快速原型技術(shù)

本節(jié)要點(diǎn)快速原型制造的工作原理快速原型制造的工藝過程典型的RPM方法：SLA，SLS，LOM，F(xiàn)DM，3D-Printing快速原型制造技術(shù)

RapidPrototypingManufacturing

快速原型技術(shù)★定義：快速原型技術(shù)是用離散分層的原理制作產(chǎn)品原型的總稱，其原理為：產(chǎn)品三維CAD模型→分層離散→按離散后的平面幾何信息逐層加工堆積原材料→生成實(shí)體模型，

簡稱RP。RP技術(shù)的基本原理圖三維CAD模型分層切片各層截面的輪廓激光器（或噴嘴）按各層截面輪廓切割、固化或燒結(jié)微小厚度的片狀實(shí)體逐層堆積三維模型或樣件RPM技術(shù)原理

----成形學(xué)與離散堆積原理成形（Forming）：將物體有序地組織成具有確定外形和一定功能的三維實(shí)體。包括三個(gè)基本要素：物質(zhì)的提取，序的建立，完成（形狀、功能）三維實(shí)體。成形學(xué)（Shaping）：從方法論高度系統(tǒng)地研究成形的科學(xué)，著重研究成形三要素及其之間的相互作用。成形方式：1.去除成形（DislodgeForming）運(yùn)用分離的方法，把一部分材料有序地從基體上分離出去而成形的方法。Turning,Milling,Grinding,Boringetc..2.堆積成形（StackingForming）運(yùn)用合并與連接的方法，把材料（氣、液、固相）有序地合并堆積起來的成形方法。RPM。3.受迫成型（ForcedForming）利用材料的可成形性（如塑性）在特定外圍約束（邊界約束或外力約束)下的成形方法。Extrude，Cast，Powdermetallurgy。4.生長成形（GrowthForming)利用材料的活性進(jìn)行成形的方法。自然系統(tǒng)中生物個(gè)體發(fā)育，人為系統(tǒng)中還沒有。

RPM屬于離散/堆積成形。RPM技術(shù)是采用軟件離散材料堆積的原理實(shí)現(xiàn)零件的成形過程。通過離散獲得堆積的路徑、順序、限制和方式，通過堆積材料“疊加”起來形成三維實(shí)體。RPM作業(yè)過程：CAD模型建立。STL文件生成。分層切片?？焖俣逊e成型

。RPS分層切片STL文件CAD模型三維數(shù)字化儀等CAD造型系統(tǒng)快速成形的全過程

1.前處理它包括工件的三維模型的構(gòu)造、三維模型的近似處理、模型成形方向的選擇和三維模型的切片處理。2.分層疊加成形它是快速成形的核心，包括模型截面輪廓的制作與截面輪廓的疊合。3.后處理它包括工件的剝離、后固化、修補(bǔ)、打磨、拋光和表面強(qiáng)化處理等。★RP技術(shù)是在現(xiàn)代CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來的?！颮P技術(shù)在不需要任何刀具、模具及工裝卡具的情況下，可將任意復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)方案快速轉(zhuǎn)換為三維的實(shí)體模型或樣件，這就是RP技術(shù)所具有的潛在的革命意義?？焖僭图夹g(shù)的意義快速原型技術(shù)的特點(diǎn)(1)可迅速制造出自由曲面和更為復(fù)雜形態(tài)的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和開發(fā)周期。(2)屬非接觸加工，不需要機(jī)床切削加工所必需的刀具和夾具，無刀具磨損和切削力影響。(3)無振動(dòng)、噪聲和切削廢料。(4)可實(shí)現(xiàn)夜間完全自動(dòng)化生產(chǎn)。(5)加工效率高，能快速制作出產(chǎn)品實(shí)體模型及模具。快速原型制造作用1.不需要任何刀具，模具及工裝卡具的情況下，可將任意復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)方案快速轉(zhuǎn)換為三維的實(shí)體模型或樣件。2.模型或樣件可直接用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、外觀驗(yàn)證、工程分析、市場(chǎng)訂貨以及企業(yè)的決策等，提高了產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競爭力和企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的快速反應(yīng)能力。3.為技術(shù)人員之間，以及技術(shù)人員與企業(yè)決策者、產(chǎn)品的用戶等非技術(shù)人員之間提供了一個(gè)更加形象、完整、方便的工程交流工具。4.支持同步（并行）工程的實(shí)施5.支持技術(shù)創(chuàng)新、改進(jìn)產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)6.用RP技術(shù)制做模具7.逆向工程（反求）RPM的特點(diǎn)1）高度柔性2）技術(shù)的高度集成3）設(shè)計(jì)制造一體化4）快速性5）自由成形制造(FreeFormFabrication，F(xiàn)FF)6）材料的廣泛性快速原型服務(wù)領(lǐng)域

