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第一讲 快速原型制造技术
（Rapid Prototypiny & Manufacturing，简称RPM、或RP）
一、概述
1. 快速原型件制造的发展
这项技术20世纪80年代起源于日本，很快发展到美国和西欧，被认为是近20年来制造技术领域的一次重大突破。RP技术对制造业的影响可与20世纪50~60年代的数控技术相比。它是当前最先进的产品开发与快速工具制造技术。快速原型技术综合了机械工程、数控技术、激光技术及材料科学技术，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，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。
以RP技术为基础发展起来并已成熟的快速工装模具制造、快速精铸技术则可实现零件的快速制造。
快速原型技术可以使企业以最快的速度响应市场的需求，从而提高企业的竞争能力。
RPM技术的出现，反应了现代制造技术本身的发展趋势以及激烈的市场竞争对制造技术发展的重大影响。
所谓原型，它是用来建造未来模型的一个初始模型。从一定意义上说，它能基本代表零部件的性质和功能的试验件，从表面质量、色彩等方面具有零部件的特征，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，有时也可作为零件直接使用或间接制造模具。
2．原型产生的方法
原型可以由两种方法产生，一种是利用已有的知识和技术，按目的要求进行设计、加工，或由设计者利用CAD/CAM系统，通过构想在计算机上建立原型的三维模型并加工成实物。
另一种方法是通过反求技术实现，即由用户提供一个实物样品，原封不动地或经过局部修改后得到这个样品的复制品或仿制品。
传统的材料成形方法有去除成形和受迫成形，如普通的车、铣、刨、磨、钻、镗等，都属于去除成型，现代的电火花加工、激光切割、激光打孔也属于去除成形；铸造、锻造、注塑等属于受迫成形。
快速原型制造是基于一种全新的制造概念——用材料添加或称材料堆积的方式获得所需的零件。
计算机实现的三维实体造型，是能够看得见的，但它摸不着，快速成形技术提供了可测量、可触摸的手段，它是设计者、制造者与用户之间的新媒体。
由于CAD技术和光、机、电控制技术的发展，这种新型的样件制作工艺在生产中获得起来越广泛的应用。
3．我国研究现状
我国在20世纪90年代初先后有武汉华中科技大学快速制造中心、陕西省激光快速成形与模具制造工程研究中心、西安交通大学先进制造技术研究所，北京隆源自动成形系统有限公司，清华大学殷华实业有限公司等在快速成形工艺研究、成形设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发方面做了大量的卓有成效的工作、赶上了世界发展的步伐并有所创新，现都开发研制出系统列化的快速成形商品化设备可供订购，并定期举办快速成形技术培训班。我国机械工程学会下属的特种加工学会，于1921年增设了快速成形专业委员会，开展快速成形技术的普及和提高工作。
二、快速原型制造技术的原理
快速原型制造技术的是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。
1．RP的特点：
1）可以制造任意复杂的三维几何实体。不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制。如一匹奔马造型，一个茶壶造型，用传统的去除材料方法不可能实现，而用RP技术则很容易实现。
2）CAD模型直接驱动。
曲面制造过程中，CAD数据的转化（分层）可百分之百的全自动完成。如果用传统的方法可能需要高级工程人员数天的复杂劳动才能转化为完全的工艺数控代码。
3）成形设备无需专用夹具或工具。
任意复杂的零件加工，只需在一台设备上完成，省去了传统的加工中需要准备刀具或工装夹具等工作。
4）成形过程中无人干预或较少干预。
整个过程由计算机直接驱动，自动控制。
2． RP工艺过程
其过程是：先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型（亦称电子模型），然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，把原来的三维电子模型变成二维平面信息（截面信息），即离散的过程；再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在微机控制下，数控系统以平面加工方式有序地连续加工出每个薄层，层层堆积形成三维实体，这就是材料堆积的过程。
随着RPM技术的发展和人们对该项技术认识的深入，它的内涵也在逐步扩大。目前快速原型技术包括一切由CAD直接驱动的成形过程，而主要的技术特征即是成形的快捷性。对于材料的转移形式可以是自由添加、去除、以及添加和去除结合等形式。
