第11讲快速原型制造技术
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成形材料：液态光敏树脂。 液态光敏树脂在一定波长和强度的紫外光(如λ=325nm)的照 射下能迅速发生光聚合反应, 分子量急剧增大, 材料也就从液态 转变成固态。
SLA工作原理
成型开始时，聚焦后的光斑在液面上按计 算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫 描完成后，升降台带动平台下降一层高度，已 成型的层面上又布满液态树脂，然后再进行下 一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层 上，如此重复直到整个零件制造完毕。
装配校核 功能测试
（1） 产 品 开 发
销售模型 可制造性检查 CAD数据检查
模型实例1 轿车车灯
模型实例2 电话机外壳
模型实例3 皮鞋底
注射模具 硅橡胶模 树脂型复合模
（2） 模 具 制 造
陶瓷型精铸模 冲压模具 消失模
模具实例1 手机外壳橡胶模
模具实例2 拐头树脂型复合模
模具实例3 电子产品注射模
如Pro/E软件是通过选定弦高值(ch-chord height)作为逼近的精度参数，如下图为一球体,给 定的两种ch值所转化的情况。
(a)ch=0.05
(b) ch=0.2
1.3三维模型的离散处理
通过专用的分层程序将三维实体模型沿高度方向的水平面“切割”成一定厚度的片层. 切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度,一般约在0.1-0.2mm
优点 缺点
精度较高，精度控制在±0.1mm； 表面质量好； 能制造形状特别复杂、特别精细的零件 原材料的利用率接近100％；
成形设备价格昂贵； 选择的材料种类有限，材料价格较贵； 容易发生翘曲变形； 需要设计支撑；
2021/3/11
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2.2分层实体制造(LOM,Laminated Object Manufacturing)
利用热塑性细丝在移动头中进行熔化，熔化后的材料在移动的过程中被挤压出来堆积零件。
成形材料：蜡、ABS、尼龙等热塑性材料。以丝状供料。
材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和 填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出；材料迅速 凝固，并与周围的材料凝结。
优点 缺点
不需要激光，系统成本低，制造速度快
通过逐层激光剪切箔材制造零件的一种技术 成形材料：表面涂覆热熔胶的箔材（如纸、塑料薄膜等）
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LOM工作原理
首先在基板上铺上一层箔材，计算机控制CO2激 光器按分层信息切出零件截面轮廓，并将多余部分切碎 去除；加工完一层后，工作台带动已成形的部分下降， 再重新铺上一层箔材，用热压辊热压，使之与下面已成 形的工件粘接，再切割出该层形状。如此模型 制造
艺术模型
模型制作实例1 CT扫描股骨模型
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模型制作实例2 艺术模型
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思考与练习： 1、试述快速原型的原理。 2、 简述快速原型的任一种主要成形工艺的原理
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快速原型制造是把计算机辅助设计（CAD）的三维模型输入到快速原型设备上，进行快速原型制造， 其基本原理为：
三维CAD 模型构造
三维CAD模型 转换为STL文 件格式
三维模型的 离散处理
层截面的制 造与逐层堆 积
1.1三维模型的构造
两种方法： ★在三维CAD设计软件（如Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge等）中获得描述该零件的
成形材料适用范围不广，由于喷头孔径不可能很小，从而成形精 度相对较差
2.5典型RPM工艺方法比较
工艺方法 成形精度 成形速度 制造成本 设备费用
常用材料
市场占有率/%
SLA
较高
较快
较高
较高
热固性光敏树脂等
78
LOM
较高
快
低
较低
纸、金属箔、塑料薄膜等
7.3
SLS
较低
较慢
较低
较高
石蜡、塑料、金属、陶瓷等粉 末
Lecture 8
Rapid Prototyping Manufacturing 快速原型制造技术
Content Points/ 内容要点
Fundamental Principle of RPM
/（快速原型制造的基本原理） Major Manufacturing Process of RPM /（快速原型制造的主要工艺）
三维CAD模型 z方向分层切片
各层截面轮廓的几何信息
快
速
成
形
转换为控制成型机工作的NC代码
过
程
成形材料按截面轮廓进行分层加 工
叠加 实体
2.RPM的主要成形工艺
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2.1立体光照成形法(SL,Stereolithography)
采用的是将液态光敏树脂固化到特定形状的原理
SLS 工作原理
将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮 平；用计算机控制CO2激光器有选择地烧结出 零件截面，并与下面已成形的部分连接；当一 层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，再 烧结下层截面。
