1、4.2 快速原型快速原型制造技术制造技术（Rapid Prototyping Manufacturing）顺顺向工程向工程(Forward Engineering)顺向工程（正向工程）顺向工程（正向工程）:产品实现通常是从概念设计产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品。到图样，再制造出产品。规格制定规格制定设设 计计制制 造造检检 验验CAD造造型设计型设计模型模型塑造塑造3D外型外型测量测量模具模具设计设计产品产品加工加工顺顺向工程向工程中中元件元件的开发流程的开发流程顺顺向工程中的向工程中的产品产品造型造型设计设计加工流程加工流程引言引言逆向工程逆向工程(Reverse Engine
2、ering)逆向工程：产品是根据零件（或原型）生成图逆向工程：产品是根据零件（或原型）生成图样，再制造产品。样，再制造产品。广义的逆向工程包括：广义的逆向工程包括：u形状（几何）逆向形状（几何）逆向u工艺逆向工艺逆向u材料逆向等材料逆向等逆向工程是一个复杂的系统工程。目前大逆向工程是一个复杂的系统工程。目前大多数的研究和应用都集中在几何形状，即重建多数的研究和应用都集中在几何形状，即重建产品实物的产品实物的CAD模型和最终产品的制造方面，模型和最终产品的制造方面，称为称为“实物逆向工程实物逆向工程”。样样 品品3D轮轮廓量测廓量测资料资料处理处理CAD曲曲面建构面建构外形外形修饰修饰量产量产复
3、制复制模具模具成型成型RP快快速成型速成型逐层产生逐层产生STL挡挡模具模具加工加工CAM产产生生NC档档引言引言用来建造未来模型或系统基础的一个初始模型或系统用来建造未来模型或系统基础的一个初始模型或系统 包括从概念设计到具有完整功能制品的有形和无形展示包括从概念设计到具有完整功能制品的有形和无形展示原型分类：原型分类：物理原型物理原型分析原型分析原型 什么是什么是“原型原型(prototype)”近似或直接为产品的有形实体表示，近似或直接为产品的有形实体表示，物理原型是实际存在的，可以进行物理原型是实际存在的，可以进行检测和试验，在视觉和触觉上都类检测和试验，在视觉和触觉上都类似于产品似于
4、产品 产品的非有形表示，以仿真、视觉图像、产品的非有形表示，以仿真、视觉图像、方程或分析结果表示，在大多数情况下，方程或分析结果表示，在大多数情况下，原型是指物理原型，即是物体在三维空原型是指物理原型，即是物体在三维空间的实物表示间的实物表示引言引言用于实体观察、分析、试验、校核、展示、直接用于实体观察、分析、试验、校核、展示、直接使用或间接制造模具，使用或间接制造模具，但不具备或不完全具备但不具备或不完全具备零部件的功能零部件的功能“原型原型”的产生方式的产生方式l利用已有技术按目的要求进行设计、加工，或利用已有技术按目的要求进行设计、加工，或利用利用CAD/CAM系统，建立原型的三维模型并
5、加系统，建立原型的三维模型并加工成实物。工成实物。l利用逆向工程技术，即实物样品，原封不利用逆向工程技术，即实物样品，原封不动或经过局部修改后得到这个样品的复制品或仿动或经过局部修改后得到这个样品的复制品或仿制品。制品。“原型原型”的作用的作用引言引言一一快速原型快速原型制造技术的原理制造技术的原理二二快速原型快速原型制造技术的发展历史制造技术的发展历史三三快速原型快速原型制造技术的发展现状制造技术的发展现状四四快速原型快速原型制造技术的应用制造技术的应用五五快速原型快速原型制造技术目前存在问题制造技术目前存在问题六六快速原型快速原型制造技术的发展趋势制造技术的发展趋势主主 要要 内内 容容n
6、快速原型制造技术（又叫快速成形技术）RAPID PROTOTYPING 简称 RP 技术或RAPID PROTOTYPING MANUFACTUREING，简称RPM n九十年代发展起来的一项高新技术。nRP技术是在现代 CAD/CAM 技术、激光技术、技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术料技术的基础上集成发展起来的原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术快速原型快速原型制造技术制造技术 借助借助计算机辅助设计计算机辅助设计或由或由实体逆向方法实体逆向方法取得取得原型或零件几何形状、结构和尺寸，进而原型原型或零件几何形状、结构和
7、尺寸，进而原型概念并以此建立数字化模型，再利用计算机控概念并以此建立数字化模型，再利用计算机控制之机电集成制造系统，通过逐点、逐面进行制之机电集成制造系统，通过逐点、逐面进行材料材料“三维堆砌三维堆砌”成型，再经过必要处理，使成型，再经过必要处理，使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求，其在外观、强度和性能等方面达到设计要求，达到快速、准确地制造原型或实际零件之方法。达到快速、准确地制造原型或实际零件之方法。原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术三维CAD模型分层切片各层截面的轮廓激光器（或喷嘴）按各层截面轮廓切割、固化或烧结微小厚度的片状实体逐层堆积三维模型或样件RP技术的基本原理技术的
