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5快速原形制造技术资料

5快速原形制造技术

5.1概述

5.1.1引言

制造业是一个国家的重要基础产业，为人了社会创造了大量的物质财富。

从20世纪60年代开始，全球制造业几乎每隔10年就经历一场制造战略的变迁。

制造业的发展战略从60年代“如何做得更多”（强调产品的生产规模）、70年代“如何做得更便宜”（强调产品的生产成本）、80年代“如何做得更好”（强调产品的质量）发展到90年代的“如何做得更快”（强调市场响应速度）。

随着计算机技术的迅速普及和CAD/CAM技术的广泛应用，制造领域产品的开发周期，生产周期以及更新周期越来越短。

同时，全球市场环境也发生了巨大变化：

一方面表现为消费者需求日益主体化、个性化和多样化；另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。

面对市场，不但要迅速地设计出符合人们消费需求的产品，而且还必须快速地生产制造出来，抢占市场。

因此，面对一个迅速变化且无法预料的买方市场，以往传统的大批量生产模式对市场的响应就显得越来越迟缓与被动。

快速响应市场需求，已成为制造业发展的重要走向。

为此，近年来工业化国家一直在不遗余力地开发先进的制造技术以提高制造工业的发展水平。

计算机、微电子、信息、自动化、新材料和现代化企业管理技术的发展日新月异。

产生了一批新的制造技术和制造模式。

制造工程与科学取得了前所未有的成就。

快速原形（也称快速成形）技术（RapidPrototyping，RP）就是在这种背景下逐步形成并得以发展的。

该技术借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）集成于一体，根据在计算机上构造的三维模型，以逐层累积的建造方式在很短时间内直接制造产品样品，无需传统的机械加工机床和模具。

该项技术创立了产品开发的新模式，使设计师以前所未有的直观方式体会设计的感觉，感性而迅速地验证和检查所设计的产品结构和外形，从而使设计工作进入了一种全新的境界，改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品更新换代的速度，降低了企业投资新产品的风险，加强了企业引导消费的力度。

快速原形技术制作的模型或样品可用于新产品的评价和装配检验以及性能评估等，也可用于制造硅橡胶模具的母模和熔模铸造模具的消失型等，从而批量地生产塑料件及金属零件。

用这种方法制造样品较传统方法的显著优点是，制造周期大大缩短。

由几周、几个月缩短为若干个小时，成本大大降低。

而以RP原形作母模来翻制模具的快速模具制造技术（RapidTooling，RT），进一步发挥了快速原形制造技术的优越性，可在短期内迅速推出满足用户需求的一定批量的产品，大幅度降低了新产品开发研制的成本和投资风险，缩短了新产品研制和投放市场的周期，在小批量、多品种、改型快的现代制造模式下具有强劲的发展势头。

5.1.2快速原形技术发展历史

早在1892年，J.E.Blanther在他的专利中曾建议用层叠的方法来制作地图模型。

该方法提出将地图的轮廓线压印在一系列的蜡片上，并沿轮廓线切割蜡片，然后堆叠系列蜡片产生三维地貌图。

1940年，Perera提出相似的方法，即沿轮廓线切割硬纸板，然后堆叠这些纸板，形成三维地貌图。

1964年，Zang进一步细化了该方法，建议用透明的纸板，且每一块均带有详细的地貌形态标记。

1972年，Matsubara提出在上述方法中使用光固化材料，光敏聚合树脂涂到耐火颗粒上，这些耐火颗粒然后被填充到叠层，加热形成与叠层对应的板层，光线有选择地投射或扫描到这个板层，将规定的部分硬化，没有照射或硬化的部分被某种溶剂溶化，用这种方法形成的薄板层随后不断地堆积在一起形成模型。

