《快速原型技术》PPT课件.ppt

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1、第三章第三章 快速原型技术快速原型技术济南大学机械加工新技机械加工新技术第第3章章 快速原型技术快速原型技术3.1 概概 述述3.2 快速原型的软件技术快速原型的软件技术 3.3 SLA工艺工艺 3.4 LOM工艺工艺 3.5 SLS工艺工艺 3.6 FDM工艺工艺 3.7 RP技术的应用技术的应用 3.8 RP技术的发展趋势技术的发展趋势 3.1 概概 述述n 快速原型技术快速原型技术n Rapid Prototypingn RP技术技术n 快速成形技术快速成形技术 3.1 概概 述述 快速原型技术的基本原理快速原型技术的基本原理 快速原型技术的典型方法快速原型技术的典型方法 快速原型技术的

2、特点快速原型技术的特点 快速原型技术的基本原理快速原型技术的基本原理 n传统的零件加工过程是先制造毛坯，然后经切削加工，从毛传统的零件加工过程是先制造毛坯，然后经切削加工，从毛坯上去除多余的材料得到零件的形状和尺寸，这种方法统称坯上去除多余的材料得到零件的形状和尺寸，这种方法统称为材料去除制造。为材料去除制造。n快速原型技术彻底摆脱了传统的快速原型技术彻底摆脱了传统的“去除去除”加工法，而基于加工法，而基于“材材料逐层堆积料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的组合，它能在料二维添加的组合，它能在CAD模型的直接驱动下，快速制

3、造模型的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体，是一种全新的制造技术。其成型过任意复杂形状的三维实体，是一种全新的制造技术。其成型过程为：程为：l 逐层堆积制造逐层堆积制造l 建立零件的三维建立零件的三维CAD模型模型l 模型模型Z向离散（分层）向离散（分层）3.1.1 快速原型技术的基本原理快速原型技术的基本原理 快速原型工艺流程快速原型工艺流程 3.1.2 快速原型技术的典型方法快速原型技术的典型方法 1光固化成形工艺光固化成形工艺nStereolithography Apparatus，简称，简称SLA，也称立体光刻，也称立体光刻n使用材料：液态光敏使用材料：液态光敏树脂树脂 3.1

4、.2 快速原型技术的典型方法快速原型技术的典型方法 2叠层实体制造工艺叠层实体制造工艺nLaminated Object Manufacturing，简称，简称LOM，也称分层实体，也称分层实体制造制造n使用材料：片材，如使用材料：片材，如纸、塑料薄膜等纸、塑料薄膜等 3.1.2 快速原型技术的典型方法快速原型技术的典型方法 3选择性激光烧结工艺选择性激光烧结工艺nSelective Laser Sintering，简称，简称SLS，也称选区激光烧结，也称选区激光烧结n使用材料：粉末状使用材料：粉末状材料材料 3.1.2 快速原型技术的典型方法快速原型技术的典型方法 4熔融沉积制造工艺熔融沉积

5、制造工艺nFused Deposition Modeling，简称，简称FDMn使用材料：塑料丝使用材料：塑料丝 3.1.2 快速原型技术的典型方法快速原型技术的典型方法 5三维印刷工艺三维印刷工艺nThree Dimensional Printing，简称，简称3DPn其工作过程类似于其工作过程类似于喷墨打印机喷墨打印机3DP工艺原理工艺原理 采用采用3DP工艺制作的结构陶瓷制品工艺制作的结构陶瓷制品 3.1.3 快速原型技术的特点快速原型技术的特点 n成型速度快，可迅速响应市场；成型速度快，可迅速响应市场；n产品制造过程几乎与零件的复杂程度无关；产品制造过程几乎与零件的复杂程度无关；n产品

6、的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品开发和单件产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品开发和单件小批量生产；小批量生产；n整个生产过程数字化、柔性化；整个生产过程数字化、柔性化；n无切割、噪声和振动等，有利于环保；无切割、噪声和振动等，有利于环保；n与传统方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小批与传统方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。3.2 快速原型的软件系统快速原型的软件系统快速原型快速原型的软件系的软件系统统CAD造型软件：造型软件：分层处理软件：分层处理软件：成形控制软件：成

7、形控制软件：进行零件的三维设计进行零件的三维设计进行分层计算以获取层进行分层计算以获取层片信息片信息进行加工参数设定、生成进行加工参数设定、生成数控代码、控制实时加工数控代码、控制实时加工 产品三维模型构造及其近似处理产品三维模型构造及其近似处理1产品的三维模型构造产品的三维模型构造n 根据产品的要求在根据产品的要求在CAD软件平台设计三维模型软件平台设计三维模型n 根据二维图样构建三维模型根据二维图样构建三维模型n 采用逆向工程技术构建三维模型采用逆向工程技术构建三维模型 产品三维模型构造及其近似处理产品三维模型构造及其近似处理2三维模型的近似处理三维模型的近似处理n用一系列小三角平面来逼近

