快速原型先进制造技术
快速原型制造技术-RPM技术
观感评价 装配校核 功能测试
（一） 快 速 原 型
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
注射模具
陶瓷型精铸模
硅橡胶模
（二） 模 具 制 造
冲压模具
树脂型复合模
消失模
模具实例1 手机外壳橡胶模
Industrial Applications
Design review Positives for molds Functional testing
Hyperbolic parabaloid w/ Braille Klein Bottle Skeleton (Séquin) annotations (Stewart Dickson)
Applications
• Scientific Parts • Math Models • Beautiful Artifacts • Fun Stuff !
RPM=R+P+M
Rapid
Read into data
Prototyping
cut it into Pieces
Manufacturing Make the product
It’s my honor to share you with these !
Thank you !
这些技术于RPM具有相似的内涵。
三，快速原型制造技术的原理 RPM技术是基于离散/堆积原理的直接加工
原型或零件的制造过程。
CT-Scan/MRI
FEA
STL
PROSES
CAD
Product
Characteristics-1
▪ Material consolidation
先进制造技术之快速原型制造技术
工控机 控制软件
射频CO2 10.6μm
50W <0.4mm 670nm红光 320×320×440mm 0.08～0.3mm 精铸模料、工程塑料、树脂
砂 即时主流配置
AFS Win v2.0
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4.5.2 成形工艺过程
1. 成形参数选择 分层参数：零件加工方向、
分层厚度、扫描间距和扫描 方式。 成形烧结参数：扫描速度、 激光功率、预热温度、铺粉 参数等。
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4.3.4 SLA工艺特点
SLA工艺缺点： 成形过程中伴随着材料的物理和化学变化，产生收缩，并 且会因材料内部的应力导致制件较易翘曲、变形； 需要支撑； 设备运转及维护成本高； 需要二次固化； 液态树脂固化后在性能上不如常用的工业塑料，一般较脆、 易断裂。
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工件底部也要加支撑，以使工件成形后顺利从工作台取下。
成形完毕后应小 心除去支撑，从 而得到最终所需 的工件。
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4.3.2 成形工艺过程
2. 分层处理
采用分层软件对CAD模型的STL格式文件进行分层处理，得到 每一层截面图形及其有关的网格矢量数据，用于控制激光束的扫描 轨迹。分层处理还包括层厚、建立模式、固化深度、扫描速度、网 格间距、线宽补偿值、收缩补偿因子的选择与确定。
2. 原型制作
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4.5.2 成形工艺过程
3. 后处理
奥迪轿车刹车钳体精铸母模的 LOM原型
采用LOM工艺制造汽车零部 件精铸母模，生产效率高，尺 寸精度高。
奥迪轿车刹车钳体精铸件
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4.4.5 LOM工艺应用案例
汽车发动机排气管的精铸母模
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快速原型的制造技术及应用研究
快速原型的制造技术及应用研究一、引言快速原型（Rapid Prototyping，RP）是一种新兴的制造技术，它可以快速制造出三维模型，并在其基础上进行快速制造，同时也被广泛应用于产品设计领域和医疗领域。
二、快速原型技术的发展历程起初，快速原型技术主要用于制造复杂的工业零件，但由于其高效、低成本等优点，被广泛应用于汽车、航天、建筑、文化创意等领域，逐渐发展成为一项独立的制造技术。
三、快速原型技术的制造方法快速原型技术的制造方法主要分为激光烧结、光固化、层压制造和喷射成型等几种方法。
1. 激光烧结激光烧结采用激光束在金属粉末上进行高能量照射，使金属粉末熔化，形成凝固的金属球，在多次重叠后形成零件。
该方法通常用于制造金属零件。
2. 光固化光固化是利用紫外线或激光束的能量使液态树脂快速聚合形成固体，该方法通常用于制造非金属零件。
3. 层压制造层压制造是采用在平面上依次叠压成型材料用三维打印机快速建造出三维物体的方法。
该方法特别适合制造模型和薄壁零件。
4. 喷射成型喷射成型是通过喷射器喷射熔融材料直接形成零件。
该方法特别适合制造中空零件。
四、快速原型技术应用研究1. 产品设计领域在产品设计领域，快速原型技术可以快速制造出三维模型，方便设计师在设计过程中对产品进行修改和改进，大幅度缩短了设计周期并降低了制造成本。
2. 医疗领域在医疗领域，快速原型技术可以通过数字化重建受伤部位，制作出精准的模型，帮助医生进行手术前的规划，并提高手术成功率，减少手术风险。
3. 艺术创意领域在艺术创意领域，快速原型技术可以制造出形态多样的艺术品和创意家居用品，满足人们日益增长的个性化需求。
五、快速原型技术的未来发展快速原型技术的发展受到了技术、市场、资金等多方面的限制。
仍需大量的研究和发展，提高快速原型制造技术的准确度、速度和效率。
未来，快速原型技术的发展将进一步推动新产品和新制造业的发展，并为人们的生活带来更多便利。
