逆向工程及快速原型制造ppt课件.ppt

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1、第三章第三章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术第五节第五节 快速原型制造快速原型制造n反求思维在工程中的应用源远流长，而提出这种术语反求思维在工程中的应用源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的年代初出现的n日本在日本在60年代初提出科技立国方针：一代引进、二代年代初提出科技立国方针：一代引进、二代国产化、三代改进出口、四代占领国际市场国产化、三代改进出口、四代占领国际市场 nReverse Engineering n广义定义广义定义：针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和：针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。它是以先进产品

2、设备的应用技术的组合。它是以先进产品设备的实物、软件实物、软件（图纸、程序、技术文件等）或（图纸、程序、技术文件等）或影像影像（图片、照片等）（图片、照片等）作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入的分析和研究，探材料学和有关专业知识进行系统深入的分析和研究，探索其关键技术，进而索其关键技术，进而开发出同类的先进产品开发出同类的先进产品。n包括：设计包括：设计反求（几何、材料）、反求（几何、材料）、工艺工艺反求等反求等 n狭义定义狭义定义：根据实物模型的坐标：根据实物模型的坐标测量数据测量数据，构造实物的，

3、构造实物的数字化模型数字化模型（CAD模型），使得能利用模型），使得能利用CAD/CAM、RPM、PDM及及CIMS等先进技术对其进行处理或管理。等先进技术对其进行处理或管理。n包括：几何形状的反求包括：几何形状的反求 n反求工程并不限于样件复制，目标是：在获得实物基反求工程并不限于样件复制，目标是：在获得实物基本数据的条件下，对数据进行必要的处理，对模型进本数据的条件下，对数据进行必要的处理，对模型进行行分析、修改分析、修改等等 。 n正向工程正向工程：（正向设计）是根据市场需求，提出目标和技术：（正向设计）是根据市场需求，提出目标和技术要求，进行功能设计，变为产品要求，进行功能设计，变为产

4、品n市场需求，设计要求市场需求，设计要求设计师的创造性活动设计师的创造性活动产品产品n怎么做怎么做n反求工程反求工程：从已知事物的有关信息，去寻求这些信息的科学：从已知事物的有关信息，去寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性、国产化的可能性等性、技术性、先进性、经济性、合理性、国产化的可能性等等，再回溯这些信息的科学依据，即充分消化与吸收，更重等，再回溯这些信息的科学依据，即充分消化与吸收，更重要的是在此基础上进行改进、挖潜和再创造要的是在此基础上进行改进、挖潜和再创造n已知事物已知事物消化、再创造消化、再创造市场竞争的新产品市场竞争的新产品n为什么这样做为什么这样做 n数据获取

5、数据获取 Data Capturen数据预处理数据预处理 Preprocessingn数据分块与曲面拟合数据分块与曲面拟合 Segmentation and Surface fittingnCAD模型生成模型生成 CAD model creationn接触式接触式n三坐标测量机（三坐标测量机（CMM coordinate measure machine） n机械手机械手 n非接触式非接触式 n光学测量光学测量 n声学测量声学测量 n磁学磁学测测量量 n破坏式破坏式自动断层扫描自动断层扫描 n工作方式工作方式：点触发，连续或间断式数据采集：点触发，连续或间断式数据采集n特点特点：不受物体表面颜色

6、及光照的限制，对物体边界：不受物体表面颜色及光照的限制，对物体边界也能产生准确的测量结果也能产生准确的测量结果n缺点缺点：由于测头的限制，可能丢失某些测头不可到达：由于测头的限制，可能丢失某些测头不可到达的细节数据的细节数据n不能测量软材料不能测量软材料n测量速度受到机构运动的限制测量速度受到机构运动的限制3D Coordinate Measuring Machine三坐标测量机（CMM）一般工作台面是花一般工作台面是花岗岩，测头为宝石岗岩，测头为宝石意大利意大利COORD3公司公司半桥式半桥式CMM测量机测量机龙门式CMMn计算机计算机控制零件程序的执行和进行结果处理，实现与外设的控制零件程