优点
材料的选择性广泛，无毒,可循环利用 不需支撑
缺点
零件精度和表面粗糙度较差
2.4熔丝沉积制造 (FDM,Fused Deposition Modeling)
CAD文件。 ★通过三维扫描仪实体扫描
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三维扫描仪
1.2三维CAD模型转换为STL文件格式
STL（STereo Lithography interface specification）模型是对实体曲面近似处理,即所谓面型化 处理,是用平面三角面片近似模型表面。优点是大大地简化了CAD模型的数据格式,从而便于后续的 分层处理
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6.0
FDM
较低
较慢
较低
较低
石蜡、塑料、低熔点金属等
6.1
3.RPM的特点及应用
3.1 RPM的特点
➢ 高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体 ➢ CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化 ➢ 成形过程无需专用夹具或工具 ➢ 需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程
3.2 RPM的的应用 观感评价
半成品
半成品
工件
传统加工
快 速 成 形
样品
模具
快速成型
1.快速原型制造技术的基本原理 基本构思：任何三维零件都可看作许多等厚度的二维平面轮廓沿某一坐标方向叠加而成。
快速原型制造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，层层叠加而成。
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1.4层截面的制造与逐层堆积
在计算机控制下，快速成型系统中的成型头在X-Y平面内自动按截面轮廓进行层制造， 得到一层层截面。每层截面成型后，下一层材料被送至已成型的层面上，进行后一层的成型， 并与前一层相粘接，从而一层层的截面累加叠合在一起，形成三维零件。
优点 缺点
无须设计和构建支撑； 成型效率高； 成型件的内应力和翘曲变形小，精度高；制造成本低。
材料利用率低； 后处理难度大， 可以选择的材料种类有限
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2.3选择性激光烧结(SLS ,Selected Laser Sintering)
SLS是采用CO2激光器对粉末逐层地进行扫描加热，使其达到烧结温度，最后烧结出由粉末制成 的立体实型。 成形材料：粉末材料（蜡粉、塑料粉、金属粉、陶瓷粉）。
Characteristic and Application of RPM /（快速原型制造的特点及应用）
快速原型制造技术（RPM）于20世纪80年代后期产生于美国，又称快速成形制造技术、自 由成形制造、直接CAD制造等。
传统加工与快速成型
设计
设计
铸造
锻压
焊接
模具
去 除 加 工
模具 毛坯 （大于工件）
SLA工作原理
成型开始时，聚焦后的光斑在液面上按计 算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫 描完成后，升降台带动平台下降一层高度，已 成型的层面上又布满液态树脂，然后再进行下 一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层 上，如此重复直到整个零件制造完毕。
装配校核 功能测试
（1） 产 品 开 发
销售模型 可制造性检查 CAD数据检查
模型实例1 轿车车灯
模型实例2 电话机外壳
模型实例3 皮鞋底
注射模具 硅橡胶模 树脂型复合模
（2） 模 具 制 造
陶瓷型精铸模 冲压模具 消失模
模具实例1 手机外壳橡胶模
模具实例2 拐头树脂型复合模
模具实例3 电子产品注射模
如Pro/E软件是通过选定弦高值(ch-chord height)作为逼近的精度参数，如下图为一球体,给 定的两种ch值所转化的情况。
(a)ch=0.05
(b) ch=0.2
1.3三维模型的离散处理
通过专用的分层程序将三维实体模型沿高度方向的水平面“切割”成一定厚度的片层. 切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度,一般约在0.1-0.2mm
优点 缺点
精度较高，精度控制在±0.1mm； 表面质量好； 能制造形状特别复杂、特别精细的零件 原材料的利用率接近100％；
成形设备价格昂贵； 选择的材料种类有限，材料价格较贵； 容易发生翘曲变形； 需要设计支撑；
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2.2分层实体制造(LOM,Laminated Object Manufacturing)
利用热塑性细丝在移动头中进行熔化，熔化后的材料在移动的过程中被挤压出来堆积零件。
成形材料：蜡、ABS、尼龙等热塑性材料。以丝状供料。
材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和 填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出；材料迅速 凝固，并与周围的材料凝结。
优点 缺点
不需要激光，系统成本低，制造速度快
通过逐层激光剪切箔材制造零件的一种技术 成形材料：表面涂覆热熔胶的箔材（如纸、塑料薄膜等）
2021/3/11
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LOM工作原理