8、模型上的自由曲面，每一个用一系列小三角平面来逼近模型上的自由曲面，每一个小三角形由三个顶点和一个法矢量来表示，三角形的大小三角形由三个顶点和一个法矢量来表示，三角形的大小可以选择，从而得到不同的曲面近似精度。小可以选择，从而得到不同的曲面近似精度。n经近似处理的三维模型文件格式为经近似处理的三维模型文件格式为STL，典型的商品，典型的商品化化CAD系统都有系统都有STL文件输出的数据接口文件输出的数据接口 4.2.1 产品三维模型构造及其近似处理产品三维模型构造及其近似处理STL输出的误差输出的误差在在Pro/E中输出中输出STL文件文件 分层处理软件分层处理软件n由于快速原型是按一层层截面轮

9、廓来进行成形，因此，加工由于快速原型是按一层层截面轮廓来进行成形，因此，加工前必须从三维模型上，沿成形的高度方向，每隔一定的间隔前必须从三维模型上，沿成形的高度方向，每隔一定的间隔进行分层切片处理，以获得截面的轮廓。进行分层切片处理，以获得截面的轮廓。n分层间隔选取的范围为分层间隔选取的范围为0.05mm0.5mm，常用的是，常用的是0.1mm左右。间隔愈小，精度愈高，但成形时间愈长。左右。间隔愈小，精度愈高，但成形时间愈长。n各种快速原型系统都带有分层处理软件，能将各种快速原型系统都带有分层处理软件，能将CAD模型以片模型以片层方式来描述，这样，无论零件多么复杂，对于每一层来说，层方式来描述

10、，这样，无论零件多么复杂，对于每一层来说，都是简单的平面。都是简单的平面。成型控制软件成型控制软件n成形控制软件根据所选的数控系统将分层处理软件生成的二成形控制软件根据所选的数控系统将分层处理软件生成的二维层片信息即轮廓与填充的路径生成维层片信息即轮廓与填充的路径生成NC代码，与工艺紧密代码，与工艺紧密相连，是一个工艺规划过程。相连，是一个工艺规划过程。n快速原型扫描路径规划的主要内容包括刀具尺寸补偿和扫描快速原型扫描路径规划的主要内容包括刀具尺寸补偿和扫描路径选择，其核心算法包括二维轮廓偏置算法和填充网格生路径选择，其核心算法包括二维轮廓偏置算法和填充网格生成算法。算法的要求是合理性、完善性

11、和鲁棒性，算法的好成算法。算法的要求是合理性、完善性和鲁棒性，算法的好坏直接影响数据处理效率，生成结果则直接决定成形加工效坏直接影响数据处理效率，生成结果则直接决定成形加工效率。率。3.3 SLA工艺工艺 SLA工艺于工艺于1984年由年由Charles Hull提出并获美国专利。提出并获美国专利。1988年美国年美国3D Systems公司推出世界上第一台商品化公司推出世界上第一台商品化RP设备设备SLA-250。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使其固化成形，自动制作出各种加工方法难以制作外激光使其固化成形，自动制作出各种加工方法难以制作的复杂

12、立体形状，在制造领域具有划时代的意义。目前的复杂立体形状，在制造领域具有划时代的意义。目前SLA工艺已成为世界上研究最深入、技术最成熟、应用最工艺已成为世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速原型方法。广泛的一种快速原型方法。3.3 SLA工艺工艺 SLA系统组成系统组成 成形工艺过程成形工艺过程 SLA材料材料 SLA工艺特点工艺特点 SLA工艺应用案例工艺应用案例 SLA系统组成系统组成CPS250B快速原型机快速原型机 SLA工艺原理工艺原理 SLA系统组成系统组成n 液槽液槽 n 控制系统控制系统 n 紫外激光器紫外激光器l 氦氦-镉激光器：输出功率镉激光器：输出功率15mW

13、50mW，波长，波长325nml氩激光器：输出功率氩激光器：输出功率100mW500mW，波长，波长351nm365nmn 激光束扫描装置激光束扫描装置l 电流计驱动式的扫描镜方式电流计驱动式的扫描镜方式l X-Y绘图仪方式绘图仪方式l 主要由工控机、分层处理软件和控制软件等组成主要由工控机、分层处理软件和控制软件等组成 成形工艺过程成形工艺过程1.模型及支撑设计模型及支撑设计n在成形中，未被激光束照射的部分材料仍为液态，它不能使制件在成形中，未被激光束照射的部分材料仍为液态，它不能使制件上的孤立和悬臂轮廓定位。因此，必须设计和制作支撑结构。上的孤立和悬臂轮廓定位。因此，必须设计和制作支撑结构

