快速原型技术
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快速原型制造技术
Rapid Prototyping Manufacturing
本节要点
快速原型制造的工作原理 快速原型制造的工艺过程
Байду номын сангаас
典型的RPM方法：SLA， SLS，LOM，FDM，3DPrinting
快速原型技术
★定义：快速原型技术是用离散分层的原理制作产品原型 的总称，其原理为：产品三维CAD模型→分层离散→按离 散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料→生成实体模型， 简称 RP 。
光敏液相固化法的基本原理
SLA工艺成形的产品特点
1.SLA工艺成形的零件精度较高， 可达±0.1mm；可形成任意复杂形 状的零件；材料利用率高，性能 可靠，产品透明美观，可直接做
照相机激光树脂原型 光鼠 树标 脂外 原壳 型激
力学实验。 2.局限性：需要支撑，设备昂贵， 树脂收缩导致精度下降，光固化
表 典型快速原型制造技术特点及常用材料对照表
成型方法 立体印刷 成型SLA 成型速 度 较快 成型精 度 较高 成型制件 大小 中等 原材料 热固性光敏树脂
层合实体 制造 LOM
选域激光 烧结SLS 熔融沉积 制模 FDM
快
低
简单
纸、金属箔带、塑 料膜 石蜡、塑料、金属、 陶瓷等粉末 石蜡、塑料、低熔 点金属
3.选择性激光烧结法（Selective Laser Sintering，SLS）
美国德克萨斯大学奥斯汀 分校于1989年研制成功，已被 美国DTM公司商品化，推出
SLS Model125成形机。
德国EOS公司和我国的北 京隆源自动成形系统有限公司
也分别推出了各自的SLS工艺
成形机。
选择性激光烧结的基本原理
选区片层粘结法的基本原理
LOM的特点
（1）使用胶纸作为成型材料，成本低，原材料易于获得，无交 变，无热应力，形状和尺寸精度稳定 ； （2）成型后的模型需密封保存以免吸潮； （3）由于无须进行化学反应，成型件尺寸可以制得很大； （4）Z向精度比SLA和SLS要低； （5）纸张上有交叉格，便于成型后去除模型周边的废料，但剥 离费时； （6）模型有类木纹的纹理； （7）适合于航空、汽车等行业中体积较大的制件，但由于适应 面较窄， 渐趋淘汰。
RPM属于离散/堆积成形。RPM技术是采用软件离散 材料堆积的原理实现零件的成形过程。通过离散获得堆积 的路径、顺序、限制和方式，通过堆积材料“叠加”起来 形成三维实体。 RPM作业过程： CAD模型建立。 STL文件生成。 分层切片。 快速堆积成型 。
CAD造型系统
CAD模型 STL文件
SLA 光敏液相固化法
FDM 熔丝沉积成形法
SLS 选区激光烧结法
LOM 选区片层粘接法
设备 购置 费用 维护 和日 常使 用费 用 发展 趋势 应用 领域
高昂
低廉
高昂
中等
激光器有损耗， 光敏树脂价格 昂贵，运行费 用很高。
无激光器损耗，材 料的利用率高，原 材料便宜，运行费 用极低。
激光器有损耗， 材料利用率高， 原材料便宜， 运行费用居中。
快速原型制造作用
1.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。 2.模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验 证、工程分析、市场订货以及企业的决策等，提高了产品在市 场上的竞争力和企业对市场的快速反应能力。 3.为技术人员之间，以及技术人员与企业决策者、产品的用户 等非技术人员之间提供了一个更加形象、完整、方便的工程交 流工具。 4.支持同步（并行）工程的实施 5.支持技术创新、改进产品外观设计 6.用 RP 技术制做模具 7.逆向工程（反求）
选择性激光烧结（SLS）的产品特点
1.材料适应面广。能制造塑料零件，陶瓷、 蜡、尼龙等材料的零件。能制造出直接 使用的金属零件。 2.不需加支撑。 3.精度不高。平均精度为±0.15～ ±0.2mm，表面粗糙度不好，不宜做薄 壁件。
4.熔丝沉积成形法 （Fused Deposition Modeling，FDM）
快速模具技术
快速模具技术(Rapid tooling，简称RT)：是随着
RP 技术的发展而迅速发展起来的一门新技术。主要
是运用RP生产的原型来做模具。
RT模具种类： 软模具：腊模、硅橡胶模、环氧树脂模、聚氨脂模等
硬模具：环氧树脂、石膏、陶瓷、低熔点金属、金属
基复合材料等。
RP＆RT
用 RP 技术直接制做模具：用 LOM 系统制做的制件 经表面处理，其强度比一般木材还要高，可直接用作
较慢
较低
复杂
较慢
较低
中等
SLA 光敏液相固化法
(1) 成形速度极快， 成形精度、表面 质量高； (2) 适合做小件及 精细件。
FDM 熔丝沉积成形法
SLS 选区激光烧结法
LOM 选区片层粘接法
(1) 成形精度较高； (2) 只须对轮廓线 进行切割，制作效 率高，适合做大件 及实体件； (3) 制成的样件有 类似木质制品的硬 度，可进行一定的 切削加工。
RP技术的基本原理图
三维CAD模型 分层切片 各层截面的轮廓 激光器（或喷嘴）按各层截 面轮廓切割、固化或烧结
微小厚度的片状实体
逐层堆积
三维模型或样件
RPM技术原理
----成形学与离散堆积原理
成形（Forming）：将物体有序地组织成具有确定外形 和一定功能的三维实体。包括三个基本要素：物质的 提取，序的建立，完成（形状、功能）三维实体。 成形学（Shaping）：从方法论高度系统地研究成形的 科学，着重研究成形三要素及其之间的相互作用。 成形方式：1.去除成形（Dislodge Forming）运用分离 的方法，把一部分材料有序地从基体上分离出去而成 形的方法。Turning, Milling, Grinding, Boring etc..
