第二章 快速成形技术
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快速成型技术PPT课件
层层堆积
监控软件
工件剥离去支撑 表面处理强化
CAD造型软件 前处理
数据处理工艺规划软件
制造原型 后处理
原 型 制 作 流 程 图
原型件
.
8
.
9
快速成型的技术特点
➢高度柔性 ➢技术的高度集成 ➢设计、制造一体化 ➢快速性
.
10
高度柔性
➢产品制造过程几乎与零件的复杂性无
关
➢生产过程数字化，与 CAD 模型具有
快速成形技术
Rapid Prototyping Technology
快速成形（Rapid Prototyping，简称RP）是80年代末期开始商品化的一种高新制造 技术，是一种集计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控 制（CNC）、激光、精密伺服驱动、新材料等先进技术于一体的加工方法。
.
34
.
35
FDM工作原理
.
36
丝状材料选择性熔覆（FDM）成型机
FDM的加工原材料是丝状热塑性材料（如ABS、MABS、蜡 丝、尼龙丝等），加工时加热喷头在计算机的控制下，可根据 截面轮廓信息，做X-Y平面的运动和高度Z方向的运动。丝状热 塑性材料由供丝机构送至喷头，并在碰头加热至熔融状态，然 后杯选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成了截面轮廓。 一层成形完成后，喷头上升一个截面层高度，再进行第二层的 涂覆，如此循环，最终形成三维产品。
到零件。
.
31
选择性烧结SLS工艺特点
Selective Laser Sintering
材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造
陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以制造金属零件。
这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑，因
监控软件
工件剥离去支撑 表面处理强化
CAD造型软件 前处理
数据处理工艺规划软件
制造原型 后处理
原 型 制 作 流 程 图
原型件
.
8
.
9
快速成型的技术特点
➢高度柔性 ➢技术的高度集成 ➢设计、制造一体化 ➢快速性
.
10
高度柔性
➢产品制造过程几乎与零件的复杂性无
关
➢生产过程数字化，与 CAD 模型具有
快速成形技术
Rapid Prototyping Technology
快速成形（Rapid Prototyping，简称RP）是80年代末期开始商品化的一种高新制造 技术，是一种集计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控 制（CNC）、激光、精密伺服驱动、新材料等先进技术于一体的加工方法。
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34
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35
FDM工作原理
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36
丝状材料选择性熔覆（FDM）成型机
FDM的加工原材料是丝状热塑性材料（如ABS、MABS、蜡 丝、尼龙丝等），加工时加热喷头在计算机的控制下，可根据 截面轮廓信息，做X-Y平面的运动和高度Z方向的运动。丝状热 塑性材料由供丝机构送至喷头，并在碰头加热至熔融状态，然 后杯选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成了截面轮廓。 一层成形完成后，喷头上升一个截面层高度，再进行第二层的 涂覆，如此循环，最终形成三维产品。
到零件。
.
31
选择性烧结SLS工艺特点
Selective Laser Sintering
材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造
陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以制造金属零件。
这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑，因
2.2第二章_快速成型制造工艺--II
ξ2 快速成型制造工艺
2、铸铁手柄
某机床操作手柄为铸铁件，人工方式制作砂型铸造用的木模十分费时困 难，而且精度得不到保证。随着CAD／CAM技术的发展和普及，具有复杂 曲面形状的手柄的设计直接在CAD/CAM软件平台上完成，借助快速成型技 术尤其是叠层实体制造技术，可以直接由CAD模型高精度地快速制作砂型 铸造的木模，克服了人工制作的局限和困难，极大地缩短了产品生产的周 期并提高了产品的精度和质量。下图为铸铁手柄的CAD模型和LOM原型。
现，较好地迎合了车灯结构与外观开发的需求。下面为某车灯配件公司为国内某大
型汽车制造厂开发的某型号轿车车灯LOM原型，通过与整车的装配检验和评估，显 著提高了该组车灯的开发效率和成功率。
ξ2 快速成型制造工艺
轿 车 前 照 灯
轿 车 后 组 合 灯
根据鲁得贝公司提出的轿车系列车灯产品开发要求，利用HRP-III 型LOM 激
ξ2 快速成型制造工艺
