第二章《快速制造技术及应用》课件

1PPT模板下载： 快速制造技术入门第8章 快速制造技术的发展第2章 快速成形技术的应用第9章 企业典型案例第3章 基于固化快速成形技术的产品制作第4章 基于分层实体制造快速成形技术的产品制作第5章 基于选择性激光烧结快速成形技术的产品制作第6章 基于熔融沉积快速成形技术的产品制作第7章 基于三维打印快速成形技术的产品制作第1章快速制造技术入门第8章快速制造技术的发展第2章23第第2 2章章 快速快速成形技术的应用成形技术的应用2.1常用快速成形系统的比较与选用2.2快速成形技术的应用范围第2章快速成形技术的应用2.1常用快速成形系统的比较32.1常用快速成形系统的比较与选用过渡页TRANSITIONPAGE2.1常用快速成形系统的比较与选用过渡页52.1 常用快速成形系统的比较与选用常用快速成形系统的比较2.1.12.1.2常用快速成形系统的选用原则2.1常用快速成形系统的比较与选用常用快速成形系统的比较2562.1.12.1.1 常用常用快速成形系统的比较快速成形系统的比较常用的快速成形系统的比较有：工艺性能比较工艺性能比较，如表2-1所示；优点优点与缺点的比较与缺点的比较，如表2-2所示；各个各个主要生产厂家生产的快速成形主要生产厂家生产的快速成形机的性能机的性能参数参数，如表2-3所示。2.1.1常用快速成形系统的比较常用的快速成形系统的比67工艺性能比较工艺性能比较指标工艺精度表面质量材料价格材料利用率运行成本生产效率设备费用占有率（%）SLA优优较贵约100%较高高较贵78LOM一般较差较便宜较差较低高较便宜7.3SLS一般一般较贵约100%较高一般较贵6.0FDM较差较差较贵约100%一般较低较便宜6.1表2-1典型快速成形工艺的比较工艺性能比较指标精度表面质量材料价格材料利用率运行成本生产效78快速成形工艺优点缺点SLA技术成熟、应用广泛、成形速度快、精度高、能耗低工艺复杂、需要支撑结构、材料种类有限、激光器寿命低、原材料价格贵LOM对实心部分大的物体成形速度快、支撑结构包含在层面制造中、内应力和扭曲小、同一工件中可包含多种材料和颜色能耗高、对内部孔腔中的支撑物需要清理、材料利用率低、废料剥离困难、易发生翘曲SLS不需要支撑结构、材料利用率高、材料的机械性能比较好、价格便宜、无气味能耗高、表面粗糙、成形原形疏松多孔、对某些材料需要单独处理FDM成形速度快，材料利用率高、能耗低、工件可包含多种材料和颜色表面粗糙、选用材料仅限于低熔点材料TDP材料选用广泛、可以制造陶瓷模具用于金属铸造、支撑结构包含在层面制造中，能耗低表面粗糙、精度低、需处理（去湿或预加热到一定温度）优点与缺点的比较优点与缺点的比较表2-2快速成形工艺的优点和缺点快速成形工艺优点缺点SLA技术成熟、应用广泛、成形速度快、精89制造公司型号成形方法采用原材料最大制件尺寸/mm3DSystems（美国）SLA-190液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物190190250SLA-250250250250SLA-250HR250250250SLA-350350350400SLA-350Millennium350350400SLA-500508508584SLA-5000Millennium508508584SLA-7000508508584Actua2100ThermojetSolidObjectprinter热塑性材料选择性喷洒热塑性材料250190200250190200SONY/D-MEC（日本）SCS-300液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物300300270SCS1000HD液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物300300270JSC-2000500500500JSC-30001000800500TejinSeiki（日本）Soliform-250A250250250Soliform-250B250250250Soliform-300A300300300Soliform-500B300300300DenkenEngineering（日本）SLP-400R液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物200150150SLP-5000220200225Meiko（日本）LC-5100液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物100100100LC-315160120100Unirapid（日本）UR-HP1501液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合150150150Kira（日本）PLT-A4纸基片材选择性（热割炬）切割复印纸280190200PLT-A3400280300各个主要生产厂家生产的快速成形机的性能参数各个主要生产厂家生产的快速成形机的性能参数表2-3主要快速成形机的特性参数制造公司型号成形方法采用原材料最大制件尺寸/mm3DSys910制造公司型号成形方法采用原材料最大制件尺寸/mmSparxAb（瑞典）Hotplot纸基片材选择性（热割炬）切割纸基片材西安交通大学（中国）LPS-600液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物600600500LPS-350350350350LPS-250250250300CPS-250CPS-350CPS-500250250300350350350500500600华中理工大学（中国）HPP-HHP-AHHP-薄形材料选择性切割纸基片材6004005004503503501000600500Stratasys（美国）FDM-1650丝状材料选择性熔覆塑料丝/蜡254254254