7、序的执行和进行结果处理，实现与外设的通讯通讯n数控设备数控设备计算机和测量机的接口，控制测量机运动计算机和测量机的接口，控制测量机运动n测量机机体测量机机体底座、工作台、立柱、导轨、测头、驱动电机底座、工作台、立柱、导轨、测头、驱动电机高精度三维测量仪高精度三维测量仪n花岗岩导轨花岗岩导轨n气压轴承气压轴承n光学尺感应光学尺感应n无牙螺杆无牙螺杆n自动触发探头自动触发探头机械手式测量机 n测量方法测量方法：操作者手：操作者手持测量手臂，末端探持测量手臂，末端探针接触被测量物体表针接触被测量物体表面时按下按钮，记录面时按下按钮，记录坐标和探针手柄方向，坐标和探针手柄方向，通过串口线传到各种通过串

8、口线传到各种软件包软件包上上FaroARM手动式手动式 精度低，范围大精度低，范围大Cimcore手动式手动式接触式测量数据光学测量机n激光三角形法 n激光测距法 n投影光栅法 n图像分析法 特点特点：高速测量，短时间内测量大量的点：高速测量，短时间内测量大量的点缺点缺点：对：对表面粗糙表面粗糙和和表面漫反射率表面漫反射率敏感（如透明、高光）敏感（如透明、高光）激光三角形法激光三角形法n原理原理：激光带投射到被测物体表面，反射光在图：激光带投射到被测物体表面，反射光在图象传感器上成像，按照预设定的三角形光路原理象传感器上成像，按照预设定的三角形光路原理的测到被测物体的坐标，物体的全轮廓是通过多

9、的测到被测物体的坐标，物体的全轮廓是通过多轴可控机械运动辅助获得轴可控机械运动辅助获得 laser stripe triangulation 原理图23,000 points per second. 3D Scanners三维激光扫描仪（3D laser scanners） Scantech三维激光三维激光扫描仪非常便于安装扫描仪非常便于安装在所有在所有CNC机床上，机床上，无论其大小。可以安无论其大小。可以安装于任何装于任何3轴、轴、5轴铣轴铣床或床或3轴车床，激光轴车床，激光扫描仪比探针扫描仪扫描仪比探针扫描仪快快10倍，还可以扫描倍，还可以扫描柔软和易碎的物体。柔软和易碎的物体。 3D

10、Scanner CyberWare测量机 Cyberware公司的三维扫描仪，在公司的三维扫描仪，在80年代就被迪年代就被迪斯尼等动画和特技公司采用，用于斯尼等动画和特技公司采用，用于终结者终结者II，侏罗侏罗纪公园纪公园，蝙蝠侠蝙蝠侠II，机械战警机械战警等影片。还用于等影片。还用于快快速雕塑速雕塑系统。系统。90年代的扫描仪可对人体全身扫描，给出年代的扫描仪可对人体全身扫描，给出对象的多边形、对象的多边形、NURBS曲面、点、曲面、点、Spline曲线方式描曲线方式描述，可进行彩色扫描。扫描速率可达述，可进行彩色扫描。扫描速率可达1.4万点万点/秒。秒。3030RGB型扫描物体的尺寸在型扫

11、描物体的尺寸在30cm，深度方向测量，深度方向测量精度精度100-400m，用于，用于动画、人类学研究、服装设计动画、人类学研究、服装设计等方面。等方面。 CyberWare测量机构成：构成：平台平台传感器（光学系统）传感器（光学系统）计算机计算机处理软件处理软件 Cyberware激光测距法激光测距法 n激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面间的距离激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面间的距离 投影光栅法投影光栅法 n采用普通白光将矩形光栅投影于物体表面，摄取变形采用普通白光将矩形光栅投影于物体表面，摄取变形光栅图像，根据灰度值变化，算出空间坐标光栅图像，根据灰度值变化，算出空间坐标 AT

12、OS流动光学三坐标测量系统 atos 贴标签定位 Atos测量数据光照图图像分析法图像分析法 n利用高分辨率的数码相机，拍摄多个图像，利用一个点在利用高分辨率的数码相机，拍摄多个图像，利用一个点在多个图像中的相对位置，通过视差计算距离，从而得到点多个图像中的相对位置，通过视差计算距离，从而得到点的空间坐标的空间坐标 。自动断层扫描自动断层扫描 n逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法1)1)将待测零件用专用树脂材料（填充石墨粉或颜料）完将待测零件用专用树脂材料（填充石墨粉或颜料）完全封装，全封装，2)2)待树脂固化后，固定到铣床上，进行微吃刀量切削，待树脂固化后，

