快速成型工艺 快速成型技术 快速成型技术-原理，快速成型技术-工艺过程

快速成形技术（RapidPrototyping，简称RP）是二十世纪八十年代末九十年代初兴起并迅速发展起来的新的先进制造技术.是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称，其基本过程是：首先设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型），然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。

快速成形技术（RapidPrototyping，简称RP）是二十世纪八十年代末九十年代初兴起并迅速发展起
来的新的先进制造技术.是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称，其基本过程是：首先设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型），然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。

快速成型技术_快速成型技术 -原理

快速成型技术(RP)的成型原理是基于离散-叠加原理而实现快速加工原型或零件.这里所说的快速加工原型是指能代表一切性质和功能的实验件,一般数量较少,常用来在新产品试制时作评价之用.而这里所说的快速成型零件是指最终产品,已经具有最佳的特性,功能和经济性.

快速成型技术_快速成型技术 -工艺过程

l）产品三维模型的构建。由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的

快速成型技术_快速成型技术 -特征

快速成型技术(RapidPrototyping&Manufacturing,缩写为RP)其特点是可以不需机加工设备或者模
快速成型技术

快速成型技术_快速成型技术 -分类

快速成型技术根据成型方法可分为两类：基于激光及其他光源的成型技术（LaserTechnology），例如：光固化成型（SLA）、分层实体制造（LOM）、选域激光粉末烧结（SLS）、形状沉积成型（SDM）等；基于喷射的成型技术（JettingTechnoloy），例如：熔融沉积成型（FDM）、三维印刷（3DP）、多相喷射沉积（MJD）。下面对其中比较成熟的工艺作简单的介绍。SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。

SLA工作原理：液槽中盛满液态光固化树脂激光束在偏转镜作用下，能在液态表而上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度．聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后．未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新周化的一层牢周地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。SLA方法是目前快速成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。SLA工艺成型的零件精度较高，加工精度一般可达到0.1mm，原材料利用率近100％。但这种方法也有白身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。优点：（1）成型过程自动化程度高(2)尺寸精度高。(3)表面质量优良。(4)可以制作结构十分复杂的模型。(5)可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。缺点：(1)成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲，需要支撑，(2)设备运转及维护成本较高。(3)可使用的材料种类较少。(4)液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性。(5)需要二次固化。(6)液态树脂同化后的性能尚不如常用的工业塑料，一般较脆、易断裂，不使进行机加工。

LOM（LaminatedObjectManufacturing，LOM）工艺LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造，由美国Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功。LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。

加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接。用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。激光切割完成后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离。供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域。工作合上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚。再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完。最后，去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。 LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。缺点是材料浪费严重，表面质量差。

SLS（SelectiveLaserSintering）工艺SLS工艺称为选域激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成型的。

其原理是将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面，并刮平，用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到零件。优点：（1）精度高。制件在X和y方向的精度可达±0.1～0.2mm，Z方向的精度可达±0.2～0.3mm。（2）实体制造中无需设计和制作支撑，所以制作效率高、速度快、成本低。缺点：（1）特别是薄壁件的抗拉强度和弹性不够好；（2）易吸湿膨胀，成型后应尽快进行表面防潮处理；（3）件表面有台阶纹，其高度等于材料的厚度(通常为0.1mm左右)SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件，特别是可以制造金属零件。这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。优点是(1)可采用多种材料。(2)制造工艺比较简单。(3)高精度。依赖于使用的材料种类和粒径、产品的几何形状和复杂程度，该工艺一般能够达到工件整体范围内±(0.05～2.5)mm的公差。当粉末粒径为0.1mm以下时，成型后的原型精度可达±l％。(4)材料利用率高，价格便宜，成本低。(5)无需支撑结构。

3DP(ThreeDimensionPrinting）工艺三维印刷工艺是美国麻省理工学院E-manualSachs等人研制的。已被美国的Soligen公司以DSPC（DirectShellProductionCasting）名义商品化，用以制造铸造用的陶瓷壳体和型芯。3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连结起来的，而是通过喷头用粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉来上面。3DP的原理如图所示，左面是

