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第一章 快速成型制造技术 快速成型技术的原理及工艺过程 快速成型制造技术(RP)，是一种迅速发展的先进制造技术。它是近20年来制造技术最重大进展之一。它建立在CAD／CAM技术、计算机控制技术、数控技术、检测技术和材料科学的基础之上，将计算机辅助设计的电子模型以最快的速度转化为具有一定结构功能的产品原型，从而对产品设计开发进行评价、测试和改进。图1.1为快速原型制造系统示意图。 图1.1 快速成型制造系统[1] 从成型原理上提出一个全新的思维模式的成型原理，它基于离散和堆积原理，将零件的CAD模型按一定方式离散，成为可加工的离散面、离散线和离散点，而后采用物理或化学手段，将这些离散的面、线段和点堆积而形成零件的整体形状。具体的方法是，依据零件的三维CAD模型，经过格式转换后，对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓形状。按照这些轮廓形状，用激光束选择性地固化一层层的液态光敏树脂，或切割一层层的纸或金属薄片，或烧结一层层的粉末材料，以及用喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔性材料，形成各截面的平面轮廓形状，并逐步叠加成三维立体零件[2]。 快速成型的工艺流程如图1.2所示： 图1.2 快速成型的工艺流程图[2] 简言之，其成形原理是先将CAD模型水平地切成许多薄层，然后在快速成型机上每次一层地进行逐层成形，并将各层粘合在一起，从而得到零件的原型。 其具体的工艺过程如下[3]： 建造三维模型。通过三维(3D)设计软件，设计出一个产品的三维CAD实体模型；由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD模型。该三维模型可以利用三维造型软件直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型； 模型做近似处理。由于模型会不可避免的出现曲面或空洞，为了防止精细机构的缺失，提高和实际模型的相似度，需将模型进行近似处理，由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，典型的CAD软件都带有转换和输出STL格式文件的功能，这样3D模型文件就转换成STL格式文件； 对三维模型进行切片。用成型系统自带控制软件从STL文件模型的成型高度方向上用一系列一定间隔的平面“切出一系列的层片，层片的厚度根据加工要求自行设置，这些片层按次序累积起来就是所设计零件的形状； 传输信息并加工模型。将上述每一层片的信息传到控制软件，利用计算机控制系统控制成型头(激光头或喷头)按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地堆积粘结材料，最终得到原型产品； 成型件的后处理。从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。 2、 快速成型的特点 零部件(或模型)传统的制造方法是基于材料去除的概念，快速原型制造技术突破了传统加工过程中的金属成型(如锻、冲、拉伸、铸、注塑加工和切削成形)的工艺方法，是一种“使材料生长而不是去掉材料的制造过程”。其制造过程的主要特点是[4]： （1）快速性。采用快速成型技术，从设计思想转变为具有一定结构功能的产品 原型原型，一般只需几个小时至几十个小时，从而可以对产品设计进行快速评估、测试及功能试验，以缩短产品开发的研制周期，减少开发费用，提高企业参与市场竞争的能力。 (2)集成性。快速成型机通过计算机直接执行CAD模型的数控指令，避免了数 控中的复杂编程，真正实现了设计制造一体化，大大提高了加工效率。与反求工程(RE)、CAD技术、网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品快速开发的有力工具。 高度柔性。若要生产不同形状的零件模型，只需改变CAD模型，重新调整和设置参数即可，成型过程中不需要专门的夹具和工具，成型零件与CAD模型具有直接关联，零件可随时修改，随时制造。 无限制性。快速成型不受零件的形状和复杂程度的限制，可成型任意形状的造型，这就摆脱了传统夹具、工具加工的限制，使高难度、高复杂度的模型的加工变得相对较容易。 材料的广泛性。快速成型技术可以制造树脂类、塑料原型，还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷的原型。 低造价性。其制造周期一般为传统的数控切削方法的1／5—1／10，而成本仅为l／3一l／5，它在保证一定精度和零件制作精度的基础上，具有最优的性能价格比，这也是快速成型的到飞速发展的一个重要原因。 3、快速成型的分类 快速成型制造工艺的全过程可以归纳为以下三个步骤[5]： 1)前处理。它包括工件的三维模型的构造、三维模型的近似处理、模型成形方向的选择和三维模型的切片处理。 2)分层叠加成形。它是快速成形的核心．