13、固定到铣床上，进行微吃刀量切削，得到包含零件和树脂材料的截面，得到包含零件和树脂材料的截面，3)3)移到移到CCDCCD摄像机下，对当前截面进行采样量化，由于摄像机下，对当前截面进行采样量化，由于封装材料与零件存在明显边界，利用滤波、边缘提取、封装材料与零件存在明显边界，利用滤波、边缘提取、纹理分析、二值化等数字图像处理技术进行边界轮廓纹理分析、二值化等数字图像处理技术进行边界轮廓提取，得到各轮廓的坐标值。提取，得到各轮廓的坐标值。4)4)重复步骤重复步骤2 2、3 3，再到铣床上切削，再分析。，再到铣床上切削，再分析。 自动断层扫描数据测量中的问题测量中的问题 n精度标定精度标定n透镜变形，

14、非线性因素等的影响，存在系统传感误差透镜变形，非线性因素等的影响，存在系统传感误差n不可测量性不可测量性n阴影、障碍物，夹具阴影、障碍物，夹具n多个视点测量，再进行多视拼合多个视点测量，再进行多视拼合n测量噪声测量噪声 n被测物体表面特征的影响被测物体表面特征的影响n光洁度、表面涂层对光线的反射率光洁度、表面涂层对光线的反射率n头发测量，粗糙表面的典型实例头发测量，粗糙表面的典型实例测量数据类型测量数据类型 n散乱点云（散乱点云（Point Cloud）n扫描线点云扫描线点云n网格化点云网格化点云 n三角网格点云三角网格点云 n多边形点云多边形点云 散乱点云数据散乱点云数据 n测量点没有明显的

15、几何分布特征，呈散乱无序状态测量点没有明显的几何分布特征，呈散乱无序状态n随机扫描下的随机扫描下的CMMCMM，光学测量系统多张数据拼合后，光学测量系统多张数据拼合后扫描线点云扫描线点云 n点云由一组扫描线组成，扫描线上的所有点位于扫描平面内点云由一组扫描线组成，扫描线上的所有点位于扫描平面内nCMMCMM、激光三角形测量系统沿直线扫描、线结构光扫描测量、激光三角形测量系统沿直线扫描、线结构光扫描测量 网格化点云网格化点云 n点云中所有点都与参数域中一个均匀网格的顶点对应点云中所有点都与参数域中一个均匀网格的顶点对应n网格化插值网格化插值 网格数据表示网格数据表示三角网格点云三角网格点云 n点

16、云中的点与邻点云中的点与邻点构成三角网格点构成三角网格拓扑关系拓扑关系nATOSATOS流动光学三流动光学三坐标测量机坐标测量机 多边形点云多边形点云 n测量点分布在一系列平行平面内，用一小线段将同一平面测量点分布在一系列平行平面内，用一小线段将同一平面内距离最小的若干相邻点依次连接，可形成有嵌套的平行内距离最小的若干相邻点依次连接，可形成有嵌套的平行多边形多边形n层切法、核磁共振、工业层切法、核磁共振、工业CTCT 数据预处理内容数据预处理内容n数据拼合数据拼合n数据光滑数据光滑n数据简化数据简化n数据修复数据修复n数据分块数据分块数据拼合数据拼合 也叫多视拼合，因为一次测量完成对全体件的数

17、字化也叫多视拼合，因为一次测量完成对全体件的数字化是很困难的是很困难的 nCMMCMM中多次装夹中多次装夹n光学测量仪中，多视角测量光学测量仪中，多视角测量 可以在测量过程中由软件自动拼合，也可以在测量结可以在测量过程中由软件自动拼合，也可以在测量结束后输入到反求工程软件中拼合束后输入到反求工程软件中拼合数据光滑数据光滑 实际测量过程中受到人为或随机因素的影响，使得测实际测量过程中受到人为或随机因素的影响，使得测量结果包含噪声，为了降低或消除噪声对后续建模质量的量结果包含噪声，为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，有必要对数据进行平滑滤波。影响，有必要对数据进行平滑滤波。n人机交互人机交互

18、n程序滤波程序滤波n变形光顺变形光顺 人工交互程序滤波局部特征去除光顺效果光顺效果数据修复数据修复n测量过程中因为贴定位片、遮挡等原因导致部分数据测量过程中因为贴定位片、遮挡等原因导致部分数据测量不完整测量不完整n重新测量重新测量n软件中修补软件中修补数据修复修复数据简化数据简化n按数据点间的距离按数据点间的距离 指定数据点间的临界距离，两个测点间的距离小于临指定数据点间的临界距离，两个测点间的距离小于临界距离，则删除其中的一个。界距离，则删除其中的一个。n按给定的法向精度按给定的法向精度根据删除一个点在曲面法向引起的误差大小作为测点根据删除一个点在曲面法向引起的误差大小作为测点删除的依据。测

