特种成型技术封面.docx
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特种成型技术封面
长江大学工程技术学院
特种成型技术
大作业
班级：
材控61001班
姓名：
吕俊勇
班级序号：
12号
指导教师：
张锦洲
时间：
4周-11周
浅谈快速成型
目录
摘要：
1
1.1快速成型技术概况2
1.2快速成型技术的原理2
1.3快速成型的工艺及特点2
1.3.1快速成型工艺2
1.3.2快速成型技术特点3
1.4快速成型技术的分类3
1.5快速成型技术的应用及应用总结5
1.5.1快速成型技术的应用5
1.5.2快速成型技术应用总结6
1.6快速成型技术研究现状与发展7
1.6.1国内RP技术的发展现状7
1.6.2快速成型工艺影响因素及发展趋势8
1.7结论与展望9
1.8实例9
【参考文献】15
摘要：
20世纪80年代后发展起来的快速成型技术，被认为是近20年来制造业领域的一次重大的突破，其对制造业的影响可与20世纪50~60年代的数控技术相比。
快速成型技术综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。
本文主要对快速成型技术的原理、快速成型工艺、快速成型分类及应用等方面对快速成型技术进行了系统的讲解。
本文分析了快速成型的原理，讲解了快速成型的工艺及其特点，重点介绍了快速成型技术的分类和快速成型的应用。
本文主要面对快速成型技术的初学者，通过对快速成型技术的讲解，让他们能快速的了解快速成型技术、能初步的掌握快速成型技术的一些重要特点和工艺方法。
关键字：
快速成型；成型工艺；成型特点；影响因素。
Abstract:
Nineteeneightiesafterthedevelopmentofrapidprototypingtechnology,wasfoundtobenearly20yearsofmanufacturingareasofamajorbreakthrough,itseffectonthemanufacturingindustrywiththetwentiethCentury50~60inthenumericalcontroltechnologyin.Rapidprototypingtechnologyisacomprehensivetechnologyofmechanicalengineering,CAD,CNCtechnology,lasertechnologyandmaterialscienceandtechnology,canautomatically,direct,rapid,accuratedesignthoughtintohasthecertainfunctionprototypesorpartsmanufacturer,toproductdesignfortherapidassessment,modificationandfunctionaltest,greatlyshortenedproductdevelopmentcycle.
Thispapermainlyontheprincipleofrapidprototypingtechnology,rapidprototyping,rapidprototypingclassificationandapplicationofrapidprototypingtechnologytocarryoutthesystemexplanation.Thispaperanalyzestheprincipleofrapidprototyping,explaintherapidprototypingtechnologyanditsfeatures,introducedwithemphasistherapidprototypingtechnologyclassificationandrapidprototypingapplication.
ThispapermainlythefaceoftherapidmoldingtechnologybasedonRapidPrototypingTechnologyforbeginners,toexplain,sothattheycanquicklyunderstandtherapidprototypingtechnology,cangraspsomeimportantfeaturesoftherapidprototypingtechnologyandprocess.
Keywords:
Rapidprototyping;Formingprocess;Moldingcharacteristics;Influencefactors.