1976年P.L.DiMatteo明确提出这种堆积技术能够用来制造普通机械加工设备难以加工的曲面，如螺旋桨、三维凸轮等。

在具体实践中，通过铣床加工成形沿高度标识的金属层片，然后通过黏结成叠层状，采用螺栓或带锥度的销钉进行连接加固，制作了型腔模如图5-1所示

图5-1由DiMatteo制作的型腔模层叠层模型

第一台商业化的快速原形机出现于1987年11月在美国底特律举办的制造自动化展览会上，由美国3DSystem公司推出。

我国第一台快速成形机于1993年诞生在清华大学。

快速原形技术的出现虽然仅有十几年的时间，但却得到了工业界的迅速重视与应用。

美国在RP系统（设备）研制、生产、销售方面占全球主导地位，生产RP设备系统的公司主要有3DSystem，Sanders，Helisys等，欧洲和日本等国家也不甘落后，纷纷进行RP技术、设备研制等方面的研究。

目前国内从事该项研究的单位主要有华中科技大学、西安交通大学、清华大学、南京航天航空大学、浙江大学、香港理工大学、中科院、陕西恒通智能机器有限公司、北京隆源公司、上海联泰公司等。

快速成形技术已发展了近20年，RP概念正在逐步扩大和完善。

目前RP技术的工艺方法已有十余种。

根据使用的材料和建造技术的不同，目前应用比较广泛的方法有采用光敏树脂材料通过激光照射逐层固化的光固化方法（stereolithographyapparatus,SLA）、采用纸张等薄层材料通过逐层粘接和激光切割的叠层实体制造法（laminatedobjectmanufacturing,LOM）、常用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化的选择性激光烧结法（selectivelasersintering,SLS）、和熔融材料加热融化挤压喷射冷却成形的熔融沉积制造法（fuseddepositionmanufacturing,FDM）等。

各种快速原形制造工艺的基本原理都是基于离散的增长方式成形原形或制品。

快速原形技术从广义上讲可以分为材料累积和材料去除两大类。

但是，目前人们谈及的快速原形制造方法通常指的是材料累积式的成形方法。

累积式快速原形制造方法的分类通常是依据所使用的材料及构建技术，其分类如图5-2所示。

图5-2快速原形工艺方法的分类

目前的快速原形制造技术还只能制造出少数几种材料的模型，如：

光敏树脂、粘性聚合物、石蜡、特殊的金属或陶瓷粉末等。

这些材料在密度和性能上与所要求的金属材料零件差距较大，需要用它们作模型经过二次铸造才能生产出最终要求的金属原形。

因此，目前在大力发展各种比较成熟的现有快速成形技术的同时，积极开展能够柔性地快速直接制造出金属零件的激光加工技术。

5.2快速成形技术原理及特点

RPM技术世纪CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术和激光等技术于一体的综合技术，是实现从零件设计到三维实体原形制造的一体化系统技术，它采用软件离散一材料堆积的原理实现零件的成形过程，其原理如图5-3所示。

图5-3快速原型制造作业过程

（1）零件CAD数据模型的建立设计人员可以应用各种三维CAD造型系统，包括MDT、Solidworks、Solidedge、UGⅡ、Pro／E、Ideas等进行三维实体造型，将设计人员所构思的零件概念模型转换为三维CAD数据模型。

