第2章 快速成型技术及其在铸造中的应用
2.1 引 言
快速成型（Rapid Prototyping-RP）技术是国际上新开发的一项高科技成果，简称快速成型技术。它的核心技术是计算机技术和材料技术。快速成型技术摒弃了传统的机械加工方法，根据CAD生成的零件几何信息，控制三维数控成型系统，通过激光束或其它方法将材料堆积而形成零件的。用这种方法成型，无需进行费时、耗资的模具或专用工具的设计和机械加工，极大地提高了生产效率和制造柔性。
从制造原理上讲，快速成型（RP）技术一改“去除”为“堆积”的加工原理，给制造技术带来了革命性的飞跃式发展。基于RP原理的快速制造技术经十几年的发展，在创新设计、反求工程、快速制模各方面都有了长足的进步。RP技术的应用可大大加快产品开发速度，缩短制造周期，降低开发成本。 现代市场竞争的特点是多品种、小批量、短周期，要求企业对市场能快速响应并不断推出新产品占领市场，如新型电话机的市场寿命仅6个月，又如台湾和日本摩托车行业，每三个月就推出一种新型摩托车投入市场，摩托车几万辆就需改型。二十世纪九十年代以来，在信息互联网支持下，由快速设计、反求工程、快速成形、快速制模等构成的快速制造技术取得很大进展。
快速成形技术最早产生于二十世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的Alan J.
Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美国UVP公司的Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即用分层制造产生三维实体的思想。Charles W. Hull 在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为Stereolithography Apparatus (SLA)的完整系统SLA-1，1986年该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑。同年，Charles W. Hull和UVP的股东们一起建立了3D System公司。与此同时，其它的成形原理及相应的成形系统也相继开发成功。1984年Michael Feygin提出了薄材叠层（Laminated Object Manufacturing，以下简称LOM）的方法，并于1985年组建Helisys公司，1992年推出第一台商业成形系统LOM-1015。1986年，美国Texas大学的研究生C. Deckard提出了选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)的思想，稍后组建了DTM公司，于1992年开发了基于SLS的商业成形系统Sinterstation。Scott Crump在1988年提出了熔融成形(Fused Deposition Modeling，简称FDM)的思想，1992年开发了第一台商业机型3D-Modeler。自从80年代中期SLA光成形技术发展以来到90年代后期，出现了几十种不同的RP技术，除前述几种外，典型的还有3DP等。但是，SLA、LOM、SLS和FDM四种技术，目前仍然是RP技术的主流。
简述快速成型技术的应用
快速成型技术（Rapid Prototyping，简称RP）是一种通过计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）技术，直接从三维CAD模型中构建实物模型的方法。它在工业设计、制造、医疗、艺术等领域有着广泛的应用。
快速成型技术在工业设计领域得到了广泛的应用。传统的产品设计过程需要经历多个阶段，包括手工制作模型、校对设计、制作模具等步骤。而使用快速成型技术，设计师可以通过CAD软件直接生成三维模型，并使用快速成型机器将其转化为实物模型。这样不仅可以减少设计时间，还可以快速验证设计的可行性，降低产品开发的风险。
快速成型技术在制造领域也有着重要的应用。传统的制造过程通常需要制作模具，然后再进行大规模生产。而使用快速成型技术，可以直接从CAD模型中生成产品原型，然后再根据需要进行小批量生产。这种灵活的生产方式可以满足个性化定制的需求，提高生产效率，降低生产成本。
快速成型技术在医疗领域也有着广泛的应用。医生可以利用快速成型技术生成患者特定的三维模型，用于手术模拟、医疗器械设计等方面。这种个性化的医疗模型可以帮助医生更好地了解患者的病情，制定更精确的治疗方案，提高手术的成功率。
快速成型技术还被广泛应用于艺术创作领域。艺术家可以使用CAD软件设计出复杂的艺术品模型，然后通过快速成型技术将其转化为实物。这种技术不仅可以大大缩短艺术品制作的时间，还可以实现艺术家的创作理念。同时，快速成型技术还可以帮助艺术家实现雕塑、陶瓷等多种材质的艺术品制作。
快速成型技术在工业设计、制造、医疗和艺术等领域的应用非常广泛。它可以大大缩短产品开发周期，提高生产效率，降低生产成本。同时，它还可以帮助医生提高诊断和治疗的准确性，艺术家实现创作理念。随着技术的不断发展，快速成型技术将会在更多领域发挥重要作用，推动各行各业的创新和发展。
四种常见快速成型技术
FDM
丝状材料选择性熔覆（Fused Deposition Modeling）快速原型工艺是一种不依*激光作为成型能源、而将各种丝材加热溶化的成型方法，简称FDM。
丝状材料选择性熔覆的原理室，加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动。热塑性丝状材料（如直径为1.78mm的塑料丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热和溶化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。
这种工艺方法同样有多种材料选用，如ABS塑料、浇铸用蜡、人造橡胶等。这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，小型系统可用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。但仍需对整个截面进行扫描涂覆，成型时间长。适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。由于甲基丙烯酸ABS（MABS）材料具有较好的化学稳定性，可采用加码射线消毒，特别适用于医用。但成型精度相对较低，不适合于制作结构过分复杂的零件。
FDM快速原型技术的优点是：
1、操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。
2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。
3、尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配。可快速构建瓶状或中空零件。
4、原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。
5、材料利用率高。
6、可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、PC、PPSF等。
FDM快速原型技术的缺点是：
1、 做小件或精细件时精度不如SLA，最高精度0.127mm。
2、速度较慢。
SLA
敏树脂选择性固化是采用立体雕刻（Stereolithography）原理的一种工艺，简称SLA，也是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。
在树脂液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下会快速固化。成型过程开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度，聚焦后的激光束，在计算机的控制下，按照截面轮廓的要求，沿液面进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的塑料薄片。然后，工作台下降一层薄片的高度，以固化的塑料薄片就被一层新的液态树脂所覆盖，以便进行第二层激光扫描固化，新固化的一层牢固的粘结在前一层上，如此重复不已，知道整个产品成型完毕。最后升降台升出液体树脂表面，即可取出工件，进行清洗和表面光洁处理。
题目： 1、快速成型原理是什么？其技术有何特点？
2、按制造工艺原理分，快速成型工艺主要分成哪几类？
3、简述快速成型技术有哪些应用？
4、典型的快速成型工艺有哪几种？试分析成型工艺的特点。
5、反求工程的基本含义是什么？应用在那几个方面？
6、结合课程知识点，谈谈快速成型技术对新产品设计的作用。
1、快速成型原理是什么？其技术有何特点？
快速成型原理
RP系统可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。当然，整个过程是在计算机的控制下，由快速成形系统自动完成的。不同公司制造的RP系统所用的成形材料不同，系统的工作原理也有所不同，但其基本原理都是一样的，那就是"分层制造、逐层叠加"。这种工艺可以形象地叫做"增长法"或"加法"。
每个截面数据相当于医学上的一张CT像片；整个制造过程可以比喻为一个"积分"的过程。
RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。RP技术的基本原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。其成形原理分别介绍如下：
（1）SLA快速成形系统的成形原理：
成形材料：液态光敏树脂；
制件性能：相当于工程塑料或蜡模；
主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。
