RP 技术

一、快速原形法：建筑模型的下一个浪潮

作者：Matthew Phair（特邀编辑）

1952年著名的（和娱乐性的）《生活》杂志刊登了一副照片，电影院内座无虚席，观众带着一红一绿的卡纸眼镜，津津有味地欣赏立体电影。此后，计算机技术的发展，使得看三维图像大为方便。但对许多人而言实体模型仍不可或缺，尽管制作它要花钱和费时。

如今一项在制造工业中普遍应用的技术，已在社区建设的设计中崭露头角。这项意味着“打印”出三维设计的技术，无疑有着革命性的进展。

这项被称为快速原形法（RP）的技术，以其快速、准确和高效，使得过去需要花数星期构建的大型研究性模型，只需几个小时或几天。RP机器基本上是一台三维打印机，它能够在一层塑料树脂上刻绘出标有数据的精确的三维模型。原先一个模型制造者，照二维图纸，按比例构建需要四至五个星期，并花费几万美圆。如今运用RP技术，并不缩小模型的尺寸，设计小组和开发人员只需花很少的费用，就能得到他们的复制件模型。

RP 技术在工业设计上的应用已超过十年。但是仅仅一小部分制造模型的公司擅长为建筑师、开发人员和规划人员构建快速原形法模型。

科罗拉多州Minturn的激光绘图制造厂(LGM)就是这样的一家服务企业。它的建筑模型车间，因它的能耐为建筑市场提供了大部分的需求。

“三年前我们有了一台快速原形法打印机, ” 厂长Charles Overy 说道，这台机器能使用塑料树脂自动地刻绘模型。

LGM在制作建筑模型和开发应用中都使用这种机器。能在建筑设计的任何阶段使用RP技术，但是Overy建议在计划的早期阶段使用最为有效。

当紧迫地需要改变设计方案的时候，RP相当容易改换CAD数据的能力，和构建模型的快速与精确，所提供的服务就显得非常可贵。Overy说：“这真正是数字设计过程的一部分”。

如果建筑师或开发商有一组三维数据，LGM作为服务方，能提供后续的快速原形法部分。LGM与它的客户紧密配合，保证它们提交的计算机图形，能直接传输给RP打印机。如果客户没能提交三维数据，LGM能够从手绘图纸、打印图纸和CAD数据，构建三维的计算机模型图象。

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图注：在工业设计业中广泛使用的快速原形法（RP）技术，已进入建筑模型市场。这项技术使得过去需要花数星期构建的大型研究性模型，缩短为几个小时。例如RP构建的城镇住所的开发模型(见上图) ，只花了一个下午，并不足一千美元。（图片由LGM提供）

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最近LGM的主要客户中有来自科罗拉多州Eagle的建筑师约翰·G·马丁，他最新设计的一组城镇住所，使用了这种服务，利用AutoDesk Architectural Desktop 2004软件，马丁设计要开发的城镇住所的三维图象，并把文件e-mail给LGM。

Overy说：“我们在星期二下午收到数据，他在星期三早晨就拿到了可供修改的模型。”

马丁补充说：“花了不到一千美元，我在几小时后就拿回了非常好的模型。”

其它的支持技术

服务方如LGM还利用其它技术，与RP一起构建模型，尤其是在四面出击的开发和土地规划的项目中。

对于外形很大的地貌模型（4×8英尺或更大），我们经常使用三轴铣削法制造。Overy说：“我们采取三维Visual Nature Studio或者Form Z的计算机图像，并且按地表的数据设定刀具的铣削的途径。”

刀具按程序的指令铣削大块氨甲酰乙酯或聚苯乙烯泡沫塑料，基本上是工业工艺。LGM然后用建筑模型上的RP方法对已铣削的地貌形态，作进一步的加工。

最近加利福尼亚州Pasadena的Jacobs工程公司与LGM签订合同，为公司在亚拉巴马州伯明翰的南方研究所的项目，制造几件相同的大型模型。以直接来自Jacobs公司的三维CAD数据的几何图形为依据，运用LGM的内部RP技术和铣削能力进行制造。

制造的比例为1英寸代表45英尺，完工时模型的测量大小为48英寸×48英寸。LGM完成了Jacobs公司的目标，模型的造价低廉、和原型相似和容易理解，而这一切都是在不到二星期的时间内完成的。

Overy指出对于这种技术的另一种使用方法，即与地理区域分布很广的设计队伍合作，能够大大地增强项目的交流信息。

“我们一直寻求一种附带的益处，是我们能够廉价打印许多拷贝（或者模型）并把他们送达分布在世界各地的设计队伍的成员。”Overy说道：“他们人不挪动，就能见到相同的实物模型。”

打印模型的能力

RP机器使用建筑数据的难点，为是否能真正地打印计算机拟就的图像。最大的问题是比例造成的复杂性，可能造成模型打印的失败。例如，比例缩小时，墙体的厚度会非常之薄。

按照Overy的见解，大多数的RP企业为从事工业设计的客户服务。“而只有极少数的企业了解如何为建筑设计公司服务。”很不幸，其中的某些企业误导设计人员，声称能够打印数据，而实际上却打不成。这给RP在建筑上的应用，蒙上了阴影。

Overy解释道：“星期二下午，一位设计者将他最后定稿的有门有窗的计算机的图像交给服务企业，并希望能在星期五让客户看到模型，然而正是在星期五早晨会见客户之前，却发现这份图像无法打印。”

为了解决这个问题和类似的问题，LGM正在与主要的软件公司一起研究，开发CAD全景摄影术，即多方位网络转换程序。这一程序能为RP打印准备三维CAD文件，LGM公司现在已经在用这一软件为客户服务，预计到明年可出售该软件。

Overy说：“这一软件产品将使建筑数据的快速原形法比较更为容易。”

展望未来，RP制模方法将在缩短设计周期方面，给予建筑师、工程师和建筑管理者很大的帮助，同样也将为工业设计工程师提供帮助。如果出现屋顶不相匹配，或者窗户按在柱子中的情况，Overy说：“再设计一次也很容易和花费甚少。”

李枚华编译自《Building Design & Construction》Nov. 2004， P15－16

二、中国机械工程学会先进制造技术系列培训班在深圳 - 香港举行

2006 年4月18-22日在深圳—香港两地，由中国机械工程学会主办、诺维特机械科学技术中心承办了2006年先进制造技术系列培训班。这次培训的重点是“ 快速原型、快速制模及快速制造技术与应用 ”。来自全国各地的 36名学员参加了学习。培训班由中国机械工程学会组织人事处处长程维勤主持。

快速原型（ RP）、快速制模（RT）及快速制造（RM）技术是在现代 CAD/CAM 技术、激光技术、计算机技术、数控技术、多媒体技术、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高新技术，也是当今世界上发展最快的制造技术。RP、RT、RM技术在制造业企业的新产品开发活动中的应用，能大大缩短新产品的研发周期和新产品开发的一次成功，从而明显提高了产品在市场上的竞争力和企业对市场的快速响应能力。

针对我国制造业普遍存在的产品创新设计能力不足、新产品的开发制造周期过长、试制生产效率不高等问题，中国机械工程学会连续 5年分别在苏州、北京、贵州、海南等地举办RPM专题讲座培训班。旨在为企业提供共性的快速制造方法、工具和集成化系统，提高我国制造企业的产品开发与数字制造能力，累计近三百人次参加过培训。

这期培训班分理论课与实践课两个阶段。理论课在深圳进行，邀请该领域高层次专家授课，并与学员面对面交流讨论。培训内容是： 1、快速成形的应用和发展——清华大学机械工程学院的颜永年教授；2、快速成形应用与快速制模——华中科技大学材料学院莫建华教授；3、新产品快速开发技术——西安交通大学先进制造技术研究所唐一平教授；4、螺旋挤压熔融沉积快速成形系统及三维打印技术——同济大学机械工程学院刘光富教授；5、面向制造的快速成型技术——北京隆源自动成型系统有限公司冯涛总经理；6、快速制模和快速制造——上海美唐机电科技有限公司金天拾总经理；7、快速制造：一场无声的革命——比利时Materialise上海代表处陈建首席代表；8、选区激光熔化快速成形系统及初步工艺研究——华南理工大学机电系杨永强教授。

培训班的第二阶段为上机操作实践课，在香港理工大学工业中心进行。工业中心副总监朱锦标、高级工程师黄仲明、工程师卫汉华向学员全面介绍香港理工大学情况、工业中心发展概述和现状，以及快速产品开发技术。香港理工大学工业中心快速产品开发技术全面，快速原型技术种类有 SLA、FDM、DMLS、激光烧结和三维打印；在快速工模方面有硅胶模、树脂模和石膏模，采用数控加工、高速切削、电火花、线切割、MasterCAM等对板金件、金属件、塑胶件进行快速制造，经过抛光、电镀、氧化、喷漆等表面处理后产出成

品零件。学员在这里全面直观了解各项技术，与工程师们交流并上机实习，完成规定内容后，每人获得两个快速制造产品。

中国机械工程学会副理事长兼秘书长宋天虎专程到香港为培训班学员和香港理工大学工业中心师生作了题为《制造业发展的几点战略思考》的报告，受到与会代表的热烈欢迎。宋天虎副理事长强调： 我们必须深刻理解和清醒地认识到，自主创新是国民经济持续稳定增长的持久动力，是推进我国机械工业发展和振兴的重要保证。对于前沿高技术和产业核心技术，用市场是换不来的，用金钱也是买不到的，只有通过我们树立民族自尊心和自信心，大力开展自主创新才能得到。制造业是技术创新最为活跃的行业。

在美国，从 1963年到2000年将近40年的统计表明，制造业获得美国专利的数量，占全美专利总数量的90%。为此，活跃在制造业生产科研一线的科技人员要肩负起自主创新的重任。

　 RP/RM/RT培训内容要点介绍：

　　•  快速原型和快速制造领域发展和应用的趋势

　　　——清华大学机械工程学院的颜永年教授

　　•  金属板材的数控单点渐进成形技术

　　　——华中科技大学材料学院莫建华教授

　　•  新产品快速开发技术

　　　—— 西安交通大学先进制造技术研究所唐一平教授

　　•  螺旋挤压熔融沉积快速成形系统及三维打印技术

　　　——同济大学机械工程学院刘光富教授

　　•  车用发动机部件的快速制造

　　　——北京隆源自动成型系统有限公司冯涛总经理

　　•  快速制模和快速制造

　　　——上海美唐机电科技有限公司金天拾总经理；

　　•  Materialise 解决方案

　　　——比利时 Materialise 上海代表处陈建首席代表

　　•  金属构件选区激光熔化（ SLM）快速成型技术

　　　——华南理工大学机电系杨永强教授

　　学员小结： 集美大学机械工程学院 王大镇

　　学员培训小结摘录

快速原型和快速制造领域发展和应用的趋势

清华大学    颜永年   2006.4

纵观当前快速成形技术发展现状，可明显看出如下发展和应用趋势：

由于大量的原创性发明来自于中小企业，针对他们的需求设计制造快速成形设备成为该领域的一个重要方向。成形空间较小、价格较低、可靠性更高、操作简便甚至无需培训、材料和运行费便宜成为适于中小企业应用的RP设备所必备的条件。为此，国内外主要RP设备制造公司相继推出新设备，它们分别是Z Corporation公司的 Z310 plus、Stratasys 公司的Dimension系列和Prodigy plus、北京太尔时代公司的太尔 Print 3D和太尔mini Print 3D等。如太尔mini Print 3D，成形空间为130×130×130mm³，使用材料为ABS塑料，颜色多种（如白、红、黄等）、强度高、弹性好、操作简便;一键打印，无需培训;耗材仅为国外的1/2;设备小巧美观，无噪音和污染，宜于办公室使用;智能支撑，支撑易剥离;软件ModelWizard功能强大。

特种性能金属材料关键件的直接快速制造是快速成形技术发展的另一重要趋势，其特征：（1）成形材料为特种性能金属材料（钛、钨及高温合金）；（2）直接得到功能零件；（3）主要应用于航天、国防、医疗等领域。成形方法有三种：（1）激光选区烧结和熔化技术（SLS、SLM）；（2）激光熔覆快速制造技术（LENS、DMD、LAM、DLF等）；（3）电子束选区熔化技术（EBSM、EBM）。激光烧结的成形件强度不够高，而激光熔覆则强度高，但功率大（≥2KW）。电子束选区熔化技术具有能量利用率高、可成形材料广泛、真空环境无污染、成形速度快等特点，正受到更多的关注和研究。

微纳米加工正成为快速制造的新领域，日本大阪大学我国学者将双光子吸收与光固化RP相结合，用非线性方法获得了尺寸小于光学亚衍射限，达到120nm的微结构，完成了“纳米牛”。美国University of Illinois将微笔喷射与RP相结合，成型网状三维结构，丝径为0.5～5.0μm 清华大学利用激光捕获粒子或者细胞，与RP相结合，进行微米级结构堆积成型。

铸造工业是快速制造发展的老领域，近几年成绩颇丰。目前主要有基于微滴喷射的RP铸型制造和基于激光束的RP铸型制造两大类，前者的研究单位有清华大学和佛山峰华公司的无木模铸型制造技术（PCM）和美国ProMetal公司的快速铸型制造技术（RST）；后者主要有我国华中科技大学和北京隆源公司及德国EOS公司的覆膜砂激光选区烧结技术（Direct Cast）。PCM技术成本低、无需木模，型、芯同时成形、无起模斜度、易于制造含自由曲面的大型铸型（≈1500mm），而Direct Cast易达到较高的精度，铸型尺寸小（一般小于500mm），成本较高，能量利用效率低。

隐形牙畸正领域正在成为快速制造应用的重要领域。北京时代天使生物科技有限公司采用CXM-I型牙颌石膏模型层析设备和Auro-350光固化设备（北京殷华公司制造）和牙颌畸形过程计算机辅助诊断与矫治设计系统（OrthoDS，清华大学激光快速成形中心开发）完成研发，并投入运营。

生物材料快速制造是发展极快的RP新领域。清华大学开发的低温沉积制造LDM工艺将快速成形的离散-堆积原理与热致相分离法相结合完成具有精细分级结构的组织工程支架低温下成形，保持了生物材料的活性。采用LDM工艺完成了孔隙率达90％的聚酯-磷酸钙骨支架，与第四军医大学合作，进行了大段骨的损伤修复和大段人工骨诱导羊腰椎椎体间脊柱融合。多分支多层血管支架研究的进展也是生物材料RP成形技术的成就之一。

基于RP工艺，清华大学于2003和2005年分别完成第一代和第二代细胞三维受控组装机，多种类型的细胞及仿生外基质材料在计算机控制下，按设计的结构被排布成一种特殊的（合适的）空间结构，形成类组织前体，经培养而发育成具有特定生理、生化和力学功能的组织。细胞三维受控组装技术，是构建复杂组织器官、生物传感器和微生理系统的重要前沿技术。

 

                                             

金属板材的数控单点渐进成形技术

 

华中理工大学    莫健华

 

本次深圳培训班讲课的亮点在于金属板材的数控单点渐进成形技术。该技术获得国家自然科学基金资助、科技部科技型中小企业创新基金的资助，并获得中国发明专利。

该技术是一种无模具成形方法。其基本原理是引入快速成形制造技术“分层制造（Layered Manufacturing）”的思想，将复杂的三维数字模型沿高度方向分层，形成一系列断面二维数据，并根据这些断面轮廓数据，从顶层开始逐层对板材进行局部的塑性加工。加工过程是：在计算机控制下，安装在三轴联动的数控成形机床上的成形压头，先走到模型的顶部设定位置，即加工轨迹的起点，对板材压下设定的压下量，然后按照第一层断面轮廓，以走等高线的方式，对板材施行渐进塑性加工。在模型顶部板材加工面形成第一层轮廓曲面后，成形压头再压下一个设定高度，沿第二层断面轮廓运动，并形成第二层轮廓曲面。如此重复直到整个工件成形完毕（图1）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 这种成形技术很适合汽车新车型开发时，用于快速制造概念车的覆盖件。也适合航空业中飞行器的开发和制造；其他壳形件的快速制造。图2、3、4是用该技术加工的工件。

	图4 汽车翼子板覆盖件

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

螺旋挤压熔融沉积快速成形系统及三维打印技术

 

同济大学机械工程学院  刘光富

 

螺旋挤压熔融沉积快速成形系统

工作原理：螺旋挤压喷头在计算机的控制下，可根据截面轮廓的信息，做X-Y平面运动和高度Z方向的运动。丝状材料先由辊轮供丝机构送至螺旋挤压机构，再由螺杆推向喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性地涂覆在工作台上的制件基座上，快速冷却后形成截面轮廓。一层成形完成后，喷头上升一截面层高度，再进行下一层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。丝材经过两个增压过程，挤压力大，流量大且均匀。目前与企业合作批量生产，有普通型和增强型两个型号。产品在国内已经销售几十台，并远销日本、新加坡等多国。

螺旋挤压熔融沉积快速成形系统与同类其它系统相比，具有的优点：

（1）成形件尺寸大：280mm×250mm×300mm

（2）机器外形尺寸小：600mm×640mm×800mm

（3）机器重量轻：75kg

（4）独创无保温室成形：采用自行研发的特殊丝料，翘曲变形小，所以，不必设置保温成形室，大大简化了机器的结构，操作方便。

（5）无需单独工业控制计算机：不需工业控制计算机控制，只要将成形机上的R232接口与外部普通PC计算机相连，即可工作。

（6）采用高压螺杆挤压熔料，成形件的密实度高。

（7）支撑易于剥离：采用了独特的支撑结构与成形软件，因此，不必采用双喷嘴和昂贵的水解支撑材料，就能十分方便地从成形件上去除支撑。

（8）能在办公室环境中使用：体积小、重量轻、噪音小、无振动，无需保温室，所以，能在办公室环境中使用，如同普通打印机方便地直接与设计用计算机相连。

（9）成形机售价、丝料便宜：售价：18～22万元/台；丝料：440元/kg。运行和维护费用低。

三维打印技术

近年来，快速成形技术在国外又有了新的发展，特别是其中的三维打印式成形，它以铺设的粉末为原材料，在其上用喷头选择性地喷射不同的液体，从而构成工件的一系列二维截面，并且最终粘结成三维工件。三维打印式快速成形是快速成形技术的重要发展方向。

同济大学与企业合作研制了特殊材质难成形器件快速成形系统。该系统以三维打印式快速成形技术为核心，平面多关节机器人夹持快速可更换喷头在X-Y平面运动，实现供液系统选择性地喷射各种液体，将铺粉机构铺设的粉末材料选择性地粘接起来。在充分了解成形器件的性能与粉材成分、液体成分、梯度分布规律等之间关系的基础上，就可以灵活、方便地改变铺设的粉材和喷射的液体，快速成形生物组织工程三维微孔支架、可控缓释药物、复杂的人体器官模型，以及具有多种性能、在成分或结构上有不同梯度的特殊复杂器件。这正是航天工程、生物医学工程和制造工程等迫切需要解决的问题，特别是在生物医学领域，使用这样的系统建立那些特定材质的难成形器件几乎是唯一的选择。

三维打印机售价：20万元/台。

联系电话： 021-69589610，gfuliu@sina.com

Materialise解决方案

Materialise中国（上海）首席代表陈建  2006.4

比利时Materialise公司成立于1990年，作为当时第一批欧洲快速成型技术服务机构之一，长期以来Materialise一直致力于RP技术的开发，研究以及推广，处于世界快速成型技术的前沿。现在Materialise已发展成为全球RP快速成型/RT快速模具/RM快速制造解决方案的一大供应商，是这一领域的领导者。公司提供的解决方案包括RP前处理软件（Magics RP），模具报价（Tooling Expert）、设计、加工软件，数字化CAD (3Matic)等相关软件。

Materialise公司有三大核心竞争力：

RP快速成形/RT快速模具/RM快速制造的专家知识

数字化CAD(STL格式)自动化设计

基于医学的影像处理

Materialise的三大核心竞争力正是大批量定制化产品所需要的关键技术。现今RP/M技术已经从单纯的RP概念性验证设计往各个领域进行发展延伸，从而推动了定制化产品市场。Materialise公司从90年代RP技术刚起步时，就开始开展这方面的研究与应用:

唯一的专业化RP软件

正向工程概念及3Matic数字化CAD产品的推出

世界上最大的RP成型机器（Mammoth SLA 2100x650x780）

工业设计及快速RM制造高端灯具的应用

RP for Baghdad巴格达的RP医学援助项目www.rp4baghdad.org

种植牙导板的设计与RP工艺制作
欧洲乃至全世界最大的RP服务机构：一个地方拥有最多的36台RP机器,平均每天工业服务部门生产RP/M零件两千多件！真正体现了“快速”成型的特点

通过以上资料可以看出十六年间Materialise不断的推动RP/M技术的发展，逐步建立了RP服务，RP软件，医学影像处理软件，工业设计等完整的部门结构，在这方面积累了丰富的经验与知识, 在汽车工业，航太，生物医学影像处理，定制化工业医学产品设计，工业设计等各个领域都有着广泛的应用！

Materialise公司的产品线贯穿整个数字化流程的理念，这些前沿的理念及应用案例给与会的会员们很深的感受，Materialise还与香港理工大学Materialise培训应用中心配合，让会员们亲身感受了Magics软件在RP前处理上自动快捷的强大功能。

        

  Magics RP          3Matic          Mimics           Simplant
Materialise中国（上海）代表处

上海市浦东新区东方路800号宝案大厦1606室200122

      Tel: 021-58312406           Fax: 021-58312405

   Email:software@materialise.com.cn

车用发动机部件的快速制造

冯涛

北京隆源自动成型系统有限公司

 

1、引言

随着汽车产品更新换代节奏的加快，对汽车发动机新品的研发速度要求越来越高。

市场竞争的愈演愈烈也急迫地要求开发商和制造商对其成本和质量进行有效地管控，这就把许多面临地问题归结到制造技术和先进的工艺上来。发动机本身的结构十分复杂，包括大量复杂的铸件、锻压件等等，在发动机的开发过程中各种零件模具的制造都是生产周期最长，花费最多的环节之一。如果一旦发生设计更改必须进行修模甚至重新制作模具，这使得一款新发动机的推出往往周期很长。

现在，很多发动机开发商正采用快速成型方法生产发动机样机，这种方法省略了制作模具的工序，使发动机的研制周期大大缩短，一套发动机的主要部件，包括缸体、缸头、进排气管等在几周内就可制造完成，用于后期的试验研究，如果设计需要更改，只需更改CAD数据，在很短的时间内就可制作出修改后样机，进行进一步的试验评定。

2、快速成型技术

  快速成型（Rapid Prototyping,简称RP）技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数据成型系统。用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大的提高了生产效率和制造柔性。

快速成型的基本原理是离散叠加制造，一个零件不管其外形和内腔是多么复杂，都可以用一组平行平面去截该零件，得到一系列足够薄的切片，这些薄切片可以近似的看作二维零件模型，用不同的使能技术将这些薄切片逐层制作，同时使这些薄片按照一定的规则堆积起来就可以得到一个完整的零件。目前成熟的快速成型技术有很多，这里仅介绍最适于发动机部件制作的选区激光烧结（简称SLS）方法。

选区激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)是利用红外激光光束所提供的热量熔化热塑性材料以形成三维零件。

选区激光烧结的原理如图1所示。加工开始时先将一层很薄(100μm～250μm)的热塑性粉末均匀地铺在工作平台上，辅助加热装置将其加热到熔点以下的温度，在均匀的粉末表面，计算机控制激光按照零件当前层的信息扫描，激光扫描到的地方粉末烧结形成固体，激光未扫描到的地方仍是粉末，可以作为下一层的支撑并能在成型完成后去除。上一层制作完毕后成型活塞下降一层，供粉活塞上升，用铺粉滚筒将粉体从供粉活塞移到成型活塞，将粉体铺平后即可扫描下一层。不断重复这个辅粉和选区烧结过程直到最后一层，一个三维实体就制作出来了。

 

                             

选区激光烧结的最大特点一个是成型过程与复杂程度无关，因此特别适合于内部结构极其复杂的发动机缸体、缸盖、进排气管等部件；另一个重要的特点是成型材料广泛，特别是可以用铸造的树脂砂和可消失熔模材料成型，因此，可以通过与铸造技术结合，快速铸造出发动机的部件。

3、         快速铸造技术

  尽管快速成型技术有效的解决了复杂零件的成型问题，但由于快速成型本身工艺成型材料的限制，使得通过快速成型得到的零件很难与实际最终零件的材料一致。在零件的各项性能指标方面也无法达到最终零件的要求，因此直接通过RP技术得到的三维实体一般只能作为可视模型和装配模型，而不能作为功能样机进行各种测试和使用检验。

  快速铸造（Quick Casting 或 Rapid Casting）技术是将快速成型与传统铸造技术有效结合快速制造复杂金属零件的技术。发动机的缸体、缸头一般都是铸造产品，利用快速铸造技术可以在很短时间内得到与最终产品材料一致、性能接近的发动机产品供测试与检验。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

快速铸造的工艺流程如图2所示，利用选区激光烧结实现快速铸造的途径有二条：一个是通过激光直接烧结铸造用热固化树脂砂，再通过砂型铸造得到铸件；另一种方法是用激光直接烧结可消失的树脂粉末或蜡粉，再通过精密铸造工艺得到铸件。这两种方法的共同特点都是省略了模具制造。因此，如果用于单件或小批量的生产，生产周期大大缩短了。

  用快速成型的方法制作砂型，首先要根据零件的三维CAD毛坯模型设计出组合砂型模型。为了与后续的批量生产工艺靠近，砂型模型应尽量与通过模具制作的砂型模型保持一致，将砂型模型的各部分经过软件的分层处理转换为快速成型设备的加工文件，就可以进行激光烧结成型了。

图3是激光烧结成型的一个复杂砂型。成型用的树脂砂与通常使用的热固化树脂砂极为相似，只不过对砂的粒径分布和形态，树脂成分及表面处理等方面有更严格的指标。成型时的层厚一般为0.2mm，精度可控制在±0.25mm以内。由于激光扫描的速度很快，树脂在成型时不能达到完全固化。成型后将未烧结的浮砂清除后，砂型一般要放到加热箱中进行二次固化。经二次固化后的砂型可达到与射芯机制得的砂型相同的性能。由于发动机的部件大多采用砂型铸造，因此快速砂型铸造已成为发动机样机试制的最常用和最有效的方法。

采用熔模快速铸造的方法是用50－80μm的可消失树脂粉末或蜡粉为原料，将零件的三维CAD毛坯模型直接进行分层处理后，用激光将粉末直接逐层烧结成与零件毛坯一致的精密熔模，再将熔模直接通过石膏型或陶瓷型壳铸造得到所需要的铸件。采用快速精密铸造制作的零件表面质量好，精度高，不需要设计砂型模型等步骤，工艺过程相对简单。同时由于零件毛坯的体积往往小于砂型的体积，因此用SLS直接成型熔模较之成型砂型速度更快，成本相对更低。但是熔模铸造一般比较适合于薄壁零件，对于厚壁零件往往因冷却速度慢导致出现缩松等铸造缺陷，因此这种方法在发动机部件的制作中一般用于进排气管等相对壁厚较薄的零件，图4是用可消失树脂粉直接烧结成型的发动机进气管的铸造熔模。

4、         应用案例

图5是用快速精密铸造方法制造的铝合金进气管零件。从收到零件的三维CAD数据到毛坯完成仅10天时间，其中零件熔模的快速成型1天，熔模铸造7天，其他后处理及检验2天。进气道是发动机极其重要的组成部分，由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进行气道试验。传统的方法是加工出十几个或几十个截面的气道木模或石膏模，再翻制成砂模铸造出气道。对气道进行试验找出不足后，还要重新修改模型。如此反复，费时费力，而且精度难以保证。采用快速成型方法，可一次性地提供一组不同曲面的CAD数据，通过快速铸造，同时得到一组进气管零件。经过测试，得到一组不同气道结构的全面的数据，从而筛选出最佳的气道方案，这样大大加快了研制速度。

相对于汽车进气管，发动机的缸体和缸盖结构更为复杂，但是快速成型的最大优点就是与复杂程度无关，越复杂的零件越适合快速成型制作。由于缸体、缸盖的内部结构复杂且壁厚相对较厚，制作这些零件的最佳方法是快速砂型铸造。图6和图7是用快速砂型铸造获

得的一组缸体和缸盖的铝铸件。此类零件的制作周期平均约2-3周。由于铸造工艺与最终生产工艺极其相近，零件的尺寸精度和机械性能与最终产品零件具有很强的可比性。因此，快速砂型铸造的缸体缸盖可直接用于发动机的各种评价试验，如对气道进行流动分析，对水道进行冷却性能测试。

5、结语

快速成型与铸造技术结合，衍生出快速铸造技术，其工艺特征是简捷、准确、可靠和具有延展性，可有效地应用于发动机设计开发阶段中样机的快速制造。其适合单件和小批量试制和生产的特点，可迅速响应市场和提供小批量产品进行检测和试验，有助于保证产品开发速度。其成型工艺过程的可控性，可在设计开发阶段低成本地即时修改，以便检验设计或提供装配模型。有助于提高产品的开发质量，其快速成型原材料地多元性，为产品开发阶段提供了不同地工艺组合，由于SLS原材料的国产化和成型工艺可与传统工艺有机结合，有助于降低开发成本，其组合工艺的快捷性，支持产品更新换代频次的提高，有助于推动产品早日进入市场。

金属构件选区激光熔化（SLM）快速成型技术

华南理工大学机械工程学院焊接研究所  杨永强

 

1.选区激光熔化技术原理

快速成型（RP - Rapid Prototype）技术近些年来发展起来的一种先进制造技术。它是CAD、数控、激光和新材料等学科的集成。是自动化原型快速制造技术，它是由CAD模型直接经过特殊的生产工艺制造出复杂形状三维实体零件的技术总称。

选区激光熔化（SLM -Selective Laser Melting）是一种金属件直接成型方法，是快速成型技术的最新发展。该技术基于快速成型的最基本思想，用逐层添加方式根据CAD数据直接成型具有特定几何形状的零件，成型过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合。该技术突破了传统加工方法去除成型的概念，采用添加材料的方法成型零件，不存在材料去除的浪费问题；成型过程不受零件复杂程度的限制，因而具有很大的柔性，特别适合于单件小批量产品尤其医学植入体的制造。SLM技术需要高功率密度激光器，聚集到几十微米大小的光斑，由于材料吸收问题一般CO₂激光器很难满足要求，Nd:YAG激光器由于光束模式差也很难达到要求，所以SLM技术需要使用光束质量较好的半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器，功率在100W左右，可以达到30～50μm的聚集光斑，功率密度达到5×10⁶W/cm²  以上。

2.选区激光熔化（SLM）技术特点及技术指标

这种方法是在选区激光烧结（SLS）基础上发展起来的，但又区别于选区激光烧结技术，关键技术特点体现在如下几个方面：

l         直接制成终端金属产品，省掉中间过渡环节；

l         可得到冶金结合的金属实体，密度接近100%；

l         SLM制造的工件有高的拉伸强度；较低的粗糙度（Rz30-50mm）,高的尺寸精度（<0.1 mm）

l         适合各种复杂形状的工件，尤其适合内部有复杂异型结构（如空腔）、用传统方法无法制造的复杂工件；

l        适合单件和小批量模具和工件快速成型。

3.选区激光熔化（SLM）技术用途

选区激光熔化快速成形技术是模具或金属零件的一次成形技术，也是简化中间环节的终端技术。是激光快速成形发展的必然趋势。生产出的工件经抛光或简单表面处理可直接作模具、工件或医学金属植入体使用。该技术将主要应用于模具产品的快速开发应用，原型的快速设计和自动制造保证了工具的快速制造。无需数控铣削，无需电火花加工，无需任何专用工装和工具，直接根据原型而将复杂的工具和型腔制造出来，一般来说，采用选区激光熔化快速成形技术，模具的制造时间和成本均为传统传技术的1/3。并且该技术在复合材料、梯度材料的工件实体制造也有很好的发展潜力。

4．知识产权状况

已获得实用新型专利ZL200420094739.5

 

5．选区激光熔化快速成型系统样机技术指标及照片

激光器	类型	半导体泵浦YAG激光器	成型室	成型尺寸	240×240×440 mm
	波长	1．06mm		分层厚度	0.02-0.3 mm
	最大功率	200 W		储料容积	45 L
	功率控制	连续可调		成型材料	金属粉末
	激光冷却	水循环	冷却装置	制冷量	5000BTU/h
光路及扫描系统	焦平面光斑	50－100mm		水流量	36 L/min
	同光路指示	半导体激光	整套设备 尺寸	主机	136×169×72 cm
控制系统	工控机	P4		控制柜	188×60×80 cm
	控制软件	AFSWin2.0		水冷器	53×86×75 cm
工作环境	室温
电源	380V，三相四线，6 KVA

 

6．SLM快速成型金属零件实物照片

 

 

 

 

  

   联系电话： 020－87111036，020－87114484

   Email: meyqyang@scut.edu.cn

三、快速成型及复模技术的应用

力明制造有限公司

众所周知，玩具业及家电业在中国已经建立了举足轻重的地位。中国玩具的出口量很大，全球75%的玩具都在中国生产，而广东省更是中国最大的玩具产地。玩具业一向讲求创新、生产迅速、质量需求极高。制造商每每要与时间赛跑。为了避免长期地疲于奔命，制造商开始寻求各式各样能提高生产效率的技术。另一方面，家电业算得上是中国最先进、最成熟的行业了。家电品牌早在20年前就出口到国外。在规模化生产的趋势之下，家电企业之间的竞争已经跨越了简单的产品比拼，较量在成本、服务、科技等方向展开。快捷的市场反应、强大的制造能力、精益求精的成本控制、迅速的产品交付、更好满足消费者需求的产品设计与技术的应用，都在不同角度上提高企业的竞争力。在这两大支柱产业中，制造商为了在保证高质量设计的前提下，提高开发速度，缩短开发周期，不约而同地将关注点落在了原创设计模型——手办的制作上。 手办（GARAGE KIT），也称首办或手版。一般来讲，它是用来表现原型设计的，所以不会量产。一套手办模具一般只能生产20～25个产品左右，如果需要再生产则要重新开模。手办的原料大多使用树脂或者软胶材质，该原料生产的白模手办有非常好的手感，产品很少有气泡。白模颜色是不会发黄发暗，也不会太亮，非常光滑，比pvc或者塑料重些。在打磨的时候也不会发出难闻的气味。另外，手办一般都不是完成品。由于少数成产以及材料费的关系，而且在开模的复杂度上有着很高的难度，这比普通的塑料模型昂贵许多，组装和涂装也需要相当技巧。 图为跟注塑品类似的带有颜色的复件(光面) 然而，以上只是对手办粗浅的介绍，而手办的用途才是厂商关注的重点。玩具业中手办本身就是一种高附加值的商品，在家电业中，手办的优劣直接决定了最终产品的选型，可谓重任在肩。随着新技术的采用，手办的制作方式也在悄然发生着改变。比如快速成型技术能在短时间内制造手办，而且由于其制作真实度高，能协助制造商有效缩短产品开发周期，提高竞争力。现在，让我们从有多年手办制造经验的力明快速制造技术有限公司,来了解一下手办的新技术，以及其在中国玩具业及家电业的应用趋势。 从美国选购之选择性激光烧结系统: 2500 plus 用尼龙物料所制成的SLS 手办 传统手办制作方式 一般传统的玩具手办制造程序是在获得彩图后，发给手办师傅打造手办。经客户确认后，从结构、测试及生产等主要关键问题深入研究大批量生产的可行性。在这个过程中时间掌握方面必须控制得宜，因一般开发期只有1至2个月，如制作过程中有任何偏差，会直接影响生产进度，长期来说绝对是不健康的发展模式。 至于家电手办，由于技术及材料的限制，传统方式制造的手办只能在外观方面满足制造商的要求，而在功能测试方面提供的真实数据却非常有限。这对于了解成品的实际功能及安全度不足。在制造手办的时间方面，家电业跟玩具业一样，也面对手办制造时间过长的问题。 快速成型技术 目前，市面上已有很多三维软件去协助产品开发，而比较普及的是SLS（Selective Laser Sintering 选择性激光烧结技术）及SLA（Stereo Lithography Apparatus光固化激光扫描技术）。快速成型技术可缩短产品开发周期及提高自动化。除了时间是接订单的关键外，手办的真实感及质量也是一个影响客户下订单的重要因素，因为外形及颜色配搭绝对是玩具产品的灵魂。 对家电手办而言，除了真实感及质量外，其结构组合及能否提供功能测试也是重要的环节。家电手办结构要准确，能安装真实的零件做功能测试，比如温度、强度、韧性等测试，以保证成品的安全。 复模技术制成逼真手办 复模也是比较普及的手办制造技术，目前广泛应用于制造玩具及家电手办。复模的优点是不怕被刮花，能提供超过20种不同的物料 (PVC、ABS、 PMMA、PP、PE等)，相比喷油的质量更高，适合作小批量生产的产品，从5～300件，真实感之高可媲美注塑件。 力明在东莞自设厂房, 备有优质快速成型系统及经验丰富的专业技师专心研发高质素复模技术。根据产品的复杂度及大小而定，手办的制造时间为3～4天。由于家电的尺寸一般比玩具要大，所以制造手办的时间也会长一点。总的来说，力明使用的技术相对传统的手办制造方式要短，这样就可以更有效的对产品的外观、功能、可行性、颜色配搭等细节做出评估，从而尽早做好准备及拟订产品的发展方案及市场策略。 备有多款已调好颜色的色办, 以供客户选择 另外，在手办颜色上其实也大有文章可作，比如研发带颜色/花纹的复模技术。SLS、SLA及复模技术都面对同样的问题，就是手办一般是没有颜色的。不过，厂家对复件的真实感却有很高的要求。有鉴于此，力明的专业技师研发了一种高质素的复模技术——带颜色/花纹复模技术(Self Color、Self Texture)。这种技术是运用硅胶模具复出注塑真品质量及效果的模型。为了保持复件之真实感, 力明的复件并不是复出来后才喷色，而是和注塑件一样原色制造出来。颜色是在注型前依据客户的要求调好；表面效果更备有光面、粗柔火花纹等多元化选择。 这个电钻也是自带颜色的复件(火花纹面) 材料也是制造手办的重要元素之一。而硅胶是制造硅胶模的主要材料。 因为成本问题, 一般手办公司均采用较便宜的材料来制造硅胶模, 结果生产出来的复模不是变形，就是尺寸不符，质量不好，达不到标准。经过多番测试及物料比较, 力明还是决定采用来自欧洲AXSON公司的手办材料。 为了满足客户对玩具外表及美观的要求，力明最近更提供手工雕刻技术。雕刻师傅按照厂家提供的二维或者三维图样，从无到有的把玩具雕刻出来。需要的时间比快速成型及复模技术要长一点（视复杂程度而定，大概要3～7天），但是真实感非常高。材料方面主要使用油泥。雕刻出来的玩具模型可以通过复模的技术作小批量生产。 图为已啧油的透明游戏机面盖 雕刻师傅按照厂家提供的二维或者三维图案，把玩具手办雕刻出来 玩具业对手办的要求是外观及真实感，而家电业就在外观以外，对手办的结构及功能测试也非常重视。目前制造手办有好几种方式，而每个方式都有他的优点及缺点。因此，设计工程师们除了了解制成精美的手办所需最新的制作工艺外，还必须了解自己的需要，选择最合适的方式制造手办。 有关力丰集团及力明制造有限公司 力丰于1967 年成立，主要从事机床及相关产品，以及电子生产设备的贸易及安装。多年来一直与全球著名的供货商建立稳固关系，提供一系列广泛的产品及增值服务。力明快速制造有限公司是力丰(集团)有限公司的全资附属公司，致力提供高质素功能及外观手办。力明已为多家著名玩具及家电制造商提供有色、有纹的复件服务。力明的宗旨是为制造商在产品开发上提供一站式的手办服务。 (http://www.newmaker.com)

 

四、3D彩色打印技术

Mr. Tom Clay, Z Corporation CEO

能简单介绍一下3D打印技术和Z Corporation的历史吗？ 早在1994年，几个MIT的科研和技术专家发明了3D打印技术，1997年公司正式成立，那也是我加入公司的时候。从1998年开始真正有了商业销售到现在，公司已经达到4000万美金的年销售额，并被Inc. Magazines列入了美国500家发展最快的私营公司名单。 Mr. Tom Clay 谈到所谓3D打印，有很多种实现技术。Z corp.的技术是其中一种最符合通常人们对打印概念理解的3D成型技术，其原理就是将产品一层一层地打印出来。3D打印的用户主要来自CAD软件的使用者。人们通常希望不仅能看到计算机中虚拟的设计模型，还能在最快时间内看到真实的模型实物。这就是Z Corp.存在的意义。在很短的时间里，原来客户打印在纸上的图样用很低的成本就变成了现在的彩色实体模型。虽然有其他厂商也提供各种3D打印业务，但严格意义上说，我认为其他技术提供者提供的产品应属于各种革新的快速成型技术，和z corp.的打印技术有本质区别。 3D打印机的应用地位和其他快速成型机也有区别，客户可能乐意使用快速成型技术在设计的最后阶段生成一个最终的成品模型。但在设计初期，用只需一半乃至1/10的时间和成本的3D打印技术打印模型更具综合优势。很多代工、ODM企业都在使用它，比如中国台湾著名的宏基（HTC）公司。其为世界上很多著名的手机品牌设计产品。在各款产品的样品中，内部的功能设计并没有明显区别，区别在于设计的外形、颜色、款式等。宏基非常看重他所服务的代工客户对这些设计的满意度，所以它使用z corp.的3D打印技术制作样品。应该说3D打印技术是一种有益于设计交流的技术。而打印时间短也为产品开发的甲乙双方提供了多次讨论设计的空间。 Z Corp. 最近在美国获得了Shingo奖，这是一个什么样的奖项呢？ Shingo奖是美国全国性的有关精益制造的奖项。Z corp.是本区域的四个获奖者之一。当然，这些获奖者是站在不同的角度，通过独立的技术，为有效地实现精益制造提供解决方案，使生产真正做到高效、安全、直接和快速交付。 您是否认为未来某一天，3D打印机能像现在普通的打印机一样普及，让人在工作中倚重它吗？ 会的。Z Corp.致力于改变人们设计产品和交流的方式，就像低成本喷墨打印机和激光打印机改变了我们的办公方式一样。这当然要有个过程。就像现在纸介质打印一样，开始从点阵式发展到喷墨式、在到现在的激光打印。颜色也是从开始的单色打印到现在的彩色打印主流市场。3D打印的应用领域非常广泛，除了产品开发外，电影动漫、气象、教育、外科医疗领域等都能用彩色的3D打印机制作模型、沙盘等。3D打印机的发展前景很好，我们公司的持续50％以上的高增长率就能说明问题。 这种快速的3D打印技术是否成熟？贵公司在未来将在哪些方面继续创新呢？ 虽然现在还没有一家厂商能像z corp.一样提供彩色的3D打印。但这项技术目前已经很成熟了。高速度、低成本的24位全色打印、支持600x540dpi的打印精度。另外，如果客户比如NASA、波音需要打印超大的产品模型，我们可以提供分解打印，再将成品进行拼接。如果用户的大型件有很多的组合、安装，设计人员可以在打印前预设拼图结构，便于成品的拼接。另外，打印模型的颜色不只是表面的一层，而是若干层，但中间部分又可以选择更低成本的无色原料，这样既不用担心表面的颜色脱落，又节省彩色原料。 和其他技术发展一样，3D打印即使成熟但仍然有提升空间。回头看，起初我们只能提供单色打印、精度也没有这么高，但现在一切都不可同日而语了。可以确定，未来我们依旧会在精度、色彩方面不断地创新、进步。 耗材是否环保？是否容易买到？ 所有的打印耗材都是环保的。未使用的材料均可回收，可进一步降低材料成本。中国用户可以从我们的供应商处买到各种耗材，也可以向美国直接订货。 (http://www.newmaker.com)

