快速成型技术

T快速成形技术的产生背景T 随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为竞争的主 要矛盾。同时，制造业需要满足日益变化的用户需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能 够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此，产品开发的速度和制造技术的柔性变 得十分关键。 快速原型制造技术就是在这样的社会背景下产生的。八十年代后期，RP 技术在美国首先产 生并商品化。从那时起，RP 技术一直以离散堆积原理为基础和特征。简单的说，将零件的 电子模型（如 CAD 模型）方式离散，成为可加工的离散面、离散线和离散点，而后采用多种 手段，将这些离散的面、线段和点堆积形成零件的整体形状。由于工艺过程无需专用工具， 工艺 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 步骤简单，总的来说，制造速度比传统方法快的多。也有人因该技术高度的柔性而 称之为“自由成形制造”。 RP 技术涉及 CAD 技术、数据处理技术、数控技术、测试传感技术、激光技术等多种机械电 子技术，材料技术和计算机软件技术，是各种高科技技术的有机综合、交叉应用。因此，各 种相关技术的迅速发展是 RP 技术得以产生的重要技术背景。 RP 技术具有很好的前景和应用价值，世界上主要先进工业国家的政府部门、企业、高等院 校、研究机构纷纷投入巨资对 RP 技术进行开发和研究。当前世界上己形成强劲的 RP 热，发 展十分迅猛。美国、欧洲、日本都站在 21 世纪世界制造业全球竞争的战略高度来对待这一 技术。 什么是 RP TURP、RPM的定义UT TURP技术的基本过程 UT TURP技术的特点 UT TRP、RPM的定义 T T快速成形 (RP-Rapid Prototyping)技术：T 快速成形技术是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机、数控、激光和 新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。 T快速原型制造(RPM-Rapid Prototyping Manufacturing)技术:T 使用 RP 技术，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的技术的总称。 TU返回UT TRP技术的基本过程 T T快速成形技术的基本过程 TT：T 由 CAD 软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型； 将三维模型沿一定方向（通常为 Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）； 根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码； 成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体。 快速成形过程示意图 这样将一个物理实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，且 成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关。 TRP技术的实现流程： T RP 的离散/堆积成形流程 TU返回UT TRP技术的特点 T T快速成形技术的重要特征：T 高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体； CAD 模型直接驱动，设计制造高度一体化； 成形过程无需专用夹具或工具； 无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程； 成形全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场； 技术的高度集成性，既是现代科学技术发展的必然产物，也是对它们的综合应用，带有鲜明 的高新技术特征。 先进的快速成形制造（RPM）系统， 即是与 CAD 集成的快速成形制造系统， 属于 CIMS 的目 标产品的范畴。 由于它直接由计算机数据信息驱动设备进行制造， 因此是一种数字化制造。 在信息传递网络化的今天，RPM 技术成为实现数字化制造的最佳方法。 TRP的作用和优越性 T TRP技术功能： T 根据零件或物体的三维模型数据，快速、精确地制造出零件或物体的实体模型，无需任何专 用工具。即：“CAD 模型直接驱动，快速地制造出复杂的三维实体。” RP 的技术功能 它与 NC 机床的主要区别在于高度柔性。无论是数控机床还是加工中心，都是针对某一类型 零件而设计的。如车削加工中心，铣削加工中心等。对于不同的零件需要不同的装夹，用不 同的工具。虽然它们的柔性非常高，可以生产批量只有几十件、甚至几件的零件，而不增加 附加成本。但它们不能单独使用，需要先将材料制成毛坯。而 RP 技术具有最高的柔性，对 于任何尺寸不超过成形范围的零件，无需任何专用工具就可以快速方便的制造出它的模型 (原型)。从制造模型的角度，RP 具有 NC 机床无法比拟的优点，即快速方便、高度柔性。 零件的模型或原型虽然只反映出最终零件的几何特性，不能反映出全部的机械性能。但已经 使RP技术受到极大的欢迎。德国奔驰公司的Werner Pullman博士在IMS快速产品开发国际会 议上讲：“购买一辆车，首先考虑的是它的客观印象，然后是它的技术特性，如马力、安全 设备等。象噪音、操作性能和款式等特性是作出购买决定的重要因素。