快速成型技术 (RP)

快速成型技术(RP)的起源 1979年，东京大学的中川威雄教授利用分层技术制造了金属冲裁模、成形模和注塑模。 20世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的AlanJ. Hebert（1978年）、日本的小玉秀男（1980年）、美国UVP公司的Charles W. Hull（1982年）和日本的丸谷洋二（1983年），各自独立地首次提出了RP的概念，即利用连续层的选区固化制作三维实体的新思想。 Charles W. Hull在UVP的资助下，完成了第1个RP系统Stereo lithography Apparatus（SLA），并于1986年获得专利，这是RP发展的一个里程碑。随后许多快速成形概念、技术及相应的成形机也相继出现。

a） b） 传统加工与快速成型比较 模具 设计 铸造 焊接 锻压 毛坯 （大于工件） 半成品 工件 去　除　加　工 样品 快　速　成　形

快速成型技术(RP)的定义 快速成型技术(Rapid Prototyping & Manufacturing, 缩写为(RP)技术，又叫快速原型技术。 RP技术是将计算机辅助设计(CAD) 、计算机辅助制造(CAM) 、计算机数控技术(CNC) 、材料学和激光结合起来的综合性造型技术。

快速成型技术(RP)的基本原理 快速成型技术是对零件的三维CAD实体模型，生成STL文件、按照一定的厚度进行分层切片处理，生成二维的截面信息，然后根据每一层的截面信息，利用不同的方法生成截面的形状，借助计算机控制的成型机完成材料的形体制造。这一过程反复进行，各截面层层叠加，最终形成三维实体。分层的厚度可以相等，也可以不等。分层越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度。 不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是"分层制造，逐层叠加"，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"。

快速成型技术(RP)的成型过程 快速成型技术(RP)的成型过程： 首先建立目标件的三维计算机辅助设计(CAD 3D)模型, 然后对该实体模型在计算机内进行模拟切片分层,沿同一方向(比如Z轴)将CAD实体模型离散为一片片很薄的平行平面; 把这些薄平面的数据信息传输给快速成型系统中的工作执行部件,将控制成型系统所用的成型原材料有规律地一层层复现原来的薄平面, 并层层堆积形成实际的三维实体,最后经过处理成为实际零件。

快速成型过程 喷粘结剂 喷热熔材料 三维产品（样品/模具） 表面处理 构造三维模型 模型近似处理 切片处理 激光 喷射源 固化树脂 切割箔材 烧结粉末

快速成型技术(RP)的技术体系 一个比较完整的快速成型技术的技术体系包含CAD造型、反求工程、数据转换、原型制造以及物性转换等基本环节。 1、三维CAD造型 　　三维造型包括实体造型和曲面造型。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，这是快速成型制造技术的重要组成部分，是获得初始信息的最常用方法，也是制造过程的第一步。 目前较著名的CAD软件 系统主要有 Pro／Engineer， AutoCAD， I— DEAS，Unigraphics，CATIA，CADKEY等，其三维造型方式主要有实体造型和曲面造型，三维数据格式主要有IGES，DXF，VDA—FS，Uni— versallFiles等。目前许多CAD软件在目前系统中加入一些专用模块，将三维造型结果进行离散化，生成面片模型文件(STL文件、CFL文件等)或层片模型文件(LEAF文件、CLI文件、 HPGL文件等。

2、反求工程 　　物理形态的零件是快速成型制造技术中零件几何信息的另一个重要来源。这里既包括天然形成的各种几何形体，也包括利用各种技术手段，如锻造、锻压、焊接、车、铣、刨、磨、堆积等传统工艺加工而成的几何实体。几何实体包含了零件的几何信息,但这些信息必须经过反求工程将三维物理实体的几何信息数字化,将获得的数据进行必要的处理后,实现三维重构而得到CAD三维模型。 反求工程是将三维的物理实体几何信息数字化的一系列技术手段的总称，它完成实物 信化的功能。反求工程的整个过程主要由两个部分组成，首先是零件表面数字化，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和磁共振成像MRI，以及自动断层扫描仪等。 通过三维数字化设备得到的数据往往是一些散乱的无序点或线的集合，还必须对其进行三维重构得到三维CAD模型，或者层片模型等。

3、数据处理与转换    快速成型系统比绘图仪、打印机要复杂得多，同时设备工艺也具有更大的多样性，因此利用快速成型系统制造零件并不像使用打印机、绘图仪那样简单，只要将CAD系统的文件发 送过去就行了。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RP成型设备制造零件。 数据处理的主要过程包括表面离散化，生成STL文件或CFL文件，分层处理生成SLC、CLI、HPGL等层片文件，根据工艺要求进行填充处理，对数据进行检验 和修正并转换为数控代码。