8、基本原理采用分层累加法，即用采用分层累加法，即用CADCAD造型或实体逆向方造型或实体逆向方法取得原型、生成法取得原型、生成STLSTL文件、分层切片等步骤进行文件、分层切片等步骤进行数据处理，借助计算机控制的成型机完成材料的数据处理，借助计算机控制的成型机完成材料的形体制造形体制造 。成型机的基本原理图成型机的基本原理图原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术快速原型制造技术步骤快速原型制造技术步骤 原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术快速原型制造的典型实例快速原型制造的典型实例原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术RP系统可分为两大类：系统可分为两大类：l基于激光或其它光源的成型技术
9、基于激光或其它光源的成型技术 如：如：立体光造型（立体光造型（Stereo lithographyStereo lithography：SLSL）迭层实体制造（迭层实体制造（Laminated Object ManufacturingLaminated Object Manufacturing：LOMLOM）选择性激光烧结（选择性激光烧结（Selected Laser SinteringSelected Laser Sintering：SLSSLS）形状沉积制造（形状沉积制造（Shape Deposition ManufacturingShape Deposition Manufacturin
10、g：SDMSDM）等；）等；l基于喷射的成型技术基于喷射的成型技术 如：如：熔融沉积制造（熔融沉积制造（Fused Deposition ModelingFused Deposition Modeling：FDMFDM）三维打印制造（三维打印制造（Three Dimensional PrintingThree Dimensional Printing：3DP3DP）冲击颗粒制造冲击颗粒制造(BPM:Ballistic Particle Manufacturing)(BPM:Ballistic Particle Manufacturing)等。等。原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术快速原型
11、制造的主要方法快速原型制造的主要方法 选择性层片粘接（选择性层片粘接（LOMLOM）选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLSSLS）熔融沉积成形（熔融沉积成形（FDMFDM）选择性液体固化（选择性液体固化（SLASLA）原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术选择性液体固化的基本原理选择性液体固化的基本原理 基于液态光敏树脂的光聚合原理。将激光聚集到液态基于液态光敏树脂的光聚合原理。将激光聚集到液态光固化材料（如光固化树脂）表面逐点扫描，令其有规律光固化材料（如光固化树脂）表面逐点扫描，令其有规律地固化，由点到线到面，完成一个层面的建造。而后升降地固化，由点到线到面，完成一个层面的建造。而后升降
12、移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，进行移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，进行第二层扫描，再建造一个层面，第二层就牢固地粘贴到第第二层扫描，再建造一个层面，第二层就牢固地粘贴到第一层上，由此层层迭加成为一个三维实体。一层上，由此层层迭加成为一个三维实体。原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术选择性液体固化工艺选择性液体固化工艺 SLA立体光刻（立体光刻（SLA SLA Stereo Stereo Lithography Apparatus)Lithography Apparatus)，又称立体又称立体印刷，光成形印刷，光成形 :光固化立体造型光固化立体造型 (Stere