FDM-2000254254254FDM-8000457457609FDM-Quantum6005006000GenisysXs305203203Helisys（美国）LOM-1015Plus薄形材料选择性切割卷材380250350LOM-2030H815550508DTM（美国）Sinterstation2000粉末材料选择性烧结塑料粉、金属基/陶瓷基粉300380Sinterstation2500380330457SandersPrototype（美国）ModelMaker热塑性材料选择性喷洒热塑性材料300150230Aaroflex（美国）SolidImagerTabletopSllidImeger1SllidImeger2SllidImeger3液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物152127300300300550550550890550ZCorporation（美国）Z-402粉末材料选择性黏结塑料粉、金属基/陶瓷基粉203250203BPMTehnology（美国）LENS-750LENS-1500粉末材料选择性黏结金属粉300300300457457610ProMetal（ExtrudeHone）（美国）RTS-300粉末材料选择性黏结金属粉300300250MedModelerLLC（美国）MedModeler粉末材料选择性黏结塑料丝250250250Cubital（以色列）Solider4600液态光敏聚合物基填蜡选择性固化（SGC）液态光敏聚合物350350350Solider5600500350350续表2-3主要快速成形机的特性参数制造公司型号成形方法采用原材料最大制件尺寸/mmSparx1011制造公司型号成形方法采用原材料最大制件尺寸/mmEOS（德国）STEREOSDESKTOP液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物250250250STEREOSMAX-400400400400STEREOSMAX-600600600600EOSINTM-250粉末材料选择性烧结金属基/陶瓷基粉、塑料粉、金属粉等250250150EOSINTP-350340345590EOSINTS-700720380400F&S（德国）LMS液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物450450350KINERGY（新加坡）ZIPPY薄形材料选择性切割卷材380280340ZIPPY1180730550ZIPPY750500450清华大学（中国）SSM-500薄形材料选择性切割卷材500400400MEM-250丝状材料选择性熔覆塑料/蜡丝250250250M-RPMS250薄形材料选择切割和丝状材料选择性熔覆卷材、塑料/蜡丝250250250北京隆源自动成形系统有限公司（中国）AFS-300AFS-320AFS-320MZAFS-320YS粉末材料选择性烧结塑料粉、金属基/陶瓷基粉300400350400NTTDATACMET（日本）SOUP-250GH液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物250250250SOUP-400400400400SOUP-600GS600600500SOUP-850PS600850500SOUP-1000GS/GA1000800500续表2-3主要快速成形机的特性参数制造公司型号成形方法采用原材料最大制件尺寸/mmEOSSTE11122.1.22.1.2常用常用快速成形系统的选用原则快速成形系统的选用原则 综合各方面的因素，RP系统的选用原则可归纳如图2-1所示。成形效率扫描速度辅助时间材料材料范围材料性能制件质量制件精度表面粗糙度用途要求制作原形制作功能体激光器激光类型激光功率成本1系统购置费材料成本成本2后处理成本运行成本用户的外部环境了解典型RP系统的种类及特点RP系统选用原则图2-1RP系统选用2.1.2常用快速成形系统的选用原则综合各方面的1213常用快速成形系统的选用原则常用快速成形系统的选用原则1 1成形件的用成形件的用途途2 2成形件的形成形件的形状状3 3成形件的尺成形件的尺寸大小寸大小4 4成本成本5 5技术服务技术服务6 6用户环境用户环境常用快速成形系统的选用原则1成形件的用途2成形件的形状313141 1成形件的用途成形件的用途（1 1）检查和核实形状、）检查和核实形状、尺寸用的尺寸用的样品样品 此项要求比较简单，绝大多数精度较好的快速成形机均满足要求。（2 2）性能考核用样品）性能考核用样品 必须考虑所选快速成形机能否直接或间接制作出符合材质和机械性能要求的工件。（3 3）模具）模具 快速制模是快速成形技术的主要应用之一，主要有两类方法，直接快速制模法和间接快速制模法。（4 4）小批量和特殊复杂零件）小批量和特殊复杂零件的直接生产的直接生产 对于小批量和复杂的塑料、陶瓷、金属及其复合材料的零部件，可用SLS方法直接快速成形。（5 5）新材料的研究）新材料的研究 这些新材料主要是指复合材料、功能梯度材料、纳米材料、智能材料等新型材料，这些新型材料一般由两种或两种以上的材料组成，其性能优于单一材料的性能。对于对于以上用途（以上用途（1 1）（3 3）中除个别用途外，采用）中除个别用途外，采用LOMLOM、SLASLA、SLSSLS和和FDMFDM法均可，法均可，用途（用途（4 4）（）（5 5）采用）采用SLSSLS方方法最为合适。法最为合适。1成形件的用途（1）检查和核实形状、尺寸用的样品（2）性能14152 2成形件成形件的的形状形状 对于形状复杂、薄壁的小工件，比较适合用SLS、SLA和FDM快速成形机制作；对于厚实的中、大型工件，比较适合用LOM快速成形机制作。2成形件的形状对于形状复杂、薄壁的小工件，比较适15163 3成形件的尺寸大小成形件的尺寸大小 每种型号的快速成形机所能制造的最大制件尺寸有一定的限制。