六、结论快速原型技术是一项颠覆性的制造技术，是工业和科技发展的重要驱动力之一。
快速原型先进制造技术
快速原型先进制造技术快速原型制造技术摘要：本课程主要学习了几种先进制造技术（包括超高速加工、超精密加工、微细加工、高能束加工及快速原型制造技术）、制造自动化技术以及现代管理模式。
针对先进制造技术的发展方向，并结合课题研究，本文简要介绍快速原型制造技术（RP）的基本原理、特点、加工制造过程、6种主要的PR技术及其应用与发展趋势。
关键词：先进制造；快速原型制造；课题研究；基本原理；发展趋势1. 什么是快速原型（Rapid Prototyping）借助电脑辅助设计或由实体逆向方法取得原型或零件几何形状、结构，并以此建立数位化模型，再利用电脑控制的机电集成制造系统，通过逐点、逐面进行材料“三维堆砌”成型，再经过必要处理，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。
根据零件的复杂程度，这个过程一般需要1～7天的时间。
换句话说，RP技术是一项快速直接地制造单件零件的技术，如下图1所示。
图1 快速原型示意图2. RP技术的基本工作原理：RP技术是在现代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技术的基础上集成发展起来的。
快速原型技术的原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。
比如要做一个小圆球，电脑将圆球的实体数据，通过专用的软件，转化成一个一个薄片的数据。
第一个薄片是一个点，第二个薄片是一个小圆片，第三个薄片是一个稍大一点的圆片……，一片一片粘在一起，就成了一个圆球。
不同公司制造的RP系统所用的成形材料不同，系统的工作原理也有所不同，但其基本原理都是"分层制造、逐层叠加"。
快速原型制造技术
机电工程学院题目：快速原型制造技术专业：机械设计制造及其自动化班级：学号：姓名：日期：快速原型制造技术关键词：快速原型，产品开发，制造业、制造技术、CAD一.概念快速原型制造技术，又叫快速成形技术，（简称RP技术）。
英文：RAPID PROTOTYPING（简称RP技术），或APID PROTOTYPING MANUFACTUREING，（简称RPM）。
RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。
不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。
但是，其基本原理都是一样的，那就是"分层制造，逐层叠加"，类似于数学上的积分过程。
形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"。
二.基本原理RPM技术，是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体和技术总称。
RPM技术采用离散/堆积成型原理，其过程是：先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，使原来的三维电子模型变成二维平面信息，加入加工参数，产生数控代码；微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地连续加工出每个薄层，并使它们自动粘接而成形，这就是材料堆积的过程。
不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。
但是，其基本原理都是一样的，那就是"分层制造，逐层叠加"，类似于数学上的积分过程。
形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"。
它可以在没有任何刀具、模具及工装卡具的情况下，快速直接地实现零件的单件生产。
根据零件的复杂程度，这个过程一般需RP系统可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。
当然，整个过程是在计算机的控制下，由快速成形系统自动完成的。
快速原型制造技术
主题：快速原型制造技术姓名：张玲学号：0820116137一、快速原型技制造术产生背景随着全球一体化的形成，制造业竞争更加激烈，产品的开发速度和能力已成为自己造业市场竞争的实力基础。
同时，制造业为满足日益变化的个性化市场需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。
因此，在这样的环境需求下产生了快速原型制造技术。
快速原型制造技术（Rapid-Prototyping Manufacturing）简称RPM技术，20世纪80年代后期源于美国，是最近20年来世界制造技术领域的一次重大突破。
随后，日本、西欧等国迅速进入这一领域，世界所有工业发达国家都站在21世纪全球竞争的战略高度来关心和支持这一技术。
RPM是机械工程、计算机技术、数控技术以及材料科学等技术的集成，它能将已具数学几何模型的设计迅速、自动地物化为具有一定结构和功能的原型或零件。
分层制造技术（Layered Manufacturing Technique, LMT）、实体自由形状制造（Solid Freeform Fabrication, SEF）、直接CAD制造（Direect CAD Manufacturing,DCM)、桌面制造（Desktop Manufacturing，DTM）、即时制造（Instant Manufacturing，IM）于RPM具有相似的内涵。
自从RPM技术出现以来，迅速成为高校和研究机构研究的热点。
RPM技术已在航空航天、汽车外形设计、玩具、电子仪表与家用电器塑料件制造、人体器官制造、建筑美工设计、工艺装饰设计制造、模具设计制造等领域展现出良好的应用前景。
二、快速原型制造技术原理RPM技术获得零件的途径不同于传统的材料去除或材料变形方法，而是在计算机控制下，基于离散/堆积原理采用不同方法堆积材料最终完成零件的成形与制造的技术。
