快速原型制造技术
过程装备与控制工程学科前沿技术
过程装备与控制工程前沿技术一、快速原型制造(RPM)技术快速原型制造技术是三维CAD技术、数控技术、激光技术、材料工程技术等多项前沿技术的有机集成，其特点是能以最快的速度将CAD模型转换为产品原型或直接制造零件，从而使产品开发可以进行快速测试、评价和改进，以实现完成设计定型，或快速形成精密铸件和模具等的批量生产能力，因此RPM技术对于化工设备的试制以及相关零部件的制造将具有革命性的影响。
在化工装备的研究、放大、生产等诸环节均有广泛的应用前景。
RPM技术则是单件或小批量产品的理想制造系统。
以异形板式换热器为例，当换热器材料为铝、钢等时，可采用层合实体成型(LOM)、选域激光烧结(SLS)、熔融沉积造型(FDM)、三维喷涂豁接等RPM技术制作出原型。
当原型在强度、表面质量等方面不足时，可采用高温烧结、液态金属浸、涂、镀等后处理方法，不但一般可满足设计要求，而且还可以探索采用RPM技术研制以新型材料为基础的低成本、高强度或满足特殊要求的新型异形板式换热器。
如应用立体印刷成型(SLA)技术研制高分子材料、复合材料类型的异形板式换热器；利用选域激光烧结、三维喷涂粘接等技术研制陶瓷材料类型的异形板式换热器。
RPM技术不仅可应用于异形板式换热器的开发，该技术对其它单件、非标、异形或结构复杂零部件的开发与制造均具有突出的优势，并已有较多的成功经验。
以大型容器的制作为例，德国采用焊接成型(全焊缝金属零件制造)技术，制造的产品尺寸可达数米，性能可与传统方法相当。
目前，利用快速原型制造手段开发新产品的主要优势体现在快速性，一般可比传统方法缩短时间5—10倍，且可节省大量人力、物力、财力，可与其他工作并行开展，并可在正式产品投放市场前，了解用户的意见，把握市场反应，对确保新产品开发的成功率具有重要价值。
化工装备用户对产品种类、性能的要求千差万别，产品发展速度快，新产品开发的不确定性因素多，市场竞争激烈，解决这类问题正是快速原型制造(RPM)技术的优势所在。
快速原型制造方法及应用
快速原型制造SLS法及应用——09制造332 姚健快速原型技术是综合利用CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术的集成以实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。
快速原型制造技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体技术的总称，它有四方面的特征：一、能制造任意复杂形状的三维实体零件而无需机械加工。
二、系统由CAD模型直接驱动，能将产品的三维计算机模型直接制成实体零件，而不必设计、制造模具、专用夹具或工具，且成型过程中无人干预或较少干预，因而制造周期大大缩短。
三、能借电铸、电弧喷涂技术进一步由塑胶件制成金属模具，或者能将快速获得的塑胶件当做易熔铸模或木模，进一步浇铸金属铸件或制造砂型。
四、能根据CAE的结果制成三维实体，作为试验模型，评判仿真分析的正确性。
快速原型制造技术的具体工艺不下30余种，根据采用材料及对材料处理方式的区别，可归纳为以下五类方法：1、光固化法/SL法（Stereolithography)2、叠层制造法/LOM法（Lamited Object Manufacturing)3、激光选区烧结法/SLS法（Selective Laser Sintering)4、熔融挤压成形法/FDM法（Fused Deposition Modeling)5、喷墨印刷成形法/IJP法（ Ink-Jet Printing)而在众多的成型技术中，选择SLS因为具有成型速度快、精度高、材料选择面广和适用于多种用途的特点，而得以迅速发展。
SLS工艺是一种基于离散-堆积思想的加工过程，其成形过程可分为在计算机上的离散过程和在成形机上的堆积过程:1).离散过程。
首先用CAD软件，根据产品的要求设计出零件的三维模型，然后对三维模型进行表面网格处理，常用一系列相连三角形平面来逼近自由曲面，形成经过近似处理的三维CAD模型文件。
