快速成型技術(shù)（快速原型制造技術(shù)）

快速成型技術(shù)（快速原型制造技術(shù)）

快速成型技術(shù) （快速原型制造技術(shù)） 次瀏覽 | 2022.09.18 12:24:36 更新 來源 ：互聯(lián)網(wǎng) 精選百科 本文由作者推薦 快速成型技術(shù)快速原型制造技術(shù)

快速成形技術(shù)（RapidPrototyping，簡稱RP）是二十世紀(jì)八十年代末九十年代初興起并迅速發(fā)展起來的新的先進(jìn)制造技術(shù)，是由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實體的技術(shù)總稱，其基本過程是：首先設(shè)計出所需零件的計算機(jī)三維模型（數(shù)字模型、CAD模型），然后根據(jù)工藝要求，按照一定的規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單元，通常在Z向?qū)⑵浒匆欢ê穸冗M(jìn)行離散，把原來的三維CAD模型變成一系列的層片；再根據(jù)每個層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼；最后由成形機(jī)成形一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來，得到一個三維物理實體。

中文名

快速成型技術(shù)

英文名

Rapid Prototyping Manufacturing

誕生于

20世紀(jì)80年代后期

簡稱

RPM

原理

快速成型技術(shù)(RP)的成型原理是基于離散-疊加原理而實現(xiàn)快速加工原型或零件，這里所說的快速加工原型是指能代表一切性質(zhì)和功能的實驗件，一般數(shù)量較少，常用來在新產(chǎn)品試制時作評價之用，而這里所說的快速成型零件是指最終產(chǎn)品，已經(jīng)具有最佳的特性,功能和經(jīng)濟(jì)性。

工藝過程

l）產(chǎn)品三維模型的構(gòu)建。由于RP系統(tǒng)是由三維CAD模型直接驅(qū)動，因此首先要構(gòu)建所加工工件的

快速成型技術(shù)

三維CAD模型。該三維CAD模型可以利用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件（如Pro/E,I-DEAS,SolidWorks,UG等）直接構(gòu)建，也可以將已有產(chǎn)品的二維圖樣進(jìn)行轉(zhuǎn)換而形成三維模型，或?qū)Ξa(chǎn)品實體進(jìn)行激光掃描、CT斷層掃描，得到點云數(shù)據(jù)，然后利用反求工程的方法來構(gòu)造三維模型。?

2）三維模型的近似處理。由于產(chǎn)品往往有一些不規(guī)則的自由曲面，加工前要對模型進(jìn)行近似處理，以方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。由于STL格式文件格式簡單、實用，目前已經(jīng)成為快速成型領(lǐng)域的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)接口文件。它是用一系列的小三角形平面來逼近原來的模型，每個小三角形用3個頂點坐標(biāo)和一個法向量來描述，三角形的大小可以根據(jù)精度要求進(jìn)行選擇。STL文件有二進(jìn)制碼和ASCll碼兩種輸出形式，二進(jìn)制碼輸出形式所占的空間比ASCII碼輸出形式的文件所占用的空間小得多，但ASCII碼輸出形式可以閱讀和檢查。典型的CAD軟件都帶有轉(zhuǎn)換和輸出stl格式文件的功能。

3）三維模型的切片處理。根據(jù)被加工模型的特征選擇合適的加工方向，在成型高度方向上用一系列一定間隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的輪廓信息。間隔一般取0.05mm~0.5mm，常用0.1mm。間隔越小，成型精度越高，但成型時間也越長，效率就越低，反之則精度低，但效率高。

4）成型加工。根據(jù)切片處理的截面輪廓，在計算機(jī)控制下，相應(yīng)的成型頭（激光頭或噴頭）按各截面輪廓信息做掃描運(yùn)動，在工作臺上一層一層地堆積材料，然后將各層相粘結(jié)，最終得到原型產(chǎn)品。

5）成型零件的后處理。從成型系統(tǒng)里取出成型件，進(jìn)行打磨、拋光、涂掛，或放在高溫爐中進(jìn)行后燒結(jié)，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。

特征

l）快速成型技術(shù)(RapidPrototyping&Manufacturing,縮寫為RP)其特點是可以不需機(jī)加工設(shè)備或者模即可快速制造形）可以制造任意復(fù)雜的三維幾何實體。由于采用離散／堆積成型的原理，它將一個十分復(fù)雜的三維制造過程簡化為二維過程的疊加，可實現(xiàn)對任意復(fù)雜形狀零件的加工。越是復(fù)雜的零件越能顯示出RP技術(shù)的優(yōu)越性此外，RP技術(shù)特別適合于復(fù)雜型腔、復(fù)雜型面等傳統(tǒng)方法難以制造甚至無法制造的零件[1]。

