单，噪音、污染少，对环境无特 别要求，且成形速度快，但精度要求适当降低。美国Sanders Prototype 公司推出了廉价的桌面系统Model Maker。
一 facet normal 7.968876e-01 7.848658e-02 -5.990076e-01 //法向量坐标
个
outer loop
三
vertex 1.628367e-01 5.926770e-02 2.186166e-02
角
vertex 2.313727e-01 4.602288e-02 1.113028e-01
21
快速成型技术的特点
快速性 其制造周期仅为数控加工的1/5~1/10，速度比传统成型加 工方法快得多。成功地解决了CAD造型“看得见摸不着”的问题。
生产柔性好 不需要专门的模具和夹具，成型件的变化只需通过 修改其CAD模型即可实现。无振动，无噪音，无切削。
高度集成化 RP技术是计算机技术、数据采集与处理技术、材料 工程和机电工程与控制技术的综合体现。
14
RP成型过程控制界面
15
四.熔融堆积成型工艺 （Fuse Deposition Modeling，简称FDM）
16
FDM快速成型机(北京瑞科达快速成型公司)
17
传统的机加工
18
数控加工
TXK全系列数控镗铣床
数控龙门加工中心(威海)
19
如何缩短复杂零件的研发周期？
20
如何加工高难度的零件？
快速成型技术最早产生于二十世纪70年代末到80年代 初,美国3M公司的Alan J. Hebert（1978）、日本的小玉秀男 （1980）、美国UVP公司的Charles W. Hull（1982）和日本 的丸谷洋二（1983），在不同的地点各自独立地提出了RP 的概念，即用分层制造产生三维实体的思想。 1992年开发 了第一台商业机型3D-Modeler。
功能模型 16.1%
RP技术比例示意图
54
RP国外研究状况
地区分布： 美国、日本、西欧（德国 瑞典 法国） 研究重点： 金属直接成形、桌面制造系统、新工艺/新方法
美国主要RP技术公司和学校的研究开发情况： 3D System Inc. 研究以SLA工艺及其应用为主，并开发成功 分辩率为300dpi的多喷头3D-MJM系统； Strategy’s Inc.开发了FDM和桌面制造系统Genesis； The University of Dayton以Allan J.Lightman为首从事多种 RP工艺的研究，每年在这所大学召开国际RPM学术会议。
4
快速成型原理示意图
CAD 模型
RP制件
① STL ④
③
d
切片 分层
②
叠加 成型
5
从CAD模型到RPM系统的数据处理
表面网 格处理
模型诊 断修复
网格 划分
NC 处理
CAD 模型
STL 模型
实体 分层
层面 信息
NC 代码
RPM 系统
6
模型的转换
CAD模型
STL模型
7
STL文件文本格式
solid prt1
形
vertex 2.359055e-01 2.888914e-17 1.113028e-01
数
endloop
据 endfacet
//顶点坐标
……
……
facet normal -7.851632e-01 -3.252253e-01 -5.270173e-01
outer loop
vertex -3.333042e-01 -8.930858e-02 2.381354e-01
3
快速成型技术的原理
快速成型技术(Rapid Prototyping，简称RP)，首先将计 算机设计出来的三维实体模型数据分为二维层片数据。快速 成型的成型机根据这些数据，利用特定的材料，一个薄层一 个薄层地创建出实体，每一个薄层都贴合粘结到前一个薄层 上，直至完成整个实体的创建。
RP技术是计算机技术、数控技术、材料科学、现代光电 技术、机械工程技术集成等的结晶，是实现并行工程和敏捷 制造的有效途径。
设备体积小 作为微型计算机的3维输出外围设备。 成本低 为同类设备价格的1/5 ~1/20，设备销售价格为10～12
万元/台，批量生产的价格还可降低。 使用维持费用低 运行成本仅相当于同类产品的1/8～1/20。 成型范围的自由度大 既可满足中小尺寸零件的快速成型要求，
又可制作一定尺寸的微小机械。 可靠性高 可长时间无人全自动化工作。
上述这些方法目前都处在研究过程中，还没有真正实 用。但直接成形金属零件是一个很有潜力的发展目标，它 可以大大地扩大RP技术的应用领域，使设计和制造更紧密 地联接在一起。
57
直接金属沉积制造的零件
RP国内研究状况