14、。n工件底部也要加支撑，以使工件成形后顺利从工作台取下。工件底部也要加支撑，以使工件成形后顺利从工作台取下。n成形完毕后应小成形完毕后应小心除去支撑，从心除去支撑，从而得到最终所需而得到最终所需的工件。的工件。成形工艺过程成形工艺过程2.分层处理分层处理采用分层软件对采用分层软件对CAD模型的模型的STL格式文件进行分层处理，得到格式文件进行分层处理，得到每一层截面图形及其有关的网格矢量数据，用于控制激光束的扫描每一层截面图形及其有关的网格矢量数据，用于控制激光束的扫描轨迹。分层处理还包括层厚、建立模式、固化深度、扫描速度、网轨迹。分层处理还包括层厚、建立模式、固化深度、扫描速度、网格间距、线

15、宽补偿值、收缩补偿因子的选择与确定。格间距、线宽补偿值、收缩补偿因子的选择与确定。3.原型制作原型制作液态光敏树脂逐层固化而形成原型件。液态光敏树脂逐层固化而形成原型件。4.后处理后处理原型制作完毕，需进行剥离，以便去除废料和支撑结构，有原型制作完毕，需进行剥离，以便去除废料和支撑结构，有时还需进行后固化、修补、打磨、抛光、表面涂覆、表面强化处时还需进行后固化、修补、打磨、抛光、表面涂覆、表面强化处理等，这些工序统称为后处理。理等，这些工序统称为后处理。SLA材料材料nSLA原型材料是液态光敏树脂，如环氧树脂、乙烯酸树原型材料是液态光敏树脂，如环氧树脂、乙烯酸树脂、丙烯酸树脂等。脂、丙烯酸树脂

16、等。n光敏树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂、光引光敏树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂、光引发剂。发剂。n由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会使模型材由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会使模型材料内部产生应力，引起模型变形。开发收缩系数小、固料内部产生应力，引起模型变形。开发收缩系数小、固化速度快或无需后固化、强度高的光敏树脂材料是其发化速度快或无需后固化、强度高的光敏树脂材料是其发展趋势。展趋势。SLA工艺特点工艺特点SLA工艺优点如下：工艺优点如下：n尺寸精度高，可达尺寸精度高，可达0.1mm，是，是RP技术中最高的；技术中最高的；n原型表面质量优良；原型表面质量优良；n

17、可以制作结构复杂、细小的模型；可以制作结构复杂、细小的模型；n系统非常稳定，成形过程自动化程度高；系统非常稳定，成形过程自动化程度高；n可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。SLA工艺特点工艺特点SLA工艺缺点：工艺缺点：n成形过程中伴随着材料的物理和化学变化，产生收缩，并成形过程中伴随着材料的物理和化学变化，产生收缩，并且会因材料内部的应力导致制件较易翘曲、变形；且会因材料内部的应力导致制件较易翘曲、变形；n需要支撑；需要支撑；n设备运转及维护成本高；设备运转及维护成本高；n需要二次固化；需要二次固化；n液态树脂固化后在性能上

18、不如常用的工业塑料，一般较脆、液态树脂固化后在性能上不如常用的工业塑料，一般较脆、易断裂。易断裂。SLA工艺应用案例工艺应用案例nSLA工艺自诞生以来，在概念设计的交流、单件小批量精密工艺自诞生以来，在概念设计的交流、单件小批量精密铸造、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等方面铸造、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等方面广泛应用于汽车、航空、电子、消费品、娱乐以及医疗等行广泛应用于汽车、航空、电子、消费品、娱乐以及医疗等行业。业。采用采用SLA工艺制作工艺制作RP原型，原型，然后翻制成硅橡胶模具，最然后翻制成硅橡胶模具，最后进行低压注塑，得到所需后进行低压注塑，得到所需的操作手柄

19、。产品开发周期的操作手柄。产品开发周期仅为传统方式的仅为传统方式的1/10，费用，费用仅为传统方式仅为传统方式1/3。SLA工艺应用案例工艺应用案例 SLA工艺应用案例工艺应用案例 SLA工艺应用案例工艺应用案例 3.4 LOM工艺工艺 LOM工艺方法和设工艺方法和设备于备于1991年问世，由于年问世，由于该工艺大多使用纸为原该工艺大多使用纸为原料，材料成本低，而且料，材料成本低，而且激光只要切割每一层片激光只要切割每一层片的轮廓，成形效率高，的轮廓，成形效率高，在制作中、大原型件时在制作中、大原型件时有较大优势，因此近年有较大优势，因此近年来发展迅速。来发展迅速。3.4 LOM工艺工艺 LO

20、M系统组成系统组成 成形工艺过程成形工艺过程 LOM材料材料 LOM工艺特点工艺特点 SLA工艺应用案例工艺应用案例 LOM系统组成系统组成 成形工艺过程成形工艺过程1.制作基底制作基底2.原型制作原型制作3.去除余料去除余料4.后处理后处理 余料去除以后，为提高原型表面状况和机械强度，保证其余料去除以后，为提高原型表面状况和机械强度，保证其尺寸稳定性、精度等方面的要求，需对原型进行后置处理，比尺寸稳定性、精度等方面的要求，需对原型进行后置处理，比如防水、防潮、加固和使其表面光滑等，通常采用的后置处理如防水、防潮、加固和使其表面光滑等，通常采用的后置处理工艺包括修补、打磨、抛光、表面涂覆等。工