13、o Lithography),(Stereo Lithography),激光光印刷激光光印刷（Laser Photolithography),Laser Photolithography),SLA工艺于1984年获美国专利，1988年美国3D System公司推出的商品化样机SLA1，是世界上第一台快速原型技术成形机。目前，SLA各型成形机占据着RP设备市场的较大份额。这种方法的代表还有日本DMET公司的SOUP系列、D-MEC公司的SCS系列和Teijin Seiki公司的Mark1000,德国EOS公司的STEREOS系列。原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术立体光刻立体光刻(SLA)
14、工艺成形的产品特点工艺成形的产品特点 SLASLA方法是目前快速成方法是目前快速成形技术领域中研究得最多形技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为的方法，也是技术上最为成熟的方法。成熟的方法。特点：特点：lSLA SLA 工艺成形的零件精度工艺成形的零件精度较高，能达到较高，能达到0.1mm0.1mm；产品；产品透明美观，可直接做力学透明美观，可直接做力学实验。实验。l但这种方法也有自身的局但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光脂收缩导致精度下降、光固化树脂价格昂贵，有一固化树脂价格昂贵，有一定的毒性；且产品不能溶定的毒性；且产品不能溶解，不
15、利于环保解，不利于环保 。鼠标外壳激鼠标外壳激 光树脂原型光树脂原型照相机激光树脂原型照相机激光树脂原型原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术选择性层片粘接（选择性层片粘接（LOM）的基本原理）的基本原理 采用激光或刀具对片材进行切割。首先切割出工艺边框和采用激光或刀具对片材进行切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。通过升降平台的移动和箔材片材表面事先涂覆上一层热熔胶。通过升降平台的移动和箔材的送给的送给,并利用热压辊辗压将后铺的箔材与先前的层片粘接在一并利用热压辊辗
16、压将后铺的箔材与先前的层片粘接在一起，再切割出新的层片。这样层层迭加后得到下一个块状物，起，再切割出新的层片。这样层层迭加后得到下一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术选择性层片粘接工艺选择性层片粘接工艺 LOM分层实体制造分层实体制造（LOM）(Laminated Object Manufacturing)，又称固体切片制造固体切片制造（SSM）(Solid Slicing Manufacturing)LOM工艺由美国Helisys公司于1986年研制成功。这种方法的代表
17、是美国Helisys公司的LOM-1050和LOM-2030成形机，日本Kira公司的KSC-50成形机。原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术LOM的反求应用举例的反求应用举例原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术公道杯实物公道杯实物CTCT扫描扫描计算机三维重建计算机三维重建LOMLOM加工加工原型原型1.1.由于由于LOMLOM工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓，而工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此不用扫描整个截面，因此工艺简单，成型速度快工艺简单，成型速度快，易于，易于制造大型零件；制造大型零件；2.2.工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形，
18、工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形，零件的精度较高零件的精度较高，激光切割为，激光切割为0.1mm0.1mm，刀具切割为，刀具切割为0.15mm0.15mm；3.3.工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支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，所以撑作用，所以LOMLOM工艺无需加支撑；工艺无需加支撑；4.4.材料广泛，成本低，用材料广泛，成本低，用纸制原料还有利于环保纸制原料还有利于环保；5.5.力学性能差力学性能差，只适合做外形检查。，只适合做外形检查。分层实体制造（分层实体制造（LOM）产品的特点）产品的特点原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术选
