常用快速成型基本方法简介.pdfVIP

1前言

快速成型(RapidPrototyping)是上世纪80年代末及90年代初发展起来的高新制造技

术，是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。它集成了CA

D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。

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。

与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控

成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。通过与数控加工、铸造、金属

冷喷涂、硅胶模等制造手段相结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航

空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。

2快速成型的基本原理

快速成型技术采用离散/堆积成型原理，根据三维CAD模型，对于不同的工艺要求，按

一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。再将数据进行一定的处

理，加入加工参数，产生数控代码，在数控系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，

并使之粘结而成形。实际上就是基于生“长”或添“加”材料原理一层一层地离散叠加，从底至

顶完成零件的制作过程。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

一层地制造零件，所不同的是每种方法所用的材料不同，制造每一层添加材料的方法不同。

快速成型的基本原理图

快速成型的工艺过程原理如下:

(1)三维模型的构造:在三维CAD设计软件中获得描述该零件的CAD文件。一般快速成

型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面做近似的所谓面型化(Tessellation)处理，

是用平面三角形面片近似模型表面。以简化CAD模型的数据格式。便于后续的分层处理。

由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中

CAD系统与快速成型机之间数据交换的标准，每个三角面片用四个数据项表示。即三个顶

点坐标和一个法向矢量，整个CAD模型就是这样一个矢量的集合。在一般的软件系统中可

以通过调整输出精度控制参数，减小曲面近似处理误差。如Pre/1E软件是通过选定弦高值

(ch-chordheight)作为逼近的精度参数。

(2)三维模型的离散处理:在选定了制作(堆积)方向后，通过专用的分层程序将三维实体模型

(一般为STL模型)进行一维离散，即沿制作方向分层切片处理，获取每一薄层片截面轮廓及

实体信息。分层的厚度就是成型时堆积的单层厚度。由于分层破坏了切片方向CAD模型表

面的连续性，不可避免地丢失了模型的一些信息，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的表面粗糙度和整个零件的型面精度，每一层面的轮廓信息都是由一系

列交点顺序连成的折线段构成。所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，层与层之间

的轮廓信息已经丢失，层厚越大丢失的信息越多，导致在成型过程中产生了型面误差。

综上所述，为提高零件制造精度，在模型面型化处理时，应该选取较小的精度参数;在模

型离散化处理时，应该选取较小的切片层厚度。

3快速成型的工艺方法

目前快速成型主要工艺方法及其分类见图1所示。仅介绍目前较为常用的工艺方法。

3.1立体光固化成型法（SL,Stereo-Lithography）

光固化法(SL)是目前最为成熟和广泛应用的一种快速成型制造工艺（如图2）。这种工艺

以液态光敏树脂为原材料，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(固化)反应，从而形成零件的一个薄

层截面。完成一个扫描区域的液态光敏树脂固化层后，工作台下降一个层厚，使固化好的树

脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描、固化，新固化的一层牢固地粘接在一层上，

如此反复直至完成整个零件的固化成型。

图2：立体光固化成型法原理图

SL工艺的优点是精度较高，一般尺寸精度可控制在0.01mm;表面质量好;原材料利用率

接近100%;能制造形状特别复杂、精细的零件;设备市场占有率很高。缺点是需要设计支撑;

可以选择的材料种类有限;制件容易发生翘曲变形;材料价格较昂