1、快速原型制造技術(shù)及應(yīng)用 20世紀世紀80年代以來，計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、材料科學(xué)、年代以來，計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、材料科學(xué)、CAD/CAM、CIMS、激光技術(shù)以及結(jié)構(gòu)科學(xué)的飛速發(fā)展激光技術(shù)以及結(jié)構(gòu)科學(xué)的飛速發(fā)展與交叉滲透，為快速原型技術(shù)（與交叉滲透，為快速原型技術(shù)（RPT）的發(fā)生和發(fā)展奠定的發(fā)生和發(fā)展奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。l美國的美國的3D Systems公司于公司于1988年生產(chǎn)出了世界上第一臺現(xiàn)年生產(chǎn)出了世界上第一臺現(xiàn)代快速成型機代快速成型機SLA-250(液態(tài)光敏樹脂選擇性固化成型液態(tài)光敏樹脂選擇性固化成型機），開創(chuàng)了快速成型技術(shù)發(fā)展的新紀元。機），開創(chuàng)了快速成型技術(shù)發(fā)

2、展的新紀元。l近十年涌現(xiàn)了幾十種快速成型工藝：近十年涌現(xiàn)了幾十種快速成型工藝：LOM、FDM、SLS、3DP等。等。 去除成形去除成形用分離的方法，把多余材料有序地從基體用分離的方法，把多余材料有序地從基體 上上分離出去而成形的方法。如機械加工、鉗工、電火花加工、分離出去而成形的方法。如機械加工、鉗工、電火花加工、激光加工等激光加工等受迫成形受迫成形利用材料的可成形性，使之在一定約束的條利用材料的可成形性，使之在一定約束的條件下（如溫度、邊界、外力等）成形。如鑄造、鍛造、粉件下（如溫度、邊界、外力等）成形。如鑄造、鍛造、粉末冶金等末冶金等堆積成形堆積成形運用合并與連接的方法，把材料（氣、液、運

3、用合并與連接的方法，把材料（氣、液、固態(tài)）有序地堆積起來的成形方法。如焊接、固態(tài)）有序地堆積起來的成形方法。如焊接、RP生長成形生長成形利用材料的活性進行成形的方法，如利用材料的活性進行成形的方法，如“克隆克隆”生物生物l離散堆積原理離散堆積原理CAD建模建模STL轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換生成片層生成片層NC代碼代碼實體加工實體加工零件原型零件原型后處理后處理切片處理切片處理前處理前處理快速成型系統(tǒng)工作快速成型系統(tǒng)工作后處理后處理用Pro/E設(shè)計的零件模型STL面片化的零件模型CAD 3-D Design andSTL InterfacePost CuringFabricationSlicing & Part

4、PreparationOrient & Support材料輸入材料輸入輸出零件輸出零件離散堆積設(shè)備離散堆積設(shè)備M-RPMSM-RPMS設(shè)備設(shè)備以以MEMMEM模式工模式工作，生作，生產(chǎn)產(chǎn)用于新用于新產(chǎn)產(chǎn)品的原型品的原型M-RPMS設(shè)備以SSM模式工作，生產(chǎn)用于快速工模具制造的原型l CAD造型材料及制備快速原型制造工藝與裝備其他信息來源 物理原型其他制造技術(shù)快速模具反求工程數(shù)控代碼信息處理數(shù)據(jù)接口l信息：信息：l數(shù)字化信息：數(shù)字化信息：CAD三維數(shù)據(jù)模型；表面離子化模型；三維數(shù)據(jù)模型；表面離子化模型；分層后的層片文件；掃描矢量文件；數(shù)控代碼文件分層后的層片文件；掃描矢量文件；數(shù)控代碼文件l物理

5、形態(tài)信息：生成的原型；加工而成的零件；自然物理形態(tài)信息：生成的原型；加工而成的零件；自然形成的各種實物等形成的各種實物等l信息處理：信息處理： 數(shù)字形態(tài)信息數(shù)字形態(tài)信息物理形態(tài)信息物理形態(tài)信息l數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理l將加工對象的三維實體模型離散化，得到層片文件；根據(jù)將加工對象的三維實體模型離散化，得到層片文件；根據(jù)不同工藝進行填充得到掃描矢量文件；與不同工藝進行填充得到掃描矢量文件；與CNC結(jié)合，進而結(jié)合，進而生成數(shù)控代碼文件；生成數(shù)控代碼文件；l信息物化信息物化l快速成型設(shè)備在數(shù)控代碼的控制下，逐層加工堆積得到物快速成型設(shè)備在數(shù)控代碼的控制下，逐層加工堆積得到物理原型；理原型；l物性轉(zhuǎn)換物性轉(zhuǎn)換