但这些特性只有通过 物理原型来评价。因此高质量的功能原型在产品开发中是重要的方面，不能被数字模型和分 析所取代。”P P在美国福特汽车公司，RP&M技术被用于为多种目的制造模型： T设计者和工程师可以拿着他们设计概念的实物模型进行早期的观察、验证，反复改进和优化； T T模型作为并行工程的联系工具；T T用于零部件的加工和配合测试；T T用于市场研究，作为测试样品，研究消费者的偏好；T T帮助制定生产规划，决定工具夹具的需求；T T帮助设计包装衬板的设计；T T制造出金属原型；T 用 Quick Cast 方法直接从 SLA 制造的原型制造出成对的凸凹模具，这些模具可用于注塑成 形，加工出最终使用材料的零件。 从上述例子可以看到快速制造零件原型，快速将 CAD 的数字模型转换成实体模型的 RP 技术 已被人们所接受，并受到产业界的广泛欢迎。 T技术现状T TRP技术概况T T |TU工艺设备水平UTTT|TU成型材料UTTT|TU软件UTTT| T TTTURP技术存在的主要问题 UT T工艺设备水平 T 国内外现有的工艺分为五类，就这五类工艺，许多公司都开发了自己的设备。如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 所示。 RPM 的商品化工艺设备 工艺方法 公司 设备 最大造型尺寸 mm 正常精度 mm 3DSYSTEM SLA250/350/500 500H 500H 585 EOS SterEos300/400/600 600H 600H 600 F&S LMS 500H 500H 585 CMET SOUP 1000H 800H 500 D-MEC SCS 1000H 800H 500 Teijin Seiki Mark 1000 选择性液体固化 Mitsui Zosen COLAMN ±0.1 Helices LOM1015/2030h Kara Corp. KSC-50 Spar Hot Plot Singapore ZIPPYI/Ⅱ 1200×750×550 ±0.1 层片添加 Singh SSM500/800/1600 ±0.1 选择性粉未熔结 DTM Sinter station2000,2500 380×340×440 ±0.2 EOS EOSINT250/350 320×300×400 Strategy’s FDM1650/2000/800 457×457×609 ±0.13 熔融挤压成形 Singh MEM250/250-Ⅱ 350×250×250 ±0.2 Sanders Prototype MM-6PRO Model Maker Ⅱ BPM BPM 3DSYSTEM Actua2100 500×500×585 Strategy’s Genesis 喷墨打印 Soigné DSPC300G ±0.15 TU返回UT T成型材料 T T国外RPM材料应用类型T 成型材料是 RPM 技术发展的关键环节。它影响原型的成型速度、精度和物理、化学性能，直 接影响到原型的二次应用和用户对成型工艺设备的选择。国外新工艺的出现往往与新材料的 应用有关。国外现在所应用的成型材料种类已经较为丰富，见表所示。 材料形态 液 态 固态粉末 固态片材 固态丝材 非金属 金属 具体材料 光固化树脂 蜡粉 尼龙粉 覆膜陶瓷粉 ... 钢粉 覆膜钢粉 ... 覆膜纸 覆膜塑料 覆膜陶瓷箔 覆膜金属箔 ... 蜡丝 ABS 丝 ... 与 RPM 制造的四个目标（概念型、测试型，模具型，功能零件）相适应，对成型材料的要求 也不同。概念型对材料成型精度和物理化学特性要求不高，主要要求成型速度快。如对光固 化树脂，要求较低的临界曝光功率、较大的穿透深度和较低的粘度。测试型对于材料成型后 的强度、刚度、耐温性、抗蚀性等有一定要求，以满足测试要求。如果用于装配测试，则对 于材料成型的精度还有一定要求。模具型要求材料适应具体模具制造要求，如对于消失模铸 造用原型，要求材料易于去除。快速功能零件要求材料具有较好的力学性能和化学性能。从 解决的方法看，一个是研究专用材料以适应专门需要；另一个是根据用途分类，研究几类通 用材料以适应多种需要。 T国外主要的光固化树脂 T 国外主要的光固化树脂表 工艺 材料制造商 材料品牌 材料类型 备注 Capitol SL 5149 丙烯酸基光固化树脂 Capitol SL 5154 同上 Capitol SL5170 环氧基光固化树脂 低收缩率、低粘 度，ACES 及 Quick Cast 模式 Capitol SL 5180 同上 同上 Capitol SL 5190 同上 同上 SOMOS 2100/2110 丙烯酸基光固化树脂 不透明 SOMOS 3100/3110 同上 透明 SOMOS 5100/5110 同上 不透明，变形少 Coates Brothers PLC 收缩率小，抗水SGS DSMDesotec DeSolite4112-143 通用光固化树脂 T国外公司材料研究情况 T T国外公司材料研究情况表 T 公司 材料 特点 适用范围 Helices 涂覆纸 价格便宜 易燃 直接或间接消失模铸造、 砂型铸造、石膏铸造，制 造硅胶模、喷涂金属模 纤维混纺料 耐高温高压 直接制造塑料注塑模具 Strategy’s 精铸石蜡 价格便宜 气化温度低 消失模制造 聚脂石蜡 价格便宜 熔点低 消失模制造 ABS（红、黄、蓝 绿、白、黑六色） 强度高 熔点较高 色彩鲜艳 概念型、测试型和注射模 制造 MABS（医学用 ABS）强度高 溶点较高 医学用原型制造 纤 细 尼 龙 （ Fine Nylon) 有较好的强度、刚度、耐热 性和抗腐蚀性能 概念型和测试型制造 尼龙复合物（Nylon Composite) 填充了玻璃微珠的尼龙 有很好的强度、刚度、耐热 性和抗腐蚀性能 能制造微小特征，适合概 念型和测试型制造 存 真 塑 料 （TrueFormPTM P） 熔点低 变形率低 颗粒小而均（30micron）强 度稍差 消失模制造 聚 碳 酸 脂 （polycarbonate） 熔点低 消失模制造 DTM 金属粉末 熔点高 强度高 功能零件或金属模具制造 Soigné 覆膜陶瓷粉 溶点高 刚度高 制造陶瓷壳型 TU返回UT T软件 T 软件是 RPM 系统的灵魂。