2）快速性。通過對一個CAD模型的修改或重組就可獲得一個新零件的設(shè)計和加工信息。從幾個小時到幾十個小時就可制造出零件，具有快速制造的突出特點。

3）高度柔性。無需任何專用夾具或工具即可完成復(fù)雜的制造過程，快速制造工模具、原型或零件。

4）快速成型技術(shù)實現(xiàn)了機(jī)械工程學(xué)科多年來追求的兩大先進(jìn)目標(biāo)．即材料的提?。狻⒁汗滔啵┻^程與制造過程一體化和設(shè)計（CAD）與制造（CAM）一體化。

5）與反求工程（Rever Engineering）、CAD技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等相結(jié)合，成為產(chǎn)品決速開發(fā)的有力工具。

分類

快速成型技術(shù)根據(jù)成型方法可分為兩類：基于激光及其他光源的成型技術(shù)（LarTechnology），例如：光固化成型（SLA）、分層實體制造（LOM）、選域激光粉末燒結(jié)（SLS）、形狀沉積成型（SDM）等；基于噴射的成型技術(shù)（JettingTechnoloy），例如：熔融沉積成型（FDM）、三維印刷（3DP）、多相噴射沉積（MJD）。下面對其中比較成熟的工藝作簡單的介紹。SLA技術(shù)是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長和強(qiáng)度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，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。

SLA原理

SLA工作原理：液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下，能在液態(tài)表而上掃描，掃描的軌跡及光線的有無均由計算機(jī)控制，光點打到的地方，液體就固化。成型開始時，工作平臺在液面下一個確定的深度．聚焦后的光斑在液面上按計算機(jī)的指令逐點掃描，即逐點固化。當(dāng)一層掃描完成后．未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂。然后升降臺帶動平臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平，然后再進(jìn)行下一層的掃描，新周化的一層牢周地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個零件制造完畢，得到一個三維實體模型。SLA方法是目前快速成型技術(shù)領(lǐng)域中研究得最多的方法．也是技術(shù)上最為成熟的方法。SLA工藝成型的零件精度較高，加工精度一般可達(dá)到0.1mm，原材料利用率近100％。但這種方法也有白身的局限性，比如需要支撐、樹脂收縮導(dǎo)致精度下降、光固化樹脂有一定的毒性等。優(yōu)點：（1）成型過程自動化程度高(2)尺寸精度高。(3)表面質(zhì)量優(yōu)良。(4)可以制作結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的模型。(5)可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結(jié)構(gòu)的消失型。缺點：(1)成型過程中伴隨著物理和化學(xué)變化，所以制件較易彎曲，需要支撐，(2)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)成本較高。(3)可使用的材料種類較少。(4)液態(tài)樹脂具有氣味和毒性，并且需要避光保護(hù)，以防止提前發(fā)生聚合反應(yīng)，選擇時有局限性。(5)需要二次固化。(6)液態(tài)樹脂同化后的性能尚不如常用的工業(yè)塑料，一般較脆、易斷裂，不使進(jìn)行機(jī)加工。

LOM（LaminatedObjectManufacturing，LOM）工藝LOM工藝稱疊層實體制造或分層實體制造，由美國Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功。LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。

LOM原理

加工時，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成型的工件粘接。用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對齊的網(wǎng)格。激光切割完成后，工作臺帶動已成型的工件下降，與帶狀片材分離。供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域。工作合上升到加工平面，熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚。再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)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，得到分層制造的實體零件。LOM工藝只需在片材上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個截面。因此成型厚壁零件的速度較快，易于制造大型零件。工藝過程中不存在材料相變，因此不易引起翹曲變形。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LOM工藝無需加支撐。缺點是材料浪費(fèi)嚴(yán)重，表面質(zhì)量差。

SLS（SelectiveLarSintering）工藝SLS工藝稱為選域激光燒結(jié)，由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS工藝是利用粉末狀材料成型的[2]。