6、l不同物理實體間的轉(zhuǎn)換不同物理實體間的轉(zhuǎn)換l實物信化實物信化l將物理實體的幾何信息數(shù)字化；將物理實體的幾何信息數(shù)字化；l三維三維CAD造型造型l利用各種三維利用各種三維CAD軟件進行幾何造型，得到零件的三維軟件進行幾何造型，得到零件的三維CAD 數(shù)字模數(shù)字模型，獲得初始信息的最常用方法；型，獲得初始信息的最常用方法； l反求工程反求工程l將物理形態(tài)零件幾何信息數(shù)字化，得到三維將物理形態(tài)零件幾何信息數(shù)字化，得到三維CAD模型或?qū)悠Ｐ停荒Ｐ突驅(qū)悠Ｐ?；l數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換l三維三維CAD造型或反求工程得到數(shù)據(jù)進行大量處理，才能用于控制造型或反求工程得到數(shù)據(jù)進行大量處理，才能用于控制RP成型設(shè)備制造

7、零件；成型設(shè)備制造零件；l原型制造原型制造l利用快速成型設(shè)備將原材料堆積成為三維物理實體；利用快速成型設(shè)備將原材料堆積成為三維物理實體；l物性轉(zhuǎn)換物性轉(zhuǎn)換l快速原型制造零件力學(xué)、物理性質(zhì)不能直接滿足工業(yè)需要，需要進一快速原型制造零件力學(xué)、物理性質(zhì)不能直接滿足工業(yè)需要，需要進一步處理，對其物理性質(zhì)進行轉(zhuǎn)換；步處理，對其物理性質(zhì)進行轉(zhuǎn)換；l虛擬集成虛擬集成技術(shù)體系的基本環(huán)節(jié)技術(shù)體系的基本環(huán)節(jié)A地造型C地反求工程B地數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換F地物性轉(zhuǎn)換InternetD地銷售E地原型制造l立體印刷立體印刷（Stereo Lithography Apparatus-SLA）l分層實體制造分層實體制造（Laminate

8、d Object Manufacturing-LOM）l選擇性激光燒結(jié)選擇性激光燒結(jié)（Selected Laser Sintering-SLS）l熔融沉積成形熔融沉積成形（Fused Deposition Modeling-FDM）l三維打印三維打?。═hree-Dimensional Printing-3D-P）l固基光敏液相法固基光敏液相法（Solid Ground Curing-SGC）lStereo Lithography Apparatusl1984年由年由Charles Hul發(fā)明并獲美國專利，發(fā)明并獲美國專利，1988年美國年美國3D Systems公司推出商品化樣機公司推出商品

9、化樣機SLA-1，是世界上第一臺快是世界上第一臺快速原型成形機速原型成形機lSLA是最早出現(xiàn)且技術(shù)上最為成熟的是最早出現(xiàn)且技術(shù)上最為成熟的RPT，也稱液態(tài)光敏也稱液態(tài)光敏樹脂選擇性固化樹脂選擇性固化lSLA是是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長（材料在一定波長（=325nm）和功率（和功率（P=30mW）的紫外的紫外光照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料光照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)也從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)成型材料成型材料自由基光固化樹脂自由基光固化樹脂陽離子光固化樹脂陽離子光固化樹

10、脂混雜型光固化樹脂混雜型光固化樹脂lSLA的特點的特點成型方法簡單，能直接生產(chǎn)塑料件；成型方法簡單，能直接生產(chǎn)塑料件；表面粗糙度較低，尺寸精度較高表面粗糙度較低，尺寸精度較高成型中有相的變化，翹曲變形較大。需要支撐結(jié)構(gòu)成型中有相的變化，翹曲變形較大。需要支撐結(jié)構(gòu)成型速度較低，原材料有污染、氣味很大成型速度較低，原材料有污染、氣味很大成本高（樹脂和激光器價格昂貴、壽命短）成本高（樹脂和激光器價格昂貴、壽命短）lLaminated Object Manufacturingl由由Michael Feygin 于于1986年研制成功，美國年研制成功，美國Helisys 公司公司推出商品化機器推出商品化