工業(yè)造型、模具、家電、電子儀表、輕工、塑料、玩具、航空航天、軍工、機(jī)械、汽車、摩托車、內(nèi)燃機(jī)、建筑規(guī)劃及模型、科研、醫(yī)療等?？焖倌＞呒夹g(shù)快速模具技術(shù)(Rapidtooling，簡稱RT)：是隨著RP技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新技術(shù)。主要是運(yùn)用RP生產(chǎn)的原型來做模具。RT模具種類：軟模具：臘模、硅橡膠模、環(huán)氧樹脂模、聚氨脂模等硬模具：環(huán)氧樹脂、石膏、陶瓷、低熔點(diǎn)金屬、金屬基復(fù)合材料等。RP＆RT用RP技術(shù)直接制做模具：用LOM系統(tǒng)制做的制件經(jīng)表面處理，其強(qiáng)度比一般木材還要高，可直接用作鑄造木模；用SLS等方法則可直接制造熔模鑄造用的蠟?zāi)?。RP＆RT用RP系統(tǒng)制造的原型作母?？焖購?fù)制簡易模具；用快速原型制件作母?？蓮?fù)制出臘模、硅橡膠模、環(huán)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(diǎn)金屬、金屬基復(fù)合材料等硬模具。這些簡易模具可用作各種鑄造模、注塑模、臘模的成型模以及拉伸模等，實(shí)現(xiàn)塑料件或金屬件的小批量生產(chǎn)。

1.設(shè)計(jì)者受益2.制造者受益3.推銷者受益4.用戶受益快速成形的效益快速原型技術(shù)分類1.材料累加法（MaterialIncreaseManufacturing）2.材料去除法:三維雕刻機(jī)（MaterialIncreaseManufacturing）成型工藝加工能量（1）Laserbeam(激光束)RP（2）Lamp(光照)RP（3）Heatenergy(熱能)RP（4）Mechanicalenergy(機(jī)械能)RP激光束RP可分為：1.立體光刻(SLA:Stereolithography)2.選擇激光沉積(SLS:SelectiveLaserSintering)3.分層制造(LOM:LaminatedObjectManufacturing)4.形狀沉積制造(SDM:ShapeDepositionManufacturing)機(jī)械能RPM又可分為1.沖擊顆粒制造(BPM:BallisticParticleManufacturing)2.三維打印(3DPrinting)3.熔化沉積造型(FDM:FusedDepositionModeling)成型方法成型速度成型精度成型制件大小原材料立體印刷成型SLA較快較高中等熱固性光敏樹脂層合實(shí)體制造LOM快低簡單紙、金屬箔帶、塑料膜選域激光燒結(jié)SLS較慢較低復(fù)雜石蠟、塑料、金屬、陶瓷等粉末熔融沉積制模FDM較慢較低中等石蠟、塑料、低熔點(diǎn)金屬表典型快速原型制造技術(shù)特點(diǎn)及常用材料對(duì)照表

SLA

光敏液相固化法FDM

熔絲沉積成形法SLS

選區(qū)激光燒結(jié)法LOM

選區(qū)片層粘接法優(yōu)點(diǎn)

