快速原型技术简介

1、快速原型技术目 录123快速原型原理快速原型原理几种典型的快速原型工艺简介几种典型的快速原型工艺简介快速原型工艺的发展趋势快速原型工艺的发展趋势2020世紀世紀8080年代末以來出现了年代末以來出现了一种崭一种崭新的不同于传统观念的新的不同于传统观念的制造技术制造技术快速原型制造技术，被认为是最快速原型制造技术，被认为是最近近2020年来制造领域的一次年来制造领域的一次重大突破重大突破。因其具有产品制造的因其具有产品制造的集成化、自动集成化、自动化、快速化化、快速化等突出优点，能适应速等突出优点，能适应速度经济时代对市场需求的快速响应，度经济时代对市场需求的快速响应，已经广泛应用于产品已经广泛

2、应用于产品原型制造、模原型制造、模具制造具制造行业中，并已经取得了良好行业中，并已经取得了良好的效果。的效果。目前主要的快速原型工艺方法有目前主要的快速原型工艺方法有光光固化（固化（SLASLA）、分层实体成型分层实体成型（LOMLOM）、粉末烧结成型（粉末烧结成型（SLS)SLS)、熔融挤压成型（熔融挤压成型（FDMFDM）几种。几种。1.1.快速原型技术的原理快速原型技术的原理1.11.1快速原型工艺的产生快速原型工艺的产生传统的加传统的加工方法工方法（根据零件（根据零件的成型过程）的成型过程）一类是其成型过程中以减少为特征，通过各种方一类是其成型过程中以减少为特征，通过各种方法将零件毛坯

3、上多余的材料去除（如切削加工、法将零件毛坯上多余的材料去除（如切削加工、磨削加工等），从而得到所需工件。磨削加工等），从而得到所需工件。另一类是材料的质量在成型过程中基本保持不变，另一类是材料的质量在成型过程中基本保持不变，如通过各种压力成型方法以及各种铸造方法得到如通过各种压力成型方法以及各种铸造方法得到的工件。的工件。然而为了适应然而为了适应市场日新月异的变化市场日新月异的变化以及以及解决产品生命周期缩短解决产品生命周期缩短带来的挑战，企业必须重视新产品的不断开发和研制。带来的挑战，企业必须重视新产品的不断开发和研制。正是在这种情况下，快速原型技术也就应运而生。正是在这种情况下，快速原型技

4、术也就应运而生。快速原型英文名字为快速原型英文名字为Rapid PrototypingRapid Prototyping（快速原型制造、快（快速原型制造、快速原型、快速成形），常常简称为速原型、快速成形），常常简称为RPRP。1.2 1.2 快速原型技术的工艺过程快速原型技术的工艺过程第一步：设第一步：设计出所需零计出所需零件的计算机件的计算机三维模型三维模型第二步：根据第二步：根据工艺要求，按工艺要求，按照一定的规律照一定的规律将该模型离散将该模型离散为一系列有序为一系列有序的单元的单元第三步：将第三步：将离散后的模离散后的模型在型在Z向按一向按一定的厚度进定的厚度进行分层行分层第四步：输入

5、加工第四步：输入加工参数，自动生成数参数，自动生成数控代码，最后由原控代码，最后由原型机成形一系列的型机成形一系列的层片并自动粘接得层片并自动粘接得到一个三维实体到一个三维实体逐层快速成型三维样品表面处理用三维激光扫描设备对用三维激光扫描设备对已有的实物数字化已有的实物数字化用用CAD软件设计软件设计工件的工件的3D模型模型模型近似处理，文件格式转换成模型近似处理，文件格式转换成STL格式格式对对3D模型逐层切片，求每层截面轮廓模型逐层切片，求每层截面轮廓逐层快速成型逐层快速成型最终工作最终工作前处理前处理分层叠加成型分层叠加成型后处理后处理三维样品三维样品表面处理表面处理1.3 1.3 快速

