快速成型技術(shù)

主講：J-bc機(jī)械系機(jī)械制造自動化教研室快速成型技術(shù)快速成型技術(shù)的產(chǎn)生背景主要內(nèi)容快速成型技術(shù)的基本原理幾種常見的快速成型工藝快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域快速成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1

由于全球一體化市場的形成，制造業(yè)的競爭十分激烈，產(chǎn)品開發(fā)周期的長短直接影響到一個企業(yè)的生死存亡。一個新產(chǎn)品在開發(fā)過程中，總是要經(jīng)過對初始設(shè)計的多次修改，才有可能真正推向市場。

制造業(yè)中的“修改”，是個非常困難的事。哪怕是外觀上的一點(diǎn)修改，往往就要重新制作模具。而模具的制作是一件非常費(fèi)錢費(fèi)時的事情，更嚴(yán)重的是拖延了時間就可能意味著失去市場。

快速成型技術(shù)的產(chǎn)生背景2因此，客觀上需要一種可以直接地將設(shè)計數(shù)據(jù)快速地轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體的技術(shù)。這樣，不但可以快速直觀地驗(yàn)證設(shè)計的正確性，而且可以向客戶、甚至僅僅是有意向的潛在客戶提供未來產(chǎn)品的實(shí)體模型，從而達(dá)到迅速占領(lǐng)市場的目的?？焖俪尚图夹g(shù)(RapidPrototyping,簡稱RP）就是在這樣的社會背景下出現(xiàn)的?？焖俪尚图夹g(shù)最早產(chǎn)生于二十世紀(jì)70年代末到80年代初,美國3M公司的AlanJ.Hebert（1978）、日本的小玉秀男（1980）、美國UVP公司的CharlesW.Hull（1982）和日本的丸谷洋二（1983），在不同的地點(diǎn)各自獨(dú)立地提出了RP的概念，即用分層制造產(chǎn)生三維實(shí)體的思想。1992年開發(fā)了第一臺商業(yè)機(jī)型3D-Modeler。3快速成型技術(shù)的原理

快速成型技術(shù)(RapidPrototyping，簡稱RP)，首先將計算機(jī)設(shè)計出來的三維實(shí)體模型數(shù)據(jù)分為二維層片數(shù)據(jù)。快速成型的成型機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)，利用特定的材料，一個薄層一個薄層地創(chuàng)建出實(shí)體，每一個薄層都貼合粘結(jié)到前一個薄層上，直至完成整個實(shí)體的創(chuàng)建。

RP技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、現(xiàn)代光電技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)集成等的結(jié)晶，是實(shí)現(xiàn)并行工程和敏捷制造的有效途徑。4快速成型原理示意圖dCAD模型RP制件切片分層疊加成型④

①②③5STLCAD模型STL模型實(shí)體分層層面信息NC代碼RPM系統(tǒng)表面網(wǎng)格處理網(wǎng)格劃分模型診斷修復(fù)NC處理從CAD模型到RPM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理6CAD模型STL模型7模型的轉(zhuǎn)換solidprt1facetnormal7.968876e-017.848658e-02-5.990076e-01//法向量坐標(biāo)

outerloopvertex1.628367e-015.926770e-022.186166e-02vertex2.313727e-014.602288e-021.113028e-01//頂點(diǎn)坐標(biāo)

vertex2.359055e-012.888914e-171.113028e-01endloop

endfacet…………facetnormal-7.851632e-01-3.252253e-01-5.270173e-01outerloopvertex-3.333042e-01-8.930858e-022.381354e-01vertex-2.988323e-01-1.725309e-012.381354e-01vertex-4.388466e-01-1.175886e-014.128267e-01

endloop

endfacetendsolidprt1STL文件文本格式一個三角形數(shù)據(jù)89求截面輪廓截面輪廓實(shí)物模型常見的RP工藝一.光固化快速成型工藝（StereolithographyApparatus,簡稱SLA）

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HRPL-III光固化快速成型機(jī)

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二.分層實(shí)體制造工藝

（LaminatedObjectManufacturing，簡稱LOM）

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三.選擇性激光燒結(jié)成型工藝（SelectiveLaserSintering，簡稱SLS）

13AFS-450成型系統(tǒng)(北京隆源自動成型公司)成型過程控制14RP成型過程控制界面15四.熔融堆積成型工藝（FuseDepositionModeling，簡稱FDM）