11、機器lLOM是采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等，在材料表面是采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等，在材料表面事先涂覆上一層熱熔膠，加工時用事先涂覆上一層熱熔膠，加工時用CO2激光器或刀具在計激光器或刀具在計算機控制下進行切割，然后通過熱壓輥熱壓，使當前層與算機控制下進行切割，然后通過熱壓輥熱壓，使當前層與下面已成型的工件粘接，從而堆積成型下面已成型的工件粘接，從而堆積成型LOM工藝演示LOM工藝演示LOM工藝演示l成型材料成型材料薄材：如紙、塑料薄膜薄材：如紙、塑料薄膜熱熔膠熱熔膠涂布工藝涂布工藝lLOM工藝的特點工藝的特點LOM工藝只需在片材上切割出零件截面的輪廓，而工藝只需在片材上切割出零件截面的

12、輪廓，而不用掃描整個截面，因此適合大、中型零件的加工不用掃描整個截面，因此適合大、中型零件的加工零件尺寸精度較高零件尺寸精度較高，工件外框與截面輪廓之間的多余工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用，所以翹曲變形小，成材料在加工中起到了支撐作用，所以翹曲變形小，成型時無需加支撐。但是，材料浪費大，且清除廢料困型時無需加支撐。但是，材料浪費大，且清除廢料困難難lSelective Laser Sintering l由美國德州由美國德州Austin 分校分校C.R.Dechard 于于1989年研制成功，年研制成功，后被美國后被美國DTM公司商品化，推出商品化機器公司商品化，推出商品

13、化機器lSLS工藝是利用粉末材料（金屬或非金屬粉末）在激光照工藝是利用粉末材料（金屬或非金屬粉末）在激光照射下燒結(jié)的原理，在計算機控制下層層堆積成形射下燒結(jié)的原理，在計算機控制下層層堆積成形激光器掃描鏡激光束平整滾粉末SLS工藝演示SLS工藝演示SLS工藝演示CO2 激光器激光束/鏡組/掃描鏡推平滾子粉末缸成型腔粉末面成型腔尺寸：381*330*457 mml成型材料成型材料蠟粉、聚苯乙烯（蠟粉、聚苯乙烯（PS)、工程塑料（、工程塑料（ABS）、聚碳酸酯）、聚碳酸酯（PC)、尼龍（、尼龍（PA)、金屬粉末金屬粉末、覆膜砂、覆膜陶瓷粉，、覆膜砂、覆膜陶瓷粉，近年來更多的采用復(fù)合粉末，粉粒直徑為近

14、年來更多的采用復(fù)合粉末，粉粒直徑為50125ml工藝特點工藝特點材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料制件，還能制造蠟?zāi)！⒉牧线m應(yīng)面廣，不僅能制造塑料制件，還能制造蠟?zāi)?、陶瓷和金屬零件陶瓷和金屬零件成型精度一般、能直接制造制件和裝配件（軸承整體）成型精度一般、能直接制造制件和裝配件（軸承整體）制件翹曲變形相對較小，但對于容易發(fā)生變形的地方應(yīng)制件翹曲變形相對較小，但對于容易發(fā)生變形的地方應(yīng)設(shè)計有支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計有支撐結(jié)構(gòu)實心零件成型時間較長，適合中小零件的生產(chǎn)。實心零件成型時間較長，適合中小零件的生產(chǎn)。lFused Deposition Modelingl由美國學(xué)者由美國學(xué)者Dr.Scott Crump 于于

15、1988年研制成功。并由美國年研制成功。并由美國Stratasys 公司推出商品化的設(shè)備，公司推出商品化的設(shè)備，F(xiàn)DM1600、 FDM1650、 FDM8000、QuantumlFDM工藝采用熱塑性材料，如工藝采用熱塑性材料，如ABS、蠟、尼龍等，一般、蠟、尼龍等，一般以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化后，從小孔擠出堆以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化后，從小孔擠出堆積成形積成形FDM工藝演示FDM工藝演示lFDM不用激光，使用、維護簡單，成本低。用蠟成形的零不用激光，使用、維護簡單，成本低。用蠟成形的零件原型可直接用于件原型可直接用于石蠟鑄造；用石蠟鑄造；用ABS工程塑料制造的原型則工程塑

16、料制造的原型則具有較高強度，在產(chǎn)品設(shè)計、測試與評估等方面得到廣泛應(yīng)具有較高強度，在產(chǎn)品設(shè)計、測試與評估等方面得到廣泛應(yīng)用。用。l由于由于FDM工藝一般在工藝一般在80120C進行，材料的收縮率必然會進行，材料的收縮率必然會引起尺寸誤差，同時會產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致制件的翹曲變形，引起尺寸誤差，同時會產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致制件的翹曲變形，因此需要設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)。因此需要設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)。lFDM工藝適合成型小塑料件，工藝適合成型小塑料件，最高精度最高精度0.127mm。 由于是由于是填充式掃描，因此成型時間較長，為克服這一缺點，可采用填充式掃描，因此成型時間較長，為克服這一缺點，可采用多個熱噴頭同時進行涂覆，提高

