快速原型制造技术1

快速原型制造技术的基本概念
快速原型（RP — Rapid Prototyping ）技术是一种
基于离散堆积原型思想的新型原型技术，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。
快速原型制造(RPM — Rapid Prototyping
Manufacturing）技术是使用RP技术，由CAD
模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实
体零件的技术的总称。
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快速原型制造技术的应用
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 设 备 装 机 量
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RP
快速原型制造在医学上的应用
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选择性液体固化工艺 —— SLA
立体光刻（SLA —— Stereo Lithography Apparatus)，又称 立体印刷，光原型 光固化立体造型 (Stereo Lithography), 激光光印刷 （Laser Photolithography),
±0.15~±0.2mm，表面粗糙度不好，不 2012-12-22 现代制造技术 宜做薄壁件；
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选择性激光烧结（SLS）的产品特点
• 采用SLS工艺快速制造的内燃机进气管可直接用功能验证
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熔融沉积原型的基本原理
将热熔性材料（ABS、 尼龙或蜡）通过喷头加热器 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；材料迅速凝 固冷却后，与周围的材料凝 结形成一个层面；然后将第 二个层面用同样的方法建造 出来，并与前一个层面熔结 在一起，如此层层堆积而获 得一个三维实体。（不需激
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 术原型机。目前，SLA各型原型机占据着 RP设备市场的较大份额。这种方法的代表 还有日本DMET公司的SOUP系列、D-MEC 公 司 的 SCS 系 列 和 Teijin Seiki 公 司 的 Mark1000,德 国 EOS公司 的 STEREOS系列。
1000和FDM1600等规格的系列 产品。最新产品是制造大型ABS 原型的FDM8000、Quantum等 型号的产品。
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熔融沉积原型(FDM)的产品特点
1. FDM工艺不用激光 器件，因此使用、维 护简单，成本较低。 2. 精度可达 ±0.12mm，适合 做薄壁件。 3. 污染小，材料可以回 收。
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快速原型制造的主要方法
选择性液体固化（SLA）
选择性层片粘接（LOM） 选择性激光烧结（SLS） 熔融沉积原型（FDM）
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选择性液体固化的基本原理
基于液态光敏树脂的光 聚合原理。将激光聚集到液 态光固化材料（如光固化树 脂）表面逐点扫描，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， 进行第二层扫描，再建造一 个层面，第二层就牢固地粘 贴到第一层上，由此层层迭 加成为一个三维实体。
对快速原型技术的理解
离散堆积制造是现代原型学理论中 实体自由原型制造(Solid 在对原型技术发展进行总结的基础上提 Freeform Fabrication)表明快速 在快速原型技术的发展过程中，各个研究机构和人员均按照 直接CAD制造原型技术无需专用的模腔或 (Direct CAD Manufacturing) 出的，表明了模型信息处理过程的离散 自己的理解赋予其不同的称谓，这些不同称谓即反映了快速原型 即时制造(Instant Manufacturing) 反映了快速原型是CAD模型直接驱动，实 性，强调了原型物理过程的材料堆积性， 夹具，零件的形状和结构也 技术不同方面的重要特征。 现了设计与制造一体化，计算机中的CAD 反映该类技术的快速响应性。由于无需 体现了快速原型技术的基本原型原理， 相应不受任何约束。RP工艺 具有较强的概括性和适应性。 是用逐层变化的截面来制造 针对特定零件制定工艺操作规程，也无 离散堆积制造 模型通过接口软件直接驱动快速原型设备， 接口软件完成CAD数据向设备数控指令的 三维形体，在制造每一层片 需准备专用夹具和工具，快速原型技术 实体自由原型制造 转化和原型过程的工艺规划，原型设备则 时都和前一层自动实现联接， 分层制造 (Layered Manufacturing) 制造一个零件的全过程远远短于传统工 材料添加制造(Material 材料添加制造 象打印机一样“打印”零件，完成三维输 不需要专用夹具或工具，使 将复杂的三维加工分解成一系列二维层 艺相应过程，使得快速原型技术尤其适 出。 片的加工，着重强调层作为制造单元的 Increase Manufacturing)将材料单元 制造成本完全与批量无关， 即时制造 快速原型由于采用了离散/堆积的加 合于新产品的开发，显示了其适合现代 既增加了原型工艺的柔性， 特点，每层可采取更低维单元进行累加 采用一定方式堆积、叠加原型， 分层制造 工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一 又节省了制造工装和专用工 或高维单元进行加工得到。 科技和社会发展的快速反应的特征和时 有别于车削等基于材料去除原 直接CAD制造 起，快速原型的工艺规划主要作用是对原 具的大量成本。 代要求。 理的传统加工工艺。 型过程进行优化以提高造型精度、速度和 2012-12-22 现代制造技术 质量，所以快速原型可容易地实现设计制 5-19
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光系统）
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熔融沉积原型工艺 — FDM
熔融沉积原型 (FDM)
(Fused Deposition Modeling)
又称 熔融挤压原型 (MEM) (Melted Extrusion Modeling)
熔融沉积原型工艺于1988年研 制成功，后由美国Stratasys公 司 推 出 商 品 化 的 3D Modeler
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分层实体制造（LOM）产品的特点