其中最为关键的又是 CAD 到 RP 接口的数据转换和处理软件。在 RPM 发展的初期，人们的注意力主要集中在工艺本身，而随着应用的不断深入，软件处理的精度 和速度，软件对复杂模型的处理能力就成为应用中的一个主要瓶颈。国外的 RPM 公司和研究 机构对此都非常重视并投入大量人力和资金进行软件的研究和开发。 国外的各大RPM系统生产商一般都开发自己的数据变换接口软件，如3D SYSTEM公司的ACES、 Quick Cast，Hollis’s 公司的 LOMSlice，DTM 的 Rapid Too1，Strategy’s 的 Quick Slice、 Support Works、Autopen，Cubical的Solider，Sander Prototype的potboil和ProtoSupport 等。 由于 CAD 与 RPM 的数据变换接口软件开发的困难性和相对独立性，国外涌现了很多作为 CAD 与 RP 系统之间的桥梁的第三方软件，这些软件一般都以常用的数据文件格式作为输入输出 接口。输入的数据文件格式有 STL、IGES、DXF、HPGL、CT 层片文件等，而输出的数据文件 一般为 CLI。以下是国外比较著名的一些第三方接口软件。 TBridge Works：T 由美国的 Solid Concept 公司在 92 年推出，经不断改进，现已发展到 Version4.0 以上。该 软件可通过对 STL 文件特征的分析，自动添加各种支撑。 TMagic’s：T 由比利时的 Materialize 公司在 93 年推出，现已发展到 version4.2，包括 Magic’s View， Magic’s RP，Magic’s SG，Contours Tools，CT-Mode11er System，Mimics，CTM 等七个 模块，可以进行基于 STL 文件的显示、错误检验、自动添加支撑、分层、制造时间估计等处 理，还提供了各种对 CT 文件及 IGES 文件的有效处理。该软件功能广泛、性能优良、界面美 观，是一个优秀的第三方接口软件。 TSolid View： T 由美国的 Solid Concept 公司在 1994 年推出，可以在 WINDOWS3.1，WIN95，WINNT 操作系统 下进行 STL 文件的线框和着色显示，STL 文件的旋转、缩放等操作。 TSTL Manager： T 由美国的 POGO 公司于 1994 年推出，主要用于 STL 文件的显示和支撑的添加。 TSylvie：T 这是一个由美国的软件工程师 Igor Table 在业余时间所写的软件，现己发展到 Version7.0。 它可以从网上免费下载并使用两周，同 SolidVielw 类似，这个软件可用于 STL 文件的显示 和变换，同时它还有错误修复、添加支撑等功能。 TSurface－RPM：T 这是由美国的Image ware公司在 1994年为其 Surface软件增加的用于快速原型制造数据处 理的模块。 其他第三方数据接口软件还有克莱梅森大学的 CIDES、Anthony D.Martin 开发的 AD Mesh， XOX 公司的 SHAPES，Brock Rooney 的 Brock ware，I-DEAS 的 RP 模块，CADDS 的 RP 模块等。 由于数据接口软件的开发往往需要很高的专业水平，要耗费大量的财力和时间，现在国外出 现了 RPM 生产商购买第三方数据接口软件的趋势。如 1996 年 3D SYSTEM 公司与 Image ware 公司达成 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ，采用 Image ware 的 RP 一系列模块作为“3D Systems SL Toolkit”。而 Sanders Prototype 公司也采用了 STL-Manager 作为自己的数据接口软件。另外，德国的 F＆S 公司 也购买了 MAGICS 软件的部分模块。 从技术角度说，数据转换和处理软件的难度集中在 STL 自动纠错、支撑的自动添加、快速模 具制造时的实体空腔化或网格（lattice）化处理、扫描矢量的生成等环节。目前国外软件 综合起来在这些方面都处理的比较好。国外现在软件有人工智能化的趋势。 TU返回UT TRP技术存在的主要问题 T 根据“Rapid Prototyping Report”对其读者调查，目前 RP 领域中存在的主要问题如图所 示。从图可知，材料问题和 RP 设备的价格仍然是 RP 技术发展的主要问题。 具体地说，目前 RP 技术中主要存在以下问题： T材料问题 T 目前 RP 成形材料的成形性能大多不太理想，成形件的物理性能不能满足功能性、半功能性 零件的要求，必须借助于后处理或二次开发才能生产出令人满意的产品。而由于材料技术开 发的专门性，一般 RP 成形材料的价格都比较贵，造成生产成本提高。 T高昂的设备价格 T RP 技术是综合计算机、激光、新材料、CAD/CAM 集成等技术而形成的一种全新的制造技术， 是高科技的产物，技术含量较高，所以，目前 RP 设备价格较贵，一般在 10～45 万美元之间， 限制了 RP 技术的推广应用。 T功能单一 T 现有的 RP 成形系统都只能进行一种工艺成形，而且大多数只能用一种或少数几种材料成形。 这主要是因为 RP 技术的专利保护问题，各厂家只能生产自己开发的 RP 工艺成形设备；随着 技术的进步，这种保护体制已成为 RP 技术集成的障碍。 