先进制造技术之快速成型技术论文

先进制造技术课程论文

————快速成型技术

课程名称： 先进制造技术 题目名称： 快速成型技术 班 级：20 级 专业 班

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摘要：简介了快速成型技术的原理与特点，并阐述了快速成型技术的起源发展历程，分析

了快速成型技术的研究现状及其推广应用情况，在此基础上根据快速成型技术的发展成果研究现状与市场需求展望了快速成型技术的未来发展趋势发展状况。

关键词：先进制造技术；快速成型技术; 发展历史；应用现状; 发展趋势；

引言：本文阐述了快速成型技术的基本概念,包括快速成型技术基本原理，工艺过程，总结

了快速成型技术的方法和特点,快速成型技术在产品开发中的应用现状、 最后展望了快速成型技术的未来发展趋势。

正文: 制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，其生产总值一般占一个国家国内生

产总值的20%~55%。在一个国家的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。而先进制造技术扮演了极其重要的角色，先进机械制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志，也是国际间科技竞争的重点。先进制造技术包罗万象，快速成型技术的出现和应用，代表着先进制造技术发展的高潮！ 《一》快速成型的基本原理

快速成形技术(Rapid Prototyping；RPM)又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，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，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。 与传统的机械切削加工，如车削、铣削等“材料减削”方法不同的是，“快速成型制造技术”是靠逐层融接增加材料来生成零件的，是一种“材料迭加”的方法，快速成型技术采用离散/堆积成型原理，根据三维CAD模型，对于不同的工艺要求，按一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。再将数据进行一定的处理，加入加工参数，在数控系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，并使之粘结而成形。实际上就是基于“生长”或“添加”材料原理一层一层地离散叠加，从底至顶完成零件的制作过程。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。

《二》快速成型的工艺过程

（1）三维模型的构造：按图纸或设计意图在三维CAD设计软件中设计出该零件的CAD实体文件。一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面做近似的所谓面型化处理，是用平面三角形面片近似模型表面。以简化CAD模型的数据格式。便于后续的分层处理。由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的标准，每个三角面片用四个数据项表示。即三个顶点坐标和一个法向矢量，整个CAD模型就是这样一个矢量的集合。在一般的软件系统中可以通过调整输出精度控制参数，减小曲面近似处理误差。如Pre/1E软件是通过选定弦高值(ch-chordheight)作为逼近的精度参数。 （2）三维模型的离散处理（切片处理）：在选定了制作(堆积)方向后，通过专用的分层程序

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将三维实体模型(一般为STL模型)进行一维离散，即沿制作方向分层切片处理，获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。分层的厚度就是成型时堆积的单层厚度。由于分层破坏了切片方向CAD模型表面的连续性，不可避免地丢失了模型的一些信息，导致零件尺寸及形状误差的产生。所以分层后需要对数据作进一步的处理，以免断层的出现。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，每一层面的轮廓信息都是由一系列交点顺序连成的折线段构成。所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，层与层之间的轮廓信息已经丢失，层厚越大丢失的信息越多，导致在成型过程中产生了型面误差。

（3）成型制作：把分层处理后的数据信息传至设备控制机，选用具体的成型工艺，在计算机的控制下，逐层加工，然后反复叠加，最终形成三维产品。

（4）后处理：根据具体的工艺，采用适当的后处理方法，改善样品性能。 《三》快速原形技术的特点

与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下特点：

1、自由成型制造：自由成型制造也是快速成型技术的另外一个用语。作为快速成型技术的特点之一的自由成型制造的含义有两个方面：一是指无需要使用工模具而制作原型或零件，由此可以大大缩短新产品的试制周期，并节省工模具费用；二是指不受形状复杂程度的限制，能够制作任何形状与结构、不同材料复合的原形或零件。

2、制造效率快：从CAD数模或实体反求获得的数据到制成原形，一般仅需要数小时或十几小时，速度比传统成型加工方法快的多。该项目技术在新产品开发中改善了设计过程的人机交流，缩短了产品设计与开发周期。以快速成型机为母模的快速模具技术，能够在几天内制作出所需材料的实际产品，而通过传统的钢质模具制作产品，至少需要几个月的时间。该项技术的应用，大大降低了新产品的开发成本和企业研制新产品的风险。