 

五、基于随形技术的快速制模工艺优化软件研究

张李超 陈建树 黄树槐

引言

快速制模是一种基于快速成形(RP)技术快速模具制造方法。它可分为在RP系统上直接制模和利用RP原型件间接制模2种方法，间接制模可制作硅橡胶模、环氧树脂模等。优质硅橡胶和环氧树脂目前都是相当昂贵的材料，在此提出了一种可以显著降低间接制模材料消耗，并提高分层实体制造(LOM)加工原型件速度的优化方法。

1 随形技术思想

用LOM原型件制作硅橡胶软模时，传统的制模方法是将LOM原型件直接放在较为规则的型腔中，在这两者的中间部分填充制模材料。对于外形不规则的原型件和薄壳原型件，采用这种制模方法会造成充型材料的极大浪费。如果型腔是根据RP原型件的外围形状定制而成的，那么最终所用到的充型材料就会减少，充型成本将大幅度降低。由此提出一种思路:在使用RP设备加工RP原型件的同时，制造出一个与之相配套的型腔，空型腔与RP原型之间有着一定的间隙以便填充制模材料，对于薄壳件或者原型件中存在大孔洞的情况，则在制作LOM原型件的时候，在原型件空腔部分做一个缩小的随形填充块，填充块不与原型件接触，且有一定的间隙，在充型时将填充块放入对应的孔洞中。这样充型材料将大幅度减少，可以节省昂贵的硅橡胶，并且由于添加的随形外框与填充块是与原型件作为一个整体在LOM设备上同时加工的，不仅不会增加额外的制造成本，反而会由于外框和填充块不需要划分网格，能显著减少LOM中划分网格的时间，提高了加工速度，并且减少了激光器的损耗。

将截面上的截面轮廓环做出适当的偏置，内环内偏，外环外偏并将偏置环添加到截面轮廓中，然后除去自交环从而得到随形外框和随形填充块，是分层实体制造的一种随形方法，这种方法可以全自动生成随形外框，但若制件形状稍微复杂一点，自动生成的随形外框轮廓将非常复杂，影响加工速度，并且LOM原型件将非常难以取出来。因此采用一种交互式CAD技术设计随形外框和填充块的方法来解决这个问题。

2 随形CAD软件关键技术

HRPCAD是华中科技大学推出的HRP系列快速成形软件中的随形外框与填充块设计专用软件，它输入STL实体模型，然后使用人机交互的方式针对这个模型的形状选择最优的加工方向，然后再由操作人员根据自己的知识和经验用鼠标输入最合适的随形外框及填充块的大致轮廓，再由计算机软件自动将其拟合光顺，并输出整合外框与填充块的最终STL模型。HRPCAD使用VisualC++平台开发，3D图形界面(包括三维模型显示及点线面的拾取等操作)采用OpenGL技术实现，人机交互过程主要使用职责链模式和命令模式实现。

2.1 随形外框生成

外框的生成过程是首先确定外框的各个参数(外框的拔模型斜度，倒角半径等)，确定加工方向并进行模型变换，然后输入外框的形状，最后进行三角划分生成外框模型。在定义一个外框的时候，首先确定原型的生长方向，即零件在LOM成形时的生长方向，然后在此方向上填充外框。HRPCAD采用的方法是首先在实体模型上选择3点来确定一个平面，并以此平面的法向矢量作为生长方向。

为方便用户定义随形外框内轮廓，HRPCAD首先使用容错切片算法获得实体模型的切片轮廓，并自动提取出其外围轮廓，再使用激光光斑半径补偿算法对其进行外偏置并光顺化，从而获得参考的随形轮廓。用户可在其基础上通过拉动特征点的方式进行修改，也可根据经验自行重新设计外框内轮廓。再按照指定参数将该轮廓环向内偏置一定的距离后形成下表面的内轮廓环。最后将端面与侧面进行三角网格划分后就形成了随形外框。

2.2 三角网格划分

三角划分的基本过程是首先判断绘制的轮廓环的方向，如果是顺时针就不变，否则将其变为顺时针，将外环与内环距离最近的点K1和K2相连构成双向边Edge(K1，K2)和Edge(K2，K1)使其成为一个外环，然后将这个外环进行三角网格划分即可。

平面三角网格化的形成算法有多种，较好的一种是采用平面上的有界区域的Delaunay三角剖分法形成三角形网格。Delaunay三角剖分法算法能对凸域和凹域自动地进行三角形网格化，具有三角形结果惟一、程序简单和运行稳定可靠的优点，能有效地对给定的有界区域进行三角形网格化。在实际应用中，也可采用基于转角法的三角形网格化算法:从轮廓上一点Ti出发，以前后2点Ti-1，Ti+1形成边矢量TiTi+1及TiTi-1，计算并找到前后2条边夹角小于180°的顶点，并将前、后2点与该点组成三角形，判断是否∠PiPi-1Pi+1≥PiPi-1Pi-2或∠Pi-1Pi+1Pi≥Pi+2Pi+1Pi，若不是，则输出三角形并删掉该顶点，再找到下一个满足前后2条边夹角小于180°的顶点;若是，则节点下移。重复上述过程，直到顶点处理完毕。

由于随形外框的内侧面需要有一定的斜度，上表面的内轮廓环与下表面的轮廓环有一定的偏移值，这2个轮廓环虽然很相似，但上下表面中的内环上点的个数不一样多，所以不能直接把对应的点用三角形连接起来。HRPCAD采用最短对角线法来三角化侧面，首先选择上轮廓环上具有最大夹角的点作为连接起点，并在下轮廓环找到与该点最近的点作为起始边，然后按照三角形最短的法则找到下一个点将它们组成三角形。

2.3 自定义填充块生成

随形填充块主要是填充原型件中有孔洞的地方，所以要求生成LOM原型件后填充块能很容易取出来，而且要尽可能地节省硅橡胶，以上2条是相互制约的。要容易取出，则需随形的填充块要尽量外大内小，生成的块尽量简单。要尽可能地省硅橡胶，则生成的自定义体尽量靠近零件并与零件空腔形状一致。在一般的CAD软件中有旋转和放样造型的功能，旋转方法生成的填充块不一定能满足有些斜孔的情况，放样的方法生成的填充块不能保证外大内小。HRPCAD系统结合这2种造型方法来生成填充块，用户需使用交互式的方法确定填充块的基平面，主轮廓环、母线和中心轴线等信息，然后由软件进行三角网格划分生成填充块模型。

对如图1a所示不规则模型，使用HRPCAD软件可在5min内设计出如图1b所示的随形外框 和自定义填充块，然后就可生成STL模型文件交付给HRP系统软件进行加工。

(a)不规则的STL模型 (b)随形外模框与填充块
图1 HRP-CAD示例

3 结束语

使用该优化技术不仅大幅度降低了昂贵的硅橡胶的消耗，并且由于随形外框和自定义填充块减少了LOM网格的划分，实际加工速度可以提高10%左右，此外它简化了LOM废料的剥离工作，随形外框和填充块可以很方便地一次性取出，如图1a所示的模型按照常规方式加工，废料一般需要2h才能完成剥离工作，而采用本软件优化制造后，剥离时间可缩短在1h以内。

六、基于木粉的快速成型方法

陈晶 郭艳玲

在自动化、信息化高度发展的现代社会，人们对产品的需求日趋多样化，产品争夺市场的竞争越来越激烈，要求更新的周期也越来越短，这就要求设计者不但能根据市场的要求设计新产品，而且能在尽可能短的时间内制造出原型，以便进行必要的性能测试，同时在征求用户意见的基础上做出相应的修改，最后形成能投放市场的定型产品。这样就在激烈的市场竞争中占有先机，抓住机遇，赢得客户。传统的制造方法是采用材料去除的思想生产原件，经过一系列的车、铣、刨、磨等加工过程完成，这样生产出来的原件成本高、周期长，已不能适应日新月异的市场的变化。而快速成型技术在本质上改变了这一传统的制造思想，采用添加材料的加工方法，在制造思想上得到了解放，是一种新型的三维模型制造方法，只需用三维CAD系统建模，生成产品的三维计算机图形，再进行分层处理，通过对成型机的控制即可精确地制造出极为复杂的工件，是一门具有强大生命力的新技术。

1 快速成型技术目前存在的不足

快速成型具有快速性、设计制造一体化、自由成形制造、高度柔性、材料的广泛性、技术的高度集成等优点。像任何一项新技术的产生一样，都要经历逐渐完善的过程，快速成型技术目前正处于这一关键阶段，存在着一些不足。主要集中在下述几点上：

1．1材料成本高

就日前已有的几种快速成型技术来看，普遍存在材料成本高的问题，其中分层物体制造(LOM)的材料最便宜，9.63—17.08美元／kg，材料价格最贵的是立体平板印刷设备(SLA)和熔积成型(FDM)，250-458美元／kg，选择性激光烧结(SLS)的材料价格居中。

清华大学开发研制的低温冰型快速成型方法，以水为原料，价格低廉，成型原件的精度也好，但同时受到低温的限制，还不能在各领域广泛地使用。

1．2 设备价格和系统运行成本高

目前一台快速成型设备需30—50万美元，还不包括系统运行时所需的保护气体、水电动力、房屋、备件和维护费用，以及设备折旧费等。对于采用激光作成型源的RP系统，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2000h，紫外激光管的价格达上万美元。另外，由于成型原件在其强度、表面质量等性能在有些情况下还满足不了应用的要求。为了弥补直接成型零件的一些不足之处，我们往往投入大量的人力、物力进行必要的后处理，提高成型件的强度和表面光洁程度。

基于目前快速成型设备和材料存在的以上问题，我们提出一种新的快速成型方法——基于木粉的快速成型方法。在设备方面不采用价格昂贵且使用寿命短的激光器，而是采用价格低廉使用寿命长的机械喷头。材料采用的是木粉，取材广泛，与其它快速成型材料相比成本更低，更环保，更易降解。成型原件外观与木材相似，具有硬木的特点，强度高、不易变形、后处理简单，完全可以在某些场合替代现有的塑料和树脂模型，作为概念原型、功能测试的原型、模具和功能零件使用。

2 基于木粉的快速成型方法

2．1 基于木粉的快速成型机原理

图1 基于木粉的快速成型机原理

RP各种技术的成型都是本着离散和堆积的基本思想。以下结合图1说明基于木粉的快速成型的成型原理。喷嘴在微机控制下按加工零件各分层截面的形状运动并在工作台上喷液态胶，在左侧有一送粉的小车，将有胶的表面铺上木粉、压实，从而形成一个固化的层面。当一层完成后，未被喷胶的地方仍是粉末状的木粉。然后，升降台带动基板再下降一层高度，接着进行第二层喷胶。新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕。

2．2 基于木粉的快速成型机的工作过程

首先由CAD软件生成曲面或实体模型，然后将CAD模型转化成STL文件格式，利用预处理软件，由STL模型获得一层一层的平面信息，分层厚度可以调节，利用层片信息驱动喷嘴，完成胶的喷涂，记下来由快速成型机的供粉和铺粉系统完成铺粉、压实等动作。如此循环制作出原型件。最后，为了满足实际情况和技术要求，我们要对原型件进行二次固化及进行必要的修整等。

基于木粉的快速成型系统的工作过程如图2所示。

图2 基于木粉的快速成型系统的工作过程

2．3 基于木粉的快速成型机的供粉及铺粉系统

在完成了原形的概念设计，计算机CAD建模，经过切片程序离散，转化为快速成型即可执行的信息的基础上，就是成型机要完成的动作，开始送粉和铺粉。

2．3．1供粉及铺粉系统的组成

供粉和铺粉系统由床身、供粉缸、成型缸、铺粉辊筒等组成。由供粉缸的步进电机带动丝杠使供粉缸的活塞上下移动，调节木粉层厚以实现高度方向的定值进给，进给量由分层的厚度决定，每完成一层成型，成型缸便下降一层高度。同时送粉缸活塞提高一层高度。图3是供粉及铺粉的工作过程。

2．3．2铺粉辊筒的运动

(b) 木粉送至成型缸 (a)供粉缸活塞上升
(c)铺覆木粉
图3

铺粉辊筒有三个运动，一个是在水平方向自右向左的平动，一个是自身的转动和振动。其中辊筒的平动速度和自身的转动速度对最终原件的密度都有很大的影响，我们要根据实际情况，木粉的粒度进行调解。辊筒自身的振动是辊筒在垂直于粉末层表面的方向，沿径向振动。是为了破坏木粉颗粒的拱桥效应，提高粉末层的密度。

基于木粉的快速成型方法，具有成本低廉，绿色环保的优点。在一定程度上弥补了现有快速成型设备和材料的价格高问题，具有良好的发展前景，它会被广泛地应用到在社会主义现代化建设的各个领域，为加速我国家电、信息技术、军工、机械、生物医药制造等行业新产品开发发挥了积极的作用。

参考文献
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[10]孙梁等．三种快速成型制作的聚酯钙磷盐人工骨修复兔桡骨缺损的实验研究南京军区福州总医院 中华外科杂志，2005-4．

七、基于逆向设计理论3DMAX造型快速成型的研究  朱东华

摘要：通过把汽车变速箱清洗设备上壳体的3DMAX 虚拟造型导入PRO / E 三维参数化环境进行曲线、曲面重构等逆向设计, 以及利用快速成型软件MAGICS 对其进行切片和快速加工成型的过程，摸索出一条将虚拟设计与逆向设计直接对接快速成型机的新路径。初步解决了以往造型设计与成型过程中重复性劳动多、仿真误差大、周期长等问题。
关键词：虚拟设计；逆向设计；快速成型

1 前言

以往虚拟设计的产品造型效果图一旦得到决策层认可，须重新利用PRO / E 等三维参数软件对照效果图进行仿形设计，这是因为3DMAX 渲染功能虽然强大，却因缺少特征约束和精度值，而不被快速成型机等数字化加工设备接受。若重新进行仿形设计又将造成前期创造性劳动的浪费、复杂曲面仿形的误差和造型周期的延长。

如果能将3DMAX 虚拟造型以IGES 格式导入三维参数化设计软件PRO / E 中，利用逆向设计方法对其进行曲面拟合与重构，再以STL 格式导入快速成型的MAGICS 软件中切片, 最后制定出快速成型机的ARPS 路径文件，并进行快速成型加工。这样就能有效克服上述缺点，为企业新产品营销赢得宝贵的时间。

2 逆向设计方法

2. 1 曲线重构

图1 所示, 3DMAX 软件具有利用NURBS 曲线进行设计的功能，因此，在向外输出数据时，其B 样条曲线的数据信息会通过IGES 转换器完整导入PRO / E 软件中。

图1 3DMAX 造型以IGES 格式导入PRO / E

在对3DMAX 造型进行逆向设计的过程中，为达到对原曲面的精确仿形，须对原任意曲面进行辨识，并根据辨识结果对曲面进行初始划分（分块），以使每片曲面都具有较好的拟合特性。在对现有三维模型反求基准曲线时，可利用特征点插值、拟合的方法生成基准曲线。先确定原曲面特征点b0, b1, …bi, i = 0, 1, 2…n ，再构造光滑的NURBS 曲线，使之插值于这些空间特征点，并满足

式中，Ni, k ( u) 为B 样条基函数，Ri, k ( u) 为k 阶（ k - 1 次）有理B 样条基函数，wi 对应于特征点bi 权因子。

图2 所示，为利用上壳体的空间特征点插值、拟合的七条曲面边际基准曲线。NURBS 可以精确地表示二次规则曲面，它是Bezier 和B 样条曲线、曲面的推广形式。为使PRO / E 的任意NURBS 曲线通过一组B 样条曲线数据点bi ( i = 0, 1, ……, n) ,可先使曲线首尾端点分别与首末数据点对应，并使曲线的分段连接依次与NURBS 曲线定义域内的节点相互对应。实际上，数据点给出后，特征点的控制顶点数的最大值已经确定。一般控制顶点数最多不应超过m - k + 1，其中m 是所给出的数据点数，k 是曲线的次数（超过该数，方程会无解）。为减少数据存储量和计算工作量，一般可先取最少数量的控制顶点数。

图2 上壳体曲面的边际基准曲线

2. 2 曲面重构

为利用Bezier 曲面拼接上壳体两组四片NURBS 曲面的示意图，其曲面边界拟合的选点分别由控制顶点Pij 和Qij 定义。

其方程为：

式中，Pij 为( n + 1 ) × ( m + 1 ) 个空间点列（实际应用中，n、m 不大于4）。如要求两曲面片沿该公共边界达到G1 连续，则曲面片在该边界上应有公共切平面，其方程式为：

可满足上式的最简单取解还有：

但在利用（7）式进行曲面片的边界拟合时发现，虽然u 向和向比较光滑连续，且比较容易控制。但对于复杂的曲面片进行边界拟合时, 该式显现出较大的局限性。为此, 我们还可利用方程：

来满足（6）式。式中，β（ v）是v 的任意线性函数，仅要求Qu(0, v) 位于Pu (1, v) 和Pv ( 1, v) 所在的同一个平面内，也就是曲面片P( u, v) 边界上相应点处的切平面，这样就有了较大的灵活性（其他方法从略）。

图3 所示，为利用四边域曲面构建方法、Bezier 曲面拼接方法和曲面片逼近拟合、曲面扫描、拉伸等多种方法对原3DMAX上壳体造型进行曲面重构的部分过程示意图。在完成对上壳体各类型曲面的重构工作后，还须利用PRO / E 的曲面剔边、修剪、过渡等常用功能进行细化处理，这样就可得到理想的重构曲面。

图3 上壳体曲面重构图

3 快速成型方法

图4 所示，为PRO / E 完成上壳体模型的逆向设计后，设定模型切片参数和指示快速成型机加工路径的示意图。在这里，利用PRO / E 重构的上壳体将以STL 格式导入MAGICS 中，并按设定参数将其“切”成一系列片层，同时生成两个CLI 文件。快速成型加工之前，须将模型移上平台，沿Z 轴提高2mm，以便建立支撑零件。为缩短加工时间，再沿X 轴逆时针旋转90 度，同时生成AFI 文件。最后用ARPS 文件指示加工路径，由此，快速成型机将用材料添加法依次将每一层切割出来，并连接各层，直到完成整个样件的成型加工。

图4 设置切片参数和快速成型机加工路径

研究中发现，MAGICS 软件虽提供了纠错工具，但当错误很多时，修补是无效的。此时，最好检查STL 原文件是否存在内、外侧面有缺面、坏边或颠倒等错误以及文件经多次转换，是否有丢失数据现象等。在对STL 原文件错误修正后，再次进行切片，并重新指定加工路径，进行样件的快速成型加工。

4 结论

通过对清洗设备上壳体的3DMAX 虚拟造型进行PRO / E逆向设计以及快速成型加工的过程表明，将三种新型软件与快速成型机直接对接的方法是可行的。在目前常用的实物造型三坐标测量、扫描、重构等逆向设计方法的基础上，该方法有为产品造型设计开辟了一条新的途径。避免了对原有虚拟造型所进行的重复性工作，缩短了造型设计、成型加工的周期，提高了仿形精度，节省了人力和物力资源，并能以更快的速度将样品推向市场。

参考文献
1 柳迎春. Pro / ENGINEER2001 曲面设计. 2002 150 ～ 217.
2 柳迎春，简琦昭. Pro / ENGINEER2002 工业造型设计. 清华大学出版社，2002.
3 车翔玖，梁学章. 两邻接NURBS 曲面间的G 连续条件. 吉林大学学报（1）.2002 19 ～ 40.
4 璩柏青，许社教. 计算机图形学. 西安电子科技大学出版社，2003 129 ～ 180.
5 Charrot P, Gregory J A. Apentagonal surface patch for computer aided geometric design, Computer Adid Geometric Design, 1984.
6 Saeid M. Review of Reverse Engineering Approaches. Computers Industry Engineering. 1998, 35 (1 ) .

八、快速注模与快速成型：一种新生的快速制造商

Joseph Ogando

急切和等待。这是一句描述定制零件制造非常适用的箴言。尽管你想尽快将产品投入市场，然而，为了得到功能样机和小批量制造的零件，你将不得不等待。你将用几天甚至几周的时间才能从供应商那里得到准确的报价。你将等待那些供应商提出的可制造性的建议。你将等待几周或几个月的时间，零件才能到达。

现在，振作起来吧。你等待的日子就要结束了。正在浮现出来一种快速制造供应商，他们使获得定制零件的过程变得流畅。这些供应商卖的不仅仅是零件，而是时间。他们中的一些可以在几分钟内告诉你准确的报价。他们中最快的只用3到5个工作日，就能提供保证产品质量的注模零件；而传统的供应商，往往需要十天甚至几周的时间。另外一些同时还提供加工金属零件，只需要用几天时间。通常，只有当你的零件设计简单，并且与一家有生产余力的车间有很好的关系，定制零件才能在上述的时间范围内完成。供应商们为了得到最好的价钱，使这些塑料零件和金属零件的完成时间可能延长到两周或三周。即使如此，还是比传统的制造商要快得多。

快速制造商能够使报价过程自动化，但是他们仍然使用传统制造技术生产实际零件，
例如CNC 切削机床。（照片提供：Protomold 公司）

现在的快速制造零件供应商用不同的方法来增强他们的制造过程。其中一些发展成为快速成型服务机构。Terry Wohlers，一位研究快速成型技术和快速制造的顾问，他估计现在全球大约有400家这样的服务机构。他说：“他们中的多数都能做一部分快速制造。” 另外一些快速制造商来自传统的加工车间，他们通过学习使生产管理变得更精益化，反应速度更快。Wohlers还说：“在快速制造方面，快速成型服务机构和传统的制造商之间有一些重叠的地方。”

然而，有少数快速制造供应商与传统的制造商之间差别很大，他们有两个与众不同的重要特征：其一，他们研究出了基于网络的尖端软件，使不同程度的设计分析、报价和订购自动化；其二，他们也同时乐于使用传统的制造方法，以使他们的零件能够忠实地模仿甚至代替传统的零件生产。

在线车间

如果快速制造商共享一个指导原则，即在报价和订购方面像传统制造商那样，就可以节省大量的时间。传统的报价通常需要在某些方面不断地与零件的设计者进行沟通。他们打电话，发电子邮件，重新探讨CAD文件。反复推敲设计方案。所有的这些步骤，做起来就得花费几天或几周的时间。

不同的快速制造商在报价和订购上有截然不同方式，其中一种与在线商店非常的相似。eMachineShop的总裁并创立者Jim Lewis说：“我们把自己看作定制零件制造业中的Amazon（亚马逊，美国著名在线交易网站）。” Jim Lewis并不是唯一的快速制造商实行在线交易。

为了使定制零件制造业更像零售行业，快速制造专家们投资自动的报价软件，这种软件能够解释费用因素的综合影响。这些以知识为基础的系统都是从零件的CAD图开始的。它们能够自动地分析零件的几何构成，并综合许多制造业的要求——例如，机床的型号、精加工选项等等。之后软件在几分钟到二十四小时内返回零件的报价。整个报价和订购的过程可以在线完成或者通过基于网络和单机结合的软件。

金属零件快速制造供应商专注于三轴铣削加工。然而，
eMachineShop 提供的更多，
包括板材弯曲、激光切割和冲压等。

以上是基于这些系统普遍的观点。然而，实际上，不同的供应商提供不同程度的自动化。最先进的系统产生报价时，只需要在最开始由用户提供CAD文件、选择少量相关参数如产品批量、递送时间和制造选项，之后就不需要人工参与。例如快速注模的先驱者Protomold，研究出了一种基于网络的软件，这个软件可以评估设计、如果有必要建议对其修改、产生报价，并且将以上所有信息生成一份网上的交互式报告——这些工作都在一个工作日内完成。工程师们在这些报告送出去之前进行复查，但这通常只是形式上的。实际上，Protomold的总裁Brad Cleveland说自动化除了更快，还有效的提高了报价的准确性以及一致性。他说：“将来会从我们这里发现更多的自动化，而不是更少。”

eMachineShop同样使用了全自动过程，使工程上的复查减到最小。尽管eMachineShop公司的软件把产生实际的加工刀轨作为产生报价过程的一部分，它仍然可以在几分钟内返回报价。与其他的供应商不同，eMachineShop要求用户将他们零件的几何构成以及制造选项输入专用的二维CAD软件，这个软件是该公司免费分发的。

快速注模不仅用于原型件. FKI Logistex应用这种技术生产用于
它的仓库自动化系统中的零件。

QuickParts公司同时用两种方法实现报价的自动化。QuickQuote是该公司的在线自动报价系统，在用户提交CAD文件几分钟之后就能够返回详细的报价。对于一些复杂的设计或那些连续运转的机床，目前还不能使用这种实时的系统，QuickParts公司依靠一种半自动的方法，这种方法由工程师们借助内部设计分析软件和报价软件复查用户的CAD文件。在以上例子中，用户都可以在24小时内获得他们的详细报价。作为第三种选择，QuickParts公司还为那些不能或不愿意在线提交他们设计的CAD文件的用户提供单机版估价软件。这三种选择将持续存在一段时间，在这同时，QuickParts公司在继续研究实时、自动报价的选项。根据公司的运营副总裁Michael Maurice的意思，他们公司继续研究的原因并不仅仅是为了速度，而是为了报价的质量。他说：“我们的技术在报价上与传统的制造商相比具有更好的一致性。”

其他快速制造商都依靠半自动的方法报价，并且不打算脱离人工的参与。Take Toolroom Express就是一个例子，这个快速注模制造商今年年初开始经营，他的工程师们使用内部软件综合整理得出报价。然后在24小时内返回报价。该公司总裁Rick Haddock正致力于加速公司的报价过程，即便如此，他依然不打算减少工程师们的角色。他说：“我认为当我们的系统成熟以后，能够在几个小时内提供准确的报价。但是，制模和注模太复杂，我认为不可能实现完全自动化来复查设计。”

制造模型

这些现代的公司具有一组太空时代的制造设备，能够给予他们速度上的优势，是个很吸引人的想法。快速成型系统在快速制造中扮演着越来越重要的角色，例如激光固化快速成型和选择性激光烧结快速成型。

然而，现在传统的制造方法仍然统治着快速制造。三坐标机床制造了大多数金属零件，同时也制造了用于快速注模的凹凸模具，以上这些最终都是使用传统的机床。

无论什么制造方法，这些快速制造机构都有不同的方法加速实际零件制造。其中一些公司，例如Protomold和ToolRoom Express，他们自己制造所有的零件。而另外一些公司，例如QuickParts和eMachineShop，是将他们的制造任务外包给下属供应商。仅QuickParts一家公司，在北美有超过30家的供应商为它生产；eMachineShop为了保持最低的价格，则是将它的大部分制造任务送到遍布亚洲的供应商。

两种方法都有他们各自的优点。外包制造任务的这些供应商能够提供更多种类的制造服务。例如，eMachineShop在机械加工领域占有相当的份额，但同时，它能够提供的服务还有板材弯曲、激光切割和砂模铸造。

另一方面，自己生产所有的产品，就具有Cleveland所谓的“专注和规模”。专注，意思是公司能够精益求精它的生产流程技术，以改进和加速它的综合铣削加工、工具加工和注模操作。规模，意思是公司在任何时候都能够承担大量的制造任务，而不用担心下属供应商的生产能力问题。他说Protomold公司曾经仅用三周时间为一个客户生产了90个零件。

Protomold公司的自动设计分析系统能够快速标记出那些增大
花销或者
使零件与公司的快速注塑模系统不匹配的设计选项。

从客户的角度看，他们对于类似制造方式的依赖使得他们对两种制造方式都有需求，有时候是二者的交叉，根据不同的客户会有不同。他们中的一位坚持认为制造出的零件与功能样机没有区别。Xerox Corp.公司资深的塑料工程师Kurt Jenkins就是属于这个阵营的人。他解释了加工的塑料零件或那些用快速成型机制造的零件，在重要的功能测试尤其是动力学测试中，表面特性没有注模零件好的原因。注模零件表现出色的原因是在其注模过程本身就给予了内应力和表面特性，这使得其他原型不能与之相比。因此，Xerox公司Jenkin的小组在过去的三年中将超过100项工作交给Protomold做。他说：“当我们拿到用真实材料制造的真实零件的时候，我们才能够找出真正的问题。”

另外一种客户指望由快速制造商制造实际的零件。例如，FKI Logistex库存和分销部门一直依赖Quick-Parts的注模技术生产零件。Division的研究开发副总裁 Mark Hein回忆说，最初是求助于QuickParts，从它那里得到一些用于一家公司仓库的自动化产品中的发光开关罩和遮盖物末端盖的激光液态树脂固化（SLA）原型。他在线得到实时报价的两天后就收到那些原型。他说：“这个给我留下了深刻的印象。”于是，他开始考虑用供应商的快速注模服务来生产实际的零件。最终卖给他的零部件可以容易的从原型件转化为实际的模具。Hein说他最初向QuickQuote公司的提交推进了整个过程。他只提交了一次他的CAD文件，QuickParts就根据这个文件，制造了原型件和注模模具。并且他对待同一客户服务很具有代表性，他用铝模具将初始原型转化为小批量的产品，而现今的产品制造都是使用多模穴模具，产量超过50,000件/年。除了下订单，Hein说他“得到注模的零件以外没做任何事。”在制模的费用比过去增长了之后，FKI再也不必被迫购买模具了。

通过转向快速制造供应商来制造零件，FKI在获得塑料零件上采用了逐渐增加灵活性的策略。Hein描述这种快速生产的实用性为“完美的指标”。FKI的塑料零件在几何结构、耐用性、材料和设计的美观角度都相对简单。Hein说：“我们不做任何非常复杂的零件。”在他说的这种情况下，从花费的角度看，这样的策略对小批量的生产过程很有意义。

制造金属零件同样也使用快速制造方法。对于机械零件和金属板材零件，快速制造供应商只能在他们的价格、完成时间、零件质量和技术能力的基础上，一件一件的完成。与那些要求很短完成时间的短期工作相比，这些供应商承诺可以有更多好的选择。QuickPart的Maurice和eMachineShop的Lewis都表明在大型的生产运作中他们的制造模型能提供最低的价格。Maurice解释，“我们的制造方法没有超越传统的机械制造车间，并且我们的供应商在销售和市场上也没有超越。”

QuickParts 和其他网上制造商已经开发出了客户定制加工寻价系统软件，
使原来需要几天甚至一周的时间缩短到仅仅几分钟。

快速制造供应商最大的缺点就是他们对金属零件加工能力的限制。即使eMachineShop参与了金属板材零件和一些少数的其他加工，但这些加工目前还是以三坐标机床为主，这一点也不令人惊奇。Maurice说：“它处理了应用中绝大多数的铣削加工。”但是如果你想要最短的完成时间，并且需要使用五坐标机床、电火花加工（EDM）或精密研磨，那么你将不那么走运了。用压铸模制造零件与上述情况相同。对快速制造商的一个好消息就是快速制造系统的研究正在进行中，无论是金属零件的还是塑料零件的。例如，QuickParts正在研究将压铸模和五坐标机床纳入它们的QuickQuote系统。

从eMachineShop 获得零件需要三个简单的步骤。下载该公司免费的
CAD 软件和报价软件；插入你的设计信息；最后订购你要的零件。

因此，如果你看不到自己的需求，那么回头检查是很值得的。如果你想知道快速制造是否能很好的适应你的应用，有一个简单的解决方法：给一个或几个这样的系统一件工作，看看返回的什么。这个不需要像报价那样长时间的等待。

原载《DESIGN NEWS China》

九、几种常见快速成型工艺优缺点比较

北京瑞科达快速成型科技有限公司

在快速领域里一直站主导地位快速成型工艺主要包括：FDM、SLA、SLS及LOM等工艺，而这几种工艺又各有千秋，下面我们在主要看一下这几种工艺的优缺点比较：

FDM

丝状材料选择性熔覆（Fused Deposition Modeling）快速原型工艺是一种不依靠激光作为成型能源、而将各种丝材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加热熔化进而堆积成型方法，简称FDM。

丝状材料选择性熔覆的原理如下：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，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，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可供选用，如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC、工程塑料PPSF以及ABS与PC的混合料等。这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，并可安全地用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。专门开发的针对医用的材料ABS-i，因为其具有良好的化学稳定性，可采用伽码射线及其他医用方式消毒，特别适合于医用。

FDM快速原型技术的优点是：

1、 制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的污染；
2、 一次成型、易于操作且不产生垃圾；
3、 独有的水溶性支撑技术，使得去除支撑结构简单易行，可快速构建瓶状或中空零件以及一次成型的装配结构件；
4、 原材料以材料卷的形式提供，易于搬运和快速更换。
5、 可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料ABS、PC、PPSF以及医用ABS等。

FDM快速原型技术的缺点是：

1、 成型精度相对国外先进的SLA工艺较低，最高精度0.127mm
2、成型表面光洁度不如国外先进的SLA工艺；
3、成型速度相对较慢

SLA

光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，是最早出现的一种快速成型技术。

在树脂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树脂薄片。然后，工作台下降一层薄片的高度，以固化的树脂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，新固化的一层牢粘结在前一层上，如此重复不已，直到整个产品成型完毕。最后升降台升出液体树脂表面，取出工件，进行清洗、去处支撑、二次固化以及表面光洁处理等。

光敏树脂选择性固化快速成型技术适合于制作中小形工件，能直接得到树脂或类似工程塑料的产品。主要用于概念模型的原型制作，或用来做简单装配检验和工艺规划。

SLA快速原型技术的优点是：

1、表面质量较好；
2、成型精度较高，精度在0.1mm（国内SLA精度在0.1—0.3mm之间，并且存在很大的波动性）；
3、 系统分辨率较高。

SLA快速原型的技术缺点：

1、需要专用的实验室环境，成型件需要后处理，比如：二次固化，防潮处理等工序。
2、尺寸稳定性差，随着时间推移，树脂会吸收空气中的水分，导致软薄部分的翘曲变形，进而极大地影响成型件的整体尺寸精度；
3、氦-镉激光管的寿命仅3000小时，价格较昂贵，由于需对整个截面进行扫描固化，成型时间较长，因此制作成本相对较高。
4、 可选择的材料种类有限，必须是光敏树脂。由这类树脂制成的工件在大多数情况下都不能进行耐久性和热性能试验，且光敏树脂对环境有污染，使皮肤过敏。
5、 需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位，支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。

SLS

粉末材料选择性烧结（Selected Laser Sintering）是一种快速原型工艺，简称SLS。

粉末材料选择性烧结采用二氧化碳激光器对粉末材料（塑料粉等与粘结剂的混合粉）进行选择性烧结，是一种由离散点一层层堆集成三维实体的快速成型方法。

粉末材料选择性烧结采用二氧化碳激光器对粉末材料（塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉等）进行选择性烧结，是一种由离散点一层层对集成三维实体的工艺方法。

在开始加工之前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点一下。成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末溶化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，在铺上一层粉末，进行下一层烧结，如此循环，形成三维的原型零件。最后经过5-10小时冷却，即可从粉末缸中取出零件。未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成后，取出零件。粉末材料选择性烧结工艺适合成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金属零件，零件的翘曲变形比液态光敏树脂选择性固化工艺要小。但这种工艺仍需对整个截面进行扫描和烧结，加上工作室需要升温和冷却，成型时间较长。此外，由于受到粉末颗粒大小及激光点的限制，零件的表面一般呈多孔性。在烧结陶瓷、金属与粘结剂的混合粉并得到原型零件后，须将它置于加热炉中，烧掉其中的粘结剂，并在孔隙中渗入填充物，其后处理复杂。

粉末材料选择性烧结快速原型工艺适合于产品设计的可视化表现和制作功能测试零件。由于它可采用各种不同成分的金属粉末进行烧结、进行渗铜等后处理，因而其制成的产品可具有与金属零件相近的机械性能，但由于成型表面较粗糙，渗铜等工艺复杂，所以有待进一步提高。

SLS快速原型技术的优点是：

1、 与其他工艺相比，能生产较硬的模具。
2、 可以采用多种原料，包括类工程塑料、蜡、金属、陶瓷等。
3、 零件的构建时间较短，可达到1in/h高度。
4、 无需设计和构造支撑。

SLS快速原型技术缺点是：

1、有激光损耗，并需要专门实验室环境，使用及维护费用高昂。
2、需要预热和冷却，后处理麻烦；
3、 成型表面粗糙多孔，并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制。
4、 需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工成本高。
5、 成型过程产生有毒气体和粉尘，污染环境。

LOM

箔材叠层实体制作（Laminated Object Manufacturing）快速原型技术是薄片材料叠加工艺，简称LOM。
箔材叠层实体制作是根据三维CAD模型每个截面的轮廓线，在计算机控制下，发出控制激光切割系统的指令，使切割头作X和Y方向的移动。供料机构将地面涂有热溶胶的箔材（如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔材）一段段的送至工作台的上方。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓用二氧化碳激光束对箔材沿轮廓线将工作台上的纸割出轮廓线，并将纸的无轮廓区切割成小碎片。

然后，由热压机构将一层层纸压紧并粘合在一起。可升降工作台支撑正在成型的工件，并在每层成型之后，降低一个纸厚，以便送进、粘合和切割新的一层纸。最后形成由许多小废料块包围的三维原型零件。然后取出，将多余的废料小块剔除，最终获得三维产品。

叠层实体制作快速原型工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形较小，成型时间较短，激光器使用寿命长，制成件有良好的机械性能，适合于产品设计的概念建模和功能性测试零件。且由于制成的零件具有木质属性，特别适合于直接制作砂型铸造模。

LOM快速原型技术的优点是：

1、成型速度较快，由于只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无需扫描整个断面，所以成型速度很快，因而常用于加工内部结构简单的大型零件。
2、无需设计和构建支撑结构。

LOM快速原型技术的缺点是：

1、有激光损耗，并需要专门实验室环境，维护费用高昂；
2、可实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材料，例如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是纸，其他箔材尚在研制开发中；
3、必须进行防潮处理，纸制零件很容易吸湿变形，所以成型后必须立即进行树脂、防潮漆涂覆等后处
4、难以构建形状精细、多曲面的零件，仅限于结构简单的零件。
5、废料去除困难，所以该工艺不宜构建内部结构复杂的零件。
6、当加工室的温度过高时常有火灾发生。因此，工作过程中需要专职人员职守。

详细资料及技术文献请访问网站www.chinafdm.com或致电我们010-65026277

十、快速成形工艺的合理选择

天津快速原型制造技术生产力促进中心 杨莉

快速成形（以下简称RP）技术是近十年来兴起的 一项新技术，自问世以来，在成形理论、成形 工艺、设备开发及应用技术等方面取得了显著进展。从企业的角度来看，面对全球制造业市场激烈的竞争，为保持其活力就必须不断地进行新产品的开发与研制，而新产品的设计质量的优劣、开发与生产成本的高低,以及投放市场的快慢成为超越竞争对手的关键因素。目前，高度发达的计算机技术和CAD/CAM技术的广泛应用，使得RP技术与企业的新产品开发更加有机地结合在一起。通过RP技术的应用，可将设计者的概念设计快速变成实物样件，有利于快速实现新产品的设计审查、装配验证、功能验证和市场营销，从而大幅度降低新产品的开发研制成本及投资风险，显著缩短新产品的研制周期，确保新产品的上市时间。

快速成形基本原理

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。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是基本原理都是一样的，那就是“分层制造，逐层叠加”，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台“立体打印机”。

其工作的基本原理是：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（或者固化一层又一层的液态光敏树脂，或者切割一层又一层的片状材料，或者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。

RP技术的优越性显而易见 ：它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此，RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的“去除法”到今天的“增长法”，由有模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。

多种成形工艺的合理选择

目前，应用比较广泛的RP 成形工艺有：光敏树脂固化成形工艺(Stereo Lithography Apparatus—简称SLA)、激光选区烧结或粉末烧结(Selective Laser Sintering— 简称SLS)、叠层制造或切纸成形工艺(Laminated Object Manufacture — 简称LOM)等。RP技术的应用领域很广，机械、汽车、电子信息、家用电器、航空航天、医疗器械、首饰、玩具等行业，都迫切需要RP技术。也可以说，哪里有新产品开发哪里就需要RP技术。但是，这些领域中的产品从大小到结构都迥然各异，大到几米，小到几毫米，有薄壳状的，有实心的，有的结构极为复杂，样件的制造目的不同、制造精度和制造成本的要求也不同，这就需要根据不同的产品结构和制造要求来选择最佳的RP工艺了。

结论：应根据产品的结构特点和具体要求来选择最佳的RP成形工艺

应用案例分析

多种成形工艺可以使客户在成形材料、制件精度、交货期和成本上有更多的选择余地，从而真正体验到RP技术快捷、准确、实用的技术优势，以下通过几个典型结构产品的应用案例进行分析：

◆ 电子及通讯类产品

通常电子及通讯类产品尺寸不大，产品外形多为塑料薄壳结构，但对产品的尺寸精度和表面光洁度要求很高，在多数情况下还要作为后续快速制模工艺用的母模，实现样件的小批量快速制造。