16FDM快速成型機(jī)(北京瑞科達(dá)快速成型公司)

17傳統(tǒng)的機(jī)加工18TXK全系列數(shù)控鏜銑床數(shù)控龍門加工中心(威海)數(shù)控加工19如何縮短復(fù)雜零件的研發(fā)周期？20如何加工高難度的零件？21快速成型技術(shù)的特點(diǎn)快速性

其制造周期僅為數(shù)控加工的1/5~1/10，速度比傳統(tǒng)成型加工方法快得多。成功地解決了CAD造型“看得見摸不著”的問題。

生產(chǎn)柔性好不需要專門的模具和夾具，成型件的變化只需通過修改其CAD模型即可實(shí)現(xiàn)。無振動，無噪音，無切削。高度集成化

RP技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)、材料工程和機(jī)電工程與控制技術(shù)的綜合體現(xiàn)?？蛇x材料的廣泛性可采用樹脂類、塑料類、紙類、石蠟類原料，也可采用復(fù)合材料、金屬材料或陶瓷材料等。廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域新產(chǎn)品開發(fā)、快速單件及小批量零件制造、不規(guī)則零件或復(fù)雜形狀零件的制造、模具、難加工材料的制造等。

22快速成型技術(shù)的用途產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計評價和功能測試實(shí)現(xiàn)快速模具制造及快速制造復(fù)雜金屬零件醫(yī)學(xué)上的輔助診斷和手術(shù)模擬仿真微型零件制造的研究開發(fā)與逆向工程(ReverseEngineering)集成2324(一)產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計評價和功能測試

252627檢驗(yàn)發(fā)動機(jī)外殼和管接頭的裝配情況28奇瑞發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管（石膏型鑄造）29風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)/壽命計算和熱量計算

發(fā)動機(jī)葉輪

30蠟?zāi)?二)快速制造模具及復(fù)雜金屬零件（小批量）金剛砂模3132制作周期：10天坦克發(fā)動機(jī)部件

飛機(jī)發(fā)動機(jī)部件33清華-有研院直接金屬沉積制造的零件343536零件的RP模型翻制得到凸、凹模最終模具翻制模具示意圖連桿快速模具制作案例37RPRP模型模型38(三)醫(yī)學(xué)上的輔助診斷和手術(shù)模擬仿真

將RP技術(shù)與醫(yī)學(xué)CT(ComputerizedTopography)，MRI(MagneticResonanceImaging磁共振成像)技術(shù)結(jié)合，能輔助外科醫(yī)生迅速準(zhǔn)確地實(shí)施復(fù)雜的外科手術(shù)以及進(jìn)行假肢設(shè)計和制造。由CT片層數(shù)據(jù)獲得骨骼輪廓信息，用快速成型技術(shù)可復(fù)制骨骼三維實(shí)體模型，為矯形外科、頜面外科的假肢設(shè)計制造，復(fù)雜骨骼疾病診斷以及臨床教學(xué)打下基礎(chǔ)。39顱頜面三維結(jié)構(gòu)和復(fù)雜顱面畸形的觀察分析、定位和定量診斷以及周密準(zhǔn)確的手術(shù)設(shè)計模擬對于成功的顱頜面整形外科治療尤為重要。40

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年因先天性畸形或腫瘤、外傷、車禍造成的顱頜骨缺損患者超過幾十萬例。上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院采用生物活性人工骨材料，通過計算機(jī)三維技術(shù)“量身定做”顱頜骨假體，用以修復(fù)顱頜骨缺損患者，效果顯著，該項(xiàng)技術(shù)已申請國家發(fā)明專利。

2005年8月26日，由西安交通大學(xué)承擔(dān)的“人工生物活性骨的快速復(fù)合制造技術(shù)研究”課題通過了863計劃先進(jìn)制造與自動化技術(shù)領(lǐng)域組織的專家驗(yàn)收。CT圖像點(diǎn)云曲面RP模型41基于快速成型的人工生物活性骨骼制造原理42生物材料快速成型機(jī)43網(wǎng)狀彈力繃帶和彈力網(wǎng)帽

升降頸托（高分子）44（四）微型機(jī)械/零件制造的研究開發(fā)