通常，工件的尺寸不能超过上述限制值。然而，对于薄形材料选择性切割快速成形机，由于它制作的纸基工件有较好的黏结性能和机械加工性能，因此，当工件的尺寸超过机器的极限值时，可将工件分割成若干块，使每块的尺寸不超过机器的极限值，分别进行成形，然后再予以黏结，从而拼合成较大的工件。同样，SLS、SLA和FDM制件也可以进行拼接。3成形件的尺寸大小每种型号的快速成形机所能制造的最1617（1 1）设备购置成本）设备购置成本（2 2）设备运行成本）设备运行成本（3 3）人工成本）人工成本 此项成本包括购置快速成形机的费用，以及有关的上、下游设备的费用。对于下游设备除了通用的打磨、抛光、表面喷镀等设备之外，SLA型快速成形机最好配备后固化用紫外箱，SLS型快速成形机往往还需配备烧结炉和渗铜炉。此项成本包括设备运行时所需的原材料、水、电、房屋、备件和维护费用以及设备折旧费等。对于采用激光作成形光源的快速成形机，必须着重考虑激光器的保证使用寿命和维修价格。例如，紫外激光器的保证使用寿命为2 000 h，紫外激光管的价格高达上万美元；而CO2激光器的保证使用寿命为20 000 h，在此期限之后尚可充气，每次充气费用仅为几百美元，原材料是长期、大量的消耗品，对运行成本有很大的影响。一般而言，用聚合物为原料时，由于这些材料不是工业中大批量生产的材料，因此价格比较昂贵而纸基材料比较便宜。然而，用聚合物（液态、粉末状或丝状）成形时，材料利用率高，用纸成形时，材料利用率较低。此项成本包括操作快速成形机的人员费用，以及前、后处理所需人员的费用。4 4成本成本（1）设备购置成本（2）设备运行成本（3）人工成本此1718（1 1）保修期）保修期（2 2）软件的升级换代）软件的升级换代（3 3）技术研发力量）技术研发力量5 5技术服务技术服务 从用户的角度来看，希望保修期越长越好。供应商应能够免费提供软件的更新换代。由于RP技术是一项正在发展的新技术，用户在使用过程中难免会出现一些新的问题，若供应商的技术研发力量强，则会很快解决这些问题，从而把用户的损失降低到最低程度。（1）保修期（2）软件的升级换代（3）技术研发力量5技术服18196 6用户环境用户环境 这是一项非常重要却极容易被忽视的原则，因为对大多数企业来说，想迅速应用RP技术尚存在一定障碍，因RP设备技术含量高，购买、运行、维护费用较高，一些效益较好的大中型企业尽管具有经济技术实力，但对适合于不同产品对象的众多RP成形机和单个企业相对狭窄的应用范围及较小的工作量，许多人往往感到无所适从。社会上众多的中小企业一则受经济条件制约，二则自身RP制件工作量小，三则自身RP技术力量薄弱，想上RP设备时心有余而力不足，在这种情况下，有条件、有能力购买RP设备的企业，既要考虑自身的需要，又要考虑本地区用户的需求，为其服务，使设备满负荷运转，充分发挥设备的潜能。6用户环境这是一项非常重要却极容易被忽视的原则，因1920总结总结 总之，用户在使用或购买快速成形机时，要综合各种因素，初步确定所选择的机型，然后对设备的运行状况和制件质量进行实地考察，综合考虑制造商的技术服务和研发力量等各种因素，最后决定购买那家制造商的快速成形系统。总结总之，用户在使用或购买快速成形机时，要综合各种因202.2快速成形技术的应用范围过渡页TRANSITIONPAGE2.2快速成形技术的应用范围过渡页222.2.12.2.22.2.32.2.42.2.52.2.62.2.7在在产品设计中的应用产品设计中的应用在在快速模具中的应用快速模具中的应用在在精密铸造中的应用精密铸造中的应用在在汽车行业中的应用汽车行业中的应用在在医学领域的应用医学领域的应用在在仿生学中的应用仿生学中的应用在在艺术领域的应用艺术领域的应用2.2.12.2.22.2.32.2.42.2.52.2.622232.2.12.2.1在在产品设计中的应用产品设计中的应用 快速成形制造技术自出现以来，以其显著的时间效益和经济效益得到制造业的广泛关注，并迅速成为高校和研究机构研究的热点，涌现出了多种快速成形制造技术方法和相应的商品化硬件及软件，如三维扫描仪、快速成形机、三维打印机、三坐标测量机、逆向工程软件、点云处理软件、三维检测软件等。近年来以三维打印技术为热点的快速成形制造技术更是成为行业和产业追捧的对象，与此同时也出现了专门从事商品化快速成形设备、快速成形、快速模具制造技术支持与服务的机构，极大地促进了快速成形与快速模具制造技术的推广与应用，为机械行业、汽车行业、电子行业、医疗行业及相关行业带来了显著的经济效益和竞争优势。2.2.1在产品设计中的应用快速成形制造技术自出现以2324 据统计，对RP模型需求的行业如图2-2所示。从图2-2可以看出，日用消费品和汽车两大行业对RP的需求占整体需求50%以上。图2-2对RP模型需求的行业据统计，对RP模型需求的行业如图2-2所示。从图2-2425 据统计，对RP模型需求的目的如图2-3所示。从图2-3可以看出RP模型的主要需求目的和用途。设计可视化、装配检验与功能模型仍然占据着RP模型的主要需求，而另一主要应用领域就是快速模具母模制造的需求。图2-3对RP模型需求的目的据统计，对RP模型需求的目的如图2-3所示。从图2-25262.2.12.2.1在在产品设计中的应用产品设计中的应用 现代产品的设计与制造已经依托于计算机软硬件技术和数控技术与装备进行了CAD/CAM/CAE的高度集成，显著提高了产品开发的效率和质量。然而，从CAD到CAM一直以来都存在着一个缝隙，即产品的CAD总不能在CAM之前尽善尽美。快速成形制造技术的出现，正好填补了产品CAD与CAM之间的这个缝隙，实现了产品设计模型与加工的完美对接，正因为如此，RP模型的早期应用主要集中在产品设计阶段的外观评估、装配与功能检验方面，而且这些方面的应用至今仍然占有较大的比例。2.2.1在产品设计中的应用现代产品的设计与制造已经2627 计算机软硬件技术的发展使传统的图纸式设计走向现代化的三维数字概念设计。