RPM技术的具体工艺不下30余种，在众多的快速成形工艺中，具有代表性的是：光敏树脂液相固化成形、选择性粉末烧结成形、薄片分层叠加成形和熔丝堆积成形等4种。
以下对这些典型工艺的原理、特点等分别进行介绍。
四、光敏树脂液相固化成形（SL—Stereolithography）
光敏树脂液相固化成形又称光固化立体造型或立体光刻。它由Charles Hul发明并于1984年获得美国专利。1988年美国3D公司推出商品化的世界上第一台快速原型成形机。这种SLA系列成形机占据RP设备市场较大的份额。
1．SL工艺原理
SL工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。
这种材料在一定波长（λ=325nm）和功率(p=30mW)的紫外激光的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态变成固态。
其工艺原理如图所示。
液槽中盛满液态光固化树脂（即光敏树脂），由紫外线激光器发出的激光束在偏转镜的作用下，在液体表面上扫描，扫描的轨迹及激光的有无，均由计算机控制，光点扫到的地方，液体就固化。成形开始时，工作台平面在液面下一个确定的深度，液面始终处于激光的焦点平面内，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度（约0.1mm），已成形的平面上又布满一层液态树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复，直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。
2．特点
SL方法是目前RP技术领域中研究最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。
这种方法的特点是
（1）零件精度较高，能达到或小于0.1mm，而且表面质量好；
（2）原材料的利用率将近100%；
（3）能制造出特别复杂（如空心零件）、特别精细（首饰、工艺品等）的零件。
3．成形材料
成形材料为光固化树脂或称光敏树脂，光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。
根据引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：
自由基光固化树脂
阳离子光固化树脂
混杂型光固化树脂
这三种材料各有其优点，目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。
4．SL光敏树脂液相固化成形设备和应用
现已有多种型号的此类设备可供订购，如华中科技大学快速制造中心、武汉滨湖机电技术公司的HRPL-1型光固化快速成型系统、清华大学的CPS快速成型机和西安交通大学激光快速成形与模具制造中心的LPS-600和LPS—350型的激光快速成型机等。
设备的机械结构：Z轴升降工作台完成托板的升降运动，在制作过程中完成每一步的向下步进，制作完成后，工作台快速提升出液面，以方便零件的取出。其运动形式采用步进电机驱动，丝杠传动，导轨导向的形式，以保证Z轴的运动精度。
X、Y方向工作台完成聚焦头在液面上的二维扫描，实现每一层的固化。采用步进电机驱动、精密同步带传动、精密导轨导向的方式。
SL的应用有很多方面，可以直接制作各种树脂功能件，用于结构验证和功能测试；可制作比较精细和复杂的零件；可制造出有透明效果的制件；制作出来的原型件可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树脂模和气化模等。
五、薄片分层叠加成形（LOM ——Laminated Object Manufacturing）
又称叠层实体制造或分层实体制造，由美国HeLisys公司于1986年研制成功，并推出商品化的机器。因为常用纸作原料，故又称纸片叠层法。
1．薄片分层叠加成形LOM工艺原理
LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作为成形材料，片材表面事先涂上一层热熔胶。加工时，用CO2激光器在计算机控制下按照CAD分层模型轨迹切割片材，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成形的工件层粘接，从而堆积成型。
下图是其工艺原理图。用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。如此反复进行，直到所有截面切割、粘接完，得到三维的实体零件。
这样制造出的原型件的强度相当于优质木材的强度。
加工完成后，需用人工的方法将原型件从工作台上取下，去掉边框后，仔细将废料剥离就得到所需要的原型。然后抛光、涂漆，以防零件吸潮变形，同时也得到一个美观的外表。
2．LOM成形材料
常用成卷的纸，纸的一面先涂覆一层热熔胶，有时也有用塑料薄膜作为成形材料的，厚度0.1或0.2mm。
对纸的要求是应具有抗湿性、稳定性、涂胶浸润性和有一定的抗拉强度。