首先在基板上铺上一层箔材，计算机控制CO2激 光器按分层信息切出零件截面轮廓，并将多余部分切碎 去除；加工完一层后，工作台带动已成形的部分下降， 再重新铺上一层箔材，用热压辊热压，使之与下面已成 形的工件粘接，再切割出该层形状。如此模型 制造
艺术模型
模型制作实例1 CT扫描股骨模型
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模型制作实例2 艺术模型
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思考与练习： 1、试述快速原型的原理。 2、 简述快速原型的任一种主要成形工艺的原理
2021/3/11
快速原型制造是把计算机辅助设计（CAD）的三维模型输入到快速原型设备上，进行快速原型制造， 其基本原理为：
三维CAD 模型构造
三维CAD模型 转换为STL文 件格式
三维模型的 离散处理
层截面的制 造与逐层堆 积
1.1三维模型的构造
两种方法： ★在三维CAD设计软件（如Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge等）中获得描述该零件的
成形材料适用范围不广，由于喷头孔径不可能很小，从而成形精 度相对较差
2.5典型RPM工艺方法比较
工艺方法 成形精度 成形速度 制造成本 设备费用
常用材料
市场占有率/%
SLA
较高
较快
较高
较高
热固性光敏树脂等
78
LOM
较高
快
低
较低
纸、金属箔、塑料薄膜等
7.3
SLS
较低
较慢
较低
较高
石蜡、塑料、金属、陶瓷等粉 末
Lecture 8
Rapid Prototyping Manufacturing 快速原型制造技术
Content Points/ 内容要点
Fundamental Principle of RPM
/（快速原型制造的基本原理） Major Manufacturing Process of RPM /（快速原型制造的主要工艺）
三维CAD模型 z方向分层切片
各层截面轮廓的几何信息
快
速
成
形
转换为控制成型机工作的NC代码
过
程
成形材料按截面轮廓进行分层加 工
叠加 实体
2.RPM的主要成形工艺
2021/3/11
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14
2.1立体光照成形法(SL,Stereolithography)
采用的是将液态光敏树脂固化到特定形状的原理
SLS 工作原理
将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮 平；用计算机控制CO2激光器有选择地烧结出 零件截面，并与下面已成形的部分连接；当一 层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，再 烧结下层截面。
优点
材料的选择性广泛，无毒,可循环利用 不需支撑
缺点
零件精度和表面粗糙度较差
2.4熔丝沉积制造 (FDM,Fused Deposition Modeling)
CAD文件。 ★通过三维扫描仪实体扫描
2021/3/11
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三维扫描仪
1.2三维CAD模型转换为STL文件格式
STL（STereo Lithography interface specification）模型是对实体曲面近似处理,即所谓面型化 处理,是用平面三角面片近似模型表面。优点是大大地简化了CAD模型的数据格式,从而便于后续的 分层处理
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6.0
FDM
较低
较慢
较低
较低
石蜡、塑料、低熔点金属等
6.1
3.RPM的特点及应用
3.1 RPM的特点
➢ 高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体 ➢ CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化 ➢ 成形过程无需专用夹具或工具 ➢ 需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程
3.2 RPM的的应用 观感评价
半成品
半成品
工件
传统加工
快 速 成 形
样品
模具
快速成型
1.快速原型制造技术的基本原理 基本构思：任何三维零件都可看作许多等厚度的二维平面轮廓沿某一坐标方向叠加而成。
快速原型制造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，层层叠加而成。
2021/3/11
中原工学院机电学院 胡敏
11
1.4层截面的制造与逐层堆积
在计算机控制下，快速成型系统中的成型头在X-Y平面内自动按截面轮廓进行层制造， 得到一层层截面。每层截面成型后，下一层材料被送至已成型的层面上，进行后一层的成型， 并与前一层相粘接，从而一层层的截面累加叠合在一起，形成三维零件。
优点 缺点
无须设计和构建支撑； 成型效率高； 成型件的内应力和翘曲变形小，精度高；制造成本低。
材料利用率低； 后处理难度大， 可以选择的材料种类有限
2021/3/11
中原工学院机电学院 胡敏
20
2.3选择性激光烧结(SLS ,Selected Laser Sintering)
SLS是采用CO2激光器对粉末逐层地进行扫描加热，使其达到烧结温度，最后烧结出由粉末制成 的立体实型。 成形材料：粉末材料（蜡粉、塑料粉、金属粉、陶瓷粉）。
Characteristic and Application of RPM /（快速原型制造的特点及应用）
快速原型制造技术（RPM）于20世纪80年代后期产生于美国，又称快速成形制造技术、自 由成形制造、直接CAD制造等。
传统加工与快速成型
设计
设计
铸造
锻压
焊接
模具
去 除 加 工
模具 毛坯 （大于工件）