然后根据工艺要求，按一定的规则和精度要求，将CAD模型离散为一系列的单元，通常是由Z向离散为一系列层面，称之为切片。
sla快速原型技术的发展及应用资料
sla快速原型技术的发展及应用资料
SLA快速原型技术，是一种高精度、高效率的制造工艺，已经在许多领域得到广泛的应用，并取得了显著的成就。
下文将简要介绍SLA快速原型技术的发展和应用情况。
一、SLA快速原型技术的发展
SLA技术诞生于20世纪80年代初，最初是由Chuck Hull（美国3D系统公司创始人）发明的。
SLA技术是采用激光照射液态光敏树脂，使其固化成三维实体的方法。
SLA技术在20世纪90年代逐步发展成功，成为了当时最流行的快速原型技术之一。
SLA技术的发展经历了从单一激光扫描到多光束扫描、从单个构建台到多个构建台、从单一光敏树脂到多种光敏树脂等多个阶段，这些改进使SLA技术得以高度发展和成熟。
二、SLA快速原型技术的应用
1、医疗领域：SLA技术在医疗领域有着广泛的应用，如医疗器械研发、牙医领域、生物医学领域的研究等。
例如，牙科爱好者可以通过SLA技术制造出牙齿矫正器、牙套等，并能够个性化定制。
2、汽车制造：在汽车制造领域，SLA技术可以用来制造产品模型、产品外部系统、汽车内部零部件等。
3、电子行业：SLA技术可以制造出电子产品外壳、电子英寸等。
快速成型技术
其在处理速度上都可以很好的满足需求，而且时间跨度不大，有利于实现产品开发的高速闭环反馈。 其二：集成化，快速成型技术使得设计环节和制造环节达到了很好的统一，我们知道在快速 成型的操作过程中，计算机中
的CAD模型数据会通过软件转化的方式，自动生成数控指令，依据数据的转化实现对于部件的合理加工。由此看来设计和 制造之间的鸿沟不再存在，达到了高度的集约化。 其三：适用性，快速成型技术，适翻分层技术制造工艺，将复杂的三维切成二维来处理，极大的简化了加工流程，在不存 在三维刀具的干涉的前提下，高效的处理好复杂的中空结构。无论是从理论上来讲，还是从实践上来讲，其技术的适用性 可以应对任何的复杂构件制造。 其四：可调整性，快速成型技术，即真正意义上的数字化系统，是制造业中的利器，我们操作员仅仅需要合理设置一下相 关的参数和属性， 就可以有针对性的处理好各种产品的样品制造和小批量生产；而且在此过程中，保证了成型过程的柔韧 性。 其五：自动化，快速成型技术，实现了完全的自动化成型，只要操作人员输入相关的参数,在不需要多少干涉的情况下，实 现整个过程的自动运行。
从技术发展角度看，计算机科学、CAD技术、材料科学、激光技术的发展和普及，为新的制造技 术的产生奠定了技术物质基础。
13快速原形技术RP
快速制造植入体原型制造
人工骨原型必须在快速成型机上完成制造 过程。利用LPS激光快速成型机快速制造出 修补部分原型，整个成型过程需2～4小时。 图3是髁突原型和将髁突原型与钛支架原型粘 结后的树脂模型，这个模型可直接作为消失 模进行包埋。
钛合金下颌骨的消失法铸造
由于光敏树脂原型件具备在700℃以上温度 可烧蚀的特性，可以采用消失法铸造钛合金 下颌骨。 采用Ti6Al4V作为植入体钛支架材料， 这是一种已被广泛应用的材料，具有较好的 生物相容性。 得到仿生下颌骨钛合金植入体如图4
SLA激光快速成型在生物工程研究 中的应用
——数字化下颌骨的制造过程 人体的下颌骨不仅形状的个体差异大，而且 骨骼外形对人体面部形状及其工作性能的影 响也很明显。传统的通用型金属植入体不仅 无法为患者提供具有定制化外形的骨替代物， 而且，由于不具有生物活性，植入体无法与 邻接的人骨自然弥合和生长。纯粹的生物活 性材料由于强度较低，在用于大块骨移植中 容易发生早期的人工骨骨折。
采用快速成型工艺制作
首先在三维软件中进行零件设计，图形直观， 工作人员很容易表达自己的意见；零件设计 完毕后利用LPS600激光快速成型工艺制作叶 轮的树脂模型，即可进行空气动力学实验， 如果不满足要求，再进行CAD模型的修改， 直到满足要求为止。
该厂早先设计的九齿方案，由于齿数与进气 道数目相同，在进行静止吹风实验时发现漏 气，根本无法带动齿轮转动，马上进行方案 改进，节省了大量的时间和费用；同时采用 硅胶模技术，低压注塑制造10个样件，（制 造周期只需3天左右）进行靶场验证性实验，