热熔胶应保证层与层之间的粘结强度，分层叠加成形工艺中常采用EVA热熔胶，它由EVA树脂、增粘剂、蜡类的抗氧剂组成。
3．LOM工艺特点
LOM工艺只需在片材上切割出零件截面轮廓，而不用扫描整个截面。因此（1）易于制造大型、实体零件。（2）零件精度较高（<0.15mm）。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺（3）无需加支撑。
4．LOM成形设备及应用
国产分层叠加成形设备一般由激光系统、走纸机构、X、Y扫描机构和Z轴升降机构、加热辊等组成。
LOM工艺和设备由于成形材料纸张较便宜，运行成本和设备投资较低，故获得了一定的应用。可用来制作汽车发动机曲轴、连杆、各类箱体、盖板等零部件的原型样件。
六、 选择性激光粉末烧结成形（SLS——Selected Laser Sintering）
选择性激光粉末烧结成形工艺又称选区激光烧结，是美国德克萨斯大学奥斯汀分校的的研究生C.R.Deckard于1989年研制成功的。后来组建了DTM公司，于1992年推出SLS商品化机器。
1．SLS工艺原理
SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。
其工艺原理如图所示：此法采用CO2激光器作能源，以各种粉末材料为造型材料。先在工作台上均匀地铺上一层很薄的粉末（0.1mm~0.2mm），激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结,一层完成后再进行下一层烧结，层层叠加为一个三维实体。
2．成形材料
SLS烧结用的成形材料，早期采用蜡粉及高分子塑料粉，现在多用金属或陶瓷粉进行粘结或烧结。从理论上讲任何受热粘结的粉末都可以被用作SLS原料，其中包括塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉。
近年来开发的较为成熟的用于SLS工艺的材料有：
石蜡： 主要用于失蜡铸造
聚碳酸脂：坚固耐热、烧结后材料线胀系数小，翘曲度小，可以制造细微轮廓及薄壳结构，可实现消失模铸造、正逐步取代石蜡
尼龙（包括纤细尼龙、合成尼龙等）：适用于制造可测试功能零件，其中合成纤维具有最佳的力学性能。
钢铜合金：具有较高的强度，可作注塑模。
为了提高原型的强度，用于SLS工艺材料的研究逐渐转向金属和陶瓷，这也正是选择性粉末烧结成形（SLS）优越于光敏树脂固化成形（SL）和薄片分层叠加成形（LOM）之处。
近年来金属粉末的制取越来越多地采用雾化法。其原理是将金属熔融，利用离心法或气化法，以很高的速度将金属液滴甩出并急剧冷却，而形成粉末颗粒。
3．SLS工艺特点
（1）取材广泛，可以直接制造金属零件，这使SLS工艺具有很大有吸引力。
（2）制造空心、多层缕空的复杂零件时，中间不需要加支撑，因为周围没有被烧结的粉末起到了支撑作用。
4．SLS设备及应用
国产设备有：华中科技大学研制的HRPS型系列激光粉末烧结系统
清华大学研制的AFS—300型激光快速成形机
AFS—300型的机械结构主要由机架、工作台、铺粉机构、两个活塞缸、集料箱、加热灯和通风除尘设备等组成。（简图及工作原理如图3所示）
SLS成形的应用与SL类似，可直接制作各种高分子材料的功能件，用作结构验证和功能测试、并可用于装配样机。
制件可直接作精密铸造用的蜡模和型芯，制作出来的原型件可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模和电铸模等。
七、熔熔丝堆积成形（FDM，Fused Deposition Modeling）
该工艺由Scott Crump博士于1988年提出，1991年推出商品化机器。
1．FDM工艺原理
FDM工艺是将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过加热器熔化，喷头由计算机控制挤压喷出并堆积一个层面，然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与前一个层面熔结在一起，如些层层堆积而获得一个三维实体。整个模型从基座开始，由下而上逐层生成。如图4所示。
2．成形材料和特点
常用ABS工程塑料丝作为成形材料，对其要求是熔融温度低（80~120oC）、粘度低、粘结性好、收缩率小。
影响材料挤出过程的主要因素是粘度。材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有利于材料的顺利喷出。材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会影响喷头的启动、停止响应时间，从而影响成形精度。
熔融温度低对FDM工艺的好处是多方面的。一是可以使材料在较低的温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命；二是可以减小材料在挤出前后的温差，减小热应力，从而提高制造出来 的原型的精度。