（2）按规定比例配备环氧树脂（重量比：100份TCC-630配20份TCC115N），并混合均匀；
（3）在原型上涂刷一薄层混合后的材料，因材料的粘度较低，材料会 很容易浸入纸基的原型中，浸入的深度可以达到1.2～1.5mm；
（4）再次涂覆同样的混合后的环氧树脂材料以填充表面的沟痕并长时 间固化，如图所示：
新工艺方法中叠层建造步骤
ξ2 快速成型制造工艺
六、叠层实体制造工艺的应用示例
1、汽车车灯
随着汽车制造业的迅猛发展，车型更新换代的周期不断缩短，导 致对与整车配套的各主要部件的设计也提出了更高要求。其中，汽 车车灯组件的设计，要求在内部结构满足装配和使用要求外，其外 观的设计也必须达到与车体外形的完美统一。 车灯设计与生产的专业厂家传统的开发手段受到了严重的挑战。 快速成型技术的出现，较好地迎合了车灯结构与外观开发的需求。 下面为某车灯配件公司为国内某大型汽车制造厂开发的某型号 轿车车灯LOM原型，通过与整车的装配检验和评估，显著提高了该 组车灯的开发效率和成功率。
2.第2章 快速成型技术及其在铸造中的应用解析
第2章快速成型技术及其在铸造中的应用2.1 引言快速成型（Rapid Prototyping-RP）技术是国际上新开发的一项高科技成果，简称快速成型技术。
它的核心技术是计算机技术和材料技术。
快速成型技术摒弃了传统的机械加工方法，根据CAD生成的零件几何信息，控制三维数控成型系统，通过激光束或其它方法将材料堆积而形成零件的。
用这种方法成型，无需进行费时、耗资的模具或专用工具的设计和机械加工，极大地提高了生产效率和制造柔性。
从制造原理上讲，快速成型（RP）技术一改“去除”为“堆积”的加工原理，给制造技术带来了革命性的飞跃式发展。
基于RP原理的快速制造技术经十几年的发展，在创新设计、反求工程、快速制模各方面都有了长足的进步。
RP技术的应用可大大加快产品开发速度，缩短制造周期，降低开发成本。
现代市场竞争的特点是多品种、小批量、短周期，要求企业对市场能快速响应并不断推出新产品占领市场，如新型电话机的市场寿命仅6个月，又如台湾和日本摩托车行业，每三个月就推出一种新型摩托车投入市场，摩托车几万辆就需改型。
二十世纪九十年代以来，在信息互联网支持下，由快速设计、反求工程、快速成形、快速制模等构成的快速制造技术取得很大进展。
快速成形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。
Charles W. Hull 在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为Stereolithography Apparatus (SLA)的完整系统SLA-1，1986年该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑。
同年，Charles W. Hull和UVP的股东们一起建立了3D System公司。
第二章熔融沉积快速成型工艺
RP技术的现状
但是，在成形复杂中空的零件方面，CNC 切削机床是不能取代RP技术的，这种直接从 概念设计迅速转为产品设计的生产模式，必 然是21世纪中制造技术的主流。 随着科技的进步，RP技术还会大踏步地向 前发展，并将成为许多设计公司、制造公司、 研究机构和教育机构等采用的基本技术。
RP技术的发展趋势
快速成形制件可能出现的缺陷
快速成形制件出现的缺陷分为表面缺陷和内
部缺陷。
快速成形制件可能出现的 表面缺陷
1.CAD前处理和阶梯状表面形成的缺陷
2.顶部缺陷
由于喷嘴喷出的材料路径具有圆形的顶面， 当最后一层顶面沉积后就形成屋脊形的表面， 这样的屋脊形表面需要光滑处理。
快速成形制件可能出现的 表面缺陷
3.喷头起/停误差造成的缺陷 由于切片后的轮廓每一层都有许多封闭的边界， 每一个封闭的几何边界都存在起/停点，喷头的移 动速度和丝材的进给速率必须在喷头的起停点协 调一致，否则就会造成材料的过剩和不足。 正确的是：在喷头还未到达终点时，丝材进给 运动就停止，在背压的作用下，喷头仍在喷料， 直至喷头到达终点。
快速成形制件可能出现的 内部缺陷
4.不一致的丝径
材料在供给的过程中直径不是完全不变的， 当丝径有变化时，就会造成沉积材料的过剩 或者不足。 解决方法：控制成形室的温度，使其均匀 一直。
快速成形制件可能出现的 内部缺陷
5.丝材截面配置形式引起的空洞缺陷 堆积出的三维模型的内部结构特性主要取决于快 速制件空隙区域或丝料黏结的横截面环形区域的密 度。 对这两者影响最大的因素有：丝料挤出温度TE、 环境温度Tc、丝料与丝料间的空隙、丝料的流速和 截面配置方式。 前四个因素在成形过程中一般是不变的，改变的 只有截面配置方式。
快速成型的技术ppt课件