6、原型技术的特点快速原型技术的特点RPRP采用了一种全新的采用了一种全新的“增加材料增加材料”的加工方法，的加工方法，与传统的与传统的“去除材料去除材料”的加的加工方法完全不同。工方法完全不同。它将复杂的三维实体分它将复杂的三维实体分解成简单的平面二维加工的解成简单的平面二维加工的组合，因此它完全不需要传组合，因此它完全不需要传统的加工机床和加工模具，统的加工机床和加工模具，进而相比传统加工而言能节进而相比传统加工而言能节省省70%80%70%80%的加工工时和降的加工工时和降低低60%80%60%80%的成本。的成本。广泛的应用广泛的应用领域领域良好的经济良好的经济效益效益成形速度快成形速度快

7、材料适用性好材料适用性好无人干预或无人干预或较少人干预较少人干预无需专用夹具无需专用夹具或工具或工具制造任意复杂制造任意复杂形状的三维形状的三维实体实体RPRP的特点的特点2.2.快速原型工艺快速原型工艺目前快速原型技术目前快速原型技术的工艺方法已经有几十的工艺方法已经有几十种，并且新的工艺方法种，并且新的工艺方法还在不断出现。还在不断出现。RPRP系统系统由选取的物料分为三大由选取的物料分为三大类：液态（如类：液态（如SLASLA、SGCSGC、HISDHISD等等) )、粉末粒子、粉末粒子（SLSSLS、3DP3DP）和薄层材）和薄层材料（料（LOMLOM、SFP).SFP).。其中商品化

8、比较好其中商品化比较好的快速原型主要还是的快速原型主要还是SLASLA、LOMLOM、SLSSLS、FDMFDM、3DP3DP这几项技术。下面这几项技术。下面分别对它们进行简要介分别对它们进行简要介绍。绍。2.1 2.1 光固化成型光固化成型SLASLA工艺是基工艺是基于液态光敏树脂于液态光敏树脂的的光聚合原理光聚合原理而而工作的。工作的。采用一定波长采用一定波长和强度的和强度的紫外激紫外激光束光束有选择地照有选择地照射液态光敏聚合射液态光敏聚合物，被照射的也物，被照射的也太光敏聚合物迅太光敏聚合物迅速发生聚合反应，速发生聚合反应，分子量急剧增大分子量急剧增大发生发生相变相变，由液，由液态固化

9、生成态固化生成三维三维实物实物。2.1.1 2.1.1 光固化成型工艺过程光固化成型工艺过程1. 模型及支撑设计模型及支撑设计n在成形中，在成形中，未被激光束照射的部分未被激光束照射的部分材料仍为液态，它不能使制件材料仍为液态，它不能使制件上的孤立和悬臂轮廓定位。因此，必须设计和制作支撑结构。上的孤立和悬臂轮廓定位。因此，必须设计和制作支撑结构。n工件底部工件底部也要加支撑，以使工件成形后顺利从工作台取下。也要加支撑，以使工件成形后顺利从工作台取下。n成形完毕后应小成形完毕后应小心除去支撑，从心除去支撑，从而得到最终所需而得到最终所需的工件。的工件。2.1.1 2.1.1 光固化成型工艺过程光

10、固化成型工艺过程2. 分层处理分层处理采用分层软件对采用分层软件对CAD模型的模型的STL格式文件格式文件进行分层处理，得到进行分层处理，得到每一层截面图形及其有关的网格矢量数据，用于控制激光束的扫描每一层截面图形及其有关的网格矢量数据，用于控制激光束的扫描轨迹。分层处理还包括层厚、建立模式、固化深度、扫描速度、网轨迹。分层处理还包括层厚、建立模式、固化深度、扫描速度、网格间距、线宽补偿值、收缩补偿因子的选择与确定。格间距、线宽补偿值、收缩补偿因子的选择与确定。3. 原型制作原型制作液态光敏树脂液态光敏树脂逐层固化逐层固化而形成原型件。而形成原型件。4. 后处理后处理原型制作完毕，需进行原型制

11、作完毕，需进行剥离剥离，以便去除废料和支撑结构，有，以便去除废料和支撑结构，有时还需进行后固化、修补、打磨、抛光、表面涂覆、表面强化处时还需进行后固化、修补、打磨、抛光、表面涂覆、表面强化处理等，这些工序统称为后处理。理等，这些工序统称为后处理。2.1.2 2.1.2 光固化成型工艺优点光固化成型工艺优点SLA工艺优点如下：工艺优点如下：n尺寸精度高，可达尺寸精度高，可达0.1mm，是，是RP技术中最高的；技术中最高的；n原型表面质量优良；原型表面质量优良；n可以制作结构复杂、细小的模型；可以制作结构复杂、细小的模型；n系统非常稳定，成形过程自动化程度高；系统非常稳定，成形过程自动化程度高；n

