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快速原型制造技术

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一、快速原型制造技术的产生

全球一体化市场、制造业竞争剧烈，产品的开发速度成为市

场竞争的主要矛盾。

从技术开展角度，计算机、CAD、材料、激光等技术的开展

和普及为新的制造技术的产生奠定了根底。

快速原型制造于20世纪80年代后期产生于美国，并很快扩展

到日本及欧洲，于20世纪90年代初引入我国，是近20年来制

造技术领域的一项重大突破。

它借助计算机、激光、精密传动、数控技术等现代手段，将

CAD和CAM集成于一体，根据在计算机上构造的三维模型，能

在很短的时间内直接制造出产品样品，使设计工作进入一种

全新的境界。

改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发周期，加快

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了产品更新换代的速度，降低了企业投资新产品的风险。

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。

n快速原型技术彻底摆脱了传统的“去除〞加工法，

而基于“材料逐层堆积〞的制造理念，将复杂的

三维加工分解为简单的材料二维添加的组合，

它能在CAD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。

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二、快速原型制造技术的根本概念

快速原型制造技术〔RapidPrototype

Manufacturing，RPM〕是综合利用CAD技术、数控技

术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术的技

术集成以实现从零件设计到三维实体原型制造一体化

的系统技术。它是一种基于离散堆积成形思想的新型

成形技术，是由CAD模型直接驱动的快速完成任意复

杂形状三维实体零件制造的技术的总称。

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三、快速原型制造技术的根本原理及根本过程

——根本原理

快速原型制造技术彻底摆脱了传统的“去除〞加工法，

而基于“材料逐层堆积〞的制造理念，将复杂的三维加

工分解为简单的材料二维添加的组合，它能在CAD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。

从成形角度看，零件可视为逐点、线、面的叠加而成。

从CAD模型中离散得到点、线、面的几何信息，再与快

速成形的工艺参数信息结合，控制材料有规律地、精确

地由点、线到面，由面到体地逐步堆积成零件。从制造

角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制

三维的自动化成形设备，通过激光束或其他方法将材料

逐层堆积而形成成形零件。

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三、快速原型制造技术的根本原理及根本过程

——根本过程

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〔1〕产品的CAD建模：应用三维CAD软件，根据产品

要求设计三维模型，或采用逆向工程技术获取产品的

三维模型。

〔2〕三维模型的近似处理：用一系列小三角形平面

来逼近模型上的不规那么曲面，从而得到产品的近似

模型。

〔3〕三维模型的Z向离散化〔即分层处理〕：将近似

模型沿高度方向分成一系列具有一定厚度的薄片，提

取层片的轮廓信息

〔4〕处理层片信息，生成数控代码：根据层片几何

信息，生成层片加工数控代码，用以控制成形机的加

工运动。

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〔5〕逐层堆积制造：在计算机控制下，根据生成

的数控指令，成形头在平面内按截面轮廓进行扫

描，固化液态树脂，从而堆积出当前的一个层片，

并将当前层与已加工好的零件局部粘合。然后，

成形机工作台面上升或下降一个层厚的距离，再

堆积新的一层。如此反复进行直到整个零件加工

完毕。

〔6〕后处理：对完成的原型进行处理，使之到达

要求。

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三维模型的近似处理

n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STL，典型

的商品化CAD系统都有STL文件输出的数据接

口

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STL输出的误