经过三种工艺对比，类似手机或仪表盒大小的壳体，SLA工艺在材料性能、尺寸精度、表面质量和装配效果等方面有明显的优势 ；虽然制造成本相对略高，但是由于样件尺寸和重量较小，其绝对制造成本并不高。因此采用SLA工艺制作最为合理，应用效果最佳。

举例产品：手机，尺寸（mm）104×40×8 (如图1所示)。

样件用途：外形及结构验证，装配验证和样件订货等，要求尺寸精度和表面光洁度高，有装配要求。

最佳工艺：SLA

◆ 机械、交通类结构部件

机械、交通类产品通常尺寸较大，对制件的精度和表面质量要求略低，制作原型样件的目的多用于产品的外观、结构以及功能的验证。由于尺寸相对较大，比较注重控制产品的制造成本。

通过三种工艺的对比，类似进气歧管、发动机气缸体等尺寸较大的壳体零件， 应用SLA和SLS均可实现满意的应用效果；但是由于SLA工艺制造成本较高，故采用SLS工艺制作最为合理，性能价格比最佳。

◆ 有特定要求的产品样件

某些产品样件在制作时，对材料的物理特性有特定的要求，如强度、耐温性、密封性、透光性等。可以通过组合应用不同的RP 工艺、快速制模工艺和成形材料来实现。

◆ 快速制模和精密铸造方面的应用

举例产品：进气歧管，尺寸(mm) 300×230×400(如图2所示)。样件用途：外形验证、结构验证及功能验证。

最佳工艺：SLS

快速成形制件适合于单件制造，且制件材料为工艺规定的专用材料，因此制件的材料性能有一定的局限性。将RP技术与真空注型技术或精密铸造技术结合起来应用，不仅可以满足产品设计对特定材质的要求，而且可以快速实现新产品的小批量生产。应用RP、硅胶模和真空注型工艺可以实现小批量塑料件的快速制造，如手机或电子产品外壳的小批量制作，图3是用该工艺快速制造的小批量塑料电子壳体样件。RP与精密铸造工艺结合应用，可以实现金属样件的快速制造，图4所示是用该工艺快速制造的金属铸件。

RP服务中心可为用户提供全方位的技术服务

目前，RP设备的采购成本和运行维护成本还较高。因此，国内外普遍采用建立RP服务中心的模式推广应用RP技术。RP服务中心由于拥有多种性能先进的RP设备，以及工业设计、三维CAD实体建模、反求工程和快速制模等配套技术的支持，可以为企业提供高质量、低成本、快速和规范化的服务。

企业通过RP服务中心来制作新产品样件，不仅可以得到高质量的服务，实现最佳的应用效果，而且可以显著节约制造成本。

快速成形技术作为一种先进制造技术，其推广应用的现实意义重大。按照用户的产品特点和具体要求，合理选择RP工艺制作新产品样件，可以最大限度地满足用户需求并节约成本。

十一、基于快速成形技术的快速模具制造技术

北京瑞科达快速成型科技有限公司

一、引言

近10年来，制造业市场环境发生了巨大的变化，迅速将产品推向市场已成为制造商把握市场先机的重要保障。因此，产品的快速开发技术将成为赢得21世纪制造业市场的关键。
快速成形技术(以下简称RP)是一种集计算机辅助设计、精密机械和材料学为一体的新兴技术，它采用离散堆积原理，将所设计物体的CAD模型转化成实物样件。由于RP技术采用将三维形体转化为二维平面分层制造的原理，对物体构成复杂性不敏感，因此物体越复杂越能体现它的优越性。

以RP为技术支撑的快速模具制造RT(Rapid Tooling)也正是为了缩短新产品开发周期，早日向市场推出适销对路的、按客户意图定制的多品种、小批量产品而发展起来的新型制造技术。由于产品开发与制造技术的进步，以及不断追求新颖、奇特、多变的市场消费导向，使得产品(尤其是消费品)的寿命周期越来越短已成为不争的事实。例如，汽车、家电、计算机等产品，采用快速模具制造技术制模，制作周期为传统模具制造的1/3～1/10，生产成本仅为1/3～1/5。所以，工业发达国家已将RP/RT作为缩短产品开发时间及模具制作周期的重要研究课题和制造业核心技术之一，我国也已开始了快速制造业的研究与开发应用工作。

二、基于RPM的快速模具制造方法

模具是制造业必不可少的手段，其中用得最多的有铸模、注塑模、冲压模和锻模等。传统制作模具的方法是：对木材或金属毛坯进行车、铣、刨、钻、磨、电蚀等加工，得到所需模具的形状和尺寸。这种方法既费时又费钱，特别是汽车、摩托车和家电所需的一些大型模具，往往造价数十万元以上，制作周期长达数月甚至一年。而基于RPM技术的RT直接或间接制作模具，使模具的制造时间大大缩短而成本却大大降低。

1. 用快速成形机直接制作模具 由于一些快速成形机制作的工件有较好的机械强度和稳定性，因此快速成形件可直接用作模具。例如，Stratasys公司TITAN快速成形机的PPSF制件坚如硬木，可承受300℃高温，经表面处理(如喷涂清漆，高分子材料或金属)后可用作砂型铸造木模、低熔点合金铸造模、试制用注塑模以及熔模铸造的压型。当用作砂形铸造的木模时，它可用来重复制作50～100件砂型。作为蜡模的成型模时，它可用来重复注射100件以上的蜡模。用FDM快速成形机的ABS工件能选择性地融合包裹热塑性粘结剂的金属粉，构成模具的半成品，烧结金属粉并在孔隙渗入第二种金属（铝）从而制作成金属模。

2.用快速成形件作母模，复制软模具(Soft tooling) 用快速成形件作母模，可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，构成软模具，或先浇注硅橡胶、环氧树脂模(即蜡模的压型)，再浇注蜡模。其中，蜡模可用于熔模铸造，而硅橡胶模、环氧树脂模等可用作试制用注塑模或低熔点合金铸造模。

3.用快速成形件作母模，复制硬模具(Iron tooling) 用快速成形件作母模，或据其复制的软模具，可浇注(或涂覆)石膏、陶瓷、金属基合成材料、金属，构成硬模具(如各种铸造模、注塑模、蜡模的压型、拉伸模)，从而批量生产塑料件或金属件。这种模具有良好的机械加工性能，可进行局部切削加工，以便获得更高的精度，或镶入嵌块、冷却系统、浇注系统等。用金属基合成材料浇注成的蜡模的压型，其模具寿命可达1000～10000件。

4. 用快速成形系统制作电脉冲机床用电极 用快速成型件作母体，通过喷镀或涂覆金属、粉末冶金、精密铸造、浇注石墨粉或特殊研磨，可制作金属电极或石墨电极。

三、基于RP的快速模具制造的应用

1. 利用硅橡胶模(Silicon Rubber Mold)制作佛头、线圈
硅橡胶有很好的弹性和复制性能，用它来复制模具可不考虑拔模斜度，基本不会影响尺寸精度，而且这种材料有很好的切割性能，用薄片就可容易地将其切开且切面间非常贴合，因此用它来复制模具时可以先不分上下模，整体浇注出软模后，再沿预定的分模面将其切开，取出母模，即可得到上下两个软模。

(1)试验用设备和材料 所用的设备：Stratasys的Titan快速成形机、HVC-1真空注型机和恒温箱。所用的材料：日产KE-1310ST透明硅橡胶、日产CAT-1310固化剂(浇注时，KE-1310ST与CAT-1310以100：10混合)和PX215真空注型硬制聚氨脂树脂(异氰酸脂，多元醇1∶1混合)。

(2)制模工艺路线 使用 UG、PRO-E、Solid Edge 等软件进行三维实体造型，以STL文件格式保存；将文件输入快速成形机作出制件原型，处理后作为硅橡胶母模；组合模框后将硅橡胶和固化剂的混合物浇注于框中，通过真空脱泡、固化后剖切取出母样即得硅胶模；最后在真空注型机中浇注塑料样件。具体的制模流程如图1所示。

CAD三维造型软件
↓
STL文件
↓
FDM快速成型制作母件
↓
制作模框
↓
浇注硅胶和固化剂的混合物
↓
固化
↓
分模
↓
树脂浇注

图1 制模工艺路线
(3)制作硅胶模具时的注意事项 对加成型硅橡胶而言，不要在室温下固化，而以40℃～60℃加温固化；分模面的选取一定要注意将外观面朝下，在内观面的合适位置上放置胶棒；如果零件有倒钩，可以在硅胶模上作45°切口，但注意不要割断；在一些树脂不易流满的死角处，一定要做气孔；对不容易进行分模的原型件，可以喷少许离型剂。

此外，对形状复杂(倒钩、斜面很多)，两半模无法满足脱模条件的情况，开模时可以将硅橡胶模具剖开成数块来处理。但要注意，在浇注塑料件的时候合模应精确，否则会因模具的错位或合模不紧而影响浇注品的精度。

(4)应用图例 图2和图3分别是我们制作的佛头和线圈模具的照片。

图2 佛头模具

图3 线圈模具

2. 利用电极(electroforming)快速制造精铸摆杆

注射模等多种模具的型腔常常用电脉冲加工机床(EDM)制作。它是利用导电材料(金属)在液体介质中放电时的电腐蚀现象来对金属材料(型腔)进行加工的，原理如4所示。

图4 电脉冲加工原理图

(1)精铸摆杆制作工艺流程 如图5所示，在此摆杆制作工艺中，电极的制作是关键。我们首先用快速成形机制作出母件，在其表面进行金属喷镀构成铜电极壳体，然后取出电极壳体，在电极壳体的背面注射环氧树脂，用电极固定座与电极壳体连接构成铜电极。这样，精铸摆杆电极就制作完成了。

FDM快速成型机制作母件
↓
利用喷镀法由母件制作上、下形状电极
↓
通过电蚀加工出摆杆上、下模腔
↓
制作蜡模
↓
利用蜡模进行铸造

图5 摆杆制作工艺流程
(2)注意事项
1)这种方法由于通过电极的电流较大会产生大量的热，如果散热不够好，镀层和母体易分离，导致电极镀层畸变、破裂，加剧损耗。为此，可在电极中设置相应的冷却道，或在靠近镀层处放入金属嵌块来改善导热。
2)在电脉冲加工过程中，电极与被加工表面之间的间隙应适中。过大，极间电压不能击穿极间介质，从而不能产生火花放电，过小，容易短路。
3)加工工件必须放在较高绝缘强度的液体介质中进行。通常采用泵和过滤器使工作液循环过滤。
4)精加工电极表面应尽可能光洁，以便减少模腔表面的后处理工作量。

(3)应用图例 如图6所示，从左向右依次为快速原型件、上半形状电极及模具、下半形状电极及模具、蜡模。

图6 剪毛机摆杆

四、结束语

从上面的论述中可以看出，快速成型技术及以其为基础的快速制模技术在企业新产品开发中起着重要作用。它可以极大缩短新产品的开发周期，降低开发阶段的成本，避免开发风险。在21世纪，新产品的快速开发成为企业生存与发展命脉时，该项技术必将得到广泛应用与发展。

详细资料及技术文献请访问网站www.chinafdm.com或致电我们010-65026277。

十二、FDM快速成型机技术优势

北京瑞科达快速成型科技有限公司

1、工程材料ABS / PC / PPSF的抗化学与耐高温以及耐冲击特性,适合研发团队用于开发功能性原型的测试。

2、工程材料的韧性好,适合进行二次加工处理，例如装配螺丝、钻孔拋光，以及喷漆电镀等。

3、FDM系统可以落实ISO9000的产品设计验证程序，并可以大幅降低产品开发后期的模具错误发生率。

4、FDM系统的模型可以缩短设计变更时间，并直接用于产品认证测试、以及应用于同步开发夹具、检具，缩短产品开发周期40%-50%。

5、FDM系统可以制作具有色彩的原型，且符合新产品设计的资料保密特性。

6、FDM系统的原型尺寸稳定性高，不产生翘曲或收缩，不会受潮变形，适合于装配件设计。

7、FDM系统无毒性且不产生异味、粉尘、噪音等污染。不用花钱建立与维护专用场地，适合于办公室设计环境使用。

8、FDM系统支持水溶性支撑，成型之后处理简单方便，不需要化学溶剂清洗以及专业紫外光源照射，适合于复杂与细小特征的建构。

9、FDM系统运行成本低廉：

FDM技术的喷嘴：
P-class平台 (Dimension ProdigyPlus)维护内免费更换，
T-class平台 (Vantage 、Titan) 以及Maxum每年更换,三种尺寸，每个150美元
SLA技术的激光器(每个寿命5000小时)：
每个20000美元以上
这不包括在树脂槽内的储存树脂费用（200公斤以上）
清洗模型的化学溶剂与生化防具费用
专门场地的隔间工程与通风工程费用
专门场地的恒温、恒湿工程与维护费用
操作人员的健康检查费用与保险费用
10、FDM更能满足对于少量多样的最终产品制作与产品开发试作的需求。

11、FDM系统操作容易简便，可视作3D打印机，不需要长期操作经验，不需指派专人负责操作，不担心人员流动造成停机。其简单易用的特性以及符合办公室设计环境的规格，完全满足设计人员的梦想。

综合以上报告得知： FDM系统对于工业设计的优势无可比拟。相信Stratasys能够实践您的设计。

详细资料及技术文献请访问网站www.chinafdm.com或致电我们010-65026277。

十三、用FDM的ABS快速原型件进行熔模铸造

宁波福莱德科技有限公司

1、介绍

熔模铸造是一种经济的制造金属件方法，在某些情况下甚至是唯一的方法，比如：内凹，薄壁或其他难以制造的复杂结构。小批量生产时熔模铸造不利的一点是很长的准备时间和高昂的蜡模制造费用。做为蜡件的代替品，快速成型件可以为您节省大量的时间和费用。

一共6个铸造厂家参与了这项旨在评定由Stratasys 公司制作的ABS快速成型样件进行熔模铸造的测试。ABS样件是用来替代通过模具生产出来的蜡模。这些工厂都有使用不同工艺快速成型件的经验。此项实验的可行性报告是9个月前完成的，我们将测试3种样件。

2、目的

我们希望通过这个报告为FDM用户和铸造厂提供用不同材料熔模铸造的基本资料。

对于希望使用FDM样件熔模铸造的用户，这份报告提供了一些基本原理说明。

对于有经验的铸造厂来说，这个报告可以让他们了解到ABS与其他的快速成型件如环氧树脂，纸或其他材料相比的优越性。

最后，对于有一点或者完全没有经验的铸造厂，这个报告将揭示熔模铸造的过程以及使用ABS熔模铸造需要注意的方面。

3、ABS同蜡件的比较

传统的熔模铸造使用的蜡件是通过蜡模制作的，这个过程与注塑相似，而通常使用的模具为铝模。今天，这种工艺已经被广泛的理解和接受。

Stratsys提供了另一种模式，这种模式不需要使用铝模。
我们提供两种适合这项工艺的材料，蜡和ABS。蜡材可以用于FDM1600，FDM1650，FDM2000；ABS可用于FDM1600，1650，2000，8000和FDM QUANTUM。

4、先进性和不足点：

使用这几种材料的优缺点请参考表1。几种材料分别是FDM ABS，FDM 蜡，铝模制作的蜡。

表1. 原型用FDM 的ABS，FDM 的蜡和传统蜡模优缺点对比

5、快速成型件的熔模铸造

一、普通熔模铸造过程

在熔模铸造件的传统生产过程中，每个蜡模都有用蜡焊接的浇口和出气口附着在其上，一个或更多的这些子装配件被称为树并且用几个陶瓷层成壳，开始用硅胶固定。

二、 快速成型件用于熔模铸造

如果使用快速原形样件，首先安上蜡制的浇冒口和排气管，然后涂覆陶瓷浆，这些过程与普通熔模铸造是相同的。之后我们要把ABS件放到能够升温到1093度以上的热炉中脱蜡。脱蜡完成后清理残余灰烬并且检查模壳是否有裂缝。

之后的过程与普通熔模铸造完全相同。

材料特性

以下报告描述了ABS的材料特性，图表2是普通ABS得到的结果，图表3是Stratasys ABS的结果。

7、实验室测试

这些测试的主要目的是得到并确定ABS件关于熔模铸造方面的典型参数，实验在3个不同实验室进行，这些测试包括：热膨胀测试，热分解测试，灰烬分析。

8、热膨胀测试

热膨胀测试报告是Ransom and Randolph实验室提供的。这些数据让我们了解ABS膨胀同温度的关系。测试时我们使用了Orton温度计，测试温度达到了2912华氏度（1600摄氏度）。

这些装备为我们提供了线性热膨胀率。

ABS件是由FDM2000制造的，样件的几何形状为0.7和0.5英寸直径，长度2英寸的圆柱体。不同成型方向各制造一件（水平/垂直）。

第1部分：0.75英寸直径，2英寸长度，垂直加工方向。
第2部分：0.5英寸直径，2英寸长度，垂直加工方向。
第3部分：0.5英寸直径，2英寸长度，水平加工方向。

测试结果如表4所示：

附件A详细介绍了这些测试得到的数据,根据这些资料,我们得到以下结论:

1、平均线形热膨胀率是0.24%或者0.0024英寸/英寸
2、第2种样件热膨胀率是0.24%
3、第3种样件在类似温度下热膨胀率为0.19%
4、我们比较第2种和第3种样件时（尺寸完全一样，成型方向不同），结果略有不同

资料同时显示，在105到178度之间，ABS零件开始软化，并且开始稳定，不再膨胀。这也证明了ABS材料有着很低的热膨胀率。

9、同环氧基树脂（SLS所用材料）的比较

固体ABS材料的热膨胀率远小于环氧基树脂，这些测试显示平均热膨胀率为0.24%，在最高温度时为0.35%。而环氧基树脂的热膨胀率是直线上升的，在250度左右达到3.5%。这就是为什么用环氧基树脂熔模铸造时必须挖空并且一定要完全脱蜡后才能焙烧。

10、热分解实验

以下报告是由Schenectady Materials and Processes实验室提供的，目的是测试并确定合适ABS的焙烧温度。同时测试吹氧和吹惰性气体时的区别。

我们使用TGA方式来测量温度升高时质量的减少，TGA测试质量减少的重要性在于可以准确确认完全分解所需要的温度。测试温度范围为0-1000摄氏度。TGA测量的结果参见附件B，向我们揭示以下几点：

1、 空气环境相比惰性气体环境能够或获得更好的效果。
2、 空气环境相比惰性气体环境能够在较低的温度下被热分解。
3、 在1000度时，两种不同环境产生的灰烬质量基本相同。

图表5总结了TGA测试的结果，研究表明，在有氧环境，95%的部分在300度到400度之间就烧掉了，剩余的材料在575度的时候被熔失。在惰性气体环境下，87%的部分在450度时被熔失，2%在575度被熔失，在1000度时，全部被熔失，没有任何可见残余物，仪器显示还有1%剩余物质。样件的体积是4盎司，所以剩余物质的读数接近于0。

11、残留灰烬

我们还做了一个灰烬残余量的测试，以下数据是由Howmet Research Company 提供的：

一个标准尺寸重量4盎司的ABS样件在800度焙烧1个小时后，残余物为0.021%，这个数据低于熔模铸造所要求的0.05%标准。

12、灰烬形态

我们同时请Schenectady Materials and Processes Laboratory Incorporated对灰烬形态做了测试，实验使用40克重的ABS样件，在陶瓷坩埚里加热一晚（550度）。所得到的灰烬有部分粘在了坩埚壁上，不过很容易去除。显微镜显示灰烬为褐红色及黑色，并且结构稳定，颗粒微细，测试结果请参考附件C。

13、铸造项目

此部分涉及到的少数铸造厂家都是实际使用ABS做熔模铸造的成功应用者

14、参与者

以下是这次参与实验的铸造厂家，很感谢他们提供了大量宝贵资料和建议，从而确保了这个项目的成功。他们之中的任何一家都具有用ABS件进行熔模铸造的设备和实力。各铸造厂的详细资料请参考附件D。

Aurora Casting and Engineering，加里福尼亚州，美国
BarroncCast，Inc 密歇根州，美国
High Tech Castings，Inc 俄亥俄州，美国
Nu-Cast，Inc汉普郡，英国
Shellcast Foudries，Inc魁北克，加拿大
Solidform，Inc 德克萨斯，美国

15、铸造计划

此部分包括两个阶段。

阶段一

阶段一最主要的任务是寻求并挑选合适的铸造厂参与这次的测试计划。主要根据以下几个要求进行选择：

一、 此次实验之前对快速成型件的经验
二、 是否有兴趣在研究开发方面投资
三、 地理位置

根据这些条件，我们选择了两组厂家，分别使用含铁材料和非铁金属材料。为了方便同其他快速成型技术相比较，我们采用一个工业标准模型作为铸造对象。第一阶段的测试我们主要解答以下问题：

一、 这种工艺是否可行？
二、 是否能够得到可用零件？
三、 有什么需要改进？

由于大多数参与实验的厂家都有过使用快速成型件熔模铸造的经验，而且都做过名为波音飞机用门托架的样件。所以我们决定从制造门托架开始。

每个工厂计划做五件铸造件，实际生产了总共27件。参见附图1。

样件测试结果
下排从左至右：
Sloidform-铝，High Tech Castings-铝，High Tech Castings-铜，Aurora Cast-不锈钢
上排从左至右
Nu-Cast-铝，ABS件，Barroncast-碳钢

阶段二

阶段二最主要的任务是设计并制造2个铸造件，这2个样件要最大限度体现客户的真实需求。通过制作样件，统一并协调铸造厂的工艺以使得他们对ABS熔模铸造有更深理解。

薄壁测试件：

第一个测试件同样也是工业标准测试件，名为“薄壁件（THINWALL PART）”。这个样件可以测试FDM制作薄壁件的壁厚一致性，同时也测试铸造厂是否有铸造薄壁件的能力。我们分别设计了壁厚为0.025, 0.035, 0.045, 0.05, 0.07 和0.1 英寸的不同尺寸样件。由于ABS样件不需要挖空，所以，壁厚方面没有任何限制。每一个零件上都浮雕了厂家的名字，这样我们得到的样件就可以做为展示件。

5个工厂一共做了19件产品。在这个阶段，有一家工厂不想再制作任何测试件而希望能够直接进行最终零件的铸造，所以6家工厂中只5家参与此项实验。

图片2展示了工厂做出的金属件，这些样件证明了制作薄壁件是完全可行的。值得一提的是，标准工业用测试的薄壁件厚度为0.06英寸。

楔形测试件

第二个测试件是参与这次测试的其中一家铸造厂提出的，（注：此铸造厂是上市公司）特征包括：键槽，测试收缩率的孔，锥形角。这个样件也可以同时测试各个厂家的收缩率。参见图片3。

在测试中我们发现锥形角在最后去壳时只有几个有经验的厂家制作成功，而其他特征每个工厂都可以成功铸造。我们认为锥形角在熔模铸造中是一个很有挑战的题目，但并不是一个很好的测试设计，在今后的实际使用过程中，我们应该尽量避免锥形角设计。参见图片4。

这次测试我们还得到了收缩率的结果，相似材料的平均收缩率各个厂家均有不同，从1.10%, 0.63%, 0.76%到0.71%。这一点在铸造前我们就已经预见到，主要是以下因素造成：脱蜡系统，焙烧周期，浇冒口设计。铸造厂家们统计了详细的收缩率信息，请参考附件E。

铸造厂反馈

以下章节引用了Solidform公司填写的问卷调查表中的内容。
“ABS在熔模铸造应用方面是一种最清洁的材料，没有在型壳上留下一点灰烬或残渣。燃烧后的灰烬可以很轻易的吹出。”

“ABS相比其他快速成型工艺得到的样件来讲，从铸造厂的角度，有很多优点，包括：

1、 在不同湿度的环境下空间尺寸很稳定
2、 在不同湿度环境下薄壁不会变形
3、 在铸造前不需要特别的表面增强处理
4、 可以缩短铸造周期，主要是指在脱蜡过程中不会在型壳表面留下灰烬，残渣。这一点优于大多数快速成型的样件”

尽管如此，用ABS件熔模铸造还是有一个缺点，得到的制件表面有很多成型时留下的纹路。但这种纹路可用砂纸在ABS原形件上去除。

客户结果

以下是两个成功应用ABS铸造的案例：

Biomet Inc

Biomet inc 是一家位于印地安那州的医药公司，设计及制造人体膝关节，髋关节等等。他们从1997年2季度起开始用ABS件做熔模铸造制作金属件，到今天平均每月制作50件铸造件，包括钴铬合金，17-4不锈钢。这些都是在其公司下属的一家铸造厂完成的。

应用这项工艺，使得试制铸造件的生产周期缩短了两周，年平均节省资金120000美圆。图片5，6是其中部分样件。

Hydro Quebec是一家位于加拿大魁北克的电力公司，他们从1997年3季度开始运用熔模铸造工艺制造部件。以下两个例子（照片7，8）是用ABS样件进行熔模铸造得到的铝合金件，一套共6件。

照片7.ABS样件

照片8.用ABS熔模铸造得到的铝合金件

此部分介绍了铸造厂家的实际加工过程。实际上，每一个铸造厂家应用的工艺都是不同的，这主要由以下因素决定：设备，能力，经验，需求条件和人员。

样件准备

用90%或更高含量的异丙基酒精擦拭ABS样件可以去除污渍及油渍。烃类溶解剂通常用于蜡件清洁，但是可能使ABS软化，所以不推荐使用。

设置浇冒口及排气管

尽管ABS是热塑性塑料，如何设置浇冒口及排气管也是非常重要的，需要正确设置才能保证有足够的空气支持完全燃烧。同时浇冒口及排气管也起到清理灰烬的作用。

型壳

热膨胀实验数据显示：ABS的热膨胀率在100摄氏度时为0.35%，此后保持稳定，125度时开始液化，所以，型壳耐火材料一定要高于此要求。

焙烧

焙烧的程序各个厂家并不相同，通常情况下先将热炉预热到871摄氏度，然后放入型壳焙烧。然后升温到1066-1120度保温50分钟到2小时。

表6是三家不同铸造厂焙烧的数据：

以下资料是用于以ABS件做熔模铸造的公司。

成型技术：

此部分将说明如何运用ABS件进行失蜡铸造，通常我们也使用中空件，由于减少了发气量，所以这种方法可以更快的拿到铸件。

零件设计：

所有的零件都需要良好的制造设计，包括同铸造厂家协商零件的尺寸，壁厚，最小特征尺寸，附加筋等等。

收缩率：

在制作ABS样件时我们必须考虑金属材料的收缩率然后适当放大尺寸制造。请铸造厂提供详细的收缩率数值。收缩率是影响最终结果的重要因素。

熔模铸造要求高质量的表面光洁度，细节复制能力，同时也会出现损伤及设计失误。我们要求理想的样件表面，因为通常第一次涂层对最终产品影响最大。

显而易见，任何快速成型件的表面光洁度都低于用模具制造的蜡件，所以，人为干涉是必不可少的。我们可以通过填充及打磨的方法提高表面质量，关于此点，Stratasys公司已经出版了名为模型打磨技术的资料。你可以用任何方式，包括喷蜡。但是油基的材料最好不要使用，以免除去壳时的不便。

下面的图片是我们用ABS样件用几种不同的办法处理后进行熔模铸造后的结果。我们应用的方法有：打磨，蜡填充，及喷砂。

照片9：表面处理 左边 Aurora Cast 公司 不锈钢板 右边 Solidform 公司 铝件

熔模铸造工艺需要考虑的其他因素：

此部分是提供给铸造行业用户及初次使用熔模铸造的厂家。
第一步工作是选择好需要做的模型然后同铸造厂家讨论并表明你的想法，通常铸造厂家会询问样件的详细资料。如果工厂有可以打开STL档案的软件比如：SOLID VIEW， MAGICS，IMAGEWARE。那么你可以直接把STL文件通过网络传输给工厂。否则你可以传真2维图纸给他们， 你的传真要包括以下内容：截面图，尺寸，精度要求，表面光洁度要求。

不是所有的样件都能够被成功铸造的。通常来讲，设计是影响铸造成功率的重要因素。铸造厂提供报价，模具设计和制作蜡模， 而这些是保证铸造可行性的基本要素。 快速成型工艺能使这个过程简单化，从而节省了时间和成本。但对于铸造厂家来说，问题在于设计师们不了解铸造行业的需求，所以，只有一致性的工艺标准加上铸造厂的管理才能解决我们的问题。

目前只有清单（附件D）上列出的厂家向我们证明了实力，而其他很多厂只是可能有这个能力。所以，请根据以下原则慎重选择铸造工厂：金属材料，地理位置，还有你同铸造厂的关系。

当你开始准备协议的时候，铸造厂将会向你提供收缩率。我们在制作ABS样件的时候一定要包括收缩率， 另外一个需要注意的问题是同铸造厂讨论小孔加工的问题，铸造厂会告诉你他们能做到的最小直径，如果达不到你的要求，你可以选择填充这些小孔或者留下一个凹点作为今后钻孔的依据。

最后你需要提供ABS样件给铸造厂，去测试收缩率是否正确。以及累积设置导流管及排气口的经验。

结论：

ABS是最适合熔模铸造的材料之一，此次参与实验的每一个翻砂工厂用ABS件进行熔模铸造都拿到满意的铸件。

而使用ABS件熔模铸造相比其他快速成型工艺还具有以下优点：完全脱蜡，尺寸精度保持性高，模型准备工作简易。
模型的表面处理工作的好坏是影响最后铸件的品质的重要因素。

此次测试使用的金属材料有：不锈钢，铝，钴铬合金，黄铜，铍铜。

Stratasys 公司在此感谢所有参与测试的铸造厂家，测试结果、图片是本报告最重要的部分

十四、FDM快速成型技术描述

北京瑞科达快速成型科技有限公司

FDM技术是由Stratasys公司所设计与制造，可应用于一系列的系统中。这些系统为FDM Maxum，FDM Titan，FDM Vantage, PlusProdigy Plus以及Dimension。FDM技术利用ABS，polycarbonate(PC)，polyphenylsulfone (PPSF)以及其它材料。这些热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝，由沉积在层层堆栈基础上的方式，从3D CAD资料直接建构原型。该技术通常应用于塑型，装配，功能性测试以及概念设计。此外，FDM技术可以应用于打样与快速制造。

FDM 术语

WaterWorks(水溶性支撑)： 可以分解于碱性水溶剂的可溶解性支撑结构。 Break Away Support Structure (BASS) (易剥离性支撑)： 水溶性支撑的前身，需要手动剥离工件表面的支撑。Tip(喷嘴)： 挤压成型用的喷嘴。喷嘴提供各种不同的孔径让使用者选择。 Road(线材)：在喷嘴的单一路径中所挤压成型的材料。可由喷嘴尺寸与材料进几率控制。

物理属性

符合原型应用的物理需求，大概是选择快速原型技术的最重要因素。快速原型的物理属性将定义他的品质并决定赋予的应用成败。

工程材料属性

当询问到重要性的排序，快速原型的使用者通常会声明材料属性是最重要的考虑。致力于工业需求，符合这些预期用来生产的材料的材料属性是很重要的。而这是FDM技术最重要的强项之一。当Stratasys公司制造用于FDM技术的所有材料，每一项都是从商业上可用的热塑性树脂来生产。

ABS： 所有的FDM系列产品都提供ABS作为材料选项，而接近90%的FDM原型都是由这种材料制造。使用者报告说ABS的原型可以达到注塑ABS成型强度的80%。而其它属性，例如耐热性与抗化学性，也是近似或是相当于注塑成型的工件，其耐热度为摄氏93.3度。这让ABS成为功能性测试应用的广泛使用材料。

Polycarbonate： 可以在Titan机型上使用的一种新式RP材料--polycarbonate –正在快速成长。增加强度的polycarbonate比ABS材料生产的原型更经得起力量与负载。许多使用者相信该材料生产的原型可以达到注塑ABS成型的强度特性，其耐热度为摄氏125度。

其它材料： FDM技术还有其它的专用材料。这些包含polyphenylsulfone、橡胶材质以及蜡材。橡胶材质是用来作类似橡胶特性的功能性原型。蜡材是特别设计来建立脱蜡铸造的样品。蜡材的属性让FDM的样品可以用来生产类似铸造厂中的传统蜡模。Polyphenylsulfone，一种应用于Titan机型的新工程材料，提供高耐热性与抗化学性以及强度与硬度，其耐热度为摄氏207.2度。

图2 PPSF耐高温工程材料应用于咖啡壶设计

Stratasys宣布已经针对FDM快速原型系统Titan发表PPSF材料。在各种快速原型材料之中，PPSF (或是称为 polyphenylsulfone)有着最高的强韧性、耐热性、以及抗化学性。

航天工业、汽车工业以及医疗产品业的生产制造商是第一批期待使用这种PPSF材料的用户。航天业将会喜欢该材料的难燃属性；汽车制造业也非常想应用其抗化学性以及在400度以上还能持续运作的能力；而医疗产品制造商将对PPSF材质的原型可以进行消毒的能力感到兴趣。

测试单位，Parker Hannifin安装了一个PPSF作的模型到汽车引擎中。该零件是一个名为crankcase vapor coalescer的过滤器，装在一组V8引擎并作40 小时的测试以决定过滤器媒介的效能。该零件收集的燃气包含有160度的润滑油，燃料，油烟，以及其它燃烧的化学反应生成物。Parker Hannifin的Russ Jensen说，“该装配件并没有产生外漏，并且其展现出与第一次装配时相同的强度与属性。我们相当满意它的表现。”

测试单位，MSOE (Milwaukee School of Engineering)的操作经理Sheku Kamara，同样地很满意该新材料。“当在玻璃熔融的450度时，在各种快速原型材料之中，PPSF材料还拥有着除了金属之外最高的操作温度以及坚硬度，”他说。“在粘着剂测试期间，PPSF原型零件遭受于温度从14度到392度的考验且依然保持完整。”

颜色

包含最常用到的白色，ABS提供六种材料颜色。色彩的选项包含蓝色，黄色，红色，绿色与黑色。医学等级的ABSi 提供针对于半透明的应用，例如汽车车灯的透明红色或是黄色。

图3、4 彩色模型装配件

属性稳定度

不像SLA以及PolyJet的树脂，FDM材料的材料属性不会随着时间与环境曝晒而改变。就像是注塑成型的副本，这些材料几乎在任何环境下都会保持他们的强度，硬度以及色彩。

精准性

快速原型的尺寸精度取决于许多因素，而其结果可能会因为每个工件或是不同日期而有些微小变化。需要考虑的事情必须包含已知的条件，例如量测的时间范围，工件的修整以及环境的曝晒。Maxum，Titan以及Prodigy Plus精准度资料详见附表一。精度测试工件如图5、6所示，在每一台机器中均用层厚0.18 mm所建构以形成目前的精准性资料。

图5 图标的工件试用来比较精准性

 

图6 所示的测试工件是用来做尺寸精度及运作时间分析。该工件是由FDM Titan在层厚0.18mm时制作的。

表1为Maxum、Titan以及Prodigy Plus的尺寸精度资料。
所有的测试零件均用层厚0.18mm所建构。(单位：mm)

工件建构

一般而言，FDM技术所提供的准确性通常相等或是优于SLA技术以及PolyJet技术，且确定优于SLS技术。然而，由于精准性是取决于许多的因素，所以矛盾的结果便会发生在个别的原型上。FDM技术的精准性受到较少的变量影响。用SLA，SLS以及PolyJet技术，尺寸精准性会受影响的因素有机器的校正，操作的技巧，工件的成型方向与位置，材料的年限以及合适的收缩率。

Z轴

这并非一定都会这样，Z轴可能是被证明准确性最小的。除了先前所讨论的变化之外，原型的高度可能由于层厚整数误差而改变。对所有的RP系统而言都是这样的。任何特征的表面顶端或是底端无法对齐成为一层时，在软件中的切层算法会将尺寸整数化到最接近的层厚数。在最坏的情形下，一端的表面往下整数化而另一端向上，高度可能偏离一个层厚。对于典型的FDM参数，这可能会产生的误差至少为0.127mm。

稳定性

尺寸的稳定性是FDM原型的关键优势，如同SLS技术，时间与环境的曝晒都不会改变工件的尺寸或其他的特征。一但原型从FDM系统分离，当它达到室内温度后，尺寸是固定不变的。如果温度度数变更，用SLA 或是PolyJet技术则不是这样的情形。

图7 大型工件的尺寸稳定

后处理输出

许多RP件都需要手工完成工件的光滑性。例如，SLA需要从工件表面手动移除支撑结构，且工件表面需要一些手工打磨。这表示工件的精准性不再只是受到系统精度的作用。它现在是受到后处理技师的技术等级所控制。 对于塑型，装配以及功能性原型，多数的使用者发现FDM工件的表面精度是可以接受的。那么，当结合了水溶性支撑以及易剥离支撑，表示FDM原型的精准性不会受到手工的改变。当然，如果需要翻硅胶模用或是喷漆用的表面精度，FDM工件将需要后处理，如同其它的技术一样。既然这样，工件后处理技师的技艺在可以做到的原型精度上扮演了一个关键的角色。

图8 模型可烤漆 图9 模型可以真空电镀

表面完工精度

受到使用者与Stratasys公司双方的公认，FDM技术最明显的限制就是表面完工精度。由于是半熔融状态塑料挤制成型，表面完工精度受到影响，与SLS不相上下。当由较小的线材宽度与较薄的层厚来改进表面完工精度时，仍然可以在顶端，底面，以及侧墙看出经过挤压喷嘴的等高线轮廓与建构层厚。表2所列的为Maxum与Titan的表面完工精度。为了改善表面完工精度，Maxum与Titan现在都提供0.127 mm层厚。

使用者发现工件的成型方向，可以满足考虑表面完工精度需求。这些要求较高完工精度的表面通常以垂直方向成型。较不重要的表面通常以水平方向成型，就像是底端或是顶端的表面。如同其它技术，二次加工(后处理输出)可以用来使之相同。而ABS与polycarbonate材料的硬度让打磨耗费人力（Stratasys公司提供免费打磨培训）。使用者通常使用溶剂或用是粘结剂完成或是预备用打磨。商业上可用的这些介质包含有熔接，ABS快干胶，Acetone 以及two-part epoxies。要符合足够的精度，FDM技术与竞争对手的产品都可以提供翻硅胶模用或是喷漆用的表面。这关键的差异是要花费多少时间才能达到要求的结果。

表2：Maxum和Titan的表面精度资料。所有的测试零件均用层厚0.18mm所建构。

特征定义

尽管高阶的FDM系统可以生产较小的特征，大多数FDM原型的最小特征尺寸受限于两倍线材宽度。没有使用者的介入，FDM技术使用的”closed path”选项会限制最小特征尺寸为两倍挤压成型喷组的宽度。对于一般喷嘴与建造参数而言，最小特征尺寸范围从0.4到 0.6 mm。尽管大于SLA与PolyJet的最小特征尺寸，但是该范围是与这些技术的可用最小特征尺寸相同。

尽管SLA技术可以建造小到0.08 (Viper si2机种)或0.25 mm (所有机种)，以及PolyJet技术可以建造小到0.04mm，几乎很少原型会用到这些极小值的优势来作最小的细节。考虑到材料属性，通常发现SLA技术与PolyJet技术的原型常用最小特征尺寸为0.5mm。FDM技术的最小特征尺寸相等于或是优于SLS技术的0.6到 0.8 mm。由于材料属性相似于注塑成型的ABS或是polycarbonate，FDM技术可以给予功能性特征尺寸在0.4到 0.6 mm范围中。

环境抵抗力

FDM原型提供的材料性质相似于热塑性材料。这包含了环境的与化学的曝晒。对ABS材料而言，使用者可以实验他们的原型在93度的温度下以及包含石油，汽油以及甚至某些酸类等的化学媒介。一关键的考虑为水气的曝晒，包括浸没与湿气。SLA技术与PolyJet技术使用的光敏树脂对于潮湿水气敏感且会受到伤害。暴晒在水中或是湿气中不只会影响原型的机械属性，也会影响尺寸精度。当光敏树脂的原型吸收了水气之后，他们将会开始软化并且变的有点易于弯曲。而且，工件会有翘曲或是膨胀的倾向，这会严重影响尺寸的精度。FDM技术的原型，以及SLS技术的原型，都不受湿气影响，所以他们可以保持原有的机械属性以及尺寸精度。

机械加工

FDM原型可以进行铣床加工，钻孔，研磨，车床加工等。为了补偿表面精度不足并加强特征细节，当有特殊的品质需求时，使用者通常会进行二次加工来提升原型的细节。

图10 原型上可进行加工处理，如锁螺丝

操作上的考虑

在考虑原型的物理属性之后，注意力应该转移至操作的参数上。下列领域可以影响到原型在预期应用上的使用。

工件尺寸

不像某些快速原型技术，广告中FDM技术的建造范围就是最大的工件尺寸。在家族系列产品中，FDM技术提供了广泛的建造范围。Maxum，最超大型，所提供的工件尺寸可达600 x 500 x 600 mm。这样的建造范围与最大型的SLA系统相同。Titan，则提供最大的工件尺寸为406 x 355 x 406 mm。这样的建造范围稍微大于SLS Sinterstations系统。ProdigyPlus，办公室桌上型，拥有的建造范围为203 x 203 x 305 mm，该尺寸稍微大于PolyJet系统以及最小型的SLA系统。当使用具竞争性的技术时，快速原型超过建造范围的部分通常分段建构然后作粘结。使用商业上可用ABS快干胶，FDM工件的粘和强度可以满足功能性测试的应用。此外，FDM工件可以使用超音波熔接，这种选项无法使用在SLA以及PolyJet，因为他们不是使用热塑性材料。

支撑结构

在FDM技术中，需要支撑结构来形成基底以制作工件并支撑任何超过悬挂的特征。在工件的接口，支撑材料的坚固堆层已经放下。在这坚固堆层下，线材为0.5mm且在间隔为3.8mm下沉积。FDM技术提供两种类型的支撑--易于剥离支撑结构(BASS)以及水溶性支撑结构(WaterWorks)。BASS支撑是由手工将支撑从工件表面剥离以移除。当他们不想损坏工件表面，考虑的是必须要容易进入与接近细小特征。

水溶性支撑(WaterWorks)是使用水溶性材料，可分解于碱性水溶剂的解决方案。不像是易于剥离支撑(BASS)，该支撑可以任意坐落于工件深处地嵌壁式的区域，或是接触于细小特征，因为机械式的移除方式是可以不加考虑的。此外，水溶性支撑可以保护细小特征。在其它的快速原型技术中，他们要如何移除支撑而不造成特征损坏，是一项极大挑战。