T成形精度和质量问题 T 由于 RP 成形工艺发展还不完善，特别是对 RP 软件技术的研究还不成熟，目前 RP 成形件的 精度及表面质量大多不能满足工程需要，不能作为功能性零件，只能作原型使用。为提高成 形件的精度和表面质量，必须改进成形工艺和 RP 软件。 T应用问题 T 虽然 RP 技术在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、玩具、建筑、艺术品等许多领 域都已获得了广泛应用，但大多是作为原型件进行新产品开发及功能测试等，如何生产出能 直接使用的零件是 RP 技术面临的一个重要问题。随着 RP 技术的进一步推广应用，直接零件 制造是 RP 技术发展的必然趋势。 T软件问题 T 随着 RP 技术的不断发展，RP 技术的软件问题越来越突出，RP 软件系统不但是实现离散/堆 积成形的重要环节，对成形速度，成形精度，零件表面质量等方面都有很大影响，软件问题 已成为 RP 技术发展的关键问题。目前 RP 技术中软件系统主要存在以下问题： RP 软件大多是随机安装，无法进行二次开发； 各公司的软件都是自行开发，没有统一的数据接口； 随机携带的 RP 软件都只能完成一种工艺的数据处理和控制成形； 已商品化的通用性软件价格较贵，功能单一，只能进行模型显示、加支撑、错误检验与修正 等中的一种或几种功能，而且也存在数据接口问题，不易集成； 商品化的软件还不完善，不能满足当前 RP 技术对成形速度、成形精度和质量的要求； 当前的数据转换模型缺陷较多，对 CAD 模型的描述不够精确，从而影响了 RP 成形的精度和 质量。 TRPT技术的发展趋势 TU喷射成型技术的广泛应用UT TU分层方式的演变UT TURP大型化UT TU梯度功能材料上的应用UT TU组织工程材料快速成形UT RPM 这一制造业上具有重要意义的制造模式从产生到现在，发展十分迅速。与过去相比，RPM 在成型工艺、RP 软件、设备尺寸、成型材料、工程应用等方面都有了很大的变化和提高。 这些发展和变化对 RPM 的未来具有重要影响。 T喷射成型技术的广泛应用 T 喷射成型技术在所有的 RP 成形技术中更加受到重视。由于材料应用广泛，运行成本降低， 容易将材料形成与原型成形结合起来，因此喷射成型技术的广泛应用已成为快速成形技术发 展的重要趋势。无论从市场销售情况统计，还是从成形设备和工艺的研究开发来看，喷射成 型技术表现出十分强劲的发展势头。 喷射成型技术可采用的实现方法有挤压喷射成形和压电喷射成形，挤压喷射成形又包括挤压 筒挤压及螺杆挤压方式等。现有具体产品有，美国 STRATASYS 公司的 FDM 和中国清华大学企 业集团的殷华公司的 SSM 挤压喷射成形，美国 SANDERS 公司的压电喷射成形等。 目前，喷射成型技术面临的主要难题是喷射速度较低，从而降低了成型效率和成型速度，这 也是 RP 研究人员正致力解决的问题。 TU返回UT T分层方式的演变 T RP 数据处理过程需要将 CAD 模型数据（STL 文件)按一定方向分层为层片模型数据（CLI 文 件)，以便于加工层片从而堆积成实体。目前，分层方式已经由传统的二维的平面分层发展 为空间的曲面分层，具体而言，分层方式的演变有以下两种： 平面演变为曲面；（美国 DAYTON 大学对此进行了研究） 二维分层发展为三维分层；（美国 STANFORD 大学对此进行了研究） TU返回UT TRP大型化T 分析各大公司的产品系列，可以发现，原型的制造尺寸呈增大的趋势。由于大型模具的制造 方面的优势，可以预测，将来的 RPM 市场将有一定比例为大型原型制造所占据。 在大型化方面，日本东京大学作了较多的工作，中国清华大学也自主开发了大型RP设备，其 SSM—1600 成形尺寸已达 1600×800×750mmP3P，为世界之最。 TU返回UT T梯度功能材料上的应用 T 特殊功能材料成形在生产生活中发挥着越来越重要的作用，而且快速成形技术几乎是制造它 的唯一途径。如，快速成形用于梯度功能材料，可以制造出具有特定电、磁学性能（如超导 体、磁存储介质），满足实际需要的产品。 TU返回UT T组织工程材料快速成形 T 生物医学工程在 21 世纪将成为继信息产业后最重要的科学研究和经济增长热点，其中生命 体的人工合成和人体器官的人工替代成为了目前全球瞩目的科学前沿。而生命体中的细胞载 体框架结构是一种特殊的结构，从制造科学的角度来讲，它是由纳米级材料构成的极其精细 的复杂非均质多孔结构，是传统制造技术无法完成的结构，但快速成形制造（RPM）是能很 好完成此种特殊制造的技术，这是由于 RPM 是根据离散/堆积成形原理的制造技术，在计算 机的管理与控制下，精确地堆积材料以保证成形件（细胞载体框架结构）的正确拓朴关系， 强度，表面质量等等。 用于治疗学和康复工程的生物实体模型（bimodal）的快速制造是快速成形领域正被研究的 热点问题之一。组织工程材料快速成形由初级到高级分为如下三个研究阶段： 初级体外模型 中级植入体 高级人体器官 TU返回UT T研究开发 T TURP相关技术UT ------|TU计算机辅助设计(CAD)UT|TU反求工程UT|TU数控技术(NC)UT|TU材料技术UT| TU国外研究状况UT 地区分布： |TU美国公司UT| TU美国大学UT|TU日本UT| TU西欧UT| 研究重点： |TU金属直接成形UT|TU桌面制造系统UT|新工艺、新方法的研究| 有利条件： TU政府大力支持UT TU国内研究状况UT 单位研究情况：|TU清华大学UT|TU其它院校和研究单位UT| 其它研究内容：|TU材料研究UT|TURP前端数据转换和处理 UT|TURP后端应用技术 UT TU国内外专利申请和授权情况UT TURP技术产业化 UT ------|TU产业化原则UT|TU产业化技术路线和方法UT| TRP相关技术 T RP 技术是多种技术的交叉结合，主要的相关技术有： |TU计算机辅助设计(CAD)UT| TU反求工程UT|TU数控技术(NC)UT|TU材料技术UT T计算机辅助设计(CAD) T CAD 技术的发展是以它的硬件和软件技术的发展为标志的。