17、成型效率。多個熱噴頭同時進行涂覆，提高成型效率。低較復(fù)雜小截面較慢大截面較快LOM高幾乎無費料簡單小截面較快大截面較慢FDM較高較復(fù)雜小截面較快大截面較慢SLS較高較復(fù)雜小截面較快大截面較慢SLA材料利用率制件后處理成形速度 產(chǎn)品快速設(shè)計產(chǎn)品快速設(shè)計/制造制造 設(shè)計：新產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)設(shè)計：新產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā) 制造：制造：快速快速工工/模具制造、快速鑄造模具制造、快速鑄造 分析：分析：試驗分析模型試驗分析模型 生物制造生物制造： 生物醫(yī)學(xué)和組織工程生物醫(yī)學(xué)和組織工程 工藝品工藝品：與美學(xué)有關(guān)的各工程與美學(xué)有關(guān)的各工程領(lǐng)域領(lǐng)域lRP原型可直接用于模擬性能測試、模擬裝配實驗和生原型可直接用于模擬性

18、能測試、模擬裝配實驗和生產(chǎn)可行性評估產(chǎn)可行性評估l采用采用RPT進行新產(chǎn)品開發(fā)，可減少產(chǎn)品開發(fā)成本進行新產(chǎn)品開發(fā)，可減少產(chǎn)品開發(fā)成本3070%，減少開發(fā)時間，減少開發(fā)時間50%。 采用模具生產(chǎn)零件是現(xiàn)代工業(yè)的主要生產(chǎn)工藝和手段采用模具生產(chǎn)零件是現(xiàn)代工業(yè)的主要生產(chǎn)工藝和手段l傳統(tǒng)模具制造生產(chǎn)周期長，模具需反復(fù)調(diào)試，制造成傳統(tǒng)模具制造生產(chǎn)周期長，模具需反復(fù)調(diào)試，制造成本高本高l快速模具制造可節(jié)約成本快速模具制造可節(jié)約成本3/4，縮短生產(chǎn)周期約，縮短生產(chǎn)周期約2/3下料鍛造下料鍛造調(diào)調(diào) 試試模具設(shè)計模具設(shè)計球化退火球化退火機械加工機械加工修修 配配熱處理熱處理投投 產(chǎn)產(chǎn)l直接模具制造直接模具制造用用

19、 LOM 系統(tǒng)制做的制件經(jīng)表面處理，其強度比一般系統(tǒng)制做的制件經(jīng)表面處理，其強度比一般木材還要高，可直接用作鑄造木模；用木材還要高，可直接用作鑄造木模；用 SLS 等方法則等方法則可直接制造熔模鑄造用的蠟?zāi)Ｒ约霸煨突驂毫庸び每芍苯又圃烊勰ｈT造用的蠟?zāi)Ｒ约霸煨突驂毫庸び媒饘倌?。金屬?！?l間接模具制造間接模具制造用快速原型制件作母模可復(fù)制出蠟?zāi)?、硅橡膠模、環(huán)用快速原型制件作母?？蓮?fù)制出蠟?zāi)?、硅橡膠模、環(huán)氧樹脂?；蚓郯敝５溶浤＞撸粨?jù)此軟模具又可澆鑄氧樹脂?；蚓郯敝５溶浤＞?；據(jù)此軟模具又可澆鑄出環(huán)氧樹脂、石膏、陶瓷、低熔點金屬、金屬基復(fù)合出環(huán)氧樹脂、石膏、陶瓷、低熔點金屬、金屬基復(fù)合材料等硬

20、模具。這些簡易模具可用作各種鑄造模、注材料等硬模具。這些簡易模具可用作各種鑄造模、注塑模、蠟?zāi)５某尚湍Ｒ约袄炷５龋瑢崿F(xiàn)塑料件或金塑模、蠟?zāi)５某尚湍Ｒ约袄炷５?，實現(xiàn)塑料件或金屬件的小批量生產(chǎn)。屬件的小批量生產(chǎn)。用快速原型制件作母模，通過金屬噴涂等方法可快速用快速原型制件作母模，通過金屬噴涂等方法可快速制造電脈沖機床用電極。制造電脈沖機床用電極。 l提高模具制造精度提高模具制造精度l開發(fā)新材料新工藝開發(fā)新材料新工藝l直接制造高強度金屬模具直接制造高強度金屬模具l概念概念利用快速成型技術(shù)直接或間接制造鑄造用模樣、利用快速成型技術(shù)直接或間接制造鑄造用模樣、模板、型芯或型殼等，再結(jié)合傳統(tǒng)鑄造技術(shù)，模