21、艺包括修补、打磨、抛光、表面涂覆等。LOM材料材料nLOM技术使用薄层材料，如纸、金属箔、塑料薄膜、陶瓷技术使用薄层材料，如纸、金属箔、塑料薄膜、陶瓷膜等，除了可以制造模型外，还可以直接制造结构件或功膜等，除了可以制造模型外，还可以直接制造结构件或功能件。能件。n目前目前LOM成形材料多采用纸。纸材在激光切割过程中一直成形材料多采用纸。纸材在激光切割过程中一直保持固态，不发生状态变化，因此翘曲变形小。所成形的制保持固态，不发生状态变化，因此翘曲变形小。所成形的制件经过表面涂覆处理后不吸水，有良好的稳定性且坚如硬木，件经过表面涂覆处理后不吸水，有良好的稳定性且坚如硬木，表面光滑。表面光滑。nLO

22、M材料涉及到三方面的问题：薄层材料、粘结剂和涂材料涉及到三方面的问题：薄层材料、粘结剂和涂布工艺。布工艺。LOM工艺特点工艺特点LOM工艺优点如下：工艺优点如下：n生产效率比其它生产效率比其它RP工艺高，非常适合于制作中、大型实心工艺高，非常适合于制作中、大型实心原型件；原型件；n无需设计和制作支撑结构；无需设计和制作支撑结构；n后处理工艺简单，成形后废料易于剥离，且不需后固化处后处理工艺简单，成形后废料易于剥离，且不需后固化处理；理；n原材料价格便宜，原型制作成本低；原材料价格便宜，原型制作成本低；n制件能承受高达制件能承受高达200的高温，有较高的硬度和较好的力的高温，有较高的硬度和较好的

23、力学性能，可以进行各种切削加工。学性能，可以进行各种切削加工。LOM工艺特点工艺特点LOM工艺缺点：工艺缺点：n工件（尤其是薄壁件）的抗拉强度和弹性不够好；工件（尤其是薄壁件）的抗拉强度和弹性不够好；n工件易吸湿膨胀，因此成形后应尽快做表面防潮处理；工件易吸湿膨胀，因此成形后应尽快做表面防潮处理；n不能直接制作塑料工件；不能直接制作塑料工件；n工件表面有台阶，其高度等于材料厚度，因此，成形后需工件表面有台阶，其高度等于材料厚度，因此，成形后需进行表面打磨。进行表面打磨。LOM工艺应用案例工艺应用案例nLOM工艺虽然在精细产品和类塑料件制作方面不及工艺虽然在精细产品和类塑料件制作方面不及SLA工

24、艺，工艺，但是在比较厚重的结构件模型、实物外观模型、制鞋业、砂但是在比较厚重的结构件模型、实物外观模型、制鞋业、砂型铸造、快速模具母模等方面的应用有其独特的优越性。型铸造、快速模具母模等方面的应用有其独特的优越性。LOM工艺应用案例工艺应用案例奥迪轿车刹车钳体精铸母模的奥迪轿车刹车钳体精铸母模的LOM原型原型 奥迪轿车刹车钳体精铸件奥迪轿车刹车钳体精铸件 n汽车工业中很多形状复杂的零汽车工业中很多形状复杂的零部件均由精铸直接制得，如何部件均由精铸直接制得，如何高精度、高效率、低成本地制高精度、高效率、低成本地制造这些精铸母模是关键。采用造这些精铸母模是关键。采用传统的木模工手工制作，对于传统的

25、木模工手工制作，对于曲面形状复杂的母模，效率低、曲面形状复杂的母模，效率低、精度差；采用数控加工制作，精度差；采用数控加工制作，则成本太高。则成本太高。n采用采用LOM工艺制造汽车零部件工艺制造汽车零部件精铸母模，生产效率高，尺寸精铸母模，生产效率高，尺寸精度高。精度高。LOM工艺应用案例工艺应用案例汽车发动机排气管的精铸母模汽车发动机排气管的精铸母模 3.5 SLS工艺工艺 SLS工艺由美国得克萨斯大学奥汀分校的于工艺由美国得克萨斯大学奥汀分校的于1989年研制年研制成功，并首先由美国成功，并首先由美国DTM公司商品化，它利用粉末状材料（金公司商品化，它利用粉末状材料（金属粉末或非金属粉末）

26、在激光照射下烧结的原理，在计算机控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。制下层层堆积成形。SLS的原理与的原理与SLA十分相象，主要区别在十分相象，主要区别在于所使用的材料及其状态。于所使用的材料及其状态。SLA使用液态光敏树脂，而使用液态光敏树脂，而SLS则则使用各种粉末状材料。使用各种粉末状材料。3.5 SLS工艺工艺 SLS系统组成系统组成 成形工艺过程成形工艺过程 SLS材料材料 SLS工艺特点工艺特点 SLS工艺应用案例工艺应用案例 SLS系统组成系统组成AFS-320成形机基本性能参数成形机基本性能参数 激激 光光 器器类型类型射频射频CO2波长波