采用激光熔化金屬粉末材料直接制造金屬零件是RP技術(shù)向RM發(fā)展的必然趨勢，也是世界各國研究開發(fā)的熱點(diǎn)。微型部件，薄壁金屬零部件，通信產(chǎn)品零部件等難于用傳統(tǒng)方法加工，適合于光化學(xué)快速成型。微型光快速成型CAD/CAM技術(shù)研究，是我國國防科工委青年基金項(xiàng)目的一部分。采用激光直接燒結(jié)微細(xì)金屬粉末技術(shù)可以制造三維微型機(jī)械。利用微納粉末金屬材料進(jìn)行微成型目前尚處于探索階段。目前已經(jīng)成功制作出壁厚只有100μm左右的微小金屬件。45

桌面制造系統(tǒng)是RP領(lǐng)域產(chǎn)品開發(fā)的一個熱點(diǎn)。RP設(shè)備系統(tǒng)作為CAD系統(tǒng)三維圖形輸出的外設(shè)而被人們接受。而桌面系統(tǒng)要求體積小，操作、維護(hù)簡單，噪音、污染少，對環(huán)境無特別要求，且成形速度快，但精度要求適當(dāng)降低。美國SandersPrototype公司推出了廉價的桌面系統(tǒng)ModelMaker。設(shè)備體積小作為微型計算機(jī)的3維輸出外圍設(shè)備。成本低為同類設(shè)備價格的1/5~1/20，設(shè)備銷售價格為10～12萬元/臺，批量生產(chǎn)的價格還可降低。使用維持費(fèi)用低運(yùn)行成本僅相當(dāng)于同類產(chǎn)品的1/8～1/20。成型范圍的自由度大既可滿足中小尺寸零件的快速成型要求，又可制作一定尺寸的微小機(jī)械?？煽啃愿呖砷L時間無人全自動化工作。

46快速成型微型零件產(chǎn)品47(五)與反求工程結(jié)合

所謂反求工程（ReverseEngineering），指的是針對一現(xiàn)有的樣品，利用3D數(shù)字化測量儀器準(zhǔn)確、快速地將其輪廓坐標(biāo)量出，并進(jìn)行三維CAD曲面重構(gòu)后傳至CAD/CAM系統(tǒng)，再由CAM產(chǎn)生刀具的NC加工路徑送至CNC加工設(shè)備制作所需的模具，或者送到快速成型機(jī)（RP）將樣品制作出來。在反求工程中引入RP技術(shù)，能使反求檢測結(jié)果以最快的速度仿制出優(yōu)化設(shè)計的產(chǎn)品原型。RP技術(shù)與三坐標(biāo)測量儀、三維掃描儀、工業(yè)CT等反求測量手段以及傳統(tǒng)的數(shù)控加工結(jié)合，組成了集成的快速制造系統(tǒng)，可實(shí)施快速反求工程。48三坐標(biāo)測量儀49現(xiàn)場測量

鑄件測量逆向工程管件測量50激光跟蹤儀現(xiàn)場檢測

整車掃描

整車掃描數(shù)據(jù)5152葉輪實(shí)物

葉輪點(diǎn)云

曲面重構(gòu)

STL模型NC代碼快速成型機(jī)數(shù)控機(jī)床利用RP技術(shù)快速仿制實(shí)物53RP技術(shù)比例示意圖54RP國外研究狀況地區(qū)分布：美國、日本、西歐（德國瑞典法國）

研究重點(diǎn)：金屬直接成形、桌面制造系統(tǒng)、新工藝/新方法

美國主要RP技術(shù)公司和學(xué)校的研究開發(fā)情況：

3DSystemInc.研究以SLA工藝及其應(yīng)用為主，并開發(fā)成功分辯率為300dpi的多噴頭3D-MJM系統(tǒng)；

Strategy’sInc.開發(fā)了FDM和桌面制造系統(tǒng)Genesis；

TheUniversityofDayton以AllanJ.Lightman為首從事多種RP工藝的研究，每年在這所大學(xué)召開國際RPM學(xué)術(shù)會議。55日本僅次于美國，大力發(fā)展RP，主要的研究單位有：

東京大學(xué)以中山威雄為首，從事SLA和LOM技術(shù)的研究；

SONY公司屬下的D-MEC，從事SLA，推出SCS型設(shè)備；

Mitsubishi公司屬下的CMETINC.從事SLA，推出SOUP設(shè)備，在日本已占據(jù)相當(dāng)市場；西歐許多研究機(jī)構(gòu)和廠商也將目光瞄準(zhǔn)這一領(lǐng)域，如：