研究单位：清华、华中科大、西安交大、北京隆源公司等 其它研究内容：材料研究、RP前端数据转换和处理、RP后端 应用技术
55
日本仅次于美国，大力发展RP，主要的研究单位有： 东京大学以中山威雄为首，从事SLA和LOM技术的研究； SONY公司属下的D-MEC，从事SLA，推出SCS型设备； Mitsubishi公司属下的CMET INC.从事SLA，推出SOUP设 备，在日本已占据相当市场；
西欧许多研究机构和厂商也将目光瞄准这一领域，如： 德国Electro-Optical System Gumbo即EOS，主要从事SLA 和SLS； 瑞典Spar AB (Larson Brothers CO. AB) 推出“Hot Plot Rapid Prototyping” 系统，类似于Helices 的LOM； 法国Laser 3D推出RP System。
• 上海交通大学医学院附属第九人民医院采用生物活性人工骨
材料，通过计算机三维技术“量身定做”颅颌骨假体，用以 修复颅颌骨缺损患者，效果显著，该项技术已申请国家发明 专利。
• 2005年8月26日，由西安交通大学承担的“人工生物活性骨
的快速复合制造技术研究”课题通过了863计划先进制造与 自动化技术领域组织的专家验收。
快速成型技术
主讲：J-bc
机械系机械制造自动化教研室
主要内容
快速成型技术的产生背景 快速成型技术的基本原理 几种常见的快速成型工艺 快速成型技术的应用领域 快速成型技术的发展现状及趋势
1
快速成型技术的产生背景
由于全球一体化市场的形成，制造业的竞争十分激烈， 产品开发周期的长短直接影响到一个企业的生死存亡。一个 新产品在开发过程中，总是要经过对初始设计的多次修改， 才有可能真正推向市场。
10
HRPL-III光固化快速成型机
11
二.分层实体制造工艺 （Laminated Object Manufacturing，简称LOM）
12
三.选择性激光烧结成型工艺 （Selective Laser Sintering，简称SLS）
13
AFS-450成型系统(北京隆源自动成型公司)
成型过 程控制
33
清华-有研院直接金属沉积制造的零件
34
35
零件的RP模型
翻制得到凸、凹模
翻制模具示意图
最终模具 36
连杆快速模具制作案例
37
RP 模型
模型 RP 38
(三)医学上的辅助诊断和手术模拟仿真
将RP技术与医学CT(Computerized Topography)， MRI (Magnetic Resonance Imaging磁共振成像)技术结 合，能辅助外科医生迅速准确地实施复杂的外科手术 以及进行假肢设计和制造。
46
快速成型微型零件产品
47
(五)与反求工程结合
所谓反求工程（Reverse Engineering），指的是针对一 现有的样品，利用3D数字化测量仪器准确、快速地将其轮廓 坐标量出，并进行三维CAD曲面重构后传至CAD/CAM系统， 再由CAM产生刀具的NC加工路径送至CNC加工设备制作所 需的模具，或者送到快速成型机（RP）将样品制作出来。
51
利用RP技术快速仿制实物
叶轮实物
叶轮点云
曲面重构
STL模型
快 速 成 型 机
NC代码
数 控 机 床
52
53
模具母模 13.4%
项目建Байду номын сангаас 5.8%
金属铸造模 直接RP模具
型 9.2%
4.9% 其它
4.4%
工程可视化
16.5%
报价 2.8%
工具制造可 视化
6.9%
人类工程学 装配模型
4.4%
15.6%
在反求工程中引入RP技术，能使反求检测结果以最快的 速度仿制出优化设计的产品原型。RP技术与三坐标测量仪、 三维扫描仪、工业CT等反求测量手段以及传统的数控加工结 合，组成了集成的快速制造系统，可实施快速反求工程。
48
三坐标测量仪
49
现场测量 管件测量
铸件测量
逆向工程
50
整车扫描
整车扫描数据
激光跟踪仪现场检测
可选材料的广泛性 可采用树脂类、塑料类、纸类、石蜡类原料， 也可采用复合材料、金属材料或陶瓷材料等。
广泛的应用领域 新产品开发、快速单件及小批量零件制造、不 规则零件或复杂形状零件的制造、模具、难加工材料的制造等。 22
快速成型技术的用途
产品开发过程中的设计评价和功能测试 实现快速模具制造及快速制造复杂金属零件 医学上的辅助诊断和手术模拟仿真 微型零件制造的研究开发 与逆向工程(Reverse Engineering)集成