3、由CAD模型直接驱动：无论哪种RP制造工艺，其材料都是通过逐点、逐层以添加的方式累积成型的。无论哪种快速成型制造工艺，也都是通过CAD数字模型直接或者间接地驱动快速成型设备系统进行制造的。这种通过材料添加来制造原形的加工方式是快速成型技术区别传统的机械加工方式的显著特征。这种由CAD数字模型直接或者间接地驱动快速成型设备系统的原形制作过程也决定了快速成型的制造快速和自由成型的特征。 4、技术高度集成：当落后的计算机辅助工艺规划（Computer Aided Process Planning,CAPP）一直无法实现CAD与CAM一体化的时候，快速成型技术的出现较好的填补了CAD与CAM之间的缝隙。新材料、激光应用技术、精密伺候驱动技术、计算机技术以及数控技术等的高度集成，共同支撑了快速成型技术的实现。

5、经济效益高：快速成型技术制造原型或零件，无须工模具，也与成型或零件的复杂程度无关，与传统的机械加工方法相比，其原型或零件本身制作过程的成本显著降低。此外，由于快速成型在设计可视化、外观评估、装配及功能检验以及快速模具母模的功用，能够显著缩短产品的开发试制周期，也带来了显著的时间效益。也正是因为快速成型技术具有突出的经济效益，才使得该项技术一经出现，便得到了制造业的高度重视和迅速而广泛的应用。 6、精度不如传统加工；数据模型分层处理时不可避免的一些数据丢失外加分层制造必然产生台阶误差，堆积成形的相变和凝固过程产生的内应力也会引起翘曲变形，这从根本上决定了RP造型的精度极限。 《四》快速成形的工艺方法 1.光固化成形

SLA(Stereo lithography Apparatus)工艺也称光造型、立体光刻及立体印刷，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

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零件制造完毕，得到1个三维实体模型。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.分层实体制造

LOM(Laminated Object Manufacturing)工艺或称为叠层实体制造，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CO，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，以固化黏结剂，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.选择性激光烧结

SLS(Selective Laser Sintering)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。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.熔融沉积成形

FDM(Fused Deposition Manufacturing)工艺又称为熔丝沉积制造，其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个小时即可成型，且无污染。 除了上述4种最为熟悉的技术外，还有许多技术也已经实用化，如三维打印技术、光屏蔽工艺、直接壳法、直接烧结技术、全息干涉制造等。

《五》快速成型技术的发展历史

快速成型技术首先在美国得到使用, 1987 年3D System 公司首次推出商业化的快速成型设备。当1988 年将第1 台设备SLA 21 卖给Bater Healthare、Pratt and Whitney 和Eastman Kodak时, 就标志着快速成型技术工业化应用的开始。20世纪90 年代, 快速成型技术的应用范围迅速扩大,使用单位包括美国的波音和通用、德国的奥迪和宝马等许多国际知名大公司。1992 年, 快速成型设备已经在17个国家的500 个项目中得到工业应用;1994 年9 月, 世界上投入使用的快速成型设备增加到800 多台, 其中美国占绝大多数, 日本有100 多台; 1996 年底, 全世界已安装了1 400 多台快速成型设备。至2000 年6 月, 已有40 多家公司设计、制造快速成型设备, 其在全球的使用数量已达2 000多台。我国于90 年代初才开始快速成型技术研究, 主要有西安交通大学、清华大学、华中科技大学及北京隆源自动成型系统有限公司, 进行了光固化成型、熔融沉积造型、分层实体制造和选区激光烧结成型技术与设备研究, 目前其相应的快速成型设备均已实现商品化。

近十几年来，随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈。尤其是计算机技术的迅速普遍和CAD/CAM技术的广泛应用，使得RPM技术得到了异乎寻常的高速发展，表现出很强的生命力和广阔的应用前景。快速成形技术发展至今，以其技术的高速性、高集成性、高柔

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性、自动化程度高而得到了迅速发展。

《六》快速成型技术的应用和发展现状

快速成型技术的核心竞争力是其制造成本低和市场响应速度快, 而生产厂家于利润和速度的考虑而逐步采用快速成型技术, 从而促使快速成型技术得以迅速发展和推广应用, 尤其在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。

快速成型技术的实际应用主要集中在以下几个方面：

1.在新产品造型设计过程中的应用快速成形技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用RPM技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型(样件)，这不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。

2.在机械制造领域的应用由于RPM技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用RPM技术直接进行成型，成本低，周期短。 3.快速模具制造传统的模具生产时间长，成本高。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。快速成形技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用RPM技术直接堆积制造出模具，间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具。