尽管目前造型软件的功能十分强大，但设计出来的概念模型仍然停留在计算机屏幕上，处于只能看不能摸的状态，概念模型的实物存在感是设计人员修改和完善设计十分渴求而又十分必要的。有人比较形象化地形容，快速成形系统相当于一台三维打印机，能够迅速地将CAD概念设计的物理模型非常高精度地“打印”出来。这样，在概念设计阶段，设计者就有了初步设计的物理模型，借助于物理模型，设计者可以比较直观地进行进一步的优化设计，大大提高了产品设计的效率和质量。如设计者可以进行模型的实际装配和模型的感观评价，根据成形或零件评价设计优劣，并加以修正，如图2-4所示。1 1模型、零件的感官模型、零件的感官评评价价计算机软硬件技术的发展使传统的图纸式设计走向现代化的2728图2-4模型概念设计可视化图2-4模型概念设计可视化2829 随着人们生活水平的提高，人们对于产品的需求不再停留在使用功能层面，对于物品的审美和艺术感受要求更高，新产品的开发总是从外形设计开始的，外形是否美观和实用往往决定了该产品在市场中的竞争优势。传统加工方法中，二维工程图在设计加工和检测方面起着重要作用。通常是先根据设计师的想法，绘制出效果图及手工模型，经评审后再进行后续详尽设计。但由于二维工程图或三维观感图不够直观，表达效果受到很大限制，而手工制作模型又费时费力，精度又低，也不便于进行修改。快速成形制造技术能够迅速地将设计师的设计思想变成三维实体模型，既可节省大量的时间，又能精确地体现设计师的设计理念，为产品评审决策工作提供直接、准确的物理模型，减少了决策工作中的不正确因素。1 1模型、零件的感官模型、零件的感官评评价价随着人们生活水平的提高，人们对于产品的需求不再停留在2930 利用快速成形制造技术制作的样件能够使用户直观地了解尚未投入批量生产的产品外观及其性能并及时作出评价，同时对产品的不良之处进行及时改进，大大缩短了产品的开发周期，为产品的销售创造有利条件和避免由于盲目生产造成的损失。同时，投标方在工程投标中采用样品，可以直观、全面地提供评价依据，为中标创造有利条件。2 2结结构构设计验证设计验证和装配校核和装配校核利用快速成形制造技术制作的样件能够使用户直观地了解尚3031 在产品开发与设计过程中，由于设计手段和其他条件的限制，每一项设计都可能存在着一些人为的设计缺陷。如果未能及早发现，就会影响后续工作，造成不必要的损失，甚至会导致整个设计的失败，并且使产品的设计周期大大延长，失去占领市场的先机。使用快速成形制造技术可以将这种人为的影响减少到最低，大大提高产品的设计质量和设计效率。快速成形制造技术由于成形时间短、精度高，可以在设计的同时制造高精度的模型，及时反映设计者的设计理念，使设计者能够在设计阶段对产品的整体或局部进行装配和综合评价，发现产品潜在的质量缺陷和不合理因素，进而及时修正设计。因此，快速成形制造技术的应用可把产品的设计缺陷消灭在设计阶段，最终提高产品整体的设计质量。某汽车用于外观评估的经过喷漆等处理的RP模型如图2-5所示。2 2结结构构设计验证设计验证和装配校核和装配校核在产品开发与设计过程中，由于设计手段和其他条件的限制3132图2-5某汽车用于外观评估的RP模型图2-5某汽车用于外观评估的RP模型3233 进行装配校核、干涉检查等对新产品开发，尤其是在有限空间内的复杂、昂贵系统（如卫星、导弹）的可制造性和可装配性检验尤为重要。如果一个产品的零件数量众多而且形状结构复杂就需要做总体装配校核，避免产品的各零件间存在干涉，影响装配或使用性能。在投产之前，先用快速成形制造技术制作出全部零件，进行试装，验证设计的合理性和安装工艺与装配要求，若发现缺陷，便可及时、方便地进行修正，使所有问题在投产之前得到解决。某发动机气缸部件中气缸盖改进设计后制作的用于装配检验的LOM模型如图2-6所示。2 2结结构构设计验证设计验证和装配校核和装配校核进行装配校核、干涉检查等对新产品开发，尤其是在有限空3334图2-6某发动机气缸用于检验的缸盖LOM模型图2-6某发动机气缸用于检验的缸盖LOM模型3435 快速模型除了可以进行设计验证和装配校核外，还可以直接用于性能和功能参数试验与相应的研究分析，如机构运动分析、流动分析、应力分析、强度分析、流体和空气动力学分析等。采用快速成形制造技术可严格地按照设计要求将模型快速地制造出来并进行实验测试，对各种复杂的空间曲面更能体现快速成形制造技术的优点。如风扇、风毂、齿轮等设计的功能检测和性能参数确定，可获得最佳扇叶曲面、最低噪声的结构和最合理的齿轮啮合参数。如果用传统的方法制造模型，这种测试与评价几乎是不可能的。为检验电机风叶设计能否实现转动平衡，利用快速成形技术制作的用于转动平衡检测的LOM模型如图2-7所示。将模型通过装机运转检测，再根据检测信息进行数据优化设计，最终获得能够满足运转要求的优化的电机风叶。3 3性能和功能性能和功能测试测试快速模型除了可以进行设计验证和装配校核外，还可以直接3536图2-7用于运动功能测试的风叶模型图2-7用于运动功能测试的风叶模型36372.2.22.2.2在在快速模具中的应用快速模具中的应用 用SLS快速成形机能选择性地熔融包裹热塑性黏结剂的金属粉，构成模具的半成品，烧结金属粉并在孔隙渗入第二种金属（铜）从而制作成金属模。这种金属模作为蜡模的成形模使用，可重复注射100件以上的蜡模。砂型铸造的木模一直以来依靠传统的手工制作，制造周期长，精度低。快速成形制造技术的出现为快速高精度制作砂型铸造的木模提供了良好的技术手段，尤其是基于CAD设计的复杂形状的木模制作，快速成形制造技具有其突出的优越性，砂型铸造的产品和通过快速成形技术制作的木模如图2-8所示。2.2.2在快速模具中的应用1用于直接制模用SLS3738图2-8砂型铸造产品及模具图2-8砂型铸造产品及模具38392.2.22.2.2在在快速模具中的应用快速模具中的应用 硅橡胶软模由于其材料较软，在小批量制作具有精细花纹和无拔模斜度甚至倒拔模斜度的样件方面具有突出的优越性，几乎所有的RP成形都可以作为硅橡胶模具制作的母模。采用LOM成形翻制硅橡胶模具并进行产品快速制作的例子如图2-9所示。