制造业中的“修改”，是个非常困难的事。哪怕是外观 上的一点修改，往往就要重新制作模具。而模具的制作是一 件非常费钱费时的事情，更严重的是拖延了时间就可能意味 着失去市场。
2
因此，客观上需要一种可以直接地将设计数据快速地转 化为三维实体的技术。这样，不但可以快速直观地验证设计 的正确性，而且可以向客户、甚至仅仅是有意向的潜在客户 提供未来产品的实体模型，从而达到迅速占领市场的目的。 快速成型技术(Rapid Prototyping,简称RP）就是在这样的社 会背景下出现的。
由 CT片层数据获得骨骼轮廓信息，用快速成型技 术可复制骨骼三维实体模型，为矫形外科、颌面外科 的假肢设计制造，复杂骨骼疾病诊断以及临床教学打 下基础。
39
颅颌面三维结构和复杂颅面畸形的观察分析、定位 和定量诊断以及周密准确的手术设计模拟对于成功的颅 颌面整形外科治疗尤为重要。
40
据不完全统计，我国每年因先天性畸形或肿瘤、外伤、 车祸造成的颅颌骨缺损患者超过几十万例。
vertex -2.988323e-01 -1.725309e-01 2.381354e-01
vertex -4.388466e-01 -1.175886e-01 4.128267e-01
endloop
endfacet
endsolid prt1
8
求截面轮廓
实物模型
截面轮廓
9
常见的RP工艺
一.光固化快速成型工艺 （Stereo lithography Apparatus,简称SLA）
金属直接成形：
金属合金粉末的直接烧结。该方法基于SLS (激光选择性烧 结) 工艺。美国Austin大学在这方面进行了大量的研究，并 研制了成形高温材料的烧结设备。
用金属丝线，利用堆焊的方法成形金属零件。英国的 Nottingham 大学正在进行这方面的研究。
用激光切割金属板材，并用激光焊接的方法将各层截面连 接起来。
CT图像
点云
曲面
RP模型
41
基于快速成型的人工生物活性骨骼制造原理
42
生物材料快速成型机
43
网状弹力绷带和弹力网帽
升降颈托 （高分子）
44
（四）微型机械/零件制造的研究开发
采用激光熔化金属粉末材料直接制造金属零件是RP技 术向RM发展的必然趋势，也是世界各国研究开发的热点。 微型部件，薄壁金属零部件，通信产品零部件等难于用传统 方法加工，适合于光化学快速成型。
23
24
(一)产品开发过程中的设计评价和功能测试
25
26
27
检验发动机外壳和管接头的装配情况
28
奇瑞发动机进气管（石膏型铸造 ）
29
发动机叶轮
风洞实验/寿命计算和热量计算 30
(二)快速制造模具及复杂金属零件（小批量）
蜡模
金刚砂模
31
制作周期：10天 32
坦克发动机部件
飞机发动机部件
微型光快速成型CAD/CAM技术研究，是我国国防科工 委青年基金项目的一部分。采用激光直接烧结微细金属粉末 技术可以制造三维微型机械。
利用微纳粉末金属材料进行微成型目前尚处于探索阶段。 目前已经成功制作出壁厚只有100μm左右的微小金属件。
45
桌面制造系统是RP领域产品开发的一个热点。RP设备系 统作为CAD系统三维图形输出的外设而被人们接受。而桌面系 统要求体积小，操作、维护简单，噪音、污染少，对环境无特 别要求，且成形速度快，但精度要求适当降低。美国Sanders Prototype 公司推出了廉价的桌面系统Model Maker。
一 facet normal 7.968876e-01 7.848658e-02 -5.990076e-01 //法向量坐标
个
outer loop
三
vertex 1.628367e-01 5.926770e-02 2.186166e-02
角
vertex 2.313727e-01 4.602288e-02 1.113028e-01
21
快速成型技术的特点
快速性 其制造周期仅为数控加工的1/5~1/10，速度比传统成型加 工方法快得多。成功地解决了CAD造型“看得见摸不着”的问题。
生产柔性好 不需要专门的模具和夹具，成型件的变化只需通过 修改其CAD模型即可实现。无振动，无噪音，无切削。
高度集成化 RP技术是计算机技术、数据采集与处理技术、材料 工程和机电工程与控制技术的综合体现。
14
RP成型过程控制界面
15
四.熔融堆积成型工艺 （Fuse Deposition Modeling，简称FDM）
16
FDM快速成型机(北京瑞科达快速成型公司)
17
传统的机加工
18
数控加工
TXK全系列数控镗铣床
数控龙门加工中心(威海)
19
如何缩短复杂零件的研发周期？
20
如何加工高难度的零件？