19、择性激光烧结的基本原理选择性激光烧结的基本原理(SLS)SLSSLS工艺是利用粉末状材料成形的。先在工作台上工艺是利用粉末状材料成形的。先在工作台上铺上一层有很好密实度和平整度的粉末，用高强度的铺上一层有很好密实度和平整度的粉末，用高强度的CO2CO2激光器在上面扫描出零件截面，有选择地将粉末熔化或粘激光器在上面扫描出零件截面，有选择地将粉末熔化或粘接，形成一个层面，利用滚子铺粉压实，再熔结或粘接成接，形成一个层面，利用滚子铺粉压实，再熔结或粘接成另一个层面并与原层面熔结或粘接，如此层层叠加为一个另一个层面并与原层面熔结或粘接，如此层层叠加为一个三维实体。三维实体。原理原理快速原型快速原型制造
20、技术制造技术选择性激光烧结工艺选择性激光烧结工艺 SLS选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS)SLS)(Selective Laser Sintering(Selective Laser Sintering）又称激光又称激光熔结（熔结（LF)LF)(Laser Fusion(Laser Fusion）选择性激光烧结工艺由美国德克萨斯大学奥斯汀分校于选择性激光烧结工艺由美国德克萨斯大学奥斯汀分校于19891989年研制成功，已被美国年研制成功，已被美国DTMDTM公司商品化，推出公司商品化，推出SLS SLS Model125Model125成形机。德国成形机。德国EOSEOS公司和我国的北京
21、隆源自动成形公司和我国的北京隆源自动成形系统有限公司也分别推出了各自的系统有限公司也分别推出了各自的SLSSLS工艺成形机工艺成形机。原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）的产品特点）的产品特点1.1.材料适应面广材料适应面广，不仅能制造塑料零件，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。特还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以制造出能直接使用的金属零别是可以制造出能直接使用的金属零件。这使件。这使SLSSLS工艺颇具吸引力。工艺颇具吸引力。2.SLS2.SLS工艺工艺不需加支撑不需加支撑，因为没有烧结，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。的
22、粉末起到了支撑的作用。3.3.精度不高精度不高。平均精度为。平均精度为0.150.150.2mm0.2mm，表面粗糙度不好，表面粗糙度不好，不宜做薄壁件；不宜做薄壁件；原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术熔融沉积成形的基本原理熔融沉积成形的基本原理(FDM)将热熔性材料（将热熔性材料（ABSABS、尼龙或蜡）通过喷头加热器、尼龙或蜡）通过喷头加热器熔化；喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化熔化；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；材料迅速凝固冷却后，与周围的材料凝结形的材料挤出；材料迅速凝固冷却后，与周围的材料凝结形成一个层面；然后将第二个层面用同样的方法建造出
23、来，成一个层面；然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。（不需激光系统）维实体。（不需激光系统）原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术熔融沉积成形工艺熔融沉积成形工艺 FDM熔融沉积成形熔融沉积成形 (FDM)(FDM)(Fused Deposition(Fused Deposition Modeling)Modeling)又又称称熔融挤压成形熔融挤压成形 (MEM)(MEM)(Melted Extrusion(Melted Extrusion Modeling)Modeling)熔融沉
24、积成形工艺熔融沉积成形工艺于于19881988年研制成功，后年研制成功，后由美国由美国StratasysStratasys公司公司推出商品化的推出商品化的3D 3D Modeler 1000Modeler 1000和和FDM1600FDM1600等规格的系列等规格的系列产品。最新产品是制造产品。最新产品是制造大型大型ABSABS原型的原型的FDM8000FDM8000、QuantumQuantum等型号的产品。等型号的产品。原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术熔融沉积成形熔融沉积成形(FDM)的产品特点的产品特点FDMFDM工艺不用激光工艺不用激光器件，因此器件，因此使用、使用、维护简单，