树脂价格昂贵，有一定的毒性且
产品不能溶解，不利于环保 。
2.选区片层粘结法（ Laminated Object Manufacturing， LOM）
美 国 Helisys 公 司
于1986年研制成功。该 方法的代表是美国 Helisys 公 司 的 LOM1050 和 LOM-2030 成形 机 ， 日 本 Kira 公 司 的 KSC-50成形机。
缺 点
(1) 成形后要做进 (1) 成形时间较长； 一步固化处理； (2) 做小件和精细件时 (2) 光敏树脂固化 精度不如SLA。 后较脆，易断裂， 可加工性不好； (3) 工作温度不能 超过100℃，成形 件易吸湿膨胀， 抗腐蚀能力不强。
(1) 成形件强度和表 (1) 不适宜做薄壁 面质量较差，精度低。原型； (2) 在后处理中难于 (2) 表面比较粗糙， 保证制件尺寸精度， 工件表面有明显的 后处理工艺复杂，样 台阶纹，成型后要 件变型大，无法装配。进行打磨； (3) 易吸湿膨胀， 成形后要尽快做表 面防潮处理； (4) 工件强度差， 缺少弹性。
1988年研制成功，由 美国Stratasys公司推出商 品化的3D Modeler1000和 FDM1600等规格的系列产 品。最新产品是制造大型 ABS原型的FDM8000等型 号的产品。
熔丝沉积成形的基本原理
5. 三维印刷（Three Dimensional Printing,3D-P）
2.堆积成形（Stacking Forming） 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。RPM。 3.受迫成型（Forced Forming） 利用材料的可成形性（如塑性）在特定外围约束（边界约束 或外力约束)下的成形方法。Extrude，Cast， Powder metallurgy。 4.生长成形（Growth Forming) 利用材料的活性进行成形的方法。自然系统中生物个体发育， 人为系统中还没有。
直接快速模具制造
硅胶模 树脂型复合模
模具快速制造 间接快速模具制造
金属喷涂模 陶瓷浇注型腔模 塑钢或铁型腔模 熔模铸造法制模 钢粉烧结型腔模
快速成形的效益
1.设计者受益 2.制造者受益
3.推销者受益
4.用户受益
快速原型技术分类
1.材料累加法 （Material Increase Manufacturing） 2.材料去除法:三维雕刻机 （Material Increase Manufacturing）
快速原型技术的特点
(1)可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如 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。 (2)属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具 和夹具，无刀具磨损和切削力影响。 (3)无振动、噪声和切削废料。 (4)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 。
RPM的特点
1）高度柔性 2）技术的高度集成
3）设计制造一体化
4）快速性 5）自由成形制造(Free Form Fabrication，FFF) 6）材料的广泛性
快速原型服务领域
工业造型、模具、家电、电子仪表、轻工、 塑料、玩具、航空航天、军工、机械、汽车、 摩托车、内燃机、建筑规划及模型、科研、医 疗等。
快速原型技术的意义
★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。
激光器有损耗， 材料利用率很 低，运行费用 较高。
稳步发展
飞速发展
稳步发展
渐趋淘汰
复杂、高精度、 塑料件外形和机构 艺术用途的精 设计 细件
铸造件设计
实心体大件
典型RPM成形方法
1.光敏液相固化法 － Stereo Lithography Apparatus ，SLA
