快速成形技术

快速成形与

快速模具技术刘玉山yushan868@主要内容一、快速成形技术（一）概述（二）典型RP工艺与设备（三）RP数据处理（四）RP的应用二、快速模具技术（一）硅胶模快速制模技术（二）金属电弧喷涂快速制模技术（一）概述设计人员的梦想从PaulLDimatteo的专利谈起（1976年）什么是快速成形？RapidPrototyping简称RP快速成形技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状的三维物理实体的技术总称。基本原理：分层制造快速成形（RapidPrototyping，简称RP）技术是20世纪80年代末期发展起来的一种新型制造技术，它将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数控（CNC）、激光、新材料精密伺服等先进技术融于一体，实现从CAD三维模型到实际原型（零件）的加工，它不但能够迅速地将设计转变成实物，而且不受零件复杂程度的限制。概括的说，快速成形技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状的三维物理实体的技术总称。快速成形的产生20世纪80年代末，美国生产第一台快速成形机（3DSystemSLA-250），很快波及日本和欧洲。90年代初我国开始涉足这一领域。2002年全球安装了1482台，我国160台。目前工艺有数十种。快速成形的原理图1-2

RP加工过程CAD设计Z向离散化分层制造后处理原型件NC代码生成叠加成形,与传统的成形方式不同快速成形加工过程CAD模型Z向离散化（分层）层面信息处理层面加工与粘接层层堆积后处理分解过程组合过程STL文件NC代码生成后处理RP加工前处理快速成形技术的特点及应用

采用三维CAD模型直接驱动，实现了设计、制造的一体化

高度柔性

快速性

材料的广泛性

（二）典型工艺与设备LOM工艺（LaminatedObjectManufacturing，分层实体制造）SLA工艺（SterolithographyApparatus，立体印刷成形）FDM工艺（FusedDepositionModeling，熔融沉积制造）SLS工艺（Slective

LasterSintering，选域激光烧结）加工准备送纸工作台上升测高器测高热压板热压激光束扫描加工一层工作台下降加工完成总层数为N当前层N0=0N0=NN0<NLOM工艺流程图LOM工艺原理案例一汽车除霜管LOM工艺制作的汽车除霜管原型塑料汽车除霜管案例二汽车保险杠案例三军用水壶案例四电器接线合案例五威士忌酒瓶案例六卫生坐桶M-RPMS-III型多功能快速成形机典型设备LOM工艺的典型设备有美国Helisys公司的LOM1015Plus/2030H清华大学的SSM500等。新加坡Kinergy公司的ZIPPYLOM

分层实体制造(1)成形精度较高；

(2)只须对轮廓线进行切割，制作效率高，适合做大件及实体件；

(3)制成的样件有类似木质制品的硬度，可进行一定的切削加工。(1)不适宜做薄壁原型；

(2)表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；

(3)易吸湿膨胀，成形后要尽快表面防潮处理；

(4)工件强度差，缺少弹性。中等激光器有损耗，材料利用率很低，运行费用较高。渐趋淘汰实心体大件铸造行业SL工艺原理图SLApparatus

Thestereolithography(SL)equipmenttranslatesCADdesignsintosolidobjectsthroughacombinationoflaser,photochemistryandsoftwaretechnologies.Acomputer-drivenlasersolidifiesavatofliquidresin,layerbylayer,intoyourthree-dimensionalepoxyprototypepart.SLASamplePartsSLpartsinmachine

典型设备3DSystem、SLAEOS公司C-MET公司西安交大SPS、LPS、CPSSLA光固化成型(1)成形速度极快，成形精度、表面质量高；

(2)适合做小件及精细件。(1)成形后要进一步固化处理；

(2)光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；

(3)工作温度不能超过100℃，成形件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。设备费用高昂激光器有损耗，光敏树脂价格昂贵，运行费用很高。稳步发展复杂、高精度、艺术用途的精细件喷头料丝成形工件FDM

工艺原理图丝盘FDM喷头原理图典型设备Stratasys公司FDM2000、FDM清华大学MEM320

MEM320

FDM熔融沉积成型(1)成形材料种类较多，成形样件强度好，能直接制作ABS塑料；

(2)尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配；

(3)材料利用率高；

(4)操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。(1)成形时间较长；

(2)做小件和精细件时精度不如SLA。低廉无激光器损耗，材料的利用率高，原材料便宜，运行费用极低。飞速发展塑料件外形和机构设计科研院校、生产企业激光束扫描镜粉末平整辊激光器SLS工艺原理图Sinterstation2500(DTM)Sinterstation2500System结构主要厂家DTM、EOS、北京隆源、华中科大隆源AFS320HRPS-IIASLS选择性激光烧结(1)有直接金属型的概念，可直接得到塑料、蜡或金属件；

(2)材料利用率高；造型速度较快。(1)成形件强度和表面质量较差，精度低。

(2)在后处理中难于保证制件尺寸精度，后处理工艺复杂，样件变型大，无法装配。高昂激光器有损耗，材料利用率高，原材料便宜，运行费用居中。稳步发展铸造件设计铸造行业（三）RP数据处理快速原型制造（RP）系统组成快速原型制造系统硬件系统监控加工软件3DCAD软件数据处理软件软件系统RP中实体造型常用的

CAD软件系统Pro/Engineer(62%)AutoCAD(35%)I-DEAS(18%)Unigraphics(17%)CATIA(17%)CADKEY(17%)Computervision(14%)EUCLID(7%)Intergraph(2%)SolidworksDELCAM3DSMaxRP技术中数据处理的一般过程获取零件数据：通过CAD、RE等得到；模型数据转换：分析零件数据：对输入的2D或3D文件检修；工艺处理：包括定向、加支撑、排样合并等；分层、填充：Z向离散，填充生成扫描矢量；生成NC代码：结合工艺参数，将扫描矢量转换成成形机所需的数控指令；监控加工：该过程由监控加工软件完成。RP技术中采用的数据文件