其原理是將材料粉末鋪灑在已成型零件的上表面，并刮平，用高強(qiáng)度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面，材料粉末在高強(qiáng)度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成型的部分連接。當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，有選擇地?zé)Y(jié)下層截面。燒結(jié)完成后去掉多余的粉末，再進(jìn)行打磨、烘干等處理得到零件。優(yōu)點：（1）精度高。制件在X和y方向的精度可達(dá)±0.1～0.2mm，Z方向的精度可達(dá)±0.2～0.3mm。（2）實體制造中無需設(shè)計和制作支撐，所以制作效率高、速度快、成本低。缺點：（1）特別是薄壁件的抗拉強(qiáng)度和彈性不夠好；（2）易吸濕膨脹，成型后應(yīng)盡快進(jìn)行表面防潮處理；（3）件表面有臺階紋，其高度等于材料的厚度(通常為0.1mm左右)SLS工藝的特點是材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、蠟等材料的零件，特別是可以制造金屬零件。這使SLS工藝頗具吸引力。SLS工藝無需加支撐，因為沒有燒結(jié)的粉末起到了支撐的作用。優(yōu)點是(1)可采用多種材料。(2)制造工藝比較簡單。(3)高精度。依賴于使用的材料種類和粒徑、產(chǎn)品的幾何形狀和復(fù)雜程度，該工藝一般能夠達(dá)到工件整體范圍內(nèi)±(0.05～2.5)mm的公差。當(dāng)粉末粒徑為0.1mm以下時，成型后的原型精度可達(dá)±l％。(4)材料利用率高，價格便宜，成本低。(5)無需支撐結(jié)構(gòu)。

3DP(ThreeDimensionPrinting）工藝三維印刷工藝是美國麻省理工學(xué)院E-manualSachs等人研制的。已被美國的Soligen公司以DSPC（DirectShellProductionCasting）名義商品化，用以制造鑄造用的陶瓷殼體和型芯。3DP工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結(jié)連結(jié)起來的，而是通過噴頭用粘結(jié)劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉來上面。3DP的原理如圖所示，左面是

3DP原理

儲粉筒,材料被放置在快速成型過程的起始位置。零件是由粉末和膠水組成的。右面就是部件制作的地方。在工作平臺的里面是一個平整的金屬盤,上面一層層微細(xì)的粉末由滾筒鋪開,然后在制作過程中由打印頭噴出粘著劑進(jìn)行粘結(jié).其優(yōu)點：（1）速度快，（2）是和制造復(fù)雜形狀的零件，（3）可用與制造復(fù)合材料或非均勻材料的零件，（4）可是和制造小批量零件，（5）無污染，是綠色化的辦公室設(shè)計。缺點：（1）零件精度差，表面粗糙度差（2）零件易變性甚至出現(xiàn)裂紋。

FDM（FudDepostionModeling）工藝熔融沉積制造（FDM）工藝由美國學(xué)者ScottCrump于1988年研制成功。FDM的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、尼龍等。以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)。FDM工藝原理如圖所示。

FDM原理

與上述工藝不同，F(xiàn)DM不采用激光，成型材料為絲狀的高分子聚合物；在開始成型之前，絲狀材料需要先在液化管中被加熱到略高于其軟化點以將其熔化。成型時，噴頭在計算機(jī)控制下作x-y聯(lián)動掃描，同時噴出半流動狀的高分子聚合物，高分子聚合物在成型室中冷卻成型，并與已經(jīng)成型的下層牢固地粘結(jié)在一起。FDM工藝的缺點是需要支撐，而且由于物態(tài)變化，成型后原型存在變形現(xiàn)象優(yōu)點：(1)由于熱融擠壓頭系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡單，維護(hù)成本低，系統(tǒng)運(yùn)行安全。(2)成型速度快。用熔融沉積方法生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，不需要SLA中的刮板再加工這一道工序。(3)用蠟成型的零件原型，可以直接用于熔模鑄造。(4)可以成型任意復(fù)雜程度的零件，常用于成型具有很復(fù)雜的內(nèi)腔、孔等零件。(5)原材料在成型過程中無化學(xué)變化，制件的翹曲變形小。(6)原材料利用率高，且材料壽命長。(7)支撐去除簡單，無需化學(xué)清洗，分離容易。缺點：(1)成型件的表面有較明顯的條紋。(2)沿成型軸垂直方向的強(qiáng)度比較弱。(3)需要設(shè)計與制作支撐結(jié)構(gòu)。(4)需要對整個截面進(jìn)行掃描涂覆，成型時間較長。(5)原材料價格昂貴。