19、点到最小二乘拟合曲面的垂直距离删除的依据。测点到最小二乘拟合曲面的垂直距离作为删除该点引起的近似法向误差，若小于某一阈作为删除该点引起的近似法向误差，若小于某一阈值，删除该点。曲率较小的地方分布较少的点，曲值，删除该点。曲率较小的地方分布较少的点，曲率大或尖锐棱边保留较多的点。率大或尖锐棱边保留较多的点。 给定距离简化全站仪n 激光免棱镜激光免棱镜 激光相位式测距技术，一定距激光相位式测距技术，一定距离内不需任何协作目标就可以测量离内不需任何协作目标就可以测量 激光束细、激光束细、亮亮 ，使得测量免受栅栏、树枝等物体的影响，使得测量免受栅栏、树枝等物体的影响，也可迅速定位于细小的定位点：墙角、

20、物体尖也可迅速定位于细小的定位点：墙角、物体尖端等，极大方便了测量工作端等，极大方便了测量工作 键盘操作快捷键盘操作快捷 采采用了软键和数字键盘相结合的方式适用于建筑用了软键和数字键盘相结合的方式适用于建筑放样、道路放样、地形地籍测量及控制点测量放样、道路放样、地形地籍测量及控制点测量等测量工作。等测量工作。 LDT50激光电子经纬仪 n光束在多云白天条件下，工作范围光束在多云白天条件下，工作范围达达400米，在管道，地下等黑暗环米，在管道，地下等黑暗环境下，工作范围更远。境下，工作范围更远。激光束可以在聚焦模式和平行模式激光束可以在聚焦模式和平行模式下切换。下切换。激光光斑非常逼近圆型。判断

21、光斑激光光斑非常逼近圆型。判断光斑中心非常简单精确。中心非常简单精确。 在新产品的开发过程中，总是需要对所设计的零件或整在新产品的开发过程中，总是需要对所设计的零件或整个系统在投入大量资金组织加工或装配之前加工一个简单的个系统在投入大量资金组织加工或装配之前加工一个简单的例子或原型。在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，例子或原型。在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。 一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误或一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误或从进一步研究中发现更有效和

22、更好的设计方案，而一件原型从进一步研究中发现更有效和更好的设计方案，而一件原型的生产极其费时，模具的准备需要几个月，一个复杂的零件的生产极其费时，模具的准备需要几个月，一个复杂的零件用传统方法加工非常困难。用传统方法加工非常困难。快速原型制造技术产生的背景快速原型制造技术产生的背景市场变化市场变化 客户要求客户要求计算机技术计算机技术材料科学材料科学CAD/CAM 能源科学能源科学RP 快速成型快速成型(Rapid Prototyping)(Rapid Prototyping)技术是近年来发展起来技术是近年来发展起来的直接根据的直接根据CADCAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，模型快速

23、生产样件或零件的成组技术总称，它集成了它集成了CADCAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。 与传统制造方法不同，快速成型从零件的与传统制造方法不同，快速成型从零件的CADCAD几何模几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工造转化为一系列二维制造的

24、叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。效率和制造柔性。 一个更为人们关注的问题是一个产品从概念到可一个更为人们关注的问题是一个产品从概念到可销售的成品的流程速度。同时，还有一个更为令人关销售的成品的流程速度。同时，还有一个更为令人关心的问题是产品的高质量生产。由于这些原因，努力心的问题是产品的高质量生产。由于这些原因，努力使高质量的产品快速的进入市场就显得极为重要。使高质量的产品快速的进入市场就显得极为重要。 快速成型技术问世这些年，已实现了相当大的市场，快速成型技术问世这些年，已实现

25、了相当大的市场，发展非常迅速。发展非常迅速。 快速原型技术的优点：快速原型技术的优点：1.1.快速原型快速原型作为一种使设计概念可视化的重要手段，计算作为一种使设计概念可视化的重要手段，计算机辅助设计的零件的实物模型可以在很短时间内被加机辅助设计的零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。估。2.2.由于它是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决，因由于它是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决，因此，它能制造任意复杂型体的高精度零件，而无须任此，它能制造任意复杂型体的高精度零件，而无须任何工装模具。何工装模具