在实弹演练过程中，炮弹不是打远了，就是 距离太近，根据实验结果，修改设计参数， 再次进行原型及塑料件制作，在一个半月中 支持该厂进行了7次实验，大大缩短了开发周 期，加速了型号开发，而成本只有几千元。 而采用常规方法，周期将达2年左右，费用高 达几十万元。
3快速原型工艺--LOM
前 加热辊的温度在200℃左 ℃ 加热辊的温度在 根据纸的热熔胶不 右，根据纸的文件 处 STL 热熔胶不 同而有所却别 理 分 层 叠 加 后 处 理
快速原型技术
？？？纸的燃点是 ？？？纸的燃点是183 ℃，为什 纸的燃点是 么纸不燃烧呢？ 么纸不燃烧呢？ 切片处理
设置工艺参数
激光 加热 切片 切碎 切割 辊温 软件 网格 速度 度 精度 尺寸
原型制作 基底制作
余料去除 表面质量处理 提高强硬度处理
•成形系统的激光成形头由数控系统控制运动 此系统有较高的位 成形系统的激光成形头由数控系统控制运动,此系统有较高的位 成形系统的激光成形头由数控系统控制运动 置分辨率,它取决于位置编码器的精度 每转产生的脉冲数),以及 它取决于位置编码器的精度(每转产生的脉冲数 置分辨率 它取决于位置编码器的精度 每转产生的脉冲数 以及 LOM工艺过程 二、LOM工艺过程 将电机旋转运动变换成直线往复运动的滚珠丝杆的导程。 将电机旋转运动变换成直线往复运动的滚珠丝杆的导程。可升 降工作台由伺服电机经精密滚珠丝杠驱动,用精密直线滚珠导轨 降工作台由伺服电机经精密滚珠丝杠驱动 用精密直线滚珠导轨 导向,从而能在高度方向作高速 精密往复运动。机器在Ｘ、Ｙ、 从而能在高度方向作高速、 导向 从而能在高度方向作高速、精密往复运动。机器在Ｘ、Ｙ、 前 三个方向的运动精度可以控制在微米(µｍ 级的水平 级的水平。 Ｚ三个方向的运动精度可以控制在微米 ｍ)级的水平。 切片处理 处 STL文件 •为保证高精度伺服移动，切割速度应合理选择。 为保证高精度伺服移动， 为保证高精度伺服移动 切割速度应合理选择。
快速原型技术
材料学院快速成形技术研究中心-RPTRC 材料学院快速成形技术研究中心-
每层材料切割后的情况
快速成型(RP)技术的特点
快速成型技术的特点“快速原型”(Rapid Prototyping)工艺于80年代后期在美国问世以来，引起了广泛的关注，吸引了大量的研究和开发工作。
目前，这类工艺在航空、航天器、军事装备、考古、工业造型、雕刻、电影制作、家用电器、玩具、轻工业产品、建筑模型、医疗器具以及人造器官制作等许多方面获得大量的应用。
世界各国拥有快速成形机的比例数四界各国拥有成形服务机构的比例数快速成形工艺的原意是用于快速生成尚在计算机中的零件设计的实物模型。
因此是一种“快速原型”技术，即所生成模型的形状和尺寸与所设计的零件十分贴近，但模型的材质和物理、力学性能却与真实的零件不尽相同或大不一样。
尽管如此，这类模型却有很重要用途：它可以用于检查零件设计的外观、可以用于检查零件的加工工艺性(便于装夹和刀具可接近被加工表面等)、装配工艺性(可装入性以及足够的扳手空间等)，还可以直接用于风洞试验或光弹性试验以及动、静刚度的模型试验。
快速成形工艺的主要优点：1、适用于形状复杂零件的小批量快速制造，对于这类零件如果要按传统方法制造模具，不仅经济上不合算，而且工期太长；2、它适于新产品样件的低成本快速试制，以便尽快投入试运转、测试与进行改进设计，从而最大限度地缩短新产品的“开发—试制—投产”的周期，并提高其成功率。
快速成形将计算机中关于产品设计的信息转换成产品实物，是制造工艺的重要发展和重大突破。
对于模具制造业，无论从手段到观念都有深远的影响。
模具的设计与制造是多环节、多反复的复杂过程。
由于在实际制造和检测前，很难保证产品在成型过程中的性能，长期以来模具设计大都是凭经验或使用传统的CAD进行。
要设计和制造出一套适用的模具往往需要经过由设计、制造到试模、修模的多次反复，使模具制作的周期长、成本高，甚至可能造成报废，难以适应快速增长的市场需要。
快速原型制造技术不仅能适应各种生产类型特特别是单件小批的模具生产，而且能适应各种复杂程度的模具制造。
快速原型技术简介讲解
1.2 快速原型技术的工艺过程
第一步：设 计出所需零 件的计算机 三维模型
