快速成型技术-第一章 概论

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1964年,E. E. Zang进一步细化了该方法,建议用透明纸板,且每一块 均带有详细的地貌形态标记,制作地貌图。
1.1 快速成型技术的发展历程
1972年,K. Matsubara提出在上述方法中使用光固化材料,将光敏聚合 树脂涂覆到耐火颗粒上形成板层,光线有选择地投射或扫射到这个板 层,将规定的部分硬化,没有扫描或没有硬化的部分被某种溶剂溶化, 用这种方法形成的薄板层随后不断地堆积在一起形成模型。
快速成型工艺方法的分类
两种主要成型方式的比较
指标性能
传统机床加工
RP加工
制造零件的复 受刀具或模具的限制, 可制造任意复杂( 杂程度 无法制造太复杂的曲面 曲面)形状的零件 或异形深孔等
材料利用率 产生切削,利用率低 利用率高,材料基 本无浪费
加工方法 去除成型,切削加工 添加成型,逐层加 工
加工对象 个体(金属树脂片、木 液体、图像、粉末
第一章 概 论
❖ 快速成型的制作过程
由传统的“去除” 加工法— 部分去除大于 工件的毛坯上的材料来 得到工件而改变为全新 的“增长”加工法—用 一层层的小毛坯逐步叠 加成大工件,将复杂的 三维加工分解成简单的 二维加工的组合。
CAD模型
切片离散
单层制作
逐层累积
第一章 概 论
1 快速成型技术的发展 2 快速成型技术的市场及其研究领域 3 快速成型技术的用途
1.1 快速成型技术的发展历程
快速成型技术的基本原理是基于离散的增长方式成型原型或制品。历 史上这种“增长” 制造方式由来已久,其发展根源可以追朔到早期的地形 学工艺领域。
1892年,J. E. Blanther在其美国专利中曾建议用叠层的方法来制作地图 模型。该方法指出将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上并沿轮廓 线切割蜡片,然后堆叠系列蜡片产生三维地貌图。
1902年,Carlo Baese在他的美国专利(# 774549)中,提出了用光敏聚合 物制造塑料件的原理,这是现代第一种快速成形技术—“立体平板印 刷术”(StereoLithography)的初始设想。
1940年,Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线,然后将这些纸板粘结 成三维地形图的方法。
粉末激光烧结快速成型设备(SLS)等 北京隆源自动成型系统有限公司:粉末激光烧结快速成型设备(SLS) 上海联泰科技有限公司:光固化快速成型设备(SLA) 清华大学:叠层实体快速成型设备、熔融沉积快速成型设备
此外,香港大学、香港中文大学、香港科技大学、香港理工大学、南京航空 航天大学、浙江大学、中北大学等也开展了有关设备、材料和工艺的研究;香港 快速原型科技中心、深圳生产力促进中心、天津生产力促进中心等为普及和推广 快速成型技术进行了卓有成效的工作。
3D Systems公司(光固化快速成型设备) Stratasys公司(熔融沉积快速成型设备) Helisys公司(叠层实体快速成型设备) DTM公司(粉末激光烧结快速成型设备) 欧洲和日本等国家也不甘落后,纷纷进行RP&M技术、设备研制等方面的研 究工作,如德国的EOS公司、以色列的Cubital公司以及日本的CMET公司等。
1.3 快速成型技术的基本流程与原理
产品成型全过程
快速成型的工艺过程一般 包括以下几个步骤:
(1)产品三维建模
(2)三维模型的近似处理
(3)三维模型的分层切片和 生产加工路径
(4)成型加工
(5)成形零件的后处理
1.3 快速成型技术的基本流程与原理
❖ 快速成型工艺方法分类
快速原型技术从广义 上讲可以分成两类: 材料累积和材料去除。 但目前人们谈及的快 速成型制造方法通常 指的是累积式的成型 方法,而累积式的快 速原型制造方法通常 是依据原型使用的材 料及其构建技术进行 分类的,如右图所示。
1981年,H. Kodama首先提出了一套功能感光聚合物快速成型系统, 应用了三种不同的方法制作叠层。
1.1 快速成型技术的发展历程
1.1 快速成型技术的发展历程
1.1 快速成型技术的发展历程
1.2 快速成型技术国内外发展状况
❖ 快速成型系统的开发商(国外)
美国在RP&M系统(设备)研制、生产、销售方面占全球主导地位,生产RP&M 设备系统的公司主要有:
第一章 概 论
1 快速成型技术的发展 2 快速成型技术的市场及其研究领域 3 快速成型技术的用途
3.快速成型技术的用途
❖ 3.1快速成型技术的作用
◎ 设计者受益
采用快速成型技术之后,设计者在设计的最初阶段,就能拿到实在的产品样品,对 产品设计进行校验和优化,并可在不同阶段快速地修改、重做样品,甚至做出试制 用工模具及少量的产品。设计者无需多次反复思考、修改,即可尽快得到优化结果, 从而能显著地缩短设计周期和降低成本。 ◎ 制造者受益 制造者在产品设计的最初阶段也能拿到实在的产品样品,甚至试制用的工模具及少 量产品,这使得他们能及早地对产品设计提出意见,做好原材料、标准件、外协加 工件、加工工艺和批量生产用工模具等的准备工作,最大限度地减少失误和返工, 大大节省工时、降低成本和提高产品质量。
2. 专业/工业级设备潜力巨大
近年来,随着技术的进步与市场竞争的加剧,概念型快速成型设备的代表——桌面 级快速成型机仍然受到资本的持续青睐,成为拉动全球快速成型设备销量的主要因 素,相比之下,工业级快速成型设备则略显惨淡,根据大数据公司CONTEXT的数据, 2016年上半年全球桌面快速成型设备销量同比增加15%,工业级快速成型设备却减 少了15%。但是,尽管桌面级快速成型机在销量增速上占据显著优势,在销售额方 面却大为逊色。
房 屋 建 筑
精 密 仪 器 生

