认识快速成型技术

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难点： 《产品逆向工程技术》教案 共 页 第 页 授课教师:

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项目四 快速成型技术认识 任务一 认识快速成型技术 PPT 掌握快速成型技术的原理、工作流程和特点。 讲授（90＇） 重点：快速成型技术的原理、工作流程和特点。

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第 页 上节课回顾：

讲授课题：

项目四 快速成型技术认识

通过前面的几节课我们学习了什么是逆向工程。通过逆向工程技术， 企业可以迅速的设计出符合当前流行趋势，以及符合人们消费需求的产品， 快速抢占市场。市场这块蛋糕就那么大，谁先抢到谁先吃，后来的就只能 看别人吃。现在的企业发展战略已经从以前的“如何做的更多、更好、更 便宜”转变成了“如何做的更快”。所以快速的响应市场需求，已经是制 造业发展的必经之路。

但是一件产品是不是设计出来就完事了？从设计到产品，中间还有一 个制造的过程，逆向工程解决了快速设计的问题，但是如果在制造加工阶 段耗费太长的时间，最后依然是无法快速的响应市场。尤其是在加工复杂 薄壁零件的时候，往往加工一件零件的周期要好几周，甚至几个月才能完 成，比如飞机发动机上的涡轮，加工周期要 90 天。

怎么解决这个问题呢？这就要用到今天我们这节课要讲的内容：快速 成型技术。快速成型技术就是在这种背景需求下发展起来的一种新型数字 化制造技术，利用这项技术可以快速的将设计思想转化为具有结构和功能 的原型或者是直接制造出零部件，以便可以对设计的产品进行快速评价、 修改。按照以往的技术，在生产一件样品的时候，要么开模、要么通过复 杂的机加工艺来生产，这样不管是从成本的角度还是时间的角度来讲，都 会带来成本的提高。而快速成型技术可以极大地缩短新产品的开发周期， 降低开发成本，最大程度避免产品研发失败的风险，提高了企业的竞争力。

任务一 认识快速成型技术

快速成型技术（Rapid Prototype ，简称 RP)有许多不同的叫法，比如 “3D 打印”( 3D printing)、分层制造”( layered manufacturing ，LM) 、增材制 造”（ additive manufacturing ，AM) 等。同学们最熟悉的应该就是“3D 打 印”，其实刚开始的时候，3D 打印本是特指一种采用喷墨打印头的快速成 型技术，演变至今，3D 打印成了所有快速成型技术的通俗叫法，但是现在 在学术界被统一称为“增材制造”。

增材制造是一种能够不使用任何工具（模具、各种机床），直接从三 维模型快速地制作产品物理原型也就是样件的技术，可以使设计者在产品 的设计过程中很少甚至不需要考虑制造工艺技术的问题。使用传统机加的 方法来加工零件时，在设计阶段设计师就需要考虑到零件的工艺性，是不 是能够加工出来。对于快速成型技术来讲，任意复杂的结构都可以利用它 的三维设计数据快速而精确的制造出来，解决了许多过去难以制造的复杂 结构零件的成型问题，实现了“自由设计，快速制造”。

一、物体成型的方式

之所以叫“增材制造”很好理解就是通过“堆积”材料的方式进行制 造。与之相应的还有“减材制造”和“等材制造”。在现代成型学的观点 中，物体的成型方式可分以下几类：

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第 页 1）去除成型（Dislodge Forming ）：

运用分离的方法，把一部分材料有序地从基体上分离出去而成型的方 法。传统的车、铣、刨、磨、钻、电火花加工、激光切割等都属于去除成 型，是目前最主要的成型方式。这种传统的机械加工方法就属于“减材制 造”。

2)受迫成型(Forced Forming)：

利用材料的可成型性在特定的外界约束（边界约束或外力约束）下成 型。传统的锻压、铸造、粉末冶金，以及现代的冲压成型、注塑成型等都 属于受迫成型。目前受迫成形还未完全实现计算机控制，除了一部分零件 （比如塑料件或不要求精度的零件）外，多用于毛坯成形、特种材料成形 等。由于在加工过程中不存在去除和添加材料的情况，因此，受迫成型属 于等材制造。