从成形角度看，零件可视为由点、线或面的叠加而成，即从CAD模型中离散得到点、面的几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。
先进制造技术之快速原型制造技术
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4.5.2 成形工艺过程
3. 后处理
刚刚成形的树脂原型密度和强度较低，需作强化处理，将液 体可固化树脂浸渗到烧结零件中，将其保温、固化，得到增 强的零件；
对于陶瓷原型，需将其放在加热炉中烧除粘接剂，烧结陶瓷 粉；
先进制造技术
第4章 快速原型技术
4.1.1 快速原型技术的基本原理
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。其成型过 程为：
制件能承受高达200℃的高温，有较高的硬度和较好的力 学性能，可以进行各种切削加工。
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4.4.4 LOM工艺特点
LOM工艺缺点： 工件（尤其是薄壁件）的抗拉强度和弹性不够好； 工件易吸湿膨胀，因此成形后应尽快做表面防潮处理； 不能直接制作塑料工件； 工件表面有台阶，其高度等于材料厚度，因此，成形后 需进行表面打磨。
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4.3.4 SLA工艺特点
SLA工艺缺点： 成形过程中伴随着材料的物理和化学变化，产生收缩，并 且会因材料内部的应力导致制件较易翘曲、变形； 需要支撑； 设备运转及维护成本高； 需要二次固化； 液态树脂固化后在性能上不如常用的工业塑料，一般较脆、 易断裂。
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4.3.5 SLA工艺应用案例
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4.1.2 快速原型技术的典型方法
2．叠层实体制造工艺
Laminated Object Manufacturing，简 称LOM，也称分层实 体制造
快速原型制造技术的步骤和特点
快速原型制造技术的步骤和特点快速原型制造技术是一种利用先进的制造技术和工具，快速制作产品的方法。
它通过快速制造出产品的原型，帮助设计师和工程师在产品开发过程中进行验证和测试，从而加快产品的开发和改进速度。
在快速原型制造技术中，主要包括以下几个步骤和特点。
一、快速原型制造技术的步骤：1. 制定设计需求：在开始快速原型制造之前，需要明确产品的设计需求，包括产品的功能、外观、尺寸等方面的要求。
2. 设计原型模型：根据设计需求，设计师使用计算机辅助设计软件（CAD）制作产品的三维模型。
3. 选择制造方法：根据产品的特点和制造要求，选择适合的快速原型制造方法，如3D打印、激光切割、数控加工等。
4. 材料选择和准备：根据所选制造方法的要求，选择适合的材料，并进行材料的处理和准备工作。
5. 制造原型模型：根据设计的三维模型和所选的制造方法，使用相应的工具和设备进行快速制造，制作出产品的原型模型。
6. 修整和处理：制造完成后，对原型模型进行修整和处理，使其达到设计要求的尺寸、形状和表面光滑度。
7. 验证和测试：制造完成的原型模型需要进行验证和测试，检查其是否满足设计需求，并进行必要的调整和改进。
8. 完善和优化：根据验证和测试的结果，对原型模型进行完善和优化，使其更符合产品的要求和市场需求。
9. 生产批量化：在验证和优化完成后，根据原型模型进行生产批量化，制造出符合要求的产品。
二、快速原型制造技术的特点：1. 快速性：快速原型制造技术可以在较短的时间内制作出产品的原型模型，缩短了产品开发周期，提高了开发效率。
2. 灵活性：快速原型制造技术可以根据设计需求的变化进行快速调整和改进，灵活适应不同的设计要求。
3. 成本效益：相比传统的制造方法，快速原型制造技术可以节省成本，减少材料和设备的浪费，提高了产品的经济效益。
4. 可定制化：快速原型制造技术可以根据客户的需求进行定制化生产，满足不同客户的个性化需求。
5. 创新性：快速原型制造技术可以帮助设计师和工程师实现创新设计和构思，促进产品的技术创新和市场竞争力。
快速原型制造技术在汽车工业中的应用教程
快速原型制造技术在汽车工业中的应用教程快速原型制造技术，简称RP（Rapid Prototyping），是指通过一系列的数字化工艺，以实现快速制造复杂的三维实体模型。
它的应用范围非常广泛，而在汽车工业中更是发挥了重要的作用。
本文将介绍快速原型制造技术在汽车工业中的应用，并提供相应的教程。
一、快速原型制造技术在汽车外观设计中的应用1. 三维建模：在汽车外观设计中，首先需要进行三维建模，以便得到准确的汽车外观模型。
快速原型制造技术可以通过扫描和建模软件，快速将汽车设计师的概念转化为三维模型。
2. 快速成型：一旦得到三维模型，快速原型制造技术可以快速将其转化为实体模型。
通过3D打印等技术，可以在短时间内制造出逼真的汽车模型，供设计师和工程师进行评估和修改。
3. 外观修饰：制造好的汽车模型可能需要一些外观修饰，以使其更符合设计要求。
在快速原型制造技术中，可以使用各种加工技术，如打磨、喷漆等，对模型进行修饰，使其更加真实。
二、快速原型制造技术在汽车零部件制造中的应用1. 难以加工的零部件：有些汽车零部件由于形状复杂或材料特殊，传统的加工方式很难进行。
而快速原型制造技术可以通过打印机等设备，直接制造出所需的零部件，大大简化了制造过程。
2. 迭代设计：在汽车零部件设计中，常常需要进行多次迭代。
使用快速原型制造技术可以快速制造出新的零部件，供工程师进行测试和评估。
如有需要，还可以快速进行修正，以提高设计的准确性和效率。
3. 小批量生产：在汽车工业中，有时需要进行小批量的生产，以满足特定需求。
