概述 第一节 概念、历史、发展

一、概念 快速制造（RM-rapid manufacturing）是基于离散堆积成形原理的先进制造技术的总称。 快速原型技术是快速制造大家族中最先产生的制造技术，在此基础上，又出现了快速工具、快速模具和快速生物支架制造等等。 RM的主要特点有： ①产品的三维CAD设计是RM的前提； ②无需任何专用工具，产品的设计数据直接驱动RM设备堆积材料而进行成形制造过程； ③所完成的是具有使用功能的零件(functional parts)； ④所完成的功能零件之结构与形状无限制

manufacturing)：通过RM直接完成功能零件； ②间接快速制造(indirect rapid manufacturing)：通过RP完成工、模具制造，再采用工、模具进行批量生产。间接制造完成工、模具生产，也可达到低成本和快速性，但与直接制造相比，其快速性要差。

图1 制造科学技术的发展链 注：与RM相比，RM中的微滴为材料单元，在OM中则变成了细胞-材料单元，即组装对象从无生命的材料变成有生命的细胞，但它所遵循的制造科 学的原理则是相同的——即离散-堆积成形。

英国Loughborough大学的P.M.Dickens等人指出，RM的最重要的获益是： ① 直接快速制造可以避免繁复的工、模具制造； ②产品制造的耗时可有实质性的降低； ③使产品的制造成本有较大的下降。

图2 快速制造与传统加工的对比 由图2可见，越是形状复杂且批量小的零件，越应当采用快速制造技术。

Dickens教授还指出，在成本上，传统工艺制作注塑模与快速制造技术制造注塑模有一个交叉点。 对于SLS工艺，当成形件的批量低于14 000件时，采用SLS工艺快速制造的模具成本低于传统工艺；这个交叉点对于FDM工艺是6 500件，而对于SL工艺是5 000件。批量低于上述件数，快速制造模具具有成本上的优势；反之，传统注塑模制造工艺比较合适(图3)。 图3 快速制造工艺选择原则

二、历史 20世纪70年代末到80年代初期， 美国3M公司的Alan J.Herbert (1978年)、日本名古屋市工业研究所的小玉秀男(1980年)、美国UVP公司的Charles W. Hull(1982年)和日本大阪工业技术研究所的丸谷洋二(1993年)，各自独立地提出了快速成型(Rapid Prototyping-RP)的技术设想，即利用连续层的选区固化生产三维实体。

在1984年美国UVP公司的Charles W. Hull申请了世界上第一台激光固化快速成型SLA设备(SLA-1)的专利，并且于1986年获得通过(美国专利号US4,575,330)，这标志着RP技术从研究阶段进入了使用阶段。此后20余年间，快速成型技术迈入快速发展期（如表1）。

三、发展 国际统计资料表明，RP原型中1/3被用来作为可视化的手段，用于评估设计、协助设计模具，沟通设计者与制造商及工程投标，1/3被用来进行试装配和性能试验，如空气动力学试验、应力分析等，1/4以上用于协助完成模具制造。 原型制造的另一个重要应用领域是医疗。它用于制作教学或手术参考的模型，或帮助制造假肢，用于外科修复。

（2）立体光刻快速制造 -改进光固化树脂，在保留其高精度的同时，大大提高其强度和韧性 基于快速成形的快速制造技术的最新进展: （一） 快速零件制造 （1）高能束流金属直接熔敷/烧结成形 -激光束聚焦于由金属粉末注射形成的熔池表面，整个装置处于惰性气体保护之下。通过激光束的扫描运动，使金属粉末材料逐层堆积，最终形成复杂形状的零件或模具。 （2）立体光刻快速制造 -改进光固化树脂，在保留其高精度的同时，大大提高其强度和韧性

（3）熔融挤压或三维喷射成形制造 - 改进熔融挤压的材料和成形工艺，提高成形件的强度和精度，使之达到直接快速制造功能零件的目的。 （4）电子束熔化快速制造 -EBM(electron beam melting)称为电子束熔化快速制造技术，利用电子束选区熔化金属粉末成形，它由瑞典Arcam公司申请专利并进行商业化运行。

（5） 基于电沉积技术的纳米结构零件制造 - 南京航空航天大学快速成形研究中心采用类似于电铸的电沉积技术，研制出相应设备，完善了成形工艺，采用如Ni、Cu、Co、Ni-Fe、Ni-P、Ni-SiC等纳米粉材料，实现各种纳米材料零件的制造，其晶粒尺寸为30～50nm。