一体成型的装配件

随着水溶性支撑的出现，FDM技术提供了一项独特的解决方案--建构可运转的一体成型装配件。因为水溶性支撑可以进行分解，一个多件的装配件可以在一次机械运转中建构完成。当多件的装配件可以在SLS或是PolyJet中实行时，要小心地考虑到残留在原件之间的材料。举例来说，如图3所示的FDM技术的脑型齿轮组，可以不用手工劳动就能完成并用一些时间就能将水溶性支撑进行分解。用SLS技术制作这样相同的工件，可能需要一个小时以上的手工劳动来清除齿轮与轴柄之件的粉末。有了水溶性支撑，整个装配件的CAD资料可以当作一个工件处理。同样地，也不需要手工劳动或是时间进行工件的装配。

图11 脑型齿轮利用水溶性支撑以一体成型的方式建构而不用考虑手动移除支撑

运行时间

运行时间在FDM技术制程中明显地取决于不同的因素。这样提供所有工件在所有的制作时间比较表是不可能的。然而，一般来说，FDM技术的运行时间比起SLA技术与SLS技术是需要略久一些的时间，而跟PolyJet技术比较起来则相似。表3表示运行时间的是针对于图1所作的精准性测试工件进行纪录。所有工件采用0.25 mm层厚所建构。

表3表示运行时间

FDM技术的运行时间是由工件的材料容积以及支撑结构来定义。不像SLA，SLS 或是 PolyJet，Z轴高度都不影响时间。工件的材料总额与材料沉积率都是决定FDM技术运行时间的重要因素。材料沉积率是喷嘴尺寸，线材宽度以及层厚的作用。较小的层厚与喷嘴将会增进特征细节与表面完工精度，而建造时间会增加。额外的考虑是FDM技术的运行时间不因材料不同而有变化。而对于SLA技术与SLS技术，运行时间是取决于材料种类并且会有20%以上的变化。为了减少运行时间，FDM系统提供了”稀疏填充”(轻量化技术)的选项。这种选项类型会建立实体状的周围与骨架状的内部。线材的间隔为3.8 mm且在每一层会交替线材的方向，所以材料的总额与建构时间都会减少。

既然FDM技术的运行时间都不受Z轴高度影响，除了任何额外支撑材料之外，工件的成型方向可以为了最佳的品质而不造成时间损失。在其它每一项技术之中，通常时间与品质两者不可兼得，当以Z轴为最低的成型方向时可以减少建构时间，但是特征的品质较差。

还有需要考虑的是FDM技术不需要显著的时间去暖机到运行温度或是去让完成的工件冷却。在SLS或SLA技术制程中，系统每运行一次的预先暖机与输出冷却都需要增加2到4个小时。并且在SLA技术制程中，制作出来的原形件需要用酒精或丙酮清洗掉表面的液体树脂，然后放到紫外光固化箱中进行二次固化。在SLS技术制程中，制作出来的原形件需要“清粉”，浸蜡处理。以上这些费时、费力的后处理过程FDM都不需要。

应用范围

概念模型

许多FDM技术的使用者把该技术当作设计的周边。就本身而言，为了在制程早期就能审核与确认设计概念，该技术已经变得另一种与CAD系统连结并驱动的工具。由于这样的应用，FDM技术都是作为概念模型工具以清楚地传达日益精致与复杂的设计。当FDM技术无法从概念模型中提供预期的速度，它提供了结合概念模型与视觉应用的优势。这些强处包含精准性，材料属性，色彩以及免用手动工件后处理。尽管材料强度与硬度并非概念模型的关键，但是它通常值得关注，因为脆弱的模型通常在最不适当的时机破裂。FDM技术的模型也应用于销售与行销，包含内部与外部。对内，FDM技术的原型是用来给销售团队，管理阶层以及其它员工在开始制造之前看一眼产品长相。对外，原型是用来在产品作商品化之前引起预期客户的兴奋与兴趣。

塑型，装配以及功能性模型

对许多技术而言，快速原型的应用在塑型，装配以及功能性分析方面时需要作某些方面的牺牲。尽管SLA技术与PolyJet技术提供较好的细节，精准度与表面加工精度，但是他们无法提供必要的强度与硬度。同样地，SLS技术提供强度而牺牲精准性与细节。对于FDM技术，使用ABS与 polycarbonate材料，提供具有细节，精准性与可加工性的坚固原型，以进行注塑成型塑料工件的功能性分析。尽管未经后处理的工件也许没有生产成品一般的表面精度，但是仍有许多不受此妨碍的应用。再者，表面加工精度相对于其它因素例如尺寸稳定性，耐热性与抗化学性而言，通常是比较次要的。

图12 FDM原型组装测试

修整样品

快速原型可以用来作为建立模具的样品。不像其它快速原型技术，FDM技术可以成功地用来制作样品。然而，必须考虑表面加工精度与工件后处理到可以作为母模所需时间。脱蜡铸造是样品的额外用途，样品必须能在他们自己所建立陶砂壳模之中燃烧消耗掉。FDM技术制程所建构的蜡模与ABS模都被证实适合应用在陶砂壳模之中燃烧消耗的标准铸造流程。

快速制造(少量多样)

快速原型激起对于短期制造的兴趣，对于少到只有一个单位的订单都很合算。这样的应用需要工件在许多领域都符合功能性规格。在FDM技术的精准性与材料属性都是可用之际，它是少数致力于该应用的技术之一。当尚未经过最后加工修饰的FDM工件可能受限使用于可视化，装饰的应用，但不受妨碍它去作为内部组件，或是那些不需要艺术吸引力的用途。对于快速制造的应用，运行时间将会成为一项重要的考虑。然而，就像几位使用者的证明，为数不多的工件运行时间是明显地少于生产模具与成品所需要的总时间。

总结

获得快速原型技术的强处与弱势信息是做出睿智抉择的第一步。尽管目前的信息十分完整，也不可能包含各种应用的需求。所以下一步是评估应用的必要需求以及持续从其它来源处取得信息。要记得，没有任何技术可以适合各种处境。必须选择最合适的工具以满足手边的工作。

详细资料及技术文献请访问网站www.chinafdm.com或致电我们010-65026277。

十五、快速制模技术的应用一例

同济大学机械工程学院 孟小文

一、引言

随着全球经济一体化的形成，制造业竞争十分激烈，如何缩短生产周期，降低成本就成了制造业追求的目标，因此必须提高产品开发的速度和制造技术应用的灵活性。

以快速原型方法为依托的快速模具制造技术（RT）就是适应这种市场需求，能快捷、方便地制作工具和模具的一种新型技术。以快速成形技术为基础的快速制模技术，是20世纪80年代后期发展起来的新兴技术，是传统的制模方法与快速成形技术相结合的产物。与传统技术相比，快速制模技术从产品的开发设计到原型件模型的制作，直到产品模具的制造、产品的生产都显示出了无比的优越性。从古代的手工制作到后来的CAD画图，再到现在的RT，它的发展也就形成了一个综合的制造系统。图1就是制造系统中RT的发展和制造工艺流程图。

二、车灯壳的硅胶制模

基于快速原型技术的快速制模技术分为直接模具快速制造和间接模具快速制造两种，而间接快速模具制造又分为软质模具制造和硬质模具制造。真空浇铸技术是快速原型/快速制模技术领域中较新的技术，常用于软质模具制造。下面就介绍用真空浇铸技术来制造车灯壳硅胶模的过程。

1. 试验设备

所用设备包括MK-Mini真空浇铸机、太阳能电子天平、静音空压机、脱模工具和耗材。模具制作材料用硅胶T2和硬化剂（一般按10:1的比例配制）。

2. 硅胶模的制作过程

(1)原型表面处理

用一般的快速原型成形方法制作的车灯原型件，其叠层断面之间一般常存在缝隙或凹凸不平的台阶纹，通常需要进行防渗处理、强化处理以提高原型的抗湿性、抗热性和尺寸稳定性。同时，要对原型表面进行清洁以提高表面的光滑程度，只有原型表面足够光滑，才能保证制作的硅胶模型腔的光洁度，进而确保翻制的产品具有较高的表面质量和便于从硅胶模中取出。

(2)硅胶和固化剂计量，混合并抽真空

首先依据原型件（车灯壳）的尺寸和形状估计原型件的体积，再计算出型箱的体积，两者相减即得所需硅胶的体积。根据硅胶的密度计算硅胶的重量和硬化剂的重量（两者比例约为10:1），然后混合并放入MK-Mini真空浇铸机里抽真空，这主要是除去胶料搅拌时混入的空气及部分反应产物。在这个过程中需要注意的是依据估计的原型件体积来称取硅胶时要适量，型箱体积取得过小，可以降低硅胶的用量节省制模成本，但是会影响硅胶的使用效果且不利于硅胶模的浇注，从而使制作的模具存在缺陷；体积取得过大，既浪费硅胶增加成本也增加了从硅胶模中取出产品的难度。

(3)选取分离面、贴胶纸并制作浇口

采用真空浇注技术原则上不管多复杂的零件，包括凸、侧凹零件，都能成形，关键的问题是要正确、精确地确定分离面的位置，因为它直接影响着浇注产品能否顺利脱模以及产品浇注质量的好坏。浇注口的定位应该使得树脂到达型箱各个边缘的路径长短相同，这样有利于浇注，甚至有可能省掉浇冒口。

浇注口通道位置的固定件最好用光滑的圆杆，通常使用硅胶棒。对于该车灯壳选取下表面为分离面，并在分离面上贴上胶纸，然后用硅胶棒制作浇口。浇口位置只能选取端面位置，不能选上下表面，因为这样会影响车灯的表面光洁度和光学性能，从而影响质量。

(4)硅胶浇注再抽真空固化并烘干

把排气过的硅胶小心地从侧面倒入型箱，硅胶沿着一侧的箱壁进入型箱，直到原型件全部没入硅胶内。把型箱放入 MK-Mini系统中，再次进行抽真空，目的主要是脱去在浇注时因吸附或受堵面残存在胶料中的气泡。这些气泡对模具质量有极大的影响，脱除不彻底会在模具表面产生气孔等缺陷。对此排气进行的时间大约50分钟，将硅胶从真空室里取出放烤箱中烘干，对硅胶进行加速硬化。

(5)脱模

在硅胶硬化后，模具就可打开了。在打开之前通过浇注口通入压缩空气，使得模具与原型件分开，便于下一步脱模。

首先用笔在分离面画出波浪线的分割线，再用小刀按波浪线切开硅胶模。由于硅胶的透明性，小刀切割的过程可以很清楚地看到。这里要注意小刀在尽可能地对着分离面，以防切开的截面与分离面离得太远。为防止浇注时模具的错位，切割模具时，切口应切成锯齿状。然后利用脱模工具将原型件取出后，将硅胶上残留的胶带和硅胶屑去掉，从而车灯的硅胶模具就制作出来了。

利用这个模具就可以制作出许多色样但形状相同的车灯壳产品了。在实验中制作的硅胶模具图样如图2所示。

图2 真空浇铸技术制作的硅胶模具

3. 产品的制作

把制作好的两半硅胶膜具盖上并用钉针固定。先抽真空然后再放入真空浇注机中，使浇注口对准漏斗嘴，把产品材料放入Mini浇注机的杯中，起动机器。通过浇道浇注，完后取出模具进行烘干，待固化后，再取出模具开模，这样产品就被制造出来了。产品可以根据需要选择不同的颜色，产品的原型件和复制件如图3所示。从实验中可知，采用这种快速制模技术制作的产品无论是在质量、式样、还是表面精度，与原型件相比都好不逊色，完全能满足快速生产的要求。

图3 车灯原型件和通过真空浇注技术制造的产品

三、结束语

由实际工程制造可知，采用快速制模技术，产品设计开发快、成本低，适合柔性生产，产品制造灵活。快速原型和快速制模技术相比，快速制模优点更多。利用此工艺可以制作多个样件，很适合于实行单个生产或小批量生产，能适应市场的多方面需求，而且在精度和寿命均能满足特定的功能需要。与传统方法相比，用RT方法可节约近1/2的时间，而且工艺简单、易于推广。

原载《CAD/CAM与制造业信息化》杂志

十六、采用极坐标机构的快速成型机

北京化工大学 韩可 曹志清 宋丽莉

0、引 言

快速原型即快速成型RP(rapid prototyping)，指根据CAD模型(电子模型)逐层完成实体原型的制造技术。它发展自20世纪80年代后期，是机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学的技术集成，它可以自动而迅速地直接由CAD模型制作三维实体，而不需要机械加工和任何模具。具体来说快速原型技术是把在CAD系统上建立的三维实体模型离散化，在实体模型的高度方向上按几何形状变化分成不同厚度的薄层，用这些不同高度的层面信息来控制成型设备进行层面加工。将这些薄层堆积起来，便得到加工所需的三维造型。

1、基于直角坐标机构的快速原型机分析

目前快速成型制造技术的具体工艺不下30余种，最为成熟的有4种[1]，即熔融沉积造型FDM(fused deposition modeling)，立体印刷成型SLA(stereo lithography apparatus)，层合实体制造LOM(laminated object manufacturing)，选域激光烧结SLS(selective lasers intering)等。近年来所开发各种快速原型机，虽然所用工艺不同，但是其机械机构部分和分层软件原理却是大致相同。普通直角坐标机构的快速原型机在加工圆环薄壁零件时，存在着一些缺点。首先从直角坐标机械机构看。拿我校所购买的美国Stratasys公司生产的双喷头FDM为例，其运动由XYZ3个方向3个坐标实现。Z方向实现零件的层面转换，依次加工零件各层。而在平面直角坐标下喷头的X和Y向的移动而实现截面加工。利用直角坐标机构的快速原型机加工旋转体零件，在填充截面内部时，喷头的圆弧运动轨迹常用直线段代替。如图1所示，喷头的原始位置在O点，沿图中所示的轨迹运动，经A点到B点开始吐料，然后沿BC-CD-DE-EF，直至加工完成整个截面。圆弧段BC在加工过程中是由直线段BC代替的，而且，图中看到的斜线段CD和EF实际上是垂直于X轴的。所以，这便带来零件轮廓的失真现象。尤其是薄壁零件，其截面一般是圆环，而且内圆和外圆的半径相差不大。要想得到较为精确的零件，对快速原型设备的精度要求就很高。理论上讲，只要圆弧BC和垂线段CD足够短，也就是说，让喷头的直径足够小，控制X和Y向运动的驱动机构足够精确(主要是控制喷嘴在X和Y向同时运动)，就可以还原出零件的真实轮廓。但是，这不仅对技术上提出了较高的要求，而且成本较高，价格昂贵。从根本上讲，喷头的直径还是存在的，所加工工件的轮廓依然是近似出来的。所以，在加工截面为圆环(内外圆半径相差不大)的薄壁零件时，采用XY直角坐标无法从根本上解决这一问题。

其次，从普通快速原型机的分层软件来看，快速原型制造软件技术的原理都是采用分层累加法，即用CAD造型，生成STL文件，分层切片等步骤进行数据处理，借助计算机控制成型机完成材料的形体制造。大部分的分层软件都是在STL文件格式的基础上进行的，因此，要对模型进行表面网络化处理，用三角形平面片来近似原来的曲面或平面。此种文件格式进行分层，所得到的曲线是由若干小的线段连接而成。所以，在加工圆环薄壁零件时，经过分层所得到的层片边界是多边形而非圆形。以此作为加工迹线必然得不到截面真实形状。

为了解决上述两种现象，文中提出了利用极坐标原理而设计快速原型机的思想，并且在此基础上提出了其分层软件的技术解决方案。

2、基于极坐标快速原型机的基本机构

采用极坐标机构的快速原型机基本机构示意图如图2所示。电机1控制工作台的升降(z向)，由此而实现零件的逐层加工。由电机2控制喷嘴部分的旋转(控制转角θ)，由电机3来控制喷嘴部分的径向运动(r向)。

和普通的直角坐标系的快速原型机相比，采用此种机构的快速成型机在加工旋转体薄壁零件的优势是显而易见的，主要表现在以下几个方面：
a．喷头运动轨迹是真实的圆，而不再是近似的多边形。
b．加工时零件截面轮廓一次完成，从而缩短加工周期。
c．控制电机运转的参数只有所得截面的半径和旋转的角度，因而控制设计较为简单。
d．采用此种机构研制开发简单，是一种经济型的小型快速原型机，适合教学研究使用。

3、基于极坐标机构快速原型机的分层软件解决方案

从CAD到RP数据转换的方法有2种，一种是对STL文件进行分层处理。基于这种文件格式，要对模型进行表面网络化处理，用三角形平面片来近似原来的曲面或平面。STL文件记录每个三角形平面片的顶点坐标和法向矢量。由这两点可以看出，使用STL文件不仅数据量大，而且曲面的网格化近似降低了模型的精度。虽然目前STL格式文件已经成为事实上的工业标准，但由于它的上述缺点，寻求何种合适的数据格式(如IGES，STEP，CFL等)作为CAD和RP的接口是近年来研究的热点[2]。另一种是在CAD模型的基础上直接进行分层处理[3]，不但可以避免表面网格化所带来的误差，也无需借助中介的文件转换格式。但若是基于直角坐标机构，这种直接对CAD模型分层的方式需要更为复杂的算法。而在极坐标机构的基础上，采用直接分层却大大简化，不需要复杂的算法。

在诸多CAD软件中，AutoCAD可以满足三维造型到截面几何数据获取的要求[4]。由于AutoCAD的UCS功能和获取截面命令，可以很方便的得到三维实体的任意截面几何数据。

3．1圆环截面加工迹线生成方法
对于薄壁旋转体零件，在它的高度方向上的任意横截面均为圆环形。由于快速原型制造中使用的是相应的圆环截面的扫描线作为加工迹线。因此在得到了截面信息后，可以用AutoCAD的绘制圆的命令Circle在圆环截面内部绘制圆，以此作为加工迹线，称为同心圆法。这些圆的半径应在圆环的内外圆半径之间。所绘制的最大圆的半径应该为圆环截面外圆半径减去喷嘴的直径。而最小圆的半径应为圆环截面内圆半径加上喷嘴直径。例如，某一圆环截面的外圆半径为R，内圆半径r，喷头的半径Rj，则所绘制的最大圆半径Rmax和最小圆半径Rmin用以下公式确定：
Rmax=R-Rj(1)
Rmin=r+Rj(2)

而所绘同心圆的个数则根据所绘制的最大圆半径Rmax和最小圆半径Rmin以及工件的质量要求决定。设两相邻同心圆半径之差为U，U的大小反映了工件的质量。U越小，工件密度高，强度较好。但是U不能小于喷头直径，否则产生干涉。同心圆的个数M可由以下公式确定：
M=(Rmax-Rmin)／U+1(3)

各同心圆半径依次为：
Ri=Rmin+iU或Ri=Rmax-iU，i=0～5(4)

由于用AutoCAD绘制圆的顺序便决定了加工顺序，所以，为方便加工，绘制同心圆时从靠近内圆的部分开始绘制。只要通过连续的调用CAD模型高度方向上各个截面几何数据，接着进行数据处理，绘制同心圆，然后提取同心圆的数据信息，即可方便的转换成可控制电机运转的代码，完成分层的要求。具体的分层软件其运行流程如图3所示。

如图4所示，此时喷头的运动轨迹从O点出发，到达A点后喷头开始吐料，并沿圆1运动一周(应该略小于360°)，然后自A点沿直线段AB运动至B点，最后沿圆2运动一周，以此类推，直至完成加工要求。对于剖切所得到的各个截面，在绘制完同心圆之后，截面信息包括圆环截面的轮廓和所绘制的填充圆环内部的同心圆。而实际的控制喷嘴运动的加工迹线是那些同心圆，因此应该把同心圆画在和圆环轮廓不同的图层上，通过dxfout命令以DXF文件格式保存，为生成电机控制指令作准备。由于所得到的加工迹线均为圆形，所以，采用极坐标机构，决定控制电机的运转参数只要有半径就可以得到。

根据上述思想，该分层软件是在Windows2000下，通过ObjectARX对AutoCAD2002进行二次开发，编程语言使用VC++ 6.0。ObjectARX是Autodesk公司针对AutoCAD(13．0或以上版本)平台上的二次开发而推出的一个开发软件包，它支持面向对象编程[5]。

3．2壁厚较厚的薄壁零件分层方法
由于快速原型技术是基于离散/堆积的分层制造思想，所以层与层间的粘合的好坏直接影响到制品的质量。快速原型技术是以截面的扫描迹线作为加工轨迹的，对于直坐标机构的快速原型机，为了提高层与层间的粘合度，层与层间的扫描方向应是互相垂直的，这样可以使加工不同层时，喷头运动轨迹交织进行，因而粘合强度较好。而极坐标加工时加工迹线均是圆形，这无疑使相邻层间的粘合强度降低。薄壁零件的壁厚较薄时，此种加工方法仍是可取的。而对壁厚较厚的薄壁零件分层加工轨迹，可以用另外一种方法来实现。

在获得某一截面图形后，可以做出如图5所示的轨迹线。假设所得到截面的外圆直径为2R，内圆直径为2r。喷头半径为Rj，可以看出喷头的运动轨迹从O点出发，自A点开始吐料，经过直线段AB，再经由圆弧BC到达C点，随后沿直线段CD到D点，接下来再经圆弧DE到E点，依次进行下去，最终回到A点。直线段AB和CD均沿半径方向指向圆心。其中圆弧BC的半径为Rmax，可由式(1)确定，而圆弧DE的半径为Rmin，由式(2)确定。该种填充截面扫描线的方法称为圆弧半径法。与该层相邻的上下两个截面，则仍可以以同心圆法得出喷头运动轨迹。两种方法交替进行，即可得到整个三维造型的各个截面扫描线。在进行截面数据处理时，也应把填充的直线段AB-圆弧BC-直线段CD-圆弧DE，直至回到A点的轨迹画在和内外圆截面不同的图层上，单独以DXF文件存储，为进一步生成驱动指令做准备。

使用此种方法，可以看到各层之间加工交织进行，这无疑提高了层与层间的粘合强度。而此种方法与直角坐标机构的快速原型机相比，其优势依然存在：不仅运动轨迹简单，而且还保证了内部截面轮廓的圆弧特性。但是，这种圆弧半径填充截面轨迹的方法较为烦琐，这便使得程序的编制较为复杂。另外，由图中也可以看出，直线段AB和CD都是指向圆心，靠近圆心的地方比较密集，所以当零件厚度较厚时，喷头容易出现干涉问题，而且会出现靠近外圆部分物料较稀疏，靠近中心部分物料较密集的密度不均现象。但是，在加工薄壁零件时，这种情况时可以忽略不计，是可行的。

4、应用实例

对设计出来的茶杯三维造型进行分层处理，如图6a所示。运用我校所购美国Stratasys公司生产的双喷头FDM随机所带的分层软件直接对茶杯的STL文件进行分层，所得的某一截面的加工轨迹(喷头的运动轨迹)如图6b所示。由于茶杯壁较薄，图中可以明显看到所生成的锯齿形加工轨迹存在不连续和不均匀的现象。这就会造成茶杯的薄壁厚度不均匀。另一方面，采用直角坐标机构，由于驱动机构精度有限，最终影响成品的质量。

而通过极坐标机构快速成型设备，用前述的方法编程软件运行，对茶杯的三维图形进行直接分层，可得其某一截面的加工轨迹如图6c所示。由于杯壁较薄，此时的喷头运动轨迹均为圆，通过极坐标机构也可方便实现，所以可有效防止上述情况的发生，进而提高了成品质量。

5、结束语
a．利用柱坐标机械机构的快速原型机可以有效的解决在加工旋转体薄壁零件的轮廓失真现象，即在加工截面轮廓是圆环型的零件，柱坐标机械机构可以真实的加工出其轮廓。
b．采用柱坐标机构的快速原型机不仅成本较低，而且控制系统简单，分层软件方案解决较为简便，可以方便的对CAD模型直接分层，避免STL文件近似造成的误差。
c．它的分层软件可以基于AutoCAD软件开发完成，所以便于广泛应用，是快速原型机一种经济型的解决方案，便于研制与开发，可以很好的解决薄壁零件的加工问题。
d．对于壁厚较厚的零件加工截面轨迹，文中提出了一种简单的解决方法，即结合同心圆法和圆弧半径法来填充截面扫描线，但是还存在着一定的缺点，有待于完善。

参考文献：
[1]王秀峰，罗宏杰．快速原型制造技术[M]．北京：中国轻工业出版社，2001．
[2]金烨，习俊通，马登哲，等．快速原型中CAD模型的数据处理技术[M]．中国机械工程，2000，增刊，11：51-55．
[3]GanGKJaacob，ChuaCheeKai，TongMei．Development of a new rapid prototyping interface[J]．Computers inIndustry，1999，39(1)：61-70．．
[4]文福安，等．AutoCAD2002高级应用教程[M]．北京：机械工业出版社，2003．
[5]刘良华，朱东海．AutoCAD2000ARX开发技术[M]．北京：清华大学出版社，2000．

十七、快速喷射成型--提高速度的关键

Joseph Ogando

制造汽车内部的塑料构件是一件费力的事情。除了要确保它们的功能需求外，这些部件通常都有严格的外观要求，因而不能使用快速成型设备来生产。最简单的方法是将这些部件喷射成型，但是这种方法成本太高，而且过于费时，汽车制造商难以接受。设计生产遥控车门系统和无钥匙锁具的Ortech公司最近找到了一种快速、低价的方法，可以制成模塑模型。

最近，该公司着手使用Protomold系统来制造原型。该公司的这种快速喷射成型技术可以在三天内将三维CAD模型变成制成品。Protomold系统与传统的塑模制造方法有些不同，Ortech公司使用高速数控机床制造铝制型芯和型腔，用普通的塑模机械生产各种工程塑料制成的部件。而这些塑料可以由公司提供，也可以由客户供应。

Protomold和传统的塑模技术的最大不同在于他们的软件。Ortech公司开发了自己的基于网络的塑模设计系统，大大提高了生产效率。仅需数小时，这个软件就可以分析得到三维CAD模型，并给出用于喷射成型的关于部件尺寸和外表的报告。此报告同时也可以会通过电子邮件发给客户，并附上详细的报价单。

一旦客户决定购买一定数量的部件，该公司的软件系统就会自动生成用于生产铝制模具的刀具切削路径。这大概需要约一天时间，由工程师核查CAD文件和监测刀具。据Protomold 的前任董事长和CEO Brad Cleveland称，一个标准的运行周期大概需要10-15个工作日。如果顾客愿意支付额外费用的话，Protomold可以在三天内生产出部件。

这种方法对部件的整体外形和尺寸还是有一定限制的（见附件）。但是，大部分情况下，采用这种方法可以造出与量产型毫无差别的部件。就Ortech而言，能得到塑模部件给公司带来很大的变化。公司的产品研发部经理Brian Bolton尝尽了快速成型的“酸甜苦辣”，也没有发现一种能够同时满足Ortech尺寸要求和外观要求——钥匙和锁具部件的颜色和质地要与车内的环境相匹配。“即使是原型，我们也不能降低标准，给客户提供看起来就像是用胶带粘起来的东西。”

基于数年的经验，Bolton开始相信目前的喷射成型技术是制造塑模原型部件最好的办法。“我很高兴看到从Protomold那里得到的原型部件使用的材料与我们生产部件一样，”他说。当然他期望的远不只这些。

快速成型

该系统的速度起着重要作用。Bolton最初采用Protomold的技术来生产Saab SUV的遥控车门及点火系统——钥匙、锁具等。这个钥匙代表了Ortech将无钥车门和发动机防盗锁止系统，以及应答机集成于一体的首次尝试。据Bolton回忆，当时Ortech只有不到一年的时间开发该系统。

一年也许听起来很长，但重复修订设计耗费了大量时间。Bolton回忆当时Saab的母公司General Motor公司，开始要求Ortech公司使用无钥车门和先前的电池组尽快设计出这种钥匙时的情景。过去这些电子器件通常集成在钥匙链上，因此Ortech的工程师开始时把它们和发动机防盗锁止系统的芯片一起镶嵌在两片PPE/PA制成的钥匙把中。“这并不是简单的重新封装，电子器件的位置很重要。” Bolton说，“电子器件、电池和锁片之间的相对位置即使只变化了几千分之一英寸，也会影响无线电应答器与点火锁天线的工作。”

部件的外型而不是功能设计问题花费了Ortech公司大部分的研发时间。Bolton说，当Saab车辆设计部门提出了自己的要求时，GM便否定了Ortech三维钥匙把模型。设计师们无疑提出了更具有吸引力的钥匙设计方案，但是他们提出的一些钥匙把的轮廓设计使得Ortech的工程师们不可能将电子器件整合到一起。经过多次反复和数周的协调之后，Saab的设计师和Ortech的工程师们终于找到了令双方都满意的方案。“问题在于这个过程耗费了我们所有的时间，” Bolton说。他估计所有的这些反复使得Ortech公司在没有原型的情况下，只有三个月的时间来生产出真正的产品。“那些闲聊并不能成为我们推迟供货时间的理由。”在确认传统的加工方法不可能如此迅速地完工的情况下，他最终“绝望”地找到了Protomold。

几天之内造出真正的部件

当最终的费用问题谈妥之后，Bolton开始将他的三维CAD模型上传到Protomold网络报价系统中去。“这一上传过程非常简单，而且该系统兼容我们自己开发的非标准Pro/E文档。”一天之后，当Bolton查看他的电子邮箱时，看到了一份HTML格式的报告，内容包括加工的报价、设定和部件本身。

实际上现今的所有汽车钥匙中都带有某种类型的电子器件。这些新的钥匙把是Ortech公司为即将面世的Saab SUV设计的，其中整合了无钥车门系统的电子器件和发动机防盗锁止系统的应答器。

该报告还包括了不便利用Protomold系统加工部位的设计分析。例如，Ortech的部件模型上有一些加工部位的直径小于Protomold铣床的最小加工直径。而且，当时Protomold系统不支持侧面加工。“这的确是个问题，因为事实上我们以前所有的部件都有某些种类的倒扣，”就目前钥匙这一任务而言，钥匙外壳的装配需要加工出倒扣。
另外，报告简要地标示出Protomold部件可能与生产设计图之间的明显区别。Bolton对该报告使用不同颜色和"智能视图"来标注部件模型问题区域的方法给予了极高的评价。基于手头的这份报告，Bolton决定，对原型产品的直径做适当的调整，去掉扣合功能，采用胶水粘和合的办法进行装配。因此，他下了定单，而且在下单后仅仅10天就收到了真正的部件。

侧面加工

Protomold公司的快速喷射成型工艺能在三天内将CAD模型转化为真实的部件，其生产速度惊人。但生产速度的提高降低了部分设计的自由度。公司的CNC（数控机床）、成型机和基于网络设计和生产软件在部件尺寸及复杂程度上的局限已经显现出来了。最近，部分问题也得到了改善。Protomold 公司的总裁兼CEO Brad Cleveland说，“我们正在逐渐对生产工艺进行重要的改进。”

Joseph Ogando， DESIGN NEWS高级编辑
电子邮件：jogando@reedbusiness.com.
原载《DESIGN NEWS China》

十八、金属模具快速制造技术

华中科技大学 张海鸥

快速制模(RT)技术，尤其是快速制造金属模具(RMT)技术能够使新产品由设计迅速转变成高效、低成本、优质的批量生产并抢占市场。虽然高速铣削技术对RMT技术发起了挑战，但RMT技术在某些方面仍具有机械加工技术所无可比拟的优势。

近年来可用于中、大批量成型生产的耐久性金属模具的快速制造技术受到极大关注。然而，目前的耐久性金属模具，尤其是大中型模具的快速制造技术尚不成熟，这是快速制模技术进一步发展并取得更大经济效益需要解决的关键所在。

快速制模技术可分为由RP（快速原型）系统制作的快速原型或由产品原型复制模具的间接法(IRT)，以及由RP系统无模直接制造模具的直接法(DRT)两大类。间接法实际上在RP技术诞生之前就已出现。随着RP技术的诞生而发展起来的直接法，尤其是直接快速制造金属模具的RMT法虽然受到高度关注，但目前由于可成形尺寸范围小，且在精度和材料性能的控制方面尚存在困难，其实用化程度远低于间接法。

快速软模制造技术

RT技术在硅胶、树脂等非金属的软模快速制造方面已取得长足进步。由原型快速复制模具的间接法成本低、周期短、形状限制小、复制精度较高，且因软质RP原型表面易精加工，可得到表面质量较高的模具，因而该方法用得最多。另外也有采用SLA激光固化成形的方法，即用直接法制造树脂/金属复合材料注塑模和铝板冲压成形模具等。然而，这些技术大都仅用于试模用模具的制造，模具不但存在耐久性不足的缺陷，而且因热传导性不高，易造成模具表面温度分布不均匀，从而最终影响成型质量。因此，综合机械性能优良、热传导性好及材料稳定性优良的金属模具，特别是耐磨、耐腐蚀的铁系合金的金属硬模快速制造技术更受到人们的关注。

快速金属硬模制造技术

金属模具的间接快速制造法目前主要有铸造、粉末烧结、电铸、熔射等方法，国内外对此已有许多研究及应用事例。

1、铸造制模法

铸造法最早实现了与RP技术的相结合，其中有代表性的是美国3D Systems公司的“Quick Casting”工艺，其特点是采用SLA原型代替蜡模而实现了精密铸造，类似的方法还有采用FDM制造蜡模等。从理论上讲，铸造法可以用来制造注塑模、冲压模、锻造模、压铸模等，但因铸造法本身固有的缺陷，致使模具表面和尺寸精度不高，以至于难以制造表面和尺寸精度要求高的注塑和压铸模具。据报道，最近出现了不用RP原型而直接切削制作注塑和压铸模具的技术。

2、粉末烧结法

3D Systems公司的“Keltool”工艺是粉末烧结法的代表。该方法在原型或硅胶模内注入金属粉末与结合剂的混合物，待其固化后脱模，经烧结、浸渗树脂或铜、锡等后而获得模具。若需要提高模具的精度，可采取添加微细球状粉末等措施。此方法的优点与粉末冶金法相类似，即对使用的材料限制少。其不足之处是复制、烧结、浸渗等工序多，致使制模时间和成本增加。

东京大学中川威雄研究室野口裕之开发的“Powder Casting”方法与前者的区别是，先将粉末注入硅胶模内，然后再注入结合剂，经加压、烧结、渗铜等工序后得到不锈钢模具。虽然该方法的精度高于前者，但工艺繁杂，不适于制造大尺寸模具。

3、电铸制模法

电铸制模法是一种将快速原型和传统电铸技术相结合的方法，目前已用于高级轿车仪表板的模具制造。以CEMCOM公司的镀镍＋陶瓷复合材料补强(NCC)工艺为例，其基本过程为：先对RP原型表面进行必要的表面精整或导电处理，然后将原型作为母模（阴极）置放在电铸液(阳极)中，电铸液中的金属离子在得到还原后就会逐层沉积在原型上，从而形成电铸壳体，然后再用陶瓷复合材料对壳体进行补强，之后将原型分离就得到了模具型腔。该工艺的主要优点是复制精度高，可用于注塑、搪塑等塑料模具和压铸模等模具型腔的制造以及电火花成型电极的制造。但是，该方法同时也存在着制造周期长、成本较高，以及必须对污染废液进行处理的缺点。

图1 金属硬模熔射制造技术的基本工艺（工艺2是对工艺1的优化）

4、熔射制模法

为了解决电铸法存在的问题，并克服原有熔射法制造的低熔点合金模具耐久性的不足，笔者在结合了熔射、复合材料、铸造、物理分离等技术的基础上，成功地开发出了一种由快速原型制造表面带天然饰纹的不锈钢或碳化钨合金注塑模具或金属薄板成形模具的方法。其基本工艺过程如图1所示（工艺2是对工艺1的优化）。该技术的关键是开发了可熔射的高熔点合金，以及易于分离的陶瓷型熔射原型。在研发的过程中，笔者对工艺1进行了一次完善和优化而获得工艺2。这是因为，工艺1所需原型须由RP原型经硅胶模两次复制才能获得，由于工序较多，使精度控制难度增大，而工艺2则省去了1、2两道复制工序，可直接制作熔射原型，从而大大缩短了制模周期、降低了成本以及提高了制模精度，尤其适于大中型金属模具的快速、低成本制造。工艺2允许模具表面使用各种不同硬度的合金，高的硬度可达HRc63，制成的模具尺寸精度可达到0.02%，平均粗糙度为0.2~0.4mm。目前，该技术已获国家发明专利并申请了新的中国和国际发明专利。用此技术制造的注塑模具和成型件如图2所示。

图2 a、b为熔射法制造的摩托车油箱覆盖件不锈钢模具；c为用该模具注塑的产品

在2003年9月10~13日举行的第六届国际工模具大会上，英国牛津大学与美国福特公司发表了采用电弧熔射制造汽车覆盖件冲压凸模，以取代原有数控机床切削加工制模的工艺的研究成果。不过，该技术仍需先制作一个铝质原型，然后采用冷却凝固法，将金属和结合剂混合浆料浇注到箱体中，在-40℃下将其冷冻凝固。经过去除水分、高温处理的步骤，在增加了强度之后，就获得了陶瓷型熔射原型。该技术采用了机器人电弧熔射最佳路径和冷却控制方式，能够使原型表面熔射钢壳厚达2cm，制模时间缩短到了原有方法的1/5，但制模精度未见报道。

快速制模技术的发展前景

快速制模技术是在与传统的机械加工制模技术的竞争中产生并发展起来的。虽然近年来高速铣削技术得到迅速发展，其高达10多万转/分的铣削速度和良好的表面精度已大大提高了机械加工制模技术的竞争力，再加上电火花加工技术，致使机械加工制模技术成为快速制模技术强大的竞争对手。但是，在制造表面带微细形状、流道复杂，以及具有梯度功能材料和不同材质表面的模具等方面，快速制模技术也有着机加工所无可比拟的优势。此外，快速制模技术还具有能源消耗小、成材率高、环境污染少等优点。这是由于机械或电火花等去除加工的模具制造方法是将坯料去除至需要的形状，此过程必然产生一定的废料，而电铸、熔射等方法则仅在模具表面附着所需的模具材料。若采用直接快速制模法，则仅需逐层堆积至必要的形状即可。因此，快速制模技术具有很好的发展前景，并成为了21世纪制造业最为关注的制模技术之一。

目前，我国的汽车、家电、电子/通讯、轻工等诸多行业新产品的开发越来越离不开快速制模技术。对于该技术在我国的发展，笔者认为，我们的长远目标为开发出具有原创性的短流程、高精度的快速制模所需的新材料和新工艺，以形成具有我国自主知识产权的快速制模核心技术。而当务之急则是加大对于大中型、复杂形状、耐久性、高精度金属模具的快速及低成本制造新工艺和新材料的开发力度。

十九、熔融挤出成型(FDM)快速成型技术简介

北京瑞科达快速成型科技有限公司

FDM快速成型技术是由美国Stratasys公司开发研制的、最有发展前景快速成型技术之一。

FDM成型特点：

1) 标准的工程热塑性塑料。如ABS可以用来生成带有结构功能的模型。
2) 可以使用两种材料，可选栅格结构充当填空。
3) 加热后的热塑性塑料细丝像挤牙膏一样从喷嘴中挤出。
4) 热塑性塑料到达较低温度的工作环境平面后迅速冷却固化。
5) 近年来发展迅速，广受用户青睐。

熔融挤出成型(FDM)--高性能的快速成型工艺

· 熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构－“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。

· 这种工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低。用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC，PC/ABS，PPSF等更高强度的成形材料，使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30％。

适于三维打印机的特点

· 不使用激光，维护简单，成本低：价格是成型工艺是否适于三维打印的一个重要因素。多用于概念设计的三维打印机对原型精度和物理化学特性要求不高，便宜的价格是其能否推广开来的决定性因素。

· 塑料丝材，清洁，更换容易：与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，丝材更加清洁，易于更换、保存，不会在设备中或附近形成粉末或液体污染。

· 后处理简单：仅需要几分钟到一刻钟的时间剥离支撑后，原型即可使用。而现在应用较多的SL，SLS，3DP等工艺均存在清理残余液体和粉末的步骤，并且需要进行后固化处理，需要额外的辅助设备。这些额外的后处理工序一是容易造成粉末或液体污染，二是增加了几个小时的时间，不能在成型完成后立刻使用。

· 成型速度较快：一般来讲，FDM工艺相对于SL，SLS，3DP工艺来说，速度是比较慢的。但针对三维打印应用，其也有一定的优势。首先，SL，SLS，3DP都有层间过程（铺粉/液，挂平），因而它们一次成型多个原型是速度很快，例如3DP可以做到一小时成型25mm左右高度的原型。三维打印机成型空间小，一次多成型1至2个原型，相对来讲，他们的速度优点就不甚明显了。其次三维打印机对原型强度要求不高，所以FDM工艺可通过减小原型密实程度的方法提高成型速度。通过我们的试验，具有某些结构特点的模型，最高成型速度已经可以达到60立方厘米/小时。通过软件优化及技术进步，我们预计可以达到200立方厘米/小时的高速度。

快速塑料零件制造

· 材料性能一直是FDM工艺的主要优点，其ABS原型强度可以达到注塑零件的三分之一。今年来又发展出PC，PC/ABS，PPSF等材料，强度已经接近或超过普通注塑零件，可在某些特定场合（试用，维修，暂时替换等）下直接使用。虽然直接金属零件成型（近年来许多研究机构和公司都在进行这方面的研究，是当今快速原型领域的一个研究热点）的材料性能更好，但在塑料零件领域，FDM工艺是一种非常适宜的快速制造方式。随着材料性能和工艺水平的进一步提高，我们相信，会有更多的FDM原型在各种场合直接使用。

Stratasys公司北京总代理：北京瑞科达快速成型科技有限公司

二十、激光烧结技术在制造业中的应用

Dr. Christof M. Stotko

电子化制造意味着可以直接从三维CAD数据来进行快速、灵活且划算的生产。

许多工业都面临着产品生产周期不断变短而开发周期却持续上升的问题。此外，客户们开始要求产品必须根据他们的要求来制作。这导致了许多的公司在客户要求某产品时，尚未准备好要开发它。为了避免这种不利情况，许多公司在他们的业务中加入了相当一部分数量的产品参数。这就导致了市场机会没有上升的情况下产品开发、生产和销售的复杂性却上升了。这样，投入市场的每种商品的赢利时间就变短了。