快速原型制造技术可以快速制造出所需的零部件，并且具有较高的精度和一致性，适用于小规模生产。
三、快速原型制造技术在汽车工程开发中的应用1. 汽车动力系统优化：利用快速原型制造技术，可以制造出各种不同的动力系统组件，并通过测试和比较，找到最优方案。
这有助于提高汽车的燃油效率和性能。
2. 安全性能测试：汽车的安全性能至关重要。
使用快速原型制造技术可以制造出模拟碰撞等测试所需的零部件，并进行安全性能测试。
先进制造技术第四章快速原型技术
快速原型制造简介
快速原型制造 ——RAPID PROTOTYPING 简称 RP
九十年代发展起来的一项高新技术。 RP技术是在现代 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技术的基 础上集成发展起来的
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。
RP技术的基本原理
快速成形是一种离散 /堆积的加工技术，其基本过程是首先将计算机 生成的零件三维实体沿某一坐标轴进行分层处理（离散），得到每层 截面的一系列二维截面数据，按特定的成形方法（LOM、SLS、FDM、 SLA等）每次只加工一个截面，然后自动叠加（堆积）一层成形材料， 这一过程反复进行直到所有的截面加工完毕生成三维实体原型。 步骤： （1）C AD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型； （2）将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维 层片（习惯称为分层）； （3）根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成 数控代码； （4）成形机制造一系列层片并自动将它们堆积起来，得到三维物理 实体。
激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割 出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置 将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工 件。 LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型 外，还可以直接制造结构件或功能件。特点是原材料价格便宜、成本低。
将激光聚集到液态光固化材料（如光固化树脂）表面，令其有规律地 固化，由点到线到面，完成一个层面的建造，而后升降移动一个层片 厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，再建造一个层面，由此层层迭 加成为一个三维实体。
快速原型制造
快速原型制造快速原型制造（ RPM ： Rapid Prototyping Manufacturing ）技术，又叫快速成形技术，简称 RP 技术，是 90 年代初发展起来的新兴技术， RPM 是 CAD 技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，融合了机械工程、 CAD 技术、激光技术、数控技术和材料技术等，可以直接、自动、快速地将设计师的设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能验证，有效地缩短了产品的研发周期，为企业的新产品开发和创新提供了技术支持。
1．RPM技术产生背景随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为市场竞争的主要矛盾。
在这种情况下，自主快速产品开发的能力（周期和成本）成为制造业全球竞争的实力与基础。
同时，制造业为满足日益变化的用户需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不大幅度增加产品的成本。
因此，产品开发的速度和制造技术的柔性就变的十分关键了。
RPM 技术就是在这种社会背景下，于 80 年代后期产生于美国，并很快扩展到日本及欧洲，是近 20 年来制造技术领域的一项重大突破。
RPM 技术问世不到十年，已实现了相当大的市场，发展非常迅速，在短短不到十年的时间里已实现了近五亿美元的市场。
人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。
制造行业的工作人员都想方设法利用这种现代化手段，与传统制造技术的接轨工作也进展顺利。
人们用其长避其短，效益非凡。
与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。
2．RPM技术的原理及主要方法RPM技术，是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体和技术总称。
RPM技术采用离散/堆积成型原理，其过程是：先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，使原来的三维电子模型变成二维平面信息（截面信息），加入加工参数，产生数控代码；微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地连续加工出每个薄层，并使它们自动粘接而成形，这就是材料堆积的过程。
其他快速原型制造技术及新工艺
激光近成型技术也称为激光生长技术（Laser Generation），是一种局部送粉的将激光熔覆技术和快速原 型及制造技术相结合的一种先进零件快速制造方法。 他由美国Sandia国家实验室的David Kicher发明，并由 OptomecDesign公司于1997年开始商业化运行。
移动式零件修复医院
NWPU
激光近成型技术LENS
采用LENS技术制造的先进涡轮发动机三合金叶轮
NWPU
三维喷涂粘结3DPG
三维喷涂粘结原理