表面离散化是在CAD系统上对三维的立体模型或曲面模型内外表面进行网络化处理,即用离散化的小三角形平面片来代替原来的曲面或平面,经网络化处理后的模型即为STL文件.该文件记录每个三角形平面片的顶点坐标和法向矢量.然后用一系列平行于X2Y平面(可以是等间距或不等间距)对基于STL文件表示的三维多面体模型用分层切片算法对其进行分层切片,然后对分层切片信息进行数控后处理,生成控制成型机运动的数控代码. 目前已经有许多比较成熟的RP专用数据处理软件面市。如 Bridgeworks and SolidView， Brockware， StlView， Velocity， Z_ Shifter， Rapid Tools， Rapid Prototyping Module，Rapid Tools，以及清华大学激光快速成型中心开发的Lark’98 等。

4、原型制造     即利用快速成型设备将原材料堆积成为三 维物理实体。材料、设备、工艺是快速原型制造 中密切相关的三个基本方面。不同的工艺要求 不同的材料，要求不同的设备来实现。这里材料 问题是一个基本的问题。目前许多制造商可以 提供多种快速原形设备，而且新的工艺设备也 在不断出现。常见的系统有3D Systems的 SLA—250，Helisys的 LOM—2030，Stratasys的 FDM1650，FDM2000，FDM8000，国内清华大 学激光快速成型中心的MRPMS—II等。各种设 备具有不同的特点和局限，有着不同的应用范 围。

5、物性转换 通过快速原形系统制造的零件的力学、物 理性质往往不能直接满足需要，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&M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。在目前RP制造技术尚不能 直接制造满足工业要求的结构和功能零件的情 况下，这是RP技术走向工业应用的重要桥梁。

快速成型技术(RP)系统分类 RP系统可分为两大类： 1、基于激光或其它光源的成形技术，如：立体光造型（Stereo lithography：SL）、迭层实体制造（Laminated Object Manufacturing：LOM）、选择性激光烧结（Selected Laser Sintering：SLS）、形状沉积制造（Shape Deposition Manufacturing：SDM）等； 2、基于喷射的成形技术，如：熔融沉积制造（Fused Deposition Modeling：FDM）、三维打印制造（Three Dimensional Printing：3DP）等。

快速成型技术(RP)的划分方法 目前基于快速成型技术(RP)开发的工艺种类较多, 可以分别按所用材料划分, 成型方法划分为 　　1) 利用激光或其它光源的成型工艺的成型: 　　---立体光造型(简称SL), 或光固化快速成型; 　　---叠层实体造型(简称LDM) 　　---选择性激光烧结(简称SLS) 　　---形状层积技术(简称SDM); 　　2) 利用原材料喷射工艺的成型: 　　---熔融层积技术(简称FDM) 　　---三维印刷技术(简称3DP) 　　其它类型工艺有: 　　---树脂热固化成型 (LTP) 　　---实体掩模成型 (SGC) 　　---弹射颗粒成型 (BFM) 　　---空间成型 (SF) ---实体薄片成型 (SFP)

目前较为成熟的快速成型方法及典型成形工艺 目前快速成型技术的成型工艺方法有十几种,各种方法有自身的特点和实用范围。 比较成熟并已商品化的成型方法有： 1、立体光固化成型法(SM) 2、选择性激光烧结法(SLS) 3、叠层制造法(UM) 4、熔融沉积造型法(FDM) 5、LSL(Laser Stero Lithography)法

自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统， 其中比较成熟的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。 其成形原理分别介绍如下： （1）光固化成形（简称：SLA或AURO） ( SL —Stereolithography) 光敏树脂为原料： SLA快速成形系统的成形原理： --成形材料：液态光敏树脂； --制件性能：相当于工程塑料或蜡模； --主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。 光固化成形是最早出现的快速成形工艺。其原理是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。光固化工艺的设备做出的零件其优点是精度较高、表面效果好，零件制作完成打磨后，将层层的堆积痕迹去除,但运行费用高，且强度低，无法进行装配。

例如： 光敏树脂固化成型原理：基于光敏树脂受紫外光照射凝固的原理，计算机控制激光逐层扫描固化液槽中的光敏树脂。 每一层固化的截面是由零件的三维CAD模型软件 分层得到，直至最后得到光敏树脂实物原型。