从某种意义上讲 RP 技术是 CAD 硬件设备中，输出外设的最新成员，而与之相关的是 CAD 中以产品模型(几何模型)发展为主 线的软件技术的发展。 CAD 技术中产品模型的发展过程经过二维模型、三维线框模型、曲线模型、实体模型、产品 模型、特征模型直至最新的生物模型。从二维向三维，从简单的几何元素(直线、圆弧)向复 杂的几何元素(体、曲线、曲面)，从单一的几何信息向反映工艺信息在内的产品全信息，从 静态设计向以参数化特征造型为基础的动态设计发展。 最早的 CAD 技术以二维绘图软件为主。它是传统设计手段─工程图纸设计的延续，具有简单、 实用，对传统的生产管理体制冲击较小的特点。直至今日，二维绘图系统仍是 CAD 领域中的 重要部分，并且自身亦在不断发展。它对于普及和推广 CAD 技术，提高绘图质量和设计效率 起着积极的促进作用。但是，二维产品模型有着根本的局限性，用二维的直线、圆弧来表示 三维的物体，只能是视图、投影图的表示，不能建立物体真实模型。 随着六十年代“计算机图形学”的出现，实体造型中诸如边界计算、曲面表示、布尔运算等 关键技术的相继解决，能够较真实地表示三维物体的三维实体模型开始应用。许多具有三维 实体造型功能的 CAD 系统陆续问世。给传统的生产方式，从设计到制造，乃至经营管理都带 来了巨大的冲击。 利用三维实体产品模型，设计者在设计产品时，不需要将三维物体进行投影，想象各种角度 的视图，用多个剖面表示内容结构，用多个视图解释投影的二义性。而可以直接在计算机上 构造三维物体，并赋以质量、颜色等特性，并从任意角度观察物体。随着参数化特征造型技 术的发展，设计人员还可以在零件上构造具有加工工艺特性的特征结构，修改原先设计的尺 寸，使零件的形态按要求进行变化。新的设计手段大大方便了设计人员。一方面他们可以构 造任意复杂的零件表面形状和内部结构，而无需考虑如何表达它们的二维投影；另一方面他 们可以把头脑中的设计灵感直接映射到计算机构成的三维空间中，而无需经过二维平面手段 作为媒介。 产品模型发展到实体模型，能较完整的表示一个三维物体。这为 RP 技术的产生准备了条件， 同时也提出了需求。因为如果没有能表示三维物体的数据模型，而只是一些图纸，想要用 RP 的原理制造出实体模型就需要手工计算出各个截面，编制每个截面的加工代码。计算劳 动量太大，以致无法实现。假设一个零件的高度有 50mm，每层厚度为 0.1mm，共 500 层的加 工量，而一个人每天计算 10 层，就需 50 天的编程时间。这根本谈不上是快速。因此三维物 体的实体模型表示，是 RP 技术的一项重要的支撑技术，它的发展和成熟是 RP 技术出现并实 用的必要条件。 TU返回UT T反求工程 T 反求技术在根据测量数据、CT 扫描数据、照片，在缺少零件工程图或其 CAD 模型的情况下 或直接测量实体来直接建立其 CAD 模型方面有着举足轻重的地位。如果这一技术有了大的发 展，则可以很容易地利用 RPM 技术来生产出汽车的壳体、珍贵的艺术品、庞大的物体、医学 上内脏器官精确模型、实现对不完整的物体的修复等。 反求作为 RPM 技术的前端数据处理技术，在国内只有清华大学进行的根据照片的反求，上海 交大的利用 BP 神经网络重构反求技术中基于数字化点的曲面等为数不多的几种，但这些技 术也都只是处于发展阶段。 反求技术在 RP 中的应用主要涉及三个方面： 利用反求技术生成 STL 文件，供 RP 系统的数据处理软件直接使用，产生 NC 代码； 利用反求技术生成层片文件—CLI 文件，这种输出比较适用于对各种 CT 图象的反求，并且 由于 RP 本身就是分层制造法，用断层图象或矢量化的层片轮廓信息直接驱动 RP 设备逐层叠 加而成三维实体这种方法也是目前学术界研究最活跃的领域之一； 利用反求技术来重构出实体模型，借助于 CAD 系统来转化成 STL 文件。 TU返回UT T数控技术(NC) T RP 技术的另一个重要支撑技术是 NC 技术。 数控技术几乎与电子计算机同时产生。第二次世界大战后，美国为了加速飞机工业的发展， 要革新样板加工的设备，由空军部门委托帕森斯公司(Parsons Co.)和麻省理工学院伺服机 构研究所(Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology) 进行数控机床的研制工作。于 1952 年试制成功世界上第一台数控机床。它是一台立式三座 标铣床，采用电子管元件，具有直线插补，连续控制功能。后又经过 3 年的改进和自动编制 程序的研究，于 1955 年开始进入实用阶段，用于加工复杂的零件曲面。 电子技术迅猛发展，1959 年晶体管发明并成功应用于计算机中。1956 年出现了小规模集成 电路和专用功能器件。70 年代中大规模集成电路以及后来的超大规模集成电路的出现，使 数控系统的可靠性提高，价格下降，从原来军用部门进入民用工业部门，在制造业中得到普 及。 早期的数控系统采用穿孔纸带传送加工程序，专用数控装置读入加工代码，进行识别、储存 和计算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统。70 年代中期小型计算机出现。由于其较低 的价格，高超的数据处理和输入输出功能，使它迅速应用到数控机床的控制系统中，出现所 谓计算机数控(CNC)和直接数控(DNC)系统。此后微型处理器出现，以其低廉的价格和高集成 性，成为数控系统的核心，使数控技术得到迅猛发展和普及，成为当前的主流产品。这种以 超大规模集成电路为基础，以微处理器为核心的数控系统称为微机数控(MNC)系统。