（1）粉末冶金快速模具 - 美国3D Systems公司还推出了一种粉末冶金快速模具工艺，这种工艺称作3D Keltool。 （二） 快速模具制造 （1）粉末冶金快速模具 -  美国3D Systems公司还推出了一种粉末冶金快速模具工艺，这种工艺称作3D Keltool。 它的制作过程为：首先用SLA原型翻制出硅胶模作为中间转换模，然后将混有树脂粘结剂的工具钢粉末灌注到中间模具中，待材料凝固后取出，得到模具生坯件，通过烧结去除粘结剂，得到内部疏松结构(约30%孔隙率)的模具熟坯件，最后经过渗铜处理增加材料的致密度和机械强度，通过简单机加工进一步保证模具的精度(可达0.04 mm)，即得Keltool模具。 该模具70%为钢，30%为铜，其特性与P20工具钢模具类似，可以承受20 000～25 000 Pa的压力和650 ℃的高温。

该方法的优点是用SLA原型代替原来精密铸造中的蜡型，从而大大提高了铸造原型的精度，并且大大加快了制造速度。 （2）快速精密铸造模具 -Quick Casting是美国3D Systems公司推出的一种工艺。它利用立体光刻(SLA)工艺获得零件/模具的半中空RP原型，然后在原型的外表面挂浆，使一定厚度和粒度的陶瓷壳层紧紧地包裹在原型的外面，再放入高温炉中烧掉半中空原型，得到中空的陶瓷型壳，即可用于精密铸造。浇铸后得到的金属模具还需进行必要的机加工，使其表面质量和尺寸精度达到要求。 该方法的优点是用SLA原型代替原来精密铸造中的蜡型，从而大大提高了铸造原型的精度，并且大大加快了制造速度。

（3）基于沉积技术的模具制造 -美国斯坦福大学的Prinz等采用形状沉积制造(SDM)工艺直接制造出含复杂内流道的多组元材 料注射模，经过一定的后处理之后，模具的尺寸精度与表面质量均达到要求，这种注射模由于包含其他方法所不能做到的内流道，注射时的冷却效果非常好，因此受到人们的重视。

（4）光固化直接模具制造 -美国3D Systems公司开发出一种称为直接AIM快速制模工艺，它使用立体光刻设备，采用SL 工艺与特种材料，直接制造出ACES(accurate clear epoxy solid)注射模。目前看来这种工艺也有缺点，主要是模具寿命较短，注射零件的复杂程度也受到限制。

（5）电铸模 -电铸模是一种结合快速原型和传统电铸工艺的快速模具技术。 它的基本过程为：首先对RP原型表面进行必要的处理，如打磨、抛光、涂敷导电层等，然后置入电铸槽中，通过常温电铸获得金属壳层，该壳层的内表面精确地复制出了RP原型的外表面，通过中高温烧结去除金属壳内的原型，然后在模具框和金属壳外侧之间浇铸低熔点合金或铝粉-树脂混合材料作背衬，即可得到电铸模。

第二节 快速成型技术(RP) 一、CAD模型的优 缺点

CAD模型具有很多优点：采用CAD生成的三维CAD模型，可以进行结构、性能分析，可以进行模拟装配，可以进行外观造型的渲染，甚至可以在虚拟现实环境下进行操作和使用。 但是，CAD模型的出现，无法、也不可能完全替代其它形式的模型，特别是具有三维实体形态的实体模型。 例如：在产品的造型设计中，不仅要考察产品的外形、色彩效果，甚至要考察其手感；在航空、航天器的设计中，没有因为三维CAD的采用而放弃采用空气动力学的“风洞”试验，

同样，汽车工业中任一新车型开发过程中也不能不进行结构安全性的“碰撞”试验；尽管有十分详尽的军事地图，在大型战役的指挥中， “沙盘”仍是不可缺少的。这一切都源于CAD模型的缺限： 1、CAD模型无法提供产品的全部信息（如手感）；     2、CAD模型只能模拟我们已知的环境条件；     3、三维空间中的实体模型比二维屏幕上的CAD模型更具有“真实感”和“可触摸性”；    

  4、CAD模型本身也需要接受实际验证。 因此，在大力研究和应用三维CAD基础上的拟实设计、拟实制造的同时，还要积极研究和采用同样是在三维CAD基础上产生和发展起来的快速成型（RP）技术。CAD技术和RP技术的结合为设计师带来完美的解决方案。

二、快速成形技术工作原理 首先设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型），然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。

三、快速成型技术分类 快速成型技术根据成型方法可分为两类： （1）基于激光及其他光源的成型技术（LaserTechnology）， 例如：光固化成型（SLA）、分层实体制造（LOM）、选域激光粉末烧结（SLS）、形状沉积成型（SDM）等； （2）基于喷射的成型技术（JettingTechnoloy）

四、快速成型技术应用范围 目前RP技术的发展水平而言，在国内主要是应用于新产品（包括产品的更新换代）开发的设计验证和模拟样品的试制上，即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。对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制，或进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视，甚至将产品小批量组装先行投放市场，达到投石问路的目的。

快速成型的应用主要体现在以下几个方面：（1）新产品开发过程中的设计验证与功能验证。RP技术可快速地将产品设计的CAD模型转换成物理实物模型，这样可以方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设计中的问题可及时修改。如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期长、费用高。如果不进行设计验证而直接投产，则一旦存在设计失误，将会造成极大的损失。