也可通过三坐标测量仪、激光扫描仪、核磁共振图像、实体影像等方法对三维实体进行反求，获取三维数据，以此建立实体的CAD模型。

（2）数据转换文件的生成由三维造型系统将零件CAD数据模型转换成一种可被快速成形系统所能接受的数据文件，如STL、IGES等格式文件。

目前，绝大多数快速成形系统采用STL格式文件，因STL文件易于进行分层切片处理。

所谓STL格式文件即为对三维实体内外表面进行离散化所形成的三角形文件，所有CAD造型系统均具有对三维实体输出STL文件的功能。

（3）分层切片分层切片处理是将三维实体沿给定的方向切成一个个二维薄片的过程，薄片的厚度可根据快速成形系统制造精度在o．05mm-o．5mm之间选择。

（4）快速堆积成形快速成形系统根据切片的轮廓和厚度要求，用片材、丝材、液体或粉末材料制成所要求的薄片，通过一片片的堆积，最终完成三维形体原形的制备。

随着RPM技术的发展，其原理也呈现多样化，有自由添加、去除、添加和去除相结合等多种形式。

目前，快速成形概念已延伸为包括一切由CAD直接驱动的原形成形技术，其主要技术特征为成形的快捷性。

快速原形技术的出现，开辟了不用刀具、模具制作原形和各类零部件的新途径，也改变了传统的机械加工去除式的加工方式，而采用逐层累积式的加工方式，带来了制造方式的变革。

从理论上讲，添加成形方式可以制造任意复杂形状的零部件，材料利用率可达100％。

因此，快速原形制造技术被认为是近20年来制造领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与20世纪50~60年代的数控技术相比。

和其他先进制造技术相比，快速原形技术具有如下特点。

（1）自由成形制造自由成形制造也是快速原形技术的另外一个用语。

作为快速原形技术的特点之一的自由成形制造的含义有两个方面：

一是指无需使用工模具而制作原形或零件，由此可以大大缩短新产品的试制周期，并节省工模具费用；二是指不受形状复杂程度的限制，能够制作任意复杂形状与结构、不同材料复合的原形或零件。

（2）制造过程快速从CAD数模或实体反求获得的数据到制成原形，一般仅需要数小时或十几小时，速度比传统成形加工方法快得多。

该项技术在新产品开发中改善了设计过程的人机交流，缩短了产品设计与开发周期。

以快速原形为母模的快速模具技术，能够在几天内制作出所需材料的实际产品，而通过传统的钢制模具制作产品，至少需要几个月的时间。

该项技术的应用，大大降低了新产品的开发成本和企业研制新产品的风险。

随着互联网的发展，快速原形技术也更加便于远程制造服务，能使有限的资源得到充分的利用，用户的需求也可以得到最快的响应。

（3）添加式和数字化驱动成形方式无论哪种快速原形制造工艺，其材料都是通过逐点、逐层以添加的方式累积成形的。

无论哪种快速原形制造工艺，也都是通过CAD数字模型直接或者间接地驱动快速原形设备系统进行原形制造的。

这种通过材料添加来制造原形的加工方式是快速原形技术区别于传统的机械加工方式的显著特征。

这种由CAD数字模型直接或者间接地驱动快速原形设备系统的原形制作过程也决定了快速原形的制造快速和自由成形的特征。

（4）技术高度集成当落后的计算机辅助工艺规划（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）一直无法实现CAD与CAM一体化的时候，快速原形技术的出现较好的填补了CAD与CAM之间的缝隙。

新材料、激光应用技术、精密伺服驱动技术、计算机技术以及数控技术等的高度集成，共同支撑了快速原形技术的实现。

（5）突出的经济效益快速原形技术制造原形或零件，无需工模具，也与原形或零件的复杂程度无关，与传统的机械加工方法相比，其原形或零件本身制作过程的成本显著降低。

此外，由于快速原形在设计可视化、外观评估、装配及功能检验以及快速模具母模的功用，能够显著缩短产品的开发与试制周期，也带来了显著的时间效益。

也正是因为快速原形技术具有突出的经济效益，才使得该项技术—经出现，便得到了制造业的高度重视和迅速而广泛的应用。

（6）广泛的应用领域除了制造原形外，该项技术也特别适合于新产品的开发、单件及小批量零件制造、不规则或复杂形状零件制造、模具设计与制造、产品设计的外观评估和装配检验、快速反求与复制，也适合于难加工材料的制造等。

这项技术不仅在制造业具有广泛的应用，而且在材料科学与工程、医学、文化艺术以及建筑工程等领域也有广阔的应用前景。

在产品设计和制造领域应用快速原形技术，能显著地缩短产品投放市场的周期，降低成本，提高质量，增强企业的竞争能力．一般而言，产品投放市场的周期由设计（初步设计和详细设计）、试制、试验、征求用户意见、修改定型、正式生产和市场推销等环节所需的时间组成。

