第八章快速成形技術(shù)快速成形技術(shù)一、快速成形原理二、快速成形設(shè)工藝種類三、快速成形特征、優(yōu)勢、應(yīng)用四、快速成形實施案例五、視頻展示同義詞：

快速成形技術(shù)RapidPrototyping

增材制造AdditiveManufacturing

3D打印Three-dimensionalPrinting

一、快速成形的基本原理對STL分層切片轉(zhuǎn)為STL文件三維CAD模型設(shè)計轉(zhuǎn)機器代碼，制造

快速成形技術(shù)的本質(zhì)是用材料堆積原理制造三維實體零件。它是將復(fù)雜的三維實體模型“切”（Spice）成設(shè)定厚度的一系列片層，從而變?yōu)楹唵蔚亩S圖形，層層疊加而成。原型制作流程圖CAD模型的近似處理STL文件:將三維實體表面用一系列相連的小三角形逼近.典型的

STL文件

逐層制造階梯效應(yīng)導(dǎo)致的形狀誤差很難避免自下而上層層疊加就成為三維實體7.1光敏樹脂液相固化成型1988年美國3DSystem公司推出商品化樣機SLA-1，這是世界上第一臺快速成型技術(shù)成型機1、控制聚焦光斑在液面上按軌跡逐點掃描，即逐點固化2、下降一層高度，樹脂淹上來3、刮板將樹脂液面刮平4、下一層掃描固化優(yōu)點：工藝穩(wěn)定性高、成型精度高、成型零件表面質(zhì)量好、原材料利用率接近100%，而且不產(chǎn)生環(huán)境污染，特別適合于制作含有復(fù)雜精細結(jié)構(gòu)的零件缺點：固化收縮導(dǎo)致變；性能不如常用的工業(yè)塑料，較脆容易斷裂，不適宜進行機械加工；液體樹脂有氣味和毒性，并需要遮光保護，以防聚變，所以選擇有局限。光敏樹脂液相固化成型特點7.2薄片分層疊加成型1、激光切割橫截面輪廓2、無輪廓區(qū)切割成小方格3、工作下降一個層厚4、鋪送新材料，熱粘壓，切割下一層7.2薄片分層疊加成型優(yōu)點：成型速度快、無需支撐結(jié)構(gòu)、缺點：1、有激光損耗，維護費用高昂；

2、可應(yīng)用的原材料種類較少，目前常用的只是紙；3、必須進行防潮處理，紙制零件很容易吸濕變形，所以成型后必須立即進行樹脂、防潮漆涂覆等

4、難以構(gòu)建形狀精細、多曲面的零件，僅限于結(jié)構(gòu)簡單的零件。

5、廢料去除困難，所以該工藝不宜構(gòu)建內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。

6、當(dāng)加工室的溫度過高時常有火災(zāi)發(fā)生。因此，工作過程中需要專職人員職守。7.3選擇性激光粉末燒結(jié)成型7.4熔絲堆積成型優(yōu)點是：

1、可用于辦公環(huán)境，沒有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的污染；

2、一次成型、易于操作且不產(chǎn)生垃圾；

3、獨有水溶性支撐技術(shù)，使得去除支撐結(jié)構(gòu)簡單易行

4、原材料以材料卷的形式提供，易于搬運和快速更換

5、可選用多種材料，如各種色彩的工程塑料ABS、PC、PPSF以及醫(yī)用ABS等。缺點是：成型精度、光潔度比SLA低，最高精度0.127mm，成型速度也較慢

7.5激光近成形1、制造精度高，適合高度復(fù)雜形狀制造；

2、應(yīng)力、變形小，可得到細密晶粒組織，力學(xué)性能高于鑄件；

3、生產(chǎn)效率低、成本高4、表面粗糙度仍達不到功能零件要求7.6電子束熔融7.8電弧增材制造増材制造金屬零件的表面質(zhì)量對比LENS(OptoMec)DLF(FhG,Dresden)EBM(Arcam)LAM(AeroMet)HLM(IITBombay)表面質(zhì)量均不能滿足大多數(shù)使役情況要求金屬増材制造系統(tǒng)性能對比技術(shù)激光選區(qū)熔化電子束熔融電弧熔積成形制造商3DsystemArcamCranfieldUniv.HUST堆積效率

(cm3/h)5–2055–8050–200層高

20–100μm50–200μm0.5-3mm表面粗糙度

(μm)Ra11Ra25-35尺寸精度0.2mm0.4mm1.0mmTC4鈦合金零件:屈服強度106循環(huán)最大應(yīng)力1110

±

9

MPa[6]100-220MPa[7]881.5

±12.5MPa[8]700-810MPa[8]856-914MPa[9]780-860MPa[9]電弧熔積成形在堆積效率、設(shè)備成本、生產(chǎn)成本以及疲勞強度等方面具有優(yōu)勢，適用于中大型金屬零件的直接制造。三、快速成形的特征、優(yōu)勢、應(yīng)用