12、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。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。2.2 2.2 分层实体制造分层实体制造分层实体制造分层实体制造时在时在SLASLA工艺工艺之后发展起来的又一种快速原之后发展起来的又一种快速原型工艺，它是一种很容易被理型工艺，它是一种很容易被理解的分层叠加制造方法，通过解的分层叠加制造方法，通过对原料进行分层叠加与激光切对原料进行分层叠加与激光切割来形成零件。割来形成零件。汽车发动机排气管的精铸母模汽车发动机排气管的精铸母模奥迪轿车刹车钳体精铸奥迪轿车刹车钳体精铸母模的母模的LOM原型原型 2.2.1 2.2.1 分层实体制造的原理分层实

13、体制造的原理LOMLOM工艺采用薄片材料，如工艺采用薄片材料，如纸张、塑料薄膜等。纸张、塑料薄膜等。其工作原理如图，由系统其工作原理如图，由系统控制微机指令，步进电动机带控制微机指令，步进电动机带动主动辊芯转动，使纸卷转动动主动辊芯转动，使纸卷转动并在切割台面上自右向左移动并在切割台面上自右向左移动预定的距离。同时，工作台升预定的距离。同时，工作台升高至切割位置。之后热压装置高至切割位置。之后热压装置中的热压辊自左向右滚动，对中的热压辊自左向右滚动，对工作台上方的纸及涂敷于纸的工作台上方的纸及涂敷于纸的下表面的热熔胶加热、加压，下表面的热熔胶加热、加压，使纸粘于基底上。激光切割头使纸粘于基底上

14、。激光切割头依据分层截面轮廓线切割纸，依据分层截面轮廓线切割纸，并在余料上切出长方形边框，并在余料上切出长方形边框，2.2.2 LOM2.2.2 LOM成型工艺的特点成型工艺的特点工作台连同被切出的工作台连同被切出的轮廓层下降至一定高度后，轮廓层下降至一定高度后，步进电动机驱动主动辊再步进电动机驱动主动辊再次沿逆时针方向转动，直次沿逆时针方向转动，直至完成最后一层轮廓粘合至完成最后一层轮廓粘合和切割。从工作台上取下和切割。从工作台上取下被边框所包围的长方体，被边框所包围的长方体，用小锤敲打使大部分由小用小锤敲打使大部分由小网格构成的小立方块废料网格构成的小立方块废料与制品分离，再用小刀从与制品

15、分离，再用小刀从制品上提出残余的小立方制品上提出残余的小立方块，得到三维原型制品。块，得到三维原型制品。2.2.3 LOM2.2.3 LOM的工艺过程的工艺过程1. 制作基底制作基底2. 原型制作原型制作3. 去除余料去除余料4. 后处理后处理 余料去除以后，为提高原型表面状况和机械强度，保余料去除以后，为提高原型表面状况和机械强度，保证其尺寸稳定性证其尺寸稳定性、精度等方面的要求，需对原型进行后置精度等方面的要求，需对原型进行后置处理，比如处理，比如防水、防潮、加固和使其表面光滑防水、防潮、加固和使其表面光滑等，通常采等，通常采用的后置处理工艺包括用的后置处理工艺包括修补、打磨、抛光、表面涂

16、覆修补、打磨、抛光、表面涂覆等。等。 2.2.4 LOM2.2.4 LOM成型工艺的特点成型工艺的特点（1）使用胶纸作为成型材料，成本低，原材料易于获得， 无交变，无热应力，形状和尺寸精度稳定 ； （2）成型后的模型需密封保存以免吸潮；（3）由于无须进行化学反应，成型件尺寸可以制得很大； （4）Z向精度比SLA和SLS要低； （5）纸张上有交叉格，便于成型后去除模型周边的废料，但剥离 费时； （6）模型有类木纹的纹理； （7）适合于航空、汽车等行业中体积较大的制件，但由于适应面 较窄， 渐趋淘汰。 2.3 2.3 激光选择性烧结激光选择性烧结 SLS工艺由美国得克工艺由美国得克萨斯大学奥汀分校