的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP（Three-Dimensional Printing） 专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。3DP 工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。 所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接 剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的 零件强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后， 成型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高 度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在 计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造 层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送 粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘 结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较 容易去除。
• 该工艺的特点是成形速度快，成形材料价格低，适合做 桌面型的快速成形设备。并且可以在粘结剂中添加颜料， 可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一， 有限元分析模型和多部件装配体非常适合用该工艺制造。 缺点是成形件的强度较低，只能做概念型使用，而不能做 功能性试验。
• 三维印刷(3DP)－－高速多彩的快速成型工艺
料（ABS等）、陶瓷粉、金属粉、砂等，可以在航空，机 械，家电，建筑，医疗等各个领域应用。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
• 主要工艺：
•
RP技术结合了众多当代高新技术：计算机辅助设计、
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 ）－制作大型铸件的快速成型工艺
• 该工艺的特点是成形速度快，成形材料价格低，适合做 桌面型的快速成形设备。并且可以在粘结剂中添加颜料， 可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一， 有限元分析模型和多部件装配体非常适合用该工艺制造。 缺点是成形件的强度较低，只能做概念型使用，而不能做 功能性试验。
• 三维印刷(3DP)－－高速多彩的快速成型工艺
料（ABS等）、陶瓷粉、金属粉、砂等，可以在航空，机 械，家电，建筑，医疗等各个领域应用。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
• 主要工艺：
•
RP技术结合了众多当代高新技术：计算机辅助设计、
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 ）－制作大型铸件的快速成型工艺
2.1第二章_快速成型制造工艺--I
ξ2 快速成型制造工艺
支撑结构的作用和类型：
作用：支撑作用和减少翘曲变形。
类型：斜支撑
主要用于支撑悬臂结构部分，在 成型过程中为悬臂提供支承，同 时也约束悬臂的翘曲变形。
直支撑
主要用于支承腿部结构
ξ2 快速成型制造工艺
• 有时为了减少支撑量，以节省材料及方便后处理，也 经常采用倾斜摆放。确定摆放方位以及后续的施加支 撑和切片处理等都是在分层软件系统上实现。 • 对于上述的小扳手，由于其尺寸较小，为了保证 轴部外径尺寸以及轴部内孔尺寸的精度，选择直立摆
放，如图2-2c所示。同时考虑到尽可能减小支撑的批
次，大端朝下摆放。
生聚合反应，选择时有局限性。
需要二次固化
经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完 全被激光固化。
较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料
ξ2 快速成型制造工艺
二、 光固化快速原型的工艺过程
光固化快速原型的制作一般可以分为前处理、原型制作和
后处理三个阶段。
（一）前处理
前处理阶段主要是对原型的CAD模型进行数据转换、摆放方位确定、 施加支撑和切片分层，实际上就是为原型的制作准备数据。下面以某一小 扳手的制作来介绍光固化原型制作的前处理过程。
成型方向选择
表面处理 表面处理
＊＊＊＊＊
切片处理
快速成型制作过程
ξ2 快速成型制造工艺
快速成型制造系统
快 速 成 型 产 品 造 型
产 品 原 型
ξ2 快速成型制造工艺
快速成型制造技术从广义上讲可以分成两类：材料叠加和材料去除。下 图给出了当前众多快速成型工艺根据材料和构建技术不同进行的分类。
ξ2 快速成型制造工艺
ξ2 快速成型制造工艺
快速成型技术
6、BPM
它用一个压电喷射(头)系统来沉积熔化了的热塑性 塑料的微小颗粒(如图)。BPM的喷头安装在一个5轴的 运动机构上，对于零件中悬臂部分，可以不加支撑。 而“不联通”的部分还要加支撑。
LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材 表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片 材，使之与下面已成形的工件粘接；用CO2激光器在刚 粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在 截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的 网格；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下 降，与带状片材(料带)分离；供料机构转动收料轴和供 料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台 上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层， 高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。如此 反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制 造的实体零件。
液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用 下, 能在液态表面上扫描, 扫描的轨迹及光线的有无均 由计算机控制, 光点打到的地方, 液体就固化。成型开 始时，工作平台在液面下一个确定的深度，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，未被照射的地方仍是液态树脂。 然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上 又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平， 然后再进行下二层的扫描，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, 得到一 个三维实体模型。
• 快速原型制造技术就是在这样的社会背景下产生的。八 十年代后期，RP技术在美国首先产生并商品化。从那时 起，RP技术一直以离散堆积原理为基础和特征。简单的 说，将零件的电子模型（如CAD模型）方式离散，成为 可加工的离散面、离散线和离散点，而后采用多种手段， 将这些离散的面、线段和点堆积形成零件的整体形状。 由于工艺过程无需专用工具，工艺规划步骤简单，总的 来说，制造速度比传统方法快的多。也有人因该技术高 度的柔性而称之为“自由成形制造”。
先进制造技术——快速成型技术-PPT
国内的清华大学与北京殷华公司较早地进行了FDM 工艺商品化系统的研制工作，并推出熔融挤压制造设备 MEM250等。
FDM 原理 图
二、特点
优点：
1、采用热熔挤压头专利技术，系统结构原理和操作简 单，且使用无毒的原材料，设备可安装在办公环境中。
2、成型速度快。不需要SLA中的刮板工序。 3、用蜡成型的零件原型，可以直接用于熔模铸造。 4、可以成型任意复杂程度的零件。如复杂的内腔、孔 等。 5、原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形 小。 6、原材料利用率高。 7、支撑去除简单。
快速成形技术
概述：
快速成形技术（Rapid Prototyping，简称RP）20世 纪80年代发展起来的，它综合了机械工程、CAD、 数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、 直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功 能的原型或直接制造零件，从而大大缩短产品的研 制周期。因而，被认为是近20来制造领域的一个重 大突破。影响力与数控技术相当。
SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末） 在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积 成形。
SLS原理图
工作台上均匀铺上一 层很薄（0.1~0.2mm） 的粉末，激光束在计算 机的控制下按照零件分 层轮廓有选择性地进行 烧结，一层完成后再进 行下一层烧结。全部烧 结完成后去掉多余的粉 末，再进行打磨、烘干 等处理便获得零件。
又称熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热融化， 通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头沿零件截 面轮廓和填充轨迹运动，挤出的材料迅速固化并与周围 材料粘结，层层堆积而成。
主要适用于模具行业新产品开发和医疗、考古等基 于数字成像技术的三维实体模型制造。
FDM工艺由美国学者Dr.Scott Crump于1988年研制 成功，并由美国Stratasys公司推出商品化的机器。1993 年开发第一台FDM1650机型后，先后推出FDM2000、 FDM3000、FDM8000等。
FDM 原理 图
二、特点
优点：
1、采用热熔挤压头专利技术，系统结构原理和操作简 单，且使用无毒的原材料，设备可安装在办公环境中。
2、成型速度快。不需要SLA中的刮板工序。 3、用蜡成型的零件原型，可以直接用于熔模铸造。 4、可以成型任意复杂程度的零件。如复杂的内腔、孔 等。 5、原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形 小。 6、原材料利用率高。 7、支撑去除简单。
快速成形技术
概述：
