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快速原型技術的原理、工藝流程和技術特點；
快速成型屬於離散/累積成型。基於成形原理，提出了壹種全新的思維方式尺寸模型，即將計算機上制作的零件三維模型網格化存儲，並進行分層，獲得各層截面的二維輪廓信息。根據這些輪廓信息，自動生成加工路徑。在控制系統的控制下，成型頭有選擇地將成型材料逐層固化或切割，形成各截面的輪廓片，依次逐層疊加成三維毛坯。然後，對毛坯進行後處理以形成零件。
快速原型制作的過程如下:
l)建立產品的三維模型。由於RP系統是由三維CAD模型直接驅動的，所以首先要構建被加工工件的三維CAD模型。三維CAD模型可以通過計算機輔助設計軟件(如Pro/E、I-DEAS、Solid Works、UG等)直接構建。)，或者可以將現有產品的二維圖紙轉換成三維模型，也可以通過激光和ct掃描產品實體，獲得點雲數據，再通過逆向工程構建三維模型。
2)三維模型的近似處理。由於產品往往具有壹些不規則的自由曲面，因此在加工前需要對模型進行近似，以方便後續的數據處理。STL格式文件以其簡單實用的格式成為快速成型領域的準標準接口文件。它使用壹系列小三角形平面來近似原始模型。每個小三角形由三個頂點坐標和壹個法向量描述，三角形的大小可以根據精度要求選擇。STL文件有兩種輸出形式:二進制代碼和ASCll代碼。二進制代碼的輸出形式所占的空間比ASCII代碼的文件輸出形式所占的空間要小得多，但是ASCII代碼的輸出形式是可以讀取和檢查的。典型的CAD軟件都有轉換輸出STL格式文件的功能。
3)對三維模型進行切片。根據被加工模型的特點，選擇合適的加工方向，在成型高度方向上以壹定間隔用壹系列平面切割近似模型，從而提取截面的輪廓信息。間隔壹般為0.05mm~0.5mm，常用0.1mm。間隔越短，成型精度越高，但成型時間越長，效率越低，反之，精度越低但效率越高。
4)成型加工。根據切片的截面輪廓，在計算機的控制下，相應的成型頭(激光頭或噴頭)根據截面輪廓信息做掃描運動，在工作臺上逐層堆積材料，然後將各層粘合在壹起，最終得到原型產品。
5)成型件的後處理。將成型件從成型系統中取出，打磨、拋光、塗層，或放入高溫爐中進行後燒結，進壹步提高強度。
快速成型技術具有以下重要特征:
l)可以制造任何復雜的三維幾何實體。由於采用了離散/堆疊成型的原理，將壹個非常復雜的三維制造過程簡化為二維過程的疊加，可以實現任意復雜形狀零件的加工。零件越復雜，RP技術的優勢越明顯。此外，RP技術特別適用於具有復雜型腔和復雜型面的零件，這些零件用傳統方法很難甚至不可能制造。
2)快速性。通過修改或重組CAD模型，可以獲得新零件的設計和加工信息。零件可以在幾小時到幾十小時內制造完成，具有快速制造的突出特點。
3)靈活性高。不需要任何特殊的夾具或工具就可以完成復雜的制造過程，可以快速制造出工具、原型或零件。
4)快速原型技術實現了機械工程多年追求的兩個高級目標，即材料提取(氣、液、固相)過程與制造過程的集成，設計(CAD)與制造(CAM)的集成。
5)結合逆向工程、CAD技術、網絡技術和虛擬現實，成為產品快速開發的有力工具。
因此，快速成型技術在制造領域發揮著越來越重要的作用，並將對制造業產生重要影響。
快速成型技術的分類；