（2）粉末烧结成形（简称：SLS(Selective Laser Sintering)） 蜡粉为原料： SLS快速成形系统的成形原理： --成形材料：工程塑料粉末； --制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型； --主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。 SLS法采用各种粉末(金属、陶瓷、蜡粉、塑料等)为材料，在激光照射下烧结的原理，利用滚子铺粉，用CO2高功率激光器对粉末进行加热，在计算机控制下堆积成形，直至烧结成块。其优点是多零件制作时速度快；但精度较低，后处理工艺复杂。利用该方法可以加工出能直接使用的金属件。

（3）SLA 使用二氧化碳激光器烧结粉末材料（如蜡粉，PS粉，ABS粉，尼龙粉，覆膜陶瓷和金属粉等）。成型时先在工作台上铺一层粉末材料，激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，对制件的实心部分所在的粉末进行烧结。一层完成后，工作台下降一个层厚，再进行后一层的铺粉烧结。如此循环，最终形成三维产品。 特点：这种方法适合成型中小型零件，能直接制造蜡模或塑料，陶瓷和金属产品。制件的翘曲变形比SLS工艺小，但仍需对容易发生变形的地方设计支撑结构。这种工艺要对实心部分进行填充扫描烧结，因此成型时间较长。和、可烧结覆膜陶瓷粉和覆膜金属粉，得到成型件后，将制件置于加热炉中，烧掉其中的粘结剂，并在孔隙渗入填充物。它最大的优点在与适用材料很广，几乎所用的粉末都可以使用，所以其应用范围也最广。

（4）LSL(Laser Stero Lithography)法 具体做法是，由CAD系统设计出零件的三维模型，然后分属设定工艺参数，由数控装置控制激光束的扫描轨迹。当激光束照射到液态树脂时，被照射的液态树脂固化。当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面，然后移动工作台。加上一层新的树脂，进行第二层扫描，第二层就牢固地粘贴到第一层上，就这样一层一层加工直至整个零件加工完毕。

（5）分层实体成形（简称：LOM(Laminated Object Manufacturing)或SSM） 纸为原料 快速成形系统的成形原理： --成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸； --制件性能：相当于高级木材； --主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。 LOM法的特点是以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶，根据三维模型每一个截面的轮廓线，在计算机的控制下，利用CO2激光器为能源，用激光束对薄型材料切割片材的边界线，形成某一层的轮廓，同样逐步得到各层截面。各层间的粘接利用加热、加压的方法，最后形成零件的形状。 该方法的特点是：材料广泛，成本低；适合成形大中型零件，翘曲变形小；成型时间较短，但尺寸精度不高，材料浪费大，且清除废料困难。材料品种使用纸材，不能装配，不适宜做薄壁原型，受湿度影响容易变形，此工艺已基本淘汰。

（6）熔融挤压成形FDM（简称：FDM或MEM）(Fused Deposition Modeling) 使用蜡丝(ABS丝)为原料， 快速成形系统的成形原理： --成形材料：固体丝状工程塑料； --制件性能：相当于工程塑料或蜡模； --主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

FDM 的工艺原理： 是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，采用电加热方式将蜡丝熔化成蜡液，快速成型机的加热喷头受计算机控制，根据水平分层数据作x - y 平面运动。丝材由送丝机构送至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。每一层截面完成后，工作台下降一层的高度，再继续进行下一层的造型。如此重复，直至完成整个实体的造型。每层的厚度根据喷头挤丝的直径大小确定。 FDM 工艺关键是保持熔融的成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固点高1 ℃左右。 该方法污染小，材料可以回收，运行成本较低。

10.1.4 快速成形工艺 是直接根据产品CAD的三维实体模型数据，经计算机处理后， 将三维模型转化为许多平面模型的迭加， 10.1.4 快速成形工艺 是直接根据产品CAD的三维实体模型数据，经计算机处理后， 将三维模型转化为许多平面模型的迭加， 再通过计算机控制、制造一系列平面模型并加以联结， 形成复杂的三维实体零件。 快速成形技术具有以下特点 1）高度柔性 2）技术的高度集成 3）设计制造一体化 4）快速性 5）自由成形制造 6）材料的广泛性