一个可能的解决方案就是采用新的手段进行产品的开发、生产和销售。这些手段共同特点就是他们严重依赖于客户参与到公司增加附加值的环节中。极端的情况就是所谓的“开放式技术革新”，客户与公司合作一起创造他/她自己的技术革新。然而，“开放式技术革新”要求一种可以支持直观的产品设计的生产手段。激光烧结就是这样一项技术。它允许直接从CAD的数据进行生产，这样，它就允许自由设计，因为产品设计不像基于加工的传统设计过程那样受到限制。

激光烧结是如何工作的

自从二十世纪九十年代早期，激光烧结就成为产品开发的一项成功的工具。作为快速原型设计理念的技术解决方案，基于三维CAD数据它能够在几天内就得到功能完全的原型，模具或模型，有助于大大减低投入市场的时间。该技术的改进和相关知识的增加从许多方面扩大了它的使用范围。目前，激光烧结是电子化制造的关键技术，它直接从CAD文件进行快速、灵活和划算的生产。

激光烧结是一项分层加工制造技术，这项技术的前提是物件的三维数据可用。而后三维的描述被转化为一整套切片，每个切片描述了确定高度的零件横截面。激光烧结机器通过把这些切片一层一层的累积起来，从而得到所要求的物件。在每一层，激光能量被用于将粉末熔化。借助于扫描装置，激光能量被“打印”到粉末层上，这样就产生了一个固化的层，该层随后成为完工物件的一部分。下一层又在第一层上面继续被加工，一直到整个加工过程完成。

塑料零件的加工

助听器行业强烈的要求其产品能够进行定制。因为成功的助听产品严重的依赖于它对耳道解剖学特性的适应，该工业不能提供任何大规模制造的产品。

利用激光烧结来生产助听设备的过程如下：

1. 用蜡铸件制作一个耳道解剖体的复制件。
2. 用扫描仪扫描这个蜡铸件来得到三维数据。
3. 在三维数据中加入一个标识码，在激光烧结过程后可以用来帮助辨识得到的助听器外壳。
4. 激光烧结外壳。
5. 将激光烧结的外壳和电子元件结合起来。

在助听设备工业，激光烧结已经成为制造过程的选择。

制造过程以同样的效率工作，而不管是一批相同的产品还是不同的（一次写入性）产品。激光烧结系统的造型包络中可以放置几百个助听器外壳，这样一个晚上就能生产几百个产品。电子化制造充分体现了它的潜力：在没有两个一样的零件的情况下，可以直接利用三维CAD数据进行制造过程是十分关键的功能。在产品生产的后期，该数据可以被重复使用来制造与原件几何结构一样的备件，每个部件在外壳内都有一个序列号，作为病人使用的辨别码。

在激光烧结技术的现有水准上，每台塑料激光烧结机器每年可以产出100,000个助听器外壳。

Hammtronic操纵杆“Hi-Drive智能驱动”

FIT公司成功的应用了直接金属激光烧结技术（DMLS）。这个业务部门为一种提供了施工车辆提供了创新、复杂的操纵杆转向系统的快速开发和经济的小批量生产。操纵杆流水线包括了15个塑料组件和其他电子器件、机械装置和开关。技术要求包括：在苛刻的施工现场中的高可靠性，复杂的几何装置要求塑料部件有高精度，此外由于要参加展会，要求的开发周期很短。

FIT公司决定利用DMLS技术来构造14项工具。利用激光烧结工具制造了超过70,000个注射制模生产的零件。另一个组件直接利用了塑料的激光烧结技术。整个运转时间是九周，其中还有因为客户设计上的变动带来的三周的拖延。通过选择激光烧结技术作为生产手段，FIT公司能够减低项目的成本，与传统过程相比降低了50%。

利用激光烧结来进行电子化制造在许多不同的工业已经成为可行的方案。需要强调的重点是，该技术不仅在快速成型环境里可行，而且在多品种的复杂产品的一系列生产中也是可行的。在那些产品可以通过激光烧结技术进行金属或者塑料生产的领域，电子化制造的影响最大。通过避免工具加工带来的时间和成本的消耗，利用激光烧结目标产品使得某些工业与竞争行业相比，竞争优势得到提高。

正如上述的应用实例，激光烧结通过提供快速的提供合适工具，可以促进经济效益。如果所要求的工具复杂度很高，这项技术更显出其优势。从Hammtronic操纵杆的例子可以看出，利用激光烧结来生产工具可以降低开发过程的宝贵时间。

激光烧结不仅是一项用于快速成型的有效工具，而且日益成为那些面对大量不同复杂产品的工业中制造工艺的选择。

FIT公司决定利用DMLS技术来构造14项工具。利用激光烧结工具制造了超过70,000个注射制模生产的零件。另一个组件直接利用了塑料的激光烧结技术。整个运转时间是九周，其中还有因为客户设计上的变动带来的三周的拖延。通过选择激光烧结技术作为生产手段，FIT公司能够减低项目的成本，与传统过程相比降低了50%。

利用激光烧结来进行电子化制造在许多不同的工业已经成为可行的方案。需要强调的重点是，该技术不仅在快速成型环境里可行，而且在多品种的复杂产品的一系列生产中也是可行的。在那些产品可以通过激光烧结技术进行金属或者塑料生产的领域，电子化制造的影响最大。通过避免工具加工带来的时间和成本的消耗，利用激光烧结目标产品使得某些工业与竞争行业相比，竞争优势得到提高。

正如上述的应用实例，激光烧结通过提供快速的提供合适工具，可以促进经济效益。如果所要求的工具复杂度很高，这项技术更显出其优势。从Hammtronic操纵杆的例子可以看出，利用激光烧结来生产工具可以降低开发过程的宝贵时间。

激光烧结不仅是一项用于快速成型的有效工具，而且日益成为那些面对大量不同复杂产品的工业中制造工艺的选择。

二十一、快速成型技术在铸造中的应用

奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院 朱青

快速成形制造技术是目前国际上成型工艺中备受关注的焦点。铸造作为一项传统的工艺，制造成本低、工艺灵活性大，可以获得复杂形状和大型的铸件。充分发挥两者的特点和优势，可以在新产品试制中取得客观的经济效益。

快速成形制造技术又称为快速原型制造技术 (Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)，是一项高科技成果。它包括SLS、SLA、SLM等成型方法,集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件，所以又称为材料添加制造法(Material Additive Manufacturing 或 Material Increase Manufacturing)。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下几乎能够生成任意复杂形状的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速自动成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，是目前适合我国国情的实现金属零件的单件或小批量敏捷制造的有效方法，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。

快速成型技术能够快捷地提供精密铸造所需的蜡模或可消失熔模以及用于砂型铸造的木模或砂模，解决了传统铸造中蜡模或木模等制备周期长、投入大和难以制作曲面等复杂构件的难题。而精密铸造技术（包括石膏型铸造）和砂型铸造技术，在我国是非常成熟的技术，这两种技术的有机结合，实现了生产的低成本和高效益，达到了快速制造的目的。

RPM技术的特点

快速成型的过程是首先生成一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件，将其转换成特定的文件格式，再用相应的软件从文件中“切” 出设定厚度的一系列片层，或者直接从CAD文件切出一系列的片层。这些片层按次序累积起来仍是所设计零件的形状。然后，将上述每一片层的资料传到快速自动成型机中去，用材料添加法并以激光为加热源，依次将每一层烧结或熔结并同时连结各层，直到完成整个零件。成型材料为各种可烧结粉末，如石蜡、塑料、低熔点金属粉末或它们的混合粉末。

快速成型技术与传统方法相比具有独特的优越性，其特点如下：

1. 方便了设计过程和制造过程的集成，整个生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联性，零件所见即所得，可随时修改、随时制造，缓解了复杂结构零件CAD/CAM过程中CAPP的瓶颈问题。
2. 可加工传统方法难以制造的零件材质，如梯度材质零件、多材质零件等，有利于新材料的设计。
3. 制造复杂零件毛坯模具的周期和成本大大降低，用工程材料直接成形机械零件时，不再需要设计制造毛坯成形模具；
4. 实现了毛坯的近净型成形，机械加工余量大大减小，避免了材料的浪费，降低了能源的消耗，有利于环保和可持续发展。
5. 由于工艺准备的时间和费用大大减少，使得单件试制、小批量生产的周期和成本大大降低，特别适用于新产品的开发和单件小批量零件的生产。
6. 与传统方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。

RPM技术在铸造中的应用

1. 精密铸造

精密铸造是所有铸造方法中最精确的一种，精度一般优于0.5％，且可重复性好，铸件只需少量的机加工就可以投入使用。由于铸模是一次性使用，使得制造内部结构复杂的零件成为了可能，能生产锻造或机加工不能生产的零件。尽管精密铸造有着很多的优越性，但其生产过程复杂且冗长。压制蜡模的铝模制作，视其复杂程度和尺寸大小，一般要花几周到几个月时间。得到铝模后，还要几周时间才能得到铸件。这几周主要是用于制作型壳。除了耗时外，精密铸造还很费工，50％～80％的费用都出自于人工。此外，小批量生产中的模具费用分摊至使单价昂贵。

快速成型和精密铸造是互补的，这两种方法都适用于复杂形状零件的制造。如果没有快速自动成型，铸模的生产就是精密铸造的瓶颈过程；然而没有精密铸造，快速自动成型的应用也会存在很大的局限性。快速成型技术在精密铸造中的应用，可以分为三种：一是消失成型件（模）过程，用于小批量件生产；二是直接型壳法，用于小量生产；三是快速蜡模模具制造，用于大批量生产。

图1 ：快速蜡模模具制造流程图

2. 快速铸造

在制造业特别是航空、航天、国防、汽车等重点行业，其基础的核心部件一般均为金属零件，而且相当多的金属零件是非对称性的、有着不规则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件。这些零件的生产常采用铸造或解体加工的方法，快速铸造是所有采用快速成型件做母模或过渡模来复制金属件的方法中最具吸引力的一种。这是因为铸造工艺能生产复杂形状的零件。

在铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模的制造往往是用机加工的方法来完成的，有时还需要钳工进行修整，周期长、耗资大，从模具设计到加工制造是一个多环节的复杂过程，略有失误就可能会导致全部返工。特别是对一些形状复杂的铸件，如叶片、叶轮、发动机缸体和缸盖等，模具的制造更是一个难度非常大的过程，即使使用数控加工中心等昂贵的设备，在加工技术与工艺可行性方面仍存在很大困难。

RPM 技术与传统工艺相结合，可以扬长避短，收到事半功倍的效果。利用快速成型技术直接制作蜡模，快速铸造过程无需开模具，因而大大节省了制造周期和费用。图2为采用快速铸造方法生产的四缸发动机的蜡模及铸件，按传统金属铸件方法制造，模具制造周期约需半年，费用几十万；用快速铸造方法，快速成型铸造熔模3天，铸造10天，使整个试制任务比原计划提前了5个月。

图2 采用快速铸造技术生产的四缸发动机的蜡模

3. 石膏型铸造

精密铸造通常被用来从快速成型件制造钢铁件。但对低熔点金属件，如铝镁合金件、石膏型铸造，效率更高。同时铸件质量能得到有效的保证，铸造成功率较高。在石膏型铸造过程中，快速成型件仍然是可消失模型，然后由此得到石膏模进而得到所需要的金属零件。

石膏型铸造的第一步是用快速成型件制作可消失模，然后再将快速成型消失模埋在石膏浆体中得到石膏模，再将石膏模放进培烧炉内培烧。这样将快速成型消失模通过高温分解，最终完全消失干净，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溶的金属铝合金注入石膏模，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，一般只有压铸模生产的2％～5％。生产周期很短，一般只需2～3周。石膏型铸件的性能也可与精铸件相比，由于是在真空环境完成浇注，所以性能甚至更优于普通精密铸造。

图3所示为使用石膏型铸造得到的发动机进气歧管系列产品

(AI汽车制造业)

二十二、快速成型技术在仿生制造中的应用

华北工学院 沈兴全 王爱玲 吴秀玲 吴淑琴

摘要：仿生制造融合了制造技术、生物技术、材料技术、信息技术，是一种高级制造形式。基于快速成型(RP)技术的仿生制造方法可以制造任意形状和结构的生物器官，并使之具有生物活性。在人工骨骼制造中、多种快速成型工艺得到了应用与实践。
关键词：仿生制造；快速成型；人工器官

1 引言

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。快速成型(Rapid Prototyping, RP)技术是20世纪80年代出现的新型技术，是面向设计（产品开发）的制造技术。RP技术是基于离散、堆积成型原理的新型数字化成型技术，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型或零件。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；最后在快速成型机上加工出一系列层片并将层片自动联接起来，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 基于RP技术的仿生制造

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，在快速成型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1所示。

图1 基于RP技术的仿生制造工作流程

如果要求生成物具有生物活性，则须在快速成型制造过程中使用生物可降脂材料，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份的培养液中，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。

3 用于人工骨骼制造的RP工艺

(1)立体印刷成型(SLA)是以光敏树脂(如丙烯基树脂)为原料，采用计算机控制下的紫外激光以预定原型各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应后固化，从而形成的一个薄层截面。当一层固化后，向下(或上)移动工作台，在刚刚固化的树脂表面布放一层新的液态树脂，再进行新一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复至整个原型制造完毕，如图2所示。在快速成型时，选择骨骼的主要成份轻基磷灰石与紫外激光可以固化的丙烯基树脂单体混合液作为原料。

图2 SLA工艺示意图

(2)分层实体制造(LOM)工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。如图3所示，片材表面事先涂覆上一层热溶胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接；用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材(料带)分离；供料机构转动收料轴和供料轴带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割界面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。在制造人工骨骼时，将纸换成经基磷灰石或者玻璃，采用传统的流延法将胫基磷灰石或玻璃制成薄片，然后采用LOM技术，按照CT扫描并产生的CAD模型获得骨骼的三维实体模型。

图3 LOM工艺示意图

(3)选择性激光烧结(SLS)工艺是利用粉末状材料成型的，如图4所示。将材料粉末铺撒在已成型零件的上表面，并刮平；用高强度的co2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面己成型的部分连接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。SLS工艺的特点是材料适用面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷，蜡等材料的零件，特别是可以制造金属零件，这使SLS工艺颇具有吸引力。SLS工艺无须加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。在快速成型人工骨骼时采用羚基磷灰石陶瓷作为粉末材料，能加工出可以直接移植的骨骼。

图4 SLS工艺示惫图

(4)三维打印(3DP)工艺与SLS工艺类似，如图5所示，采用粉末材料成型。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘结剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘结剂粘结的零件强度较低，还需处理。先烧掉粘结剂，然后在高温下掺人陶瓷，使人工骨骼致密化，提高强度，采用3DP工艺制造的人工骨骼具有一定的微量结构功能。

图53DP工艺示意图

3DP工艺采用了打印技术中的喷墨方法，喷头在不直接接触粉末表面的情况下，有选择地将粘结剂喷到需要的位置上，将零件的片层逐层粘结起来。3DP技术主要用来进行对孔隙率的控制以及对孔径分布的控制(大约100μm)。所用到的有机材料包括聚乳酸、聚乙醇酸以及它们的共聚物，无机材料则为经基磷灰石。

4 结论

仿生制造技术是建立在材料、信息、计算机、加工、医学等多学科基础上的一门综合技术。快速成型技术可以解决仿生制造过程中的大量加工上的难题，特别是在人工骨骼制造和人体制造方面，具有现实的可操作性。

作者简介：沈兴全(1969-)男，副教授，博士研究生主要研究方向、为基于制造技术的生命质量控制工程。
王爱玲，女，教授，博士生导师。

二十三、快速成型技术及其在产品开发中的应用

芶吉华 王水来 彭颖红 阮雪榆

摘要：介绍了快速成型技术的起源和特点，并对几种典型的快速成型工艺进行了比较。最后讨论了引入快速成型技术后的产品开发模式及其在产品开发中的作用。

1 快速成型技术的基本原理

在需求不断向多样化，高质量高性能，低成本发展的今天，面对日趋激烈的市场竞争，制造业的经营战略，从50～60年代的“规模效益第一”和70～80年代的“价格竞争第一”转变为90年代的“市场响应速度第一”，时间因素被提到了首要地位(如图1)。

图1产品需求的变化

快速成型技术正是在这种需求下，通过计算机、数控、激光和材料等高新技术的集成而发展起来的，基于离散堆积思想的一种先进制造技术。它是指在计算机控制与管理下根据零件CAD模型，采用材料精确堆积(由点堆积成面，由面堆积成三维实体)的方法制造原型或零件的技术，是一种基于离散/堆积成形原理的新型制造方法。其基本原理和成形过程如图2所示。先由CAD软件设计出所需件的计算机三维曲面或实体模型，然后据工艺要求，其将按一定厚度进行分层，把原来的三维电子模型变成二维平面信息(截面形状)；再将分层后的二维信息生成数控代码，以平面加工方式有顺序地连续加工出每个薄层模型并使它们自动粘接而成形。

图2快速成型基本原理

80年代后期发展起来的快速成型技术，被认为是近20年来制造领域的重大突破，其对制造业的影响可与50～60年代数控技术相比，RP技术可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估，修改和试验，大大缩短产品研制周期。

2 快速成型技术的特点

2.1快速性

从CAD设计到原型零件制成，一般只需几个小时至几十个小时，速度比传统的成形方法快得多，使快速成型技术尤其适合于新产品的开发与管理。

2.2设计制造一体化

落后的CAPP一直是实现设计制造一体化的较难克服的一个障碍，而对于快速成型来说，由于采用了离散堆积的加工工艺，CAPP已不再是难点，CAD和CAM能够很好地结合。

2.3自由成形制造

自由的含义有两个：一是指可以根据零件的形状，无需专用工具的限制而自由地成形，可以大大缩短新产品的试制时间；二是指不受零件形状复杂程度限制。

2.4高度柔性

仅需改变CAD模型，重新调整和设置参数即可生产出不同形状的零件模型。

2.5材料的广泛性

快速成型技术可以制造树脂类、塑料类原型，还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。

2.6技术的高度集成

RP技术是计算机、数据、激光、材料和机械的综合集成，只有在计算机技术、数控技术、激光器件和功率控制技术高度发展的今天才可能诞生快速成型技术，因此快速成型技术带有鲜明的时代特征。

零件的复杂程度和生产批量与制造成本基本无关。

3 几种典型的快速成型工艺及其比较

3.1几种典型的快速成型工艺

(1)光固化立体造型(SLA-Stereolithography Apparatus)

该技术以光敏树脂为原料，计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，移动工作台，在原先固化子的树脂表面再敖上一层新新的液态树脂以便进行下层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合地层上，如此重复至整个零件原型制造完毕。

(2)分层物件制造(LOM-laminated Object Manufacturing)

LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起。位于上方的激光器按照C AD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割、粘合、切割…，直至整个零件模型制作完成。

(3)选择性激光烧结(SLS-Selected Laser Sintering)

在工作台上均匀铺上一层很薄(100μ-200μ)的粉末在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行粘结或烧结的工艺还正在实验阶段。

(4)熔融沉积造型(FDM-Fused Deposition Modeling)

FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的材料中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层每层厚度范围在0.025～0.762mm，一层叠一层最后形成整个零件模型。

3.2几种典型的快速成型工艺的比较

几种典型的快速成型工艺的比较如表1所示

4 快速成型技术在产品开发中的应用

4.1传统的产品开发模式

传统的产品开发模式是产品设计开发→生产→市场开拓三者逐一开展，相对弧立的模式(如图3)。该模式的主要问题是开发中所存在的问题将直接带入生产，并最终影响到产品的市场推广及销售。

图3传统的产品开发流程

4.2基于快速成型技术的产品开发模式

快速成型技术的出现，创立了产品开发研究的新模式，使设计师以前所未的直观方式体会设计的感觉、感性而迅速验证，检查所设计产品的结构、外形，从而使设计工作进入了一个全新的境界，改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品更新换代的速度，降低了企业校装新产品的风险，加强了企业引导消费的力度。

4.3快速成型技术在产品开发中的作用

图4基于快速成型技术的产品开发流程

从图4中可以看出，在引入快速成型技术的产品开发模式中，快速成型技术已参与产品开发的几乎所有环节，其主要作用表现在以下几个方面：

(1)为决策层提供决策直观性

一个新产品的开发总是从外形设计开始的，外观是否美观实用往往决定了该产品是否能够被市场接受，传统的做法是根据设计师的思想，先制作出效果图及手工模型，经决策层评审后在进行后续设计。但由于二维效果图的表达效果受到很大限制，决策过程中不够直观，手工制作模型费时长，精度又差，手工模型与设计师的意图存在着较大的差异，这一问题一直不能够得到较好解决。快速成型技术能够迅速的将设计师的设计思想变成三维的实体模型，与手工制作相比，不仅节省了大量的时间，而且精确地体现了设计师的设计理念，为决策层产品评审的决策工作提供了直接准确的模型，减少了决策工作中的不正确因素。

(2)减少人为缺陷，提高设计质量

在产品的开发设计过程中，由于设计手段和其它方面的限制，每一个设计都会存在着一些人为的设计缺陷，如果不能及早发现，就会影响接下来的工作，造成不必要的损失，甚至会导致整个设计的失败。因此，及早地发现并改正设计缺陷变的十分重要，使用快速成型 技术可以将这种人为的影响减少到最低限度。快速成型技术由于成形时间短，精确度高，可以在设计的同时制造高精度的模型，使设计师能够在设计阶段对产品的整机或局部进行装配和综合评价，从而发现设计上的缺陷与不合理因素，来不断的改进设计。快速成型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。

(3)缩短设计周期，加快开发进度

快速成型技术的应用，可以做到产品的设计和模具生产并行，对于一般产品从设计到模具验收需要一段相当长的时间，按传统的设计手段，只有在模具验收合格后才能进行整机的装配以及进行各种验收。对于在试验中发现的设计不合理之处，需要对原来的设计进行修改，再相应的对模具进行修改。这样就会在设计与制造过程中造成大量重复性的工作，使模具的制造周期加长，最终导致修改时间约占整个制作时间的20%～30%。应用快速成型技术之后，可以充分利用模具制造的这段时间，利用快速成型的制件进行整机装配和各种试验，随时与模具中心进行信息交流，力争做到模具一次性通过验收，这样模具制造与整机的试验评价并行工作，大大加快了产品的开发进度，迅速完成从设计到投产的转换。另外，快速成型技术形成的模型对于模具的设计与制造过程有着明显的指导作用。对于具体产品来说，模具制造时间可以大大缩短，模具制造的质量可以得到提高，相应的对产品质量得到最终保证起到了积极的影响。

(4)提供样件

由于应用快速成型技术制作出的样品比二维效果图更加直观，比工作站中的三维图象更加真实，而且具有手工制作的模型所无法比拟的精度，因而在样件制作方面有比较大的优势。利用快速成型技术制作出的样件能够使用户非常直观的了解尚未投入批量生产的产品的外观及其性能并及时做出评价。使生产方能够根据用户的需求及时改进产品，为产品的销售创造有利条件，同时避免了由于盲目生产可能造成的损失，同时，在工程投标中投标方常常被要求提供样品，为投标方直观全面的进行评价提供依据，设计更加完善，为中标创造有利条件。

(5)快速模具制造

以快速成型生成的实体模作模芯或模套、结合精铸、粉末烧结或电极研磨技术可以快速制造企业产品所需要的功能模具或工装设备。其制造周期一般为传统的数控切削方法的1/5～1/10，而成本仅为其1/3～1/5，模具的几何复杂程度愈高，这种效益愈显著。

(6)为并行工程的实施提供统一依据和条件

并行工程将是21世纪开发新产品的主流方式，而快速成型技术是并行工程中进行复杂原型和模具制作的有效手段，并提供了新的产品开发模式。快速成型技术是一种正在发展和完善的高技术，是一个富有前景而又充满挑战的领域，因此值得进一步的研究和应用。

二十四、快速制造的新形式

MM《现代塑料》

一种新的层压加工技术给需要以最佳成本-效益比例生产“快速工具”的模型制造商带来了很多优势。

全球竞争给现在的几乎所有行业的影响与日俱增。为用户快速提供新产品的必要性在增加，谁能先交付用户需要的新产品，谁将获得最大的回报，这是一个众所周知的事实。

本文的重点是介绍一种新技术，它表现出超越多数RT系统的能力。由于层压加工技术最近的发展，它已经成为满足几种行业RT要求的一个解决方法。层压加工以前的很多不足之处已经被克服-这使得它成为适用于几种行业的工艺。

工艺

这种新的层压加工工艺以CAD文件为开端，启动计算机程序切割工具并产生用于切割型材的激光输出。型材切割之后被堆积、结合并抛光以建立最终工具结构。

该工艺开始于工具数学数据的产生。它要么是一个完全抛光的网架，要么是一个实体模型。这里优先选用实体模型，唯一的原因是数据完整性通常更好。软件有内部公差选项，能够自动跳过抛光面数据较差的错误或者间隙。

该系统是一种闭合回路工艺，能够在建造过程中连续更新建造数据。使用实时反馈能力对数据监测并调整，以补偿材料厚度合建造过程中的其他变量。结果是形成了所有几何形状部件都在设计位置的精确的工具。该工艺使用几种技术中的一种或者几种技术的综合来密封工具并叠层结合在一起。这里使用了栓接、钎接、粘接和渗铜以及其它专利工艺。

工具加工面通常以一个轻加工轧槽结束，以便消除层压板之间转换时生成的梯级。消除梯级的机加工工作量是最小的，因为闭合回路系统保证所有部件都在设计位置。

应用

这种新的层压加工技术有几种潜在的用途。其中一些目前尚在开发阶段，另一些正在用于生产。目前已经在使用的用于原型机加工和/或生产加工的工艺如下：

● SS 注射模具
●铝制模具
●反应注射模具 (RIM)
●发泡模型
●模具成型中的有限应用。

目前能够获得的原型机和生产加工的工具的样品如图1、图2、图3所示：

图1：用于运动鞋行业的喷射模型

图2: 用于汽车工业的RIM

图3: 用于汽车工业中的发泡模具

其他类型的加工方法正在开发阶段。它包括真空成型工具、模具浇注工具和其他用于高通风工具的独特应用。这些加工方法要么是内部开发，要么是和所选择的有具体需要的模具制造商一起开发。

认识到层压加工可能是所有加工需求的最好方法，问题是什么工具是层压建造的最佳选项？覆盖所有具体应用是比较困难的。下面的准则是通用的，因此，最好分析每种工具自身的优点。通常，模具制造商从满足下面描述的一种或者更多情况的应用中已经取得了最大的回报。

● 中型到大型工具
● 有温度控制问题的工具
● 要求独特形状的工具，比如叠层间需要排气的
● 传统工具建造的时间太短

通常，模具制造商都在寻求一种能超过其竞争者的优势，下面的优点概括了它们为什么选择层压加工而不选择其它工艺。

优点

层压加工本身并不是一个新概念。可是，这个工艺的自动化及开发已经被带到了一个新的水平，使得它在这个领域比其它尝试有着明显的优势。该工艺的优势如下：

速度

通常需要几周或者几个月时间来建造的工具可能在几天之内就建成了。高速激光器和自动装置使得工具能够很快地、有效地建造。工具建造在工具设计之后立即开始，因为常用建造材料库存保持在自身内部。在传统工具建造中仅订购并接收材料所花费的时间内，可能已经有很多层压工具的建造基本完成。

成本低

传统加工和层压加工相比较，成本节约量因用途的差异有很大的不同。节约量从最大可达40%。如果只考虑最适合层压工艺的工具，节约量在20%～40%之间。

精确性

公差和加工的精确性首先应该归功于制造工具所使用的独特软件。这个软件的开发用了几年时间，它能够自动补偿材料厚度的变量和施工过程中建造变量。通过使用实时反馈控制元件，对加工几何图形作分析并对按要求调节建造工艺。因此，当工具从半自动设备上去除时，工具内的所有部件都在其适当的位置。工具建成之后，其精确度在CNC公差范围之内。

钢和铝工具

很多RT工艺不用钢和铝建造工具。典型的RT工艺使用环氧树脂、聚合材料或者其它耐用化合物比如烧结合金。认识到它们在RT中所起的作用后，它们可能因材料性能的局限性而不适合用于生产。耐用性、工具强度、精确度和温度控制可能会成为问题。涉及到耐用性、强度和精确度时，这些新的原型机工具能够模拟传统的钢和铝工具的性能。通常，如果考虑温度控制，它们的性能要比传统工具的性能好。这些工具的加工面可能要求额外的处理，是否需要这种处理由数量要求和腐蚀性材料决定。成品工具可以是CNC或者EDM机加工和焊接的或者采用传统技术进行粒化。

无尺寸限制

不象很多快速加工工艺，大工具尺寸不成为问题。该工艺是具有规模性，因此可以建造大工具。然而，目前设备限制把每一半工具的建造尺寸限定在大约1.5ft×4ft×7ft。到现在为止，所建造的最大工具尺寸为1.3ft×2.5ft×5ft（上部和下部模具尺寸结合起来）。

保形冷却

保形冷却被定义为在工具内建立冷却/加热结构的能力，它要么必须符合工具表面轮廓，要么因为部件的薄/厚部分可能决定最佳温度控制而与该轮廓有偏差。其目的一般是让部件均匀冷却或加热。保形冷却通过大幅度减少循环时间给模型加工提供了很多优势。除过明显的工件成本节约外，其它明确的优点包括工具、设备和地板空间的节约。

图4：鞋子模型的浸入冷却

最近的研究表明，保形冷却可以把采用传统冷却工具所需的循环时间减少30%～60%。节约量在很大程度上依赖于几何图形。传统技术中的温度控制越是困难，采用保形冷却获得节约的机会越大。层压加工工艺很自然地导向在注射模具或者其它加工方法中采用保形冷却的道路上来。这种冷却结构类型的例子如图4所示。这个图中所示的工具用于生产鞋底。复杂的冷却结构用紫色表示。采用传统的钻孔水管，模具结构因为注射器销子定位要求的影响不能为自己找到一条有效的冷却方法。新工艺使用了浸入冷却法，这种方法能够非常有效地冷却工具。冷却工具的水从工具一侧的四个位置进入并在流经工具时受到阻挡，从工具另一侧的四个位置流出。随着几何图形的变化能够看到的板到板之间的梯级效果是层压加工的一个很自然的现象，这个现象既存在于内部，也存在于外部。在表面上这些梯级被消除了。但是，由这些梯级带来的湍流能够产生更加有效的冷却。如果与传统工具相比，这种工具的总体循环时间被减少了45%。

无需建立原型机

这是采用层压加工的又一个节约成本和时间的特征。这里，原型机工具重新组合以满足生产工具标准。给层压工具表面铺设一种硬工具钢合金。表面经过二次机加工后，原型机工具就变成了生产工具。如果存在这样作的机会，原型机保持不动，只是表面需要再次加工以便变成生产工具。应该指出的是，在很多情况下，使原型机工具能够用于生产的表面再加工可能不需要。根据所要生产的部件类型比如体积、表面要求、材料耐磨性等等，原型机层压工具可能本身可能足够对付生产。

总结

这种快速加工工艺有很多潜在的优点。用钢或铝制造工具的方式是以一种快速的并且成本效益显著的方式。高度自动化工艺创造了精确的加工，它可用于很多加工用途。一般情况下，它们的性能因为提高了的温度控制能力而优于传统工具。可以根据要求对它们粒化、焊接和抛光。这种工艺没有尺寸限制，只是现有的设备限制着加工的尺寸。

二十五、3D打印的发展是3D CAD市场发展的写照 Jon Hirschtick

从事 3D CAD 行业 20 多年以来，我非常幸运率先目睹了 3D CAD 技术从初期开发到获得主流采用的整个发展历程。
--SolidWorks Corporation 创办人与总监Z Corporation Jon Hirschtick

从早期在 Computervision 工作到创办和发展 SolidWorks Corporation，我一直致力于探寻一些推动当今 3D CAD 广泛采用并使之成为产品开发主要平台的因素。3D CAD 在 20 世纪 70 年代只是粗略尝试，但是它必须发展并成熟起来，以制作商业可行的设计应用软件，而如今这些应用软件已成为标准。简言之，3D CAD 必须更加经济和易用，功能更强大，以替代 2D 设计系统而成为产品开发的首选途径。20 世纪 80 年代，3D CAD 系统价格昂贵且非直观，而后来发展成为“适合所有人”的系统。这个突破性的发展出现在20 世纪 90 年代，而如今 3D CAD 系统已成为典范，在所有已安装的 CAD 系统中占有很大百分比，这个比例还在不断增长。快速原型技术的发展过程非常相似，并以如今的 3D 打印系统而达到顶峰。Geoffrey A. Moore 在其畅销书《跨越鸿沟》中描述了技术采用生命周期的各个阶段，这些阶段适用于所有新技术，包括 3D 打印和 3D CAD。几乎所有新技术都会有一些早期采用者和主流用户，前者倾心新技术，他们乐于接受一定程度的风险和混乱，以此来换取解决方案带来的潜在利益，而后者更加谨慎，他们在解决方案所带来的利益与变化所造成的影响之间进行权衡比较。早期采用者会应对不成熟系统所固有的困难，而主流用户则会等到一定的成熟度，以确保经证实的切实成果。在一项技术成为主流之前，必须跨越一系列“鸿沟”，从新兴、喜欢拥有、偶尔使用，到经证实、“适合所有人”、大量使用以及提供确切好处。

就快速原型而言，最初的粗略尝试出现在 20 世纪 80 年代，随后 90 年代出现了第一批可以使用的系统。早期的快速原型系统，如立体平面打印术，不仅速度慢、价格高（机器和用于制造原型的材料均是如此），而且还需要专门的操作环境和技术。近年来随着 3D 打印技术的出现，开发人员克服了许多阻碍，使快速原型技术得到广泛采用，正如 CAD 供应商解决 3D 设计应用软件获得主流应用的障碍一样。3D CAD 现已跨越鸿沟，成为业界典范。3D 打印正经历着相同的过程，如今正面临着推动该技术得到大规模采用的关键问题。由于 3D 打印是快速原型的标准，因此该技术通过缩短上市时间、改进信息传递、降低生产成本、提高产品质量以及增强创新，使制造部门从 3D CAD 获得更大利益。

速度、经济和易用
如今的 3D 打印机在促进其广泛应用的关键因素方面已迈了一大步。这些因素即是速度、经济和易用性。正如 3D CAD 必须足够快速、经济和易用才能使制造商将这项技术作为标准采用一样，3D 打印当前正关注性能、成本和可用性问题，这些问题阻碍了第一批可使用的快速原型系统得到广泛采用：

· 速度 – 早期系统生成原型的时间通常需要几天到整夜，这虽然在油泥模型/加工时代表现出巨大进步，但其速度仍然太慢，因而无法在整个产品开发过程中获得最大好处。为使物理原型能在前期概念设计、设计验证和生产过程中为工程师们带来利益，必须大大缩短生成原型的时间。工程师们需要能够在短时间内快速掌握大量设计概念，这样才能缩短设计周期、降低制造成本、提高产品质量并激发创新。通过使用 3D 打印，绩效得到显著提高。过去需要几天，而现在只要几个小时就能完成，将来的 3D 打印速度会越来越快。

· 经济 – 早期的快速原型系统与许多成本超过 10 万美元的系统相比成本较低。但生产原型所用的材料具有一定毒性且价格昂贵，阻碍其得到广泛采用和日常使用。
随着 3D 打印机的出现，系统成本大幅降低，如今制造商只要投资 3 万美元左右就能拥有稳定的 3D 打印系统。3D 打印机所用材料的价格也有所降低，使工程师们生产原型的成本降到每件 10 到 20 美元。

· 易用 – 早期的快速原型系统需要高度培训和专业技术，以及专门的操作环境，而 3D 打印机可在任何办公场所使用，只需经过有限培训，并构成 3D CAD 系统的自然输出设备。正如 2D 打印机支持文字处理和 2D 绘图应用程序 2D 文档的物理输出一样，3D 打印机支持 3D CAD 模型的物理输出。制造商不再需要专门的实验室环境或机械车间来生产原型，也不再需要授权的原型专家。拥有 3D 打印机，工程师们能更轻松地操作设备。只要会使用 3D CAD 系统，那么操作 3D 打印机可谓是轻车熟路。

提高模型质量
另一个推动 3D 打印技术得到广泛采用的重要发展是物理模型的质量。早期的快速原型系统只具备有限的输出选件。由于老式机器无法制作小而复杂的细节，因此公司只能制作低分辨率模型。零件质量通常较差，比较脆且容易损坏，而且只提供单色。最后一次看到黑白 3D CAD 模型是什么时候？

由于引入 Z Corporation 的高分辨率彩色 3D 打印功能，模型质量达到了新水平。与计算机屏幕上的 CAD 图像相比，3D 原型能够触摸、感觉以及握住，因而能向工程师们传递更多信息。向混合模型添加颜色后，工程师们即可通过目视和触摸来研究并充分理解设计原型。就机械设计而言，颜色对于区分复杂组件的各个零件是非常必要的，这也是 CAD 系统采用色彩的原因。3D 打印的色彩控制如此精确，工程师可以为模型中的每个 3D 像素设置 24 位彩色。

徽标放置、彩色编码分析结果的覆盖图以及注解只是高分辨率彩色 3D 打印一些其它优点，该打印技术所提供的好处已远远超出工程范围，为现场测试、客户反馈和销售/营销投入提供了有利时机。由于性能提高、成本降低、使用更简单，因此使原型模型的质量得到了改进，从而使 3D 打印所带来的好处更为突出、确切和实际。

推动 CAD 从 2D 向 3D 迁移
有趣的是，尽管 3D 打印获得广泛采用所遵循的发展轨迹与 3D CAD 相同，但由于3D 打印技术简单、快速且经济，为 2D CAD 向 3D 设计应用软件转化提供了强有力的基础，因此现在这两种技术相辅相成。

尽管 3D CAD 的优点已得到证实，但许多制造商仍继续使用 2D 系统。原因之一是许多部门（包括使用 3D CAD 的部门）的最终设计输出都是 2D 工程图。一些制造商选择不采用 3D，因为最终交付的仍然是 2D 工程图。尽管效率不高，但由于能达到相同目的，因此他们选择保持现状，而不是设法从 2D 迁移到 3D。

如今，3D 打印技术已经成熟，更加易用且经济实惠，并得到证明，许多上述部门认识到 3D 打印可推动转向 3D CAD。当 2D CAD 用户意识到 3D CAD 系统不仅能提供以前的工程图，而且当与 3D 打印结合使用时，还能让他们用手握住零件，便会促使他们最终转向 3D。令他们感兴趣的可能是 3D CAD 增强的可视性和更大的用途，但 3D CAD 与 3D 打印的结合无疑开辟了一个具有无限可能的新世界。对许多部门而言，3D 打印表现出转到 3D CAD 的最大优点。

3D 打印就技术而言是不可思议的，不仅令人回想起星际旅行系列的“复制机”。除“太棒了”以外，3D 打印已足够成熟，已从最初引起人们好奇的技术跨越到即将进入黄金时代的经过证明的受益应用软件。3D 打印沿袭与 3D CAD 相同的道路，现在已经“适合所有人”。几年后，3D ?印将得到广泛应用，它向工程师们提供获得洞察力的工具，使他们能够发挥想象，还可以向制造商提供解决方案，使其在不断增长的全球市场中提升竞争地位。

二十六、RP/RT集成制造环境下的模具精度控制探讨  唐一平 李涤尘 丁玉成

摘要：简要介绍RP技术与RT技术的特点及其集成制造系统；探讨RP/RT制造环境下快速制造模具的技术线路和各生产环节工艺精度控制方法；分析影响模具制造精度的因素，提出按照一个闭环模式将各工艺环节的累积误差反馈到CAD设计端去修改原始设计数据，从而制造出合乎要求的模具的精度控制途径。
关键词：快速原型制造；集成制造；模具精度；闭环控制

Abstract：The technical features of RP and RT as well as the integrated RP/RT system are briefly introduced. A process route and related accuracy control methods in various processing links of Rapid Tooling under integrated RP/RT manufacturing environment are explored. On the basis of analyzing the influence factors of mold manufacturing accuracy， the authors present a closed-loop control mode， through which the accumulated errors during the manufacturing process could be fed back to CAD and the initial design data are modified accordingly， hence a satisfactory mold meeting the demands will be produced.
Key words: rapid prototyping， integrated manufacturing， mold manufacturing， closed-loop control

1 基于RP技术的快速模具制造

快速成形(RP)技术综合了机械工程、CAD/CAM、数控技术、激光技术及材料科学新技术，采用材料累加原理，无需刀具、工装，通过多种途径快速实现从CAD数据到3维物理实体的转换。由不同的RP工艺制成的原型(prototype)可直接或间接地生产出工程零件或产品来。由于RP技术特别适合于制造形状复杂精细的零件原型，成功地解决了CAD3维造型“看得见、摸不着”的问题，且具有生产柔性高(只需修改CAD数据就可生产不同形状的零件)、技术集成度高(集设计制造于一体)，以及制造成本与零件复杂程度与生产批量无关等特点，使得该技术在汽车、家电、轻工、医疗修复、工艺品和儿童玩具等行业得到极其广泛的应用。在国内，已有一些单位对RP技术进行了研究开发，并都取得了一定成果[1]。

近20年来，制造业市场环境发生了重大的变化，用户需求的多样化与个性化以及国际市场的一体化，使得制造商面临更为激烈的竞争。为此，制造业在不断探求能够快速响应市场的生产模式和技术策略，如并行工程、敏捷制造、高速切削和快速成形等，RP技术也就是在这样的背景下发展起来的。以RP为技术支撑的快速模具制造(rapid tooling， RT)也正是为了加快新产品开发周期，早日向市场推出适销对路的，按客户意图定制的多品种、小批量产品而发展起来的新型制造技术[2，3]。

而RP/RT集成环境下的制造技术可实现最终零件和产品的快速制造，这无疑是对多样化、个性化、准时化、小批量的现代制造模式和瞬息万变的市场需求的强有力的技术支撑。RT将是实现这一思想的关键环节。

由于模具属于一种技术密集型产品，其制作过程涉及材料、工艺、设备等各种因素，按传统机械加工工艺生产、周期长、成本高。而基于RP技术的RT由于技术集成度高，从CAD数据到物理实体转换过程快，因而同传统的数控加工方法加工一件模具相比，制作周期仅为前者的1/10～1/3，生产成本仅为前者的1/5～1/3，所以国外工业发达国家已将RP/RT作为缩短新产品开发周期及模具制作周期的重要研究课题和制造业核心技术之一。