快速成型技術按成型方法可分為兩大類:基於激光和其他光源的激光技術，如立體光刻機(SLA)、分層實體制造(LOM)、選擇性激光粉末燒結(SLS)、形狀沈積成型(SDM)等。噴射技術，如熔融沈積成型(FDM)、三維打印(3DP)和多相噴射沈積(MJD)。下面簡單介紹壹下比較成熟的技術。
1、SLA(stereolithography Apparatus)工藝SLA工藝又稱光造型或立體光刻，由美國查爾斯·胡爾於1984年申請專利。1988美國3D系統公司推出商用樣機SLA-I，這是世界上第壹臺快速成型機。SLA成型機占據了RP設備市場的很大份額。
SLA技術是基於液態光敏樹脂的光聚合原理。這種液體材料在壹定波長和強度的紫外光照射下能迅速發生光聚合反應，分子量急劇增加，材料由液態變為固態。
SLA工作原理:液體槽中充滿液體光固化樹脂的激光束，在偏轉鏡的作用下，可以在液體表面進行掃描，掃描軌跡和有無光由計算機控制。光點擊中的地方，液體就會凝固。成型開始時，工作平臺在液面以下壹定深度。聚焦光斑根據計算機的指令在液面上逐點掃描，即逐點固化。當壹層掃描完成後，未照射的區域仍然是液態樹脂。然後升降臺帶動平臺下降壹層，成型的壹層覆蓋壹層樹脂。刮刀將粘度較高的樹脂刮平，然後掃描下壹層，新循環的壹層與上壹層牢固粘合，如此反復，直至整個零件制造完成，得到三維實體模型。
SLA方法是目前快速成型技術領域研究最多的方法，也是技術上最成熟的方法。SLA工藝成形的零件精度高，加工精度壹般可達0.1 mm，原材料利用率近100%。但這種方法也有壹定的局限性，如需要支撐、樹脂收縮導致精度下降、光固化樹脂有毒性等。
2.LOM(層壓對象制造)工藝LOM工藝被稱為層壓實體制造或分層實體制造，是由美國Helisys公司的Michael Feygin於1986年研制成功的。LOM工藝使用薄材料，如紙和塑料薄膜。片材表面預先塗有壹層熱熔膠。在加工過程中，熱壓輥對板材進行熱壓，使其粘附在下面成型的工件上。用CO2激光在新粘接的層上切割零件的截面輪廓和工件的外框，在截面輪廓和外框之間的多余區域切割上下對齊的網格。激光切割完成後，工作臺帶動成型的工件下降並與條狀板材分離。進給機構轉動接收軸和進給軸，帶動料帶移動，將新層移動到加工區。工件接頭上升到加工平面，熱輥熱壓，使工件層數增加壹層，高度增加壹個材料厚度。然後在新圖層上切割輪廓。重復這壹過程，直到零件的所有部分都被粘合和切割。最後，去除切碎的多余部分，得到分層制造的實體零件。
LOM工藝只需要切割板材上零件截面的輪廓，不需要掃描整個截面。所以厚壁零件成型速度更快，容易制造大型零件。過程中沒有材料相變，不容易造成翹曲變形。工件外框和橫截面輪廓之間的多余材料在加工中起支撐作用，因此LOM工藝不需要支撐。缺點是材料浪費嚴重，表面質量差。
3.SLS(選擇性激光燒結)工藝SLS工藝被稱為選擇性激光燒結，是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard於1989年研制成功的。SLS工藝是由粉末材料制成的。將材料粉鋪在成型件的上表面，刮平。用高強度CO2激光掃描新鋪設的新層上的零件截面。材料粉末在高強度激光的照射下燒結在壹起，得到零件的截面，並與下面成型的零件連接。當燒結壹層截面時，新的壹層材料粉末被鋪開，下面的截面被選擇性燒結。
燒結後，去除多余的粉末，然後對零件進行拋光和幹燥。
SLS技術的特點是材料廣泛，不僅可以制造塑料零件，還可以制造陶瓷、蠟等材料的零件，尤其是金屬零件。這使得SLS工藝具有吸引力。SLS工藝不需要支撐，因為沒有燒結粉末起支撐作用。