(1)成形速度極快，成形精度、表面質(zhì)量高；

(2)適合做小件及精細(xì)件。(1)成形材料種類較多，成形樣件強(qiáng)度好，能直接制作ABS塑料；

(2)尺寸精度較高，表面質(zhì)量較好，易于裝配；

(3)材料利用率高；

(4)操作環(huán)境干凈、安全可在辦公室環(huán)境下進(jìn)行。(1)有直接金屬型的概念，可直接得到塑料、蠟或金屬件；

(2)材料利用率高；造型速度較快。(1)成形精度較高；

(2)只須對(duì)輪廓線進(jìn)行切割，制作效率高，適合做大件及實(shí)體件；

(3)制成的樣件有類似木質(zhì)制品的硬度，可進(jìn)行一定的切削加工。缺點(diǎn)

(1)成形后要做進(jìn)一步固化處理；

(2)光敏樹脂固化后較脆，易斷裂，可加工性不好；

(3)工作溫度不能超過100℃，成形件易吸濕膨脹，抗腐蝕能力不強(qiáng)。(1)成形時(shí)間較長；

(2)做小件和精細(xì)件時(shí)精度不如SLA。(1)成形件強(qiáng)度和表面質(zhì)量較差，精度低。

(2)在后處理中難于保證制件尺寸精度，后處理工藝復(fù)雜，樣件變型大，無法裝配。(1)不適宜做薄壁原型；

(2)表面比較粗糙，工件表面有明顯的臺(tái)階紋，成型后要進(jìn)行打磨；

(3)易吸濕膨脹，成形后要盡快做表面防潮處理；

(4)工件強(qiáng)度差，缺少彈性。SLA

光敏液相固化法FDM

熔絲沉積成形法SLS

選區(qū)激光燒結(jié)法LOM

選區(qū)片層粘接法設(shè)備購置費(fèi)用高昂低廉高昂中等維護(hù)和日常使用費(fèi)用

激光器有損耗，光敏樹脂價(jià)格昂貴，運(yùn)行費(fèi)用很高。無激光器損耗，材料的利用率高，原材料便宜，運(yùn)行費(fèi)用極低。激光器有損耗，材料利用率高，原材料便宜，運(yùn)行費(fèi)用居中。激光器有損耗，材料利用率很低，運(yùn)行費(fèi)用較高。發(fā)展趨勢(shì)穩(wěn)步發(fā)展飛速發(fā)展穩(wěn)步發(fā)展?jié)u趨淘汰應(yīng)用領(lǐng)域復(fù)雜、高精度、藝術(shù)用途的精細(xì)件塑料件外形和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造件設(shè)計(jì)實(shí)心體大件典型RPM成形方法

1.光敏液相固化法－StereoLithographyApparatus，SLA

SLA工藝于1984年獲美國專利，1988年美國3DSystem公司推出的商品化樣機(jī)SLA-1，是世界上第一臺(tái)快速原型技術(shù)成形機(jī)。這種方法的代表還有日本和德國。光敏液相固化法的基本原理SLA工藝成形的產(chǎn)品特點(diǎn)1.SLA工藝成形的零件精度較高，可達(dá)±0.1mm；可形成任意復(fù)雜形狀的零件；材料利用率高，性能可靠，產(chǎn)品透明美觀，可直接做力學(xué)實(shí)驗(yàn)。2.局限性：需要支撐，設(shè)備昂貴，樹脂收縮導(dǎo)致精度下降，光固化樹脂價(jià)格昂貴，有一定的毒性且產(chǎn)品不能溶解，不利于環(huán)保。鼠標(biāo)外殼激

光樹脂原型照相機(jī)激光樹脂原型

美國Helisys公司于1986年研制成功。該方法的代表是美國Helisys公司的LOM-1050和LOM-2030成形機(jī)，日本Kira公司的KSC-50成形機(jī)。

2.選區(qū)片層粘結(jié)法（LaminatedObjectManufacturing，LOM）

選區(qū)片層粘結(jié)法的基本原理

（1）使用膠紙作為成型材料，成本低，原材料易于獲得，無交變，無熱應(yīng)力，形狀和尺寸精度穩(wěn)定；（2）成型后的模型需密封保存以免吸潮；（3）由于無須進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，成型件尺寸可以制得很大；（4）Z向精度比SLA和SLS要低；（5）紙張上有交叉格，便于成型后去除模型周邊的廢料，但剝離費(fèi)時(shí)；