储粉筒,材料被放置在快速成型过程的起始位置。零件是由粉末和胶水组成的。右面就是部件制作的地方。在工作平台的里面是一个平整的金属盘,上面一层层微细的粉末由滚筒铺开,然后在制作过程中由打印头喷出粘着剂进行粘结.其优点：（1）速度快，（2）是和制造复杂形状的零件，（3）可用与制造复合材料或非均匀材料的零件，（4）可是和制造小批量零件，（5）无污染，是绿色化的办公室设计。缺点：（1）零件精度差，表面粗糙度差（2）零件易变性甚至出现裂纹。

FDM（FusedDepostionModeling）工艺熔融沉积制造（FDM）工艺由美国学者ScottCrump于1988年研制成功。FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。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，并与周围的材料凝结。FDM工艺原理如图所示。

与上述工艺不同，FDM不采用激光，成型材料为丝状的高分子聚合物；在开始成型之前，丝状材料需要先在液化管中被加热到略高于其软化点以将其熔化。成型时，喷头在计算机控制下作x-y联动扫描，同时喷出半流动状的高分子聚合物，高分子聚合物在成型室中冷却成型，并与已经成型的下层牢固地粘结在一起。FDM工艺的缺点是需要支撑，而且由于物态变化，成型后原型存在变形现象优点：(1)由于热融挤压头系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。(2)成型速度快。用熔融沉积方法生产出来的产品，不需要SLA中的刮板再加工这一道工序。(3)用蜡成型的零件原型，可以直接用于熔模铸造。(4)可以成型任意复杂程度的零件，常用于成型具有很复杂的内腔、孔等零件。(5)原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。(6)原材料利用率高，且材料寿命长。(7)支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易。缺点：(1)成型件的表面有较明显的条纹。(2)沿成型轴垂直方向的强度比较弱。(3)需要设计与制作支撑结构。(4)需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。(5)原材料价格昂贵。

快速成型技术_快速成型技术 -应用

目前RP技术的发展水平而言，在国内主要是应用于新产品（包括产品的更新换代）开发的设计验证和模拟样品的试制上，即完成从产品的概念设计（或改型设计）--造型设计--结构设计--基本功能评估--模拟样件试制这段开发过程。对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制，或进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视，甚至将产品小批量组装先行投放市场，达到投石问路的目的。快速成型的应用主要体现在以下几个方面：（1）新产品开发过程中的设计验证与功能验证。RP技术可快速地将产品设计的CAD模型转换成物理实物模型，这样可以方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设计中的问题可及时修改。如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期长、费用高。如果不进行设计验证而直接投产，则一旦存在设计失误，将会造成极大的损失。 （2）可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传，对有限空间的复杂系统，如汽车、卫星、导弹的可制造性和可装配性用RP方法进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度。对于难以确定的复杂零件，可以用RP，技术进行试生产以确定最佳的合理的工艺。此外，RP原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。比如为客户提供产品样件，进行市场宣传等，快速成型技术已成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。（3）单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。对于高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料直接快速成型，满足使用要求;对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得。该项应用对航空、航天及国防工业有特殊意义。（4）快速模具制造。通过各种转换技术将RP原型转换成各种快速模具，如低熔点合金模、硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件的生产，满足产品更新换代快、批量越来越小的发展趋势。快速成型应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业，在医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。

快速成型技术在各行业中的应用：

汽车、摩托车：外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头试制。

家电：各种家电产品的外形与结构设计，装配试验与功能验证，市场宣传，模具制造。

通讯产品：产品外形与结构设计，装配试验，功能验证，模具制造。

航空、航天：特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，发动机的试制、装配试验。
轻工业：各种产品的设计、验证、装配，市场宣传，玩具、鞋类模具的快速制造。

医疗：医疗器械的设计、试产、试用，CT扫描信息的实物化，手术模拟，人体骨关节的配制。

国防：各种武器零部件的设计、装配、试制，特殊零件的直接制作，遥感信息的模型制作。

总之，快速成型技术的发展是近20年来制造领域的突破性进展，它不仅在制造原理上与传统方法迥然不同，更重要的是在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下，RP技术可以缩短产品开发周期，降低开发成本，提高企业的竞争力。

快速成型技术_快速成型技术 -产品展示

SLS产品

快速成型技术_快速成型技术 -相关词条

工业汽车航空医学机床模具机械STL

快速成型技术_快速成型技术 -参考文献

[1]《先进制造技术》科学出版社

[2]《速成型极快速模具》电子工业出版社

[3]《快速成型与快速制造技术》国防工业出版社

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