快速成型技术最早产生于二十世纪70年代末到80年代 初,美国3M公司的Alan J. Hebert（1978）、日本的小玉秀男 （1980）、美国UVP公司的Charles W. Hull（1982）和日本 的丸谷洋二（1983），在不同的地点各自独立地提出了RP 的概念，即用分层制造产生三维实体的思想。 1992年开发 了第一台商业机型3D-Modeler。
功能模型 16.1%
RP技术比例示意图
54
RP国外研究状况
地区分布： 美国、日本、西欧（德国 瑞典 法国） 研究重点： 金属直接成形、桌面制造系统、新工艺/新方法
美国主要RP技术公司和学校的研究开发情况： 3D System Inc. 研究以SLA工艺及其应用为主，并开发成功 分辩率为300dpi的多喷头3D-MJM系统； Strategy’s Inc.开发了FDM和桌面制造系统Genesis； The University of Dayton以Allan J.Lightman为首从事多种 RP工艺的研究，每年在这所大学召开国际RPM学术会议。
4
快速成型原理示意图
CAD 模型
RP制件
① STL ④
③
d
切片 分层
②
叠加 成型
5
从CAD模型到RPM系统的数据处理
表面网 格处理
模型诊 断修复
网格 划分
NC 处理
CAD 模型
STL 模型
实体 分层
层面 信息
NC 代码
RPM 系统
6
模型的转换
CAD模型
STL模型
7
STL文件文本格式
solid prt1
形
vertex 2.359055e-01 2.888914e-17 1.113028e-01
数
endloop
据 endfacet
//顶点坐标
……
……
facet normal -7.851632e-01 -3.252253e-01 -5.270173e-01
outer loop
vertex -3.333042e-01 -8.930858e-02 2.381354e-01
3
快速成型技术的原理
快速成型技术(Rapid Prototyping，简称RP)，首先将计 算机设计出来的三维实体模型数据分为二维层片数据。快速 成型的成型机根据这些数据，利用特定的材料，一个薄层一 个薄层地创建出实体，每一个薄层都贴合粘结到前一个薄层 上，直至完成整个实体的创建。
RP技术是计算机技术、数控技术、材料科学、现代光电 技术、机械工程技术集成等的结晶，是实现并行工程和敏捷 制造的有效途径。
设备体积小 作为微型计算机的3维输出外围设备。 成本低 为同类设备价格的1/5 ~1/20，设备销售价格为10～12
万元/台，批量生产的价格还可降低。 使用维持费用低 运行成本仅相当于同类产品的1/8～1/20。 成型范围的自由度大 既可满足中小尺寸零件的快速成型要求，
又可制作一定尺寸的微小机械。 可靠性高 可长时间无人全自动化工作。
上述这些方法目前都处在研究过程中，还没有真正实 用。但直接成形金属零件是一个很有潜力的发展目标，它 可以大大地扩大RP技术的应用领域，使设计和制造更紧密 地联接在一起。
57
直接金属沉积制造的零件
RP国内研究状况
研究单位：清华、华中科大、西安交大、北京隆源公司等 其它研究内容：材料研究、RP前端数据转换和处理、RP后端 应用技术
55
日本仅次于美国，大力发展RP，主要的研究单位有： 东京大学以中山威雄为首，从事SLA和LOM技术的研究； SONY公司属下的D-MEC，从事SLA，推出SCS型设备； Mitsubishi公司属下的CMET INC.从事SLA，推出SOUP设 备，在日本已占据相当市场；
西欧许多研究机构和厂商也将目光瞄准这一领域，如： 德国Electro-Optical System Gumbo即EOS，主要从事SLA 和SLS； 瑞典Spar AB (Larson Brothers CO. AB) 推出“Hot Plot Rapid Prototyping” 系统，类似于Helices 的LOM； 法国Laser 3D推出RP System。
• 上海交通大学医学院附属第九人民医院采用生物活性人工骨
材料，通过计算机三维技术“量身定做”颅颌骨假体，用以 修复颅颌骨缺损患者，效果显著，该项技术已申请国家发明 专利。
• 2005年8月26日，由西安交通大学承担的“人工生物活性骨
的快速复合制造技术研究”课题通过了863计划先进制造与 自动化技术领域组织的专家验收。
快速成型技术
主讲：J-bc
机械系机械制造自动化教研室
主要内容