3 ）添加成型( Adding Forming)：

是指利用各种机械的、物理的、化学的等手段通过有序地添加材料来 达到零件设计要求的成形方法。增材制造技术就是添加成形的典型代表， 它从思想上突破了传统的成形方式，不需要附加的模具或机床，就能够快 速制造出任意复杂程度的零件，是一种非常有前景的新型制造技术。 4 ）生长成型（Growth Forming ）：

利用材料的活性进行成型的方法。自然界中的生物（植物、动物）个 体发育均属于生长成型。这是最高层次的成型方法。克隆”技术就是在人为 干预下的生长成形方式，也叫仿生成形。随着科学技术的发展，这种成形 方式将会得到很大发展和应用。比如生物芯片的研制，纳米碳管的生长， 自生长复合材料等。

二、快速成型技术的原理

快速成型技术是由 CAD 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物 理实体的技术。与传统制造方法不同，快速成型是基于离散/堆积的思想， 将一个物理实体复杂的三维加工，离散成一系列可加工的离散的面、线、 点，然后通过成型设备用特殊的工艺方法（熔融、烧结、粘结等）逐点、 逐线、逐面的将材料堆积而形成实体零件。是一种降维制造，将一个结构 复杂的三维立体零件简化为简单的二维特征进行加工。

离散论是人们认识世界的基本方法：如数学中的是微分学；古代人们 把圆周分割成有限多个直线的多边形，从而创立了圆周率的近似算法。利 用离散—堆积论来认识形体。离散：体（三维）→面（二维） → 线（一 维）→点，由计算机完成。堆积：点→线→面→体 ，由专用设备完成。

根据快速成型技术的离散-堆积原理，快速成型的过程分成了前处理、 分层叠加成型和后处理三个阶段。其中前处理阶段包括了零件 CAD 三维模 型的构造及近似处理、成型方向的选择和离散切片处理。

2.1 前处理

1）CAD 三维模型的构建：所有的快速成型工艺都需要 CAD 三维模型 直接驱动，所以第一步必须先构建零件的三维模型。有两种方法，一种就 是根据零件的形位尺寸信息使用专业的 CAD 实体造型软件生成物体的三维 实体模型或曲面模型；另一种方法就是使用逆向工程技术（如激光扫描技 术）创建描述实体的三维模型。

2）模型近似处理：计算机不识别图形，必须将图形格式转换成数据

格式，计算机才能处理信息控制机床进行加工。所以模型的近似处理就是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用3个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。这种格式叫做STL格式，简单、实用，典型的CAD软件都带有转换和输出STL 格式文件的功能。

3)切片分层处理：根据被加工模型的特征选择合适的成型方向，成型

方向的选择是十分重要的，不但影响着成型时间和效率，更影响成型过程中支撑的形成以及原型的表面质量。选好方向后，在成形高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔一般取0.05-0.5mm，常用0.1mm。间隔越小，成形精度越高，但成形时间也越长，效率就越低；反之则精度降低，但效率提高。

2.2分层叠加成型

根据切片处理的截面轮廓，成型设备在计算机控制下，相应的成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地堆积材料，最终得到原型产品。在这个阶段中，根据采用的材料和工艺的不同，产生了很多不同的快速成型工艺，我们会在随后的课程中学习的。

2.3后处理

将原型从设备中移出后，需要去除支撑、打磨、抛光等额外的工作以获得较好的强度和表面质量。不同的成型工艺所需要的后处理方法也不同。

这就是快速成型技术的完整流程，完成的零件可以进行评价，如果不符合要求可在进行修改之后，重复上诉的流程直至产品定型。该技术非常适合于单件或小批量零件的快速制造，这一技术特点决定了快速成型在产品创新中具有显著的作用。所以，该技术一出现就得到了快速的发展，在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等各个领域都取得了广泛的应用。