17、的萨斯大学奥汀分校的C.R.Dechard于于1989年研年研制成功，并首先由美国制成功，并首先由美国DTM公司商品化，它利用公司商品化，它利用粉末状材料粉末状材料（金属粉末或（金属粉末或非金属粉末）在非金属粉末）在激光照射激光照射下烧结的原理，在计算机下烧结的原理，在计算机控制下层层控制下层层堆积成形堆积成形。SLS的原理与的原理与SLA十分相十分相象，主要区别在于所使用象，主要区别在于所使用的材料及其状态。的材料及其状态。SLA使使用液态用液态光敏树脂光敏树脂，而，而SLS则使用各种则使用各种粉末状材料粉末状材料。2.3.1 SLS2.3.1 SLS工艺的原理工艺的原理其工艺过程是，先在工

18、作其工艺过程是，先在工作台上均匀地铺上一层很薄（约台上均匀地铺上一层很薄（约100200m100200m）的）的热塑性粉末热塑性粉末，也可以是金属或其他粉末外敷也可以是金属或其他粉末外敷盖一层热塑性材料形成的粉末盖一层热塑性材料形成的粉末团；在用团；在用红外线红外线将粉末材料加将粉末材料加热至恰好低于烧结点的某一温热至恰好低于烧结点的某一温度，利用计算机控制激光束及度，利用计算机控制激光束及扫描镜，按照设计零件在该层扫描镜，按照设计零件在该层的截面形状进行有的截面形状进行有选择的烧结选择的烧结。继而工作台下降一个层厚、用继而工作台下降一个层厚、用滚筒在前一个烧结层上均匀地滚筒在前一个烧结层上均

19、匀地铺上一层粉末，再用激光烧结。铺上一层粉末，再用激光烧结。如此反复进行逐层烧结，直至如此反复进行逐层烧结，直至整个零件完成。最后用低压缩整个零件完成。最后用低压缩空气吹掉零件表面附着的松散空气吹掉零件表面附着的松散粉末，得到零件。粉末，得到零件。2.3.2 SLS2.3.2 SLS的工艺特点的工艺特点1、材料适应面广。能制造塑料零件，陶瓷、 蜡、尼龙等材料的零件。能制造出直接 使用的金属零件。2、不需加支撑。3、精度不高。平均精度为0.150.2mm， 表面粗糙度不好，不宜做薄壁件。4、材料利用率为100%。2.4 2.4 熔融沉积制造熔融沉积制造1. 喷头喷头2. 送丝机构送丝机构3. 运

20、动机构运动机构n单喷头技术：零件和支撑采用同种材料，支撑去除麻烦；单喷头技术：零件和支撑采用同种材料，支撑去除麻烦；n双喷头技术：一个用来喷模型材料制造零件，另一个用来喷双喷头技术：一个用来喷模型材料制造零件，另一个用来喷支撑材料做支撑，两种材料的特性不同，去除支撑容易。支撑材料做支撑，两种材料的特性不同，去除支撑容易。nX-Y轴的联动完成喷头对截面轮廓的平轴的联动完成喷头对截面轮廓的平面扫描，面扫描，Z轴则带动工作台实现高度方轴则带动工作台实现高度方向的进给。向的进给。 4. 控制系统：运动控制、温度控制控制系统：运动控制、温度控制 5 . 软件系统：分层处理软件、成形控制软件软件系统：分层

21、处理软件、成形控制软件2.4.1 FDM2.4.1 FDM的工艺原理的工艺原理熔融挤压成形熔融挤压成形工艺原理是材料工艺原理是材料先抽成丝状，通先抽成丝状，通过送丝机构送进过送丝机构送进喷头，在喷头内喷头，在喷头内被加热熔化，喷被加热熔化，喷头沿零件截面轮头沿零件截面轮廓和填充轨迹运廓和填充轨迹运动，同时将熔化动，同时将熔化的材料挤出，材的材料挤出，材料迅速固化，并料迅速固化，并与周围的材料粘与周围的材料粘结，层层堆积成结，层层堆积成型。型。2.4.2 FDM2.4.2 FDM工艺的特点工艺的特点优点优点缺点缺点系统操作简单 维护成本低设备系统在办公环境下应用方便可以制造任意复杂程度的零件制件