快速成型技术的产生背景 快速成型技术的基本原理 几种常见的快速成型工艺 快速成型技术的应用领域 快速成型技术的发展现状及趋势
1
快速成型技术的产生背景
由于全球一体化市场的形成，制造业的竞争十分激烈， 产品开发周期的长短直接影响到一个企业的生死存亡。一个 新产品在开发过程中，总是要经过对初始设计的多次修改， 才有可能真正推向市场。
10
HRPL-III光固化快速成型机
11
二.分层实体制造工艺 （Laminated Object Manufacturing，简称LOM）
12
三.选择性激光烧结成型工艺 （Selective Laser Sintering，简称SLS）
13
AFS-450成型系统(北京隆源自动成型公司)
成型过 程控制
33
清华-有研院直接金属沉积制造的零件
34
35
零件的RP模型
翻制得到凸、凹模
翻制模具示意图
最终模具 36
连杆快速模具制作案例
37
RP 模型
模型 RP 38
(三)医学上的辅助诊断和手术模拟仿真
将RP技术与医学CT(Computerized Topography)， MRI (Magnetic Resonance Imaging磁共振成像)技术结 合，能辅助外科医生迅速准确地实施复杂的外科手术 以及进行假肢设计和制造。
46
快速成型微型零件产品
47
(五)与反求工程结合
所谓反求工程（Reverse Engineering），指的是针对一 现有的样品，利用3D数字化测量仪器准确、快速地将其轮廓 坐标量出，并进行三维CAD曲面重构后传至CAD/CAM系统， 再由CAM产生刀具的NC加工路径送至CNC加工设备制作所 需的模具，或者送到快速成型机（RP）将样品制作出来。
51
利用RP技术快速仿制实物
叶轮实物
叶轮点云
曲面重构
STL模型
快 速 成 型 机
NC代码
数 控 机 床
52
53
模具母模 13.4%
项目建Байду номын сангаас 5.8%
金属铸造模 直接RP模具
型 9.2%
4.9% 其它
4.4%
工程可视化
16.5%
报价 2.8%
工具制造可 视化
6.9%
人类工程学 装配模型
4.4%
15.6%
在反求工程中引入RP技术，能使反求检测结果以最快的 速度仿制出优化设计的产品原型。RP技术与三坐标测量仪、 三维扫描仪、工业CT等反求测量手段以及传统的数控加工结 合，组成了集成的快速制造系统，可实施快速反求工程。
48
三坐标测量仪
49
现场测量 管件测量
铸件测量
逆向工程
50
整车扫描
整车扫描数据
激光跟踪仪现场检测
可选材料的广泛性 可采用树脂类、塑料类、纸类、石蜡类原料， 也可采用复合材料、金属材料或陶瓷材料等。
广泛的应用领域 新产品开发、快速单件及小批量零件制造、不 规则零件或复杂形状零件的制造、模具、难加工材料的制造等。 22
快速成型技术的用途
产品开发过程中的设计评价和功能测试 实现快速模具制造及快速制造复杂金属零件 医学上的辅助诊断和手术模拟仿真 微型零件制造的研究开发 与逆向工程(Reverse Engineering)集成
制造业中的“修改”，是个非常困难的事。哪怕是外观 上的一点修改，往往就要重新制作模具。而模具的制作是一 件非常费钱费时的事情，更严重的是拖延了时间就可能意味 着失去市场。
2
因此，客观上需要一种可以直接地将设计数据快速地转 化为三维实体的技术。这样，不但可以快速直观地验证设计 的正确性，而且可以向客户、甚至仅仅是有意向的潜在客户 提供未来产品的实体模型，从而达到迅速占领市场的目的。 快速成型技术(Rapid Prototyping,简称RP）就是在这样的社 会背景下出现的。
由 CT片层数据获得骨骼轮廓信息，用快速成型技 术可复制骨骼三维实体模型，为矫形外科、颌面外科 的假肢设计制造，复杂骨骼疾病诊断以及临床教学打 下基础。
39
颅颌面三维结构和复杂颅面畸形的观察分析、定位 和定量诊断以及周密准确的手术设计模拟对于成功的颅 颌面整形外科治疗尤为重要。
40
据不完全统计，我国每年因先天性畸形或肿瘤、外伤、 车祸造成的颅颌骨缺损患者超过几十万例。
vertex -2.988323e-01 -1.725309e-01 2.381354e-01
vertex -4.388466e-01 -1.175886e-01 4.128267e-01
endloop
endfacet
endsolid prt1
8
求截面轮廓
实物模型
截面轮廓
9
常见的RP工艺
一.光固化快速成型工艺 （Stereo lithography Apparatus,简称SLA）