4.3DP(三維打印)工藝三維打印工藝是由麻省理工學院的E-manual Sachs開發的。它已經被美國的Soligen公司商業化，命名為DSPC(直接型殼生產鑄造),用於制造鑄造用的陶瓷型殼和型芯。
3DP工藝類似於SLS工藝，采用粉末材料，如陶瓷粉末、金屬粉末等。不同的是，材料粉末不是通過燒結連接的，而是零件的橫截面是由噴嘴用粘合劑(比如矽膠)“打印”在材料粉末上的。
用粘合劑粘合的零件強度低，需要後處理。先燒粘結劑，再高溫熔滲金屬，使零件致密化，提高強度。
5.FDM(熔融沈積成型)工藝熔融沈積制造(FDM)是由美國學者Scott Crump於1988研制成功的。FDM的材料壹般是熱塑性材料，如蠟、ABS、尼龍等。以絲狀形式進食。材料在噴嘴中被加熱並熔化。噴嘴沿著零件的橫截面輪廓和填充軌跡移動，同時，熔融材料被擠出，迅速凝固並與周圍材料凝結。
快速成型技術的應用領域:
目前，RP技術的發展水平在國內主要應用於新產品(包括產品升級)開發的設計驗證和模擬樣品的試制，即完成從產品概念設計(或改型設計)-造型設計-結構設計-基本功能評估-模擬樣品試制的開發過程。壹些以塑料結構為主的產品也可以小批量試制，或者進行壹些物理功能測試、組裝驗證、實際外觀效果的檢驗，甚至可以將產品小批量組裝後先投放市場，達到問路的目的。
快速成型的應用主要體現在以下幾個方面:
(1)新產品開發過程中的設計驗證和功能驗證。RP技術可以將產品設計的CAD模型快速轉化為實物模型，可以方便地驗證設計者的設計思路和產品結構的合理性、可裝配性和美觀性，發現設計中的問題可以及時修正。如果采用傳統的方法，需要完成圖紙、工藝設計、工裝、模具制造等多個環節，周期長，成本高。如果不經過設計驗證就直接投產，壹旦有設計失誤，會造成很大的損失。
(2)可制造性和可裝配性檢查、供應詢價和市場推廣。利用RP方法來檢驗和設計汽車、衛星、導彈等空間有限的復雜系統的可制造性和可裝配性，將大大降低此類系統的設計和制造難度。對於難以確定的復雜零件，可以利用RP和technology進行試生產，確定最佳合理的工藝。此外，RP原型也是產品從設計到商業化之間溝通的有效手段。比如為客戶提供產品樣品，進行市場推廣，快速成型技術已經成為並行工程和敏捷制造的壹種技術途徑。
(3)單件、小批量和特殊復雜零件的直接生產。對於高分子材料的零件，可采用高強度工程塑料直接快速成型，滿足使用要求；對於復雜的金屬零件，可以通過快速鑄造或直接金屬成形獲得。這種應用對航空、航天和國防工業具有特殊意義。
(4)快速模具制造。通過各種轉換技術，將RP原型轉化為各種快速模具，如低熔點合金模具、矽膠模具、金屬冷噴塗模具、陶瓷模具等。，生產中小批量零件，符合產品更新換代快、批量更小的發展趨勢。快速成型技術的應用領域幾乎包括了制造領域的所有行業，在醫療、人體工程、文物保護等行業也得到了廣泛的應用。
快速成型技術的主要應用如下:
◆汽車、摩托車:外觀、內飾零部件的設計、改裝、裝配試驗，發動機、氣缸蓋的試制。
家用電器:各種家用電器的外形結構設計、組裝測試及功能驗證、市場推廣、模具制造。
◆通信產品:產品外形結構設計、組裝測試、功能驗證、模具制造。
航空航天:特種零件的直接制造，葉輪、渦輪、葉片的試制，發動機的試制和裝配試驗。
◆輕工業:各類產品的設計、驗證、組裝、市場推廣，玩具、鞋類模具的快速制造。
