快速成型与快速模具制造技术及其应用(第3版)第一章 概论

快速成型过程
快速成型离散和叠加过程
第2节 快速成型技术的主要方法及分类
快速成型主要工艺方法
根据所使用的材料和建造技术的不同，目前应用比较广泛的方法有如下四种： 光固化成型法（Stereolithography Apparatus，SLA） 采用光敏树脂材料通过 激光照射逐层固化而成型 叠层实体制造法（Laminated Object Manufacturing，LOM） 采用纸材等薄层材料通过逐层粘结和激光切割而成型 选择性激光烧结法（Selective Laser Sintering，SLS） 采用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化而成型
优 点
几种典型RP技术的特点及用途
SLA光固化成型 FDM熔 融沉积 成型 （1） 成型时 间长 （2） 不适合 制作小 型件、 精细件 SLS选择性 LOM分层实体 激光烧结 制造 （1）成型 件强度和表 面质量差， 精度低 （2）后处 理工艺复杂 （3）后处 理中难以保 证制件的尺 寸精度 （1）不适合做 薄壁制件 （2）制作表面 比较粗糙，有明 显的台阶纹，成 型后要进行打磨 等后处理工艺 （3）易受潮膨 胀 （4）制件强度 较差，缺少弹性

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。
产 品 造 型 产 品 原 型
传统打印机—2D 快速成型技术—3D
快速成型
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。
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。
第一章
概论
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
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。
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快速成型技术的特点及优越性
快速成型技术的应用 快速成型技术的发展趋势
第2节 快速成型技术的主要方法及分类
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。
第一章
概论
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快速成型技术的早期发展 快速成型技术的主要方法及分类
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5
快速成型技术的特点及优越性
快速成型技术的应用 快速成型技术的发展趋势
第3节 快速成型技术的特点及优越性
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

1940年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ些纸板粘结 成三维地形图的方法。 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。

第1节 快速成型技术的早期发展

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。
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。

第1节 快速成型技术的早期发展
第1节 快速成型技术的早期发展
第1节 快速成型技术的早期发展
第1节 快速成型技术的早期发展
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：
缺 点
（1）成型后要 进一步固化处理 （2）光敏树脂 固化后较脆，易 断裂，可加工性 不好 （3）工作温度 不能超过100° ，成型件易受潮 后膨胀，抗腐蚀 能力差
SLA光固 化成型 设备购 价格昂贵 置费用
维护和 激光器有 日常使 损耗，光 用费用 敏树脂价 格昂贵 发展趋 稳步发展 势 应用领 复杂、高 域 精度的精 细件 适合行 快速成型 业 服务中心
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：
◎ 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
第3节 快速成型技术的特点及优越性
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 加工对象 工具 去除成型，切削加工 添加成型，逐层加 工
个体（金属树脂片、木 液体、图像、粉末 片等） 、纸等 切削工具 光束、热束
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。
第一章
概论
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快速成型技术的早期发展 快速成型技术的主要方法及分类

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
第1节 快速成型技术的早期发展
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）、 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
FDM熔融沉 SLS选择性 积成型 激光烧结 价格低廉 价格昂贵
无激光器损 耗，材料的 利用率高， 原材料便宜 飞速发展 塑料件外形 和机构设计 科研院校、 生产企业 激光器有损 耗，材料利 用率高，原 材料便宜 稳步发展 铸造件设计
LOM分层实 体制造 价格中等
激光器有损 耗，材料利 用率很低 稳步发展 实心体大件
第1节 快速成型技术的早期发展

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。
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。
快速成型与快速模具制造技术 及其应用
第一章
概论
主要简述RP技术的基本概念、基本原理、加 工制造过程以及当今的应用现状和发展趋势。
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”。
熔融沉积制造法（Fused Deposition Manufacturing，FDM）
采用熔融材料加热熔化挤压喷射冷却而成型
几种典型RP技术的特点及用途
SLA光固 化成型 （1）成型 速度快， 成型精度 、表面质 量高 （2）适合 做小件及 精细件 FDM熔融沉积 成型 （1）成型材料 种类多，成型件 强度高，可直接 制作ABS塑料 （2）尺寸精度 较高，表面质量 好，易于装配 （3）材料利用 率高 （4）操作环境 干净、安全，可 用于办公室环境 SLS选择性 激光烧结 （1）有直 接金属型的 概念，可直 接得到塑料 、蜡或金属 件 （2）材料 利用率高； 成型速度快 LOM分层实 体制造 （1）成型精 度高 （2）只需对 轮廓线进行 切割，制作 效率高，适 合做大型实 体件 （3）制成的 样件有木制 品的硬度， 可进行一定
快速成型技术的早期发展 快速成型技术的主要方法及分类
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快速成型技术的特点及优越性
快速成型技术的应用 快速成型技术的发展趋势
第1节 快速成型技术的早期发展
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。
快速成型技术的优越性 RP技术主要适合于新产品开发，快速单件及小批量零件或 产品的制造，具有复杂曲面形状的零件制造、外形设计与 检验、装配检验、订货等环节。
铸造行业
铸造行业
第2节 快速成型技术的主要方法及分类
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。 快速成型工艺方法的分类
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
降维制造或增材制造技术
第一章
概论
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