快速成形技术（Rapid Prototyping，简称RP）20世 纪80年代发展起来的，它综合了机械工程、CAD、 数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、 直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功 能的原型或直接制造零件，从而大大缩短产品的研 制周期。因而，被认为是近20来制造领域的一个重 大突破。影响力与数控技术相当。
SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末） 在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积 成形。
SLS原理图
工作台上均匀铺上一 层很薄（0.1~0.2mm） 的粉末，激光束在计算 机的控制下按照零件分 层轮廓有选择性地进行 烧结，一层完成后再进 行下一层烧结。全部烧 结完成后去掉多余的粉 末，再进行打磨、烘干 等处理便获得零件。
又称熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热融化， 通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头沿零件截 面轮廓和填充轨迹运动，挤出的材料迅速固化并与周围 材料粘结，层层堆积而成。
主要适用于模具行业新产品开发和医疗、考古等基 于数字成像技术的三维实体模型制造。
FDM工艺由美国学者Dr.Scott Crump于1988年研制 成功，并由美国Stratasys公司推出商品化的机器。1993 年开发第一台FDM1650机型后，先后推出FDM2000、 FDM3000、FDM8000等。
《快速成型技术》课件
医学领域应用
制作医学模型
01
在医学领域，快速成型技术可以用于制作人体组织、器官或骨
骼的模型，辅助医生进行手术规划和模拟。
定制植入物
02
对于需要植入人体内的医疗设备，如牙齿、骨骼等，可以通过
快速成型技术制作出符合患者需求的个性化植入物。
药物研发
03
在药物研发过程中，快速成型技术可以用于制作药物分子模型
悬浮液喷射成型等 微滴喷射成型
金属粉末激光烧结 喷墨式成型
04
快速成型技术的应用案例
产品原型设计
1 2 3
快速制作产品原型
快速成型技术能够快速、准确地制作出产品原型 ，缩短了产品开发周期，降低了开发成本。
优化产品设计
通过制作原型，设计师可以更直观地评估产品外 观、结构和功能，及时发现和改进设计中的问题 。
数据转换与处理
快速成型的数据来源主要是 CAD（计算机辅助设计）软件
设计的三维模型。
数据处理包括模型切片、坐标转 换等步骤，将三维模型转换为快
速成型机可执行的层片数据。
数据处理过程中，需进行支撑结 构设计和工艺参数设置，以确保
成型过程的稳定性和准确性。
成型材料与特性
快速成型的材料种类繁多，包括塑料、树脂、金 属粉末、陶瓷等。
优点
可加工复杂结构、材料种 类多、加工速度快。
应用
广泛应用于航空航天、汽 车制造、医疗器械等领域 。
三维印刷
原理
类似于二维印刷，通过在特定材料上 逐层印刷粘合剂或特殊墨水，形成三 维实体。
优点
应用
适用于快速原型制造、个性化定制等 领域。
设备简单、操作方便、可快速制造出 原型。
其他快速成型技术
快速成形技术
意复杂形状三维实体零件的技术的总称。
2020/12/22
19
快速成形制造技术的应用
➢医学 ➢实验分析模型 ➢快速模具 ➢快速铸造 ➢新产品快速开发制造
全 球
RP
设 备 装 机 量
2020/12/22
20
快速成形制造在医学上的应用
根据CT扫描信息，应用熔融挤压快 速成形的方法可以快速制造人体的骨骼 （如颅骨、牙齿）和软组织（如肾）等模 型，并且不同部位采用不同颜色的材料成 形，病变组织可以用醒目颜色，可以进行 手术模拟、人体骨关节的配制，颅骨修复。
反性映，了强快调速了成成夹形形具是物，C理A零D过模件程型的的直形材接状料驱和堆动结积，构性实也，
现体了现设了即计快时与速制制成造相造形(应一I技n不体s术t受化a的n任，t基何计M本a约算n成u束机f形a。中c原tR的u理Pr工iC，nA艺gD)
➢➢离实散体堆自积由制成造形制造模接转具反针型口化有映对通软和较该特分过件成强类定层接完形的技零制口成过概术件造是三时软程C括的制A用维都件的(D性L快定数逐形和a直工和y速工据层体前e接艺适r响艺向e变，一驱规d应应操设化在层M动划性性作备a的制自快，n。。规数u截造动速成f由程控a面每实c成形t于，指u来一现形设r无也令i制层联n设备g需无的造片接)备则将，， ➢材料添加制造 象需复打准杂印备的机专三一用维样夹加不材“具工需料打和分要添印工解专加”具成用制零，一夹造件快系具(，M速列或a完t成二e工r成i形维a具l三技层，维术片使输
2020/12/22
质代量要，求所。以快速成形可容易地实现设计1制8
快速成形制造技术的基本概念
▪ 快速成形（RP — Rapid Prototyping ）技术是一种基于离
散堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机、数控、激 光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发 技术。
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快速成形制造技术的应用
➢医学 ➢实验分析模型 ➢快速模具 ➢快速铸造 ➢新产品快速开发制造
全 球
RP
设 备 装 机 量
2020/12/22
20
快速成形制造在医学上的应用