1.1快速成型技术概况
快速成型制造技术，又叫快速成形技术，（简称RP技术）；英文：
RAPIDPROTOTYPING（简称RP技术），或APIDPROTOTYPINGMANUFACTUREING，简称RPM。
快速成型技术（RP）是当代先进制造技术之一，用快速制造出复杂形状的原型，实现产品快速开发的目的。
它主要应用在产品的概念设计、功能测试等方面。
又可直接用于工件设计、模具设计和制造等领域。
RP技术在汽车、电子、家电、医疗、航空航天、工艺品制作，以及玩具等行业有着广泛的应用，是近年来制造技
术领域中最热门的研究课题之一。
1.2快速成型技术的原理
快速成型基于一种全新的制造概念增材加工法。
它是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。
从成形角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加［3］。
从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。
可以将RP技术体系分解为几个彼此联系的基本环节［4］：
①三维CAD造型：
利用各种三维CAD软件进行几何造型，得到零件的三维CAD数学模型，是快速成型技术的重要组成部分，也是制造过程的第一步；②反求工程：
对零件表面进行数字化处理，提取零件的表面三维数据。
主要的技术手段有三坐标测量仪、三维激光数字化仪、工业CT和自动断层扫描仪等；③数据转换：
三维CAD造型或反求工程得到的数据必须进行大量处理，才能用于控制RPM成型设备制造零件；④原型制造：
原型制即利用快速成型设备将原材料堆积成为三维物理实体；⑤物性转换：
通过快速成型系统制造的零件，其力学、物理性能往往不能直接满足要求，仍然需要进一步的处理，即对其物理性质进行转换。
该环节是RP实际应用的一个重要环节，包括精密铸造、金属喷涂制模、硅胶模铸造、快速EDM电极陶瓷型精密铸造等多项配套制造技术，这些技术与RP技术相结合，形成快速铸造、快速模具制造等新技术。
1.3快速成型的工艺及特点
1.3.1快速成型工艺
l）产品三维模型的构建。
由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD模型。
该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E,I-DEAS,SolidWorks,UG等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。
2）三维模型的近似处理。
由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。
由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。
它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。
STL文件有二进制码和ASCll码两种输出形式，二进制码输出形式所占的空间比ASCII码输出形式的文件所占用的空间小得多，但ASCII码输出形式可以阅读和检查。
典型的CAD软件都带有转换和输出STL格式文件的功能。
3）三维模型的切片处理。
根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成型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0.05mm~0.5mm，常用0.1mm。
间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则精度低，但效率高。
4）成型加工。
根据切片处理的截面轮廓，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，然后将各层相粘结，最终得到原型产品。
5）成型零件的后处理。
从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。
1.3.2快速成型技术特点
l）可以制造任意复杂的三维几何实体。
由于采用离散／堆积成型的原理．它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加，可实现对任意复杂形状零件的加工。
越是复杂的零件越能显示出RP技术的优越性此外，RP技术特别适合于复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件。
2）快速性。
通过对一个CAD模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工信息。
从几个小时到几十个小时就可制造出零件，具有快速制造的突出特点。
3）高度柔性。
无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程，快速制造工模具、原型或零件
4）快速成型技术实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目标．即材料的提取（气、液固相）过程与制造过程一体化和设计（CAD）与制造（CAM）一体化
5）与反求工程（ReverseEngineering）、CAD技术、网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品决速开发的有力工具。
因此，快速成型技术在制造领域中起着越来越重要的作用，并将对制造业产生重要影响。
1.4快速成型技术的分类
快速成型技术根据成型方法可分为两类：
基于激光及其他光源的成型（LaserTechnology），例如：
光固化成型（SLA）、分层实体制造（LOM）、选择性激光粉末烧结（SLS）、形状沉积成型（SDM）等；基于喷射的成型技术（JettingTechnoloy），例如：
熔融沉积成型（FDM）、三维印刷（3DP）、多相喷射沉积（MJD）。
下面对其中比较成熟的工艺作简单的介绍。
1、SLA（StereolithogrphyApparatus）工艺SLA工艺也称光造型或立体光刻，由CharlesHul于1984年获美国专利。
1988年美国3DSystem公司推出商品化样机SLA-I，这是世界上第一台快速成型机。
SLA各型成型机机占据着RP设备市场的较大份额。
SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。
这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。
SLA工作原理：
液槽中盛满液态光固化树脂激光束在偏转镜作用下，能在液态表而上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。
成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度．聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。