第二步：根据 工艺要求，按 照一定的规律 将该模型离散 为一系列有序 的单元
第三步：将 离散后的模 型在Z向按一 定的厚度进 行分层
第四步：输入加工 参数，自动生成数 控代码，最后由原 型机成形一系列的 层片并自动粘接得 到一个三维实体
工件底部也要加支撑，以使工件成形后顺利从工作台取下。
成形完毕后应小 心除去支撑，从 而得到最终所需 的工件。
2.1.1 光固化成型工艺过程
2. 分层处理
采用分层软件对CAD模型的STL格式文件进行分层处理，得到 每一层截面图形及其有关的网格矢量数据，用于控制激光束的扫描 轨迹。分层处理还包括层厚、建立模式、固化深度、扫描速度、网 格间距、线宽补偿值、收缩补偿因子的选择与确定。
2.2.3 LOM的工艺过程
1. 制作基底 2. 原型制作
3. 去除余料
4. 后处理 余料去除以后，为提高原型表面状况和机械强度，保 证其尺寸稳定性、精度等方面的要求，需对原型进行后置 处理，比如防水、防潮、加固和使其表面光滑等，通常采 用的后置处理工艺包括修补、打磨、抛光、表面涂覆等。
2.2.4 LOM成型工艺的特点
另一类是材料的质量在成型过程中基本保持不变， 如通过各种压力成型方法以及各种铸造方法得到 的工件。
然而为了适应市场日新月异的变化以及解决产品生命周期缩短 带来的挑战，企业必须重视新产品的不断开发和研制。
正是在这种情况下，快速原型技术也就应运而生。
快速原型英文名字为Rapid Prototyping（快速原型制造、快 速原型、快速成形），常常简称为RP。
可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。
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快速原型的软件系统
CAD造型软件： 进行零件的三维设计
快速原型
的软件系
统
分层处理软件： 进行分层计算以获取层 片信息 成形控制软件： 进行加工参数设定、生成 数控代码、控制实时加工
产品三维模型构造及其近似处理
1．产品的三维模型构造
根据产品的要求在CAD软件平台设计三维模型
根据二维图样构建三维模型 采用逆向工程技术构建三维模型
而基于“材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加 工分解为简单的材料二维添加的组合，它能在CAD模型 的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体，是 一种全新的制造技术。 从成形角度看，零件可视为逐点、线、面的叠加而成。 从CAD模型中离散得到点、线、面的几何信息，再与快 速成形的工艺参数信息结合，控制材料有规律地、精确 地由点、线到面，由面到体地逐步堆积成零件。从制造 角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制 三维的自动化成形设备，通过激光束或其他方法将材料 逐层堆积而形成成形零件。
它借助计算机、激光、精密传动、数控技术等现代手段，将
CAD和CAM集成于一体，根据在计算机上构造的三维模型， 能在很短的时间内直接制造出产品样品，使设计工作进入一 种全新的境界。
了产品更新换代的速度，降低了企业投资新产品的风险。
改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发周期，加快
传统的零件加工过程是先制造毛坯，然后 经切削加工，从毛坯上去除多余的材料得 到零件的形状和尺寸，这种方法统称为材 料去除制造。
2．三维模型的近似处理
用一系列小三角平面来逼近模型上的自由曲面， 每一个小三角形由三个顶点和一个法矢量来表示，
三角形的大小可以选择，从而得到不同的曲面近
似精度。
经近似处理的三维模型文件格式为STL，典型 的商品化CAD系统都有STL文件输出的数据接
口
产品三维模型构造及其近似处理
STL输出的误差
成型控制软件
成形控制软件根据所选的数控系统将分层处理软件
生成的二维层片信息即轮廓与填充的路径生成NC
控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术