25、成本较维护简单，成本较低低。精度可达精度可达0.12mm0.12mm，适合做适合做薄壁件薄壁件。污染小污染小，材料可以，材料可以回收。回收。用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。用用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。用ABSABS制造的制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。由于以用。由于以FDMFDM工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优点，该类工艺发展极为迅速。优点，该类工艺发展极为迅速。原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术快速成形技术的主
26、要特征快速成形技术的主要特征 它与它与NCNC机床的主要区别在于高度柔性。无论是数控机床还是加工机床的主要区别在于高度柔性。无论是数控机床还是加工中心，都是针对某一类型零件而设计的。如车削加工中心，铣削加工中心，都是针对某一类型零件而设计的。如车削加工中心，铣削加工中心等。对于不同的零件需要不同的装夹，用不同的工具。虽然它们中心等。对于不同的零件需要不同的装夹，用不同的工具。虽然它们的柔性非常高，可以生产批量只有几十件、甚至几件的零件，而不增的柔性非常高，可以生产批量只有几十件、甚至几件的零件，而不增加附加成本。但它们不能单独使用，需要先将材料制成毛坯。而加附加成本。但它们不能单独使用，需要先
27、将材料制成毛坯。而RPRP技技术具有最高的柔性，对于任何尺寸不超过成形范围的零件，无需任何术具有最高的柔性，对于任何尺寸不超过成形范围的零件，无需任何专用工具就可以快速方便的制造出它的模型专用工具就可以快速方便的制造出它的模型(原型原型)。从制造模型的角。从制造模型的角度，度，RPRP具有具有NCNC机床无法比拟的优点，即快速方便、高度柔性。机床无法比拟的优点，即快速方便、高度柔性。原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术主要特征主要特征 高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；CADCAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；模型直接驱动，设计制造高度
28、一体化；成形过程无需专用夹具或工具；成形过程无需专用夹具或工具；无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程；形过程；成形全过程的快速性，适合现代激烈的产品市成形全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场。场。原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术RPRTl用用 RP RP 技术直接制做模具：技术直接制做模具：用用 LOM LOM 系统制做的制件经表面处理，其强度比一般木材还要系统制做的制件经表面处理，其强度比一般木材还要高，可直接用作铸造木模；用高，可直接用作铸造木模；用 SLS SLS 等方法则可直接制造熔模等方法则可直接制造熔模铸造用的蜡模。铸造用
29、的蜡模。l用用 RP RP 系统制造的原型作母模快速复制简易模具：系统制造的原型作母模快速复制简易模具：用快速原型制件作母模可复制出腊模、硅橡胶模、环氧树脂用快速原型制件作母模可复制出腊模、硅橡胶模、环氧树脂模或聚氨脂模等软模具；据此软模具又可浇铸出环氧树脂、模或聚氨脂模等软模具；据此软模具又可浇铸出环氧树脂、石膏、陶瓷、低熔点金属、金属基复合材料等硬模具。这些石膏、陶瓷、低熔点金属、金属基复合材料等硬模具。这些简易模具可用作各种铸造模、注塑模、腊模的成型模以及拉简易模具可用作各种铸造模、注塑模、腊模的成型模以及拉伸模等，实现塑料件或金属件的小批量生产。伸模等，实现塑料件或金属件的小批量生产。
30、原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术快速模具技术：快速模具技术：RAPID TOOLING RAPID TOOLING，简称，简称 RTRT 它是随着它是随着 RP RP 技术的发展而迅速发展起来的一门新技术。技术的发展而迅速发展起来的一门新技术。主要是运用主要是运用RPRP生产的原型来做模具。生产的原型来做模具。快速原型制造技术与相关学科快速原型制造技术与相关学科lCAD/CAMCAD/CAM技术技术 （数据交换（数据交换STLSTL档案、分层软件，几何图形实档案、分层软件，几何图形实体化体化 ）l加工能源技术（雷射能量固化、切割或熔化，非雷射能量加工能源技术（雷射能量固化、切割或熔化，