根据CT扫描信息，应用熔融挤压快 速成形的方法可以快速制造人体的骨骼 （如颅骨、牙齿）和软组织（如肾）等模 型，并且不同部位采用不同颜色的材料成 形，病变组织可以用醒目颜色，可以进行 手术模拟、人体骨关节的配制，颅骨修复。
反性映，了强快调速了成成夹形形具是物，C理A零D过模件程型的的直形材接状料驱和堆动结积，构性实也，
现体了现设了即计快时与速制制成造相造形(应一I技n不体s术t受化a的n任，t基何计M本a约算n成u束机f形a。中c原tR的u理Pr工iC，nA艺gD)
➢➢离实散体堆自积由制成造形制造模接转具反针型口化有映对通软和较该特分过件成强类定层接完形的技零制口成过概术件造是三时软程C括的制A用维都件的(D性L快定数逐形和a直工和y速工据层体前e接艺适r响艺向e变，一驱规d应应操设化在层M动划性性作备a的制自快，n。。规数u截造动速成f由程控a面每实c成形t于，指u来一现形设r无也令i制层联n设备g需无的造片接)备则将，， ➢材料添加制造 象需复打准杂印备的机专三一用维样夹加不材“具工需料打和分要添印工解专加”具成用制零，一夹造件快系具(，M速列或a完t成二e工r成i形维a具l三技层，维术片使输
2020/12/22
质代量要，求所。以快速成形可容易地实现设计1制8
快速成形制造技术的基本概念
▪ 快速成形（RP — Rapid Prototyping ）技术是一种基于离
散堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机、数控、激 光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发 技术。
快速成型技术
防止措施：结晶器、保护渣、电磁搅拌
连铸工艺（浇钢温度、拉坯速度、二冷强度和均匀性）
复习思考题
第四章 ③ 金属型铸造有何优越性，为什么不能广泛取代砂型铸造？
④ 为什么用金属型生产铸铁件时常出现白口组织，该如何预防？ 冷却速度问题
⑤ 说明快速成形技术的基本原理。快速成形技术融合了哪些现代技术和科 学？
复习思考题
第二章 ① 液态金属充型过程有哪些水利学特点？ 多相黏性、不稳定、紊流、非封闭
② 液态金属充型过程水利学计算的重要性和主要依据是什么？ 充型过程的分析与计算； 伯努利方程（能量守恒定律）
③ 奥赞公式的意义和成立条件 公式的形式、符号的意义 、反映的问题
浇注系统充满流动、浇口杯液面不变、型腔压力
快速成形技术补充
三维实体数字化仪
三维实体数字化仪
三维实体数字化仪
三维实体数字化仪
三维实体数字化仪
三维实体数字化仪
三维实体数字化仪
数控机床加工
数控机床加工
打印机造出尼龙自行车
打印机造出尼龙自行车
打印机造出尼龙自行车
打印机造出尼龙自行车
制造者首先使用电脑辅助设计软件设计出了“尼龙自行车”的模型， 然后将设计图纸发送给一台打印机。打印机使用激光束将尼龙纤维粉末 熔化，然后逐层叠放熔化的尼龙粉。电脑软件将三维设计图分割成很多 二维层，让一层粉末成为打印材料的首层，再在其上覆盖一层新粉末， 这样逐层熔化叠加，最终“堆出”了这辆自行车。
“尼龙自行车”由6个部件组成，其车轮、轴承和车轴等部件均采 用添加层制造技术完成，而传动装置、踏板和车轮等零部件都是分开制
造后组装在一起的。一体化的结构设计免去了传统自行车所需要的维修
或装配。
复习思考题
快速成型技术-第二章粉末材料选择性激光烧结-精品文档
快速成型原理
叠加法：
SLS成形原理
1.在开始加工之前，先 将充有氮气的工作室升 温，温度保持在粉末的 熔点以下。 2.成型时，送料筒上升， 铺粉滚筒移动，先在工 作平台上铺一层粉末材 料，
SLS成形原理
3.激光束在计算机控制下， 按照截面轮廓对实心部分 所在的粉末进行烧结，使 粉末熔化并相互黏结，继 而形成一层固体轮廓，未 经烧结的粉末仍留在原处， 作为下一层粉末的支撑
陶瓷粉末烧结：
由于陶瓷粉末的熔点很高，烧结温度高，工艺过程 复杂。
影响SLS成形质量的因素
1.激光功率密度和扫描速度
激光功率密度定义：单位面积上激光功率的 大小。 d＝w/πr2 因此，它由激光功率的大小和激光的光斑 直径决定。
影响SLS成形质量的因素
激光功率密度和扫描速度决定了激光能对 粉末的加热温度和时间。 激光功率密度过大，扫描速度过小，则局 部温度过高，导致粉末气化，烧结表面凹凸 不平。 激光功率密度过小，扫描速度过大，则粉 末烧结不充分甚至不能烧结，建立的制件强 度低或者不能成形。
影响SLS成形质量的因素
2.
激光束扫描间距 激光束的扫描间距是指相邻激光扫描行之 间的距离。 激光扫描间距和激光束半径的配合会影响 激光烧结的质量。
影响SLS成形质量的因素
定义扫描间距为h，激光束直径为β，激光束半 径为ω （1）h>β时，扫描过程中必定有部分的粉末不 能被烧结； （2） h<ω时，扫描线大部分重叠，此时相邻 区域的激光能量可以使该区域的粉末烧结，到 激光能量呈波峰波谷，分布不均匀，导致烧结 深度不一致，制件密度也不均匀。 （3） ω<h<β时，扫面线的激光能量叠加后， 分布基本上是均匀的，此时烧结深度一致，制 件密度也均匀，是我们需要的。 （4）h《ω时，总的激光能量太大，会引起烧 结深度增大，进而使制件变形翘曲。
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第三节 薄片分层叠加成形