三维CAD模型数据文件，比如IGES、

DXF、VDA-FS等等；

三维面片格式文件，比如STL、CFL

等；

层片格式文件，比如SLC、CLI以及

HPGL等。CAD模型与RP之间的

数据交换接口就是将三维CAD模型文件转换成RP系统所需的模型数据文件。目前RP系统大多采用表面三角形模型文件—STL文件。STL（STereoLithography）是3DSystems公司最早开发的用于CAD软件与RP后续加工转换的数据接口，它使用一系列无序的三角形面片来逼近三维形体的表面。是对三维形体的一种边界表示（B-Rep）。目前，它已成为RP技术领域事实上的标准（defactostandard）。STL文件格式（ASCII码）SolidObject_ifacetnormalxn,yn,znouterloopvertexx1,y1,z1vertexx2,y2,z2vertexx3,y3,z3

endloop

endfacet…………EndsolidObject_i123n（面片外法矢）x1y1z1x2y2z2x3y3z3xn

yn

zn三个顶点与法矢遵循右手法则弦高（误差）实际曲面边界三角形的边三角形面片近似边界(a)曲面模型的离散化(b)平面模型的离散化三角形面片对CAD模型的近似STL文件的优缺点数据格式简单，是三维形体的一种简单表示法。RP技术领域的准标准，被绝大多数CAD系统以及RP系统采用。与原始CAD模型文件相比，文件数据量较大，这是因为其中存在许多冗余的顶点和边的信息；不包含CAD模型的拓扑信息；由于CAD软件的原因，在生成STL文件时很容易出现几何缺陷，因此需要专用修补软件；对于大型STL文件，后续分层处理需要较长的时间。STL文件规则共顶点规则：每一个小三角形必须与每个相邻的小三角形平面共用两个顶点。ABCDEABCDEABCD错误正确正确STL文件规则取向规则：顶点的排序与三角形的单位外法矢应遵循右手定则，即：当右手的手指从第一个顶点出发，经过第二个顶点指向第三个顶点时，拇指将指向远离实体的方向，这个方向即为该小三角形平面的单位法向量方向。n231n123STL文件规则取值规则：每个小三角形平面的顶点坐标值必须是正数，零和负数是错误的。（有些CAD系统允许）XYZ不合法合法STL文件规则合法实体规则：在三维模型的所有表面上，必须布满小三角形平面，不得有任何遗漏，不能有厚度为零的区域，外表面不能从其本身穿过。STL文件可能存在的错误开口，Gaps(cracks,holes,punctures),i.e.,missingfacets;退化面，Degeneratefacets(whereallitsedgesarecollinear);重叠面Overlappingfacets;带有缺陷的STL格式模型分层后在成形过程中可能出现的问题比如，若在模型的某处存在裂缝或空洞，在未经修补的情况下进行分层，则可能产生不封闭的截面轮廓线，进而导致在填充实体截面轮廓时无扫描线终点。$$HEADERSTART$$ASCII$$UNITS/1//allcoordinatesaregiveninmm//$$DATE/070493//7April1993//$$LAYERS/100//100layers//$$HEADEREND$$GEOMETRYSTART$$LAYER/5.5$$POLYLINE/0,0,5,1.00,2.02,3.30,3.42,5.23,5.01,1.57,5.6,1.00,2.02$$HATCHES/0,2,10.2,10.4,12.34,12.5,8.8,9.3,15.7,13.2$$POLYLINE/0,1,10,1.2,4.01,......……

$$GEOMETRYENDCLI文件一般格式影响RP系统成形精度的原因

不精确的模型数据转换；影响RP系统成形精度的原因

成形过程中出现的“台阶”现象；（原理误差）;

成形过程中产生的翘曲变形等；自适应分层与等厚分层直接分层快速成形数据处理软件MagicRP、STLviewDaphne、Insight、CatalystSTL文件处理模块工艺处理模块机床数控模块图形显示模块辅助功能模块拓扑信息提取STL文件检验与修复分层与优化填充及网格划分零件排样·拼装手动调试实时监控加工机床运行状态显示STL文件光照及线框模型显示数控文件模拟加工分层文件显示参数设定其他模块调试数控代码生成M|RPMS集成软件|清华大学清华大学Daphne软件界面Insight、CatalystInsight、Catalyst快速成形数据处理过程（总结）CAD模型正向设计反求设计STL文件选择成形方向添加支撑分层扫描路径规划数控代码生成（四）快速成形技术的应用新产品开发中的应用模具制造中的应用(快速模具)医疗领域的应用功能梯度材料的制造新产品开发中的应用模型、零件的感官评价结构设计验证与装配校核性能和功能测试医疗领域的应用功能梯度材料的制造航天飞机发动机燃烧室-200--2000二、快速模具传统制模方法多数凭经验，经历设计、制造、试模、修模多次重复，成本高周期长。快速模具制造技术应用快速成形方法制造模具的技术的总称,称为快速模具技术。简称RT（RapidTooling）直接制模与间接制模直接制模用SLS、FDM、LOM等快速成型工艺方法直接制造出树脂模、陶瓷模和金属模。间接制模快速成形与精密铸造、金属喷涂制模、电极研磨和粉末烧结等技术相结合的制模法。直接制模SLA

塑料模具LOM

纸质模具SLS

树脂模、陶瓷模、金属模FDM

塑料模、陶瓷模、石蜡模。间接制模硅胶膜环氧树脂模金属电弧喷涂模硅橡胶成分基础聚合物