26、。3.3.快速原型快速原型作为一种重要的制造技术，采用适当的材料，作为一种重要的制造技术，采用适当的材料，这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。4.4.快速原型快速原型操作可以应用于模具制造，可以快速、经济地操作可以应用于模具制造，可以快速、经济地获得模具。获得模具。5.5.产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制自由制造造(Free Form Fabrication)(Free Form Fabrication)，这是传统制造方法无法，这是传统制造方法无法比拟的。比拟的。 基于材料累加

27、原理的快速成型的操作过程实际上基于材料累加原理的快速成型的操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。快速成型有很多种工艺是一层一层地离散制造零件。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。：1.1.三维模型三维模型的构造。的构造。 在 三 维在 三 维 C A DC A D 设 计 软 件 （设 计 软 件 （ 如如 P r o / EP r o / E 、 U GU G 、SolidWorksSolidWorks、SolidEdgeS

28、olidEdge等）中获得描述该零件的等）中获得描述该零件的CADCAD文件。文件。 目前一般快速成型支持的文件输出格式为目前一般快速成型支持的文件输出格式为STLSTL模型，模型，即对实体曲面近似处理即对实体曲面近似处理, ,即所谓即所谓面型化面型化(Tessallation(Tessallation) )处处理理, ,是用平面三角面片近似模型表面。这样处理的优点是用平面三角面片近似模型表面。这样处理的优点是大大地简化了是大大地简化了CADCAD模型的数据格式模型的数据格式, ,从而便于后续的从而便于后续的分层处理。分层处理。 在三维在三维CADCAD设计软件对设计软件对CADCAD模型进行

29、面型化处模型进行面型化处理时理时, ,一般软件系统中有输出精度控制参数，通过控制一般软件系统中有输出精度控制参数，通过控制该参数，可减小曲面近似处理误差。如该参数，可减小曲面近似处理误差。如Pro/EPro/E软件是通软件是通过选定弦高值过选定弦高值(ch(ch-chord height)-chord height)作为逼近的精度参数，作为逼近的精度参数，如图为一球体如图为一球体, ,给定的两种给定的两种chch值所转化的情况。值所转化的情况。 不同不同chch值时的效果值时的效果(a)ch(a)ch=0.05=0.05 (b) ch(b) ch=0.2=0.22.2.三维模型的离散处三维模型

30、的离散处理。理。 通过专用的分层通过专用的分层程序将三维实体程序将三维实体模型分层，通过模型分层，通过一簇平行平面沿一簇平行平面沿制作方向与制作方向与CADCAD模型相截模型相截, ,所得到所得到的截面交线就是的截面交线就是薄层的轮廓信息薄层的轮廓信息, ,而实体信息是通而实体信息是通过一些判别准则过一些判别准则来获取的来获取的。快速成型原理图快速成型原理图(a) (a) 零件的三维零件的三维模型模型(b) (b) 零件被分层零件被分层离散离散(c) (c) 支撑材料支撑材料(d) (d) 采用熔积法对图采用熔积法对图(e) A-A(e) A-A截面加工的挤压路径截面加工的挤压路径 分层切片分

31、层切片是在选定了制作是在选定了制作( (堆积堆积) )方向后方向后, ,需对需对CADCAD模型进行一维离散模型进行一维离散, ,获取每一薄层片截面轮廓获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。及实体信息。 平行平面之间的距离就是分层的厚度平行平面之间的距离就是分层的厚度, ,也就是成型也就是成型时堆积的单层厚度。时堆积的单层厚度。 轮廓轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成。构成。 由于分层，破坏了切片方向由于分层，破坏了切片方向CADCAD模型表面的连续模型表面的连续性性, ,不可避免地丢失了模型的一些信息不可避免地丢失了模型的一些信息, ,导致零件尺

32、导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件寸及形状误差的产生。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。的表面粗糙度和整个零件的型面精度。 分层后所得到的模型轮廓是近似的分层后所得到的模型轮廓是近似的, ,而层层之间的轮廓而层层之间的轮廓信息已经丢失信息已经丢失, ,层厚大层厚大, ,丢失的信息多丢失的信息多, ,导致在成型过程中产导致在成型过程中产生了型面误差。为提高零件精度生了型面误差。为提高零件精度, ,应该考虑更小的切片层应该考虑更小的切片层厚度。厚度。3.3.层截面的制造与累加层截面的制造与累加 在计算机控制下，快速成型系统中的成型头在在计算机控制下，快速

