认识快速成型技术

《产品逆向工程技术》教案

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课题：项目四快速成型技术认识

任务一认识快速成型技术

教学准备：PPT

教学目的与要求：掌握快速成型技术的原理、工作流程和特点。

授课方式：讲授（90＇）

教学难点与重点：难点：

重点：快速成型技术的原理、工作流程和特点。

教学过程：上节课回顾→讲授课题→课堂小结

上节课回顾：

讲授课题：

项目四快速成型技术认识

通过前面的几节课我们学习了什么是逆向工程。通过逆向工程技术，企业可以迅速的设计出符合当前流行趋势，以及符合人们消费需求的产品，快速抢占市场。市场这块蛋糕就那么大，谁先抢到谁先吃，后来的就只能看别人吃。现在的企业发展战略已经从以前的“如何做的更多、更好、更便宜”转变成了“如何做的更快”。所以快速的响应市场需求，已经是制造业发展的必经之路。

但是一件产品是不是设计出来就完事了？从设计到产品，中间还有一个制造的过程，逆向工程解决了快速设计的问题，但是如果在制造加工阶段耗费太长的时间，最后依然是无法快速的响应市场。尤其是在加工复杂薄壁零件的时候，往往加工一件零件的周期要好几周，甚至几个月才能完成，比如飞机发动机上的涡轮，加工周期要90天。

怎么解决这个问题呢？这就要用到今天我们这节课要讲的内容：快速成型技术。快速成型技术就是在这种背景需求下发展起来的一种新型数字化制造技术，利用这项技术可以快速的将设计思想转化为具有结构和功能的原型或者是直接制造出零部件，以便可以对设计的产品进行快速评价、修改。按照以往的技术，在生产一件样品的时候，要么开模、要么通过复杂的机加工艺来生产，这样不管是从成本的角度还是时间的角度来讲，都会带来成本的提高。而快速成型技术可以极大地缩短新产品的开发周期，降低开发成本，最大程度避免产品研发失败的风险，提高了企业的竞争力。

任务一认识快速成型技术

快速成型技术（Rapid Prototype，简称RP)有许多不同的叫法，比如“3D 打印”( 3D printing)、“分层制造”( layered manufacturing，LM) 、“增材制造”

（additive manufacturing，AM) 等。同学们最熟悉的应该就是“3D 打印”，其实刚开始的时候，3D打印本是特指一种采用喷墨打印头的快速成型技术，演变至今，3D打印成了所有快速成型技术的通俗叫法，但是现在在学术界被统一称为“增材制造”。

增材制造是一种能够不使用任何工具（模具、各种机床），直接从三维模型快速地制作产品物理原型也就是样件的技术，可以使设计者在产品的设计过程中很少甚至不需要考虑制造工艺技术的问题。使用传统机加的方法来加工零件时，在设计阶段设计师就需要考虑到零件的工艺性，是不是能够加工出来。对于快速成型技术来讲，任意复杂的结构都可以利用它的三维设计数据快速而精确的制造出来，解决了许多过去难以制造的复杂结构零件的成型问题，实现了“自由设计，快速制造”。

一、物体成型的方式

之所以叫“增材制造”很好理解就是通过“堆积”材料的方式进行制造。与之相应的还有“减材制造”和“等材制造”。在现代成型学的观点中，物体的成型方式可分以下几类：

1）去除成型（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型的方法。传统的车、铣、刨、磨、钻、电火花加工、激光切割等都属于去除成型，是目前最主要的成型方式。这种传统的机械加工方法就属于“减材制造”。

2)受迫成型(Forced Forming)：

利用材料的可成型性在特定的外界约束（边界约束或外力约束）下成型。传统的锻压、铸造、粉末冶金，以及现代的冲压成型、注塑成型等都属于受迫成型。目前受迫成形还未完全实现计算机控制，除了一部分零件（比如塑料件或不要求精度的零件）外，多用于毛坯成形、特种材料成形等。由于在加工过程中不存在去除和添加材料的情况，因此，受迫成型属于等材制造。

3 ）添加成型( Adding Forming)：

是指利用各种机械的、物理的、化学的等手段通过有序地添加材料来达到零件设计要求的成形方法。增材制造技术就是添加成形的典型代表，它从思想上突破了传统的成形方式，不需要附加的模具或机床，就能够快速制造出任意复杂程度的零件，是一种非常有前景的新型制造技术。

4 ）生长成型（Growth Forming）：

利用材料的活性进行成型的方法。自然界中的生物（植物、动物）个体发育均属于生长成型。这是最高层次的成型方法。“克隆”技术就是在人为干预下的生长成形方式，也叫仿生成形。随着科学技术的发展，这种成形方式将会得到很大发展和应用。比如生物芯片的研制，纳米碳管的生长，自生长复合材料等。

二、快速成型技术的原理

快速成型技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术。与传统制造方法不同，快速成型是基于离散/堆积的思想，将一个物理实体复杂的三维加工，离散成一系列可加工的离散的面、线、点，然后通过成型设备用特殊的工艺方法（熔融、烧结、粘结等）逐点、逐线、逐面的将材料堆积而形成实体零件。是一种降维制造，将一个结构复杂的三维立体零件简化为简单的二维特征进行加工。

离散论是人们认识世界的基本方法：如数学中的是微分学；古代人们把圆周分割成有限多个直线的多边形，从而创立了圆周率的近似算法。利用离散—堆积论来认识形体。离散：体（三维）→面（二维）→线（一维）→点，由计算机完成。堆积：点→线→面→体，由专用设备完成。

根据快速成型技术的离散-堆积原理，快速成型的过程分成了前处理、分层叠加成型和后处理三个阶段。其中前处理阶段包括了零件CAD三维模型的构造及近似处理、成型方向的选择和离散切片处理。

2.1前处理

1）CAD三维模型的构建：所有的快速成型工艺都需要CAD三维模型直接驱动，所以第一步必须先构建零件的三维模型。有两种方法，一种就是根据零件的形位尺寸信息使用专业的CAD实体造型软件生成物体的三维实体模型或曲面模型；另一种方法就是使用逆向工程技术（如激光扫描技术）创建描述实体的三维模型。

2）模型近似处理：计算机不识别图形，必须将图形格式转换成数据格式，计算机才能处理信息控制机床进行加工。所以模型的近似处理就是用