三维喷涂粘结快速成型工艺是由美国麻省理工学院开发 成功的，它的工作过程类似于喷墨打印机，其工艺原理如下 图所示。首先铺粉或铺基底薄层（如纸张），利用喷嘴按指 定路径将液态粘结剂喷在预先铺好的粉层或薄层上特定区域， 逐层粘结后去除多余底料便得到所需形状制件。也可以直接 逐层喷涂陶瓷或其他材料粉浆，硬化后得到所需形状的制件。
NWPU
选区激光熔化成型SLM
选区激光熔化的应用
单件、小批量和特殊复杂金属零件的直接制造。
快速模具制造。 生物医学领域中的人造骨骼以及航空航天领域诸如发动机 叶片等结构件的制造。 用于复合材料、梯度材料的工件实体制造
NWPU
选区激光熔化成型SLM
不锈钢门铰链
不锈钢门把手
航空器涡轮机叶片
小型冲模
激光熔覆成型技术LCRM
激光熔覆快速成型原理 先在计算机中建立零件的三维CAD模型，在利 用分层切片软件将模型以一定的厚度分层切片，把 零件的三维形状离散成一系列二维平面，由数控机 床按照每一层的形状数据，控制高能激光束熔化同 步送进的材料（一般为粉状或丝状）形成熔覆层 （同步法），逐层堆积材料，最终获得三维实体零 件或只需要进行少量加工的毛坯。
3-2 快速原型制造技术
CAD和CAM集成于一体，根据在计算机上构造的三维模型， 能在很短的时间内直接制造出产品样品，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
了产品更新换代的速度，降低了企业投资新产品的风险。
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。
三维模型的近似处理
用一系列小三角平面来逼近模型上的自由曲面， 每一个小三角形由三个顶点和一个法矢量来表示，
三角形的大小可以选择，从而得到不同的曲面近
似精度。
经近似处理的三维模型文件格式为STL，典型 的商品化CAD系统都有STL文件输出的数据接
口
STL输出的误差
在Pro/E中输出STL文件
快速原型工艺流程图
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。
从成形角度看，零件可视为逐点、线、面的叠加而成。
从CAD模型中离散得到点、线、面的几何信息，再与快 速成形的工艺参数信息结合，控制材料有规律地、精确 地由点、线到面，由面到体地逐步堆积成零件。从制造 角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制 三维的自动化成形设备，通过激光束或其他方法将材料 逐层堆积而形成成形零件。
酸树脂、丙烯酸树脂等。
要求SLA树脂在一定频率的单色光照射下迅速固化，为保
证原型精度，固化时树脂的收缩率要小，并应保证固化 后的原型有足够的强度和良好的表面粗糙度，且成形时
先进制造技术-5.0快速原型制造RPM
RPM
15
先进制造技术
分层实体制造（ 分层实体制造（LOM）的制造过程 ）
2012-2-16
RPM
16
先进制造技术
分层实体制造（ 分层实体制造（LOM）样件 ）
因LOM模型 模型 无相变和可以 抵抗收缩。 抵抗收缩。故 可以用于制造 精密硅胶模具。 精密硅胶模具。
2012-2-16 17
RPM
先进制造技术
2012-2-16
RPM
12
先进制造技术
分层实体制造（ 分层实体制造（LOM）原理图 ）
2012-2-16
RPM
13
先进制造技术
快速成型工艺动画演示
分层实体制造（ 分层实体制造（LOM） ）
2012-2-16
RPM
14
先进制造技术
分层实体制造（ 分层实体制造（LOM）的制造过程 ）
2012-2-16
2012-2-16 RPM 3
先进制造技术
快速原型技术的加工特点 快速原型技术突破了“毛坯→切削加工 成品” 切削加工→成品 快速原型技术突破了“毛坯 切削加工 成品”的传 统的零件加工模式，开创了不用刀具制作零件的先河， 统的零件加工模式，开创了不用刀具制作零件的先河，是 一种前所未有的薄层迭加的加工方法。 一种前所未有的薄层迭加的加工方法。与传统的切削加工 方法相比，快速原型加工具有以下优点： 方法相比，快速原型加工具有以下优点： （1）可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如 ）可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件， 零件中的凹槽、凸肩和空心部分等， 零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的 开发成本和开发周期。 开发成本和开发周期。 （2）不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具 ）不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具， 磨损和切削力影响。 磨损和切削力影响。 （3）无振动、噪声和切削废料。 ）无振动、噪声和切削废料。 （4）可实现夜间完全自动化生产。 ）可实现夜间完全自动化生产。 （5）加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。 ）加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。
快速原型制造技术的发展和应用
快速原型制造技术及其应用[关键字] 快速原型制造技术，模具发展概况快速原型制造（RPM，Rapid Prototyping Manufacturing）技术，又称快速成型技术,Rapid Prototyping( 简称RP 技术) ，与传统的去除型加工不同，乃是一种基于离散/堆积原理的“生长型”加工，也称为分层叠加成形。
所谓离散/堆积原理，是指在计算机的管理与控制下，先将CAD模型离散成一层层截面轮廓信息，然后在RP成形设备上依次制造出各个片层并逐层粘结成一体，从而堆积出三维实体制件。