（2）可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传，对有限空间的复杂系统，如汽车、卫星、导弹的可制造性和可装配性用RP方法进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度。对于难以确定的复杂零件，可以用RP，技术进行试生产以确定最佳的合理的工艺。此外，RP原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。比如为客户提供产品样件，进行市场宣传等，快速成型技术已成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。

（3）单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。对于高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料直接快速成型，满足使用要求;对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得。该项应用对航空、航天及国防工业有特殊意义。

（4）快速模具制造。通过各种转换技术将RP原型转换成各种快速模具，如低熔点合金模、硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件的生产，满足产品更新换代快、批量越来越小的发展趋势。快速成型应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业，在医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。

五、快速成型技术在各行业中的应用： （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）通讯产品：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。 总之，快速成型技术的发展是近20年来制造领域的突破性进展，它不仅在制造原理上与传统方法迥然不同，更重要的是在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下，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。

第三节 快速模具技术（RT） 传统的采用锻件或型材通过机械加工获得模具的方法,其设计加工周期长,生产成本高,特别是对形状复杂或具有内腔的模具,锻造和加工都很困难,甚至不能实现现代工业的发展, 随着快速成型软硬件设备与快速成型材料的不断发展和完善，快速原型件的强度和精度得到不断的提高，快速成型技术已经逐渐地深入到快速模具制造领域，基于快速成型方法制造各类简易经济快速模具已成为RP&M应用的热点问题。

一、快速制模技术工作原理 快速制模技术大都是依据快速成型制作的实体模型即样模(母模)采用拷贝方式(如金属喷涂、电镀、复合材料浇注、精铸等)来快速制造模具主要工作零件(凸、凹模或模腔、模芯)的。 其制造周期一般为传统的数控切削方法的1/5～1/10，而成本却仅为其1/3～1/5。

二、快速制模技术分类 目前的快速制模方法大致有： （1）间接制模法 （2）直接制模法 基于RP快速制造模具的方法多为间接制模法。 依据材质不同，间接制模法生产出来的模具有： （1）软模 （2）桥模 （3）硬模

（1）软模(soft tooling)通常指的是硅橡胶模具。用SLA、FDM、LOM或SLS等技术制作的原型，再翻成硅橡胶模具后，向模中灌注双组份的聚氨酯，固化后即得到所需的零件。

（2）桥模(bridge tooling)通常指的是可直接进行注塑生产的环氧树脂模具。 采用环氧树脂模具与传统注塑模具相比，成本只有传统方法的几分之一，生产周期也大大减少。模具寿命不及钢模，但比硅胶模高，可达1000～5000件，可满足中小批量生产的需要。

（3）硬模(hard tooling)通常指的就是钢质模具，即用间接方式制造金属模具和用快速成形直接加工金属模具。

三、快速制模技术特点及应用 快速制模技术制模周期短、工艺简单、易于推广、制模成本低、精度和寿命能满足某种特定的功能需要，综合经济效益良好，是一种快捷、方便、实用的模具制造技术，特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证以及多品种小批量生产。

第四节 与快速制造相关的新技术 一、三维CAD技术 已经出现了许多成功的三维CAD商用软件，如Pro/E、 UG、CATIA、I-Deas、 Solid Works、CAXA等

二、数据反求技术 （一）数据反求技术的出现 尽管已经出现了许多成功的三维CAD商用软件，如UG、Pro/E、I-Deas、 Solid Works等，但运用这些软件建立一个复杂的零件模型，还是相当费时的工作。有时工程界提供的往往是实物，需要由实物制造模具或在它的基础上作出设计上的改进。

（二）数据反求技术的实现 快速检测及三维CAD重构技术提供了由实物直接获得CAD模型的途径。 （三）检测的方法分类： （1）CMM（三座标测量机）方法，CMM法检测精度高，但较慢，有时还必须事先知道曲面形状，以编制CNC检测程序。 （2）激光扫描法，它采用光刀法或振镜法实现每个截面的扫描，用CCD传感器摄像，获得密集的数据。这种方法的精度稍差，目前可达0.05mm。缺点是有光学上的 死点，对零件的内表面无能为力。

（3）层切法：RP生长成型的逆过程。它用充填剂将零件内外封装起来，用铣刀一层层铣出截面来，CCD摄象获得截层数据，精度可达到0 （3）层切法：RP生长成型的逆过程。它用充填剂将零件内外封装起来，用铣刀一层层铣出截面来，CCD摄象获得截层数据，精度可达到0.02mm，可以满足工程所需的精度要求。 （四）三维重构软件 三维重构软件的功能是精化海量数据（点云），找出曲面的交界点及特征点，使数据与CAD软件合理匹配。最后通过调用CAD软件，自动获得CAD模型。

逆向工程流程： 逆向工程流程图

二、数据反求技术实例 汽车外壳实例