（1）硅橡胶模具的母模2.2.2在快速模具中的应用2用于直接制模硅橡胶软3940图2-9LOM模型作母模翻制的硅橡胶模具及产品图2-9LOM模型作母模翻制的硅橡胶模具及产品40412.2.2 2.2.2 在在快速模具中的应用快速模具中的应用 环氧树脂模具因为成本低廉且制件数量较硅橡胶模具大而适合于小批量产品的试制。环氧树脂模具的制作同样需要RP模型做母模，通过树脂材料及添加材料浇注而成，模具的寿命可以达到数百件，模具的表面质量取决于成形母模的表面质量。环氧树脂模具制作产品的例子如图2-10所示。（2）环氧树脂模具的母模2.2.2在快速模具中的应用2用于直接制模环氧4142图2-10环氧树脂模具及产品图2-10环氧树脂模具及产品42432.2.3 2.2.3 在在精密铸造中的应用精密铸造中的应用1 1直直接接制制造造精精铸铸母母模模 在直接制造精铸母模中熔模铸造技术应用最为广泛。熔模铸造也称为失蜡铸造，是一种可以由几乎所有的合金材料进行净形制造金属制件的精密铸造工艺，尤其适合于具有复杂结构的薄壁件的制造。快速成形制造技术的出现和发展，为熔模精密铸造消失型的制作提供了的技术保障，使得消失型的制作速度更快、精度更高、结构更复杂。尤其是3D Systemss公司开发的QuickCast工艺，更加突出了RP技术在熔模铸造领域应用的优越性。2.2.3在精密铸造中的应用1直接制造精铸母模在4344熔模铸造的工艺过程 1、浇注法制作熔模铸造的消失型蜡模，如图2-11（a）所示。2、将蜡质的标准浇注系统（浇口和浇道）和蜡型组装，如图2-11（b）所示。3、将组装后的蜡型与浇注系统浸入到陶瓷浆中，反复挂砂和干燥形成68 mm的硬壳，如图2-11（c）所示。图2-11熔模铸造工艺流程（a）图2-11熔模铸造工艺流程（b）图2-11熔模铸造工艺流程（c）熔模铸造的工艺过程1、浇注法制作熔模铸造的消失型4445熔模铸造的工艺过程4、向硬型壳中通入热水或蒸汽，使蜡型熔化并排出，得到空型壳，如图2-11（d）所示。5、硬型壳高温焙烧，进一步除去残留的蜡，得到可进行浇注熔化金属的高强度陶瓷硬型壳，如图2-11（e）所示。图2-11熔模铸造工艺流程（d）图2-11熔模铸造工艺流程（e）熔模铸造的工艺过程4、向硬型壳中通入热水或4546熔模铸造的工艺过程6、将陶瓷硬型壳预热至一定温度后，注入熔化金属，如图2-11（f）所示。7、冷却后，除去陶瓷壳，得到工件和浇注系统，再除去浇注系统，便得到了金属制件，如图2-11（g）所示。图2-11熔模铸造工艺流程（f）图2-11熔模铸造工艺流程（g）熔模铸造的工艺过程6、将陶瓷硬型壳预热至一46472.2.3 2.2.3 在在精密铸造中的应用精密铸造中的应用1 1直直接接制制造造精精铸铸母母模模 美国Sundstrand公司用快速成形件作母模，进行了大量的熔模铸造，取得了明显的效益，如表2-4所示。由表中的数据可见，采用快速成形制造技术后节省工时43%70%，节省成本64%94%。2.2.3在精密铸造中的应用1直接制造精铸母模美4748零件名称材料传统加工快速成形工时（周）成本（美元）工时（周）节省率（%）成本（美元）节省率（%）发电机的进气壳体钢2095000676570550094主发电机控制部件铝20330004105065570083辅助发电机铝20340009551200065发电机配电中心铝18240001044640073变换器铝1821000761760064变换/稳压器铝1417000843500071稳压器铝2026000955580078辅助发电机铝1110000表2-4快速成形用于熔模铸造的效益零件名称材料传统加工快速成形工时（周）成本（美元）工时（周）48492.2.3 2.2.3 在在精密铸造中的应用精密铸造中的应用2 2硅硅橡橡胶胶石石膏膏型型精精密密制制造造 精密铸造通常用快速成形技术制造金属件。但对低熔点金属件，如铝镁合金件，石膏型铸造效率更高，同时铸件质量也能得到有效的保证，铸件合格率高。在石膏型铸造过程中，快速成形件仍然是可消失模型，然后由此得到石膏模，再加工得到所需要的金属零件。2.2.3在精密铸造中的应用2硅橡胶石膏型精密制造49502.2.3 2.2.3 在在精密铸造中的应用精密铸造中的应用2 2硅硅橡橡胶胶石石膏膏型型精精密密制制造造 石膏型铸造的第一步是用快速成形件制作可消失模，然后再将快速成形消失模埋在石膏浆体中得到石膏模，再将石膏模放进焙烧炉内焙烧，将快速成形消失模通过高温分解，最终完全消失，同时石膏模干燥硬化，这个过程一般要两天左右。最后在专门的真空浇铸设备内将熔融的金属铝合金注进石膏模，冷却后，破碎石膏模就得到金属件了。这种生产金属件的方法成本很低，一般只占压铸模生产同样铸件成本的2%5%。生产周期也很短，一般只需23周。石膏型铸件的性能也可与精铸件相比，由于是在真空环境中完成浇注，所以性能甚至更优于普通精密铸造。使用石膏型铸造得到的发动机进气管产品如图2-12所示。2.2.3在精密铸造中的应用2硅橡胶石膏型精密制造5051图2-12石膏型铸造得到的发动机进气管产品图2-12石膏型铸造得到的发动机进气管产品51522.2.3 2.2.3 在在精密铸造中的应用精密铸造中的应用3 3制制造造精精铸铸型型壳壳 直接制造精铸型壳可以利用激光固化成形技术直接成形型壳，其基本工艺是将型壳材料粉末按一定的比例加入到光固化树脂中，然后根据型壳的CAD模型在光固化成形机上成形型坯体，最后焙烧，将其中的树脂去除，粉末烧结成形后得到最终的型壳。其优点是可以不用制作熔模，直接成形制作所需的型壳，而且型壳和型芯可以一次同时成形，节省了时间，减小了装配误差。2.2.3在精密铸造中的应用3制造精铸型壳直接制52532.2.3 2.2.3 在在精密铸造中的应用精密铸造中的应用4 4功功能能零零件件无无模模具具快快速速精精铸铸 无模铸型快速制造工艺是将RP理论引进到树脂砂造型工艺中，采用轮廓扫描喷射固化工艺，实现了无模型铸型的快速制造。首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型，由铸型CAD数据得到分层截面轮廓数据，再以层面信息产生控制信息。