SLA 工艺于 1984 年获美 国 专 利 ， 1988 年 美 国 3D System 公司推出的商品化样 机 SLA-1 ，是世界上第一台 快速原型技术成形机。 这种方法的代表还有日 本和德国。
成型工艺
加工能量
（1）Laser beam(激光束)RP （2）Lamp(光照)RP （3）Heat energy(热能)RP （4）Mechanical energy(机械能)RP
激光束RP可分为： 1.立体光刻(SLA: Stereolithography) 2.选择激光沉积(SLS: Selective Laser Sintering) 3.分层制造(LOM: Laminated Object Manufacturing) 4.形状沉积制造(SDM: Shape Deposition Manufacturing) 机械能RPM又可分为 1.冲击颗粒制造(BPM: Ballistic Particle Manufacturing) 2.三维打印(3D Printing) 3.熔化沉积造型(FDM: Fused Deposition Modeling)
RPM技术的研究和应用
全 球 设 备 装 机 量 医学 新产品快速开发制造 快速模具 快速铸造
优 点
(1) 成形材料种类较多， (1) 有直接金属型的 成形样件强度好，能直 概念，可直接得到塑 接制作ABS塑料； 料、蜡或金属件； (2) 尺寸精度较高，表 (2) 材料利用率高； 面质量较好，易于装配； 造型速度较快。 (3) 材料利用率高； (4) 操作环境干净、安 全可在办公室环境下进 行。
铸造木模；用 SLS 等方法则可直接制造熔模铸造用的
蜡模。
RP＆RT
用 RP 系统制造的原型作母模快速复制简易模具； 用快速原型制件作母模可复制出腊模、硅橡胶模、环 氧树脂模或聚氨脂模等软模具；据此软模具又可浇铸 出环氧树脂、石膏、陶瓷、低熔点金属、金属基复合 材料等硬模具。这些简易模具可用作各种铸造模、注 塑模、腊模的成型模以及拉伸模等，实现塑料件或金 属件的小批量生产。
三维数字化仪等
RPS 分层切片
快速成形的全过程
1.前处理
它包括工件的三维模型的构造、三维模型的近似
处理、模型成形方向的选择和三维模型的切片处理。 2.分层叠加成形 它是快速成形的核心，包括模型截面轮廓的制作 与截面轮廓的叠合。
3.后处理
它包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光 和表面强化处理等。
Rapid Prototyping Manufacturing
本节要点
快速原型制造的工作原理 快速原型制造的工艺过程
Байду номын сангаас
典型的RPM方法：SLA， SLS，LOM，FDM，3DPrinting
快速原型技术
★定义：快速原型技术是用离散分层的原理制作产品原型 的总称，其原理为：产品三维CAD模型→分层离散→按离 散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料→生成实体模型， 简称 RP 。
光敏液相固化法的基本原理
SLA工艺成形的产品特点
1.SLA工艺成形的零件精度较高， 可达±0.1mm；可形成任意复杂形 状的零件；材料利用率高，性能 可靠，产品透明美观，可直接做
照相机激光树脂原型 光鼠 树标 脂外 原壳 型激
力学实验。 2.局限性：需要支撑，设备昂贵， 树脂收缩导致精度下降，光固化
表 典型快速原型制造技术特点及常用材料对照表
成型方法 立体印刷 成型SLA 成型速 度 较快 成型精 度 较高 成型制件 大小 中等 原材料 热固性光敏树脂
层合实体 制造 LOM
选域激光 烧结SLS 熔融沉积 制模 FDM
快
低
简单
纸、金属箔带、塑 料膜 石蜡、塑料、金属、 陶瓷等粉末 石蜡、塑料、低熔 点金属
3.选择性激光烧结法（Selective Laser Sintering，SLS）
美国德克萨斯大学奥斯汀 分校于1989年研制成功，已被 美国DTM公司商品化，推出
SLS Model125成形机。
德国EOS公司和我国的北 京隆源自动成形系统有限公司
也分别推出了各自的SLS工艺