显而易见，RP是在零件CAD模型的驱动下快速制造出任意复杂形状实体的技术。
它不需要传统的多坐标数控机床、刀具和夹具，一般只需传统加工方法30%~50%的工时和20%~35%的成本，就能把体现设计思想的CAD模型转化为物理实体，从而可以有效地缩短开发周期，提高企业的竞争力。
不过，RP工艺极大地依赖于材料本身的特性，所处理的材料既要首先能够满足离散/堆积成形的特殊要求，又要能进行后处理和成形后具有必要功能，因此RP工艺所擅长处理的材料目前只限于树脂、蜡、某些工程塑料和纸等几类，与制造领域广泛使用的金属等高强度材料尚有距离，故以往多用于产品开发过程制造物理原型件，也就是说RP最初是作为复杂形状构件原型的成形方法出现的，故称之为“快速原型制造”。
如果进一步细分，物理原型件又可分为概念原型和功能原型两类。
概念原型主要是展示制品的立体形态和结构，供人多角度观察和用手触摸，比计算机上的虚拟原型具有更强的真实感。
它不仅有助于激发设计者的创新火花，还能促进设计部门与其它部门和客户进行深入交流。
功能原型则不仅要给人提供视觉和触觉反馈，而且还可以进行装配检查（现在有的概念原型也有此要求）以及承受传热、流体力学等性能实验。
事实上，RP技术并没有仅仅停留在制作原型上，经过十几年的发展，国外相继推出了一些直接成形金属材料的RP系统，并开始实际用于快速制作金属模具乃至金属零件。
快速原型制造技术资料
快速原型制造技术（RPM）快速原型制造（RPM—Rapid Prototype Manufacturing）技术是一项国外80年代中期才发展起来的高新技术，RPM是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体和技术总称。
快速原型技术采用离散/堆积成型原理，其过程是：先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型（亦称电子型）；然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，反原来的三维电子模型变成二维平面信息（截面信息），即离散的过程不同地将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码；微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地连续加工出每个薄层，并使它们自动粘接而成形，这就是材料堆积的过程。
RPM技术的具体工艺不下30余种，最为成熟的有四种:立体印刷、分层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积成形。
中国发展了SLA、LOM、FDM、SLS四种RPM工艺与装务。
RPM最主要特征就是由CAD模型直接驱动快速制造任意复杂形状三维实体。
其具有以下特性：（1）运用RPM技术能自动、快速、精确地将设计思想转变成一定功能的产品原型或直制造零件，对缩短产品开发周期、减少开发费用、提高企业参与市场竞争具有重要意义。
（2）PRM集成了机械工程、计算机控制、CAD、数控技术、检测技术、激光材料和各种学科的前沿技术，是一种曲型的高新技术。
（3）RPM改变了传统制造加工采用的“去除”原理，而是采用了离散一堆积原理。
（4）可以制造任意复杂的三维几何实体。
（5）由CAD模型直接驱动。
（6）成型设备无需专用类具或工具。
（7）成型过程中无人干预较少干预。
RPM改变了传统采用的“去除”原理，采用离散/堆积成型原理成型，先有三维CAD 制成三维实体（电子）模型，然后将三维电子模型变成二维平面信息（离散）过程，最后在RPM设备中分层加工每个薄层并自动粘接（材料堆积过程）形成原型或零件。
RPM的主要技术特征是成形的快捷性。
先进制造技术-快速成型
2.与加工能源技术之间的关系 快速原型制造技术的成型过程采用以激光为主、多种形式的能 源。一类是基于激光能量的固化、切割或熔化的方法；另一类 是非激光能量堆积成型的方法。 能源的选择必须与所使用的原材料综合考虑，特别是在激光为 能源的制造系统中，需考虑到激光束的直径、聚焦、散焦等各 种因素。 相比较而言，以激光为能源为工艺，发展早、更完善、应用也 更多。 激光具有能量集中、易于控制、光斑小、波长恒定等特点，尤 其适合作为快速原型制造技术能源。激光技术的发展促进了快 速原型制造技术的产生。从几十毫瓦的He-Cd 激光器到上千瓦 的CO2激光器，氖离子激光器等在快速原型制造技术中都有应 用。
4.与材料科学与工程之间的关系 快速原型制造技术的关键是材料。 材料是成型工艺可行与否的前提，材料的性质不但 影响原型的质量，而且对原型的应用有决定性影响。 例如，立体印刷成型工艺采用的特种光敏树脂要具 有高的感光灵敏度、确定的感光波段、固化后能适 应各种不同用途；层合实体制造工艺采用涂有粘接 剂的纸张，要求纸厚胶薄，纸和胶在切割时不碳化。 此时，所使用的粘接剂在很大程度上决定了原型的 加工质量和使用性能。
3.与数控技术之间的关系 数控技术使实现快速原型制造技术的桥梁，而快速 原型制造技术也向数控技术提出了新的研究课题。 不同的工艺方法对书刊系统侧要求有所不同，由此 需要引入可变参数的数控系统。 如在每次加工一 层的掩膜光刻中，控制方式为简单的一轴控制；而 在逐层扫描工艺中，数控系统则需要二轴联动，即 在X-Y平面内进行加工，Z轴只是在X-Y平面内的加 工完成后有规律地调整高度；采用数码累积方式则 需要三轴联动或二轴半数控系统。
二、 快速原型制造
原型制造( Prototyping) 是设计、建造原 型的过程。 一般来说，物体成型的方式分为三类： 去除成型（Dislodge Forming） 添加成型（Adding Forming） 净尺寸成型（Net Forming) 原型的制造也是如此。
第3章-快速原型制造
清理零件表 面，去除辅 助支撑结构
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数控成形机以平面加工 方式按顺序制造各层面 并逐层联接起来，得到 三维物理实体