27、长10.6m最大功率最大功率50W光路及扫描系统光路及扫描系统焦平面光斑焦平面光斑0.4mm同光路指示同光路指示670nm红光红光成成 形形 室室一次成形尺寸一次成形尺寸320320440mm分层厚度分层厚度0.080.3mm成形材料成形材料精铸模料、工程塑料、树脂精铸模料、工程塑料、树脂砂砂控控 制制 系系 统统工控机工控机即时主流配置即时主流配置控制软件控制软件AFS Win v2.0 成形工艺过程成形工艺过程1.成形参数选择成形参数选择2.原型制作原型制作n分层参数：零件加工方向、分层参数：零件加工方向、分层厚度、扫描间距和扫描分层厚度、扫描间距和扫描方式。方式。n成形烧结参数：扫描速度

28、、成形烧结参数：扫描速度、激光功率、预热温度、铺粉激光功率、预热温度、铺粉参数等。参数等。成形工艺过程成形工艺过程3.后处理后处理n刚刚成形的树脂原型密度和强度较低，需作强化处理，将液刚刚成形的树脂原型密度和强度较低，需作强化处理，将液体可固化树脂浸渗到烧结零件中，将其保温、固化，得到增体可固化树脂浸渗到烧结零件中，将其保温、固化，得到增强的零件；强的零件；n对于陶瓷原型，需将其放在加热炉中烧除粘接剂，烧结陶瓷对于陶瓷原型，需将其放在加热炉中烧除粘接剂，烧结陶瓷粉；粉；n当原型材料为金属与粘结剂的混合粉时，成形需将制件置于当原型材料为金属与粘结剂的混合粉时，成形需将制件置于加热炉中，烧去其中的

29、粘结剂，烧结金属粉，然后进行渗铜加热炉中，烧去其中的粘结剂，烧结金属粉，然后进行渗铜处理，以得到高密度的金属件。处理，以得到高密度的金属件。SLS材料材料nSLS工艺使用粉末材料，它来源较为广泛，原则上讲所有工艺使用粉末材料，它来源较为广泛，原则上讲所有受热能相互粘结的粉末材料或表面附有热固（塑）性粘结受热能相互粘结的粉末材料或表面附有热固（塑）性粘结剂的粉末都可用作剂的粉末都可用作SLS材料；材料；n用蜡可以制造精密铸造用蜡模，用热塑性塑料可以制造消失用蜡可以制造精密铸造用蜡模，用热塑性塑料可以制造消失模，用陶瓷可以制造铸造壳型、型芯和陶瓷构件，用金属可模，用陶瓷可以制造铸造壳型、型芯和陶瓷

30、构件，用金属可以制造金属结构件和模具。以制造金属结构件和模具。n目前目前SLS材料主要有塑料粉、蜡粉、金属粉、表面附有材料主要有塑料粉、蜡粉、金属粉、表面附有粘结剂的覆膜陶瓷粉、覆膜金属粉及覆膜砂等；粘结剂的覆膜陶瓷粉、覆膜金属粉及覆膜砂等；SLS工艺特点工艺特点SLS工艺优点如下：工艺优点如下：n可以采用多种材料，特别是可以直接制造金属零件，这使可以采用多种材料，特别是可以直接制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力；工艺颇具吸引力；n无需设计和制作支撑结构；无需设计和制作支撑结构；n制件具有较好的机械性能，可直接用作功能测试或小批量制件具有较好的机械性能，可直接用作功能测试或小批量使用的产品

31、；使用的产品；n材料利用率高，未烧结的粉末可以重复利用。材料价格便材料利用率高，未烧结的粉末可以重复利用。材料价格便宜、成本低。宜、成本低。SLS工艺特点工艺特点SLS工艺缺点：工艺缺点：n成形速度较慢；成形速度较慢；n成形精度和表面质量稍差，因此在成形要求精细结构和清成形精度和表面质量稍差，因此在成形要求精细结构和清晰轮廓的制件时不及晰轮廓的制件时不及SLA工艺处理；工艺处理；n成形过程能量消耗高。成形过程能量消耗高。SLS工艺应用案例工艺应用案例n采用采用SLS工艺，可以直接将工艺，可以直接将CAD文件转换成经久耐用的、功文件转换成经久耐用的、功能性的塑料或金属零件或模具，所需时间只是传统