成形机。
选择性激光烧结的基本原理
选区片层粘结法的基本原理
LOM的特点
（1）使用胶纸作为成型材料，成本低，原材料易于获得，无交 变，无热应力，形状和尺寸精度稳定 ； （2）成型后的模型需密封保存以免吸潮； （3）由于无须进行化学反应，成型件尺寸可以制得很大； （4）Z向精度比SLA和SLS要低； （5）纸张上有交叉格，便于成型后去除模型周边的废料，但剥 离费时； （6）模型有类木纹的纹理； （7）适合于航空、汽车等行业中体积较大的制件，但由于适应 面较窄， 渐趋淘汰。
RPM属于离散/堆积成形。RPM技术是采用软件离散 材料堆积的原理实现零件的成形过程。通过离散获得堆积 的路径、顺序、限制和方式，通过堆积材料“叠加”起来 形成三维实体。 RPM作业过程： CAD模型建立。 STL文件生成。 分层切片。 快速堆积成型 。
CAD造型系统
CAD模型 STL文件
SLA 光敏液相固化法
FDM 熔丝沉积成形法
SLS 选区激光烧结法
LOM 选区片层粘接法
设备 购置 费用 维护 和日 常使 用费 用 发展 趋势 应用 领域
高昂
低廉
高昂
中等
激光器有损耗， 光敏树脂价格 昂贵，运行费 用很高。
无激光器损耗，材 料的利用率高，原 材料便宜，运行费 用极低。
激光器有损耗， 材料利用率高， 原材料便宜， 运行费用居中。
快速原型制造作用
1.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。 2.模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验 证、工程分析、市场订货以及企业的决策等，提高了产品在市 场上的竞争力和企业对市场的快速反应能力。 3.为技术人员之间，以及技术人员与企业决策者、产品的用户 等非技术人员之间提供了一个更加形象、完整、方便的工程交 流工具。 4.支持同步（并行）工程的实施 5.支持技术创新、改进产品外观设计 6.用 RP 技术制做模具 7.逆向工程（反求）
选择性激光烧结（SLS）的产品特点
1.材料适应面广。能制造塑料零件，陶瓷、 蜡、尼龙等材料的零件。能制造出直接 使用的金属零件。 2.不需加支撑。 3.精度不高。平均精度为±0.15～ ±0.2mm，表面粗糙度不好，不宜做薄 壁件。
4.熔丝沉积成形法 （Fused Deposition Modeling，FDM）
快速模具技术
快速模具技术(Rapid tooling，简称RT)：是随着
RP 技术的发展而迅速发展起来的一门新技术。主要
是运用RP生产的原型来做模具。
RT模具种类： 软模具：腊模、硅橡胶模、环氧树脂模、聚氨脂模等
硬模具：环氧树脂、石膏、陶瓷、低熔点金属、金属
基复合材料等。
RP＆RT
用 RP 技术直接制做模具：用 LOM 系统制做的制件 经表面处理，其强度比一般木材还要高，可直接用作
较慢
较低
复杂
较慢
较低
中等
SLA 光敏液相固化法
(1) 成形速度极快， 成形精度、表面 质量高； (2) 适合做小件及 精细件。
FDM 熔丝沉积成形法
SLS 选区激光烧结法
LOM 选区片层粘接法
(1) 成形精度较高； (2) 只须对轮廓线 进行切割，制作效 率高，适合做大件 及实体件； (3) 制成的样件有 类似木质制品的硬 度，可进行一定的 切削加工。
RP技术的基本原理图
三维CAD模型 分层切片 各层截面的轮廓 激光器（或喷嘴）按各层截 面轮廓切割、固化或烧结
微小厚度的片状实体
逐层堆积
三维模型或样件
RPM技术原理
----成形学与离散堆积原理
成形（Forming）：将物体有序地组织成具有确定外形 和一定功能的三维实体。包括三个基本要素：物质的 提取，序的建立，完成（形状、功能）三维实体。 成形学（Shaping）：从方法论高度系统地研究成形的 科学，着重研究成形三要素及其之间的相互作用。 成形方式：1.去除成形（Dislodge Forming）运用分离 的方法，把一部分材料有序地从基体上分离出去而成 形的方法。Turning, Milling, Grinding, Boring etc..