在计算机的控制下，分别喷射树脂和固化剂的两个喷头在每一层铺好压实的型砂上分别精确地喷射黏接剂和催化剂。黏结剂与催化剂发生交联反应，黏接剂和催化剂共同作用的地方型砂被固化在一起，其他地方型砂仍为颗粒态干砂。固化完一层后再黏接下一层，所有的层黏接完之后就可以得到一个三维实体，原砂在黏接剂没有喷射的地方仍是干砂，比较容易清除。清理出中间未固化的干砂就可以得到一个有一定壁厚的铸型，在砂型的内表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇铸金属。该工艺实现了CAD模型直接驱动下的铸型一体化制造和型芯同时成形，可方便地制造含自由曲面的铸型和组合零件，突破了传统工艺的许多约束，具有较高的柔性，尤其适于制造单件小零件。2.2.3在精密铸造中的应用4功能零件无模具快速精铸53542.2.4 2.2.4 在在汽车行业中的应用汽车行业中的应用 现代汽车市场的竞争越来越激烈，生产企业要想赢得竞争就要以市场为中心，以满足顾客需求为主线，以技术创新为驱动力，快速地响应市场变化并迅速赢得用户。企业必须以最短的产品开发时间、最优的产品质量、最低廉的制造成本和销售价格、最好的技术支持和全过程服务、最佳的环保效果以及最快速的市场适应性来生产适销的产品。快速成形制造技术可以为实现这一目标提供了强有力的支持。目前，与激光快速成形制造技术、CNC、真空成形技术、真空吸塑技术、热压成形技术、低压注型技术、锤打成形模技术、失蜡铸造技术各种表面处理等技术相结合，RP技术已应用到汽车车身设计、钣金件试制、内外饰件试制、发动机金属样件、车灯结构样件功能样件试制等方面。2.2.4在汽车行业中的应用现代汽车市场的竞争越来54552.2.4 2.2.4 在在汽车行业中的应用汽车行业中的应用 现代汽车市场的竞争越来越激烈，生产企业要想赢得竞争就要以市场为中心，以满足顾客需求为主线，以技术创新为驱动力，快速地响应市场变化并迅速赢得用户。企业必须以最短的产品开发时间、最优的产品质量、最低廉的制造成本和销售价格、最好的技术支持和全过程服务、最佳的环保效果以及最快速的市场适应性来生产适销的产品。快速成形制造技术可以为实现这一目标提供了强有力的支持。目前，与激光快速成形制造技术、CNC、真空成形技术、真空吸塑技术、热压成形技术、低压注型技术、锤打成形模技术、失蜡铸造技术各种表面处理等技术相结合，RP技术已应用到汽车车身设计、钣金件试制、内外饰件试制、发动机金属样件、车灯结构样件功能样件试制等方面。2.2.4在汽车行业中的应用现代汽车市场的竞争越来5556图2-13快速成形的汽车车灯和保险杠图2-13快速成形的汽车车灯和保险杠56572.2.4 2.2.4 在在汽车行业中的应用汽车行业中的应用 参照已有汽车零部件设计和制造新的汽车零部件，这就是汽车的逆向工程。通过对实物的测量、扫描，构造物体的几何模型，进而根据物体的具体功能进行改进设计、制造、装配验证和质量检测。逆向工程技术广泛应用于汽车的开发设计过程。在车身的开发设计过程中，可以利用光学三坐标测量机对车身内外表面及车身附件进行几何测量，为下一步的CAD建模提供点云数据。根据测得的点云数据对汽车的车身完成CAD建模，然后快速成形制造出实物模型，用于该车型的外观、工艺等评审，根据评审结果进行及时修正，可以大大提高工作效率，缩短车身开发设计周期。逆向工程与RP技术相结合能使企业产品研发周期大大缩短，为企业带来巨大的经济和社会效益，受到制造业企业的普遍重视。2.2.4在汽车行业中的应用参照已有汽车零部件设计57582.2.4 2.2.4 在在汽车行业中的应用汽车行业中的应用 汽车车身开发的关键在于汽车覆盖件模具的设计和制造。在车型设计、模具设计与制造、模具调试、产品小批试制、批量生产的整个周期中，模具设计与制造约占2/3的时间，是影响新车型生产周期的关键因素。一般汽车车身有数百个冲压件。冲压模具高达千套以上，模具的开发成本大约在2亿美元左右。据报道，本田汽车公司由于模具开发时间滞后3天所带来的经济损失是800万美元，而丰田汽车公司滞后18天所带来的经济损失是5 000万美元。激烈竞争的市场给汽车覆盖件模具的开发提出了高效、高质量和低成本的要求。如何快速开发大型覆盖件模具以满足现代汽车企业的研发生产需要，已经成为现代汽车企业的当务之急。比如，西安交通大学先进制造技术研究所针对某型汽车发动机盖板，采用快速模具制造技术成功地开发出了用于新车型研发的快速模具。2.2.4在汽车行业中的应用汽车车身开发的关键在于58592.2.4 2.2.4 在在汽车行业中的应用汽车行业中的应用 汽车发动机罩模具的开发步骤如下：模具型面设计；RP模型制作；快速模具制造；冲压试验及模具调整。汽车逆向工程建模的汽车CAD线框和实体模型如图2-14所示。图2-14汽车逆向工程建模的汽车CAD模型2.2.4在汽车行业中的应用汽车发动机罩模具的开发59602.2.4 2.2.4 在在汽车行业中的应用汽车行业中的应用 进气道是发动机非常重要的一部分，由形状十分复杂的自由曲面构成，它对提高进气效率、改善燃烧过程有十分重要的影响。在发动机的设计过程中，需要对不同的进气道方案做气道试验。传统的方法是用手工方法加工出由十几个或几十个截面来描述的气道木模或石膏模，再用木模的砂模铸造出气道，对气道进行吹风试验，找出设计不足后重新修改模型。如此要反复多次，每一次都要手工修改或重新制作，费时费力，且受木模工技术水平的影响很大，精度难以保证。采用快速成形制造技术可以一次成形多个不同的气道模型，而且形状和所设计的CAD模型完全一致。和传统的手工制作木模的方式相比，不仅可以提高模型精度，而且能够降低制作成本和缩短设计周期。快速成形技术还可在汽车发动机的试验研究中用于流动分析，以确定复杂零件内液体或气体的流动模式。2.2.4在汽车行业中的应用进气道是发动机非常重要60612.2.4 2.2.4 在在汽车行业中的应用汽车行业中的应用 发动机和整车上的其他外形、结构复杂的零件，用传统方法制模困难，如发动机进、排气管等都可以用快速成形技术制造零件原形。