的技术集成以实现从零件设计到三维实体原型制造一
体化的系统技术。它是一种基于离散堆积成形思想的新 型成形技术，是由CAD模型直接驱动的快速完成任意 复杂形状三维实体零件制造的技术的总称。
三、快速原型制造技术的基本原理及基本过程 ——基本原理
快速原型制造技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法，
三、快速原型制造技术的基本原理及基本过程 ——基本过程
（1）产品的CAD建模：应用三维CAD软件，根据产 品要求设计三维模型，或采用逆向工程技术获取产品 的三维模型。 （2）三维模型的近似处理：用一系列小三角形平面 来逼近模型上的不规则曲面，从而得到产品的近似模 型。 （3）三维模型的Z向离散化（即分层处理）：将近似 模型沿高度方向分成一系列具有一定厚度的薄片，提 取层片的轮廓信息 （4）处理层片信息，生成数控代码：根据层片几何 信息，生成层片加工数控代码，用以控制成形机的加 工运动。
三维模型的近似处理
用一系列小三角平面来逼近模型上的自由曲面， 每一个小三角形由三个顶点和一个法矢量来表示，
三角形的大小可以选择，从而得到不同的曲面近
似精度。
经近似处理的三维模型文件格式为STL，典型 的商品化CAD系统都有STL文件输出的数据接
口
STL输出的误差
在Pro/E中输出STL文件
快速原型工艺流程图
在Pro/E中输出STL文件
分层处理软件
由于快速原型是按一层层截面轮廓来进行成形，因此，
加工前必须从三维模型上，沿成形的高度方向，每隔一 定的间隔进行分层切片处理，以获得截面的轮廓。
分层间隔选取的范围为0.05mm～0.5mm，常用的是 0.1mm左右。间隔愈小，精度愈高，但成形时间愈长。
各种快速原型系统都带有分层处理软件，能将CAD模 型以片层方式来描述，这样，无论零件多么复杂，对于 每一层来说，都是简单的平面。
3、设计制造一体化
4、大幅度缩短新产品的开发成本和周期 可减少产品开发成本30~70%，缩短开发时间 50%至更少。
5、制造成形自由化
可根据零件的形状，不受任何专用工具或模具的
限制而自由成形，也不受零件复杂程度的限制，能够
制造任意复杂形状与结构、不同材料复合的零件。 6、材料使用广泛性 金属、纸张、塑料、树脂、石蜡、陶瓷，甚至纤
快速原型制造技术
一、快速原型制造技术的产生
全球一体化市场、制造业竞争激烈，产品的开发速度成为市
场竞争的主要矛盾。 从技术发展角度，计算机、CAD、材料、激光等技术的发 展和普及为新的制造技术的产生奠定了基础。 快速原型制造于20世纪80年代后期产生于美国，并很快扩 展到日本及欧洲，于20世纪90年代初引入我国，是近20年 来制造技术领域的一项重大突破。
（5）逐层堆积制造：在计算机控制下，根据生成 的数控指令，成形头在平面内按截面轮廓进行扫 描，固化液态树脂，从而堆积出当前的一个层片， 并将当前层与已加工好的零件部分粘合。然后， 成形机工作台面上升或下降一个层厚的距离，再 堆积新的一层。如此反复进行直到整个零件加工 完毕。 （6）后处理：对完成的原型进行处理，使之达到 性化 对整个制造过程，仅需改变CAD模型或反求数 据结构模型，对成形设备进行适当的参数调整，即可 在计算机的管理和控制下制造出不同形状的零件或模 型。 2、技术高度集成化 快速成形技术是计算机技术、数控技术、控制 技术、激光技术、材料技术和机械工程等多项交叉学 科的综合集成。它以离散／堆积为方法，在计算机和 数控技术的基础上，追求最大的柔性为目标。
快速原型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工 法，而基于“材料逐层堆积”的制造理念，将 复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的 组合，它能在CAD模型的直接驱动下，快速制 造任意复杂形状的三维实体，是一种全新的制 造技术。
二、快速原型制造技术的基本概念
快速原型制造技术（Rapid Prototype Manufacturing，RPM）是综合利用CAD技术、数