利用RP技术快速制造模具，按模具材料和生产成本一般可分为简易模具(国外有关资料称之为soft tooling或economical tooling)和钢制模具(hard tooling)两大类。

如果零件批量较小(几十到几千件)，或者是用于产品的试生产，可以用非钢铁材料制造成本相对较低的简易模具。此类模具一般先用RP技术制作零件原型，然后根据该原型翻制成硅橡胶模、金属树脂模和石膏模，或对RP原型进行表面处理，用金属喷镀法(metalspraying)或物理蒸发沉积法(PVD)镀上一层低熔点合金(如kirksite合金)或镍来制作模具。这类模具的寿命、成本(相对比较值)和制作周期同钢模具的比较见表1[4]。

从表1中可以看出，采用传统的机加工方法生产钢模具成本高、周期长。但若采用RP技术，我们可以用较低的成本、很短的周期生产出钢模具来。

利用RP技术快速制作钢模具目前有陶瓷型精密铸造和失蜡精密铸造以及化学粘结钢粉(一般是不锈钢粉)烧结渗铜处理直接生产钢模具(均需RP原型作母模)，另外一种途径就是利用RP原型制作铜电极或石墨电极，再用电火花加工(EDM)制成钢模具。

据文献[5]报道，利用RP技术直接生产模具的著名商家有CEMCOM、Dynamic Tooling、Ex-press Tool、Extrude Hone和Rapid Tool等，但都处于研制阶段，其生产规模、精度等级和最大模具尺寸、制造水平都十分有限，离完全商业化程度尚有一定距离，这就给我们提供了一个赶超世界先进水平的极好机遇。美国Mechanical Engineering杂志副主编Ashley在1998年7月份该杂志的一篇文章中指出，如果能成功地利用RP技术开发RT，将会引起全球年产值达数百亿美元的模具行业产生一次革命[6]。

2 RP/RT集成制造环境下快速模具制造的精度控制

因为模具是用来直接生产最终成品(尤其是占模具行业比例最大的用来制造家电、轻工产品的注塑模)的工具，其尺寸、形状精度和表面质量要求很高。提高RP原型制作精度、消除翻制工艺过程中精度损失因素的影响已成为RP/RT的关键技术。

目前，国内外对于RP和RT的研究只是局限在各个具体工艺步骤的可靠性和精度质量的探讨上，但是将基于RP技术的快速模具制造看成一个RP/RT集成系统，全面系统地研究其各个环节工艺精度的内在联系、相互影响和累积系统效应，按照一个闭环模式将累积误差反馈到CAD3维设计输入端去修改数据，逐次迭代，从而制造出满足精度要求的模具产品，这方面的研究目前还很少。由于RP/RT集成制造环境下工艺环节多，各工艺环节中变形机理复杂且随机因素较多(复制材料种类和工作温度都对其有明显影响)，因而对各工艺步骤的精度控制带来了一定的困难。而全闭环的精度控制模式可以对整个工艺过程中的精度影响因素作为一种累积效应来进行控制，直接修改CAD数据，从而保证了RP原型和模具具有较高的精度。

因此在CAD设计阶段就应将随后的整个工艺过程中可能出现的各种影响精度的因素都考虑进去，包括树脂固化收缩、原型翻制过程中的收缩，以及在加工石墨电极时的研磨误差补偿等，从而获得一个综合考虑了集成制造环境下不同影响因素以后的比较合理的CAD数据。按照这样的数据来制造的原型及模具的精度将会大大提高。

目前关于RP原型的制作精度问题出了大量的文章，有研究原材料物化性质的，有探讨激光扫描方式的[7]，有关于3维CAD模型分层方向的，还有关于支撑设置方式和树脂后固化处理的，等等。但采用RP技术制成的零件大部分只是一个原型，还不是由最终工程材料制成的零件或产品。也就是说，还要以这个原型为母型去翻制出最终产品来。即使RP原型精度很高，也会由于后续制作的不良工艺而导致模具和产品报废。因此，我们认为，整个快速模具制造过程中的误差链应作为一个闭环系统来考虑，而且这个闭环系统应当说是可控的。

目前关于RP原型的制作精度问题出了大量的文章，有研究原材料物化性质的，有探讨激光扫描方式的[7]，有关于3维CAD模型分层方向的，还有关于支撑设置方式和树脂后固化处理的，等等。但采用RP技术制成的零件大部分只是一个原型，还不是由最终工程材料制成的零件或产品。也就是说，还要以这个原型为母型去翻制出最终产品来。即使RP原型精度很高，也会由于后续制作的不良工艺而导致模具和产品报废。因此，我们认为，整个快速模具制造过程中的误差链应作为一个闭环系统来考虑，而且这个闭环系统应当说是可控的。

快速成形系统有10余种，目前较成熟的有五六种，都可以很快地按CAD数据制成形状复杂的原型来。但无论用何种方式制作原型，要将其变成最后生产用的模具还要涉及到随后翻制过程中各种不同材料(如硅橡胶、石膏、陶瓷型、金属树脂粉和石墨电极研磨头的粘结材料等)的收缩膨胀特性，表面喷镀金属的结合强度以及分离剂(脱模剂)的适当选择和石墨电极加工精度等诸多因素的影响。从每个独立的工艺步骤来说，我们首先要采取提高制作精度和误差补偿的措施，另外还要考虑到两邻接工艺步骤制作精度的相互影响与内在联系，最后从总的精度链根据最后制成的零件误差还需进一步检测和评估，甚至修改CAD原始设计数据。

在实际工艺中，可以先选择几种典型零件(不同复杂程度)进行设计，得到CAD3维模型，经分层处理后输入RP成形机制作原型。原型制作完毕经打磨、抛光和尺寸检查(应预先考虑到随后翻制过程中的收缩量，不同的翻制过程和翻制次数其收缩量是不一样的)，合格后利用硅橡胶和金属树脂等翻制成软模，再制成石墨电极研具并将电极研制出来。由于研磨机原理是小振幅圆周平动加纵向进给，故研磨加工生产出表面形状与研具相反但尺寸略小的3维石墨电极。在研磨成形加工过程中对小振幅圆周平动振动的振幅Δα进行监测，因此加工后的石墨电极与研具在x-y平面上的轮廓图形误差为±Δα(型芯为“-”，型腔为“+”)。在电火花加工钢模时，电火花机床的平动头采用与研磨机平动台相同的振幅参数Δα，从而可以补偿石墨电极研磨加工过程中由于小振幅圆平动振动而改变的尺寸。在此过程中，研磨机平动台的平动和电火花机床平动头的平动形成了一对逆加工，因此钢模尺寸得到了很好的补偿。模具加工好以后，经试模、修模(必要时亦可修整电极)后正式投入生产(例如生产注塑件)。产品是否合格可采用反求技术(反求测量精度为±0.03mm)精确测得其内外轮廓尺寸。因为此时的精度误差是整个工艺的累积结果，可以依据该误差更新修改CAD数据，修正CAD模型后进行下一轮实验，得到闭环系统精度控制的结论。以后的实际制作中可用此结论预测不同形状模具的工艺变形参数并给予补偿修正。钢模具的精度用三坐标测量机测量，软模具用非接触式激光扫描方法测量。实例表明，从RP原型到钢质模具精度可以控制在±0.03mm。

二十七、CNC与RP的机加工性能比较  newmaker

在对快速原型制造（RP）和CNC加工的特点进行比较时，众说纷纭。RP和CNC的忠实支持者都在强调各自喜爱的技术优点，对于这两种技术的了解是正确选择加工工具的关键所在。

在过去的十五年里，原型复制取得了重大的进展。最初，大多数RP技术在速度方面有明显的优势，但由于精确度和材料性能等方面的问题，限制了技术的进一步发展。自从RP出现以后，由于受到某些竞争的威胁，CNC在速度得到改进的同时，也能带来众所周知的收益。同样RP在精确度、材料性能及表面抛光等方面也得到了改进。

了解这两种技术，对于为工作选择正确的加工工具而言，尤为重要，下列的指导可以帮助工具的选择。

材料

RP受到限制
材料的研究经历了很长一段过程。材料选择的范围变大了，性能也得到了保证。现在可用的材料有金属、塑料、陶瓷及复合材料等，材料的选择仍然受到一些限制。而且，大多数材料的性能与材料的加工、模制及浇注等方面的性能也不是很匹配。

CNC几乎不受任何限制
机加工中心几乎对所有的材料都能做切削处理。

零件的最大尺寸

RP的最大尺寸为600 x 900 x 500mm
尽管现有的工业化设备还不能加工仪表盘或者挡板，但是已有的原型可用于生产大多数的日用品和工业品。如果设备要生产的零件太大，可以先生产其各个组成部分，最后再接合成一个完整部件。必须要注意的是，尺寸对于时间有影响，制造较大的零件费时较长。

CNC可以生产飞机零件
CNC机加工可以生产的实际零件和模件的尺寸，小到台式装置大到桥式设备。可以这么说，CNC尺寸的限制也只来自所用的机械工具。

零件的复杂性

RP不受限制
如果一个样品可以用设计软件做模制的话，那么制造的时间或成本方面几乎不受任何影响。迅速、廉价生产复杂零件是RP的最大优势之一。

CNC受到限制
CNC机加工必须要处理部件的所有细节特征。当零件的复杂性增加时，所需设备的数量及工具的变化也会相应增加。大纵横尺寸比、深槽、深洞及方角都会使CNC切削设备的费用增大，五轴切削工具及某些技巧能够克服这些不足，但象底切这种简易操作却也能产生问题。

细节特征

RP有其独到之处
RP能够加工出CNC所无法做到的一些细节。比如，RP可以加工尖内角，可以加工又深又窄的通道、又高又薄的墙壁以及棱柱这些大纵横尺寸比的特征。

CNC有其不同之处
CNC有许多特征可以胜过RP，比如说锐边、平滑叠合、干净的倒角。在评估有关精确度即表面修整等细节时，这些尤为重要。

精确度

RP的精确度为0.125～0.75mm
RP的某些个别尺寸的精确度有可能超过0.125mm，但其一般偏差的范围为0.125～0.75mm。精确度随RP设备和尺寸大小的不同而变化。尺寸增加，精确度也加大。
CNC的精确度为0.0125-0.125mm
如果机加工设备得当，其精确度有可能达到很高，通常情况下，CNC的精确度要比RP的高，精确度一般与设备的成本相关。

重复精度

RP的重复精度低
RP对于影响样机质量的许多因素很敏感，在不同的时间制造零件，其结果也许会不同。温度、湿度、定位以及放置只是可以影响产品重复精度参数中的几个。

CNC的重复精度高
CNC的重复精度要比RP的高得多。如果刀具轨迹、所用工具及材料不变的话，其产品的重复性会更高。环境条件和人为因素会对结果产生影响，对于某些材料而言，温度及湿度会影响产量，因为它们能影响到技师所用设备的精确性。

表面精整

RP的Ra值为2.5～15微米
如果没做二次处理，即使不是全部，但有一些表面很粗糙。RP运用某些技术可把板材的厚度范围提高到0.0125～0.025mm，但是板材的层理和凹凸现象仍会影响表面的精整。如果想做二次处理的话，可使光洁度达到想要的水平，但这样做会改变零件尺寸的精确度。同时，这些操作也会增加多余的时间和成本。

CNC的Ra值为0.5～5微米
机加工与RP不同，它可以为样机、模型和刀具做出适合它们所需的表面抛光。对于RP而言，二次处理（砂磨、抛光）是可以改进表面的光洁度，但同时也会影响到精确度、时间和成本。

可靠性

RP的可靠性属于中等
对于大多数技术而言，产品的可靠性随着产品的不断成熟而增加。RP技术只有15年的历史，这意味着它的可靠程度会有不同的等级。该技术由于时间短、资源匮乏，有些RP生产商没有太多的时间为提高其可靠性而改进装置的组件。
CNC的可靠性属于中等至上等
CNC的研究与发展已有30多年的历史，因此它是一种值得信赖、可靠的技术。多年来，持续不断的技术改进已经消除了产生减少产品可靠性的设备元件。

所需操作人员

RP所需的操作人员极少
二次操作（如安置台架）除外，RP所需的人员极少。在数分钟之内，它可以为零件备好所需的信息资料并开始制造。在制造期间，需要很少或者几乎不需人员参与。

CNC所需的操作人员多
CAM软件应用虽然得到了改善，但在大多数情况下，它们仍然不能根除人员介入。设备安装及操作需要经验丰富的技师；模型在无人情况下制造更是极为罕见。

所需经验丰富的技工

RP所需这类技工极少
这种技术的员工工资当然不是最低，但与机加工相比较，其所需的经验丰富的技工数量较少。这种说法有几分是真实的，因为该技术本身就不需要什么工人。另外，RP经过改进后，操作过程甚至无需技艺。

CNC所需的这类技工较多
机加工需要技巧、创造力和处理问题等方面的能力。从刀具轨迹设计、加工策略到切割操作与监控，机加工都由经验丰富的技工来完成。随着公司收入的减少，技师数量的下降，很可能会缺乏制造模型所需的人力资源。

研制的周期

RP所需的周期短到中等
RP由于所需的员工少、操作步骤少、对设计的复杂性不太敏感，因此它不但减少了实际的制造周期，同时还也减少了整个工艺过程的时间。总体来讲，RP技术在时间和人力方面都富有效率。如果RP在下午4：30收到数据，那么第二天早上就能生产出产品来。对于CNC来说，如果没有两个班的生产时间，绝对生产不出产品的。但是，并非说RP技术对于任何零件的加工制造都是最快的。

CNC所需的周期属于中等
机加工所涉及的东西比较多，主要有人力、刀具运行轨迹、装置的固定、加工时间以及材料等等。其结果是诸多工作所花费的时间要比RP的时间多得多。但是，如果设计简单易懂，CNC也能缩短周期；如果转轴速度快，其进料速度也能改变。

二十八、选择性激光烧结过程温度场数值模拟  杜建红 白培康 程军

摘　要：目的　研究激光烧结过程的温度场，分析在选定烧结参数下的烧结深度及烧结宽度。方法：分析烧结过程及热物性参数之间的变化关系，建立合理的有限元模型，编制相应的程序对其温度场进行模拟；由温度值确定其烧结深度及宽度，并用实测温度验证了计算结果。结果：模拟结果与实测结果相差甚小。结论可用数值模拟方法进行工艺参数选择.
关键词：选择性激光烧结；温度场；数值仿真

Numerical Simulation of Temperature Field during Selective Laser Sintering Process

DU Jian-hong
(Dept. of Mechatronics Engineering，North China Institute of Technology，Taiyuan 030051，China)
BAI Pei-kang　CHENG Jun
(Dept. of Material Science and Engineering，North China Institute of Technology，Taiyuan 030051，China)

Abstract：Aim　Studying temperature field during select laser sintering and analyzing sintering width and depth under certain selected sintering parameters. Methods　The sintering process and interrelation between thermal properties are analyzed. The adaptable finite element model is established. The code is programmed and used to simulate the temperature field. The result of simulation is used to define the depth and width of sintering. The computed results are verified with experimental temperature measurement. Results　The difference between the results of simulation and the measurement is rather little. Conclusion　The sintering technological parameters can be selected with this numerical simulation method.
Key words：selective laser sintering；temperature field；numerical simulation

1　SLS 成型原理及特点

SLS(Selective Laser Sintering) 成型原理[1]：利用 JY-ⅢA 型连续式 CO2 激光器为能量源，成型开始时铺粉滚筒将粉均匀地铺在加工平台上，激光束在计算机控制下以一定速度和能量密度扫描，激光束扫过之处粉末烧结成一定厚度的实体片层，未扫过的地方仍是松散粉末。制成第一层后，活塞下降一个与铺粉厚度相同的距离，再铺第二层粉末，重复该过程，一个三维实体就可以制造出来。SLS 成型系统简图如图1所示：

图1SLS成型系统
Fig.1 Schematic of selective laser sintering process

2　数学模型

有关快速成型过程的数值模拟，目前已有的报道为点扫描的一维传热[2]，其误差比较大。作者结合自己所用的线扫描系统，为使计算更接近实际，采用了二维有限元模型。

二维非定常热传导能量平衡方程为[3,4]

(1)

所用到的热物性参数之间的关系如下列各式所示[2,4]

ρ_s=φ₁ρ₁+(1-φ₁ρ)(2)

ε=(ρ_s-ρ)/ρ(3)

c_p=w₁c_p1+(1-w₁)c_p2(4)

w₁=φ₁ρ₁/〔φ₁ρ₁+(1-φ₁)ρ₂〕(5)

k=k_g(1-ε)/(k_g/k_s+Ψ)(6)

Ψ=0.193 ε^1.854(7)

(8)

(9)

d/D=1-(1-φ₁)^1/3(10)

式中　T 为摄氏温度；t 为时间；ρ 为粉床平均密度；cp 为粉床比热；k 为粉床热导率；φ 为体积系数；x 为粉层厚度方向；y 为激光扫描方向；ε 为孔隙率；w 为质量系数；d 为涂层厚度；D 为颗粒直径。下标 1 为树脂；2 为实体颗粒；s 为固体；g 为空气。均为国际单位.

3　边界条件

所选用的成型机，能保证对任何形状的产品实现变长线等能量密度输入。当扫第一层时，最初位置为粉末；当扫过此位置后，即为固、 液、 粉混合体。由于烧结过程中，液体区域及其物性参数有一定的随机性，所以程序将每层分成两个区域。线扫过的区域为固体区域，而与线接触或待接触区域为粉末区域。故有限元网格的划分以扫描线宽及铺粉厚度为控制参数。第一层底部为粉末与工作平台的热传导，扫描线与粉末接触的部位为定常热流输入，其余部位为与空气的对流换热(换热系数为包含辐射的综合系数)。对两层以上的烧结过程，层与层之间的热传导用定义内部单元的方法来实现，如图 2 所示。实际上，边界条件可简化为两类： ① 定常热流在粉层表面随位置不同而加载；② 空气与除热流加载单元外的边界之间的对流换热。

图2 烧结过程边界变化
Fig.2 Boundary condition varying with sintering process

4　计算结果分析

由温度值可判断粉末是否凝固。设粉末熔点为 Ts，则当计算点的温度 T>Ts 时，表明粉末已烧融；当 T

作者根据所建立的数学模型，编制了二维有限元程序[5]，并用实例对程序进行了验证。

本例中所选粉末为聚乙烯蜡和氧化铝、 氧化锆的混合粉末，粉末的相对密度为58%，扫描功率为 (15～25) W，线宽 0.4 mm，扫描速度4mm/s，Ts=80 ℃。作者对其进行了温度场数值模拟，其有限元模型及计算结果如图 3 所示。

图 3　烧结过程温度等值线分布(℃)
Fig。3　Isoline of temperature during sintering progress

由图3可知，在选定的烧结参数下，烧结宽度为 (0.4～1.2) mm，最大烧结深度为 0.15 mm。说明在已选择的烧结参数下，粉末是在全熔状态下烧结的，层与层之间的搭接良好，烧结控制参数是最优的。

用 WRe5-WRe25 热电偶测量了温度随时间的变化曲线，并将计算值与实测值作了比较，结果见图 4。由图 4 可看出，计算结果与实测结果相差很小(第一测点位于粉层中间，第二测点位于层与层接触处)。

图 4　实测温度与理论值比较
Fig.4　Comparison between tested value and calculated value

5　结　论

建立了 SLS 烧结过程的数学模型，并对其边界条件进行了合理的处理。该模型及方法同样适用于其他粉末材料变长线扫描激光烧结过程温度场的求解。

对聚乙烯蜡和氧化铝、 氧化锆的混合粉末烧结过程进行了温度场数值模拟并与实测值进行了比较，计算值与实测值基本吻合。

利用计算结果可确定相匹配的烧结工艺参数，如铺粉厚度、 扫描速度、 扫描功率等。

部级“九五”预研基金资助项目
杜建红(1969-)，女，讲师，硕士。从事专业：汽车工程.
杜建红(华北工学院 机械电子工程系，山西 太原 030051)
白培康(华北工学院 材料工程系，山西 太原 030051)
程军(华北工学院 材料工程系，山西 太原 030051)

参考文献：
[1]　冯涛，孙建民，宗贵升等。用选择性激光烧结实现快速精密铸造
[2]　Nelson J C，Vail N K，Barlow J W，et al。Select laser sintering of polymer-coated silicon carbide
[3]　孔祥谦。有限元法在传热学中的应用
[4]　Nelson J C，Xue S，Barlow J W，et al。Model of the selective laser sintering of bisphenol-a polycarbonate
[5]　程军。计算机在铸造中的应用

二十九、快速成形技术在铸造生产中的应用  中国汽车制造网

1 快速成形技术

20世纪80年代后期发展起来的快速成形(Rapid Prototyping，简称RP)技术，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。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。

2 快速成形技术原理

快速成形技术是先进制造技术的重要分支，它不仅体现在制造思想和实现方法上有了突破，更重要的是在制作零件的质量、性能、大小和制作速度等方面，也取得了很大的进展。它是建立在CAD/CAM技术、激光技术、数控技术和材料科学的基础上，基于离散/堆积成形原理的成形方法。其基本原理是：任何三维零件都可看成是许多二维平面沿某一坐标方向叠加而成，因此可先将CAD系统内三维实体模型离散成一系列平面几何信息，采用粘接、熔结、聚合作用或化学反应等手段，逐层有选择地固化液体(或粘接固体)材料，从而快速堆积制作出所要求形状的零部件(或模样)。制造方式是不断地把材料按照需要添加在未完成的工件上，直至零件制作完毕。即所谓“使材料生长而不是去掉材料的制造过程”，其实现的流程如图1所示。

图1 RP的离散/堆积成形流程

3 典型的快速成形技术

快速成形技术按原型的成形方式分为：立体印刷(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、叠层实体制造(LOM)、融积成形(FDM)、三维印刷(3DP)等。

1 立体印刷(SLA) 立体印刷(Stereo Lithography Apparatus，简称SLA)又称之为激光立体造型或激光立体光刻。是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，这种液态材料在一定波长和强度的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。SLA工作原理图如图2所示。

首先由CAD系统对准备制造的零件进行三维实体造型设计，再由专门的计算机切片软件将三维CAD模型切割成若干薄层平面图形数据。

图2所示的容器中，盛有在紫外光照射下可固化的液态树脂，如环氧树脂、乙烯酸树脂或丙烯酸树脂，不同树脂样件的机械特性不同。立体印刷开始时，升降台通常下降到距液面不到1mm(相当于CAD模型最下一层切片的厚度)处。随后x-y激光扫描器根据第一层(即最下一层)切片的平面几何信息对液面扫描，液面这一层被激光照射到的那部分液态树脂由于光聚合作用而固化在升降台上。接着升降装置又带动升降台使其下降相当于第二层切片厚度的高度，x-y激光扫描器再按照第二层切片的平面几何信息对液面扫描，使新一层液态树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上，如此重复进行直至整个三维零件制作完成。

图2 立体光刻装置示意图

SLA方法是目前快速成形技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。SLA工艺成形的零件精度较高，多年的研究改进了截面扫描方式和树脂成形性能，使该工艺的加工精度能达到0.1mm。但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、有的光固化树脂有一定的毒性等。

2 选择性激光烧结(SLS) 选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)是用二氧化碳类红外激光对已预热(或未预热)的金属粉末或者塑料粉末一层层地扫描加热，使其达到烧结温度，最后烧结出由金属或塑料制成的立体结构。

选择性激光烧结与立体印刷的生产过程相似，首先还是由CAD/CAM系统根据CAD模型各层切片的平面几何信息生成x-y激光束在各层粉末上的数控运动指令。制作过程如图3所示，随着工作台的分步下降，将粉末一层一层地撒在工作台上，再用平整滚将粉末滚平、压实，每层粉末的厚度均对应于CAD模型的切片厚度。各层上经激光扫描加热的粉末被烧连到基体上，而未被激光扫描的粉末仍留在原处起支撑作用，直至烧结出整个零件。

SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件，特别是可以制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑，因为未烧结的粉末起到了支撑的作用。

图3 选择性激光烧结示意图

3 叠层实体制造(LOM) 叠层实体制造(Laminated Object Manufacturing，简称LOM)又名分层(或层压)实体制造，它的生产程序与前述两种方法相近，其主要特点是根据CAD模型各层切片的平面几何信息对箔材(通常为纸)进行分层实体切割。如图4所示的装置由供料轴和收料轴不断传送箔材。工作时激光器发出的CO2激光束进行x-y切割运动，将铺在升降台上的一层箔材切成最下一层切片的平面轮廓。随后升降台下降一层高度，箔材供料轴和收料轴又传送新的一层箔材，铺上并用热压辊碾压使其牢固地粘在已成型的箔材上，激光束再次进行切割运动切出第二层平面轮廓，如此重复直至整个三维零件制作完成。

LOM工艺只须在箔材或者纸上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。

图4 叠层实体制造示意图

4 融积成形(FDM) 融积成形(Fused Deposition Modeling，简称FDM)，其成形材料可用铸造石蜡、尼龙(聚酯塑料)、ABS塑料及医用MABS塑料，可实现塑料零件无注塑成形制造。

FDM融积成形系统采用专用喷头，成形材料以丝状供料，材料在喷头内被加热熔化，喷头直接由计算机控制沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出沉积成实体零件的一超薄层，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。整个模样从基座开始，由下而上逐层堆积生成，如图5所示。

图5 融积成形示意图

FDM工艺不用激光器件，因此使用、维护简单，成本较低，无毒无味和运行稳定可靠，适合办公室环境使用，符合环保要求。用石蜡成形的零件原型，可以直接用于熔模铸造。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。由于以FDM工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优点，该类工艺发展非常迅速。

5 三维印刷(3DP) 三维印刷(Three Dimension Printing，简称3DP)工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘结剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面，如图6所示。用粘结剂粘接的零件强度较低，还须后处理。先烧掉粘结剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化，提高强度。

图6 三维印刷示意图

该工艺已被美国的Soligen公司以DSPC(Direct Shell Production Casting)名义商品化，用以制造铸造用的陶瓷壳体和芯子。

4 快速成形技术在铸造上的应用

快速成形与铸造相结合的产物是快速铸造技术(Quick Casting，简称QC)，这种快速铸造使得多种材料、任何形状复杂、内部结构精细的铸件都能生产出来，产品开发周期短、精度高，大大地提高了企业获取订单的竞争力，RP为实现铸造的短周期、多品种、低成本、高精度提供了一个快速响应技术，显示出了强大的生命力和巨大的应用潜力。快速成形技术在铸造上的应用如图7所示。

图7 快速成形技术在铸造上的应用

1 直接铸造法 直接铸造法主要是指由RP技术直接一步成形铸造用的型壳、型芯，型壳、型芯经处理后，即可进行金属浇注，铸造出金属零件。由于从原型到金属零件不经过造型转化，故称直接铸造法。该类工艺方法一般用于单件、复杂零件的制造。

(1)直接壳型铸造：直接壳型铸造是利用激光选择性烧结对以反应性树脂包覆的陶瓷粉进行烧结，可以一步制成铸造用的型壳、型芯的方法。在CAD环境中，直接将零件模样转换为壳型，再配以浇注系统。型壳的厚度可取5～10mm，烧结过程中，非零件部分进行烧结，零件部分仍是粉末。烧结完成后将粉末倒出，再经固化处理就获得铸造用的型壳，进行浇注后即可制得金属零件。用此方法，省去传统精密铸造多种工艺过程，是传统铸造的重大变革。它的最大优点是速度快，不需要任何模具，甚至不需画图，设计工程师通过计算机网络将资料送到铸造车间的系统中便可完成型壳的设计与制作。该工艺的不足之处主要是零件表面粗糙度值较高。其关键技术是型壳厚度、型壳表面粗糙度及固化处理工艺。

近几年开发研制的激光快速自动成形系统，还可以利用铸造覆膜砂直接进行选择性激光烧结，制作铸造壳型和壳芯，使这一技术在铸造上的应用得到更进一步的发展。

(2)直接制模铸造：直接制模铸造(Direct Shell Production Casting，缩写为DSPC)，其成形方法不是采用激光进行选择性烧结，而是采用粘结剂进行选择性粘接。把CAD模型转换成模壳，然后以类似于熔模铸造的工艺，制造出金属零件。从设计到成品零件出厂前后只要10天，是金属零件设计和制造上的一个突破。

直接制模铸造来源于三维印刷快速成形技术，生产过程如图8所示。

图8 直接制模铸造的过程
a) CAD 设计好的零件模型 b) 模壳设计装置构造模壳设计 c) 模壳制造装置上表面沉积薄层陶瓷粉 d) 喷墨头喷射微滴粘结剂
e) 过程重复出所有的薄层 f) 取走模壳处的疏松粉 g) 燃烧模壳注入熔融金属 h) 分开模壳露出完成的零件

1)将工件原形CAD模型输入型壳设计装置，生成用于浇注铸件的壳型的电子模样(包括铸件收缩余量、铸造圆角、加工余量、壳型型腔数目、浇注系统等)，进行充型凝固模拟，预测铸造时可能出现的各种问题，完善模型并确定壳型和壳芯的厚度等尺寸，以确定所需制壳材料的重量等参数，如图8a、b所示。

2)把电子模样输至模壳制造装置，由电子模样制成固体的三维陶瓷模壳。

① 在模壳制造装置上表面沉积一层薄薄的细刚玉粉，由平整辊压平其表面。
② 由按指令在x-y平面移动的喷头向刚玉粉层表面喷射由压电陶瓷振动雾化并通过电场而带电的硅胶液粘结剂微滴，使形成型壳厚度的刚玉粉层固化，未被粘接的刚玉粉则留做后面沉积层的支撑。反复进行①和②操作直至构成整个三维壳型，如图8c～e所示。

3)去除型壳内外的未被粘接的粉料；然后像熔模铸造一样烘干、烧结型壳，浇注金属液，获得与原形CAD模型形状、尺寸相同的铸件，如图8f～h所示。

直接制模铸造从设计到零件交货的周期如图9所示。

图9 直接制模铸造的周期

直接制模铸造使熔模铸造成为金属成形方法中更具吸引力的工艺，因为它是一种柔性、环保工艺，几乎所有的复杂外形以及某些复杂的内部结构都能制作。

该工艺的成形材料也可以是铸造用砂，直接制得铸造用的砂型，浇注后即可获得金属零件。该方法由于设备运行费用低，成形尺寸大，成形材料便宜，适合用于单件大型复杂零件的铸造。

2 一次转制法 一次转制法主要是指由RP技术(如FDM法、LOM法、SLS法、SLA法等)提供的原型作为母模，可直接与普通砂型铸造、熔模铸造、消失模铸造与真空铸造等铸造工艺结合，制造金属零件。由于从原型到金属零件要经过一次转化，故称一次转制法。该类工艺方法一般用于单件、小批量零件生产。

(1) 普通砂型铸造用模样的快速成型 选用适当的树脂材料制得原型模样，再进行表面喷镀，或者是用LOM法制得原型，然后将模样直接安装在模板、芯盒上使用。在制作砂型铸造用模样时，还将铸造工艺专用软件与快速成形技术相结合。首先用铸造工艺专用软件在为欲制作的零件加上加工余量、起模斜度、铸造圆角等。将有关数据一起送入快速成形机中即可自动制作出所需零件的模样。制成的模样可以用来拼装模板，也可以代替传统木模用于手工砂型铸造，过大的模样可以分段制作后再组合。为了节省树脂和上机时间，模样背面通常都制成蜂窝状结构，采用这种结构有时可节省材料70%。模样表面厚度和蜂窝状结构的具体尺寸根据模样承受的压力来决定。为了提高模样的耐磨性，可在树脂模样表面喷涂铝合金或特氟隆塑料。用这种工艺生产的一件直径445mm、高55mm的模样，表层厚度1mm，背部蜂窝状结构厚15mm，在呋喃树脂砂造型线上使用114次后表面发生局部剥离，到180次后经局部修整仍可继续使用。在模样尺寸精度方面也是令人满意的，使用该系统生产了近200套模具，未发生一次尺寸精度超差的情况。在某次抽查的模样的20个尺寸中，偏差在-0.62%～+0.9%之间。

LOM纸质原型具有与木模同等水平的强度，等同甚至更优的耐磨性能，可与木模一样进行钻孔等机械加工，也可以进行刮腻子等修饰加工、其硬度、强度数据列于表1中。因此，以此代替木模，不仅适用于单件铸造生产，而且也能适用于小批量铸造生产。实践中已有使用300次以上仍可继续使用的实例(用于铸造机枪子弹)。美国福特汽车公司用LOM法制造长685mm的汽车曲轴模样，先分3块制作，然后再拼装成砂型铸造用的模板，尺寸精度达到±0.13mm。

试 料 硬度/HS 受压强度/MPa
LOM模样垂直于纸面 45 66
LOM模样平行于纸面 17 66
铝模 40 153
杉木模 30 69
松木模 20 81
柳安木模 25 -

此外，因其具有优越的强度和造型精度，故还可以用做大型木模。例如，大型卡车驱动机构外壳零件的铸模，其外形尺寸为760mm×600mm×280mm。

可见，使用这种方法制作模样有如下几个优点：制作周期以及消耗工时都大大降低，可以实现无人化操作，不需要熟练的模样工，可减少模样保管场地等。

(2)精密铸造用熔模的快速成形 几乎所有的快速成形技术制作的原型都可以作为熔模铸造的熔失模，各种快速成形技术用于铸造的优缺点比较见表2。

表2 主要快速原型技术用于铸造的优缺点对比

SLA成形材料是丙烯酸脂或环氧树脂等热固性光敏树脂。这些材料只能烧失掉，不能加热熔化。所以成形树脂模样外涂覆陶瓷耐火材料后焙烧，将模样烧掉而剩下陶瓷壳体，将型壳加入背砂浇注金属液，冷却后即可得金属件，该法制作的制件表面光洁。SLA制作的模样最初并不能用于熔模铸造生产。这是由于树脂聚合物模样在结壳后脱模燃烧时的膨胀会导致型壳破裂。经过不断改进，开发出专门为熔模铸造生产设计的机型，制作的树脂模样是中空的，或用薄到1mm的肋在三个正交方向互相连接起来的支撑网格来构成其中的中空部分，其外壁开有引流孔将中部未硬化的树脂排出。这样在结壳后燃烧脱模时中空模样首先向内塌缩而不会使型壳开裂。专门为其开发的环氧型树脂，粘度低，在制作中空模样时，从引流孔排除多余树脂时间短，即使是相当复杂的模样也只需2～3min。用这种树脂制作的中空模样壁可以很薄(0.3～0.5mm)，刚性好，变形小，而且树脂模样与制壳材料浸润性好，制成的型壳浇注出的铸件表面光洁。此外这种树脂燃烧性能好，燃烧1g模样残留灰渣仅为10μg。

SLS成形材料可以是熔模铸造用蜡粉、聚碳酸脂、尼龙、ABS塑料等。石蜡、聚碳酸脂等热塑性材料，加热后可完全熔化，很适合于熔模铸造。由蜡粉制成的模样可直接进入后续的熔模铸造工序。聚碳酸脂模制作快、强度高、表面粗糙度值低，现已逐步用其代替石蜡模。聚碳酸脂粉末烧结成的中空模样用于熔模铸造生产也很有前途。这种模样对温度变化不敏感，强度高，在制作过程中变形和脆断少，在最后燃烧脱蜡工序中残留灰分少。现在还在研究开发其他粉末材料，如聚苯乙烯和PMMA，其烧结温度低、强度高、燃烧快、灰分更少。

用选择性激光烧结工艺制成的原型尺寸在使用蜡粉时可达±(0.13～0.25)mm，表面粗糙度均方根值在3.048～4.064μm之间。使用蜡粉时垂直方向的成形速度为12.7mm/h，使用聚碳酸脂粉末时为25.4mm/h。尽管SLS制作表面粗糙度值高于其他快速成形技术制件，但聚碳酸脂的模可通过在其表面涂蜡而改善。据统计有30％的模样采用该法制模，如北美就有50多家铸造厂采用本法生产熔模铸造铸件。一家公司用其试制一个新气缸盖仅用4周时间和12000美元。而若用普通砂型方法试制，则需用16周时间和75000美元。

FDM主要使用热塑性材料或石蜡。该法用于铸件生产的原理与SLS原理相同，但用于铸造过程最理想。它可以采用灰分含量很低的工业标准铸造石蜡，制造表面粗糙度值较低，符合标准的精铸蜡模。由于采用通常的铸造石蜡可快速从壳体除蜡，但所得铸件表面粗糙度值比SLS制件高。

LOM用纸张叠层所制原型，也可作为熔模铸造的熔失模，但它易受潮并在蒸汽环境中发出气味，因此原型在作为熔模铸造使用前要将其表面喷涂一层起保护作用的聚氨脂。加热焙烧时模样会留下少量灰分，有可能会引起铸件表面质量问题。

需特别指出的是：DSPC含义是直接制模铸造，它通过电子模型制成固体的三维陶瓷模壳。该工艺与熔模铸造制壳工艺有本质不同，它直接利用计算机辅助设计的数据自动制造陶瓷壳，而无需模具或压型，使熔模铸造省去了制压型、蜡模以及涂挂涂料的工序，大大缩短了熔模铸件的生产周期；也不用考虑蜡模变形等因素的影响。因此，不仅可制得近净形零件，并能制造出中空的零件。使用该法的工厂可在收到订单后一周内可交付高精度的铸件。

(3)实型铸造消失模的快速成形：立体印刷SLA、叠层实体制造LOM、融积成型FDM等生成的树脂或热塑性材料原型均可以采用实型铸造工艺直接生产铸件。将涂有耐火材料的成型模样放置于密封并充满干砂的箱体中，抽掉箱中空气，使砂型紧实；将熔化的金属液通过特殊的浇冒口系统进入砂型中，烧掉模样并取代其位置而形成金属零件。但由于烧掉模样时而残留下少量的灰分，所以直接影响零件的表面质量。

选择性激光烧结新研究开发聚苯乙烯和PMMA粉末，其烧结温度低、强度高、燃烧快、灰分少。用其烧结而成的聚苯乙烯或PMMA模样可作为实型铸造的消失模。

3 二次转制法

二次转制法主要是指由RP技术(如FDM法、LOM法、SLS法、SLA法等)提供的原型作母模，可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，构成软模具，再用软模具与熔模铸造、陶瓷型铸造、石膏型铸造和涂料转移法精密铸造等铸造工艺结合，制造金属零件。由于从原型到金属零件要经过二次或二次以上工艺转化，故称二次转制法。该类工艺方法一般用于批量零件制造。该技术的关键是原型翻制软模具的尺寸精度和表面粗糙度的保证及模具的定位。

5 各种快速成形技术在铸造上应用的比较

快速成形技术与铸造技术相结合生产金属零件的最佳技术路线及较适合的零件种类，可归纳为表3。

表3 快速铸造最佳技术路线及适用范围

对SLA，SLS，LOM，FDM四种原型生产的精铸件精度和表面粗糙度进行比较。

1 铸件精度比较 测定、统计不同快速成形样件在xy平面内及z轴方向测量误差与样件长度的关系，以及误差密度分布。样件xy平面内误差与样件长度的关系图如图10所示。综合分析各个图可知SLA原型所生产样件误差最小、误差密度集中。

图10 样件在xy平面内测量误差与其尺寸大小的关系
a) SLA误差 b) SLS误差 c) LOM误差 d) FDM误差

2 铸件表面粗糙度比较 测试件上表面、斜面和竖直面的表面粗糙度，统计结果见表4。从数据看，LOM原型生产的样件有最低的整体表面粗糙度值，其各方向的表面粗糙度(Ra)分别为1.5μm、2.2μm、1.7μm。其次是SLA原型生产的件，其表面粗糙度值相对也较小。

表4 几种不同快速成形原型生产样件的表面粗糙度Ra (单位：μm)

在工业生产中，选择快速原型除考虑他们对快速金属铸件精度和表面粗糙度的影响外，还得考虑其成本等因素。从目前情况看，SLA原型的成本较高，做小件时可使用；生产大铸件时，LOM、SLS原型则可能是较佳的选择。

6 应用举例

1.基于快速成形的熔模铸造 熔模铸造是快速成形技术与铸造技术相结合快速制造金属零件和模具最常用的工艺，SLA、SLS、FDM、LOM原型均可用于熔模铸造，表2已对各种快速成形工艺用于熔模铸造的优缺点对比。同一种RP原型其熔模铸造的工艺方案也有多种选择，下面以LOM原型艺术人头像为例进行多种熔模铸造工艺方案的分析对比，如图11所示。

图11 艺术人头像的多种熔模铸造工艺方案
1—凸纸型2—蜡浇口3—型壳涂料层4—金属液5—浇包6—石膏压型7—压板
8—凹纸型9—喷陶瓷10—压蜡嘴11—环氧树脂压型12—锡铋合金压型13—耐高温硅橡胶压型

(1)方案a：用凸纸模代替蜡模，粘上蜡浇口，直接涂料结壳，经高温焙烧，烧掉纸模，留下中空型壳进行浇注。该方案的实施条件是要求纸模易燃烧、含杂质少。试验表明，纸模中含有质量分数为4.93%～5.11%的水分及7.39%～8.00%的灰分，因此在焙烧中，纸模将产生大量气体，引起型壳胀裂，并且焙烧后在型壳中残留较多的灰渣，不易清除干净，易导致精铸件产生夹渣等缺陷。并且每次浇注都要烧失纸模，其成本也较高。

(2)方案b：用凸纸模当母模，复制石膏型压型，用石膏压型压制蜡模，再用蜡模涂料结壳，经脱蜡、焙烧得到中空型壳，最后进行浇注。因石膏压型导热性差，蜡模冷凝速度慢，生产率低，且使用寿命低，故该方案只适合单件、小批量生产。

(3)方案c：对凹纸型工作表面进行喷陶瓷材料等表面处理，然后用经表面处理过的纸型做压型，进行压蜡、涂料结壳等精铸过程。表面处理可提高纸型工作面的耐磨性，防止纸型脱胶分层，降低表面粗糙度值，以提高压蜡次数和改善蜡模表面质量。缺点是需增加表面处理设备费用，形状复杂的压型型腔喷涂后的打磨、抛光较困难，且因喷涂层一般较薄，其背面仍然是导热性差的纸型，也存在蜡模冷凝慢和生产率低的缺点。