4.在医学领域的应用近几年来，人们对RPM技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础，利用RPM技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。

5.在文化艺术领域的应用在文化艺术领域，快速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。

6.在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性，采用RPM技术，根据CAD模型，由RPM设备自动完成实体模型，能够很好的保证模型质量。

7.在家电行业的应用目前，快速成形系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用，使许多家电企业走在了国内前列。如：广东的美的、华宝、科龙；江苏的春兰、小天鹅；青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。快速成形技术的应用很广泛，可以相信，随着快速成形制造技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。

快速成型技术发展现状方面： 1．比较典型的快速成型工艺有分层实体制造、选区激光烧结、熔丝沉积制造、三维印刷, 每种技术各有优缺点, 其中选区激光烧结的材料适用范围最广, 是实现金属零件直接快速成型的较好方法。目前实现金属零件快速成型的工艺方法有两大类: 间接法和直接法。间接法成型精度较高, 但是成型工艺复杂, 而直接法成型工艺简单, 成型精度稍差。间接法比较成熟, 主要有硅橡胶法, 选区激光烧结+ 精密铸造法, 选区激光烧结+ 铜反渗法和选区激光烧结+ HIP 法。直接法目前只有德国EO S 公司刚开发成功的DML S (Direct Metal Laser Sintering) 法, 利用200W 的CO 2 激光直接烧结金属粉末成型, 成型精度可达±0. 2mm , 制作的注塑件金属模具寿命可达数十万件, 但成型尺寸较小, 否则变形较大。从长远来看, 直接法将是金属零件快速成型技术的发展方向是快速成型技术的发展趋势。金属零件、功能梯度零件的直接快速成型制造技术目前的快速成型技术主要用于制作非金属样件, 由于其

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强度等机械性能较差, 远远不能满足工程实际需求, 所以其工程化实际应用受到较大限制。从90 年代初开始, 探索实现金属零件直接快速制造的方法已成为RPM 技术的研究热点, 国外著名的RPM技术公司均在进行金属零件快速成型技术研究。可见, 探索直接制造满足工程使用条件的金属零件的快速成型技术, 将有助于快速成型技术向快速制造技术的转变, 能极大地拓展其应用领域。此外, 利用逐层制造的优点, 探索制造具有功能梯度、综合性能优良、特殊复杂结构的零件, 也是一个新的方向发展。目前, 快速成型技术的成型精度为0. 01mm 数量级, 表面质量还较差, 有待进一步提高。最主要的是成型零件的强度和韧性还不能完全满足工程实际需要, 因此如何完善现有快速成型工艺与设备, 提高零件的成型精度、强度和韧性, 降低设备运行成本是十分迫切的。此外, 快速成型技术与传统制造技术相结合, 形成产品快速开发—制造系统也是一个重要趋势, 如快速成型技术结合精密铸造, 可快速制造高质量的金属零件。另一方面, 许多新的快速原型制造工艺正处于开发研究之中。

快速成型技术在发展中所存在的主要问题 1)材料问题.目前快速成型技术中成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能满足功能性、半功能性零件的要求，必须借助于后处理或二次开发才能生产出令人满意的产品。由于材料技术开发的专门性，一般快速成型材料的价格都比较贵，造成生产成本提高。 （2)高昂的设备价格.快速成型技术是综合计算机、激光、新材料、CAD/CAM集成等技术而形成的一种全新的制造技术，是高科技的产物，技术含量较高，所以，目前快速成型设备的价格较贵，限制了快速成型技术的推广应用。

（3)功能单一.现有快速成型机的成型系统都只能进行一种工艺成型，而且大多数只能用一种或少数几种材料成型。这主要是因为快速成型技术的专利保护问题，各厂家只能生产自己开发的快速成型工艺成型设备，随着技术的进步，这种保护体制已成为快速成型技术集成的障碍。

（4)成型精度和质量问题.由于快速成型的成型工艺发展还不完善，特别是对快速成型软件技术的研究还不成熟，目前快速成型零件的精度及表面质量大多不能满足工程直接使用的需要，不能作为功能性零件，只能作原型使用。为提高成型件的精度和表面质量，必须改进成型工艺和快速成型软件。