31、非雷射能量堆积成型堆积成型 ）l数控技术数控技术 （控制运动（控制运动 、雷射光学参数、几何参数、温度、雷射光学参数、几何参数、温度补偿、功率控制和材料进给作补偿补偿、功率控制和材料进给作补偿 ）l材料科学与工程材料科学与工程 （光敏树脂（光敏树脂 、纸和胶、纸和胶 -概念型、测试概念型、测试型，模具型，功能零件型，模具型，功能零件）l其它相关学科（逆向工程、其它相关学科（逆向工程、反求工程反求工程，机械工程、检，机械工程、检测技术、电子与信息技术测技术、电子与信息技术 ）原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术卫星遥感地表高程数据重卫星遥感地表高程数据重构的地球三维快速原型构的地球三维快速原
32、型对快速原型制造技术的理解对快速原型制造技术的理解 在快速原型制造技术的发展过程中，各个研究在快速原型制造技术的发展过程中，各个研究机构和人员均按照自己的理解赋予其不同的称谓，机构和人员均按照自己的理解赋予其不同的称谓，这些不同称谓即反映了快速原型制造技术不同方面这些不同称谓即反映了快速原型制造技术不同方面的重要特征。的重要特征。离散堆积制造离散堆积制造实体自由成形制造实体自由成形制造材料添加制造材料添加制造即时制造即时制造分层制造分层制造直接直接CADCAD制造制造 离散堆积制造是现代成形学理论中在对成形技术发展进行总结的基础上提出的，表明了模型信息处理过程的离散性，强调了成形物理过程的材料
33、堆积性，体现了快速成形技术的基本成形原理，具有较强的概括性和适应性。实体自由成形制造(Solid Freeform Fabrication)表明快速成形技术无需专用的模腔或夹具，零件的形状和结构也相应不受任何约束。RP工艺是用逐层变化的截面来制造三维形体，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，不需要专用夹具或工具，使制造成本完全与批量无关，既增加了成形工艺的柔性，又节省了制造工装和专用工具的大量成本。材料添加制造(Material Increase Manufacturing)将材料单元采用一定方式堆积、叠加成形，有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺。即时制造(Instant Manu
34、facturing)反映该类技术的快速响应性。由于无需针对特定零件制定工艺操作规程，也无需准备专用夹具和工具，快速成形技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程，使得快速成形技术尤其适合于新产品的开发，显示了其适合现代科技和社会发展的快速反应的特征和时代要求。分层制造(Layered Manufacturing)将复杂的三维加工分解成一系列二维层片的加工，着重强调层作为制造单元的特点，每层可采取更低维单元进行累加或高维单元进行加工得到。直接CAD制造(Direct CAD Manufacturing)反映了快速成形是CAD模型直接驱动，实现了设计与制造一体化，计算机中的CAD模型通过接口
35、软件直接驱动快速成形设备，接口软件完成CAD数据向设备数控指令的转化和成形过程的工艺规划，成形设备则象打印机一样“打印”零件，完成三维输出。快速成形由于采用了离散/堆积的加工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，快速成形的工艺规划主要作用是对成形过程进行优化以提高造型精度、速度和质量，所以快速成形可容易地实现设计制造一体化。快速原型制造技术特点快速原型制造技术特点 l制造快速制造快速 l技术高度集成技术高度集成 l自由成型制造自由成型制造 l制造过程高柔度性制造过程高柔度性 l可选材料的广泛性可选材料的广泛性 l广泛的应用领域广泛的应用领域 l突出的技术经济效益突出的技术经济效益 因此，
36、因此，RPRP技术的是成型快捷性，能自动、快捷精确地将技术的是成型快捷性，能自动、快捷精确地将设计思想转变成一定功能的产品原型或直接制造零件，或通设计思想转变成一定功能的产品原型或直接制造零件，或通过反求工程完成从实物反求到制成模具的过反求工程完成从实物反求到制成模具的RE/RP/RTRE/RP/RT快速成型快速成型制造集成系统的开发。它不仅能缩短产品研制开发周期，减制造集成系统的开发。它不仅能缩短产品研制开发周期，减少产品开发费用，而且对开拓市场，用样品订货，提高企业少产品开发费用，而且对开拓市场，用样品订货，提高企业综合竞争力具有重要的作用。综合竞争力具有重要的作用。其的核心：是基于数字化