(4)方案d：用凸纸模复制环氧树脂压型，并进行压蜡、结壳等过程。因环氧树脂也存在导热性差所引起的一系列弊病，还易老化、变形，影响压型和蜡模尺寸精度，故应用较少。

(5)方案e： 用凹纸型复制石膏凸型，然后在石膏凸型上复制Sn-Bi合金压型，再用Sn-Bi合金压型压制蜡模，用于精铸件生产。Sn-Bi合金压型具有导热性好，压型寿命长，型腔表面光滑，复用性好的优点，广泛用于精密铸造生产中。但该方案中的压型是由复制的石膏凸型再次复制而得到的，多次复制不仅增加压型制造周期和生产成本，还使压型精度降低。

(6)方案f：用凹纸型复制耐高温硫化硅橡胶凸型，并浇注复制Sn-Bi合金压型，用于精铸件的生产。该方案与方案e相似，但耐高温硫化硅橡胶的成本较高。

(7)方案g：用凸纸模作为母模，直接用液态Sn-Bi合金浇注，复制出Sn-Bi合金压型。与方案e及方案f相比，不仅具有上述优点，而且省去了用石膏型或硅橡胶进行中间过渡复制的中间环节，是最快制造金属压型的工艺，也是技术难度较大的工艺，虽然纸在Sn-Bi合金液的冲刷和热作用下，尚不足以着火、燃烧和碳化，但浇注温度过高时，纸型中的水分和热溶胶会产生较大的发气量，并使纸型分层脱胶，影响铸件表面粗糙度，因此在保证充型的前提下，尽量降低浇注温度。若采用耐高温的箔材制造原型，将会收到更好的效果。

2. 基于快速成形的陶瓷型铸造 快速成形技术与陶瓷型精密铸造技术相结合的方法为快速金属零件制造的最有效途径之一。

(1)基于快速成形的陶瓷型铸造的特点。它具有快速成形与陶瓷型铸造的双重特点：

1)不受零件形状的限制。
2)铸件表面光洁，尺寸精度高。
3)零件的细微部分能够被完整地刻化出来。
4)陶瓷型铸造的铸件不受合金种类、铸件重量和尺寸的限制。特别是对铸钢件的生产，无论是大件还是小件，陶瓷型铸造都是比较理想的方法。
5)成形由CAD数据控制，模样修改方便。

(2)基于快速成形的陶瓷型铸造的工艺过程见图12所示。

图12 基于快速成形的陶瓷型铸造的工艺过程

1) 在三维CAD造型系统中完成铸件的三维实体模样设计。生成模样STL文件。
2) 对模样的STL文件进行处理，分层、加支撑。
3) 快速成形机在已得到的模样分层、支撑文件控制下制造出模样的树脂原型。
4) 直接在原型上挂浆、制作陶瓷壳。在室温下放置2h左右，从陶瓷壳中取出原型。
5) 将陶瓷壳在加热炉内焙烧(200℃)5h后取出，自然冷却。
6) 浇注金属，得到铸件。
7) 对铸件进行清砂等后续工艺处理，得到金属铸件。
8) 对铸件进行尺寸、力学性能检验。

若不合格，修改CAD模型重新制作。

(3)铸件生产：铸件的CAD模型顶视图如图13所示，轮廓尺寸为125mm×62mm×50mm，尖角分别为35.5°和13.7°。铸件的树脂原型如图14所示。

图13 CAD模型顶视图

图14 树脂原型图

陶瓷型的配料如下：
1)耐火材料，见表5。

表5 耐火材料

2)粘结剂—硅酸乙脂水解液
① 硅酸乙脂水解液配方的体积分数为：硅酸乙脂58.1%；蒸馏水8.75%；无水乙醇32.5%；其占粉料重量的0.5%～0.6%。
②(MgO)占粉料重量的2%～3%。
③粉液比，硅石粉(g)/水解液(mL)=2～3。
④焙烧温度200℃(不喷烧)。

3)固化剂，纯MgO使硬化时间延长到约1h，这样可以明显提高强度，有利于起模。浇注金属选用w(C)=0.4%的中碳钢，浇注温度为1600℃，铸件在砂箱中冷却10h后开箱清砂，测量铸件的粗糙度和尺寸，铸件的表面粗糙度达到Ra=3.2μm，尺寸精度0.3mm/100mm。并且所有细微特征都能够清晰地复制到铸件上，铸件照片如图15所示。

图15 铸件照片

3 基于快速成形的石膏型铸造 以某薄壁、复杂结构件——安装架(见图16)为例，介绍基于快速成形的石膏型铸造的工艺过程：

图16 铸件图

选定融积成形技术FDM作为安装架铸件蜡样的成形手段，成形材料采用熔模铸造石蜡ICW04，其软化温度为80℃，属松香基中温蜡料。

1) 将安装架蜡样图样转换成CAD数据，并在CAD工作站上生成三维立体图形，然后输入到UNIX工作站，而FDM软件将模型数据处理为水平分层数据，传递给FDM快速成形机。
2) 在FDM快速成形机内，半流动石蜡从FDM喷头挤出，沉积形成一超薄层(层厚0.03mm，宽度2.5mm)，整个模样从安装架的基底座面开始，自下而上逐层生成，如图17所示。此生成过程每件需7h左右。

图17 蜡样照片

3)蜡样的后处理：用丙酮作为抛光液，手工抛光蜡样，表面粗糙度为Ra=6.4～3.2μm。
4)检验蜡样，符合图样要求。
5)对安装架FDM蜡样进行精铸工艺方案设计，并组焊浇冒系统，如图18所示。

图18 工艺方案简图

6)在真空下(33.3Pa)，配制石膏浆料，搅拌时间2～3min。
7)模组在弱碱性肥皂水中，洗涤、浸泡、除污。
8)固定模组，浇灌石膏型，浇灌全过程在真空下进行，浇灌室要求1min内达到20Pa，浇灌完后，迅速破真空，以利充型、复制。铸型应静置1.5h。
9)在低温(88～105℃)，慢速(脱模时间2～3h)，低压(脱模蒸气压≤0.1MPa)的条件下对铸型脱蜡。
10)石膏型自然干燥2d。
11)铸型高温焙烧：焙烧温度700℃，焙烧时间16～18h。
12)石膏型转入310℃的电阻保温炉内，保温4～6h，等待浇注。
13)熔化ZL101A，精炼除气。
14)铸型在真空下浇注，并迅速破真空，加压，持压(0.7MPa)，铸件在压力下结晶，凝固。
15)铸件清理，校正，冰冷处理。
16)铸件经T7热处理。

FDM蜡样经石膏型精密铸造后，所得的安装架铸件照片如图19所示，其表面粗糙度、尺寸符合图样要求，铸件质量满足设计要求。生产周期缩短40%以上，成本降低20%以上。

图19 铸件照片

4 基于快速成形的涂料转移法精密铸造 基于快速成形的涂料转移法精密铸造就是在RP(LOM或SLA)原型或硅橡胶模样(以RP原型为模样，翻制出的过渡原型)表面涂覆涂料(刷涂、淋涂或喷涂)，在涂层背面迅速填加树脂砂或水玻璃砂，涂层可以很好地转移到砂型、砂芯表面，而且涂层可以很好地精确复制出模样的外形或内腔的形状，可以明显提高铸件的尺寸精度。制造获得砂型后，浇注高温金属液，凝固后经表面处理，制造获得精确成形的金属零件或模具，其工艺流程如图20所示。

图20 基于快速成形的涂料转移法精密铸造模样的工艺流程

(1)基于快速成形的涂料转移法精密铸造的特点

1)涂层不占据零件或模具的尺寸空间，所以也称为基于快速成形的非占位涂料转移法精密铸造。
2)涂层能牢固地附着在砂型(芯)上，有较大的附着强度，并且涂层具有较高的强度、硬度、耐高温和耐侵蚀性能，表面无裂纹。
3)与熔模铸造相比，没有蜡模的变形，可以明显提高铸件的尺寸精度；与石膏型精铸比较，没有石膏膨胀和收缩引起的尺寸偏差及耐火度低的不足；与陶瓷型精铸相比，没有陶瓷型难以清理、尺寸精度低的缺点。
4)成形产品尺寸精度高，可以获得较低的表面粗糙度值。
5)适应范围广，可以铸造铜、铸铁和铸钢件。
6)生产周期短、成本低，与表面处理相结合可用于快速制造铸造模样。

(2)基于快速成形的涂料转移法精密铸造的工艺过程

1)制作RP(LOM或SLA)原型，或用原型翻制无收缩硅橡胶软模。
2)将RP原型或硅橡胶软模固定在造型平板上。
3)放置砂箱。
4)涂抹分型剂。
5)在模样上刷涂、淋涂涂料(涂层1～3mm)
6)加树脂砂或水玻璃砂造型，固化后，涂层自发地转移至型芯表面，脱去模样后便得到上好涂料的型芯。
7)喷烧型芯表面，烧去残留的有机溶剂和水分。
8)合型、浇注、清理，制造出产品。

(3)基于快速成形的涂料转移法精密铸造金属模样

1)涂料的配制与涂覆工艺：涂料主要由耐火材料、载液、粘结剂和添加剂组成。耐火材料主要以不同目数的硅石粉和莫来石粉为主，采用醇基材料作载液，硅酸乙脂做粘结剂，添加适量的氢氧化物作为添加剂混制快干涂料。
涂料的涂覆方法主要有刷涂、流涂、淋涂、喷涂、浸涂和静电粉末喷涂等。对于单件、小批量零件的非连续生产，采用刷涂与流涂工艺相结合，涂覆效果好。
2)翻制硅橡胶软模：对于形状简单、易于造型取模的零件，可直接将制造的RP原型作为母模用于造型；对于形状复杂、难于造型取模的零件，用RP原型翻制无收缩硅橡胶软模。硅橡胶具有易于使用、复印性能好、耐腐蚀、使用寿命长、易于取模和适应范围广等特点，广泛用于模样和过渡模样制造。
3)造型和浇注：在RP原型或硅橡胶中间过渡软模表面薄薄涂覆一层脱模剂(可以用缝纫机油代替)，然后在模样表面涂刷涂料，迅速填加树脂砂或水玻璃砂(树脂、水玻璃加入量稍高于传统的树脂砂和水玻璃砂铸造)，紧实固化后，涂层自发地转移至型芯表面，脱去模样便得到上好涂料的型芯。用喷灯喷烧型芯表面，烧去残留的有机溶剂和水分。随后进行合型、浇注，即可获得金属零件或模样。对于模样需进行表面处理，使其表面具有防粘、防蚀或润滑等特种功能，可进一步提高模样的寿命和功效。

采用该工艺技术制作的部分铸造模样种类和数量见表6。铸造模样达到的精度见表7。

表6 铸造模样种类和数量

表7 铸造模样达到精度要求

制作的曲轴铸造模样如图21所示，其制作周期与数控加工的比较见表8，可见铸造模样利用快速成形的涂料转移法精密铸造在制作成批的复杂曲面模样时优势特别显著，加工20块模样只要20d，而采用数控加工，考虑成批生产，即使利用电加工机床进行修整和考虑数控编程只要进行一次，生产一块也需20d左右，加工20块模样至少需半年时间。

图21 曲轴铸造模样
注：A～D尺寸见表9

曲轴模样的尺寸精度见表9，从实测结果看，模样的精度完全符合要求，对曲面加工来说，加工只不过是为钳工修整提供一个样板和控制点；采用数控加工，虽然加工精度高，但加工后还需要钳工修整，清除残留的刀痕，上下模需要配做。采用基于快速成形的涂料转移法精密铸造，工件成型后只要少量修整，尺寸基本一致，不必成对配做，可以任意互换。

表8 曲轴铸造模样制作周期比较

表9 曲轴模样的尺寸精度实测结果 (单位：mm)

可见该工艺适应性强、重复性好，加工周期短、制造成本低，特别适用于曲面复杂、线型多变、而金属切削难以加工的铸造模样、芯盒、金属型和压铸模等的制造，具有广阔的应用前景。

三十、内镶柱式压力补偿滴头的快速定型  魏正英 赵万华 杨斌 唐一平 卢秉恒

摘要：针对内镶柱式压力补偿滴头特殊的三件式装配结构和其上复杂迷宫型流道，应用快速成形制造技术(RP&M)，将压力补偿式滴头的设计思想快速转换为滴头原型件进行滴头结构设计验证，再利用快速模具技术(RT)制作滴头快速硅胶软模，可快速注塑出滴头塑件，装配后直接上生产线制作滴灌管用以现场实验，从而完成压力补偿式滴头的快速定型。
关键词：压力补偿式滴头 快速成形制造技术(RP&M) 快速模具技术(RT)

前言

目前，世界微灌滴头研究的发展趋势主要有两个方面，一是开发抗堵性能优异的滴头；二是开发各种压力补偿式滴头，提高系统的灌水均匀性。压力补偿滴头对各种复杂地形适应性强，同一支管可以布置的滴头数量可以大大增加，从而降低管路费用，并且对温度的变化不敏感，对微灌均匀度很有利。但压力补偿式滴头技术含量高，开发难度大，已成为各国滴灌设备生产厂商技术高低的主要标志之一。我国滴灌压力补偿滴头的研究相对滞后，仅有两种管上式压力补偿滴头，并且其技术较落后，产品性能也较差。压力补偿滴头的系统研究将有助于提高我国滴灌滴头的自主开发和生产水平，促进我国滴灌技术的健康发展。内镶柱式压力补偿滴头可与输水管合二为一形成滴灌带，同时兼具输送水和滴水功能，在实地生产中安装和使用都极为方便，因而成为现在滴头研制的热点。

一般对压力补偿滴头研制的技术流程主要为：设计要求—二维图纸设计—模具制造—滴头件装配—实验—定型，且从设计到定型要经过多次反复，设计开发周期长一般为4-5个月，成本很高。应用快速成型制造RP&M技术，快速研制出各类新型压力补偿滴头组件，装配后进行实验验证，可实现压力补偿滴头的快速定型，且大大降低成本并能尽快投入节水灌溉中。快速成型制造技术(Rapid prototyping & Manufacturing)无需刀具和繁琐的工艺就可快速由三维CAD数据直接成型出三维实体模型，通过快速成型技术在几小时内直接成型出压力补偿滴头样件(不需要模具)，装入调节膜片装配起来可以直接在管路上进行试验，可使压力补偿滴头实验分析周期缩短4/5以上，费用降低3/4以上。

1. 压力补偿滴头简介

压力补偿滴头的工作原理是在其中安装弹性膜片，当压力增加时弹性膜片挤压孔口或流道使其过水断面尺寸变小，从而达到调节流量的作用。理想的压力补偿滴头的流量指数等于0，也就是滴头的出流水量不受压力变化的影响。实际的压力补偿滴头的水力特性并非如此，补偿性能要复杂得多，并随补偿原理和结构而变。当压力大于最大工作压力P_最大滴头不再具有补偿功能，在小于最小工作压力P_最小时具有冲洗功能，其原理是此时流道或孔口的过水面积增大，流量增大可将堵塞物冲洗掉。

微灌滴头的压力-流量关系式： q=KH_x

式中，q－滴头流量(L/h)；
K－流量系数(与几何尺寸有关)；
H－工作压力(ｍ)；
X－流态指数。

滴头流态指数X表示流量对压力发生的敏感程度，是压力流量关系曲线的坡度。流态指数Ｘ在水的均匀流应用中起主要作用，是一个非常重要的力学参数，当X→0时，qn值趋于与水压无关的固定值，因此得出压力补偿滴头的数学公式为，q为压力补偿滴头的“额定流量”。

2. 内镶柱式压力补偿滴头CAD/RP

2.1 内镶柱式压力补偿滴头CAD 针对设计流量qn=6L/h的内镶柱式压力补偿滴头，为保证压力补偿滴头在要求的压力范围内达到额定流量qn，提高滴头的抗堵塞性能且出水均匀稳定，尤其是低压时的水流量变化，除了在压力补偿滴头的入水口设计放置压力调节膜片的压力调节区外，在内镶滴管外圆周上再设计一组迷宫型缓水流道，使毛管中的水流由滴头栅格孔进入滴头后先进入迷宫型缓水流道中，水压和流速可显著降低和稳定后再进入压力调节区，使滴头尽快达到压力补偿状态，保证压力补偿滴头地出水均匀稳定。其设计如图1a，接着应用参数化特征造型软件Pro-Engineering对其进行三维CAD造型，此时为保证压力补偿滴头在注射成型后的可脱模性，首先在内镶圆管上确定出分型面，垂直分型面两侧为压力补偿滴头模具的侧向分型方向，沿着分型方向，在侧向分型面两侧，一边布置压力补偿区，一边布置迷宫型流道缓水区，所构建的内镶柱式压力补偿滴头的CAD模型如图1b。

(a)内镶柱式压力补偿滴头设计图 (b)内镶柱式压力补偿滴头CAD模型
图1内镶柱式压力补偿滴头CAD

2.2 压力补偿滴头的快速成型(RP&M)

快速成形制造技术(RP&M)能把设计人员的图纸或CAD模型在几小时或几天内转化为现实可触摸的模型和样件，供模具用户和制造商进行沟通和确认。RP原型的使用可以避免对图纸信息理解的不一致性。而且可对产品设计模型进行评估、测试和修改，并可进行功能实验及装配实验，大大缩短新产品的开发研制周期、降低成本，使企业快速响应市场，提高其参与市场竞争的能力。

由于滴头圆周上排布着精细复杂的迷宫形流道，尺寸小且要求成型质量高，因为流道微小的尺寸变化，会引起滴头内流量、流态的较大变化，因此采用成形精度高、成型表面质量好且能制造形状特别复杂零件的光固化立体造型(SL)法，来进行压力补偿滴头原型件的制作。压力补偿滴头的快速成形制造过程如下：

压力补偿滴头CAD模型设计完成后，经过数据转换送入光固化快速成形系统中，成型出滴头组件原型如图2 所示。通过水流量实验数据对压力补偿式滴头三维结构设计进行修正，以实现压力补偿式滴头的快速定型。

图2 压力补偿滴头原型 (a)压力补偿滴头硅胶模具 (b) 压力补偿滴头实验样件
图3 压力补偿滴头RT

要进行压力补偿式滴头的现场滴水实验，就要在输水毛管生产线上，将装配好的压力补偿式滴头压入毛管中制成滴灌管，生产线上模口温度为107°C，且最后滴灌管还有一道打孔工序，打出滴水孔时滴头要承受很大的冲击力，而滴头快速原型是以光敏树脂材料制成，材料硬脆，70°C以上容易软化，实践证明，压入毛管中的25个滴头，一半以上软化变形，剩下的在打孔时就脆裂了。在此就要研究采用性能好的塑料进行实验，考虑到应用快速模具制造技术制作成本低、简单快捷的快速模具(Rapid Tooling)，成型出滴头塑件可用于实验室和现场实验。

3. 内镶柱式压力补偿滴头快速模具

(RT)制造 应用快速成型制造技术进行模具制造——快速模具制造(RT—Rapid Tooling)成为新产品开发重要手段, RT省去了既耗时又费成本的CNC加工，而仅通过与传统制造工艺相结合的方法即可方便快速地制造出模具，大大节省了模具制造时间，降低了模具制造成本。随着RP原型制作精度的提高，RT法已日臻成熟。其方法则根据零件的生产批量的大小而不同，常用的有：用RP原型制作硅橡胶模、树脂型复合制模、金属喷涂模等简易模具。

由于硅橡胶模具有良好的柔性和弹性, 能够制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜度或倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件，并且硅橡胶软质模具适用于批量不大的注塑件的生产，一般为 2 0～50件，非常适宜我们制作压力补偿滴头实验样件之用，且成本极低，只需1天就可制成硅胶模。在此利用压力补偿滴头RP原型制作硅橡胶模具，可不考虑增设拔模斜度，基本不会影响尺寸精度。室温硅橡胶有很好的切割性能，用薄刀片就可容易地将其切开，并且切面间非常贴和，因此用它来复制模具时，可以先不分上下模，整体浇注出软模后，再由预定分模面将其切开，取出压力补偿滴头RP原型, 得到上下两个压力补偿滴头硅橡胶母模，其制作过程为：

(1 )对 RP&M制作的滴头RP原型进行表面处理, 提高作为母模的原型表面质量;
(2 )在RP原型表面上涂洒脱模剂, 固定原型并放置型框;
(3)硅橡胶计量、真空脱泡后进行混合;
(4)浇注硅橡胶混合体得到硅橡胶模具;
(5)硅橡胶固化;
(6 )刀剖开模取出原型。

制成的压力补偿滴头硅橡胶模具如图3a。再用聚胺脂材料在ZK-400真空浇注成型机中浇注成型压力补偿滴头实验样件，如图3b所示。

4. 内镶柱式压力补偿滴头实验定型

为了检验压力补偿式滴头设计是否符合要求，就要进行滴头水流量实验进行验证。在此根据GB/T17187—1997进行实验室实验和现场实验，来测定滴头流量均匀性和流量-压力关系。此压力补偿式滴头的额定流量qn=6L/h。

实验室实验：就是将装配好的压力补偿式滴头实验样件装入φ20的热缩管内，在热风均匀吹热下将滴头包裹在其中，在相应的出水区打出φ1.0的出水孔，接入实验台如图4所示。

图4 压力补偿滴头实验室实验 图5 压力补偿滴头实地实验及其滴灌管

现场实验：就是将压力补偿式滴头实验样件送入滴灌管生产线，制成与输水毛管一体的压力补偿式滴灌管如图5，进行现场实验。

4.1滴头流量均匀性实验

对25个试样进行流量实验。

a. 调节滴头入口水压3次至最大工作压力Pmax(115 KPa)，保压3min；
b. 调节滴头入口水压3次至最小工作压力Pmin(85 KPa)，保压3min；
c. 调节滴头入口水压3次至上述工作压力范围的中间值，保压60min；
d. 不改变入口压力即压力保持在调节范围的中值Pn，即使滴头入口压力等于额定压力Pn(100Kpa)，实验过程中压力变化不超过2%，保压时间3min，测量滴头流量，重复一次，两次测得水量之差小于2%，取其平均值并计算平均流量。

此压力补偿式滴头实验室滴水实验测得平均流量q=6.41L/h，滴头流量偏差C=6.8%；现场滴水实验测得平均流量q=5.86L/h，滴头流量偏差C=2.3%，流量均匀度符合国标要求。

4.2 流量和入口压力的关系

根据上述实验测定的流量，按流量从小到大的顺序给被试滴头编号，1号最小，25号最大，然后从中选出3，12，13，23号测定它们的出水流量和入口压力的关系。应在调节范围内通过增加和降低入口压力，使滴头在三个或更多个不同压力工况下实验，实验数据应在实验压力持续至少3min后读取，对每个滴头进行实验，记录水压、实验时间、滴头出水量。重复一次，两次测得水量之差不大于2%，取其平均值并计算流量(L/h)。计算每个压力值对应的平均流量q，绘制平均流量q和入口压力P的关系曲线，如图6、图7所示。

图6 压力补偿滴头实验室实验曲线 图7 压力补偿滴头现场实验曲线

根国家标准规定计算实验室实验的滴头流态指数m=0.005；现场滴水实验的滴头流态指数m=0.003，皆小于0.2，因此压力补偿式滴头的流态符合国标要求。

至于在实验室滴水实验测得平均流量大于现场实验的结果，分析其原因为：实验室实验镶滴头所用的热缩管包紧滴头没有生产线上毛管包裹得密实，形成的流道截面积稍大，因而流量较大，在此以现场实验数据为准。因而此种压力补偿式滴头的结构设计符合要求，滴头结构设计可以定型。

在此基础上，应用定型的压力补偿式滴头CAD数据可直接进行滴头钢模具的设计和电火化加工，这样可一次性成功地制造出压力补偿式滴头钢模具，基本没有修模量，用于滴头的批量生产，如图8为滴头的模腔，在注塑机上注射成型出的压力补偿式滴头如图9所示。

图8 压力补偿滴头模具型腔 图9 压力补偿滴头

5. 结论

将RP&M技术用在压力补偿式滴头新产品的快速研制中，可快速成型出压力补偿式滴头原型件用于设计验证和确认；应用RT技术可快速制作出压力补偿式滴头快速简易模具使其快速定型；其研制周期短，成本低且以定型后滴头CAD数据驱动，可一次性成功地制造出压力补偿式滴头钢模具进行滴头的批量生产。

参考文献
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7. 翟国亮，董文楚，瞿扬清.补偿式滴头制造偏差分析及补偿区的确定. 灌溉排水，1998，17(1)：44-47
8．郭九生.基于激光快速成形技术的快速工/模具制造 .金属成形工艺，1 998, 1 6(3 ):2 2

三十一、基于光固化快速原型的汽车覆盖件模具开发  何红 罗成明 汪正胜 宋园园

摘要： 利用快速模具开发系统，从汽车覆盖件模具设计、制造和冲压实验出发，成功开发出了汽车发动机罩板快速模具。实际应用表明它能够提高覆盖件类冲压模具的开发效率，可以为大批量生产用钢模具设计提供良好的设计方案。
关键词：汽车覆盖件，模具，光固化，原型

前言

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→产品投产生产的整个周期中，模具设计与制造约占2/3的时间，成为新车型快速上市的关键因素[1]。一般汽车车身由数百个冲压件，冲压模具高达一千套以上，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5000万美元，为此美国通用汽车公司提出将整车模具开发周期缩短到12个月的目标[2,3]。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。我国“十五”规划也要求汽车制造企业要具有生产18.5万副模具的能力[4]。

如何快速开发大型覆盖件模具以满足汽车企业的研发生产能力，已经成为现在汽车企业的当务之急。本文针对我公司某型汽车发动机盖板，采用西安交通大学先进制造技术研究所提出的快速模具开发手段，成功地开发出了用于新车型研发和试制的快速模具。

1 快速模具开发工艺路线选择

发动机罩零件CAD模型见图1，外廓形状较为简单，曲面平坦且特征较少，拉延方向容易确定。由于曲面平缓且面积较大，模具设计时主要考虑防止拉延不足问题。模具的开发采用如下步骤：1）模具型面设计。2）RP模型制作。3）快速模具制造。4）冲压试验及模具调整。

图1 发动机罩CAD模型

2 模具型面设计及成形过程分析

采用CAD和CAE相结合的方法设计模具型面。在UGII中根据设计经验直接构造模具分型面和工艺补正面，再转到板料成形分析软件DynaForm系统中进行成形分析以验证型面设计并确定其它工艺参数。图2为最终的模具型面CAD模型。

图2 发动机罩拉延模型面CAD模型

在UGII中输出模具型面的IGES模式，在DynaForm中检查模型的几何和拓扑完整性，设置分析参数，进行成形过程计算。计算表明初始模具型面设计基本合理，可以此为基础进一步进行快速模具制造。

3 发动机罩拉延模RP模型制作

根据快速模具制作工艺，仅需要制作凹模型面的RP模型。采用西安交通大学先进制造技术研究所研制的SPS600激光快速成型机制作型面RP原型。

制作前需要对RP模型进行结构设计，根据制作的需要将型面加厚为2.5mm，另外原始CAD模型上未设置拉延筋，需要根据成形计算获得的拉延筋参数在加厚过的型面实体上添加拉延筋结构。

凹模型面外廓尺寸为547×327mm2，在SPS600激光快速成型机上可以一次成型。在型面的背面添加抗变形的辅助筋板，筋板厚度4mm，边缘筋板高65mm，底面位于与冲压方向平行的平面上，以后可以作为翻制模具时的基准面，筋板布置见图3。

图3 抗变形筋板 图4发动机罩模具型面RP原欣型

4 发动机罩拉延模快速模具制造

利用凹模型面RP模型依照下述步骤制造金属冷喷涂快速模具。

首先翻制凹模的石膏反模。然后将石膏反模放入金属模框中，用Zn-Al伪合金喷涂型面至1.5～2mm。再浇铸背衬材料，待凝固后获得凹模快速模具。

在凹模表面敷设铅皮，用橡皮椎轻敲使铅皮与型面贴合完好。喷涂、浇铸获得凸模成形块。凸、凹模配合翻制压边圈石膏模型（正模），同上制作反模。再喷涂、浇铸获得压边圈成形块。

在模框上焊接用于安装和运输的辅助结构，即完成了快速模具制造。制作完毕后的发动机罩拉延模具见图5，模具装配后几何尺寸700×450×250mm3。

图5 汽车发动机罩拉延模具

5 冲压及试模试验

冲压试验采用XP2CEF-100型双动压力机（见图6）。试验板材为SPECN深冲钢板，厚度0.75mm。

图6 XP2CEF-100型双动压力机图7 汽车发动机罩外板拉延样件

首先按成形CAE获得的工艺参数进行试冲压，冲压件边缘有轻微起皱现象，拉延筋以内曲面光顺性很好，拉延件与CAD模型误差较大，拉延件曲面相对于标准曲面较为平缓，原因可能是塑性变形不足导致回弹量过大。调整压边力为5.5吨，并将板料毛坯尺寸略作扩大（相当于轮廓线向外偏置了10mm），再次冲压得到光顺、无缺陷的拉延件（见图7）。

6 结论

采用西安交通大学的快速模具开发系统成功的制造了汽车发动机盖板的快速模具。冲压实验和实际应用表明覆盖件模具快速开发系统能够提高汽车覆盖件类冲压模具的开发效率，具有良好的工程应用前景。

参考文献
(1) 《现代模具技术》编委会. 汽车覆盖件模具设计与制造，国防工业出版社，1998, 45～50
(2) Near Zero Stamping Planning. http://www.autobody.org/nzs.html
(3) 李建华，胡道钟等. 汽车覆盖件板成形数值模拟和工程应用关键技术研究，汽车科技，2002（1）：36～39
(4) 面对加入WTO发展我国汽车产业的对策分析，http://autoinfo.gov.cn/, 专家论坛，2003.2.19

三十二、基于LOM技术的注塑模具应用研究  金城集团 于泓 达飞鹏 王庆

摘要：介绍了基于LOM技术的硅胶模、环氧树脂模、金属喷涂模等多种注塑模具的工艺方法和技术特点，研究了纸基反应式低压注塑模具的设计步骤、制作工艺和反应式低压注塑工艺以及其中的一些技术关键，研究结果表明利用这一快速模具技术制作的注塑件质量良好，适合新产品研制与开发中小批量生产的要求。
关键词：快速成型，快速模具，模具设计，注射成形模，纸基模具

引言

快速成型技术（Rapid Prototyping，简称RP）是80年代末期发展起来的一项高新制造技术，按照其材料及工艺特点主要分为LOM(Laminated Object Manufacturing，又称分层实体制造) 工艺、SLA(Stereolithography Apparatus，又称立体光刻) 工艺、SLS(Selective Laser Sintering，又称选择性烧结) 工艺、FDM(Fused Depostion Modeling，又称熔融沉积制造) 工艺等几大类，在汽车、摩托车、家电、航空、医疗等行业获得了广泛的应用。

但是目前各种快速成型技术的应用都还存在一定的局限性，主要表现在直接制作的快速原型件与实际零件相比在材质、性能等方面还存在较大差异，往往不能用来进行装机实测各种与强度、性能有关的数据。在产品覆盖件制作方面，LOM技术制作的纸质原型件虽然硬度很高但容易分层开裂，SLA工艺制作的光敏树脂原型件脆性较大，SLS工艺直接烧结塑料粉末制作的原型件性能较好但目前成本较高，FDM工艺在原型件的制作成本、支撑等方面也还不尽如人意。另外，试制件在一定数量上的要求往往也难以满足。快速成型技术在模具方面的应用导致了快速模具技术（Rapid Tooling，简称RT）的出现，并由快速成型技术的一个应用方向迅速发展成为一项相对独立的新兴技术。

1. 基于LOM技术的快速制模工艺

快速模具技术一般按其制造过程中是否需要RP原型过渡主要分为直接法和间接法两大类，如通过RP原型翻制的硅胶模、环氧树脂模、金属喷涂模等快速制模工艺属于间接快速模具技术，而直接快速模具技术主要有SLS工艺、3DP（Three Dimensional Printing，又称三维印刷成型技术）工艺、LENS（Laser Engineering Net Shaping，又称激光工程化净成型技术）工艺等多种直接快速金属模具技术，基于LOM技术的各种木模、消失模以及注塑纸基模具等也属于直接快速模具技术。

利用LOM技术制作的快速原型件，其强度类似硬木，可承受200℃左右的高温，具有较好的机械强度和稳定性，经过适当的表面处理，如喷涂清漆、高分子材料或金属后，可作为各类间接快速制模工艺的母模，或直接制作用于注塑用的纸基模具，基于LOM技术的各类快速制模工艺在塑料覆盖件制作方面都得到了广泛的应用。

2. 基于LOM技术的间接快速制模工艺

在注塑用快速模具应用方面，其基本原理是首先利用LOM技术制作的纸质快速原型件，通过不同的模具翻制技术制作出硅胶模、环氧树脂模、金属喷涂模等快速模具，然后根据模具情况进行热注塑或反应式注塑，得到生产或试制用的塑料零件。由于翻制技术成熟、工艺简便、方法多样，可以根据产品质量、数量等具体要求选择合适的工艺，是目前常用的快速模具技术之一。

2．1 硅胶模

硅胶模是最常见的快速模具，又称软模（Soft Tolling），是应用范围最广、技术最成熟的快速模具制作方法之一，一般用于试制用模具或制作其它模具的过渡模。硅胶模采用的硅橡胶材料主要分为室温硫化硅橡胶（简称RTV硅橡胶）和高温硫化硅橡胶（简称HCV硅橡胶）两种。前者一般在室温下固化，可承受300℃左右的温度；后者的硫化温度一般在170℃左右，具有更好的性能，工作温度可达500℃以上。

硅胶模的制作工艺一般为：以纸基原型件作为母模，在母模上预设分型面并制作分型背衬，喷涂脱模剂；按比例配制硅胶进行浇注；完全固化后再进行另一半的浇注；沿预定的分型面切开硅胶模；取出原型件，完成硅胶模制作。在没有真空设备的条件下应注意选择合适的硅橡胶材料以及采取合理的排气措施。

硅胶模具有制作周期短、成本低、工艺简单、材料弹性好、易于脱模、复印性能好的特点。反应式低压注塑工艺操作简便，不需要真空设备，但排气条件较差，容易产生夹带气泡和充型不满的缺陷。硅胶模还存在精度不高、寿命短、不能用于热注塑工艺的不足之处，用作注塑模时寿命一般为10～50件。另外，便于脱模的特点有时会掩盖无脱模角或倒脱模的设计缺陷，影响产品设计质量的检验效果。

2．2 铝填充环氧树脂模

铝填充环氧树脂模具的工艺过程与硅胶模类似，即首先以纸基原型件作为母模，在母模上预设分型面，喷涂脱模剂，浇注由精细研磨铝粉填充的双组分热固性环氧树脂，注意混合与固化过程均要在真空状态下进行，固化后再按上述过程完成另一半的浇注，修整后制成铝填充的环氧树脂模具。它主要用作热注塑模，寿命一般为500～2000件。但环氧树脂类模具普遍存在导热性较差的缺点，导致生产周期加长，生产效率与钢模相比还较低。

2．3 金属喷涂模

金属喷涂模具主要包括金属冷喷镀模具和等离子喷镀模具。金属冷喷镀模具的制造工艺是：首先用喷枪在RP原型的表面上喷射雾化了的熔化金属，待液态金属固化后形成厚度约2mm的金属壳层，再经过添加背衬、埋入冷却管道、去除原型等处理后制成模具。喷涂表面的复制性能较好，尺寸精度较高。但与传统金属模具相比还不能使用较大的锁模力，另外导热性差也导致注塑成型周期延长，使用寿命一般为数千件。

等离子喷镀模具的制造工艺的基本原理就是电离气体产生的高温等离子弧熔化的粉末跟随高速火焰流喷射到需要喷镀的工件表面并结成壳层，经处理后制成模具。可以喷镀高熔点金属、非金属材料，具有表面硬度高、变形小、工艺稳定、使用寿命长的特点。

3. 基于LOM技术的直接快速制模工艺

LOM技术在直接快速注塑模具方面的应用主要是反应式注塑模具，根据注塑条件的不同又可分为真空注塑和低压注塑两类，下面介绍的就是基于LOM技术的纸基反应式低压注塑模具工艺（以下简称纸基注塑模具）。

3．1纸基注塑模具设计

纸基注塑模具设计原理与步骤类似于钢模设计，但考虑到纸基件制作的特殊性以及注塑方式的差异，纸基注塑模具的设计又有其不同的特点。

1) 尺寸补偿

纸基注塑模具属于直接制模，不存在硅胶模等间接制模工艺在翻制过程带来的累积误差，因此，影响最终注塑件尺寸精度的因素主要有三维CAD模型转换STL文件时的转换精度损失、纸基模具制造误差、纸基模具装配误差、聚氨酯注塑材料收缩率等，在这里需要补偿的尺寸就是聚氨酯材料的收缩率，即在三维软件中对三维CAD模型进行尺寸补偿，这对于尺寸较大的零件来说是必须要考虑的。

2) 脱模方向确定与分型面设计

一般来说，脱模方向在进行三维CAD模型设计时就已经考虑好了，这里需要做的就是综合考虑模具设计、制造的各个环节，进一步确认原设计脱模方向的合理性，如存在问题则可对三维CAD模型进行修改，重新设计脱模方向或模型结构。

分型面设计的基本原则与钢模类似，但同时还要考虑纸基件的特殊性以及反应式注塑工艺的具体特点，主要是分型面的设计要符合最大投影面原则，确保注塑件的尺寸精度与表面质量，尽量简化模具结构，便于模具的制造与安装，符合反应式低压注塑的工艺条件，考虑纸基件强度薄弱区域位置与成型方向等方面因素。

脱模方向确定与分型面设计直接与模具结构、模具制造、注塑成型等各环节密切相关，是模具设计成功与否的重要环节之一。

3) 脱模斜度检查与设计

由于纸基模具表面质量比钢模差，又没有硅橡胶模的弹性，因此，除一般的脱模斜度检查外，为了便于脱模，在满足工件尺寸公差要求，或不影响工件结构、功能的前提下，脱模斜度尽可能取大一些，或在模具结构上对不易脱模的部位加以重点考虑。

4) 抽芯、滑块、顶杆设计

如果零件结构需要，还应像钢模一样设计抽芯、滑块、顶杆等结构，其设计是否合理对于注塑件能否顺利脱模至关重要，也是纸基注塑模具设计的技术关键之一。

5) 流道、浇口、排气口设计

纸基模具的流道与浇口，不必像钢模那样设计主流道、分流道、浇口、冷料穴等完整的浇注系统，而采用模具表面直接到注塑件的简易浇口设计，浇口位置选取时主要考虑一般应在最低点或相对低点以利于聚氨酯材料充满型腔及自然排气，尽量设置在不影响注塑件外观的部位，尽量设置在残留冷料少以及便于取出的位置。排气口一般应设计在相对高点及排气死角位置以保证聚氨酯材料充满型腔。

6) 锁模、定位设计

锁模、定位设计主要是考虑反应式低压注塑过程是以手工操作为主，应在适当位置设计孔位，以便注塑时用螺栓紧固锁模并定位。

3．2纸基注塑模具制造

纸基模具的制造过程实际上就是纸基快速原型件的制作过程，即按照纸基快速原型件的制作方法来制造纸基注塑模具的动模、定模、抽芯、滑块、顶杆、嵌块等各个部件，分别处理、装配，制作出完整的纸基注塑模具。

首先将设计好的纸基模具各个部件的三维CAD模型按照有效用纸、强度优化、便于剥离等纸基件制作原则在三维设计软件中合理装配，一次或数次制作完成，将装配好的文件转换为快速成型机所能接受的STL文件并输入快速成型机进行纸基件的制作，然后将制作完成的纸基模具快速原型件进行废料剥离、零部件分离，反复多次涂漆、打磨，各部件修整、试装配，最终完成纸基模具各零部件快速原型件的制作。

3． 3反应式低压注塑

首先将各个零部件在适当的表面喷涂脱模剂，然后按照设计好的孔位进行定位、锁模，模具装配完成后将反应式树脂与固化剂在常温常压下用电动低压注塑机注入纸基模具中，完成注塑件的浇注过程。待完全固化后，拆开模具，取出注塑零件。按需要进行修整、打磨、喷漆等处理以满足工艺要求。

由于反应式注塑材料与纸基件表面强化漆同为聚氨酯类材料，为防止两者之间发生反应而影响脱模，应采取有效的隔离措施或喷涂具有隔离作用的脱模剂。

这一快速模具技术已在摩托车空滤盖及护板等塑料覆盖件的研制中得到应用，实践表明纸基注塑模具具有制作周期短、精度高、使用寿命较硅胶模长（可达数十件至数百件）的特点，注塑工艺简便、注塑件质量良好，完全满足新产品研制与开发中小批量生产的要求，图1、图2分别为摩托车空滤盖及护板的纸基注塑模具及注塑件。

图1 摩托车空滤盖纸基注塑模具及注塑件 图2 摩托车护板纸基注塑模具及注塑件

4. 结束语

(1) 基于LOM技术的注塑模具无论是在新产品试制还是在中小批量生产方面都得到了广泛应用，其中直接制造反应式低压注塑模具的工艺方法具有模具制作速度快、成本低、工艺简便的特点，有着良好的应用前景。

(2) 纸基注塑模具在模具设计思路、考虑要素以及模具结构等方面与钢模设计类似，纸基注塑模具的设计实际上已经完成了钢模设计的前期准备工作，稍加改变并完善模框等外围辅助结构设计就可迅速投入模具生产，为并行工程的顺利实施提供了有力的保障。

参考文献：
[1] 王运赣.快速成形技术[M].华中理工大学出版社，1999.
[2] 陈万林.塑料模具设计与制作教程[M].北京希望电子出版社，2000.
[3] 胡晓冬，赵万华，李涤尘，卢秉恒.金属直接成型技术的发展与展望[J].工具技术，2001，（10）：3～6.