用快速成形技术制作的用于试验的发动机零件如图2-15所示。图2-14汽车逆向工程建模的汽车CAD模型2.2.4在汽车行业中的应用发动机和整车上的其他外61622.2.52.2.5在医学领域的应用在医学领域的应用（1）设计和制作植入假体 运用RP技术，设计师可以根据特定病人的CT或MRI数据，而不是标准的解剖学几何数据来设计并制作对应特定病人的种植体，如图2-16所示。这样可以使医务人员根据每个病人的具体解剖数据设计和进行手术，提高了手术的成功率，节省了病人的麻醉时间和整个手术的费用。图2-16应用RP模型设计植入体2.2.5在医学领域的应用1在医疗诊断、教学和外科学领域的62632.2.52.2.5在医学领域的应用在医学领域的应用（2）外科手术规划 复杂外科手术往往需要在三维模型上进行演练以确保手术的成功。快速成形制造技术可满足这种需求。由于有了特定病人的解剖模型，医务人员对具体手术部位的解剖结构有更具体直观的认识，并在手术之前通过模型对手术进行仔细规划，如图2-17所示，从而大大提高了手术的成功率和手术质量。图2-17患者脑部3D及RP模型帮助手术计划2.2.5在医学领域的应用1在医疗诊断、教学和外科学领域的63642.2.52.2.5在医学领域的应用在医学领域的应用（3）颌面修复 目前，美国、澳大利亚、新加坡、日本以及欧洲等许多国家对快速成形技术在医疗领域的应用非常重视。基于CT技术和快速成形制造技术的人体颌面部缺损修复手术，是快速成形制造技术在医学领域里比较有价值的临床应用之一。首先对患者头部进行螺旋CT扫描，得到最小间距的二维CT数据。通过设定骨骼的灰度阈值，提取CT图像中的骨骼轮廓，得到患者病变区域的头颅模型，例如，某患者正颌外科的手术模型如图2-18所示。图像中左侧因肿瘤病变进行了切除。手术的目的就是通过切取病人体内的腿骨修复左侧下颌的缺损。在数据处理时还进行了右侧下颌骨的提取并镜像，用于制作快速成形以辅助手术。将上述处理完毕的数据文件，按要求的格式输入到快速成形系统进行加工制作。2.2.5在医学领域的应用1在医疗诊断、教学和外科学领域的6465图2-18患者正颌外科手术模型图2-18患者正颌外科手术模型65662.2.52.2.5在医学领域的应用在医学领域的应用（3）颌面修复 某患者缺损的头颅骨SLA模型、某患者小腿骨SLA模型及某患者下颌骨SLA模型，如图2-19所示。图2-19颌面缺损的局部头盖骨、下颌骨及小腿骨SLA模型2.2.5在医学领域的应用1在医疗诊断、教学和外科学领域的66672.2.52.2.5在医学领域的应用在医学领域的应用（4）义耳制作 在颌面修复领域，义耳赝复体形态制作一直存在仿真程度不高的问题。基于医学CT三维重构技术，进行数据处理，得到义耳及义耳注型模具的三维模型，采用快速成形制造技术进行义耳注型模具的快速制作，同时对浇注的硅橡胶材料进行配色，再利用快速成形技术制作的义耳注型模具，进行义耳赝复体的真空注型，便可得到几何形状仿真度比较满意的义耳赝复体。基于螺旋CT图像的义耳模型构建的过程如图2-20所示。扫描患者正常一侧的耳朵，将CT数据存储成DICOM格式，如图2-20（a）所示；用专用的三维重建软件将患者耳部CT数据重建，生产三维模型，如图2-20（b）所示；将三维模型进行光顺处理，并将数据格式转化为快速成形系统接收的STL文件格式，如图2-20（c）所示；镜像得到患者缺损耳朵三维数据模型，如图2-20（d）所示。2.2.5在医学领域的应用1在医疗诊断、教学和外科学领域的6768（a）CT图像（b）三维重构（c）光顺处理（d）三维模型图2-20基于CT图像处理技术的义耳模型（a）CT图像68692.2.52.2.5在医学领域的应用在医学领域的应用（4）义耳制作 当获得义耳三维模型后，通过计算及根据真空注型工艺要求，设计义耳注型的上下模具，并根据注型工艺要求设置了浇道和合模定位装置。义耳注型上下模具如图2-21所示。采用光固化快速成形制造技术制作的用于硅橡胶浇注的义耳模具如图2-22所示。2.2.5在医学领域的应用1在医疗诊断、教学和外科学领域的6970图2-21义耳上下模具三维造形图2-22SLA法制作的义耳模具图2-21义耳上下模具三维造形图2-22SLA法制作70712.2.52.2.5在医学领域的应用在医学领域的应用（4）义耳制作 利用医学硅橡胶材料进行义耳的真空注型。在注型之前，需要对硅橡胶材料根据具体肤色进行配色。对硅橡胶材料进行配色后使用SLA快速成形模具真空注型得到的义耳赝复体如图2-23所示。图2-23义耳赝复体2.2.5在医学领域的应用1在医疗诊断、教学和外科学领域的71722.2.52.2.5在医学领域的应用在医学领域的应用（5）心血管模型制作 心血管系统由心脏、动脉、静脉、毛细血管等组成，准确复制心脏、血管、血管瘤、气管等软组织结构可以提供个性化软组织模型，在诊疗、手术和医学教学等领域具有重要意义。由心脏器官CT数据提取的右、左半部分心血管的三维结构数据，然后利用RP技术得到的左、右心血管的三维结构如图2-24所示。图2-24左、右心血管的三维结构2.2.5在医学领域的应用1在医疗诊断、教学和外科学领域的72732.2.52.2.5在医学领域的应用在医学领域的应用 快速成形制造技术在生物工程的应用起步较晚，但已取得了令人可喜的成果。例如，针对骨的具体结构，进行CAD造型，然后利用内部细微结构仿生建模技术及分层制造，常温下用生物可降解材料边分层制造边加入生物活性因子及种子细胞。用快速成形制造技术制成的细胞载体框架结构来创造一种微环境，以利于细胞的黏附、增殖和功能发挥，以此达到组织工程骨的并行生长，加速材料的降解和成骨过程。归纳起来，目前RP技术在医学各个领域的应用情况如图2-25所示。图2-25应用RP模型原因分类统计2.2.5在医学领域的应用2在生物医学领域的应用快73742.2.52.2.5在医学领域的应用在医学领域的应用 医学应用的每一个RP模型都需要成形设备和材料的特殊搭配才能产生预期效果，某种情况可能需要半透明的硬塑料，而另一种情况可能需要软的生物兼容材料。