37、的新型成型技术其的核心：是基于数字化的新型成型技术 原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术应用应用RP技术的重要意义技术的重要意义 大大缩短新产品研制周期，确保新产品上市时间；大大缩短新产品研制周期，确保新产品上市时间；-使模型或模具的制造时间缩短数倍甚至数十倍；使模型或模具的制造时间缩短数倍甚至数十倍；提高了制造复杂零件的能力；提高了制造复杂零件的能力；-使复杂模型的直接制造成为可能；使复杂模型的直接制造成为可能；显著提高新产品投产的一次成功率；显著提高新产品投产的一次成功率；-可以及时发现产品设计的错误，做到早找错、早更改，可以及时发现产品设计的错误，做到早找错、早更改，避免更改后续工序
38、所造成的大量损失；避免更改后续工序所造成的大量损失；支持同步（并行）工程的实施；支持同步（并行）工程的实施；-使设计、交流和评估更加形象化，使新产品设计、样使设计、交流和评估更加形象化，使新产品设计、样品制造、市场定货、生产准备、等工作能并行进行；品制造、市场定货、生产准备、等工作能并行进行；支持技术创新、改进产品外观设计；支持技术创新、改进产品外观设计；-有利于优化产品设计，这对工业外观设计尤为重要。有利于优化产品设计，这对工业外观设计尤为重要。成倍降低新产品研发成本；成倍降低新产品研发成本；-节省了大量的开模费用节省了大量的开模费用 快速模具制造可迅速实现单件及小批量生产，使新产品上快速模
39、具制造可迅速实现单件及小批量生产，使新产品上市时间大大提前，迅速占领市场市时间大大提前，迅速占领市场原理原理快速原型快速原型制造技术制造技术l18921892年年 美国美国 层合方法制作三维地图模型层合方法制作三维地图模型发展历史发展历史快速原型快速原型制造技术制造技术l19791979年年 日本日本 东京大学中川威雄教授利用分层技东京大学中川威雄教授利用分层技术制造了金属冲裁模、成型模和注塑模。术制造了金属冲裁模、成型模和注塑模。l19801980年年 日本日本 名古屋工业大学小玉秀男提出光造名古屋工业大学小玉秀男提出光造型法型法(立体印刷成型立体印刷成型)l19841984年年 美国美国
40、UVPUVP公司完成了公司完成了Stereo Lithography Stereo Lithography ApparatusApparatus系统系统SLA-1SLA-1（3D System 3D System），并于），并于19861986年获得专利。年获得专利。l 19841984年年 美国美国M FeyginM Feygin提出层合实体制造提出层合实体制造（HelisysHelisys ）l19861986年年 美国美国 得克萨斯大学得克萨斯大学C.DeckardC.Deckard提出选域雷提出选域雷射烧结（射烧结（DTM DTM）l19881988年年 美国美国 S.CrumpS.C
41、rump提出熔融沉积造型提出熔融沉积造型发展历史发展历史快速原型快速原型制造技术制造技术国外发展现状国外发展现状美国是世界上最重要的美国是世界上最重要的RPRP设备生产国，设备生产国，19991999年美国生产的年美国生产的RPRP设设备占全世界的备占全世界的8l.5%8l.5%，美国的，美国的RPRP发展水平及其趋势基本代表了世发展水平及其趋势基本代表了世界的界的RPRP发展水平及趋势。发展水平及趋势。立体光造型立体光造型19991999年年3DSystems3DSystems公司推出公司推出SLA27000SLA27000机型，扫描速度可达机型，扫描速度可达9.52m/s9.52m/s，层
42、厚最小可达，层厚最小可达0.025mm0.025mm。迭层实体制造迭层实体制造HelisysHelisys公司研制出多种公司研制出多种LOMLOM工艺用的成型材料，可制造用金属工艺用的成型材料，可制造用金属薄板制作的成型件。薄板制作的成型件。选择性激光烧结选择性激光烧结DTMDTM公司推出了系列公司推出了系列SinterstationSinterstation成型及多种成型材料，其中成型及多种成型材料，其中SomosSomos材料具有橡胶特性，耐热、抗化学腐蚀，用该材料制造出材料具有橡胶特性，耐热、抗化学腐蚀，用该材料制造出了汽车上的蛇形管、密封垫等柔性零件。了汽车上的蛇形管、密封垫等柔性零件
43、。熔融沉积制造熔融沉积制造StratasysStratasys公司推出公司推出FDMFDM系列成型机，可使用两个喷头同时造形，系列成型机，可使用两个喷头同时造形，制作速度快。制作速度快。19991999年推出使用热塑性塑料的年推出使用热塑性塑料的GenisysGenisys成型，并开成型，并开发出水溶性支撑材料，解决了复杂及小型孔洞中的支撑材料难发出水溶性支撑材料，解决了复杂及小型孔洞中的支撑材料难以去除的问题以去除的问题。发展现状发展现状快速原型快速原型制造技术制造技术三维打印三维打印美国的美国的Z CorpZ Corp与日本的与日本的Riken InstituteRiken Institu