由于采用快速原形技术之后，从产品设计的最初阶段开始，设计者、制造者、推销者和用户都能拿到实实在在的样品（甚至小批量试制的产品），因而可以及早地、充分地进行评价、测试及反复修改，并且能对制造工艺过程及其所需的工具，模具和夹具的设计进行校核，甚至用相应的快速模具制造方法做出模具，因此可以大大减少失误和不必要的返工，从而能以最快的速度，最低的成本和最好的品质将产品投入市场。

具体而言，设计者、制造者、推销者和用户都能受益。

5.3几种常用的快速成形技术

快速成形技术及其系统有许多不同的形式和原理，但每种快速成形设备及其操作原理都是基于逐层制造（逐层增加或逐层去除）的过程。

所谓逐层增加法是随着制作过程的进行，形成一层新的材料，同时将形成的材料层附着在前一层上。

而逐层去除法则是在一开始便将整层首先粘在上一层上，然后切除多余的非零件部分。

目前快速成形技术典型工艺有：

立体光造型（StereolithographyApparatus）、分层实体制造（LaminatedObjectManufacturing）、选区激光烧结（SelectiveLaserSintering）、熔融沉积成形（FusedDepositionModeling）和三维印刷（ThreeDimensionalPrinting）等。

5.3.1立体光造型（SLA）

立体光造型也称立体光刻，简称SL，是由美国的C.Hall于1983年研制成功的，1984年获得美国专利。

1988年美国的3DSystem公司推出了世界上第一台RP商品化样机SLA-1。

SLA系列成形机占据着RP设备市场的较大份额。

立体光造型是通过一定波长（325nm或355nm）的紫外激光照射液态光敏树脂使其固化。

液态的光敏树脂是一种高分子聚合物，通过吸收激光中的光子引发聚合反应，使单体聚合成为大分子，随着分子之间的距离缩短，分子间剪切强度增强，液体变为固体。

因此，树脂受到激光照射后的单元固化形状与照射形式、光强分布、材料特性都有关系，而最终零件的精度还决定于堆积的方式和堆积顺序。

如图5-4所示，液缸中盛满液态光敏树脂，偏转镜可以任意转动角度，激光器发出的激光束在可控制转向的偏转镜作用下，在液态树脂表面上扫描。

扫描的轨迹及光线的有无都是由计算机控制的。

光束照射到的地方，液体就固化。

未被照射的地方仍是液态树脂，当液态光敏树脂在工作台上固化一层后，升降台带动工作台沿Z方向下移一个工作距离，在已成形的表面上又布满一层树脂，然后在先固化的一层上再固化新的一层，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此反复进行，最终完成立体零件的制造。

从立体光造型的工作原理可以看出：

零件整体的面型精度取决于每一层的制造精度及堆积的精度。

立体光造型也可以采用灯光代替激光，采用灯光的立体造型的光束是通过漏光板上设置的光孔使液态树脂感光固化，当一层固化后，工作台沿Z方向下降一个工作距离，然后交换新的漏光板，在先固化的一层上再固化新的一层，重复多次便制造出一个立体零件。

灯光立体造型虽然设备成本低，但制造效率和立体零件的精度及表面粗糙度都较差。

SLA是目前应用最广泛、研究最深入、零件精度（可达0.1mm）和表面质量比较高而且稳定的RP工艺。

但这种方法也有自身的局限性，如：

需要支撑、树脂收缩导致精度下降、树脂材料的机械性能有限、光敏树脂具有一定的毒性等。

5.3.2积层造型

积层造型也称分层实体制造（LOM），由美国Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功的。

积层造型法是先把制作零件从图纸上分层，然后分层制造，最后联接成形。

一般来说，快速原形积层法制作零件的过程都是从零件的CAD开始的。

利用CAD/CAM系统进行三维几何造型，产生数据文件，然后将其内外表面用小三角平面离散化。

每个平面由其三个顶点和一个指向体外的法向量描述，得到的数据便是目前所有快速原形系统普遍采用的默认为工业标准的STL（Stereo-lithography，立体光刻）格式。