醫療:醫療器械的設計、試制和試用，CT掃描信息的物化，手術模擬，人體骨關節的制備。
國防:各種武器零件的設計、裝配和試制，特殊零件的直接生產，遙感信息的建模。
總之，快速成型技術的發展是近20年來制造領域的壹個突破。它不僅在制造原理上完全不同於傳統方法，更重要的是在當前市場響應速度是產業戰略第壹的形勢下，RP技術可以縮短產品開發周期，降低開發成本，提高企業競爭力。下面的例子說明了這種技術在產品開發過程中的作用。
1.設計驗證:用於驗證新產品的外觀設計和結構設計，發現設計缺陷，改進產品設計。在現代產品設計中，設計手段越來越先進，計算機輔助設計使得產品設計快速直觀。但是，由於軟硬件的限制，設計人員仍然無法直觀地評價所設計產品的有效性、結構的合理性和生產工藝的可行性。快速原型技術為設計師快速獲取產品樣品，直觀判斷產品提供了先進的技術手段。我們公司為壹家摩托車廠的新250摩托車制作了樣板，包括油箱、前後擋板、座椅和側蓋等。***13件。采用AFS成型技術，僅用12天就完成了整個制作。設計師將樣品安裝在車身上，經過仔細的評估和反復的比較，再次修改了產品的外觀，達到了理想的狀態。這種驗證過程使設計更加完善，避免了盲目生產造成的浪費。
2.裝配驗證:制作樣品，進行裝配實驗。天津壹家公司委托我們加工傳真機外殼和電話。用戶不僅要對外觀進行評價，還要將傳真機的內部零件放入樣品中進行組裝實驗和結構評價。公司首先選擇了傳統的加工方式，分塊加工和手工粘接。僅加工壹套電話聽筒就花了4000元，耗時20天。預計做壹個傳真機樣品需要2個月，費用2？5萬元。我公司采用快速成型技術，僅用15天就向委托方交付了壹套6件該產品。在裝配實驗中，用戶發現了七個裝配幹涉點和不合理的結構。兩種方法相比，傳統的傳真機BABS塑料裝配樣品加工方法工序多，手工拼接費時、費力、浪費材料、加工周期長。對於復雜的結構和曲面，加工粗糙，尺寸精度低，無法建立物理模型與設計模型的壹壹對應關系，因此很難在裝配實驗中檢測出設計誤差。自動成型方式自動化程度高，壹次成型，周期短，精度高，與設計模型壹壹對應，更適合樣品組件的生產制造。
3.功能驗證:我公司為某摩托車廠制造250雙缸摩托車氣缸蓋。這是新設計的發動機，用戶需要10個樣本進行發動機模擬實驗。該零件內部結構復雜，傳統機加工無法加工，只能鑄造。整個過程需要經過開模、制芯、裝模、鑄造、噴砂、機加工，和實際生產過程壹樣。其中，僅開模就需要三個月。這對於在時間和木材上制作小批量樣品是不可接受的。我們采用選擇性激光燒結技術，以熔模鑄造材料為成型材料，僅用5天時間就在快速成型機上加工出10件熔模鑄件，再用熔模鑄造工藝在10天後得到鑄坯。經過必要的加工，這臺發動機的試制在30天內完成。
4.快速鑄造:在制造業中，尤其是航空、航天、國防、汽車等重點行業中，* * *基礎的核心部件壹般都是金屬零件，有相當壹部分金屬零件是不對稱的，表面不規則或結構復雜，內部結構精細。這些零件通常通過鑄造或拆卸來生產。在鑄造生產中，模板、芯盒、蠟模、壓鑄模具的制造往往是通過機械加工來完成的，有時還需要鉗工進行修整，不僅周期長、費用高，而且從模具設計到加工制造都是壹個復雜的過程。如果出錯，就會導致全部返工。尤其是壹些形狀復雜的鑄件，如葉片、葉輪、發動機缸體、氣缸蓋等。，模具制造是壹個比較困難的問題。即使使用數控加工中心等昂貴的設備，在加工技術和工藝可行性上仍有很大困難。可想而知，這類零件如果試制或小批量生產，制造周期、成本和風險都將是相當可觀的。