44、te于于20002000年研制出基于喷年研制出基于喷墨打印技术的、能制作出彩色原型件的墨打印技术的、能制作出彩色原型件的RPRP设备。该系统采用设备。该系统采用4 4种种不同的颜色能产生不同的颜色能产生8 8种不同的色调，发现原型内的温度和应力变种不同的色调，发现原型内的温度和应力变化情况，这对于原型的有限元分析尤其实用。化情况，这对于原型的有限元分析尤其实用。荷兰的荷兰的TNOTNO和德国的和德国的BMTBMT也在研究也在研究RPRP彩色制造技术。彩色制造技术。其它其它RPRP技术技术l美国美国Michigan Michigan 的的Precision Optical Manufacturi
45、ngPrecision Optical Manufacturing（POMPOM）公司正在研制直接金属成型（公司正在研制直接金属成型（Direct Metal DepositionDirect Metal Deposition：DMDDMD）技术，用激光融化金属粉末，能一次制作出质地均匀、强度高的技术，用激光融化金属粉末，能一次制作出质地均匀、强度高的金属零件。金属零件。l由美国国家航空航天局（由美国国家航空航天局（NASANASA）资助而开发的精密）资助而开发的精密RPRP设备可用设备可用来加工航空、医疗等领域用的精密零件，制造尺寸范围为来加工航空、医疗等领域用的精密零件，制造尺寸范围为45
46、0mm450mm300mm300mm300mm300mm，零件的微细特征可小于，零件的微细特征可小于12m12m，表面精度，表面精度小于小于1m1m，售价为，售价为150000150000美元左右。美元左右。l德国的研究机构则利用德国的研究机构则利用SLSL与真空注塑相结合制造微陶瓷零件，与真空注塑相结合制造微陶瓷零件，精度为精度为0.1mm0.1mm。发展现状发展现状快速原型快速原型制造技术制造技术RPRP软件软件RPRP软件主要具备软件主要具备CADCAD模型数据处理及成型机控制功能，它对成模型数据处理及成型机控制功能，它对成型零件的精度、系统的性能等方面都有很大影响。几乎每一套型零件的精
47、度、系统的性能等方面都有很大影响。几乎每一套商用商用RPRP系统都有自己的系统都有自己的RPRP软件。因此，市场上的软件。因此，市场上的RPRP软件多种多软件多种多样。样。目前目前RPRP软件系统还存在以下问题：软件系统还存在以下问题：（1 1）RPRP软件无标准化。软件无标准化。绝大多数的绝大多数的RPRP系统开发商都开发与自己的系统开发商都开发与自己的RPRP系统相匹配的系统相匹配的软件系统，市场上软件系统，市场上RPRP软件互不兼容，不同软件互不兼容，不同RPRP系统间相互交换数系统间相互交换数据非常困难。据非常困难。（2 2）RPRP软件二次开发难。软件二次开发难。目前的目前的RPRP
48、软件都随机安装，用户无法按照自己的具体要求软件都随机安装，用户无法按照自己的具体要求进行二次开发。进行二次开发。（3 3）价格昂贵，功能单一。）价格昂贵，功能单一。RPRP软件的专业开发商提供的软件的专业开发商提供的RPRP软件价格都十分昂贵，多在软件价格都十分昂贵，多在1 1万美元左右，而且仅限于数据处理模块，大多只具备模型显示、万美元左右，而且仅限于数据处理模块，大多只具备模型显示、加支撑、切片、纠错等基本功能，后续的成型机控制模块则需加支撑、切片、纠错等基本功能，后续的成型机控制模块则需用户自行解决。用户自行解决。发展现状发展现状快速原型快速原型制造技术制造技术国内有多所高校自国内有多所
49、高校自2020世纪世纪9090年代初开始进行年代初开始进行RPRP技术的技术的研究开发。研究开发。l清华大学主要研究清华大学主要研究RPRP方面的现代成型学理论、方面的现代成型学理论、SSMSSM（Slicing Solid ManufacturingSlicing Solid Manufacturing）、）、FDMFDM工艺，并开工艺，并开展了基于展了基于SLSL工艺的金属模具的研究；工艺的金属模具的研究；l华中科技大学研究华中科技大学研究LOMLOM工艺，推出了工艺，推出了HRPHRP系列成型机和系列成型机和成型材料；成型材料；l西安交通大学开发出西安交通大学开发出LPSLPS和和CPS
50、CPS系列的光固化成型系统系列的光固化成型系统及相应树脂，及相应树脂，CPSCPS系统采用紫外灯为光源，成型精度系统采用紫外灯为光源，成型精度0.2mm0.2mm。但但RPRP技术在国内的应用还不十分广泛，目前仅限技术在国内的应用还不十分广泛，目前仅限于大型企业和少部分科研院所。国内已成立多家于大型企业和少部分科研院所。国内已成立多家RPRP服服务中心，开始应用务中心，开始应用RPRP技术开发新产品。技术开发新产品。目前国内在目前国内在RPRP技术的研究应用上存在着研究队伍技术的研究应用上存在着研究队伍比较薄弱，资金投入有限，应用普及范围不够，没有比较薄弱，资金投入有限，应用普及范围不够，没有
