快速原型技术的原理

快速原型技术主讲倪俊芳第一讲原型的概念第二讲快速原型技术的产生背景第三讲快速原型技术的原理第四讲快速原型技术的特点第五讲快速原型技术的发展现状第六讲快速原型技术的发展趋势第一讲原型的概念原型（prototype）是指用来建造未来模型或系统基础的一个初始模型或系统。美国麻省理工学院KTULrich认为，原型是产品在我们感兴趣的一维或多维空间中的一种表示。换句话说，产品开发人员认为有意义的产品在某方面的表示，都可以看作是原型，即包括了从概念设计到具有完整功能制品的有形和无形的表示。根据上述定义，原型可以分为物理原型和分析原型。物理原型是近似或直接为产品的有形实体表示。物理原型是实际存在的，可以进行检测和试验，在视觉和触觉上都类似于产品。分析原型是产品非有形表示。实际中分析原型没有被制造出来，但它们是以仿真、视觉图像、方程或分析结果表示的。在大多数情况下，原型是指物理原型，即是物体在三维空间的实物表示。原型是能基本代表零部件性质和功能的试验件，从表面质量、色彩等方面可具有零部件的特征，但不具备或不完全具备零部件的功能。零部件是最终产品，具有最佳特性、功能和成本。原型一般数量较少，主要用于实体观察、分析、试验、校核、展示、直接使用或间接制造模具。与二维图纸相比，原型可以对于产品设计和开发过程提供许多有价值的资料。在设计部门内部、其他部门以及市场上的用户之间，原型是交流设计概念的最好的工具。第二讲快速原型技术的产生背景由于全球市场一体化的形成,制造业的竞争十分剧烈,产品开发周期的长短直接影响到一个企业的生死存亡.另一方面,一个新产品在开发过程中,总是要经过对初始设计的多次修改,才能真正推向市场.因此,客观上需要一种可以直接地将设计数据快速转化为三维实体的技术.这样,不但可以快速直观地验证设计的正确性,而且可以向客户、甚至仅仅是有意向的潜在客户提供未来产品的实体模型,从而达到迅速占领市场的目的.快速原型技术(RapidPrototyping,简称RP)就是在这样的社会背景下1988年诞生于美国,迅速扩展到欧洲和日本,并于90年代初期引进我国.第三讲：快速原型技术的原理首先将CAD设计出来的三维实体模型数据(STL文件)按一定方向分层为层片模型数据(CLI文件).快速原型的成型机根据这些数据,利用特定的材料,一个薄层一个薄层地创建出实体,每一个薄层都贴合粘结到前一个薄层上,直至完成整个实体的创建。而根据原型的制造原理,快速原型技术有如下几个主要类别:立体印刷成形(StereoLithographyAppara2tus,SLA)又称立体光刻、光敏液相固化,其基本原理是采用光敏树脂原料,以计算机控制下的紫外激光按原型各分层截面的轮廓轨迹逐点扫描,使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应而固化形成固体薄层截面,而后向下或向上移动工作台,在刚刚固化的树脂表面布放一层新的液态树脂,再进行新一层扫描、固化,如此重复直至整个原型制造完毕。层合实体制造(Lami2natedObjectManufacturing,LOM),又称分层实体造型、分层物体制造等,其基本原理是将单面涂有热熔胶的薄膜材料或其他材料的箔带切割成欲制原型在该层平面的轮廓,再通过加热辊加热,使刚刚切好的一层与下面的已切割层粘接在一起,通过逐层切割、粘合、剥离,最后得到欲求的原型。选域激光烧结(SelectedLaserSintering,SLS),其基本原理是借助精确引导的激光束使材料粉末烧结或熔融后凝固形成三维原形或制件。熔融沉积造型(FusedDepositionModeling,FDM),又称熔化堆积法、熔融挤出成模,其原理为采用热熔喷头,使半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压沉积在指定的位置凝固成形,逐层沉积、凝固后形成整个原型或零件。此外,还有三维喷涂粘接(三维打印、陶瓷壳法)、焊接成形技术(熔化成形、全焊缝金属零件制造技术)、掩膜光刻、数控加工等第四讲快速原型技术的特点与传统的机械加工方法相比，快速原型技术具有以下优点：（1）由CAD模型直接驱动（或从实体反求获得模型）到制成原型上，速度要快的多；（2）可快速成型任意复杂的三维几何实体，不受传统加工方法中刀具无法达到某些型面的限制。（3）采用“分层制造”的方法，通过分层，把三维成型问题转化为二维平面成型问题来解决；（4）制造过程的高柔性，可选材料的广泛性；（5）突出的技术经济效益。它使得零件的复杂程度和生产批量与原型制造成本基本无关，有利于把握商机；此外，RP属于非接触加工，无需金属切削所需的刀具、夹具，制造过程无振动、无噪音，环保效益明显（6）广泛的应用领域。它不仅在制造业的产品造型和模具设计制造领域，而且在工业设计、材料工程、医学、建筑工程和航空领域有广泛的应用前景。第五讲快速原型技术的发展现状快速原型制造（RPM）是当今世界上发展最快的制造技术。快速原型技术有最初的热情期步入成熟期，并朝着快速制造方向发展。目前，快速原型制造的具体工艺不下30中，根据选用的材料及对材料的处理方式，可归纳为五大类方法，即选择性液体固化、选择性层片粘结、选择性粉末熔接或粘结、熔融挤压成形和喷墨印刷，这一系列的原型技术均已走向商品化。