用CO2激光器在刚粘接的 新层上切割出零件截面轮 廓和工件外框，并在截面 轮廓与外框之间多余的区 域内切割出上下对齐的网 格；激光切割完成后，工 作台带动已成形的工件下 降，与带状片材(料带)分离； 供料机构转动收料轴和供 料轴，带动料带移动，使 新层移到加工区域；工作 台上升到加工平面；热压 辊热压，工件的层数增加 一层，高度增加一个料厚； 再在新层上切割截面轮廓。 如此反复直至零件的所有 截面切割、粘接完，得到 三维的实体零件。
华中科技大学 清华大学 西安交通大学
第一节光敏树脂液相固化成形
第一节光敏树脂液相固化成形
第一节光敏树脂液相固化成形
⑵应用： ①直接制作各种树脂功能件，用作结构验证和功能测试； ②可制作比较精细和复杂的零件； ③可制造出有透明效果的制件； ④制作出来的原型件可快速翻制各种模具。 硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树 脂模和气化模。
第一节光敏树脂液相固化成形
第一节光敏树脂液相固化成形
⒉特点和成形材料 ⑴特点： ①精度较高、表面质量好 精度能达到或小于0.1mm ②原材料利用率将近100％ ③能制造形状特别复杂 ( 如空心零件 ) 、特别 精细(如 首饰、工艺品等)的零件 ④制作出来的原型件，可快速翻制各种模具。
第一节光敏树脂液相固化成形
第四节 熔丝堆积成形
①成形材料 常用ABS工程塑料丝作为成形材料。 要求： 熔融温度低(80-120℃) 粘度低 粘结性好 收缩率小。 1)粘度： 影响材料挤出过程的主要因素是粘度。材料的粘度低、流动性好， 阻力就小，有助于材料顺利的挤出。 2)流动性： 材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启 停响应时间，从而影响成形精度。
第三节 薄片分层叠加成形
⒉特点和成形材料 ⑴特点： ①易于制造大型、实体零件。 LOM 工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用 扫描整个截面。 ②零件的精度较高(<0．15mm)。 ③无需加支撑。 工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑 作用。 ④成形材料纸张较便宜，运行成本和设备投资较低。
第三节 薄片分层叠加成形
⑵成形材料： ①成卷的纸（常用） 纸的一面事先涂覆一层热熔胶。 1)对纸材的要求是应具有： 抗湿性 稳定性 涂胶浸润性 抗拉强度 2)对热熔胶的要求： 应保证层与层之间的粘结强度。 常用EVA热熔胶： 由EVA树脂、增粘剂、蜡类和抗氧剂等组成。 ②塑料薄膜作为成形材料（偶尔）。
⑵成形材料： SL工艺的成形材料称为光固化树脂 ( 或称光敏树 脂) 主要包括： ①齐聚物 ②反应性稀释剂 ③光引发剂 根据引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类： ①自由基光固化树脂 ②阳离子光固化树脂 ③混杂型光固化树脂
第一节光敏树脂液相固化成形
⒊SL光敏树脂液相固化成形设备和应用 ⑴设备 组成： ①Z轴升降工作台 ②X、Y工作台 ③光学系统 ④控制系统 ⑤光敏树脂
第三节 薄片分层叠加成形
⒊LOM分层叠加成形设备和应用 ⑴设备组成： ①激光系统 ②走纸机构 ③X、Y扫描机构 ④Z轴升降机构 ⑤加热辊 等组成。 ⑵应用： 制作汽车发动机曲轴、连杆、各类箱体、盖板等零部件的原形样 件。
第三节 薄片分层叠加成形
第四节 熔丝堆积成形
熔丝堆积成形(FDM—Fused Deposition Modeling)工艺由美国学 者Dr．Scott Crump于1988年研制成功，并由美国Stratasys公司推出 商品化的机器。 ⒈熔丝堆积成形—FDM工艺原理 FDM工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层 堆积成型。
第四节 熔丝堆积成形
材料先抽成丝状， 通过送丝机构送进喷 头，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，材料迅速固 化，并与周围的材料 粘结，层层堆积成型。
第四节 熔丝堆积成形
⒉特点和成形材料 ⑴特点： ①使用、维护简单，成本较低。 ②用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。 ③用ABS工程塑料制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测 试与评估等方面得到广泛应用。 ⑵成形材料： 成形材料 支撑材料 成形材料是FDM工艺的基础，FDM工艺中使用的材料除成形材料 外还有支撑材料。
第二节 选择性激光粉末烧结成形
选择性激光粉末烧结成形(SLS—Selected Laser Sintering)工艺又称为选区 激光烧结。 产生和发展： 1989年由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C．R．Dechard研制成 功。已被美国DTM公司商品化。 ⒈选择性激光粉末烧结成形——SLS工艺原理 SLS工艺是利用粉末材料(金属粉末或非金属粉末)在激光照射下烧 结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。
第一节光敏树脂液相固化成形