33、成型系统中的成型头在X-YX-Y平面平面内自动按截面轮廓进行层制造，得到一层层截面。每层截内自动按截面轮廓进行层制造，得到一层层截面。每层截面成型后，下一层材料被送至已成型的层面上，进行后一面成型后，下一层材料被送至已成型的层面上，进行后一层的成型，并与前一层相粘接，从而一层层的截面累加叠层的成型，并与前一层相粘接，从而一层层的截面累加叠合在一起，形成三维零件。合在一起，形成三维零件。RP技术的基本原理图技术的基本原理图快速原型快速原型制造技术发展历史制造技术发展历史n18921892年年 美国美国 层合方法层合方法制作制作三维地三维地图图模型模型n19791979年年 日本日本 东京大东京大

34、学中川威雄学中川威雄发发明叠层明叠层模型造型法模型造型法n19801980年年 日本日本 名古屋名古屋工业大学工业大学小玉小玉秀男提出光造型法秀男提出光造型法( (立体立体印刷成型印刷成型) ) n19841984年年 美国美国 UVPUVP公司完成了公司完成了Stereo Lithography ApparatusStereo Lithography Apparatus系系统统SLA-1SLA-1（3D System 3D System ）n 19841984年年 美国美国 M M FeyginFeygin提出提出层合层合实体制造实体制造（ HelisysHelisys ）n19861986

35、年年 美国美国 得克得克萨斯大萨斯大学学C.DeckardC.Deckard提出提出选区激光烧结选区激光烧结（ DTM DTM ）n19881988年年 美国美国 S.CrumpS.Crump提出熔融提出熔融沉沉积积造型造型 液体材料液体材料SLALTPBISHISRP RP 工艺方法及其分类工艺方法及其分类粉状材料粉状材料BMP3DWFDMSDMSLSGPD3DPTSFSF片状材料片状材料LOMSFPSGCES目前快速成型主要工艺方法及其分类目前快速成型主要工艺方法及其分类液体树液体树脂固化脂固化熔融材熔融材料固化料固化激光熔激光熔合材料合材料粘结剂粘结剂粘结材料粘结材料粘性片材粘性片材的粘

36、结的粘结UVUV粘结粘结片状材料片状材料1.1.熔积成型法（熔积成型法（Fused Deposition ModelingFused Deposition Modeling） 在在熔积成型法熔积成型法（FDM）的过程中龙门架式的机）的过程中龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动，械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动，工作台可以根据需要向上或向下移动。热塑性塑工作台可以根据需要向上或向下移动。热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的一层料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的一层是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上

37、形成的。当第一层完成后，工作台沫塑料基体上形成的。当第一层完成后，工作台下降一个层厚并开始迭加制造一层。下降一个层厚并开始迭加制造一层。 (b) (b) 熔积成型熔积成型50005000，熔积成，熔积成型设备。型设备。(a) (a) 熔积法成型的示意图熔积法成型的示意图熔积成型法原理图 FDM 制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑。如图所示制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑。如图所示(b) (b) 在快速原型机器中在快速原型机器中 常用的支撑结构常用的支撑结构(a)(a) 有一个突出截面需要有一个突出截面需要 支撑材料的零件支撑材料的零件快速原型支撑结构图快速原型支撑结构图 FDM的优点是材料的

38、利用率高；材料的成本低；可的优点是材料的利用率高；材料的成本低；可选用的材料种类多；工艺干净、简单、易于操作且对环境选用的材料种类多；工艺干净、简单、易于操作且对环境的影响小。缺点是精度低；结构复杂的零件不易制造；表的影响小。缺点是精度低；结构复杂的零件不易制造；表面质量差；成型效率低，不适合制造大型零件。面质量差；成型效率低，不适合制造大型零件。 该工艺适合于产品的概念建模以及它的形状和功能测试，该工艺适合于产品的概念建模以及它的形状和功能测试，中等复杂程度的中小原型。特别适合薄壁零件。中等复杂程度的中小原型。特别适合薄壁零件。2.2.光敏液相固化法（光敏液相固化法（Stereolithog