德國Electro-OpticalSystemGumbo即EOS，主要從事SLA和SLS；

瑞典SparAB(LarsonBrothersCO.AB)推出“HotPlotRapidPrototyping”系統(tǒng)，類似于Helices的LOM；

法國Laser3D推出RPSystem。

56金屬合金粉末的直接燒結(jié)。該方法基于SLS(激光選擇性燒結(jié))工藝。美國Austin大學(xué)在這方面進(jìn)行了大量的研究，并研制了成形高溫材料的燒結(jié)設(shè)備。用金屬絲線，利用堆焊的方法成形金屬零件。英國的Nottingham大學(xué)正在進(jìn)行這方面的研究。用激光切割金屬板材，并用激光焊接的方法將各層截面連接起來。

上述這些方法目前都處在研究過程中，還沒有真正實(shí)用。但直接成形金屬零件是一個很有潛力的發(fā)展目標(biāo)，它可以大大地擴(kuò)大RP技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，使設(shè)計和制造更緊密地聯(lián)接在一起。金屬直接成形：57直接金屬沉積制造的零件RP國內(nèi)研究狀況研究單位：清華、華中科大、西安交大、北京隆源公司等

其它研究內(nèi)容：材料研究、RP前端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理、RP后端應(yīng)用技術(shù)

清華大學(xué)機(jī)械工程系是最早進(jìn)行RP技術(shù)研究的單位，于92年成立了“激光快速成形中心”。1994年6月，該中心在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了“分層實(shí)體制造”SSM工藝，相當(dāng)于美國的LOM；目前，中心主要的研究方向在：MRPMS多功能快速成形機(jī)的開發(fā)；低溫冰成形;基于RP的陶瓷型精密鑄造技術(shù)等；其多功能快速成形設(shè)備MRPMS，并遠(yuǎn)銷至泰國、香港以及國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)。

58華中理工大學(xué)于1994年開始研制LOM工藝，開發(fā)出了類似于LOM的“快速成形系統(tǒng)”─RPS(RapidPrototypingSystem)。該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)商品化。目前，他們正立足國內(nèi)，開發(fā)國產(chǎn)的RPS。另外，該校的光電子系在進(jìn)行SLA光敏樹脂的研制。浙江大學(xué)在國家自然科學(xué)基金的支持下，開展光敏樹脂的固化精度研究。南京航空航天大學(xué)正進(jìn)行SLS工藝的研究。西安交通大學(xué)在國家科委、教委的支持下，開發(fā)SLA工藝及設(shè)備的研究。北京隆源公司積極投入力量開發(fā)SLS工藝，1995年3月其SLS設(shè)備通過鑒定。59經(jīng)過多年的宣傳和推廣，RP技術(shù)在國內(nèi)逐漸被認(rèn)識和接受。越來越多的工廠、公司和科研機(jī)構(gòu)對它表示了興趣。如：廣東華寶空調(diào)器廠、廣東科技實(shí)業(yè)開發(fā)公司、上海上菱公司都引進(jìn)了美國3DSystem公司的SLA-500，進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)與對外服務(wù)；青島利勃海爾電冰箱廠引進(jìn)日本CMET公司的SOUP-600。深圳生產(chǎn)力促進(jìn)局、廣州華泰公司購買了FDM設(shè)備開展技術(shù)服務(wù)。清華大學(xué)激光快速成形中心利用其引進(jìn)的SLA-250以及自主開發(fā)的MRPMS設(shè)備（含SSM和MEM兩種工藝）為社會服務(wù)，為用戶制造了包括電話機(jī)、玩具汽車、衛(wèi)生潔具、汽車零件鑄件毛坯等多種原形，受到用戶的廣泛好評。

60RPM技術(shù)的發(fā)展趨勢不同制造目標(biāo)相對獨(dú)立發(fā)展

從制造目標(biāo)來說,RPM主要用于①快速概念設(shè)計原型制造,②快速模具原型制造,③快速功能測試原型制造及④快速功能零件制造。

由快速概念型制造和快速模具原型制造的巨大市場和技術(shù)可行性，將來這兩個方面將是研究和商品化的重點(diǎn)。由于彼此特點(diǎn)有較大差距，兩者將呈相對獨(dú)立發(fā)展的態(tài)勢?？焖贉y試型制造由于使用范圍的限制和特點(diǎn)不夠鮮明，本身不會形成獨(dú)立流派，將附屬于快速