⒈光敏树脂液相固化成形——SL工艺原理 SL工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。 液态材料在一定波长(λ =325nm)和功率(P=30mW)的紫外激光的照射 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。 加工： 零件分层(层高约0.1mm)→分层固化→整个零件固化完→三维实体 原型 分层固化： 液态光敏树脂→激光束扫描→液体固化（逐点扫描逐点固化）→一 层液态树脂固化完→下一层液态树脂→逐点扫描逐点固化→固化完
第十二章 快速成形技术
⒊代表性的工艺和种类： 20多种，众多的快速成形工艺中， 具有代表性的工艺是： ⑴光敏树脂液相固化成形 ⑵选择性粉末烧结成形 ⑶薄片分层叠加成形 ⑷熔丝堆积成形 等4种。
第十二章 快速成形技术
第一节光敏树脂液相固化成形 第二节 选择性激光粉末烧结成形 第三节 薄片分层叠加成形 第四节 熔丝堆积成形
第二节 选择性激光粉末烧结成形
在工作台上均匀 铺上一层很薄(0.1— 0.2mm)的粉末，激光 束在计算机控制下按 照零件分层轮廓有选 择性地进行烧结，一 层完成后再进行下一 层烧结。全部烧结完 后去掉多余的粉末， 再进行打磨、烘干等 处理便获得零件。 C02激光器
第二节 选择性激光粉末烧结成形
第一节光敏树脂液相固化成形
光敏树脂液相固化成形(SL—Stereolithography)又称光固化立体造 型或立体光刻。 产生和发展： 由Charles Hul发明并于1984年获美国专利。 1988年美国3D系统公司推出商品化的世界上第一台快速原型成形机。 SL方法是目前RP技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成 熟的方法。目前，SLA系列成形机占据着RP设备市场较大的份额。
第三节 薄片分层叠加成形
薄片分层叠加成形(LOM—Laminated Object Manufacturing)工艺又称 叠层实体制造 分层实体制造 纸片叠层法（因为常用纸作原料）
产生和发展： 1986年由美国Helisys公司研制成功，并推出商品化的机器。
⒈薄片分层叠加成形——LOM工艺原理 LOM工艺采用薄片材料（如纸、塑料薄膜等）作为成形材料，片材 表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用CO2激光器(或刀)在计算机 控制下按照CAD分层模型轨迹切割片材，然后通过热压辊热压，使 当前层与下面已成形的工件层粘接，从而堆积成型。
第十二章 快速成形技术
⒉特点： ⑴可以自动、直接、快速、精确地将设计思 想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件。 ⑵产品设计进行快速评估、修改及功能试验， 大大缩短了产品的研制周期。 ⑶快速工装模具制造、快速精铸技术则可实 现零件的快速制造。 ⑷增材加工法 ⑸综合了机械工程、CAD、数控技术、激光 技术和材料科学技术。
第四节 熔丝堆积成形
3)熔融温度： 熔融温度低对FDM工艺的好处是多方面的。 熔融温度低可以使材料在较低的温度下挤出，有利于提高喷头和整个 机械系统的寿命； 可以减少材料在挤出前后的温差，减少热应力，从而提高原型的精度。 4)粘结性： 粘结性主要影响零件的强度。 FDM工艺是基于分层制造的一种工艺，层与层之间往往是零件强度最薄 弱的地方，粘结性好坏决定了零件成型以后的强度。粘结性过低，有时 在成形过程中由于热应力就会造成层与层之间的开裂。 5) 收缩率： 收缩率在很多方面影响零件的成形精度。 ②支撑材料 支撑材料是加工中采取的辅助手段，在加工完毕后必须去除，所以支撑材料 与成形材料的亲和性不能太好。
第二节 选择性激光粉末烧结成形
第二节 选择性激光粉末烧结成形
第二节 选择性激光粉末烧结成形
第二节 选择性激光粉末烧结成形
⑵应用： ①直接制作各种高分子粉末材料的功能件，用作结构验证和功能 测试，并可用于装配样机。 ②制件可直接作精密铸造用的蜡模和砂型、型芯，制作出来的原型 件可快速翻制各种模具。 硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树脂 模和气化模等。
第四节 熔丝堆积成形
⒊FDM熔丝堆积成形设 备和应用 ⑴设备组成 ⑵应用 用于成形具有很复 杂的内腔、孔等零件。
精品课件！
精品课件！
几种常用的RP快速成形工艺优缺点比较
Hale Waihona Puke 第二节 选择性激光粉末烧结成形⒊SLS选择性激光粉末烧结成形设备和应用 ⑴设备 组成： ①机械结构 机架、工作平台、铺粉机构、两个活塞缸、集料箱、加热 灯 和通风除尘装置。 ②光路系统 激光器、反射镜、扩束聚焦系统、扫描器、光束合成器、指 示光源。 ③控制系统 HRPS型系列激光粉末烧结系统：华中科技大学 AFS一300型激光快速成形机：清华大学
⒉特点和成形材料 ⑴SLS工艺的特点 ①材料适应面广。 不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。 特别是可以直接制造金属零件。 ②SLS工艺无需加支撑。 没有被烧结的粉末起到了支撑的作用。可以烧结制造空心、多 层 缕空的复杂零件。 ⑵SLS烧结成形用的材料 蜡粉及高分子塑料粉 金属或陶瓷粉进行粘接或烧结 任何受热粘结的粉末都有被用作 SLS 原材料的可能性，原则上包 括了塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉。
第二节 选择性激光粉末烧结成形