快速原型技術(shù)的原理

1、快速原型技術(shù),主 講 倪俊芳,第一講 原型的概念第二講 快速原型技術(shù)的產(chǎn)生背景第三講 快速原型技術(shù)的原理第四講 快速原型技術(shù)的特點(diǎn)第五講 快速原型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀第六講 快速原型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),第一講 原型的概念,原型（prototype）是指用來(lái)建造未來(lái)模型或系統(tǒng)基礎(chǔ)的一個(gè)初始模型或系統(tǒng)。美國(guó)麻省理工學(xué)院KTULrich認(rèn)為，原型是產(chǎn)品在我們感興趣的一維或多維空間中的一種表示。換句話說(shuō)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人

2、員認(rèn)為有意義的產(chǎn)品在某方面的表示，都可以看作是原型，即包括了從概念設(shè)計(jì)到具有完整功能制品的有形和無(wú)形的表示。,根據(jù)上述定義，原型可以分為物理原型和分析原型。物理原型是近似或直接為產(chǎn)品的有形實(shí)體表示。物理原型是實(shí)際存在的，可以進(jìn)行檢測(cè)和試驗(yàn)，在視覺(jué)和觸覺(jué)上都類似于產(chǎn)品。分析原型是產(chǎn)品非有形表示。實(shí)際中分析原型沒(méi)有被制造出來(lái)，但它們是以仿真、視覺(jué)圖像、方程或分析結(jié)果表示的。在大多數(shù)情況下，原型是指物理原型，即是物體在三維空間的實(shí)物表示。,原

3、型是能基本代表零部件性質(zhì)和功能的試驗(yàn)件，從表面質(zhì)量、色彩等方面可具有零部件的特征，但不具備或不完全具備零部件的功能。零部件是最終產(chǎn)品，具有最佳特性、功能和成本。原型一般數(shù)量較少，主要用于實(shí)體觀察、分析、試驗(yàn)、校核、展示、直接使用或間接制造模具。與二維圖紙相比，原型可以對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程提供許多有價(jià)值的資料。在設(shè)計(jì)部門(mén)內(nèi)部、其他部門(mén)以及市場(chǎng)上的用戶之間，原型是交流設(shè)計(jì)概念的最好的工具。,第二講 快速原型技術(shù)的產(chǎn)生背景,由于全球市場(chǎng)一

4、體化的形成, 制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)十分劇烈, 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的長(zhǎng)短直接影響到一個(gè)企業(yè)的生死存亡. 另一方面, 一個(gè)新產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)過(guò)程中, 總是要經(jīng)過(guò)對(duì)初始設(shè)計(jì)的多次修改, 才能真正推向市場(chǎng). 因此, 客觀上需要一種可以直接地將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體的技術(shù).,這樣, 不但可以快速直觀地驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性, 而且可以向客戶、甚至僅僅是有意向的潛在客戶提供未來(lái)產(chǎn)品的實(shí)體模型, 從而達(dá)到迅速占領(lǐng)市場(chǎng)的目的. 快速原型技術(shù)(Rapid

5、Prototyping , 簡(jiǎn)稱RP) 就是在這樣的社會(huì)背景下1988 年誕生于美國(guó), 迅速擴(kuò)展到歐洲和日本, 并于90 年代初期引進(jìn)我國(guó).,第三講：快速原型技術(shù)的原理,首先將CAD 設(shè)計(jì)出來(lái)的三維實(shí)體模型數(shù)據(jù)(STL 文件) 按一定方向分層為層片模型數(shù)據(jù)(CL I 文件) . 快速原型的成型機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù), 利用特定的材料, 一個(gè)薄層一個(gè)薄層地創(chuàng)建出實(shí)體, 每一個(gè)薄層都貼合粘結(jié)到前一個(gè)薄層上, 直至完成整個(gè)實(shí)體的創(chuàng)建。,而根據(jù)原型的制

6、造原理,快速原型技術(shù)有如下幾個(gè)主要類別:立體印刷成形( Stereo L ithography Appara2tus, SLA)又稱立體光刻、光敏液相固化,其基本原理是采用光敏樹(shù)脂原料,以計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光按原型各分層截面的輪廓軌跡逐點(diǎn)掃描,,使被掃描區(qū)的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化形成固體薄層截面,而后向下或向上移動(dòng)工作臺(tái),在剛剛固化的樹(shù)脂表面布放一層新的液態(tài)樹(shù)脂,再進(jìn)行新一層掃描、固化,如此重復(fù)直至整個(gè)原型制造完畢。,層合實(shí)體制

7、造(Lami2nated Object Manufacturing, LOM) ,又稱分層實(shí)體造型、分層物體制造等,其基本原理是將單面涂有熱熔膠的薄膜材料或其他材料的箔帶切割成欲制原型在該層平面的輪廓,再通過(guò)加熱輥加熱,使剛剛切好的一層與下面的已切割層粘接在一起,通過(guò)逐層切割、粘合、剝離,最后得到欲求的原型。,選域激光燒結(jié)( Selected Laser Sintering, SLS) ,其基本原理是借助精確引導(dǎo)的激光束使材料粉末燒結(jié)或

