材料与成形技术_6剖析
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6.1 概述
第6章 快速成形
快速成形技术（rapid prototyping，简称RP）又称快速原型制造技术， 是近年来发展起来的一种先进制造技术。快速成形技术20世纪80年代起源于 美国，很快发展到日本和欧洲，是近年来制造技术领域的一次重大突破。快 速成形是一种基于离散堆积成形思想的数字化成形技术；是CAD、数控技术、 激光技术以及材料科学与工程的技术集成。它可以自动、快速地将设计思想
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RP将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一 体，依据由CAD构造的产品三维模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。 按照这些轮廓，激光束选择性地喷射，固化一层层液态树脂（或切割一层层的纸，或 烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形 成各截面，逐步叠加成三维产品。它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的 组合。 RP与传统的去除成形的区别如图6-4所示。
其他 1.5% 亚太地区 27.6%
图6-1 从1988年至2000年RP机器全球销售量
其他 13% 汽车运输 13% 航空航天 13% 商用机器 13%
北美 45.3%
欧洲24.6%
用户产品 12%
医学 12% 政府/军事 12% 学术科研 12%
图6-2 全球各地区RP机器拥有量
图6-3 快速成形应用领域的分布比例
图6-4 传统加工与快速成形
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6.2.3 快速成形的工艺流程
快速成形工艺流程如下： (1) 三维模型构造 由于RP系统只接受计算机构造的产品三维模型(立体图)，然 后才能进行切片处理，因而首先应在PC机或工作站上用CAD软件（如UG、Pro/E、 I-DEAS等），根据产品要求设计三维模型；或将已有产品的二维三视图转换成三维 模型；或在逆向工程中，用测量仪对已有的产品实体进行扫描，得到数据点云，进行 三维重构。 (2) 三维模型的近似处理 由于产品上往往有一些不规则的自由曲面，加工前必 须对其进行近似处理。经过近似处理获得的三维模型文件称为STL格式文件，它由一 系列相连空间三角形组成。典型的CAD软件都有转换和输出STL格式文件的接口，但 有时输出的三角形会有少量错误，需要进行局部修改。 (3)三维模型的分层(Slicing)处理 由于RP工艺是按一层层截面轮廓来进行加工的， 因此加工前须将三维模型上沿成形高度方向离散成一系列有序的二维层片，即每隔一 定的间距分一层片，以便提取截面的轮廓。间隔的大小按精度和生产率要求选定。间 隔越小，精度越高，但成形时间越长。间隔范围为0.05～0.5 mm，常用0.1 mm，能 得到相当光滑的成形曲面。层片间隔选定后，成形时每层叠加的材料厚度应与其相适 应。各种成形系统都带有Slicing处理软件，能自动提取模型的截面轮廓。
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(4) 截面加工 根据分层处理的截面轮廓，在计算机控制下，RP系统中的成形 头（如激光扫描头或喷头）由数控系统控制，在x-y平面内按截面轮廓进行扫描，固 化液态树脂（或切割纸，烧结粉末材料，喷射粘结剂、热熔剂和热熔材料），得到一 层层截面。 (5) 截面叠加 每层截面形成之后，下一层材料被送至已成形的层面上，然后进 行后一层的成形，并与前一层面相粘结，从而将一层层的截面逐步叠合在一起，最终 形成三维产品。 (6) 后处理 成形机成形完毕后，取出工件，进行打磨、涂挂，或者放进高温炉 中烧结，进一步提高其强度（如3D-P工艺）。对于SLS工艺，将工件放入高温炉中 烧结，使粘结剂挥发掉，以便进行渗金属（如渗铜）处理。 RP工艺流程如图6-5所示。
6.2.2 快速成形方式分类
根据成形学的观点，从物质的组织方 式上，可把成形方式分为去除成形 (dislodge forming)、堆积成形（stacking forming）、受迫成形（forced forming） 和生长成形（growth forming）四类。RP 属于堆积成形，即是运用合并与连接的方 法，把材料（气、液、固相）有序地合并 堆积起来的成形方法。堆积成形是在计算 机控制下完成的，其最大特点是不受成形 零件复杂程度的限制。