如日本 的 FANUC 系列，美国的 CINCINNATI，德国的 SIEMENS 等。近年来微处理器发展极快，几乎 每 6～9 个月就更新一代，个人计算机系统(PC)异军突起，成为计算机领域中最活跃的部分， 其性能已从早期的 8 位，16 位，发展到 32 位，64 位；内存也从 256K 发展到 16M，乃至 128M； 用于储存软件和代码的介质从原先的 720K 软盘发展到 1～10G 的硬盘。其性能已相当于一台 中型计算机的能力，而价格却只有 10,000 元左右。PC 机上的丰富软件资源，是其它计算机 系统所无法比拟的。其十分友好的人机界面，连家庭主妇也能使用。因此，在 PC 机上开发 CNC，以 PC 机为平台发展 CNC 已经成为较普遍的共识。PC 机进入数控领域后，它的总线式、 模块化、开放型的系统结构使得系统的开发变得比较容易，数控技术的应用范围迅速扩大。 RP 技术就是数控技术最新应用的领域之一。 RP 技术要求将材料精确地堆积，并长时间保持较高的定位精度，防止错层。如果没有高可 靠性、高精度的数控系统是无法实现的。数控技术的应用，是 RP 技术能够产生并发展成熟 必不可少的条件。 TU返回UT T材料技术 T RP 技术的特点要求有各种符合不同工艺条件的专用材料，不同材料的成形性能相差很大， 因此，需要对相关材料进行较深入的研究，目前，广泛采用的 RP 材料有以下几种： T涂覆纸： T 采用国产热熔胶和高强度牛皮纸，其SSM原型呈榆木质感，分低温和高温两种型号、不同幅 宽的多种纸材，已批量生产，适用于我国清华大学SSM-800、SSM-1600、M-RPMS-II、M-RPMS-III 等机型，以及美国LOM系列机型，售价远低于美国同类产品。 TABS丝： T 具有最佳粘度、分解点、熔点、抗氧化能力、柔韧性和收缩率等性能之丝材，呈盘状销售， 适用于我国清华大学MEM-800、MEM-250-II、M-RPMS-II、M-RPMS-III等机型，以及美国FDM 系列机型，售价仅为美国同类产品的 1/3～1/4。 T尼龙丝： T 具有透明和不透明两种，后者特别适合于人体解剖学数据的原型制造，适用于我国清华大学 MEM和美国FDM的各类机型。 T蜡丝： T 具有合适的粘度、柔韧性、熔点、分解点等性能的丝材，适用于MEM和FDM的各类机型。 TU返回UT T国外研究状况T 地区分布： |TU美国公司UT| TU美国大学UT|TU日本UT| TU西欧UT| 研究重点： |TU金属直接成形UT|TU桌面制造系统UT|新工艺、新方法的研究| 有利条件： TU政府大力支持UT T美国公司 T 美国主要 RP 技术公司的研究开发情况： 3D System Inc. 研究以 SLA 工艺及其应用为主，并开发成功分辩率为 300dpi 的多喷头 3D-MJM 系统； DTM Corp. at Austin 以 SLS 为主； Helices Inc. 以 LOM 为主； Strategy’s Inc.开发了 FDM 和桌面制造系统 Genesis； BPM 公司开发弹道粒子制造(Ballistic Particle Manufacturing)技术。 TU返回UT T美国大学 T 美国开展 RP 技术研究的大学主要有： MIT 以 Emanuel Such 为首，开发 3DP 为主； The University of Dayton 以 Allan J.Lightman 为首从事多种 RP 工艺的研究，每年在这 所大学召开国际 RPM 学术会议； The University of Texas at Austin 以 Joseph J. Beam an 为首，主要以 SLS 工艺研究为 主，国际 SFF 学术会议在此召开； Carnegie Mellon University 以 Lee E. Weiss 为首，主要研究 RPM 在微机械中的应用。 另外，美国还有多所大学和研究机构从事 RP 新工艺、RP 技术的应用以及直接制造陶瓷或金 属原型等多方面的研究。 TU返回UT T日本 T 日本仅次于美国，大力发展 RP，主要的研究单位有： 东京大学以中山威雄为首，从事 SLA 和 LOM 技术的研究； SONY 公司属下的 D-MEC，从事 SLA，推出 SCS 型设备； Mitsubishi 公司属下的 CMET INC.从事 SLA，推出 SOUP 设备，在日本已占据相当市场； Mitosis 公司属下的 MES 从事 SLA，推出 COLAMM 成形机； Due Pont/Teijin-Seiki 公司从事 SLA，推出 SOMOS。 TU返回UT T西欧 T 西欧许多研究机构和厂商也将目光瞄准这一领域，如： 德国 Electro-Optical System Gumbo 即 EOS，主要从事 SLA 和 SLS； 瑞典 Spar AB (Larson Brothers CO. AB) 推出“Hot Plot Rapid Prototyping” 系统， 类似于 Helices 的 LOM； 法国 Laser 3D 推出 RP System。 TU返回UT T金属直接成形 T 在金属直接成形方面，目前主要有三种方法： 金属合金粉末的直接烧结。该方法基于 SLS (激光选择性烧结) 工艺。美国 Austin 大学在 这方面进行了大量的研究，并研制了成形高温材料的烧结设备。 用金属丝线，利用堆焊的方法成形金属零件。英国的 Nottingham 大学正在进行这方面的研 究。 用激光切割金属板材，并用激光焊接的方法将各层截面连接起来。 上述这些方法目前都处在研究过程中，还没有真正实用。但直接成形金属零件是一个十分诱 人的发展目标，它可以大大地扩大 RP 技术的应用领域，使设计和制造更紧密地联接在一起。 TU返回UT T桌面制造系统 T 桌面制造系统是 RP 领域产品开发的一个热点。