其他应用
新 材 料 研 发








1. 产业体系日趋成熟
全球快速成型产业格局已基本形成,据权威机构Wohlers Associates的 报告统计:2015年全球快速成型设备市场保有量格局中,欧、美国家占有 率67.9%。其中北美国家占有率39.7%,欧洲国家占有率28.2%,均呈现下降 趋势;亚洲国家占有率为27.5%,呈现小幅上升趋势。美国设备保有量占有 率仍居榜首,为37.8%,相比2014年下降0.3个百分点;德国设备保有量占 有率达居其次,为9.6%。
学习目的:
➢ 掌握快速成型概念和基本原理 ➢ 掌握主要快成型方法和工艺过程 ➢ 熟悉SLA、SLM、FDM、LOM等快速技术 ➢ 了解快速成型材料及设备 ➢ 自己设计产品,通过3D打印机实现
总成绩=平时成绩+考试
第一章 概 论
第一章 概 论
❖ 快速成型技术产生的背景—全球制造战略的变迁
全球制造业企业的整体发展战略已经从上世纪60年代“如何做的更 多”、70年代“如何做的更便宜”、80年代“如何做的更好”发展到90 年代的“如何做的更快”。
1.1 快速成型技术的发展历程
1977年,W. K. Swainson在他的美国专利中提出,通过选择性的三维光 敏聚合物体激光照射直接制造塑料模型工艺,同时Battelle实验室的R. E. Schwerzel也进行了类似的工作。
1979年,日本东京大学T. Nakagawa教授等开始用薄板技术制造出实用 的工具,如落料模、成形模和注射模等。其中特别值得一提的是,T. Nakagawa教授提出了注射模中复杂冷却通道的制作可以通过这种方式 来得以实现。
第一章 概 论
❖ 快速成型技术概念
快速成型(也称快速原型)制造技术(Rapid Prototyping & Manufacturing,RP&M 或 RP),是由CAD数字模型驱动的通过特定材料 采用逐层累积方式制作三维物理模型的先进制造技术。








传统打印机—2D
快速成型技术—3D
快速成型
◎ 自由成型制造 ◎ 制造过程快速 ◎ 添加式和数字化驱动成型方式 ◎ 技术高度集成 ◎ 突出的经济效益 ◎ 广泛的应用领域
工业制造
新 产 源自文库 设 计 与
模 具 快 速 制 造
工 业 零 部 件 直