快速成型技术目前具有以下几个特点： (1)技术系统化快速成型技术已经与其 它相关技术结合形成了一个庞大的技术体系。 任何一项技术必须与其它技术相结合才能发挥 自己的作用。 (2)需求多样化随着快速成型技术的应 用领域不断扩大，人类的实践领域的不断扩大， 对快速成型技术出现了各种各样、干差万别、不 同层次的需求。 (3)技术多样化在快速成型技术体系中 任何一个环节，都有大量的不同技术工具，这些 技术工具都有自己的优点与局限，可以满足不 同的需求。没有什么技术可以占据统治地位。 (4)技术复杂化快速成型技术是多种高 新技术集成的结果，在这个技术体系中任何一 项技术都具有很高的技术含量，都是一个复杂 的技术系统。 (5)技术更新速度不断加快需求、技术的 多样化使得快速成型领域的竞争非常激烈，现 有技术不断改进，新工艺技术不断出现，技术的 更新换代速度越来越快。

快速成型技术(RP)产生的意义 大大缩短新产品研制周期，确保新产品上市时间；——使模型或模具的制造时间缩短数倍甚至数十倍； 提高了制造复杂零件的能力；——使复杂模型的直接制造成为可能； 显著提高新产品投产的一次成功率；——可以及时发现产品设计的错误，做到早找错、早更改，避免更改后续工序所造成的大量损失； 支持同步（并行）工程的实施；——使设计、交流和评估更加形象化，使新产品设计、样品制造、市场定货、生产准备、等工作能并行进行； 支持技术创新、改进产品外观设计；——有利于优化产品设计，这对工业外观设计尤为重要。成倍降低新产品研发成本；——节省了大量的开模费用 快速模具制造可迅速实现单件及小批量生产，使新产品上市时间大大提前，迅速占领市场。

快速成型技术(RP)的优越性 RP技术的优越性显而易见：它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此，RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的"去除法"到今天的"增长法"，由有模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。

快速成形技术的国外发展现状 美国是世界上最重要的RP设备生产国，1999年美国生产的RP设备占全世界的8l.5%，美国的RP发展水平及其趋势基本代表了世界的RP发展水平及趋势。 1 立体光造型 1999年3DSystems公司推出SLA27000机型，扫描速度可达9.52m/s，层厚最小可达0.025mm。AUTOSTRADE公司（日本）开发了以680nm左右波长半导体激光器为光源的RP系统，及针对该波长的可见光树脂。提供光固化树脂的有瑞士Ciba公司、日本旭电化公司、美国Dupont公司等。 2 迭层实体制造 Helisys公司研制出多种LOM工艺用的成形材料，可制造用金属薄板制作的成形件。该公司还与Dayton大学合作开发基于陶瓷复合材料的LOM工艺。苏格兰的Dundee大学使用CO2激光器切割薄钢板，使用焊料或粘接剂制作成形。日本Kira公司PLT2A4成形机采用超硬质刀具切割和选择性粘接的方法制作成形件。澳大利亚的Swinburn工业大学开发了用于LOM工艺的金属2塑料复合材料。

3 选择性激光烧结 DTM公司推出了系列Sinterstation成形及多种成形材料，其中Somos材料具有橡胶特性，耐热、抗化学腐蚀，用该材料制造出了汽车上的蛇形管、密封垫等柔性零件。EOS公司研制了PA3200GF尼龙粉末材料，用其制作的零件具有较高的精度和表面光洁度。 4 熔融沉积制造 Stratasys公司推出FDM系列成形机，可使用两个喷头同时造形，制作速度快。1999年推出使用热塑性塑料的Genisys成形，并开发出水溶性支撑材料，解决了复杂及小型孔洞中的支撑材料难以去除的问题。

国内快速成形技术的发展现状 国内有多所高校自20世纪90年代初开始进行RP技术的研究开发。清华大学主要研究RP方面的现代成型学理论、SSM（Slicing Solid Manufacturing）、FDM工艺，并开展了基于SL工艺的金属模具的研究；华中科技大学研究LOM工艺，推出了HRP系列成形机和成形材料；西安交通大学开发出LPS和CPS系列的光固化成形系统及相应树脂，CPS系统采用紫外灯为光源，成形精度0.2mm。 但RP技术在国内的应用还不十分广泛，目前仅限于大型企业和少部分科研院所。国内已成立多家RP服务中心，开始应用RP技术开发新产品。 香港较内地RP技术起步较早，香港生产力促进局和香港科技大学、香港理工大学、香港城市大学等都拥有RP设备，但其重点是RP技术应用与推广而不是研制RP设备。台湾大学拥有LOM设备，台湾各单位及军方安装多台进口SL系列设备。 目前国内在RP技术的研究应用上存在着研究队伍比较薄弱，资金投入有限，应用普及范围不够，没有统一协调的管理机制等缺陷。