树脂价格昂贵，有一定的毒性且
产品不能溶解，不利于环保 。
2.选区片层粘结法（ Laminated Object Manufacturing， LOM）
美 国 Helisys 公 司
于1986年研制成功。该 方法的代表是美国 Helisys 公 司 的 LOM1050 和 LOM-2030 成形 机 ， 日 本 Kira 公 司 的 KSC-50成形机。
缺 点
(1) 成形后要做进 (1) 成形时间较长； 一步固化处理； (2) 做小件和精细件时 (2) 光敏树脂固化 精度不如SLA。 后较脆，易断裂， 可加工性不好； (3) 工作温度不能 超过100℃，成形 件易吸湿膨胀， 抗腐蚀能力不强。
(1) 成形件强度和表 (1) 不适宜做薄壁 面质量较差，精度低。原型； (2) 在后处理中难于 (2) 表面比较粗糙， 保证制件尺寸精度， 工件表面有明显的 后处理工艺复杂，样 台阶纹，成型后要 件变型大，无法装配。进行打磨； (3) 易吸湿膨胀， 成形后要尽快做表 面防潮处理； (4) 工件强度差， 缺少弹性。
1988年研制成功，由 美国Stratasys公司推出商 品化的3D Modeler1000和 FDM1600等规格的系列产 品。最新产品是制造大型 ABS原型的FDM8000等型 号的产品。
熔丝沉积成形的基本原理
5. 三维印刷（Three Dimensional Printing,3D-P）
2.堆积成形（Stacking Forming） 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。RPM。 3.受迫成型（Forced Forming） 利用材料的可成形性（如塑性）在特定外围约束（边界约束 或外力约束)下的成形方法。Extrude，Cast， Powder metallurgy。 4.生长成形（Growth Forming) 利用材料的活性进行成形的方法。自然系统中生物个体发育， 人为系统中还没有。
直接快速模具制造
硅胶模 树脂型复合模
模具快速制造 间接快速模具制造
金属喷涂模 陶瓷浇注型腔模 塑钢或铁型腔模 熔模铸造法制模 钢粉烧结型腔模
快速成形的效益
1.设计者受益 2.制造者受益
3.推销者受益
4.用户受益
快速原型技术分类
1.材料累加法 （Material Increase Manufacturing） 2.材料去除法:三维雕刻机 （Material Increase Manufacturing）
快速原型技术的特点
(1)可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如 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。 (2)属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具 和夹具，无刀具磨损和切削力影响。 (3)无振动、噪声和切削废料。 (4)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 。
RPM的特点
1）高度柔性 2）技术的高度集成
3）设计制造一体化
4）快速性 5）自由成形制造(Free Form Fabrication，FFF) 6）材料的广泛性
快速原型服务领域
工业造型、模具、家电、电子仪表、轻工、 塑料、玩具、航空航天、军工、机械、汽车、 摩托车、内燃机、建筑规划及模型、科研、医 疗等。
快速原型技术的意义
★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。
激光器有损耗， 材料利用率很 低，运行费用 较高。
稳步发展
飞速发展
稳步发展
渐趋淘汰
复杂、高精度、 塑料件外形和机构 艺术用途的精 设计 细件
铸造件设计
实心体大件
典型RPM成形方法
1.光敏液相固化法 － Stereo Lithography Apparatus ，SLA
SLA 工艺于 1984 年获美 国 专 利 ， 1988 年 美 国 3D System 公司推出的商品化样 机 SLA-1 ，是世界上第一台 快速原型技术成形机。 这种方法的代表还有日 本和德国。
成型工艺
加工能量
（1）Laser beam(激光束)RP （2）Lamp(光照)RP （3）Heat energy(热能)RP （4）Mechanical energy(机械能)RP
激光束RP可分为： 1.立体光刻(SLA: Stereolithography) 2.选择激光沉积(SLS: Selective Laser Sintering) 3.分层制造(LOM: Laminated Object Manufacturing) 4.形状沉积制造(SDM: Shape Deposition Manufacturing) 机械能RPM又可分为 1.冲击颗粒制造(BPM: Ballistic Particle Manufacturing) 2.三维打印(3D Printing) 3.熔化沉积造型(FDM: Fused Deposition Modeling)
RPM技术的研究和应用
全 球 设 备 装 机 量 医学 新产品快速开发制造 快速模具 快速铸造
优 点
(1) 成形材料种类较多， (1) 有直接金属型的 成形样件强度好，能直 概念，可直接得到塑 接制作ABS塑料； 料、蜡或金属件； (2) 尺寸精度较高，表 (2) 材料利用率高； 面质量较好，易于装配； 造型速度较快。 (3) 材料利用率高； (4) 操作环境干净、安 全可在办公室环境下进 行。
铸造木模；用 SLS 等方法则可直接制造熔模铸造用的
蜡模。
RP＆RT
用 RP 系统制造的原型作母模快速复制简易模具； 用快速原型制件作母模可复制出腊模、硅橡胶模、环 氧树脂模或聚氨脂模等软模具；据此软模具又可浇铸 出环氧树脂、石膏、陶瓷、低熔点金属、金属基复合 材料等硬模具。这些简易模具可用作各种铸造模、注 塑模、腊模的成型模以及拉伸模等，实现塑料件或金 属件的小批量生产。
三维数字化仪等
RPS 分层切片
快速成形的全过程
1.前处理
它包括工件的三维模型的构造、三维模型的近似
处理、模型成形方向的选择和三维模型的切片处理。 2.分层叠加成形 它是快速成形的核心，包括模型截面轮廓的制作 与截面轮廓的叠合。
3.后处理
它包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光 和表面强化处理等。