32、加工和制能性的塑料或金属零件或模具，所需时间只是传统加工和制模时间的很少一部分。这样就可以在很短时间（几天）内，模时间的很少一部分。这样就可以在很短时间（几天）内，快速制造小批量的塑料或金属零件，而不需要制造模具，大快速制造小批量的塑料或金属零件，而不需要制造模具，大大降低了成本，缩短了周期。对于大批量的零件生产，在一大降低了成本，缩短了周期。对于大批量的零件生产，在一两天内就可以制造出复杂的金属模具工作零件，具有更高的两天内就可以制造出复杂的金属模具工作零件，具有更高的效益。效益。SLS工艺应用案例工艺应用案例采用采用SLS工艺小批量工艺小批量生产航空、航天、军生产航空、航天、军工等行业的产

33、品，既工等行业的产品，既减少了投资，又赢得减少了投资，又赢得了时间。了时间。小批量战斗机控制手柄小批量战斗机控制手柄 SLS工艺应用案例工艺应用案例采用采用SLS工艺制作的高尔夫球头模具及产品工艺制作的高尔夫球头模具及产品 SLS工艺应用案例工艺应用案例 SLS工艺应用案例工艺应用案例 SLS工艺应用案例工艺应用案例 3.6 FDM工艺工艺 FDM工艺由美国学者工艺由美国学者Scott Crump博士于博士于1988年研制成年研制成功，并于功，并于1991年由美国的年由美国的Stratasys公司率先推出商品化设备。公司率先推出商品化设备。FDM工艺利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制

34、下工艺利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成形。由于该工艺无需激光系统，因此使用、维护简层层堆积成形。由于该工艺无需激光系统，因此使用、维护简单，成本低，近年来得到迅速发展和广泛应用，是单，成本低，近年来得到迅速发展和广泛应用，是RP技术领技术领域的后起之秀。域的后起之秀。3.6 FDM工艺工艺 FDM系统组成系统组成 成形工艺过程成形工艺过程 FDM材料材料 FDM工艺特点工艺特点 FDM工艺应用案例工艺应用案例 FDM系统组成系统组成MEM-300快速原型机快速原型机 FDM系统组成系统组成MEM-300主要工艺参数主要工艺参数材料材料ABS塑料塑料成形温度成形温度220

35、230分层厚度分层厚度0.15mm扫描速度扫描速度080mm/s成形空间成形空间300mm（长）（长）260mm（宽）（宽）300mm（高）（高）精度精度0.2mm/100mm主机尺寸主机尺寸820mm（长）（长）730mm（宽）（宽）1220mm（高）（高）FDM系统组成系统组成1.喷头喷头2.送丝机构送丝机构3.运动机构运动机构n单喷头技术：零件和支撑采用同种材料，支撑去除麻烦；单喷头技术：零件和支撑采用同种材料，支撑去除麻烦；n双喷头技术：一个用来喷模型材料制造零件，另一个用来喷双喷头技术：一个用来喷模型材料制造零件，另一个用来喷支撑材料做支撑，两种材料的特性不同，去除支撑容易。支撑材料

36、做支撑，两种材料的特性不同，去除支撑容易。nX-Y轴的联动完成喷头对截面轮廓的平轴的联动完成喷头对截面轮廓的平面扫描，面扫描，Z轴则带动工作台实现高度方轴则带动工作台实现高度方向的进给。向的进给。4.控制系统：运动控制、温度控制控制系统：运动控制、温度控制 5.软件系统：分层处理软件、成形控制软件软件系统：分层处理软件、成形控制软件 成形工艺过程成形工艺过程1.三维模型设计及三维模型设计及STL文件输出文件输出2.分层处理分层处理1）启动）启动Daphne 成形工艺过程成形工艺过程2）确定加工方向及加工位置）确定加工方向及加工位置3）添加基底）添加基底 成形工艺过程成形工艺过程4）添加支撑）添

37、加支撑 成形工艺过程成形工艺过程5）分层计算）分层计算 成形工艺过程成形工艺过程3.原型制作原型制作1）开机后，成形材料及成形室预热零件）开机后，成形材料及成形室预热零件2）启动控制软件，读入分层后的加工模型）启动控制软件，读入分层后的加工模型 成形工艺过程成形工艺过程3）数控初始化）数控初始化 成形工艺过程成形工艺过程4）挤出旧丝及出丝检测）挤出旧丝及出丝检测 成形工艺过程成形工艺过程5）工作台对高）工作台对高 成形工艺过程成形工艺过程6）加工参数设置）加工参数设置 成形工艺过程成形工艺过程7）成形加工）成形加工 成形工艺过程成形工艺过程3 原型后处理原型后处理n加工完毕，零件保温，之后用小

38、铲子小心取出原型加工完毕，零件保温，之后用小铲子小心取出原型n小心去除支撑，用砂纸打磨台阶效应较明显处，用小刀处理多余小心去除支撑，用砂纸打磨台阶效应较明显处，用小刀处理多余部分，用填补液处理台阶效应造成的缺陷，用上光液把原型表面部分，用填补液处理台阶效应造成的缺陷，用上光液把原型表面上光上光nFDM工艺需要有支撑，当支撑与原型材料相同时，手工去除支撑工艺需要有支撑，当支撑与原型材料相同时，手工去除支撑需要一定的技巧，复杂、细小特征处的支撑剥离效果较差，影响需要一定的技巧，复杂、细小特征处的支撑剥离效果较差，影响原型件的精度和表面质量原型件的精度和表面质量n采用双喷头和双材料技术，成形时，一个