2. 快速原型制造工艺过程
CAD模型分层处理前，首先要将模型表面近 似处理，用一系列小三角形平面逼近模型上的不 规则曲面，从而得到三角形格式表面模型。即将 CAD格式文件转换为STL格式文件。
使用材料：粉末状材料，如塑料、石蜡、陶 瓷、金属等材料粉末。
适合制造铸造件。
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选择性激光烧结（SLS）工艺过程
选择性激光烧结法工艺原理图
先在工作台上铺上一层 有很好密实度和平整度的粉 末，用高强度的CO2激光器 在上面扫描出零件截面，有 选择地将粉末熔化、粘接， 形成一个层面，利用滚子铺 粉压实，再熔结或粘接成另 一个层面并与原层面熔结或 粘接，如此层层叠加为一个 三维实体。
选 择
层
熔 融
硅 橡
金 属
金 属
化
烧 结
迭
沉 积
胶
树 脂
冷 喷
法法法法 模 模 模
5
激C层 光T 扫扫切
描描法
5 快速原型制造技术
二、 快速原型制造概述
快速原型制造，简称为RPM（Rapid prototyping Manufacturing ）。
也称为快速成型技术或快速原型技术 ，即Rapid Prototyping （RP）技术。
6
几种典型的快速成型工艺比较
SLA
立体印刷
FDM 熔融沉积成形
SLS
LOM
选择性激光烧结 分层实体制造
设备购置 费用
高昂
维护和日 常使用费
用
有激光器损 耗，光敏树 脂价格昂 贵，运行费 用很高。
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快速原型先进制造技术快速原型制造技术摘要：本课程主要学习了几种先进制造技术（包括超高速加工、超精密加工、微细加工、高能束加工及快速原型制造技术）、制造自动化技术以及现代管理模式。
针对先进制造技术的发展方向，并结合课题研究，本文简要介绍快速原型制造技术（RP）的基本原理、特点、加工制造过程、6种主要的PR技术及其应用与发展趋势。
关键词：先进制造；快速原型制造；课题研究；基本原理；发展趋势1. 什么是快速原型（Rapid Prototyping）借助电脑辅助设计或由实体逆向方法取得原型或零件几何形状、结构，并以此建立数位化模型，再利用电脑控制的机电集成制造系统，通过逐点、逐面进行材料“三维堆砌”成型，再经过必要处理，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。
根据零件的复杂程度，这个过程一般需要1～7天的时间。
换句话说，RP技术是一项快速直接地制造单件零件的技术，如下图1所示。
图1 快速原型示意图2. RP技术的基本工作原理：RP技术是在现代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技术的基础上集成发展起来的。
快速原型技术的原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。
比如要做一个小圆球，电脑将圆球的实体数据，通过专用的软件，转化成一个一个薄片的数据。
第一个薄片是一个点，第二个薄片是一个小圆片，第三个薄片是一个稍大一点的圆片……，一片一片粘在一起，就成了一个圆球。
不同公司制造的RP系统所用的成形材料不同，系统的工作原理也有所不同，但其基本原理都是"分层制造、逐层叠加"。
这种工艺可以形象地叫做"增长法"或"加法"。
RP系统可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，每个截面数据相当于医学上的一张CT像片；然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。
整个制造过程可以比喻为一个"积分"的过程。
当然，整个过程是在计算机的控制下，由快速成形系统自动完成的。
基本原理都是一样的，那就是"分层制造、逐层叠加"。
这种工艺可以形象地叫做"增长法"或"加法"。
3. 快速原型制造技术的加工制造过程目前进入应用领域的各种快速原型制造技术采用的成型机理有所不同，但它们的加工制造过程类似，均大致包括以下五个步骤：图2 快速原型制造加工过程1、生产CAD设计模型。
首先利用计算机辅助设计（CAD）软件包生成制件的三维实体模型。
目前常用的实体造型软件有：Pro/E、UG—Ⅱ、Power Shape等，也可通过反求工程来获得制件的三维描述信息。
2、将三维CAD设计模型转换成STL（STL为RP技术工业标准）格式，在转换过程中，要综合考虑加工精度、加工工作量和文件容量等因素。
3、用预加工软件将STL模型转换成加工文件，即根据制造工艺不同，将STL模型切割成0.01~0.7mm薄片层。
在这一过程中，要根据性能要求和尽量减少加工时间的原则选择被加工工件的坐标和加工方向，同时考虑工件加工过程中的支撑。
4、实际加工过程，不同的RP技术，设备和加工原理有所不同，但大多是一层一层地制造。
所用的材料有聚脂材料、纸、粉末陶瓷或金属等。
加工过程自动化很高，不用人工干预。
5、后处理工序，包括从机器中取出工件，进行必要的清理和表面处理如：封蜡、涂漆等，以增加外观质量和耐用性，最新的后处理加工如：采用高温渗入环氧树脂和静电镀镍等技术可获得表面质量很高的制品。
4. 主要的快速原型制造（RP&M）技术RP&M的制造技术、原理和设备类型有多种，但较成熟的和具有影响的主要有以下六种。
4.1. 立体光造型（SLA）立体光造型是研究最早和较为成熟的一项快速原型制造技术。
它是利用液体光敏聚脂材料在紫外光照射下固化的特点而实现三维造型的。
首先将造型平台置于液体聚脂材料液面以下，在紫外光激光器照射下，要成型的部分液体固化在平台上，其余部分保持液体状态，然后将平台下移微小距离，刮平固化表面并涂上第二层液体，激光光源再对第二层实施加工，这种过程重复进行直至完成模型制造，最后完成取模、清理工作。
立体光造型技术可以顺利成型各种形状复杂零件，包括薄壁件、透明件、异形件以及传统方法不可能加工的各种零件。