1. 由于LOM工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓， 而不用扫描整个截面，因此工艺简单，成型速度快， 易于制造大型零件； 2. 工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形， 零件的精度较高，激光切割为0.1mm，刀具切割为 0.15mm； 3. 工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了
用蜡原型的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。用ABS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。由于 以FDM工艺为代表的熔融材料堆积原型工艺具有一些显著优点，该类工 艺发展极为迅速。 2012-12-22 5-16 现代制造技术
快速原型技术的主要特征
它与NC机床的主要区别在于高度柔性。无论是数控机床还是加工中心，都是针对某 一类型零件而设计的。如车削加工中心，铣削加工中心等。对于不同的零件需要不同的 装夹，用不同的工具。虽然它们的柔性非常高，可以生产批量只有几十件、甚至几件的 零件，而不增加附加成本。但它们不能单独使用，需要先将材料制成毛坯。而RP技术具 有最高的柔性，对于任何尺寸不超过原型范围的零件，无需任何专用工具就可以快速方 便的制造出它的模型(原型)。从制造模型的角度，RP具有NC机床无法比拟的优点，即快 速方便、高度柔性。
支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑；
4. 材料广泛，成本低，用纸制原料还有利于环保； 5. 力学性能差，只适合做外形检查。
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选择性激光烧结的基本原理
SLS 工 艺 是 利 用 粉 末
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状材料原型的。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 地将粉末熔化或粘接，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。 5-10
面事先涂覆上一层热熔胶。通过 升降平台的移动和箔材的送给,
并利用热压辊辗压将后铺的箔材
与先前的层片粘接在一起，再切 割出新的层片。这样层层迭加后 得到下一个块状物，最后将不属 于原型的材料小块剥除，就获得 所需的三维实体。
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选择性层片粘接工艺 —— LOM
分层实体制造（LOM ）
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选择性激光烧结（SLS）的产品特点
1. 材料适ຫໍສະໝຸດ Baidu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 以制造出能直接使用的金属零件。这使 SLS工艺颇具吸引力。 2. SLS工艺不需加支撑，因为没有烧结的粉 末起到了支撑的作用。
3. 精度不高。平均精度为
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立体光刻(SLA)工艺原型的产品特点
SLA 方法是目前快速原型技术领 域中研究得最多的方法，也是技术 上最为成熟的方法。
特点： 1.
照相机激光树脂原型
SLA 工艺原型的零件精度较高，
能达到0.1mm；产品透明美观，
可直接做力学实验。 2. 但这种方法也有自身的局限性，
光鼠 树标 脂外 原壳 型激
比如需要支撑、树脂收缩导致
精度下降、光固化树脂价格昂 贵，有一定的毒性；且产品不 能溶解，不利于环保 。
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选择性层片粘接的基本原理
采用激光或刀具对片材进行切 割。首先切割出工艺边框和原型
的边缘轮廓线，而后将不属于原
型的材料切割成网格状。片材表
快速原型制造技术
（Rapid Prototype Manufacturing）
本章主要内容：
快速原型制造的基本过程 快速原型制造的主要方法 快速原型技术的主要特征 对快速原型技术的理解 快速原型制造技术的基本概念 快速原型制造技术的应用 与快速原型制造相关的技术
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快速原型技术的主要特征
高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；
CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；
原型过程无需专用夹具或工具；
无需人员干预或较少干预，是一种自动化的原型过 程；
原型全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场。
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快速原型制造的基本过程
由CAD软件设计出所 CAD建模 需零件的计算机三维 将三维模型沿一定方向 曲面或实体模型 分层 （通常为Z向）离散成一 系列有序的二维层片（习 层面信息处理 惯称为分层） 根据每层轮廓信息， 层面加工与粘接 进行工艺规划，选择 层层堆积 加工参数，自动生成 数控代码 后处理 原型机制造一系列层 片并自动将它们联接 清理零件表面，去 起来，得到三维物理 除辅助支撑结构 实体
(Laminated Object
Manufacturing)，又称 固体切片制造（SSM）
(Solid Slicing
Manufacturing)
LOM工艺由美国Helisys公司于1986年研制成功。 这 种 方 法 的 代 表 是 美 国 Helisys 公 司 的 LOM-1050 和 LOM2030原型机，日本Kira公司的KSC-50原型机。
根据CT扫描信息，应用熔融挤压
快速原型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 颜色的材料原型，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。 在康复工程上，采用熔融挤压快速 原型的方法制造人体假肢具有最快的 原型速度，假肢和肌体的结合部位能 够做到最大程度的吻合，减轻了假肢 2012-12-22 现代制造技术 使用者的痛苦。
选择性激光烧结工艺 —— SLS
选择性激光烧结（SLS)
(Selective Laser Sintering）， 又称
激光熔结（LF)
(Laser Fusion）。 选择性激光烧结工艺由美国 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原型 机。德国EOS公司和我国的北京 隆源自动原型系统有限公司也分 别推出了各自的SLS工艺原型机。