RP 设备系统作为 CAD 系统三维图形输出的外 设而被人们接受。这就要求 RP 系统能在办公室环境中运行，减少对现有 CAD 机房的影响。 当前商品化的 RP 系统一般体积较大，对环境要求较高，而且需专门人员操作和日常维护。 而桌面系统要求体积小，操作、维护简单，噪音、污染少，对环境无特别要求，且成形速度 快，但精度要求适当降低。美国 Strategy’s 公司和 Sanders Prototype 公司推出了各自 廉价的桌面系统 Genesis 3D Printer 和 Model Maker。据报导它进入市场仅几个月销量就 急剧上升，已显示出桌面制造系统巨大的市场潜力。 TU返回UT T政府大力支持 T RP技术的巨大优点及其发展速度已引起各国政府的高度重视, 他们纷纷确立了一些RP重点 研究项目进行资助。美国国家自然科学基金委员会, ARPA(Advanced Research Projects Agency)和其它联邦委员会都投入较大资金向一些大学、公司提供资助和贷款等以推动 RP 学术研究与应用开发研究。例如，许多大学 RP 研究课题均得到 NSF 的资助；ARPA 资助一些 公司和研究机构深入研究如何应用 RP 方法较经济地制造无污染的陶瓷近成形零件技术；MIT 研究 3D-P 技术的课题组也得到了 ARPA 和 MIRP 的资助。欧共体也设立过多个针对 RP 的项目 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 以扩大和深化 RP 技术在欧洲的研究、开发和应用。如，受欧共体支持的 EARP（European Action on Rapid Prototyping）的宗旨就是鼓励和促进其成员间技术信息共享和在 RPT （Rapid Prototyping Technology）领域 R&D 合作，其中的“Work Area,Med-Earp”就是专 门支持 RP 在医学上应用的项目。 TU返回UT T国内研究状况 T 单位研究情况：|TU清华大学UT|TU其它院校和研究单位UT| 其它研究内容：|TU材料研究UT|TURP前端数据转换和处理 UT|TURP后端应用技术 UT| T清华大学 T 在我国，清华大学机械工程系是最早进行 RP 技术研究的单位，于 92 年成立了“激光快速成 形中心”。1994 年 6 月，该中心在自行设计开发的 M-220 多功能试验机上，在国内首次实现 了“分层实体制造”SSM (Slicing Solid Manufacturing) 工艺，相当于美国的 LOM；并于 同年 7 月通过国家教委的技术鉴定。1997 年研制成功类似于 FDM 的 MEM 工艺。目前，中心 主要的研究方向在： SLA 工艺应用； FDM 工艺研究与设备开发； SSM 工艺研究与设备开发； MRPMS 多功能快速成形机的开发； 无木模制造技术； 低温冰成形; 基于 RP 的陶瓷型精密铸造技术等； 清华大学在SSM和MEM工艺研究基础上研制生产出多种型号的单功能成形机及将其集成在一 起的多功能快速成形设备 MRPMS，并远销至泰国、香港以及国内多家研究机构。 TU返回UT T其它院校和研究单位 T 华中理工大学于 1994 年开始研制 LOM 工艺，开发出了类似于 LOM 的“快速成形系统”─RPS (Rapid Prototyping System)。该系统已实现商品化。目前，他们正立足国内，开发国产的 RPS。另外，该校的光电子系在进行 SLA 光敏树脂的研制。 浙江大学在国家自然科学基金的支持下，开展光敏树脂的固化精度研究。 南京航空航天大学正进行 SLS 工艺的研究。 西安交通大学在国家科委、教委的支持下，开发 SLA 工艺及设备的研究。 北京隆源公司积极投入力量开发 SLS 工艺，95 年 3 月其 SLS 设备通过鉴定。 华北大学正开发线扫描 SLS 工艺及设备。 经过多年的宣传和推广，RP 技术在国内逐渐被认识和接受。越来越多的工厂、公司和科研 机构对它表示了兴趣。如：广东华宝空调器厂、广东科技实业开发公司、上海上菱公司都引 进了美国 3D System 公司的 SLA-500，进行产品开发与对外服务；青岛利勃海尔电冰箱厂引 进日本 CMET 公司的 SOUP-600。深圳生产力促进局、广州华泰公司购买了 FDM 设备开展技术 服务。清华大学激光快速成形中心利用其引进的 SLA-250 以及自主开发的 MRPMS 设备（含 SSM 和 MEM 两种工艺）为社会服务，为用户制造了包括电话机、玩具汽车、卫生洁具、汽车 零件铸件毛坯等多种原形，受到用户的广泛好评。 香港科技大学、国立华侨大学、大连理工大学、航空工艺研究所、哈尔滨工业大学、河北工 业大学等单位均购买了具有较好开放性的 M-RPMS-Ⅰ、M-RPMS-Ⅱ、M-RPMS-Ⅲ设备，上海交 通大学、天津大学均购买了 LOM 设备进行 RP 工艺的深入研究。此外，香港大学、香港理工 学院、香港城市理工学院也购买了 RP 设备进行研究。 目前国内的快速原型技术研究主要是模仿国外现有的成形工艺，实现国产化，产品化。同时， 有实力的研究机构也在积极进行创新工艺研究。 TU返回UT T材料研究 T 国内在材料方面进行的研究较少。现在研究的材料主要是 SL 用料─光固化树脂、FDM 用料 ─蜡及 ABS、LOM 用料─涂敷纸、SLS 用料─树脂蜡、工程塑料、铸造覆膜砂等。 浙江大学接受国家自然科学基金会的资助进行了光固化树脂的固化和精度研究。清华大学激 光快速成型中心与化学系台作，进行了光固化树脂的配方和物理化学性能测定工作。 西安交通大学配制了 LPS 系列用光固化树脂。 清华大学通过自己的努力，已成功地解决了用于 FDM 工艺的蜡和 ABS 丝材的制备，并正在 进行尼龙的研制。 华中理工大学可自行制备 LOM 工艺用纸。 