激光快速成型技術已被證明是解決小批量復雜零件制造的壹種非常有效的手段。到目前為止，我們已經通過激光快速成型成功生產了包括鐘形件、葉片、發動機轉子、泵體、發動機缸體、氣缸蓋等1000多個掃描盤鉆孔零件。我們把快速成型和鑄造工藝的結合稱為快速鑄造工藝。圖5顯示了快速鑄造工藝和傳統鑄造工藝之間的比較。由於快速鑄造過程中不需要開模，大大節約了制造周期和成本。圖6示出了通過快速鑄造方法生產的燃氣第二動子的S形截面。該零件的直徑為80Omm，高度為410m。它是用傳統的金屬鑄造方法制造的。模具制造周期半年左右，成本幾十萬。采用快速鑄造法，快速原型鑄造投資7天(分6段)，組裝、裝配、鑄造10天，每件費用不超過20000(* * * 6件)。采用快速原型法生產的新型坦克增壓器的鑄造熔模，我們在五天內完成了37個蠟模的制作，使得整個試制任務提前了三個月。
5.翻轉成型:在實際應用中，很多產品只能通過模具加工。先做出產品樣品，再用成型機復制模具，是壹種省時又省錢的方法。發動機泵殼原型產品難以用傳統加工方法加工，必須用模具成型。預計開模時間8個月，費用至少30萬。產品設計錯了，整套模具就報廢了。我們用快速成型的方法為這個產品做了壹個塑料樣品，作為模具的母模來復制矽膠模具。將母模固定在鋁標模框內，倒入準備好的矽橡膠，靜置12？20小時後，矽橡膠完全固化，打開模框，取出矽橡膠，用刀沿預定分模線切開，取出母模，即成功復制出用於鑄造泵殼蠟模的矽橡膠模具。經過塗裝、烘烤、失蠟、壓鑄、噴砂，僅用兩個月就能制造出合格的泵殼鑄件。必要的加工後即可安裝運行，比傳統方法縮短整個試制周期三分之二，節約四分之三的成本。
6.樣品制作:制作展示新產品和進行市場推廣的產品替代品，如制作通訊、家電、建築模型等。
7.工藝和材料驗證:快速制作各種蠟模，用於熔模鑄造新工藝和新材料的探索和驗證，以及新產品制造所需輔助工具和部件的試驗。幾乎沒有余量的精密鑄造葉片的實驗品。首先用壹臺成型機根據不同的收縮率壹次性制作出葉片的幾個蠟模，然後進行塗蠟、編號、失蠟鑄造。通過對得到的葉片鑄件進行測量，重復幾次就可以確定不同材料的收縮率，為批量生產奠定了基礎。如果通過開模的方式進行實驗，其成本和周期都會大大增加。發動機的高速渦輪需要高材料和致密鑄件。利用激光快速自動造型機，制作了四個精密鑄造用蠟模，編號並塗上塗料，分別用不同比例的特種合金鑄造。對四種樣品分別進行了測試和比較，確定了材料的最佳配方。從建模到得出結果只需要壹個月。
8.逆向工程與快速成型:由成型機成型的摩托車前面板樣品，它包含壹個大燈和兩個側燈罩，它們與面板形成壹個完整的曲面。這是利用逆向工程進行零件詳細設計的典型例子。整個工藝流程是，首先建模者根據摩托車的整體形象要求，用汙泥制作概念模型，評價滿意後，用三坐標測量儀數字化。測量的數據用Pro/E軟件的Scantools模塊整理，轉換成曲線模型，再轉換成實體模型，計算出“細節”。最後由成型機構制成樣車模型，打磨噴漆後安裝在摩托車上進行外觀和裝配檢查。整個過程從完成坐標測量到樣品的獲取只需要壹周時間。此時得到的樣品模型與原來的油泥模型不同，變成了與實際零件壁厚、大小相同，具有完整的筋、孔等結構的零件模型，這無疑是比油泥模型的壹大進步。如果此時需要修改模型，只能在CAD系統上進行。當模型的外觀和詳細結構確定後，最終的模型數據可用於模具設計和加工。