39、喷头用于挤喷模型材料，采用双喷头和双材料技术，成形时，一个喷头用于挤喷模型材料，一个喷头用于挤喷支撑材料，而支撑可以选择水溶材料、低于模一个喷头用于挤喷支撑材料，而支撑可以选择水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。成形之后，支撑很容易去掉，留下光型材料熔点的热熔材料等。成形之后，支撑很容易去掉，留下光滑、清洁、精确的原型件，没有刮痕和擦伤，细小的特征会保留滑、清洁、精确的原型件，没有刮痕和擦伤，细小的特征会保留得完整无缺。得完整无缺。FDM材料材料nFDM工艺中使用的材料是线材，分为成形材料和支撑材料。工艺中使用的材料是线材，分为成形材料和支撑材料。对于成形材料，要求其熔融温度低、粘度低、粘

40、结性好、对于成形材料，要求其熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小；收缩率小；n目前使用的材料主要包括目前使用的材料主要包括ABS及医学专用的及医学专用的ABSi、MABS、石蜡、聚烯烃树脂、尼龙、聚酰胺、低熔点金、石蜡、聚烯烃树脂、尼龙、聚酰胺、低熔点金属和陶瓷等；属和陶瓷等；n对支撑材料的要求是能够承受一定的高温、与成形材料对支撑材料的要求是能够承受一定的高温、与成形材料不浸润、具有水溶性或酸溶性、具有较低的熔融温度、不浸润、具有水溶性或酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性好等。流动性好等。FDM工艺特点工艺特点FDM工艺优点如下：工艺优点如下：n无需激光系统，设备结构简单、运行安全、操作维

41、护简便，无需激光系统，设备结构简单、运行安全、操作维护简便，成本低，其设备成本为成本低，其设备成本为SLA设备的设备的1/5；n可以在办公室环境下使用；可以在办公室环境下使用；n原材料在成形过程中无化学变化，制件翘曲变形小；原材料在成形过程中无化学变化，制件翘曲变形小；n当使用水溶性支撑材料时，支撑去除方便快捷，且效果极当使用水溶性支撑材料时，支撑去除方便快捷，且效果极好。好。FDM工艺特点工艺特点FDM工艺缺点：工艺缺点：n成形精度较；成形精度较；n也需要对整个截面进行扫描，成形时间较长；也需要对整个截面进行扫描，成形时间较长；n沿沿Z轴方向，制件强度较弱。轴方向，制件强度较弱。FDM工艺特

42、点工艺特点指标指标SLALOMSLSFDM成形速度成形速度较快较快快快较慢较慢较慢较慢原型精度原型精度较高较高较高较高较低较低较低较低制造成本制造成本高高较低较低较低较低低低原型复杂程度原型复杂程度复杂复杂中等中等较复杂较复杂中等中等零件大小零件大小中小件中小件大件大件中小件中小件中小件中小件四种工艺的对比四种工艺的对比 FDM工艺应用案例工艺应用案例nFDM工艺已广泛应用于汽车、机械、航空航天、家电、通信、工艺已广泛应用于汽车、机械、航空航天、家电、通信、电子、建筑、医学、玩具等产品的设计开发过程，如产品外电子、建筑、医学、玩具等产品的设计开发过程，如产品外观评估、方案选择、装配检查、功能测

43、试、用户看样订货、观评估、方案选择、装配检查、功能测试、用户看样订货、以及少量产品制造等。以及少量产品制造等。FDM工艺应用案例工艺应用案例 FDM工艺应用案例工艺应用案例使用使用FDM工艺制作医学模工艺制作医学模型，有助于改善外科手术型，有助于改善外科手术方案，并有效地进行医学方案，并有效地进行医学诊断，大大减少手术前、诊断，大大减少手术前、中和后的时间和费用中和后的时间和费用采用采用FDM工艺制作的人工艺制作的人体骨骼模型体骨骼模型 FDM工艺应用案例工艺应用案例 FDM工艺应用案例工艺应用案例 FDM工艺应用案例工艺应用案例 3.7 RP技术的应用技术的应用 RP技术自出现以来，技术自出

44、现以来，以其显著的时间效益和以其显著的时间效益和经济效益受到制造业的经济效益受到制造业的广泛关注，并已在航空广泛关注，并已在航空航天、汽车外形设计、航天、汽车外形设计、玩具、电子仪表与家用玩具、电子仪表与家用电器塑料件制造、人体电器塑料件制造、人体器官制造、建筑美工设器官制造、建筑美工设计、工艺装饰设计制造、计、工艺装饰设计制造、模具设计制造等领域展模具设计制造等领域展现出良好的应用前景。现出良好的应用前景。051015202530军事领域军事领域其他其他宇航业宇航业学术机构学术机构医疗领域医疗领域机械设备机械设备汽车行业汽车行业日用消费品日用消费品需求量（需求量（%）对对RP原型需求的行业原