離散堆積原理材料添加制造實體自由成形制造高度數(shù)字化1、可以制造任意復(fù)雜形狀，“所見即所造”2、可以制造功能梯度材料零件3、無需模具，節(jié)省成本4、短流程、柔性制造，理論上是“一步到位”的制造分層制造直接CAD制造快速制造高度柔性目前3D打印產(chǎn)品的主要應(yīng)用領(lǐng)域1、快速原型，產(chǎn)品設(shè)計（手機等）2、快速模具（汽車）3、高端零部件制造（航空航天等）4、醫(yī)療保健（牙科、假肢、骨骼）這些應(yīng)用集中在不計成本的設(shè)計行業(yè)、尖端制造、以及定制個性化服務(wù)方面。任意復(fù)雜形狀（復(fù)雜曲面、格子結(jié)構(gòu)、多孔材料等）材料制備與形狀制造的一體化（功能梯度材料等）對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響航空應(yīng)用無模制造醫(yī)學(xué)應(yīng)用：輔助手術(shù)規(guī)劃人體植入體、假肢、假牙、骨骼的制造增材制造技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域情況（來源：WohlersReport2013）西北工業(yè)大學(xué)西安交通大學(xué)華中科技大學(xué)清華大學(xué)北京航空航天大學(xué)華南理工大學(xué)南京航空航天大學(xué)南昌航空大學(xué)上海交通大學(xué)單位代表人物專業(yè)工藝產(chǎn)品國家認(rèn)可1北航王華明鑄造材料激光熔融航空部件國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎2華中科大史玉升材料激光燒結(jié)航空部件、汽車部件、骨骼、牙齒國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎3西北工大黃衛(wèi)東鑄造激光熔融航空部件C919應(yīng)用4清華顏永年機械容積成型塑料生物應(yīng)用5西安交大盧秉恒機械光固化樹脂、骨骼、芯片院士我國金屬增材制造研究SoftwareandDataProcessing軟件Modelingsoftware(Professional,AmateurSoftware)Scanninganddatacapturing掃描和數(shù)據(jù)采集Reverseengineering逆向工程BioCAD生物CADInspectionsoftware檢測軟件DatavalidationanddatasecurityE-supplychainforadditivemanufacturingDesign設(shè)計DesignprinciplesforAM增材制造設(shè)計規(guī)律Topologyoptimization拓撲優(yōu)化Cellulardesignandcharacterization單元格設(shè)計Masscustomization大規(guī)模定制Biomimeticdesign仿生設(shè)計Functionallygradeddesign功能梯度設(shè)計MoldandtoolingdesignusingadditivemanufacturingMaterials材料Metals金屬Polymers,includingphotopolymers聚合物Ceramics陶瓷Biomaterials生物材料Hydrogel水凝膠Bioinkorcellsforprinting生物墨水Compositesandnanocomposites復(fù)合材料Conductivematerials導(dǎo)電材料Application-specificmaterialsHigh-performanceandfuncionalizedmaterials高性能材料

EquipmentandNewTechniques設(shè)備Multi-materialsystems多材料系統(tǒng)MaterialremovalandadditiontechnologiesLasersystemsforadditivemanufacturingHybridmanufacturingLargescaleadditivemanufacturingBiofabricationNewtechniquesinadditivemanufacturingMeasurementScienceandMethods測量MaterialsanalysisandtestingMetrologyProcessmonitoringandcontroltechnologiesModelingandsimulationQualitysystemsandmanagementPost-processingtechniques

ApplicationsandIndustries工業(yè)應(yīng)用Aerospace航天Biomedical生物和醫(yī)學(xué)Food食品Marineandoffshoreengineering海洋工程Architectureandconstruction建筑Sportsresearch運動研究Fashion時尚Model-making食品Tooling模具研究方向四、應(yīng)用案例

用于新產(chǎn)品的設(shè)計與試制。產(chǎn)品設(shè)計中的實際裝配確認(rèn)產(chǎn)品的性能分析與實驗快速制模及快速鑄造醫(yī)療中的快速成形技術(shù)三維復(fù)制RP在產(chǎn)品開發(fā)上的重要性CAID應(yīng)用:

工業(yè)設(shè)計師在短時間內(nèi)得到精確的原型與業(yè)者作造形研討機構(gòu)設(shè)計應(yīng)用:

進行干涉驗證，及提早發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤以減少后面模具修改工作CAE功效:

快速模具技術(shù)以功能性材料制作功能性模具，以進行產(chǎn)品功能性測試與研討快速模具(RapidTooling)應(yīng)用:

快速翻制暫用模具或永久模具，做少量生產(chǎn)或量產(chǎn)

RP在產(chǎn)品開發(fā)上的重要性

視覺效果(visualization)

設(shè)計人員能在短時間之內(nèi)便能看到設(shè)計的雛型，可作為進一步研發(fā)的基石設(shè)計確認(rèn)(verification):

可在短時間內(nèi)即可完成原型的制作，使設(shè)計人員有充分的時間對于設(shè)計的產(chǎn)品做詳細的檢證復(fù)制于最佳化設(shè)計(iteration&optimization)

可一次制作多個元件，可使每個元件針對不同的設(shè)計要求同時進行測試的工作，以在最短時間內(nèi)完成設(shè)計的最佳化直接生產(chǎn)(fabrication):

直接生產(chǎn)小型工具，或作為翻模工具快速原型的經(jīng)濟效益

以縮短產(chǎn)品加工時間

增加使構(gòu)想具體化能力

降低原型生產(chǎn)周期

降低設(shè)計錯誤的發(fā)生及所花費成本

增加在設(shè)計過程中了解產(chǎn)品機械特性的

能力RP技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計和制造中的作用觀感評價銷售模型功能測試CAD數(shù)據(jù)檢查裝配校核可制造性檢查（一）快速原型模型實例1轎車車燈模型實例2電話機外殼（二）模具制造注射模具硅橡膠模樹脂型復(fù)合模沖壓模具消失模陶瓷型精鑄模

模具實例1手機外殼橡膠模