粘结性主要影响零件的强度。FDM工艺是基于分层制造的一种工艺，层与层之间往往是零件强度最薄弱的地方，粘结性好坏决定了零件成形以后的强度。粘结性过低，有时会在成形过程中由于热应力会造成层与层之间的开裂。
收缩率：影响材料的成形精度。
另外由于FDM成形工艺，是层层粘结的，对于空心零件、薄壁壳体零件，在制造过程中需要加支撑。在制造完成以后支撑必须去除，因此支撑材料与成形材料的亲和性不能太好。也有用同一种材料的，成形后一点一点将支撑扣掉，要费较大功夫。
特点：
（1）可以成形任意复杂程度的零件
（2）中空零件成形过程中需加支撑
3．FDM设备及应用
国产设备：清华大学研制的MEF—250—II型
工程训练中心购买一台，供学生实习用。其机械结构，可以到现场看一看。
它是用ABS丝料通过喷头被加热至熔融状态后从喷头喷出，在数控系统控制下层层堆积成形。
FDM工艺有一定的应用面。由于该工艺的一大优点是可以成形任意复杂程度的零件，因此，经常用于成形很复杂的内腔、孔等零件。（同学的作品）
材料较贵，一盘ABS价600多元。
八．RP技术的发展趋势
RP技术是当今世界上发展最快制造技术。据统计，它80年代问世，到92年，在不到10年的时间里，快速原型制造设备已经在17个国家的500个项目中得到工业应用。到1994年增加到800多套。其中美国占大多数，日本有100多套，到1996年增加到1400多套。估计现在全球的使用数量已经超过2000套。
RP技术发展的主要原因是生产厂家基于利润和速度等方面的压力。对于已经占领市场的产品，例如汽车和摩托车，由于同行的竞争，原材料的涨价及消费者的价格承受能力等多方面的原因，利润越来越低。为了维持或提高利润，不得不想方设法降低成本、革新产品、缩短制造周期。另一方面消费者对于千篇一律的产品已不感兴趣，一个产品畅销若干年已成为梦想，必须不断翻新才能满足市场需求。基于这些考虑快速原形技术越来越受到生产主管的青睐，并列入企业的发展计划。目前，RP技术正朝着工业化、产业化的方向发展。
其发展趋势主要是以下内几个方面：
1. 不同制造目标相对独立发展
从制造目标来说，RPM主要用于
①快速概念设计原型制造
②快速模具原型制造
③快速功能测试原型制造
不会形成独立流派，将附属于快速概念原型制造
④快速功能零件制造 是发展的一个重要方向
RPM在产品开发中的关键作用和重要意义是很明显的，它不受复杂形状的任何限制，可迅速地将显示于计算机屏幕上的设计变为可进一步评估的实物。根据原形可对设计的正确性，造型合理性，可装配和干涉进行具体的检验。对形状较复杂而贵重的零件，如直接依据CAD模型不经原型阶段就进行加工制造，这种简化的做法风险极大，往往需要多次反复才能成功，不仅延误的开发的进度，而且往往需花费更多的资金。通过原型制造可将此种风险减到最低的限度。
一般来说采用快速概念设计原型制造可减少产品开发成本30%～70%，减少开发时间50%。如开发光学照相机机体采用RPM技术仅3～5天（从CAD建模到原型制作）花费5000马克，而用传统的方法则至少需一个月，耗需3万马克。
快速模具原型制造，无需数控铣削，无需电火花加工，无需任何专用 工装和工具，直接根据原形而将复杂的工具和型腔制造出来是当今Rapid Tooling的最大优势。一般来说，采用RP技术模具制造时间和成本均为传统技术的1/3。
由于快速概念型制造和快速模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，两者将呈相对独立发展的态势。
快速测试型制造由于使用范围的限制和特点不够鲜明，本身不会形成独立流派，将附属于快速概念原型制造。
快速功能零件制造将是发展的一个重要方向，但技术难度很大，在今后的很长一段时间内，仍将局限于研究领域。这主要是由于RP技术的成型精度一般在0.01~0.1mm的数量级，提高成形精度，必须进一步减小分层厚度，而分层厚度受成型工艺的限制，难以进一步减小。
2. 向大型制造与微型制造进军
有人对各大公司的产品系列进行了分析，发现原型的制造尺寸呈增大的趋势。由于大型模具的制造难度和RPM在模具制造方面的优势，专家预测将来的RPM市场将有一定比例为大型原型制造所占据。与此成鲜明对比的将是RPM向微型领域的进军，SL的一个重要发展方向是微米印刷（Microlithography），以制造微米零件（Microscale Parts）。日本在这方面领先。激光光斑可达5μm，成形时原型不动，激光束通过透明板精密聚焦在被成形的原型上。X-Y扫描全停位精度为0.00025mm，Z向停位精度为0.001mm，可制造5μm×5μm×3μm零件，如静脉阀、集成电路零件等。
3. 追求RPM的更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性。
4. RPM设备的使用外设化，操作智能化。使RPM设备的安装和使用变得非常简单，不需专门的操作人员。
5. RPM行业标准化，并且与整个产品制造体系相融合。
图3 选区烧结机械结构简图
是研究和商品化的重点
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