Байду номын сангаас
物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可对产品设计进
行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业的竞争能力。快速成形技术 的出现，反映了现代制造技术本身的发展趋势以及激烈的市场竞争对制造技
术发展的重大影响。
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在全世界，北美占据使用快速成 形技术的统治地位。至2000年年底， 45％的快速成形机都是安装在这一地 区，如图6-2所示。 虽然快速成形技术问世不久，但 由于它给制造业带来的巨大效益，使 其应用日益广泛。快速成形技术在工 业、医学、军事、汽车、航空和航天 等领域的应用情况如图6-3所示。
6.2 快速成形技术原理及工艺 6.2.1 快速成形技术原理
现代成形理论是研究将材料有序地组织成具有确定外形和一定功能的三维实体 的科学。笼统地讲，RP属于堆积成形，严格地讲，RP应属于离散/堆积成形。通过离 散获得堆积的路径、限制和方式，通过堆积材料叠加起来成形三维实体。
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世界上目前有334个快速成形技术服务中心、27个快速成形设备制造商、12家 材料供应商、14家专门软件供应商、23家咨询机构和51家教育科研机构。在发达国 家，快速成形已成为一个新兴的产业分支，前景十分诱人。按Pratt and W.hitney 1994年的报告，他们用新技术制备2 000件铸模花费是60万美元，而且节省时间70 ％～90％。若用传统方法，估计的费用是700万美元。 目前，新的RP工艺不断产生、功能不断完善、精度不断提高、成形速度不断提 高。例如随固态激光技术的突破，高达1 000 MW的紫外激光器应用在STL设备中， 使其速度大大提高，激光器的寿命也由最初的2 500 h延长到上万小时。新型高性能 光敏树脂的出现，解决了STL的收缩变形和强度等问题。EOS公司的EOSINT-M激光 金属粉末烧结快速成形设备可直接成形金属零件或注塑模具。在软件方面STL文件的 处理软件不断专业化，使各种文件的转换和STL文件的修复、处理、操作功能等日臻 完善，形成了基于STL的CAD平台。
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6.1 概述
第6章 快速成形
快速成形技术（rapid prototyping，简称RP）又称快速原型制造技术， 是近年来发展起来的一种先进制造技术。快速成形技术20世纪80年代起源于 美国，很快发展到日本和欧洲，是近年来制造技术领域的一次重大突破。快 速成形是一种基于离散堆积成形思想的数字化成形技术；是CAD、数控技术、 激光技术以及材料科学与工程的技术集成。它可以自动、快速地将设计思想
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RP将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一 体，依据由CAD构造的产品三维模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。 按照这些轮廓，激光束选择性地喷射，固化一层层液态树脂（或切割一层层的纸，或 烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形 成各截面，逐步叠加成三维产品。它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的 组合。 RP与传统的去除成形的区别如图6-4所示。
其他 1.5% 亚太地区 27.6%
图6-1 从1988年至2000年RP机器全球销售量
其他 13% 汽车运输 13% 航空航天 13% 商用机器 13%
北美 45.3%
欧洲24.6%
用户产品 12%
医学 12% 政府/军事 12% 学术科研 12%
图6-2 全球各地区RP机器拥有量
图6-3 快速成形应用领域的分布比例
图6-4 传统加工与快速成形
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6.2.3 快速成形的工艺流程