快速原型制造的主流工艺有，美国3DSYSTEM的立体光刻（SL），美国Helisys的分层实体制造（LOM），德国ESO的选择性激光烧结（SLS），美国Stratasys的熔融堆积成形（FDM），美国MIT－Z的三维打印（3-DP）。其中对RP发展具有里程碑意义的3DSYSTEM公司，已由最初的SLA－1发展到最新SLA－5000System、SLA－7000System。美国爱达荷国家工程与环境试验中心采用快速凝固工艺实现了注塑模具的快速经济制造。该方法采用快速原型技术制作的样件作为母体样板，通过喷涂到母体样板的金属或合金熔滴的沉积制造模具。该方法制造精度高（最小表面涂层可达0.038mm，制造精度可达±0.025～±0.05mm）、时间短（普通模具一周之内即可成型）、造价低（为传统模具制造费用的1/2～1/10）。国内正逐渐开展RP技术和系统的研究与开发。清华大学已研制成功具有FDM、LOM多功能RP设备，北京隆源公司采用选择性激光烧结技术，成型速度快，材料范围广，其AFS～320、AFS～450已得到广泛推广。西安交通大学、华中科技大学、南京航空航天大学也在开展RP技术、材料、设备的研究工作，并取得了突破性的进展。清华大学徐达、颜永年等研制的（实心块体原型）超大型LOM－1600分层实体制造系统，其成型空间为1600×800×700立方厘米，是汽车覆盖件首选RP工艺装备。它填补了RP制造大型原型方面的空白，解决了凝固过程中的尺寸精度问题，对于大型汽车覆盖件快速金属模具制造中优化原型尺寸，获得良好尺寸精度的模具，提高设计水平及快速反应能力具有现实意义。西安交通大学与第四军医大学从事的生物活性组织快速制造技术，研制具有生物活性的人体骨骼，通血液、通营养，用于人体骨骼移植，这是RP技术与生物医学的巧妙结合。是RP技术与生物医学的巧妙结合。西交大刘亚雄、季涤尘等基于快速原型的个体匹配骨骼造型防腐法研究，改进了个体匹配的设计与制造的速度和精度，缩短了病人的等待时间，改善了骨骼外形的匹配程度，不通过曲面重构，而直接利用RP完成人体骨骼模型的造型。华中科技大学展开了激光三维内割块RPM研究，类似于“伽马刀”，将激光束先经过扩束、准直，以降低能量密度，然后聚焦于材料内部。中南大学黄伯云、李笃信从事的金属注射成型技术方面的研究，居于粉末冶金注射成型研究水平世界前列。第六讲快速原型技术的发展趋势快速原型技术经过近20年的发展，正朝着实用化、工业化、产业化方向迈进。未来发展趋势归纳如下。一、创新工艺RP技术的发展离不开其他先进设计、制造技术的支持，而且，它们之间的结合越来越紧密。冰冻成形以水为原料，通过温度控制、水滴控制、喷射方法与速度控制实现快速成型；人体骨骼组织工程材料成形利用材料的生物活性，将器官移入人体后诱导破坏组织再生，恢复机体功能，并适时降解。二、开发新材料合适的材料是快速原型制造的关键。研制替代进口的光固化树脂，是RP技术推广的当务之急，开发全新的RP新材料如复合材料、纳米材料、非均匀材料、活性生物材料，是当前国内外RP成型材料研究的热点。三、开发功能强大的数据采集、处理和监控软件软件系统不仅是实现离散、堆积成型的关键，而且还对成型速度、成型精度、零件表面质量等方面有很大影响。目前，大多数快速原型制造系统所使用的分层切片算法都是基于STL文件进行的，STL文件存在许多缺陷和不足，如何克服STL文件本身的缺陷，建立统一的数据格式是十分重要的。现在的切片方式都是平面的，今后可能发展曲面切片、不等厚分层等方法，从曲面模型直接截面、分层，用更精确、更简洁的数学描述，提高造型精度。四、不同制造目标相对独立发展当前，RPM制造目标主要有三个方面，即快速概念设计原型制造、快速模具原型制造、快速功能零件原型制造。其中快速概念设计原型制造与快速模具原型制造技术已在实际中应用，市场潜力巨大，是近期研究和市场化重点。快速模具原型制造技术难度较大，近期仅限于研究领域。五、反求技术已成为研究热点麻省理工学院（MIT）的RP课程均将反求与RP融合。由实物、照片或CT数据等组成的反求几何模型，常用于仿制、维修和新产品开发，可大大缩短产品开发周期，降低成本。反求技术也是人体器官成型的核心与基础。六、向大型制造和微型制造进军由于大型模具的高难度和高成本，以及RPM在模具制造方面的优势，可以预测RPM将向大型原型制造方向发展。RPM的另一个重要发展方向是微型化，适应环境和桌面化的微型“三维打印机”正日益受到RP设备开发商和用户的关注，这种产品价格便宜、外观小巧、成型空间小并有一定的造型精度。这方面以色列的概念模型世界领先，清华大学激光成形中心也在开发适合中国国情的“三维打印机”，它有较高的性价比。七、RPM行业标准化目前，RPM工艺、设备种类繁多，RPM行业标准化即有利于开发商开发更新的产品，又方便用户。八、高速度、高精度、高可靠性大力改进快速原型制造系统，研制工作精度高、可靠性好、效率高而且廉价的制造设备，将解决制造系统昂贵、精度偏低、制品物理较差、所使用材料有限等问题。九、生长成型伴随着生物工程。、活性材料、基因工程、信息科学的发展，信息制造过程与物理制造过程相结合的生长成型方式将会产生，制造与生长将是同一概念。以全息生长为基础的智能材料支柱生产方式是RPM的里程碑。十、网络加工通过信息高速公路形成快速原型制造信息网络，使用户直接从网络得到产品的模型，利用自己的快速原型制造设备制造出原型，另一方面没有原型设备的公司也可以利用网络通过远程制造来实现原型制造。