8、熔融后凝固形成三維原形或制件。,熔融沉積造型( Fused Deposition Modeling, FDM) ,又稱熔化堆積法、熔融擠出成模,其原理為采用熱熔噴頭,使半流動(dòng)狀態(tài)的材料按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑擠壓沉積在指定的位置凝固成形,逐層沉積、凝固后形成整個(gè)原型或零件。,此外,還有三維噴涂粘接(三維打印、陶瓷殼法) 、焊接成形技術(shù)(熔化成形、全焊縫金屬零件制造技術(shù)) 、掩膜光刻、數(shù)控加工等,第四講 快速原型技術(shù)的特點(diǎn),與傳統(tǒng)的機(jī)械

9、加工方法相比，快速原型技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)（或從實(shí)體反求獲得模型）到制成原型上，速度要快的多； （2）可快速成型任意復(fù)雜的三維幾何實(shí)體，不受傳統(tǒng)加工方法中刀具無(wú)法達(dá)到某些型面的限制。,（3）采用“分層制造”的方法，通過(guò)分層，把三維成型問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維平面成型問(wèn)題來(lái)解決； （4）制造過(guò)程的高柔性，可選材料的廣泛性； （5）突出的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。它使得零件的復(fù)雜程

10、度和生產(chǎn)批量與原型制造成本基本無(wú)關(guān)，有利于把握商機(jī)；此外，RP屬于非接觸加工，無(wú)需金屬切削所需的刀具、夾具，制造過(guò)程無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音，環(huán)保效益明顯,（6）廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。它不僅在制造業(yè)的產(chǎn)品造型和模具設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，而且在工業(yè)設(shè)計(jì)、材料工程、醫(yī)學(xué)、建筑工程和航空領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。,第五講 快速原型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,快速原型制造（RPM）是當(dāng)今世界上發(fā)展最快的制造技術(shù)?？焖僭图夹g(shù)有最初的熱情期步入成熟期，并朝著快速制造方向發(fā)展。目前，快速

11、原型制造的具體工藝不下30中，根據(jù)選用的材料及對(duì)材料的處理方式，可歸納為五大類方法，即選擇性液體固化、選擇性層片粘結(jié)、選擇性粉末熔接或粘結(jié)、熔融擠壓成形和噴墨印刷，,這一系列的原型技術(shù)均已走向商品化。 快速原型制造的主流工藝有，美國(guó)3D SYSTEM 的立體光刻（SL），美國(guó)Helisys的分層實(shí)體制造（LOM），德國(guó)ESO的選擇性激光燒結(jié)（SLS），美國(guó)Stratasys 的熔融堆積成形（FDM），美國(guó)MIT－Z的三

12、維打?。?-DP）。其中對(duì)RP發(fā)展具有里程碑意義的3D SYSTEM公司，已由最初的SLA－1 發(fā)展到最新SLA－5000System、 SLA－7000System。美國(guó)愛(ài)達(dá)荷國(guó)家工程與環(huán)境試驗(yàn)中心采用快速凝固工藝實(shí)現(xiàn)了,注塑模具的快速經(jīng)濟(jì)制造。該方法采用快速原型技術(shù)制作的樣件作為母體樣板，通過(guò)噴涂到母體樣板的金屬或合金熔滴的沉積制造模具。該方法制造精度高（最小表面涂層可達(dá)0.038mm，制造精度可達(dá)±0.025～ 

13、7; 0.05mm）、時(shí)間短（普通模具一周之內(nèi)即可成型）、造價(jià)低（為傳統(tǒng)模具制造費(fèi)用的1/2～1/10）。 國(guó)內(nèi)正逐漸開(kāi)展RP技術(shù)和系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)。清華大學(xué)已研制成功具有FDM、,LOM 多功能RP設(shè)備，北京隆源公司采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，成型速度快，材料范圍廣，其AFS～320、AFS～450已得到廣泛推廣。西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)也在開(kāi)展RP技術(shù)、材料、設(shè)備的研究工作，并取得了突破性的進(jìn)展。

14、 清華大學(xué)徐達(dá)、顏永年等研制的（實(shí)心塊體原型）超大型LOM－1600分層實(shí)體制造系統(tǒng)，其成型空間為1600×800×700,立方厘米，是汽車覆蓋件首選RP工藝裝備。它填補(bǔ)了RP制造大型原型方面的空白，解決了凝固過(guò)程中的尺寸精度問(wèn)題，對(duì)于大型汽車覆蓋件快速金屬模具制造中優(yōu)化原型尺寸，獲得良好尺寸精度的模具，提高設(shè)計(jì)水平及快速反應(yīng)能力具有現(xiàn)實(shí)意義。 西安交通大學(xué)與第四軍醫(yī)大學(xué)從事的生物活性組織