北京隆源公司通过研究，开发了可用于 SLS 工艺的工程塑料、精铸蜡等，用这些材料共制作 了 1500 余个原型、20Q 余件铸件。 TU返回UT TRP前端数据转换和处理 T 国内这方面的工作较薄弱。各个研究单位基本自行开发了从 CAD 数据文件到 RP 的转换和处 理程序，但质量都有待提高。目前国内通用的数据处理软件还不多见。清华大学采用 Visua1 C++ 4.2 开发了一套可运行于 Win95 和 WinNT 操作系统上的通用 RP 数据处理软件 Lark97， 可实现 STL 文件显示，交换，拓扑信息提取，错误检验和修复。 反求工程也是 RP 前端数据转换和处理的重要内容。当前国内从事反求工作研究的有： 浙江大学 CAD 实验室在 CT 复原三维模型方面开展了大量的研究并取得较好成绩。 华中理工大学开发了三维激光彩色扫描系统 3DLCS95，1995 获得国家专利。 北京隆源公司实现了将片层反求数据（CT、CGI）和激光扫描数据直接转换成 RP 加工的数据。 清华大学激光快速成型中心进行的照片反求、CT 反求研究。用片反求是通过提取实物照片 的几何信息，重构实际物体的 STL 模型。有了 STL 模型，就可以用 RPM 系统制造出该物体的 原型。该中心利用照片反求 TDS 系统，用汽车照片制造出了纸质的汽车原型。CT 反求是指 利用人体器官或工业零件的 CT 切片扫描文件，通过图象处理，提取物体的平面轮廓线，并 通过层片间的插值，得到可以被 RPM 系统接受的层片文件格式。该中心正在进行人体器官（心 脏）的 CT 反求研究。 西安交通大学完成了激光扫描法、层除法实验室系统的研制，并开发了反求工程的核心软件 ─CAD 重构软件。 TU返回UT TRP后端应用技术 T RP 后端应用技术主要是指从原型到快速模具的转换工艺和设备研究。 殷华激光快速成形及模具技术有限公司引进了金属冷喷制模机和快速石墨电极研磨机，开展 了以原型为母模采用上述设备制作金属模具的研究，并已向用户提供了数套模具。 上海交通大学结合原型开展了涂料转移法精密铸造的研究、并成功地用于桑塔纳轿车轮胎模 具的制造。 清华大学现正在开展大型陶瓷型技术、尺寸凝固模拟等技术研究。 西安交通大学研究了从原型到石墨电极的制备方法并开发了相应设备（GET─500A），已实现 了由 CAD→原型→整体石墨电极→钢制模具的工程服务，还开展了陶瓷型精铸，硅橡胶复型、 简易树脂型腔模具制造技术研究，可承接模具的快速制造服务。 北京隆源公司开展了快速铸造技术的应用研究，并取得可喜成绩。 TU返回UT T国内外专利申请和授权情况T 美国的 3D Systems 公司、Strategy’s 公司、Helices 公司等均在各自的 RPM 产品上申请了 专利。如美国的3D Systems 公司采用的专利号为4575330（1986年 3月 11日）、 Strategy’s 公司采用的专利号为 5121329（1992 年 6 月 9 日）。欧洲、日本等国也有一些公司拥有 RPM 产品方面的专利。 为了保护知识产权，上述许多公司还申请了多项专利，有的内容只涉及 点滴的技术诀窍。这些专利并不是在中国申请的。 我国的清华大学、华中理工大学、西安交通大学、北京隆源公司等也都申请了有关 RPM 产品 方面的专利。除了清华大学的关于多功能快速成型制造系统的专利（专利号：96104747.X） 等少数专利以外，绝大多数尚处于申报阶段。 TU返回UT TRP技术产业化 T TU产业化原则UT TU产业化技术路线和方法UT T产业化原则 T RP 技术产业化应当遵循以下两个原则： T产品产业化过程与其工程应用、市场开发相结合： T 显然，高质量、高可靠度产品的研制成功是产业化的前提，但更为重要的是在产品研制的同 时就应抓住需求最强劲的领域建立应用实体，并通过这个实体将产品推向更为宽阔的市场。 本着这种原则，清华大学企业集团殷华公司在产品从单件生产达到小批量的时候，不失时机 地与一汽集团组建一汽实业清华模具技术有限公司，这是我国 RPM 拔术最大的应用实体。该 实体的目标是建立基于 RPM 的大型覆盖模具制造系统，大量生产汽车车身覆盖件模具。 此 生产系统不但需要大量的 RPM 设备，同时其产品－大型模具又是一汽所急需的，一汽本身就 是一个巨大的 RPM 设备和模具市场。 并且还可以通过一汽再扩散到其他汽车集团及制造业。 另外，这个新组建的公司，还准备生产超大型 SSM 设备。 T跟踪与创新相结合： T RPM 技术发展时间较短，其平均每年增长率超过 45％，过高的速度增长隐含着设备的不完善 性。 因而国外名牌产品不可能是十全十美的，必然会存在许多问题，不应采用纯拷贝式地 仿制。当然，在研究开发初期，采取跟踪国外产品的技术路线是必须的，在跟踪的基础上， 改进和创新是十分重要的。本项目申请单位有关 RP 技术的研究与开发体制充分说明了这一 点。 TU返回UT T产业化技术路线和方法 T 与 CIMS 主题已有目标产品进一步相结合。如与三维 CAD 造型软件相结合的无需中间数据转 换的 RP 数据处理软件系统的开发。 产品多样化。在产品系列的框架下，针对用户的不同需要，进行单件生产。建立产品图库及 数据库。 单功能 RP 设备与多功能设备协调发展。前者主要服务于大型企业（有能力购买多台设备）； 后者主要服务于 RP 服务中心和科研教学单位。 通过网络发展 RP 异地设计与制造，是促进 RP 技术发展及产品产业化的主要措施。产品开发 单位强大的三维设计能力通过网络与 RP 服务中心的原型能力相结合，从而形成完整的设计/ 体系，并且应当建立用户数据库。 加强 RP 设备大型化和在微型机械制造中的应用。 加强基于数字成像技术的 RP 原型制造，开拓在医学康复工程和卫星遥感行业的应用。 加强特种材料如：生物活性材料，生物兼容性材料的快速成形。 TU返回UT T全球市场T |TU世界RP设备历年销售量曲线 UT|TU世界上不同地区RP设备装机量