39、raphyStereolithography Apparatus Apparatus） 光敏液相固化法光敏液相固化法是目前应用最为广泛的一种快速原型是目前应用最为广泛的一种快速原型制造工艺。原理如图所示制造工艺。原理如图所示 光固化成型原理图光固化成型原理图 光固化采用的是将液态光敏树脂固化到特定形状的原光固化采用的是将液态光敏树脂固化到特定形状的原理。以光敏树脂为原料，在计算机控制下的紫外激光按预理。以光敏树脂为原料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的

40、一被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。个薄层截面。 光固化成形光固化成形所能达到的最小公差取决于激光的聚焦程度；所能达到的最小公差取决于激光的聚焦程度；通常是通常是0.0125mm0.0125mm。 SLA工艺优点是精度较高，一般尺寸精度控制在工艺优点是精度较高，一般尺寸精度控制在0.1mm0.1mm；表面质量好；原材料的利用率接近；表面质量好；原材料的利用率接近100100；能；能制造形状特别复杂、特别精细的零件；设备的市场占有率很制造形状特别复杂、特别精细的零件；设备的市场占有率很高。高。 缺点是需要设计支撑；可以选择的材料种类有限；容易发缺点是需要设计支撑；可以

41、选择的材料种类有限；容易发生翘曲变形；材料价格较贵。该工艺适合比较复杂的中小件。生翘曲变形；材料价格较贵。该工艺适合比较复杂的中小件。3.3.激光选区烧结（激光选区烧结（Selective Laser SineringSelective Laser Sinering） 激光选区烧结激光选区烧结（SLS）是一种将非金属（或普通金属）粉）是一种将非金属（或普通金属）粉末有选择地烧结成单独物体的工艺。该法采用末有选择地烧结成单独物体的工艺。该法采用CO2CO2激光器作激光器作为能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。为能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。 SLS工艺特别适合制作功能测试零件。

42、可用于直接制造工艺特别适合制作功能测试零件。可用于直接制造金属模具。由于该工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工金属模具。由于该工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工艺相接特别适合进行小批量比较复杂的中小零件的生产。艺相接特别适合进行小批量比较复杂的中小零件的生产。b) b) 由选区片层粘结法制由选区片层粘结法制造的机轴零件图造的机轴零件图选区片层粘结法原理图选区片层粘结法原理图a)选区片层粘结法工艺原理图 LOM工艺优点是无须设计和构建支撑；激光束只是沿工艺优点是无须设计和构建支撑；激光束只是沿着物体的轮廓扫描，无需填充扫描，成型效率高；成型件着物体的轮廓扫描，无需填充扫描，成型效率高；成型件的内应

43、力和翘曲变形小；制造成本低。的内应力和翘曲变形小；制造成本低。 缺点是材料利用率低；表面质量差；后处理难度大，尤其缺点是材料利用率低；表面质量差；后处理难度大，尤其是中空零件的内部残余废料不易去除；可以选择的材料类是中空零件的内部残余废料不易去除；可以选择的材料类有限，目前常用的主要是纸；对环境有一定的污染。有限，目前常用的主要是纸；对环境有一定的污染。 LOM工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形小和形状简工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形小和形状简单的实体类零件。通常用于产品设计的概念建模和功能测单的实体类零件。通常用于产品设计的概念建模和功能测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适用于

44、直试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适用于直接制作砂型铸造模。接制作砂型铸造模。 快速模具及快速复制技术是近几年在国内外发展起来快速模具及快速复制技术是近几年在国内外发展起来的一种快速制造技术。该项技术融合了高分子复合材料应的一种快速制造技术。该项技术融合了高分子复合材料应用、快速成型技术、快速翻制工艺以及用、快速成型技术、快速翻制工艺以及CNC加工等新技术、加工等新技术、新工艺，可快速、低成本地制造非金属模具，用于新工艺，可快速、低成本地制造非金属模具，用于10-10-10001000件批量产品的快速制造，受到了市场的欢迎。件批量产品的快速制造，受到了市场的欢迎。 适用于产品开发过程