15、快速制造技術(shù)，研制具有生物活性的人體骨骼，通血液、通營(yíng)養(yǎng)，用于人體骨骼移植，這是RP技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)的巧妙結(jié)合。,是RP技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)的巧妙結(jié)合。西交大劉亞雄、季滌塵等基于快速原型的個(gè)體匹配骨骼造型防腐法研究，改進(jìn)了個(gè)體匹配的設(shè)計(jì)與制造的速度和精度，縮短了病人的等待時(shí)間，改善了骨骼外形的匹配程度，不通過(guò)曲面重構(gòu)，而直接利用RP完成人體骨骼模型的造型。 華中科技大學(xué)展開(kāi)了激光三維內(nèi)割塊RPM研究，類似于“伽馬刀”，將激光

16、束先經(jīng)過(guò)擴(kuò)束、準(zhǔn)直，以降低能量密度，然后,聚焦于材料內(nèi)部。中南大學(xué)黃伯云、李篤信從事的金屬注射成型技術(shù)方面的研究，居于粉末冶金注射成型研究水平世界前列。,第六講 快速原型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),快速原型技術(shù)經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，正朝著實(shí)用化、工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化方向邁進(jìn)。未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)歸納如下。 一、創(chuàng)新工藝 RP技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)其他先進(jìn)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的支持，而且，它們之間的結(jié)合越來(lái)越緊密。冰凍成形以水為原料，通過(guò)溫度控制、水滴控

17、制、噴射方法與速度控制實(shí)現(xiàn)快速成型；人體骨骼組織工程材料成形利用材料的生物活性，將器官移入人體后誘導(dǎo)破壞組織再生，恢復(fù)機(jī)體功能 ， 并適時(shí)降解。,二、開(kāi)發(fā)新材料 合適的材料是快速原型制造的關(guān)鍵。研制替代進(jìn)口的光固化樹(shù)脂，是RP技術(shù)推廣的當(dāng)務(wù)之急，開(kāi)發(fā)全新的RP新材料如復(fù)合材料、納米材料、非均勻材料、活性生物材料，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外RP成型材料研究的熱點(diǎn)。,三、開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、處理和監(jiān)控軟件 軟件

18、系統(tǒng)不僅是實(shí)現(xiàn)離散、堆積成型的關(guān)鍵，而且還對(duì)成型速度、成型精度、零件表面質(zhì)量等方面有很大影響。目前，大多數(shù)快速原型制造系統(tǒng)所使用的分層切片算法都是基于STL文件進(jìn)行的，STL文件存在許多缺陷和不足，如何克服STL文件本身的缺陷，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式是十分重要的。,現(xiàn)在的切片方式都是平面的，今后可能發(fā)展曲面切片、不等厚分層等方法，從曲面模型直接截面、分層，用更精確、更簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)描述，提高造型精度。,四、不同制造目標(biāo)相對(duì)獨(dú)立發(fā)展

19、 當(dāng)前，RPM制造目標(biāo)主要有三個(gè)方面，即快速概念設(shè)計(jì)原型制造、快速模具原型制造、快速功能零件原型制造。其中快速概念設(shè)計(jì)原型制造與快速模具原型制造技術(shù)已在實(shí)際中應(yīng)用，市場(chǎng)潛力巨大，是近期研究和市場(chǎng)化重點(diǎn)。快速模具原型制造技術(shù)難度較大，近期僅限于研究領(lǐng)域。,五、反求技術(shù)已成為研究熱點(diǎn) 麻省理工學(xué)院（MIT）的RP課程均將反求與RP融合。由實(shí)物、照片或CT數(shù)據(jù)等組成的反求幾何模型，常用于仿制、維修和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，可大大

20、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低成本。反求技術(shù)也是人體器官成型的核心與基礎(chǔ)。,六、向大型制造和微型制造進(jìn)軍 由于大型模具的高難度和高成本，以及RPM在模具制造方面的優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)測(cè)RPM將向大型原型制造方向發(fā)展。RPM的另一個(gè)重要發(fā)展方向是微型化，適應(yīng)環(huán)境和桌面化的微型“三維打印機(jī)”正日益受到RP設(shè)備開(kāi)發(fā)商和用戶的關(guān)注，這種產(chǎn)品價(jià)格便宜、外觀小巧、成型空間小并有一定的造型精度。這方面以色列的概念模型世界領(lǐng)先，清華大學(xué)激光成形中心

21、也在開(kāi)發(fā)適合中國(guó)國(guó)情的“三維打印機(jī)”，它有較高的性價(jià)比。,七、RPM行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化 目前，RPM工藝、設(shè)備種類繁多，RPM行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化即有利于開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)更新的產(chǎn)品，又方便用戶。,八、高速度、高精度、高可靠性 大力改進(jìn)快速原型制造系統(tǒng)，研制工作精度高、可靠性好、效率高而且廉價(jià)的制造設(shè)備，將解決制造系統(tǒng)昂貴、精度偏低、制品物理較差、所使用材料有限等問(wèn)題。,九、生長(zhǎng)成型 伴隨著生物工程。、活