该技术具有制造精度高，生产零件强度和硬度好等特点。
由于使用透明材料，模型可用于光弹应力分析和可视化研究，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法，缺点是清洗和养护等后处理工序较费时。
如下图3所示。
图3 立体光造型（SLA）原理图4.2. 分层实体制造技术LOM(Laminated Object Manufacturing)工作时，先放置成型基底，工作台下降一层高度，送纸辊送纸，收纸辊同步回收废料，在工作台上铺一层簿型材料，热压辊筒加热后，碾压材料表面，使它与已成型层牢牢粘合在一起，再使用激光扫描，切割出当前层的轮廓，这样逐层加工，直到制件完成。
激光扫描时，首先在材料表面切割出截面的轮廓线，然后在废料部分切割出X—Y方向交叉网格。
生成网格的主要目的是为了方便废料的剥离。
最后从连续的材料带上切下整个平面扫描部分，为下一层加工作好准备。
激光扫描是分层实体制造中的关键工序，它直接影响着制件的成型精度。
如下图4：图4 LOM成型原理4.3. 选择性激光烧结SLS（Selecting Lazet Sintering）择性激光烧结，是使用粉状固体材料（如：石蜡、聚碳酸脂、石英砂、合金粉等）进行加工的一种快速成型方法。
它在储料缸中放入加工原料，在工作缸中完成原型加工。
选择性激光烧结加工时，原料缸上升一个层厚，成型缸下降一个层厚，铺粉机构把粉料从原料缸快速铺向成型缸，然后，激光在工作台面上作选择性扫描，扫描过的部分连接成一个整体,没有扫描过的部分仍然保持粉状结构.截面完成后,再进行下一个工作周期,层层烧结形成制件。
图5 SLS成型原理图4.4. 熔丝沉积成型FDM(Fuse Deposition Modeling)在加热室下连接着制作喷头和支撑喷头。
制作支撑时，支撑丝连续地送进，支撑喷头在基底或已成型层上逐线扫描，形成辅助支撑。
制件加工时，制件丝连续送进，制作喷头在已成型层上逐线扫描，制作丝送入喷头，在喷头中熔化，喷出，在已成型层上固化，形成制件的二维截面。
每加工一层，工作台下降一次，新层添加在已加工层上，固化在一起。
多次重复，就可以形成具有直接实用价值的塑料件。
FDM成型原理4.5. 光面固化成形SGC（Solid Ground Curing）SGC技术是由Cubital公司开发的，其原理有点像SLA技术，所不同的是SGC技术不是逐点成型，而是同时制造一层，因此也称为固化过程。
其基本原理是：先在制造平台上撒一层液体感光树脂材料，然后利用类似复印机的静电过程在制造平台上方的透明玻璃板上打印出具有模型第一层形状的遮光膜。
用紫外光源照射遮光膜，则光线只能穿过透明部分而选择固化这一层。
接着，用真空吸除余下的液体树脂，而将这部分涂上蜡以支撑模型，这一层制好后，下降平台再制造第二层直至模型制成。
模型制好后，要放入溶剂池中除蜡，该技术的特点是制造速度快，制件尺寸大，并可同时制造多件制品。
图6 SGC技术加工原理图4.6. 喷墨打印（Ink—Jet Printing）喷墨打印指的是利用喷墨原理制造模型或零件的一类技术或设备。
该技术的制造平台置于粉末材料中，喷墨打印头喷出熔结剂将第一层中模型实体部分和粉末熔结在一起，未熔结的粉末作为支撑，然后将平台下移，加入粉末，抹平，再制造第二层，制成后，零件烧结，然后从粉末中取出。
图7 喷墨打印技术原理图年来，MIT（麻省理工学院）的研究人员对于3DP技术进行了更广泛和深入的研究，开发了用多种打印头的局部成份控制（Local Composition Control）技术，其原理如图所示。
其过程和步骤类似其它喷墨打印技术，但它通过材料成份、性能分析程序结合造型CAD数据，复合生成LCC模型从而实现模型内部局部成份控制，不同的打印头控制不同的材料成份，使制成的零件或模型内部具有不同的成份和特性，如不同的折射系数、不同的导电率、不同的韧性和成形性能、不同的耐腐蚀性、不同的强度和硬度，以满足不同的要求。
图8 3DP的局部成份控制（LLC）技术5. 快速原型制造技术的特点快速原型制造技术作为机械制造、激光、计算机、新材料和自动控制等技术综合应用的一项新的加工制造技术，是对传统制造方法的一项根本变革。
与传统的制造技术相比，快速原型制造技术具有如下优点：（1）减少制造成本，缩短制造周期。
由于可以应用CAD数据直接制造原型、模具或零件，从而减少了生产准备和加工过程时间，同时也降低了生产成本。
（2）传统的模具、零件制造常常采用设计→试制→实验→修改设计→再制造这一过程，采用RP技术可进行前期实验，即在设计的同时进行性能实验，节约实验时间和费用。
（3）最新的RP技术与传统的有限元（FEM）相结合，根据几何设计和性能分析结果制造模具和零件。
先进的3DP（Three Dimensional Printing)技术采用局部成份控制（LLC）原理，可控制RP制件内部的成份和各种性能。
这些成就更扩大了RP技术的应用范围。
（4）RP技术可以生产任意几何形状包括空心、薄壁和具有复杂内部结构的零件或模型，尤其适合于生产批量较小而生产周期要求又短的制造领域。
6. 快速原型制造技术的应用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。
通常，产品到了经销商或客户的手中，很快就会有各种反馈的意见，认为这个产品如果能够再修改一下就会更好。
于是厂家就会根据所搜集到的意见，对产品进行改型。
“修改”，在制造业中，是个谈谈容易做起来难的事。
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，比如，一个制造普通电话机外壳的模具，就要花费好几万元才能做出来。
更严重的是，当你在花钱制作新模具的时候，并不知道这一次是不是一定能够满意。
万一再不满意，再花钱是小事，拖延了时间就可能意味着失去市场。
虽然利用电脑的虚拟技术可以非常逼真地再屏幕上显示所设计的产品的外观，但是，视觉上再逼真，也无法与实物相比。