45、中的小批量试制，以及小批量适用于产品开发过程中的小批量试制，以及小批量生产的、结构较简单的覆盖件生产。生产的、结构较简单的覆盖件生产。 按模具制造方式来分，可分为直接制模法和间接制模法。按模具制造方式来分，可分为直接制模法和间接制模法。1.1.直接制模法直接制模法(Direct Tooling(Direct ToolingDT) ) 直接制模法直接制模法是指将模具是指将模具CAD的结果的结果由由RP系统直接制造系统直接制造成型。即成型。即在在RP系统上直接制造出模具供生产使用。系统上直接制造出模具供生产使用。 这种方法不需要这种方法不需要RP原型作样件，也不依赖传统的模具原型作样件，也不依赖传

46、统的模具制造工艺，对金属模具的制造尤其快捷，是一种有开发制造工艺，对金属模具的制造尤其快捷，是一种有开发前景的快速模具制造方法前景的快速模具制造方法。 制造出的模具具有一定的耐高温和较好的机械强度和制造出的模具具有一定的耐高温和较好的机械强度和稳定性，故用稳定性，故用RP技术直接制造的模具经表面处理后可直技术直接制造的模具经表面处理后可直接用于生产中。但由于接用于生产中。但由于RP成型工艺和成型材料等原因，成型工艺和成型材料等原因，直接制造金属模具的技术和方法正在研究之中。直接制造金属模具的技术和方法正在研究之中。2.2.间接制模法间接制模法 间接间接RT法法是以是以RP原型作样件间接制造模具

47、的方法。原型作样件间接制造模具的方法。 RPM技术克服了传统样件技术克服了传统样件( (模样模样) )制作的缺点，能够更制作的缺点，能够更快、更好、更方便地设计并制造出各种复杂的原型快、更好、更方便地设计并制造出各种复杂的原型( (样件样件) )。一般可使模具制造周期和制造成本降低一般可使模具制造周期和制造成本降低1/21/2，大大提高，大大提高了生产效率和产品质量。了生产效率和产品质量。 间接间接RT法法已日臻成熟。其方法则根据零件的生产批量已日臻成熟。其方法则根据零件的生产批量的大小而不同。常用的有：的大小而不同。常用的有： 用用RP原型制作简易模具原型制作简易模具 1)1)用快速成型件作

48、母模，制作硅橡胶模用快速成型件作母模，制作硅橡胶模 当制造的零件件数较少（批量在当制造的零件件数较少（批量在20205050件）时，一般采件）时，一般采用这种硅橡胶模。用这种硅橡胶模。 工艺过程为：以工艺过程为：以RP原型作样件，采用室温硫化的有机硅原型作样件，采用室温硫化的有机硅橡胶浇注制作硅橡胶模。橡胶浇注制作硅橡胶模。 独特之处：由于硅橡胶良好的柔性和弹性，对于结构复独特之处：由于硅橡胶良好的柔性和弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度以及具有深凹槽的零件来说，杂、花纹精细、无拔模斜度以及具有深凹槽的零件来说，制件浇注完成后均可直接取出。制件浇注完成后均可直接取出。 制作周期为制作周期

49、为1 1周左右。周左右。2)2)以快速成型件作母模，进行树脂型复合制模以快速成型件作母模，进行树脂型复合制模 以液态的环氧树脂与有机或无机材料复合为基体材料以液态的环氧树脂与有机或无机材料复合为基体材料，以以RP原型为基准浇铸模具的一种制模方法。原型为基准浇铸模具的一种制模方法。 制造的模具寿命为制造的模具寿命为10010010001000件。为延长模具寿命，件。为延长模具寿命，通常在环氧树脂中添加各种添加剂通常在环氧树脂中添加各种添加剂。 具有工艺简单、模具传导率高、强度高及型面不加工具有工艺简单、模具传导率高、强度高及型面不加工的特点，适于塑料注射模、薄板拉伸模及吸塑模和聚氨的特点，适于塑

50、料注射模、薄板拉伸模及吸塑模和聚氨酯发泡成型模。酯发泡成型模。 制作周期为制作周期为1 12 2周。周。3)3)金属喷涂（金属喷涂（Metal SprayingMetal Spraying）制模法）制模法 以以RP原型作样件，将低熔点的熔化金属充分雾化后以原型作样件，将低熔点的熔化金属充分雾化后以一定的速度喷射到样件的表面，形成模具型腔表面，充一定的速度喷射到样件的表面，形成模具型腔表面，充填背衬复合材料的制模技术。填背衬复合材料的制模技术。 这种模具用于这种模具用于30003000件以下的注塑件生产。件以下的注塑件生产。 特点：工艺简单，周期短；型腔表面及其精细花纹一特点：工艺简单，周期短；