快速成形工艺流程如下： (1) 三维模型构造 由于RP系统只接受计算机构造的产品三维模型(立体图)，然 后才能进行切片处理，因而首先应在PC机或工作站上用CAD软件（如UG、Pro/E、 I-DEAS等），根据产品要求设计三维模型；或将已有产品的二维三视图转换成三维 模型；或在逆向工程中，用测量仪对已有的产品实体进行扫描，得到数据点云，进行 三维重构。 (2) 三维模型的近似处理 由于产品上往往有一些不规则的自由曲面，加工前必 须对其进行近似处理。经过近似处理获得的三维模型文件称为STL格式文件，它由一 系列相连空间三角形组成。典型的CAD软件都有转换和输出STL格式文件的接口，但 有时输出的三角形会有少量错误，需要进行局部修改。 (3)三维模型的分层(Slicing)处理 由于RP工艺是按一层层截面轮廓来进行加工的， 因此加工前须将三维模型上沿成形高度方向离散成一系列有序的二维层片，即每隔一 定的间距分一层片，以便提取截面的轮廓。间隔的大小按精度和生产率要求选定。间 隔越小，精度越高，但成形时间越长。间隔范围为0.05～0.5 mm，常用0.1 mm，能 得到相当光滑的成形曲面。层片间隔选定后，成形时每层叠加的材料厚度应与其相适 应。各种成形系统都带有Slicing处理软件，能自动提取模型的截面轮廓。
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(4) 截面加工 根据分层处理的截面轮廓，在计算机控制下，RP系统中的成形 头（如激光扫描头或喷头）由数控系统控制，在x-y平面内按截面轮廓进行扫描，固 化液态树脂（或切割纸，烧结粉末材料，喷射粘结剂、热熔剂和热熔材料），得到一 层层截面。 (5) 截面叠加 每层截面形成之后，下一层材料被送至已成形的层面上，然后进 行后一层的成形，并与前一层面相粘结，从而将一层层的截面逐步叠合在一起，最终 形成三维产品。 (6) 后处理 成形机成形完毕后，取出工件，进行打磨、涂挂，或者放进高温炉 中烧结，进一步提高其强度（如3D-P工艺）。对于SLS工艺，将工件放入高温炉中 烧结，使粘结剂挥发掉，以便进行渗金属（如渗铜）处理。 RP工艺流程如图6-5所示。
6.2.2 快速成形方式分类
根据成形学的观点，从物质的组织方 式上，可把成形方式分为去除成形 (dislodge forming)、堆积成形（stacking forming）、受迫成形（forced forming） 和生长成形（growth forming）四类。RP 属于堆积成形，即是运用合并与连接的方 法，把材料（气、液、固相）有序地合并 堆积起来的成形方法。堆积成形是在计算 机控制下完成的，其最大特点是不受成形 零件复杂程度的限制。
Байду номын сангаас
物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可对产品设计进
行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业的竞争能力。快速成形技术 的出现，反映了现代制造技术本身的发展趋势以及激烈的市场竞争对制造技
术发展的重大影响。
高等教育出版社 高等教育电子音像出版社
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在全世界，北美占据使用快速成 形技术的统治地位。至2000年年底， 45％的快速成形机都是安装在这一地 区，如图6-2所示。 虽然快速成形技术问世不久，但 由于它给制造业带来的巨大效益，使 其应用日益广泛。快速成形技术在工 业、医学、军事、汽车、航空和航天 等领域的应用情况如图6-3所示。
6.2 快速成形技术原理及工艺 6.2.1 快速成形技术原理
现代成形理论是研究将材料有序地组织成具有确定外形和一定功能的三维实体 的科学。笼统地讲，RP属于堆积成形，严格地讲，RP应属于离散/堆积成形。通过离 散获得堆积的路径、限制和方式，通过堆积材料叠加起来成形三维实体。
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世界上目前有334个快速成形技术服务中心、27个快速成形设备制造商、12家 材料供应商、14家专门软件供应商、23家咨询机构和51家教育科研机构。在发达国 家，快速成形已成为一个新兴的产业分支，前景十分诱人。按Pratt and W.hitney 1994年的报告，他们用新技术制备2 000件铸模花费是60万美元，而且节省时间70 ％～90％。若用传统方法，估计的费用是700万美元。 目前，新的RP工艺不断产生、功能不断完善、精度不断提高、成形速度不断提 高。例如随固态激光技术的突破，高达1 000 MW的紫外激光器应用在STL设备中， 使其速度大大提高，激光器的寿命也由最初的2 500 h延长到上万小时。新型高性能 光敏树脂的出现，解决了STL的收缩变形和强度等问题。EOS公司的EOSINT-M激光 金属粉末烧结快速成形设备可直接成形金属零件或注塑模具。在软件方面STL文件的 处理软件不断专业化，使各种文件的转换和STL文件的修复、处理、操作功能等日臻 完善，形成了基于STL的CAD平台。