在零件离散化前需在CAD系统上对零件模型定位。

同时设计支撑结构，接着用CAM软件对离散化的零件模型用数学方法分层，形成一系列平行的水平截面。

最后对每个截面利用扫描线算法产生制作的最佳路径，包括截面的轮廓路径和内部的扫描路径。

切片信息及生成的路径信息存储在SLI（StereoLithographyInterface）文件中。

SLI文件是控制成形机的命令文件。

这些指令控制成形机固化或黏结材料。

LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等，事先在片材的一面涂覆上一层热熔胶。

工作原理如图5-5所示。

加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件黏结；用CO2激光器按计算机数控系统所给出的信息指令，在刚黏结的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降一个距离，与带状片材分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。

如此反复进行，逐层粘切，直至所有截面黏结、切割完，最终得到积层制造的实体零件。

目前这种方法已可做812.8mm×558.8mm×508mm的工件，采用25W、40W、50W的激光器，原料片层最小为0.0127mm，精度可达0.23mm。

LOM与其它快速成形工艺的差别主要在于扫描路径的区别，一是填充区域不同，二是填充方式的不同。

即SLA、SLS扫描的是模型实体内部区域，LOM扫描的是实体外部区域。

SLA、SLS、FDM等扫描方式一般是单向；LOM一般为双向切割。

LOM工艺过程实质是实体内部间断加热黏结，外部切割去除。

LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。

因此成形后壁零件的速度较快，易于制造大型零件。

工艺过程中不存在材料的相变，因此，不易引起翘曲变形，零件的精度较高（公差小于0.15mm）。

工件外框与截面轮廓之间多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。

但是在实际制造中由于加工时间、材料性能和制造工艺等因素的影响，片材层厚不可能无限小，现有的成形工艺中，层厚最小为0.05mm。

因此用柱体单元近似表达光滑曲面是分层制造的基本特点，这一特点决定了分层中不可避免的存在几何失真。

而几何失真性与分层制造的方法、工艺、设备无关，纯粹是由数学上的近似处理引起的。

因此，合理地选取分层方向，对提高制造精度有重要作用。

5.3.3选区激光烧结

选区激光烧结（SelectiveLaserSintering）简称SLS。

该工艺由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。

该方法被美国DTM公司商品化。

如图5-6所示，成形系统的主体结构由激光器、聚焦镜、光学扫描器、铺粉滚轮和活塞缸组成。

一般采用50~100W的CO2或YAG激光器为能量源，通过红外激光束使塑料、蜡、陶瓷和金属或它们复合物的粉体烧结形成实体零件。

成形过程开始，铺粉滚轮将粉末原料均匀地铺在烧结成形工作台上。

激光束在计算机的控制下通过扫描器以一定的速度和能量密度在选定区域进行扫描。

激光束的关与开和待成形零件层信息相关。

激光束扫过之后，粉末烧结成一定厚度的实体片层，未扫过的地方仍然是原来的粉末，可回收再利用。

这样零件的第一层就制造出来了。

这时，成形活塞下移一个工作距离，这个距离与设计零件的切片厚度一致，供料器滚筒将新的微粒推向工作台，然后开始下一个循环，新形成的片层与下面已成形的部分连结在一起。

扫描器的扫描运动和升降活塞的升降运动都是由计算机根据零件的CAD模型分层切片数据进行控制的。

如此反复，整个零件制作完毕。

这样一个三维实体就制造出来了。

目前国内的设备已能够制造φ300mm×400mm的工件。

烧结层厚0.1~0.25mm。

定位精度±0.1mm。

SLS工艺与铸造工艺的关系极为密切，如烧结的陶瓷可以作为铸造的型壳、型芯，蜡型可做蜡模，热塑性材料烧结的模型可做消失模。

SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。

特别是可以制造金属零件，使得SLS工艺颇具吸引力。