22、的翘曲变形小可直接制作彩色模型原材料价格昂贵原材料价格昂贵成型件表面有较明显的成型件表面有较明显的条纹条纹需要设计与制作支撑需要设计与制作支撑沿成型轴垂直方向的强沿成型轴垂直方向的强度比较弱度比较弱2.4.3 FDM2.4.3 FDM工艺应用案例工艺应用案例n由于由于FDM制造方式的种种优点，制造方式的种种优点，FDM工艺已广泛应用于汽车、工艺已广泛应用于汽车、机械、航空航天、家电、通信、机械、航空航天、家电、通信、电子、建筑、医学、玩具等产电子、建筑、医学、玩具等产品的设计开发过程，品的设计开发过程，如产品外观评估、方案选如产品外观评估、方案选择、装配检查、功能测试、择、装配检查、功能测试、

23、用户看样订货、以及少量用户看样订货、以及少量产品制造等。占有了市场产品制造等。占有了市场很大的比重。很大的比重。使用使用FDM工艺制作医学模工艺制作医学模型，有助于改善外科手术型，有助于改善外科手术方案，并有效地进行医学方案，并有效地进行医学诊断，大大减少手术前、诊断，大大减少手术前、中和后的时间和费用中和后的时间和费用采用采用FDM工艺制作的人体骨骼模型工艺制作的人体骨骼模型2.4.3 FDM2.4.3 FDM工艺应用案例工艺应用案例2.5 3DP快速成型工艺近年来出现了一些称之近年来出现了一些称之为三维打印（为三维打印（3DP3DPThree Dimension Three Dimensi

24、on PrintingPrinting）快速成型机，）快速成型机，或称为三维印刷、粉末或称为三维印刷、粉末材料选择性粘结，有些材料选择性粘结，有些人也将这种类型的成型人也将这种类型的成型机称作小型快速成型机，机称作小型快速成型机，它以小巧、方便、价廉它以小巧、方便、价廉而迅速获得了用户的欢而迅速获得了用户的欢迎，其销售量在最近两迎，其销售量在最近两年已跃居快速成型机的年已跃居快速成型机的第三位。第三位。 结构陶瓷制品结构陶瓷制品 经过经过3DP3DP工艺制作的金属制件工艺制作的金属制件 注射模具注射模具 2.5 3DP2.5 3DP工艺的成型原理工艺的成型原理 三维喷涂粘结快三维喷涂粘结快速成

25、型工艺是由美国速成型工艺是由美国麻省理工学院开发成麻省理工学院开发成功的，它的工作过程功的，它的工作过程类似于喷墨打印机。类似于喷墨打印机。3DP工艺与工艺与SLS工艺工艺类似，都是采用粉末类似，都是采用粉末材料成型，如陶瓷粉材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料末、金属粉末、塑料粉末等。粉末等。2.5 3DP2.5 3DP工艺的成型原理工艺的成型原理 3DP工艺与工艺与SLS工艺所不同工艺所不同的是，的是，3DP的材料粉末不是通的材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过过烧结连接起来的，而是通过喷头喷涂粘结剂（如硅胶）将喷头喷涂粘结剂（如硅胶）将零件的截面零件的截面“印刷印刷”在材料粉在材料粉

26、末上面。用粘结剂粘接的零件末上面。用粘结剂粘接的零件强度较低，还需后处理。后处强度较低，还需后处理。后处理的过程主要是先烧掉粘结剂，理的过程主要是先烧掉粘结剂，然后在高温条件下深入金属，然后在高温条件下深入金属，使零件致密化以提高强度。使零件致密化以提高强度。2.5 3DP2.5 3DP快速成型工艺的原理快速成型工艺的原理其工艺原理如左图所示。其工艺原理如左图所示。首先铺粉或铺基底薄层首先铺粉或铺基底薄层（如纸张），利用喷嘴按（如纸张），利用喷嘴按指定路径将液态粘结剂喷指定路径将液态粘结剂喷在预先铺好的粉层或薄层在预先铺好的粉层或薄层上特定区域，逐层粘结后上特定区域，逐层粘结后去除多余底料便得到所需去除多余底料便得到所需形状制件。也可以直接逐形状制件。也可以直接逐层喷涂陶瓷或其他材料粉层喷涂陶瓷或其