（5)应用问题.虽然快速成型技术在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、玩具、建筑、艺术品等许多领域都已获得了广泛应用，但大多仅作为原型件进行新产品开发及功能测试等，如何生产出能直接使用的零件是快速成型技术面临的一个重要问题。随着快速成型技的进一步推广应用，直接零件制造是快速成型技术发展的必然趋势。

（6)软件问题。随着快速成型技术的不断发展，快速成型技术的软件问题越来越突出，快速成型软件系统不但是实现离散/堆积成型的重要环节，对成型速度，成型精度，零件表面质量等方面都有很大影响，软件问题已成为快速成型技术发展的关键问题。如:快速成型软件大多是随机安装，无法进行二次开发;各公司的软件都是自行开发，没有统一的数据接口;随机携带的快速成型软件都只能完成一种工艺的数据处理和控制成型;已商品化的通用性软件价格较贵，功能单一，只能进行模型显示、加支撑、错误检验与修正等中的一种或几种功能，而且也存在数据接口问题，不易集成;商品化的软件还不完善，不能满足当前快速成型技术对成型速度、成型精度和质量的要求;当前的数据转换模型缺陷较多，对CAD模型的描述不够精确，从而影响了快速成型的成型精度和质里等。

《七》快速成型技术发展趋势

从目前国内外RPM 技术的研究和应用状况来看，快速成型技术的进一步研究和开发的方向主要表现在以下几个方面：

1.大力改善现行快速成型制作机的制作精度、可靠性和制作能力，提高生产效率，缩短制作

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周期。尤其是提高成型件的表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能试验提供平台。

2.开发性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有较好的后续加工性能，还要满足对强度和刚度等不同的要求。

3.提高RPM 系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。目前即使是最快的快速成型机也 难以完成象注塑和压铸成型的快速大批量生产。将来的快速成型机需要向快速和多材料的制造系统发展，以便可以直接面向产品制造。

4.开发用于快速成型的RPM 软件。这些软件有快速高精度直接切片软件，快速造型制造和后续应用过程中的精度补偿软件，考虑快速成型原型制造和后续应用的CAD 等。 5.开发新的成型能源。目前大多数成型机都是以激光作为能源，而激光系统的价格和维修费用昂贵，并且传输效率较低。这方面也需要得到改善和发展。

6.RPM 与CAD、CAM、CAPP、CAE 以及高精度自动测量、逆向工程的集成一体化。该项技术可以大大提高新产品的第一次投入市场就十分成功的可能性，也可以快速实现反求工程。 7．研制新的快速成型方法和工艺。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM 外，直接金属成型工艺将是以后的发展焦点。

8.提高网络化服务，进行远程控制，实现全球化异地协同合作。 发展大趋势

1. 直接成型是快速成型技术重要发展方向。美国Michigan大学的Manzumd采用大功率激光器进行金属熔焊直接成型钢模具; Stanford 大学的Prints用逐层累加与五坐标数控加工结合方法, 用激光将金属直接烧结成型, 可获得与数控加工相近的精度。 2， 不同制造目标相对独立发展。从制造目标来说快速成型制造主要用于快速概念设计成型制造、快速模具成型制造、快速功能测试成型制造及快速功能零件制造。由于快速概念型制造和快速模具型制造的巨大市场和技术可行性, 将来这两个方面将是研究和商品化的重点。由于彼此特点有较大差距, 两者将是相对独立发展的态势,快速测试型制造将附属于快速概念型制造.

3.向大型制造与微型制造发展。由于大型模具和微型制造的制造难度和RPM (快速成型制造) 在模具制造方面的优势, 可以预测, 将来的RPM市场将有一定比例为大型和微型原型制造所占据 。

结束语

RP技术是制造技术的一项革命，它是伴随激光技术、计算机技术、新材料技术及其它先进技术的发展而发展和进步的，正在不断的完善，具有广泛的应用前景。在未来的几年内将会有更大的发展，尤其是在RP系统的制作精度、可靠性以及RP软件等方面的改进和创新将会更快。对于先进制造技术这个大层面来讲，我国正处于经济发展的关键时期，先进制造技术是我们的薄弱环节。我们应该跟上发展先进造技术的世界潮流，将其放在战略优先地位，并以足够的力度予以实施，尽快缩小与发达国家的差距，在激烈的市场竞争中立于不败之地。同时，先进的发展孕育产生大量的专业技术人才，进而推动我国现代 机械制造业进一步走向繁荣。

参考文献：

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