文化创意







仿









生物医疗


















片等)
、纸等
工具
切削工具
光束、热束
快速成型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工思路——去除大于制件的毛坯 上的材料来得到制件,代之以全新的“增长”加工思路——用一层层的小毛坯逐 步叠加成大制件,将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。
第一章 概 论
1 快速成型技术的发展 2 快速成型技术的市场及其研究领域 3 快速成型技术的用途
第一章 概 论
❖ 快速原型的用途
快速成型技术制作的原型(模型)可用于新产品的外观评估、装配检 验及功能检验等,作为样件可直接替代机加工或者其他成形工艺制造的单 件或小批量的产品,也可用于硅橡胶模具的母模或熔模铸造的消失型等, 从而批量地翻制塑料及金属零件。
❖ 快速原型的优势
与传统的实现上述用途的方法相比,其显著优势是:制造周期大大 缩短(由几周、几个月缩短为若干个小时),成本大大降低。尤其是衍 生出来的后续的基于快速原型的快速模具制造技术进一步发挥了快速成 型制造技术的优越性,可在短期内迅速推出满足用户需求的一定批量的 产品,大幅度降低了新产品开发研制的成本和投资风险,缩短了新产品 研制和投放市场的周期,在小批量、多品种、改型快的现代制造模式下 具有强劲的发展势头。
2 快速成型技术的市场及其研究领域
❖ 快速成型技术特点
快速原型技术的出现,开辟了不用刀具、模具而制作原型和各类零部件的新途径, 也改变了传统的机械加工去除式的加工方式,而采用逐层累积式的加工方式,带来 了制造方式的变革。从理论上讲,添加成形方式可以制造任意复杂形状的零部件, 材料利用率可达100%。和其他先进制造技术相比,快速原型技术具有如下特点:
1.2 快速成型技术国内外发展状况
❖ 快速成型技术研究及系统开发(国内)
我国从上世纪90年代初由清华大学、华中科技大学、西安交通大学等高校及 其他科研院所在国家及地方政府资金支持下启动快速成型技术的研究工作。几所高 校及部分研究机构在早期的快速成型设备及相应的材料开发中各有侧重,于90年 代中后期陆续推出各自具有代表性的快速成型设备。应用较多的为: 陕西恒通智能机器有限公司(西安交通大学):光固化快速成型设备(SLA) 武汉滨湖机电有限公司(华中科技大学):叠层实体快速成型设备(LOM)、
1.3 快速成型技术的基本流程与原理
❖ 快速成型基本流程
快速成型离散和叠加过程
快速成型技术的制造方式是基 于离散堆积原理的累加式成型, 从成型原理上提出了一种全新 的思维模式,即将计算机上设 计的零件三维模型,通过特定 的数据格式存储转换并由专用 软件对其进行分层处理,得到 各层截面的二维轮廓信息,按 照这些轮廓信息自动生成加工 路径,在控制系统的控制下, 选择性地固化光敏树脂或烧结 粉状材料或切割一层层的成型 材料,形成各个截面轮廓薄片, 并逐步顺序叠加成三维实体, 然后进行实体的后处理,形成 原型或零件,如图所示。
1976年,P. L. DiMatteo进一步明确 地提出,这种堆积技术能够用来制 造用普通机加工设备难以加工的曲 面,如螺旋桨、三维凸轮和型腔模 具等。在具体实践中,通过铣床加 工成形沿高度标识的金属层片,然 后通过粘接成叠层状,采用螺栓和 带锥度的销钉进行连接加固,制作 了型腔模,如图所示。
由DiMatteo制作的型腔模叠层模型
研发更快更好的快速成型技术一直是业界的努力方向,近年来,在主流的SLA、 LOM、SLS、FDM与3DP工艺日渐完善的同时,新技术也在加速涌现。
2015年4月初,美国Carbon 3D公司 展示了一种革命性的快速成型技 术——连续液界面制造(CLIP)技 术。
2016年5月17日,惠普也推出了基于其开发 的多射流熔融(Multi-Jet Fusion,简称 MJF)技术的快速成型机HP Jet Fusion 3D 3200和HP Jet Fusion 3D 4200。
1.3 快速成型技术的基本流程与原理
❖ 快速成型系统的组成
快速成型系统是下面若干 先进技术集成的。
(1)计算机辅助设计(CAD) (2)计算机辅助制造(CAM) (3)计算机数字控制(CNC) (4)激光 (5)精密伺服驱动 (6)新材料
1.3 快速成型技术的基本流程与原理
快速成型技术的基本原理:
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