21、板、型芯或型殼等，再結(jié)合傳統(tǒng)鑄造技術(shù)，快速制造鑄件的工藝方法?？焖僦圃扈T件的工藝方法。目前主要利用目前主要利用RP技術(shù)快速制取鑄造模樣技術(shù)快速制取鑄造模樣l生物制造是生物科學(xué)與制造科學(xué)交叉的邊緣學(xué)科，其目標生物制造是生物科學(xué)與制造科學(xué)交叉的邊緣學(xué)科，其目標是運用現(xiàn)代成形學(xué)的原理和方法，從制造科學(xué)的角度，采是運用現(xiàn)代成形學(xué)的原理和方法，從制造科學(xué)的角度，采用現(xiàn)代成形技術(shù)、數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)、模擬仿真技術(shù)等與分子用現(xiàn)代成形技術(shù)、數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)、模擬仿真技術(shù)等與分子生物學(xué)和細胞學(xué)相結(jié)合，以尋求新的組織和器官的假體與生物學(xué)和細胞學(xué)相結(jié)合，以尋求新的組織和器官的假體與活體的制造原理和方法，以及新的制造工藝?；铙w

22、的制造原理和方法，以及新的制造工藝。l制作生物體模型制作生物體模型l生物假體制造生物假體制造l生物相容不降解永久植入體制造生物相容不降解永久植入體制造l生物相容降解植入體制造生物相容降解植入體制造人體解剖學(xué)數(shù)人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)三維重構(gòu)據(jù)三維重構(gòu)快速快速成形成形體外體外治療、治療、診斷、診斷、康復(fù)等康復(fù)等輔助模型輔助模型非生物活性材料非生物活性材料人體解剖人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)三學(xué)數(shù)據(jù)三維重構(gòu)維重構(gòu)快速快速成形成形生物相容性材料生物相容性材料（不可降解）（不可降解）植入體內(nèi)植入體內(nèi)永久存在永久存在康復(fù)、康復(fù)、美容、美容、治療、治療、藥物載體藥物載體l醫(yī)用聚氨酯醫(yī)用聚氨酯成形性能成形性能力學(xué)性能力學(xué)性能l足夠

23、的強度和剛度，抵抗皮膚的牽拉，不產(chǎn)生永久變足夠的強度和剛度，抵抗皮膚的牽拉，不產(chǎn)生永久變形形l足夠的柔韌性，具有和天然耳朵相似的手感足夠的柔韌性，具有和天然耳朵相似的手感l(wèi)足夠的抗疲勞性，使用壽命應(yīng)該在數(shù)十年足夠的抗疲勞性，使用壽命應(yīng)該在數(shù)十年人體解剖人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)三學(xué)數(shù)據(jù)三維重構(gòu)維重構(gòu)快速快速成形成形生物相容生物相容可降解材料可降解材料植入體內(nèi)植入體內(nèi)短期存在短期存在組織組織器官器官lRPT對一切有美學(xué)需求的設(shè)計，如轎車、橋梁、雕塑等是對一切有美學(xué)需求的設(shè)計，如轎車、橋梁、雕塑等是一種重要工具，它可以將設(shè)計者的構(gòu)思迅速表達成三維實一種重要工具，它可以將設(shè)計者的構(gòu)思迅速表達成三維實體，便于設(shè)計修改和體，便于設(shè)計修改和再再創(chuàng)作。此外，創(chuàng)作。此外，RPT在文物、藝術(shù)品在文物、藝術(shù)品復(fù)制或復(fù)原等方面具有相當?shù)膬?yōu)勢和應(yīng)用前景。復(fù)制或復(fù)原等方面具有相當?shù)膬?yōu)勢和應(yīng)用前景。lRPT在藝術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用實例在藝術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用實例一、材料方面的限制一、材料方面的限制l離散離散/ /堆積成形的堆積成形的堆積過程伴隨著材料的相堆積過程伴隨著材料的相變和溫度變化變和溫度變化殘余應(yīng)力難以消除殘余應(yīng)力難以消除翹曲和變形翹曲和變形lRPRP材料價格偏高（由于改性需求等）限制材料價格偏高（由于改性需求等）限制了其應(yīng)用。如美國了其應(yīng)用。如美國3D Systems SLA3D