有时需要消毒材料，有时却并不需要。RP医学应用中设备和材料的选择情况如表2-5所示。USP VI级材料是通过安全测试并能消毒的材料，目前只有少数几种RP材料符合这一要求。表中的另一类材料是可植入材料，目前应用仍然很少。应用类别USPVI级需要消毒需要半透明可植入需求最适合的RP方法植入成形Y/NY/NNNFDM，SLA，SLS生物模型Y/NY/NY/NNSLS，FDM，SLS，3DP临床生物模型YYY/NNFDM组织器官开发YYNY3DP，SLA，LOM医药产品YYNY3DP，SLS骨置换YYNYSLS，LOM表2-5RP医学应用中设备和材料的选择2.2.5在医学领域的应用2在生物医学领域的应用医74752.2.52.2.5在医学领域的应用在医学领域的应用 从医学图像得到的解剖模型有一系列的要求。有些模型最适合用半透明材料做，有的最适合用不透明材料制作以便更好的观察表面。在大多数情况下，这些模型是在手术之前使用，特定情况下需要把模型消毒用于手术时的参考。随着生物材料的发展，快速成形产品在医学领域的临床应用将不断增长，从骨再生植入到器官置换，应用范围广泛。2.2.5在医学领域的应用2在生物医学领域的应用从75762.2.52.2.5在医学领域的应用在医学领域的应用 面部分析是法医工作的重要环节，图像资料结合快速成形制造技术可快速、准确实现面部形态的图像重建或模型再现；也可用于某些重要物证的快速复制，以便进行深入分析。通过专用软件，建立面部形态的智能化分析系统，可重建各种面部形态，并允许根据需要进行一些面部特征的添加，继而可通过RP机床加工重建模型。2.2.5在医学领域的应用3在法医学领域的应用面部76772.2.52.2.5在医学领域的应用在医学领域的应用 快速成形制造技术在生物工程的应用刚刚起步。它主要针对骨的具体结构，进行CAD造型，然后利用内部细微结构仿生建模技术及分层制造，常温下用生物可降解材料边分层制造边加入生物活性因子及种子细胞。利用快速成形制造技术可以实现许多三维结构复杂的部位轮廓外形及内部构造的生物支架设计与成形。用快速成形技术制成的细胞载体框架结构来创造一种微环境，以利于细胞的黏附、增殖和功能发挥，以此达到组织工程骨的并行生长，加速材料的降解和成骨。2.2.5在医学领域的应用4在组织工程学领域的应用77782.2.6 2.2.6 在在仿生学中的应用仿生学中的应用 生物体经过亿万年的演化，其结构、形态、功能一般都很合理，并具有良好的环境相容性。因此，人们为追求生态、经济、社会的可待续发展，研究和模仿生物系统的结构、功能、能量转换、控制机制、生长方式等各种优异特性，就成为一种必然趋势。由于仿生结构形状复杂，采用传统的加工工艺往往制造困难，在许多情况下甚至难以实现，且不便于修改，从而延长制作周期，增加开发成本。2.2.6在仿生学中的应用1仿生制造生物体经过亿78792.2.6 2.2.6 在在仿生学中的应用仿生学中的应用 RP技术是基于离散、堆积成形原理的新型数字化成形技术，它是在计算机的控制下，根据零件的CAD模型，通过材料的精确堆积而制造原形或零件。RP技术的基本实现途径是首先由CAD软件设计出零件的三维实体模型；然后将三维实体模型沿一定方向进行分层；再根据每一层的轮廓信息进行数控编程；最后在快速成形机上加工出一系列层片并将层片自动连接起来，即可得到三维实体。RP技术自产生以来，工艺日趋完善，质量显著提高，应用不断扩大。因此在中小宏观尺度上，RP技术为多维复杂结构仿生制造提供了良好的手段。2.2.6在仿生学中的应用1仿生制造RP技术是基79802.2.6 2.2.6 在在仿生学中的应用仿生学中的应用 仿生制造就是以制造过程与生命之间存在的相似性为基础，模仿自然界生物的成长方式进行制造。传统的仿生制造是基于DNA技术，主要应用于微观仿生制造。由于对DNA的研究尚有许多问题没有解决，所以要安全实现基于DNA的仿生制造还非常困难。基于RP技术的仿生制造是针对产品的具体结构，进行产品计算机辅助造型，再利用内部细微结构仿生建模技术以及经过分层、加支撑等技术的加工和处理，在快速成形机上产生生成物的三维实体。基于RP技术的仿生制造过程如图2-26所示。2.2.6在仿生学中的应用2基于快速成形技术的仿生制造方8081图2-26基于RP技术的仿生制造工作流程图2-26基于RP技术的仿生制造工作流程81822.2.6 2.2.6 在在仿生学中的应用仿生学中的应用 如果要求生成物具有生物活性，则须在快速成形制造过程中使用生物可降解材料，在加工三维实体模型之后，植入生物生长因子，并将其放入具有特定成分的培养液中，经过一段时间后，三维实体模型就可以生长成为具有生物活性的产品。基于RP技术的仿生制造方法可以制造人工骨骼和人工器官，用于医疗修复工程，可以制造人工肌肉，并进一步制造具有人体结构的机器人。可以制造生物活性结构的机器零件，甚至整台机器。2.2.6在仿生学中的应用2基于快速成形技术的仿生制造方82832.2.7 2.2.7 在在艺术领域的艺术领域的应应用用 绘画、雕塑等艺术品是艺术家的思想、激情或灵感的物化表达方式，给人以美的享受和精神的陶冶。快速原形制造技术为艺术家以三维形式更细腻、形象、正确、生动、迅速地表达自己的思想感情提供了一种新的手段，也为珍稀艺术品的复制、艺术品形式的多样化提供了有力的工具。2.2.7在艺术领域的应用1在艺术创作中的应用绘83842.2.7 2.2.7 在在艺术领域的艺术领域的应应用用 快速原形制造技术在艺术创作中的应用。艺术家在利用陶瓷、玻璃、石材及其他材料进行三维艺术创作时，从创作灵感的萌发到作品的完成需经历几个月乃至几年的时间，其中大多数时间为创作思想物化过程。为力求三维表达正确须反复修正，以及艺术品制作过程中因各种失误造成残缺而从头开始，耗费了大量的宝贵时间。当采用快速原形制造技术时，艺术家的思想可以首先转化为计算机的CAD三维造型，CAD造型满意后，即直接通过快速原形制造系统快速制作三维物化作品。如不满意，可回到计算机修改