應(yīng)用

目前RP技術(shù)的發(fā)展水平而言，在國內(nèi)主要是應(yīng)用于新產(chǎn)品（包括產(chǎn)品的更新?lián)Q代）開發(fā)的設(shè)計驗證和模擬樣品的試制上，即完成從產(chǎn)品的概念設(shè)計（或改型設(shè)計）--造型設(shè)計--結(jié)構(gòu)設(shè)計--基本功能評估--模擬樣件試制這段開發(fā)過程。對某些以塑料結(jié)構(gòu)為主的產(chǎn)品還可以進(jìn)行小批量試制，或進(jìn)行一些物理方面的功能測試、裝配驗證、實際外觀效果審視，甚至將產(chǎn)品小批量組裝先行投放市場，達(dá)到投石問路的目的?？焖俪尚偷膽?yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計驗證與功能驗證。RP技術(shù)可快速地將產(chǎn)品設(shè)計的CAD模型轉(zhuǎn)換成物理實物模型，這樣可以方便地驗證設(shè)計人員的設(shè)計思想和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、可裝配性、美觀性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題可及時修改。如果用傳統(tǒng)方法，需要完成繪圖、工藝設(shè)計、工裝模具制造等多個環(huán)節(jié)，周期長、費(fèi)用高。如果不進(jìn)行設(shè)計驗證而直接投產(chǎn)，則一旦存在設(shè)計失誤，將會造成極大的損失。?

（2）可制造性、可裝配性檢驗和供貨詢價、市場宣傳，對有限空間的復(fù)雜系統(tǒng)，如汽車、衛(wèi)星、導(dǎo)彈的可制造性和可裝配性用RP方法進(jìn)行檢驗和設(shè)計，將大大降低此類系統(tǒng)的設(shè)計制造難度。對于難以確定的復(fù)雜零件，可以用RP，技術(shù)進(jìn)行試生產(chǎn)以確定最佳的合理的工藝。此外，RP原型還是產(chǎn)品從設(shè)計到商品化各個環(huán)節(jié)中進(jìn)行交流的有效手段。比如為客戶提供產(chǎn)品樣件，進(jìn)行市場宣傳等，快速成型技術(shù)已成為并行工程和敏捷制造的一種技術(shù)途徑。

（3）單件、小批量和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)。對于高分子材料的零部件，可用高強(qiáng)度的工程塑料直接快速成型，滿足使用要求;對于復(fù)雜金屬零件，可通過快速鑄造或直接金屬件成型獲得。該項應(yīng)用對航空、航天及國防工業(yè)有特殊意義。

（4）快速模具制造。通過各種轉(zhuǎn)換技術(shù)將RP原型轉(zhuǎn)換成各種快速模具，如低熔點合金模、硅膠模、金屬冷噴模、陶瓷模等，進(jìn)行中小批量零件的生產(chǎn)，滿足產(chǎn)品更新?lián)Q代快、批量越來越小的發(fā)展趨勢?？焖俪尚蛻?yīng)用的領(lǐng)域幾乎包括了制造領(lǐng)域的各個行業(yè)，在醫(yī)療、人體工程、文物保護(hù)等行業(yè)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

快速成型技術(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用：

汽車、摩托車：外形及內(nèi)飾件的設(shè)計、改型、裝配試驗，發(fā)動機(jī)、汽缸頭試制。

快速成型技術(shù)

家電：各種家電產(chǎn)品的外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配試驗與功能驗證，市場宣傳，模具制造。

通訊產(chǎn)品：產(chǎn)品外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配試驗，功能驗證，模具制造。

航空、航天：特殊零件的直接制造，葉輪、渦輪、葉片的試制，發(fā)動機(jī)的試制、裝配試驗。

輕工業(yè)：各種產(chǎn)品的設(shè)計、驗證、裝配，市場宣傳，玩具、鞋類模具的快速制造。

醫(yī)療：醫(yī)療器械的設(shè)計、試產(chǎn)、試用，CT掃描信息的實物化，手術(shù)模擬，人體骨關(guān)節(jié)的配制。

國防：各種武器零部件的設(shè)計、裝配、試制，特殊零件的直接制作，遙感信息的模型制作。

總之，快速成型技術(shù)的發(fā)展是近20年來制造領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，它不僅在制造原理上與傳統(tǒng)方法迥然不同，更重要的是在目前產(chǎn)業(yè)策略以市場響應(yīng)速度為第一的狀況下，RP技術(shù)可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高企業(yè)的競爭力。?

參考資料