三、快速成型技术的特点

快速成型技术是一种全新的采用逐层堆积式的“增加材料”的加工方法，与传统的“去除材料”加工方法完全不同，它开辟了一条不用刀具、模具而制作原型和各类零部件的新途径，也带来了制造方式的变革。和其他先进制造技术相比，快速成型技术具有如下特点：

（1）技术高集成化

快速成型技术是一门交叉学科，集计算机、CAD/CAM、数控、激光、材料和机械等于一体的先进制造技术。在整个生产过程中，从三维模型的建立到零件的成型均实现了数字化与自动化。通过零件的三维模型，零件可以随时制造与修改，实现了设计与制造的一体化。

(2)由CAD模型直接驱动

怎么来理解 CAD 模型的直接驱动？在传统的加工方式中，无论是车、铣、刨、磨哪个环节，都是通过图纸来衔接上下工序和保证加工零件的形位精度的。而快速成型技术实现了设计与制造一体化，将 CAD 和 CAM 结合在一起，可以直接通过 CAD 模型数据转化为数控代码，直接驱动快速成型设备完成原型或零件的加工。

(3)能够制造任意复杂形状的三维实体

快速成型技术由于采用分层制造工艺，将复杂的三维实体离散成一系

列二维层片的加工与叠加，从而大大简化了加工难度。可用于加工复杂的中空结构且不存在三维加工刀具干涉的问题。因此理论上讲，可以制造具有任意复杂形状的原型和零件。

(4)具有高柔性

这是快速成型技术非常重要的一个技术特征。快速原型技术在成型过程中不需要模具、刀具和特殊工装，这就使得在产品改进或换代的时候不需要调整生产线，重新开模，适应性高。成型过程也具有极高的柔性，对于不同的零件，只需要建立 CAD 模型，调整和设置工艺参数，即可快速成型出具有一定精度和强度并满足一定功能的原型和零件。

(5)材料适用性好

在传统的机加过程中，是通过刀具对材料进行去除材料的，这就需要根据材料的性能选用不同材质的刀具，比如工具钢、高速钢刀具等，同时还要调整切削参数，有时候受限于机床的主轴转速还需要更换机床。而快速成型技术在加工的时候是通过激光或加热来实现，是不需要刀具的，因此就免除了上诉问题，具有极为广泛的材料可选性，从高分子材料到金属材料、从有机材料到无机材料，只要能被加热融化的均可加工。快速原型技术还具有一个很特殊的功能，就是可完成材料梯度结构，它将材料制备与材料成型紧密地结合起来。

(5)成型速度快

从产品 CAD 设计到原型件的加工完成只需几小时至几十小时，比传统的成型方法速度要快得多。快速成型的“快”并不是说的是零件的成形过程中机器的运行速度快，而是指由于快速成型技术具有的由 CAD 模型直接驱动和高柔性的特点，减少了从设计到制造的中间环节，比如开发新的模具、夹具等，从而提高了全过程的快速响应性。

(6)有良好的经济效益

通过刚才讲的 CAD 模型直接驱动和分层制造特点，我们知道零件的复杂程度与制造成本无关。传统加工方法是零件越复杂对机床设备、操作人员的要求越高。通过高柔性和材料的适应性特点，我们知道零件的数量与制造成本也无关。传统加工中需要开模和夹具，产品量越大单件成本越低。

再加上成型速度快的特点，使得快速成型技术降低了批量产品的生产周期和成本，有利于制造厂家把握商机，考虑新颖、复杂甚至以往认为没有效益的制造要求。

快速成型技术尤其适合新产品的开发与管理，适合小批量、复杂、不规则形状产品的直接生产，不受产品形状复杂程度的限制。缩短了产品设计、开发的周期，加快了产品更新换代的速度，在很大程度上降低了新产品的开发成本，同时也降低了企业研制新产品的风险。

课堂总结：

快速成型技术的原理、工作流程和特点。