当一层扫描完成后．未被照射的地方仍是液态树脂。
然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新周化的一层牢周地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。
SLA方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法．也是技术上最为成熟的方法。
SLA工艺成型的零件精度较高，加工精度一般可达到0.1mm，原材料利用率近100％。
但这种方法也有白身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。
2、LOM（LaminatedObjectManufacturing，LOM）工艺LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造，由美国Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功。
LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。
片材表面事先涂覆上一层热熔胶。
加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接。
用CO2激光器在刚粘接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，工作台带动已成型的工件下降，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。
工作合上升到加工平面，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。
如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完。
最后，去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。
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。
因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。
工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形。
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LOM工艺无需加支撑。
缺点是材料浪费严重，表面质量差。
3、SLS（SelectiveLaserSintering）工艺SLS工艺称为选择性激光烧结，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。
SLS工艺是利用粉末状材料成型的。
将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面，并刮平，用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接。
当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。
烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到零件。
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。
这使SLS工艺颇具吸引力。
SLS工艺无需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。
4、3DP（ThreeDimensionPrinting）工艺三维印刷工艺是美国麻省理工学院E-manualSachs等人研制的。
已被美国的Soligen公司以DSPC（DirectShellProductionCasting）名义商品化，用以制造铸造用的陶瓷壳体和型芯。
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结起来的，而是通过喷头用粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉来上面。
用粘结剂粘接的零件强度较低，还须后处理。
先烧掉粘结剂，然后在高温下渗人金属，使零件致密化，提高强度。
5.FDM（FusedDepostionModeling）工艺熔融沉积制造（FDM）工艺由美国学者ScottCrump于1988年研制成功。
FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。
以丝状供料。
材料在喷头内被加热熔化。
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，并与周围的材料凝结。
1.5快速成型技术的应用及应用总结
1.5.1快速成型技术的应用
RP技术完成从产品的概念设计（或改型设计）———造型设计———
结构设计———基本功能评估———模拟样件试制这段开发过程。
但实际
上，其应用领域几乎包括了制造的所有行业，以及医疗、人体工程、文
物保护等领域。
1、快速成型在新产品研发中的应用
在现代产品设计中，设计手段日趋先进，计算机辅助设计使得产品设计更快捷、直观，但由于软件和硬件的局限，设计人员在新产品的研发阶段仍无法直观地评价所设计产品的效果、结构的合理性以及生产工艺的可行性。
每一个设计环节都可能存在着一些人为的设计缺陷，如果不及早发现就会影响后续工作。
RP技术将CAD数字模型实体化，可以对其进行设计评价、干涉检验，甚至进行某些功能测试，将设计缺陷消灭在初步设计阶段，减少损失。
2、快速成型在模具制造中的应用传统模具制造的方法很多，如数控铣削加工、成形磨削、电火花加工、线切割加工、铸造模具、电解加工、电铸加工、压力加工和照相腐蚀等。
由于这些工艺复杂、加工周期长、费用高而影响了新产品对于市场的响应速度。
而传统的快速模具其工艺粗糙、精度低、寿命短，很难完全满足用户的要求。
快速模具制造（RT）技术是用快速成型技术及相应的后续加工来快速制作模具的技术。
应用快速模具制造技术，在最终生产模具开模之前进行新产品试制与小批量生产，可以大大提高产品开发的一次成功率，制造周期仅为原来的1/3~1/5，这些优点是RT技术具有很好的发展条件。
快速模具制造技术在快速成型技术领域中，发展最迅速，产值增长最明显。
RP+RT技术提供了一种从模具的CAD模型直接制造模具的新概念和新方法，他将模具的概念设计和加工工艺集成在一个CAD/CAM系统内，为并行工程的应用创造了良好的条件。
RT技术采用RP早期、多回路、快速信息反馈的设计与制造方法，结合各种计算机模拟与分析手段，形成了一整套全新的磨具设计与制造系统。
RT根据CAD模型无需数控切削加工直接将复杂的型腔曲面制造出来，使模具制造在提高质量、缩短研制周期、提高制造柔性等方面取得了明显的效果。
3、快速成型在快速铸造中的应用
