快速原型技术论文

快速原型技术

--新兴的制造技术

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摘要：简要介绍快速原型（也称快速成型制造技术，Rapid Prototyping & Manufacturing，RP&M）的起源和发展，以及快速原型技术的原理、原料、设备和相关软件。

关键词：快速原型、RP

引言：自从1988年美国3D Systems公司推出第一台商品化SLA250设备以来的二十多年来，快速原型及基于快速原型的快速模具制造技术在世界范围内得到了高度重视和迅速发展。快速原型借助计算机、激光精密传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）集成于一身，依照计算机上的三维模型，能在很短的时间内直接制造出产品模型或样品。其改善了设计过程，缩短了产品开发的周期，加快了产品的更新速度，从而降低了生产新产品的风险。

一、快速原型原理及其制造工艺快速成型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，即将计算机上的三维零件模型，表面三角化处理后生成STL文件，并对其进行分层处理，得到各二维截面的轮廓信息，依照这些信息生成相应的加工方法，在相应的控制下，通过某种方式形成各截面的薄片，并逐步叠加成三维实体，最后进行相应的后续处理，形成原型。快速成型技术可以分为两类：材料累积和材料去除，目前应用最广的、人们一般用快速原型来称谓的是材料累积的成型方式，而材料累积的快速原型，一般从原材料和构建技术两个方面进行分类。比如，使用液态材料的快速原型方法有：液态树脂固化、电铸成型（ES）、熔融材料固化，使用粉末粒子的有：由激光烧结熔化材料（SLS、GPD）、由粘结剂粘接粉粒（3DP、SF、TSF），使用薄层材料的有：热熔胶粘接薄材（LOM）、光照粘接薄材（SFP）。下面简单介绍光固化成型工艺（Stereolithography,SL或称Stereolithography Apparatus,SLA）、叠

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层实体制造技术（Laminated Object Manufacturing，LOM）、选择性激光烧结（Selective Laser Sintering,SLS）和熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling，FDM）。

1、SLA，正如其名称那样，通过激光对液态材料进行逐点扫描，使材料凝为固相，经过层层扫描，材料依次凝固出该零件的原型，最后进行相应后处理即得零件模型。

2、LOM通过底面有热熔胶和添加剂的纸一层层地粘结并去除模型轮廓之外的部分，以得到模型原型。

3、选择性激光烧结是依次在每一个模型轮廓截面平铺一层特殊的粉末并加热至略低于其烧结点的某一温度，再通过激光的扫描，使模型轮廓内的粉末依次逐层凝固，最终形成模型原型。

4、熔融沉积快速成型：是将丝状的热熔性材料刚好熔化并通过一个细小的喷嘴喷出，并通过喷嘴的运动路径形成不同的模型。

二、快速原型的材料及设备RP&M中使用的材料如下表所示：

光固化快速成型（SLA）中使用的是光固化树脂。LOM中使用的成型材料有三：薄层材料、粘结剂和涂布工艺，薄层材料可分为纸、塑料薄膜、金属箔等，而粘结剂一般选用热熔胶。熔融沉积快速成型主要使用ABS及医学专用ABSi、MABS塑料丝等。而SLS中工艺材料适应性广，有塑料、陶瓷、石蜡和金属等粉末。SLA的制造设备有美国的３D Systems公司的SLA系列、上海联泰科技有限公司开发的RS系列等海内外众多系列。研究LOM的设备和工艺的单位有美国的Helisys公司，新加坡的Kinergy公司，以及国内的华中科技大学和清华大学等。研究SLS的设备和工艺的单位有美国的DTM公司，国内的北京隆源公司等。而研究FDM的主要有美国的Stratasys公司以及国内的清华大学等。其中

SLA的设备最多，也最易被研究和利用。

三、快速原型技术中的相关软件及数据处理应用较多的且有三维造型功能的CAD／CAM软件主要有UG、Pro／E、Catia、Cimatron、Delcam、Solidedge、MDT等。三维模型通过这些软件生成，而且通常转存成STL格式，以适应大多数快速成型机。STL文件表达简单清晰，文件中只包含相互衔接的三角形片面节点坐标及其外法向量，STL文件以些种形式逼近还原CAD实体模型。三维软件生成STL文件后，经STL数据编辑与处理软件读取并控制相应快速原型机生产零件模型。

四、快速原型的发展利用快速原型，可能实现基于快速原型的快速模具制造技术（Rapid Tooling，RT）。RT相比于传统的数控加工模具方法，周期和费用都降低了1/10~1/3左右。基于RP&M的快速模具制造可以通过直接法和间接法得到金属模具、软质模具和硬质模具。利用快速原型，可以直接快速制造金属钢质硬模，即，基于快速原型的金属钢质硬模快速制造技术。相信在不久后，能用此方法做出模具强度不低于500MPa，精度不低于0.01mm，表面粗糙度小于R a20μm，那么此技术便可工业界所接受，并能大范围推广。

五、快速原型的展望相比于传统的制造技术，RP&M更能适应差异性特别大的零件制造，虽然目前其还没有得能较广泛应用，相信不久的将来，一定能像数控技术一样，能在制造业拥有自己的一片天地。

参考文献：

[1] 王广春赵国群快速成型与快速模具制造技术及其应用第2版机械工业出版社2010

[2] 韩霞快速成型技术与应用机械工业出版社

[3] 王秀峰罗宏杰快速原型制造技术北京: 中国轻工业出版社2001