此外，SLS成形过程中，粉体本身作为成形实体的支撑，因此不必制造工艺支架，可以成形几乎任意形状的实体模型，特别适合制造复杂结构的零件。

5.3.4熔融沉积成形（FDM）

熔融沉积成形（FDM）工艺由美国Dr.ScottCrump于1988年研制成功，并由美国Stratasys公司推出多种商品化产品。

FDM的材料一般是热塑性塑料，如蜡、ABS、尼龙等，以丝状供料。

加工时，材料在喷头内被加热熔化。

数控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，并与周围的材料凝结，随后工作台下降一个层厚高度，接着挤喷第2层，如此反复，直至工件成形（如图5-7所示）。

目前国内设备能加工260mm×60mm×60mm的工件，层厚度为0.05~0.8mm，层宽为0.3~2mm，模型精度±0.2mm。

FDM工艺不用激光器件，因此设备简单、成本低。

用蜡成形的零件原形，可以直接用于熔模铸造。

用ABS制造的原形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FDM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。

5.3.5三维印刷工艺（3DP）

三维印刷（ThreeDimensionalPrinting,3DP）工艺是1989年美国麻省理工学院E.ManualSachs等人研制的，并申请了专利。

3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。

所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用黏结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。

用黏结剂粘接的零件强度较低，还须后处理。

先烧掉黏结剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化，提高强度。

图5-83DP工艺原理

图5-8所示为3DP工艺原理，具体工艺过程如下：

上一层粘接完毕后，成形缸下降一个距离（等于层厚：

0.013~0.1mm），供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成形缸，铺平并被压实。

喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射黏结剂建造层面。

铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。

如此周而复始地送粉、铺粉和喷射黏结剂，最终完成一个三维粉体的粘接。

未被喷射黏结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。

该工艺的特点是成形速度快，成形材料价格低，非常适合做桌面型的快速成形设备。

并且，可以在黏结剂中添加颜料，可以制作彩色原形，如图5-9所示。

这是该工艺最具竞争力的特点之一，有限元分析模型和多部件装配体非常适合用该工艺制造。

缺点是成形件的强度较低，只能做概念型使用，而不能做功能性试验。

图5-93DP工艺制造的彩色原形

5.4快速成形技术的特点及应用领域

由以上各种工艺的原理可以看出，快速成形技术有一个共同的特点，即先将产品零件作分层处理，然后再一层层地叠加。

这一特点，决定了快速成形技术有以下特点。

●可以加工出任意形状的产品零部件；

●可以加工多种材料，以得到不同的机械性能和热特性的工件；

●不需要制造专用的模具、夹具；

●不需要专门设计图纸；

●不需要编制工艺文件；

●非常适合于计算机集成制造；

●速度快，传统法失蜡铸造生产四缸发动机铝质缸体，需要10个月到1年时间，用快速成形机制造失蜡熔模，缸体生产周期缩短到5星期。

●成本几乎与零件的复杂程度和生产批量无关，因此快速成形制造技术适合于小批量零部件，尤其是一些独特的零部件。

由于快速成形技术的特点，它一经出现就得到了广泛应用。

目前已广泛应用于汽车、机械、电子、电器、航空航天、医学、建筑、玩具、工艺品等许多领域。

快速原形制造的第一类用途是最早应用于机械零件或产品整体设计效果的直观物理效果实现，因为只是用来审查最终产品的造型、结构和装配关系等目的。

因此，造型材料要求较低。

快速原形的第二类用途是制造用于造型的模型如陶瓷型精铸模、熔模铸造模、冷喷模和电铸模等。

第三类用途则为最终产品，如