铸造是制造业中常用的方法。
在铸造生产中，模板、芯盒、蜡模压型等一般都是机加工和手工完成的，不仅生产周期长、生产成本高，而且制件不能重复使用，难以实现高效规模生产，造型材料消耗大、粉尘严重。
因此铸造一直被认为工艺原始、生产效率低下、污染严重的行业。
RP技术为实现铸造的短周期、多品种、低费用、高精度提供了一条捷径。
由于快速成型过程无需开模具，因而大大节省了制造周期和费用，可铸造出结构形状复杂、难于用其他方法加工的精度较高的铸件。
RP技术也需要与传统铸造技术相结合，才能充分发挥各自的特点，实现真正快速生产，这就是快速铸造技术。
快速铸造技术的基本原理就是利用快速成型技术直接或间接制造铸造用的蜡膜、消失模、模样、模板、型心或型壳等，然后结合传统铸造工艺，快速地制造精密铸件。
4、快速成型在艺术领域的应用
工艺品的制造和古文物的仿制是研究、继承和发扬我国文化遗产的重要手段。
快速成型制造技术为艺术家以三维形式更细腻、形象、准确、生动、迅速地表达自己的思想情感提供了一种新的手段，也为珍稀艺术品的复制、艺术品形式的多样化提供了有力的工具。
5、快速成型在医学领域的运用
运用CT或MRI数据，采用RP技术快速制作物理模型，加工出内、外部三维结构完全仿真的生物模型，可为想不通过开刀就可观察病人骨结构的研究人员、种植设计师和外科医生等提供非常有益的帮助。
这些技术运用于颅外科、神经科、口腔外科、整形外科、口腔外科、整形外科和头颅外科等方面，可帮助外科医生进行诊断，确定手术及治疗计划，有效提高了诊断和手术水平。
1.5.2快速成型技术应用总结
RP技术的发展是近年来制造领域的突破性进展，在日前产业策
略以市场响应速度为第一要素的状况下,RP技术可以缩短产品开发
周期，降低开发成本，提高企业的竞争力。
下面是快速成型技术在各行
业中的应用状况：
1、汽车、摩托车：
外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽
缸头试制。
2、家电：
各种家电产品的外形与结构设计，装配试验与功能验证，
市场宣传，模具制造。
3、通信产品：
产品外形与结构设计，装配试验，功能验证，模具制
造。
4、航空、航天：
特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，发动
机的试制、装配试验。
5、轻工业：
各种产品的设计、验证、装配，市场宣传，玩具、鞋类模具
的快速制造。
6、医疗：
医疗器械的设计、试产、试用，CT扫描信息的实物化，手术
模拟，人体骨关节的配制。
7、国防：
各种武器零部件的设计、装配、试制，特殊零件的直接制
作，遥感信息的模型制作。
1.6快速成型技术研究现状与发展
1.6.1国内RP技术的发展现状
快速成形技术发展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展。
目前，快速成形的工艺方法已有几十种之多，其中发展较为成熟的主要有以下4种类型：
光敏树脂液态固化成形（SL）、薄型分层叠加成形（LOM）、选择性激光粉末烧结成形（SLS）、熔丝堆积成形（FDM）。
（1）光敏树脂液态固化成形（SL）工艺也称固化立体造型或立体光刻，其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹，并照射到液槽中的液体树脂，而使这一层树脂固化，之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，然后再进行新一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到三维实体模型。
该工艺的特点是：
原型件精度高，零件强度和硬度好，可制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。
缺点是需要支撑，树脂收缩会导致精度下降，另外光固化树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势等。
（2）薄型分层叠加成形（LOM）LOM（LaminatedObjectManufacturing）工艺又称叠层实体制造，其工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。
其工艺过程是：
首先铺上一层箔材，然后用CO2
激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎以便于去除。
当本层完成后，再铺上一层箔材，用滚子碾压并加热，以固化粘结剂，使新铺上的一层牢固地粘接在已成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕，最后去除切碎部分以得到完整的零件。
该工艺的特点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高。
缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。
（3）选择性激光粉末烧结成形（SLS）SLS（SelectiveLaserSintering）工艺，常采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成形材料［6］。
其工艺过程是：
先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控制下用激光束有选择地进行烧结（零件的空心部分不烧结，仍为粉末材料），被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。
一层完成后再进行下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。
全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。
该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、金属、蜡等材料的零件。
造型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或装配模拟。
（4）熔丝堆积成形（FDM）FDM（FusedDepositionManufacturing）工艺又称为熔丝沉积制造，工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料。
之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。
这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。
该工艺的特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需要几小时即可成型，且无污染。
1.6.2快速成型工艺影响因素及发展趋势
1、成型材料
成型材料是决定快速成型
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