45、型需求的行业 3.7 RP技术的应用技术的应用对对RP原型需求的目的原型需求的目的模具制造可视化模具制造可视化0510152025其他其他直接模具直接模具人体研究人体研究建议和讨论模型建议和讨论模型金属铸造母模金属铸造母模快速模具母模快速模具母模工程设计可视化工程设计可视化装配检验装配检验功能模型功能模型需求目的和用途量（需求目的和用途量（%）3.7 RP技术的应用技术的应用 RP技术在新产品开发中的应用技术在新产品开发中的应用 基于基于RP的快速模具技术的快速模具技术 RP技术在医学领域中的应用材料技术在医学领域中的应用材料 RP技术在铸造领域中的应用技术在铸造领域中的应用 RP技术在新产品

46、开发中的应用技术在新产品开发中的应用 采用采用RP技术之后，从产品设计的最初阶段开始，设计技术之后，从产品设计的最初阶段开始，设计者、制造者、推销者和用户都能在第一时间拿到实实在在的者、制造者、推销者和用户都能在第一时间拿到实实在在的样品甚至小批量生产的产品，因而可以及早地、充分地进行样品甚至小批量生产的产品，因而可以及早地、充分地进行评价、测试和反复修改，并且对制造工艺过程及其所需的工评价、测试和反复修改，并且对制造工艺过程及其所需的工具、模具的设计进行校核，因此可以大大减少失误和不必要具、模具的设计进行校核，因此可以大大减少失误和不必要的返工，从而能以最快的速度、最低的成本、最好的品质和的

47、返工，从而能以最快的速度、最低的成本、最好的品质和最低的风险投入市场。最低的风险投入市场。RP技术在新产品开发中的应用技术在新产品开发中的应用nRP系统相当于一台系统相当于一台三维打印机三维打印机，能迅速地将设计的，能迅速地将设计的CAD模型高精度地模型高精度地“打印打印”出来，为设计者和产品评审决策出来，为设计者和产品评审决策者提供直接、准确的模型，大大提高产品设计和决策的者提供直接、准确的模型，大大提高产品设计和决策的可靠性。可靠性。1.设计模型可视化及设计评价设计模型可视化及设计评价n在新产品设计中，利用在新产品设计中，利用RP技术制作产品样件，一般只需技术制作产品样件，一般只需传统样件

48、制作工时的传统样件制作工时的30%50%和成本的和成本的20%35%，而其精确性却是传统方法无法媲美的。而其精确性却是传统方法无法媲美的。RP样件是产品从样件是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段，可作为设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段，可作为新产品展示，进行市场调研、市场宣传和供货询价。新产品展示，进行市场调研、市场宣传和供货询价。RP技术在新产品开发中的应用技术在新产品开发中的应用n进行装配校核和干涉检查对新产品开发，尤其是在有限进行装配校核和干涉检查对新产品开发，尤其是在有限空间内的复杂、昂贵系统（如卫星、导弹）的可制造性空间内的复杂、昂贵系统（如卫星、导弹）的可制造性

49、和可装配性检验尤为重要。如果一个产品的零件多而且和可装配性检验尤为重要。如果一个产品的零件多而且复杂就需要作总体装配校核。在投产之前，先用复杂就需要作总体装配校核。在投产之前，先用RP技术技术制作出全部零件原型，进行试安装，验证设计的合理性制作出全部零件原型，进行试安装，验证设计的合理性和安装工艺与装配要求，若发现有缺陷，便可以迅速、和安装工艺与装配要求，若发现有缺陷，便可以迅速、方便地进行纠正，使所有问题在投产之前得到解决。方便地进行纠正，使所有问题在投产之前得到解决。2.装配校核装配校核 RP技术在新产品开发中的应用技术在新产品开发中的应用n快速原型除了可以进行设计评价和装配校核之外，还可

50、快速原型除了可以进行设计评价和装配校核之外，还可以直接用于性能和功能参数试验与相应的研究，如机构以直接用于性能和功能参数试验与相应的研究，如机构运动分析、流动分析、应力分析、流体和空气动力学分运动分析、流动分析、应力分析、流体和空气动力学分析等。采用析等。采用RP技术可以严格地按照设计将模型迅速制造技术可以严格地按照设计将模型迅速制造出来进行实验测试，对各种复杂的空间曲面更能体现出来进行实验测试，对各种复杂的空间曲面更能体现RP技术的优势。如通过风扇、凤毂等设计的功能检验和性技术的优势。如通过风扇、凤毂等设计的功能检验和性能参数确定，可获得最佳扇叶曲面、最低噪声的结构。能参数确定，可获得最佳扇