作者简介：于泓（1965～），男，江苏南京人，硕士，高级工程师，主要从事逆向工程、快速成型及快速模具等方面工作。

三十三、机器人等离子熔射制模轨迹生成系统的研究张海鸥 文少波 王桂兰

摘要：本文建立了面向等离子熔射制模的机器人轨迹生成系统，该系统能由CAD实体模型直接生成机器人所带喷枪的运行轨迹，并能精确地控制喷枪的运行轨迹、角度、速度，以及喷枪与模型之间的距离。
关键词：机器人轨迹 等离子熔射制模 STL

前言

快速成形技术已成功地实现了快速原型制造，目前正向快速制造模具尤其是金属模具的方向迅速发展。等离子熔射快速制模技术，因其不受尺寸和模具材料限制的优点而受到关注。等离子熔射制模的关键技术之一是需要在被熔射原型表面熔射一层耐磨、耐腐蚀合金层。然而，以往的喷枪运动是人工操作完成，难以精确地控制喷枪的熔射轨迹、速度、角度以及与原型之间的距离，导致熔射合金层易产生翘曲和脱落，且直接影响到制成的模具表面质量，此外人工熔射时作业环境不好。因此，需要在熔射快速制模中采用机器人，机器人轨迹生成系统则是需开发的关键技术之一。

本文研究首先将待熔射的模型进行实体造型并转换成STL格式；之后将STL格式文件传入到针对本课题编写的轨迹生成模块程序中重构，并生成机器人所带喷枪的运行轨迹文件；轨迹文件在计算机上仿真通过可行性验证后传输到机器人的控制器中，搭载在机器人末端上的喷枪即可按照所设定的轨迹进行熔射。熔射是采用能够精确地控制等离子喷枪的运动轨迹的六轴机器人来完成。

1 系统架构

本研究以首钢MOTOMAN公司的机器人为基础建立机器人辅助等离子熔射快速制模系统。该系统分为软、硬件两个部分，由三个模块构成。其中软件部分两个模块：轨迹生成模块，轨迹仿真和数据传输模块。硬件部分即机器人模块（见图1）。

图1 机器人熔射系统架构图

轨迹生成模块：输入STL格式文件，输出机器人所带喷枪的运行轨迹文件。
轨迹仿真和传输模块：能够对轨迹文件进行仿真并传输到机器人的控制器。
机器人模块：能接收轨迹文件并实现按照所设定的轨迹运动。下面分别介绍各个模块的实现过程。

2 机器人的轨迹生成模块

通过普通的CAD软件绘制出待熔射的模型，输出成为STL格式文件。机器人轨迹生成模块以VC++为平台，通过编程对STL文件进行处理，从而实现机器人末端的轨迹生成。

2.1 STL文件重构

对于CAD三维实体模型，为了得到其表面各点在一定的坐标系中的坐标，采用以一定高度的截面去截取实体，相交地方的数据即模型表面的坐标，这也是常用的实体分层原理，即将实体离散化为一个个截面叠加而成。

通常切片离散化得到的点是三维坐标，而本研究中切片离散化的点要用于机器人的点的轨迹。机器人坐标系中的点是六维的，除了要知道三个位置坐标外，还需知道绕三个坐标轴的旋转角度，因此需要对常用的STL文件点的数据结构加以补充，使之达到六维。

STL文件是由一系列小三角面片构成，在形成STL文件的过程中（丛CAD软件输出STL文件的过程中），三角面片除了带有其上的三个点的坐标外，还带有该面片的法向矢量。因此要将构成小三角面片的三个点的数据结构加以改进，给每个点加上一个方向矢量（三个分量），从而使每个点都具有六维性质。点的数据结构就将变成：

struct point{
asix_X，asix_Y， asix_Z; //点的X、Y、Z轴坐标值
vector_X，vector_Y， vector_Z}; //点的法向矢量的三个分量

为此将每个小三角面片的法向矢量赋给它所带的三个点（见图2），使每个点都变成除了有位置坐标外，还有方向的矢量点。对于每一个小三角面片，其上三个点方向矢量都相同，也为该小面片的法向矢量。

图2 STL文件单元改动的比较 图3 交点矢量合成图

STL文件中的每一个点，可能总属于周围的几个小三角面片，找出位置坐标值相同的所有点，将它们的方向矢量进行叠加后得到该点新的方向矢量，原有的方向矢量被去除掉。

2.2 原型表面点坐标和法向矢量的求取

用与轨迹相对应的截面去截取实体，同时判断该截面与所有构成STL文件的小三角面片所包含的边是否有交点。若有交点，该交点坐标值就是所要求的模型表面坐标值。根据上一节的STL的重构，交点应该是六维，且其位置坐标可知。因STL的每条边两点的坐标已知，两点间距离和交点到其中一点距离就可以求得，而该边上两点的方向矢量也已知，所以由求得的距离和已知的方向矢量，采用比例算法就可求出该交点的方向矢量（见图3，公式(1)）。

(1)

式中：n'1表示第一点的方向矢量，n'2表示第二点的方向矢量，d表示两点间距离，d1表示交点到第一点距离，n'交点的方向矢量。

2.3 喷枪位置和角度的转换

由2.2节求得模型表面各点的坐标和该点处所在表面的法向矢量。但是，在实际的熔射过程中，喷枪并不是直接在模型表面移动，而是离开模型一定距离，垂直于模型表面。并且对于机器人所带等离子喷枪的角度，机器人是以喷枪绕机器人三个坐标轴的角度值来表示，不是矢量表示方式。因此需要对上一节得到的坐标值进行转换。由于交点处的方向矢量已求得，该点处的三个方位角可得，通过给定喷枪和模型之间的距离，就可求得喷枪位置坐标值和角度值。

2.4 模型的轨迹文件生成

求得喷枪的位置坐标和角度之后，按照一定的规律将这些点的坐标值进行排序，从而得到喷枪的一系列有序的位置，然后按照机器人能够接收的格式写出代码，自此机器人所带喷枪的轨迹文件就生成了。

3 仿真和传输模块

该模块由机器人自带的ROTSY和MOTOCOM32两种软件构成。

ROTSY是机器人仿真软件，能对上一节生成的轨迹文件仿真。仿真所用的机器人模型、喷枪和工作台可在ROTSY中直接调用；对于待熔射原型的模型，一般需要在通用CAD软件中造型，然后导入到ROTSY中。图4表示机器人所带喷枪对摩托车覆盖件模型的轨迹仿真。

图4 摩托车覆盖件模具熔射轨迹仿真 图5 机器人在熔射实验中

MOTOCOM32是一个文件传输软件，计算机与机器人控制器之间采用RS232C串行通讯接口，通过它能实现机器人与计算机之间的数据传输。

可将轨迹文件通过MOTOCOM32传到机器人的控制器，从而由机器人的控制器来控制机器人带动喷枪运动。如果需要修改轨迹，可以将控制器上的轨迹文件回传到计算机上进行，修改完毕后再传回机器人控制器。

4 机器人模块

机器人模块属于硬件部分，它由机器人本体、控制器、等离子喷枪等构成。在机器人模块中，机器人控制器接收轨迹文件并控制机器人带动等离子喷枪沿仿真所示的轨迹运动，从而实现模型的等离子熔射。图5为机器人本体以及等离子熔射实际情景。

5 熔射制模实验验证

为了验证本文建立的机器人运行轨迹生成系统，对摩托车覆盖件模型的机器人熔射运行轨迹进行了熔射实验验证。图6显示覆盖了熔射层的摩托车覆盖件的原型。同以往手工熔射相比，由于机器人能够保持喷枪的运行快速、稳定，以及喷枪与模型之间距离恒定，成形性和皮膜质量有很大提高，且改善了工作环境。得到图6所示表面覆盖熔射层的原型后，经过补强去除原型就可得到最终模具（图7）。

图6 熔射后的摩托车覆盖件模型 图7 摩托车覆盖件凸(左)凹(右)模具

6 结束语

本文建立了面向等离子熔射制模的机器人运动轨迹生成系统。该系统可将被熔射原型的STL格式在轨迹生成模块程序中重构并生成机器人所带喷枪的运动轨迹文件。轨迹文件通过计算机上仿真验证可行性后传到机器人控制器中，使搭载在机器人末端上的喷枪可按照所设定的轨迹进行熔射。对摩托车覆盖件模型进行轨迹生成和熔射实验验证，实现了等离子喷枪的运动轨迹、角度、速度以及与待熔射模型之间距离的精确控制，并以此完成了机器人辅助熔射模具的实际制造。

参考文献
[1] Haiou Zhang, Guilan Wang, Yunhua Luo et al. Rapid hard tooling by plasma spraying for injection molding and sheet metal forming. Thin Solid Films. 390(2001), pp.7-12
[2] 张海鸥等. 快速制造模具技术. 中国机械工程， 2002 13（22）：1903～1906
[3] 蒋新松. 未来机器人技术发展方向的探讨. [J].机器人，1996 18(5)：285～291

三十四、PCM快速成形工艺精度和表面质量影响因素

王树杰 张人佶 颜永年 杨卫东

摘要：PCM工艺是基于离散堆积原理将RP技术与铸造工艺结合产生的RM新工艺。分析讨论了影响PCM成形件精度和表面质量的主要因素，提出通过优化铸型CAD模型、正确选择原材料和喷射方式、合理确定各项工艺过程的控制参数和合适的匹配关系，实现提高成形件精度和改善表面质量的目标。
关键词：快速成形 直接铸型制造 快速铸造

概述

RP技术发展到今天，其发展重心已从快速原型(RP)向快速制造(RM－Rapid Manufacturing)及金属零部件的快速制造方向转移，RP领域各种各样的新材料及新工艺不断出现。RP技术不仅应用于设计过程，而且也延伸到制造领域。在制造业中，限制产品推向市场时间的主要因素是模具及模型的设计制造时间，RP是快速设计的辅助手段，而更多的厂家则希望直接从CAD数据制成模具或产品，所以RM技术就尤为令人关注。

RP技术与铸造工艺结合产生的快速铸造(QC－Quick Casting)，是RM的主要研究领域之一。近几年来，利用快速成形的离散/堆积原理发展起来的直接铸型制造技术，省去了传统工艺的模型，按照铸型CAD模型(包括浇注系统等工艺信息)的几何信息精确控制造型材料的堆积过程，直接制造铸型，是传统铸造过程的重大变革。由清华大学研制成功的PCM(Patternless Casting Modeling)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。

PCM工艺是一个包含CAD/CAM、数控、材料、喷射、工艺参数设置及后处理的集成制造过程，可概括为以下3个过程：

(1)前处理过程：首先规划和设计铸型，即确定工艺参数、选取最优加工方向、设计浇注系统等，将产品/零件的CAD模型转换成铸型的CAD模型。然后由铸型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。

(2)造型过程：原砂存储及铺砂机构将原砂均匀铺撒在砂箱表面并由压滚压实，喷射装置将树脂和固化剂喷射在每一层铺好压实的型砂上，粘结剂与催化剂发生胶联反应，粘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。固化完一层后再粘接下一层，所有层面粘接完之后就可以得到一个三维实体铸型。

(3)后处理过程：清理出铸型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。

在PCM工艺的研究过程中，发现PCM成形件的精度和表面质量问题日益突出，并与PCM工艺三个过程密切相关，每一过程的各环节都可能引起这样或那样的误差，这些误差会严重损害PCM成形件的精度和表面质量，并阻碍它的进一步应用。为探讨并解决这一问题，本文对影响PCM成形件的精度和表面质量的主要因素进行了分析和探讨。

1 分析与讨论

对于给定的设备硬件及软件结构的快速成形系统，机械系统的运动精度已基本确定，STL格式文件对CAD模型近似表达导致的误差在此也不作讨论，重点通过优化铸型CAD模型、正确选择原材料和喷射方式、合理确定各项工艺过程的控制参数和合适的匹配关系，大幅度提高成形件的精度和改善表面质量。

1.1 CAD模型

在PCM工艺中，分层堆积过程是由铸型CAD模型产生的控制信息驱动的，铸型CAD模型是无模样铸型制造工艺实现的基础，零件的定向和摆放对铸型成形过程的正常进行、成形精度和表面质量、加工时间等均有较大影响。为了提高成形精度及零件表面质量，减少加工时间，必须进行PCM工艺规划和铸型设计，即确定工艺参数、选取最优加工方向、设计浇注系统等，将产品/零件的CAD模型转换成铸型的CAD模型。

成形件加工方向优化是基于离散/堆积成形原理的快速原型技术工艺设计的重要研究课题之一。也是PCM工艺中对精度和表面质量影响最大因素之一，因现有的离散/堆积成形工艺产生“台阶面”的特点，难以生产出工业上所需的高精度成形件，这也是RP技术今后要解决的一大关键课题。加工精度主要体现在零件表面的台阶区面积，面内的加工精度及加工方向的尺寸精度等。除台阶区面积外，面内加工精度及加工方向的尺寸精度与加工方向的关系不大，因此，在确定最优加工方向时，只需考虑台阶区面积的大小即可。因此将以加工精度和加工时间为主要目标进行加工方向的优化。

为了实现上述目标，在建立目标函数时，必须综合考虑下述几个方面的因素，即：

·使垂直面的数量最大；
·使法向向上的水平面最大；
·使加工基面的面积最大；
·使法向向下的水平面最小；
·使斜面的数量最小；
·使总的分层数量最小。

PCM工艺的加工方向优化算法，采用以加工精度为主要因素同时考虑加工时间的多目标函数法为宜，同时结合PCM工艺，提出了更为实用、简单的目标函数：

Q=min(Qi) (i=1,2,...,m) (2-1)

Qi为第i个加工方向的目标值，以此加工方向下的相对误差值计算，假设有m个加工方向可选。

( j =1,2,...,n ; i=1,2,...,m) (2-2)

式中： Wij--在第i种加工方向下，分配给第j个面片的误差权重向量，也就是该面片的单位法矢量在加工方向i上的投影；
k――是一个小于1的常量系数，随误差模型不同而异；
Aj--第j个面片的面积；
d--分层厚度；
n--面片数量。

权重系数体现了曲面类型对成形精度的影响程度。对于PCM工艺来说，垂直面与法向向上的水平面可获得最高的成形精度，而斜平面及曲面则相对较差，下水平面由于是树脂固化剂渗透形成的自由表面，成形精度和表面质量最差。其对加工精度的影响将视曲面法向与加工方向的夹角βij的大小不同而不同。

(2-3)

曲面类型是影响“台阶区”投影面积的主要因素。完全水平和垂直的平面在零件中不多见，大部分的面可能是斜面，柱曲或自由曲面等。这些曲面一般用一系列小曲面片来表示，因此上述算法也可以推广到这些小曲面上。设参数空间上的自由曲面可用一系列曲面片表示。设每一小面片的曲面类型按公式(2-3)计算。

权重系数的精度可由曲面片的数量进行控制。曲面片数量越多，则权重系数的确定越准确，目标值的计算也越精确。计算多个可选加工方向下的Q值并用一维优化方法分析，Q值最小的方向就是精度最高的加工方向。

对于结构形状复杂的零件，若采用一体化成形，即使采用以上的优化算法，也很难避免斜平面、曲面及下水平面，可采用分解铸型分别按最优化方向制造，最后将铸型组合的方法，可获得更高的成形精度和表面质量。实验证明，这也是提高铸型整体精度和表面质量行之有效的方法。

1.2 原材料的物理特性

原砂的粒度、树脂和固化剂的粘度也是影响PCM成形件的重要因素。原砂的粒度的粗细造成的砂粒比表面积的差异，会直接影响渗透单元体的大小，从而影响扫描线宽；树脂固化剂的粘度也因与原砂表面的浸润性能差异，影响渗透和扫描线宽。实验发现，当粘度过高时，树脂和固化剂液流喷到原砂表面不润湿而成为断续的液珠，渗透后造成扫描线的粗细不均甚至不连续形成节瘤和空缺。另外，原砂的粒度分布、粒形、含泥量也会因影响渗透而影响成形件的精度和表面质量。

1.3 喷射形式

用小三角形面片化的三维模型通过分层切片处理后，产生的层片文件其轮廓线为零宽度。然而在加工过程中，喷头喷出的液流在成形表面渗透形成的扫描线是有一定宽度的。虽然从理论上讲，可以在工艺控制软件中通过理论轮廓线的补偿而形成实际加工轮廓线来消除此种误差。但扫描线宽在加工过程中则会随着扫描速度、喷射压力、树脂和固化剂粘度、环境温度等因素的变化而变化。另外，由于喷头的开关控制采用电磁阀，存在一个速度响应的问题，使得在成形件上要么会积累成节瘤，要么会形成空缺。所有这些都会造成成形件的误差。

喷射方式的不同也会对成形件的精度造成较大的影响。采用树脂和固化剂的顺序喷射，先喷射的液体会在原砂中自由扩散渗透，后喷射的液体的扩散受到快速固化的阻碍作用而处于先喷射液体扩散区域之内，由此形成的固化线宽较宽,且外表面有一层只含有一种组分的粘附层，不仅影响精度和表面质量，还为后续的处理带来不便。采用树脂和固化剂同时喷射，两股液流混合后迅速到达原砂表面，渗透扩散与固化反应同时进行，两组分的快速固化制约了扩散，从而可减少扫描线宽，提高精度和表面质量。

1.4 工艺参数

在PCM工艺实验研究中，需要通过大量实验确定适合造型的最佳工艺参数。其中，分层厚度、偏置距离(填充网格间距)是根据单元体最佳粘接形式来确定的。因此，影响单元体尺寸形态和成形精度的两个主要工艺参数就是扫描速度和喷头流量。

造型时，根据单元体固化含量确定喷头流量，将粘接剂和催化剂的工作压力调节到适当状态，在对应的工作压力下获得各自需要的流量。但是，流量的可调节范围受喷头和流体输送系统的限制较大。比较容易控制的参数是扫描速度。

结合实验观察和实验结果分析，可以得出以下结论：

(1)铸型强度随分层厚度和偏置距离(网格间距)减小而增大，前者影响更加显著；
(2)分层厚度对铸型表面质量的影响较大，偏置距离(网格间距)则影响较小。表面质量随分层厚度减小而达到峰值，继续减小时表面质量开始下降，结瘤增多，粗糙度上升。分析原因，是由于分层厚度较大时，分层厚度的减小弱化了单元体纵向粘接时铸型侧面轮廓的“锯齿现象”，从而提高了铸型的表面质量，如图1(a)和(b)所示；而分层厚度较小时，继续减小则导致单元体固化时粘接剂液体的横向扩散加剧，反而降低了铸型的表面质量，如图1(c)所示。同样，偏置距离(网格间距)过小时也会因横向扩散加剧而降低铸型的表面质量。因此，必须在保证铸型必要强度的前提下，选择适合的分层厚度和偏置距离(网格间距)，使铸型的表面质量达到最佳。

(a)分层厚度较大时 (b) 分层厚度适合时 (c)分层厚度过小时
图1 分层厚度对铸型表面质量的影响

(3)扫描速度一定时，铸型的表面质量在某一中间条件下达到最佳。此时，分层厚度与该扫描速度下自由渗透形成的单元体固化厚度的比值h:r≈2:3，偏置距离(或网格间距)与固化线宽的比值d:b≈2:3，如图2所示。测量数据表明，在这一条件下，铸型强度也完全满足要求。因此，上述参数就是这一扫描速度下的最优造型参数。

(a)自由渗透单元体 (b) h:r≈2:3 (c)d:b≈2:3
图2 最优造型参数示意图

(4)上述比例关系不随扫描速度变化而变化。

在实际造型过程中，必须通过实验确定具体的最优造型参数。具体步骤如下：

(1)根据X-Y扫描系统的负载能力和稳定性确定扫描速度；
(2)以该扫描速度进行直线扫描实验，测量自由渗透单元体的固化厚度和固化线宽； 依据上述结论计算出相应条件下的分层厚度h和偏置距离d(网格间距)。

1.5 造型工艺参数匹配

RP工艺的成形精度除了取决于机械系统的运动精度和基本成形单元体的形态尺寸外，造型工艺参数之间的匹配程度也会对成形精度产生重要影响。

在PCM工艺中，最重要的几个工艺参数包括：扫描速度、喷射流量、型砂粒度和分层厚度等。他们之间的匹配会直接影响凝聚单元体的尺寸及其形态，进而对成形精度产生影响。因此，下面对上述参数之间的匹配关系进行分析和研究。

●扫描速度与喷射流量的匹配

PCM工艺制造的铸型从功能上看不仅要具备可铸造性，而且要达到一定的外形精度，包括形状精度、尺寸精度和表面精度。这种工艺是由面到体的堆积过程，所以凝聚单元体的尺寸和形态是否均匀一致，将是决定铸型几何精度的重要因素。

在扫描加工过程中，扫描方向虽然在变化，但扫描速度不变。为保证凝聚单元体的尺寸形态均匀一致，液体的固化含量必须保持恒定；在喷头流量恒定的情况下，实验得出单元体尺寸和粘接剂含量随扫描速度的变化曲线如图3和图4所示。

图3 单元体尺寸和扫描速度的关系

图4 单元体粘接剂含量和扫描速度的关系

从图4中可以看出，喷射流量确定时，固化含量随扫描速度增大而减小。因此，要保证固化含 量不变，就必须在扫描速度增大(减小)时增大(减小)喷射流量。

在PCM工艺中，喷头以开闭方式来决定液体喷射与否，本身并不对液体产生驱动力。液体喷射的驱动力来自气瓶内的压缩气体，由高压气体经减压而得。根据伯努利方程可得流量：

(2-4)

式中：
Q--单位时间内的粘接剂流量；
K-- 流量系数，，其中g是重力加速度，ρ是粘接剂密度，Ax是喷嘴截面积。当喷头结构和粘结剂类型一定时该值不变；
∆P--是流体的压差；

从公式(2-4)可知，喷射流量Q与工作压力的开方成正比关系，改变工作压力可以使喷射流量发生相应变化。

因此，要保证扫描速度与喷射流量匹配，首先，必须保证扫描速度与液体工作压力相匹配；其次，单元体存在最佳固化含量，固化含量过大则发气量偏大，过小则单元体尺寸形态不稳定。因而，扫描速度与工作压力之间也存在一个最佳比率(对应最佳固化含量)，必须通过实验测定；另外，粘接剂和催化剂在流量公式中的流量系数不同，两者在单元体中的固化含量也不相等，需要分别测定该比率。

大量实验表明，扫描速度确定为350mm/s时，两者的最佳比率分别约为900 mm/(s·Mpa)和1750mm/(s·Mpa)。此时，两者对应的最佳固化含量分别为9.4%和4.7%，含量之比满足PCM工艺要求的2:1。

另外，扫描速度和喷射流量保持匹配的前提下，两者的变化范围都受到一定限制。前者主要是受电机驱动能力和机械系统惯性的制约，存在最大扫描速度；后者则主要由减压装置的分辨率、喷头喷嘴大小及喷射压力阈值决定，存在最小喷射流量。为减少铸型在浇注过程中的发气量，确定扫描速度与喷射流量的匹配关系为，最小喷射流量与最大扫描速度的匹配。

●分层厚度与型砂粒度的匹配

实验发现，粘接剂液体的渗透扩散形态和单元体尺寸与型砂粒度也有较大关系。型砂粒度越小，彼此间的空隙就越小，毛细管组成的三维网络对液体渗透扩散的阻力就越大，扩散现象较为规则，单元体尺寸也较小。

造型过程中，必须保证层与层既能顺利粘接，相互之间又不会过度渗透。因此，与型砂粒度对应的单元体厚度应该略大于分层厚度；如果单元体截面厚度远远超过一个层厚，不仅引起层与层之间的相互渗透，而且当前层内的横向扩散也趋于严重。横向和纵向的过度渗透导致铸型表面异常粗糙，轮廓的形状精度和几何尺寸无法保证。

因此，必须保证分层厚度和型砂粒度之间的匹配。型砂粒度越大，单元体尺寸就越大，则分层厚度也须相应增大；反之则可以减小。

●分层厚度与喷射流量的匹配

在扫描速度确定的前提下，分层厚度和喷射流量之间也存在匹配关系。喷射流量越大，单元体固化含量就越高，扩散现象也越严重，单元体尺寸增大，因此分层厚度须相应增大；反之则可以减小。为提高成形件的精度，应采用最小的喷射流量实验得出最小扫描线宽时的分层厚度值与之匹配。

实际上，各工艺参数之间的匹配并非单一的对应关系，而是相互关联、相互影响、相互制约的。在扫描速度、喷射流量、型砂粒度和分层厚度四个参数中，任意固定其中几个参数，则其余各参数之间都存在着确定的函数关系。例如：扫描速度固定时，喷射流量和型砂粒度增大，分层厚度就必须增大；而喷射流量和型砂粒度固定时，扫描速度增大，分层厚度就必须减小。依次类推，可以得到其它所有匹配关系。

2 结论

经过上述讨论可知：组成整个工艺过程的各个部分均对成形件的误差有所影响，采用以加工精度为主要因素同时考虑加工时间的多目标函数法优化成形件加工方向；选择粒度较细的原砂和粘度较低的树脂与固化剂；采用树脂和固化剂同时喷射的方式；合理确定扫描速度、喷射流量、型砂粒度、分层厚度和偏置距离等各项工艺参数和合适的匹配关系；可以大幅度提高成形件的精度和改善表面质量，满足铸造对PCM工艺铸型的要求，实现各种金属零件的无模型快速制造。

参考文献
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[2] Jack G.Zhou, Daniel Herscovici, Calvin C.Chen. Parametric Process Optimization to Improve the Accuracy of Rapid Prototyped Stereolithography Parts. International Journal of Machine Tools &Manufacture, 2000,40
[3] W.cheng. J.Y.H.Fuh et al. Multi-objective optimization of part-building orientation in stereolithography. Rapid Prototyping Journal . Vol.1 . No.4 . 1995:12~23
[4] 徐丹.无模铸型制造工艺和设备的研究与开发.[博士学位论文].北京:清华大学,2002,4
[5] 杜昭辉.CAD模型直接驱动铸型制造的研究与开发.[博士学位论文].北京:清华大学,1997,9
[6] Terry T. Wohlers. Wohlers Report -Rapid Prototyping & Tooling State of the industry Annual Worldwide Progress Report, USA, 2001,150-151

三十五、RP（Rapid Prototyping）技术简介

陕西恒通智能机器有限公司

在制造业中各类零件的传统制造工艺按加工后原材料体积变化与否分为成型与拼合法(Forming and Joining)和材料去除法(Material Removing)两大类。成型法按被加工材料的自然状态又可分为固态成型法（锻造、冲剪、挤压、拉拔等）、液态成型法（铸造）和半液态成型法（注塑）。拼合法又可分为机械联接、粘接术和焊接三种方式。材料去除法则有人们所熟知的车、铣、刨、磨等工艺，加工后原材料体积减小。

八十年代初，一种全新的制造概念—材料累加法(Material Increase Manufacturing)被提了出来。由于CAD技术和光、机、电控制技术的发展，这种新型的零件生产工艺就成为RP（快速成型）的主要实现手段。

80年代后期发展起来的快速成型技术，被认为是近20年来制造领域的一次重大突破，其对制造行业的影响可与50~60年代的数控技术相比。RP综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估，修改及功能试验，大大缩短产品的研制周期。而以RP系统为基础发展起来并已成熟的快速工装模具制造(Quick Tooling/Molding)、快速精铸技术(Quick Casting)则可实现零件的快速制造(Quick Manufacturing )。

光固化立体造型（SL—Stereolithography）

该技术以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，移动工作台，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕。
SL法是第一个投入商业应用的RP技术。目前全球销售的SL设备约占RP设备总数的70％左右。 这种方法的特点是精度高、表面质量好。原材料利用率将近100％，能制造形状特别复杂（如空心零件）、特别精细（如手饰、工艺品等）的零件。

分层物件制造(LOM—Laminated Object Manufacturing)

LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割一粘合一切割……直至整个零件模型制作完成。

选择性激光烧结(SLS—Se1ected Laser Sintering)

该法采用CO2激光器作能源，目前使用的造型材料多为各种粉未材料。在工作台上均匀铺上一层很薄（100μ~200μ）的粉未，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉未，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前，成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺还正在实验研究阶段。

熔融沉积造型(FDM—Fused Deposition Modeling)

FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上（通常控制在比熔点高1℃左右）。FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的熔丝材料（丝材直径一般在1.5mm以上）从喷头中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层。每层厚度范围在0．025～0．762mm，一层叠一层最后形成整个零件模型。

RP工艺技术比较

快速成形制造系统(RP&M—Rapid Prototyping & Manufacturing)的技术特点

快速成型法具有以下特点和优点：

1.特别适合于形状复杂，精细的零件加工；
2.减少了对熟练技术操作者的需求；
3.成功地解决了CAD中三维造型“看得见、摸不着”的问题；
4.生产柔性高，只需改CAD数据，就可生产不同形状的零件模型；
5.技术集成，设计制造一体化；
6.不需专门的工装夹具和模具，大大缩短了新产品试制时间；
7.零件的复杂程度和生产批量与制造成本基本无关.

三十六、电偏转抛射式快速成型工艺的仿真

张连洪 熊小明 张宝峰 李双义 刘卫京

摘　要：基于电偏转抛射式快速成型(RP)工艺方法是通过电场控制带电颗粒的运动轨迹实现分层截面的成型，作者开发了电偏转的抛射式RP工艺的仿真系统。该仿真系统读入CLI格式的层面数据后，根据分层截面轮廓数据生成工艺规化和扫描路径，控制带电的颗粒进行扫描，并在计算机屏幕上实时模拟显示扫描轨迹及原型件的三维实体成型过程，为电偏转抛射式快速成型工艺的试验研究提供一定的理论依据。
关键词：电偏转抛射；快速成型；数值仿真

快速成型(Rapid Prototyping，RP)是20世纪90年代发展起来，以“分层制造、逐层累加”的增材方式成型原型/零件的工艺技术。由于快速成型实现了三维CAD模型直接驱动，使其在设计、制造、模具等领域得到了较广泛的应用。目前已实用化的快速成型技术包括立体光刻成型、分层实体制造、熔融沉积制造和粉末体激光选择性烧结[1～6]等。

基于电偏转的抛射式快速成型是一种快速成型工艺方法[7]，其基本工艺原理是通过电场控制带电颗粒的运动轨迹，实现分层截面的成型(见图1)。在成型过程中，喷头的位置固定，颗粒由喷头喷出并且被荷电，通过电场时发生偏转，在成型截面上沉积并与已成型部分粘结在一起。

图1　电偏转抛射式快速成型原理

本文在WinNT4.0操作系统上，采用C++ Builder进行编码，开发了基于电偏转的抛射式RP工艺的仿真系统。该仿真系统的主要功能是读入CAD三维模型的层片数据，根据层片截面轮廓数据生成扫描路径，控制带电的颗粒进行扫描，并在计算机屏幕上实时地模拟显示出扫描轨迹及原型件的三维实体成型过程。

1 　层片扫描路径的规划　

扫描加工工艺过程是快速成型工艺中的一个重要环节，直接影响着加工质量和效率。快速成型工艺规划的一个重要方面是扫描路径规划。不同的规划方法不仅决定了成型过程能否正常顺利地进行，而且对原型件的成型精度和效率影响很大。不同成型工艺的扫描路径规划一般包括理想轮廓线的补偿和区域扫描填充路径的选择。在本工艺中，原型件是通过颗粒由点到线、由线到面、由二维到三维逐层堆积成型的。扫描路径规划主要是生成合理的扫描路径，即根据层片数据确定扫描填充路径。

1.1　扫描方式的选择

填充扫描有很多种方式，常见的有如下图几种[8]：单向栅线扫描(图2a)、垂直栅线扫描(图2b)、分区域栅线扫描(图2c)、斜交叉栅线扫描(图2d)、螺旋形扫描(图2e)和偏置扫描等(图2f)。最近还有人研究了基于分形的扫描填充方式。

图2　常见的填充扫描方式

最常用的扫描方式是各种栅线扫描和偏置扫描。栅线扫描的每一段路径均相互平行，扫描点在边界线内往复扫描。栅线扫描的优点是扫描线规划技术相对简单、灵活，但各栅线之间的连接强度低，导致成型件内部组织具有各向异性的特点，并且在扫描起停响应性能和扫描开断响应性能不好的情况下影响成型精度。偏置扫描从原始轮廓线开始，采用顺序偏移的方式沿着轮廓等距线进行连续扫描，不仅提高了成型件的表面精度，而且减少了扫描启停和开关次数，成型的速度也较快。但生成一个截面的轮廓偏置扫描路径可能需要对轮廓求取成百上千次等距线(与截面的形状有关)，实时生成轮廓偏置线困难。螺旋线扫描能提高加工效率，改善加工精度，但软件编制复杂。　

从简化数据处理，提高系统可靠性的角度出发，本仿真系统采用单向栅线扫描。

1.2　扫描路径顺序的规划　

填充扫描路径顺序对成型时间和成型件表面质量均有较大的影响。常见的填充扫描路径顺序有以下几种(见图3)。

图3　常见的填充扫描顺序

1)单向扫描方式X X(Y Y)　

所有单元层的扫描线都平行于X轴或Y轴，如图3a所示。　

2)层间正交方式X Y　

每一层只进行单向扫描，但第N层的扫描线方向与第N+1层的扫描线方向正交。应用这种扫描方式的比如FDM工艺，由于其材料不能在同一点处堆积两次，在同一层只能采用单向栅线扫描。采用层间正交方式可以避免各向异性造成成型件在垂直于扫描方向的强度降低，如图3b所示。　

3)层内正交方式XY　

在每一层内都用相互正交的扫描线进行填充扫描，即先平行于X(或Y)轴进行扫描，再平行于Y(或X)轴进行扫描，如图3c所示。　

4)层内正交层间交错方式XYsT　

在层内正交XY方式的基础上，增加了变序的特征，即逐层轮换扫描顺序。扫描顺序轮换要考虑3个变量：X和Y的顺序、X的传播方向、Y的传播方向。在对扫描顺序进行编码时，应尽量使相邻层的3个变量发生翻转，这样就可使连续几层中的扫描顺序都不完全相同，这种填充扫描顺序能够防止扫描时引起的应力集中，如图3d。　

本仿真系统中，考虑简便性和实用性，采用最基本的扫描填充方式，即单向(X X)栅线扫描，且扫描顺序为，奇数行从左到右扫描，偶数行从右到左扫描。

2　仿真系统的算法

该仿真系统首先输入CLI文件，然后根据所读入数据进行编码。CLI(common layer interface，通用层片接口)描述了实体的2¹/₂D模型，即二维层片集合[9]。每一层是介于两个平行截面之间的体，具有一定的厚度和内外轮廓线，并具有一定的填充形式。内外轮廓线定义了每一层内固态材料的边界，用多义线来表示，正确的轮廓线是封闭的，并且无自相交和与其它轮廓线相交的现象。在CLI中，填充由一系列独立的直线段构成，每一条填充线由其端点的坐标表示。本系统的算法以计算机图形学中多边形区域填充的活性边表算法为基础，按扫描线从低到高的顺序，计算出各条扫描线与多边形的相交区间，再动态地显示光斑的运动轨迹。　

设定相邻两条扫描线的间距为1，各层求交的算法如下：　

1)建立EL(edgelist，边表)表。　
2)将当前扫描线号scan设置为EL表中的最小y坐标值。
3)初始化AEL(activeedgelist，活性边表)表，使其为空。　
4)重复下列步骤，直至AEL为空并处理完EL表中所有桶：

①将EL存储桶中y坐标值等于当前扫描线号scan对应的y坐标的所有边结点，用插入排序法插入AEL表中，使之按x坐标递增的顺序排列。对于奇数行，按结点的x坐标值从小到大的顺序进行插入排序，对于偶数行，按结点的x坐标值从大到小的顺序进行排序。　
②遍历AEL表，对配对交点之间的区间(左闭右开)进行动态扫描。　
③遍历AEL表，将yupper(边上端点的y坐标)=scan的结点从AEL表中删除，并将yupper>scan的结点的x值递增dx。　
④遍历AEL表，对所有边结点按x坐标递增的顺序进行排序。　

在本算法中，采用链表结构，建立了三类：新边表类TEdge、活性边表类TEdgeList和游标类TEdgeListIterator：

　class TEdge　
　{　
　　friend class TEdgeList;　
　　friend class TEdgeListIterator;　
　　private:　
　　　int yUpper;　
　　　float x,dx;　
　　　Tedge * next;　
　};　
　class TEdgeList　
　{　
　　friend class TEedgeListIterator;　
　　private:　
　　　int count;　
　　　float poit＿x[100];　
　　　float poit＿y[100];　
　　　TEdge * active;　
　　　TEdge * edges[400];　
　};　
　class TEdgeListIterator　
　{　
　　private:　
　　　TEdgeList edgelist;　
　　　TEdge * current;　
　};　

由于本算法中相邻两条扫描线的间距为1，而成型中的扫描间距为成型斑点的直径，因此，在进行插入和删除操作时，插入和删除的是当前编号为scan的扫描线对应的结点。　

比如当前扫描线号为10，成型斑点直径为10，则下一条扫描线号应为20，在求交步骤4)中应插入扫描线号为20的所有结点，删除上端点y坐标为20的边的结点。　

图4所示为圆形截面扫描仿真。根据扫描路径，仿真系统设定行扫描电场和场扫描电场的变化规律，从而控制颗粒的运动轨迹，实现规定的扫描路径和截面的累加成型。

图4　电偏转抛射式快速成型扫描仿真示例

3　结　语　

基于电偏转的抛射式快速成型工艺的仿真系统实现了该工艺扫描加工过程的实时模拟，为其试验研究提供了理论分析依据。但由于本研究工作的阶段性，尚未考虑空气阻力和喷射气流等对颗粒运动的影响。

参考文献：
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[3]　颜永年，张　伟，卢清萍，等.基于离散/堆积成型概念的RPM原理和发展[Ｊ].中国机械工程，1994，5(4)：64—69.
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[9]　CoMMonlayerinterfale(LI)version2.0[Ｚ].ｈttp：//129.69.86.144/raptec/general/cli/CLI＿Ｖ20.ｈtMl.

三十七、原型制造的地位

Derek Korn

如果你问Richard Alfoni，他的位于马萨诸塞州Rowley市的工厂在加工一个原型零件后能赚多少，你得到的回答将是挣不到钱。这就是很多工厂不再承担这种一次性任务的原因所在。但为什么他不拒绝原型项目，不管材料的类型或者零件的复杂程度？因为他发现加工一个单一的原型零件要比立刻车削镍合金有更多的内涵。

通常，工厂加工某个制造商的原型为得到后续可能的任何生产任务创造有利条件。如果零件能进行到生产阶段，原型制造就能为工厂带来收益。

尽管如此，Alfoni先生把原型制造不仅看成是生产任务的诱因，而且还看作是针对他的员工的一种持续的培训工具。

另外，原型制造提供赢取新客户的机会，也显示出从现有客户处确保更多任务的非凡能力。融合原型制造与生产加工要求职员、设备与业务方法的柔性，而他的Eastern Science公司对于这种任务有足够的灵活性。

独特的开始

如果名称“东方科学”听起来不像一个典型的机械厂的话，那是因为从许多方面看它的确不是（即使Alfoni先生也许谦虚地讲其他方面）。该公司于1919年由两位设计并建造天文仪器的MIT毕业生建立。一直到Alfoni先生在1972年从他父亲手里接管之前，它更像是一个“业余作坊”而不是一个机械厂。那里加工一次性任务与原型，但是看不到生产任务。

这些年来，公司积聚了针对有效加工特殊外形与材料（包括高温合金、钛合金、塑料与陶瓷）的重要知识基础。它目前把那些经验用于为半导体、航空与医疗客户在手动与CNC机床上加工高精度零件。现在与1972年之前最大的不同在于：如今公司的目标是赢得生产任务。

为什么选择原型?

Alfoni先生以多种方式投资于原型项目。首先，这些项目使员工对他们的工作保持兴趣与兴奋。“知道你加工的零件是发射到太空的火箭上的元件是令人激动的，”Alfoni先生说道。

原型制造还可用作新、老员工的在职培训。因为Alfoni先生不期望他的新雇员要有金属加工的专业背景（他的CAD/CAM编程员拥有建筑学的学位），这尤其有帮助。按照Alfoni先生的观点，具有良好态度与愿意学习的人有利于成为一个好的候选人。

最近的一项原型任务是解释原型制造如何推动员工提出独特解决方案的好例子。它是一个直径12英寸、厚度仅1/16英寸的半导体零件，在外径上有一个小的矩形凸台而且上面密布小孔。像许多其它半导体零件需要多层叠加起来一样，表面的平行度必须控制在千分之十英寸以内。“他们把这个任务提供给我们，而且我们告诉他们愿意尝试一下，”Alfoni先生说。“我们肯定使用气动夹具，但是我们可能必须轻轻拍打那个夹具来确保零件极好的平面度，而且我们还可能使用销钉来帮助夹紧零件。”即使这个任务不发展成生产的意外收获，如果工厂在将来得到相似结构的零件时，原先所作的工作就得到了补偿。

展现处理不同项目的愿望能吸引新的客户并能帮助进入新的市场。它还有助于维护现有客户的良好关系。“我们的客户忠于我们，因为我们忠于他们，” Alfoni先生说。“有一些实验性的项目我们并不知道将来是否有前途，但是丛照顾重点客户的角度，我们将接受项目。培育牢固的关系，有很长的路要走。”

Alfoni先生在提供员工培训经验方面如此的无私还不至于让他忘记了他正在经营业务的事实。原型制造帮助工厂赢得生产任务，而且在原型制造中装夹、加工、工艺参数方面获得的知识能更快地转入生产并更快地交货给客户。

混合加工

在过去，几乎每个原型零件都是在手动机床上加工的，因为装夹更容易而且更快。随着工厂在其CNC机床上获得的经验（它的第一台CNC车床于1992年购入），根据零件的数量与形状，原型零件现在可在CNC上加工或者在两种机床上混合加工。

Eastern Science公司不断往工厂里添加CNC设备。对于车削任务，公司主要使用来自Mori Seiki（Texas州Irving市）的带B轴的车削中心。“我们考虑了车/铣机床，但我们决定采用带B轴的车削中心来满足一次装夹完成车削与铣削的需要，” Alfoni先生解释道。

工厂里还有一些来自Kitamura（Illinois州Wheeling市）的Mycenter立式加工中心。通过尽可能成组加工零件，工厂对CNC的速度与重复精度运作自如。已经发现花时间去设计灵巧的装夹方法能使加工任务的收益更大。

公司的来自Starret公司（Massachusetts州Athol市）的Premis CMM测量机能提供导入3D CAD文件的特性，加快了检查程序编程的速度。“我们服务的许多公司并不知道存在这种功能，” CMM操作者Greg Santiago说。这种特性对于原型制造与生产任务都能大幅减少开发检查程序所需的时间，使它比用零件实物写程序要快得多。

材料差异

激光固化快速成型、激光烧结金属与其它快速成型方法对于诸如模具制造之类的案例肯定是有价值的。可是，Eastern Science公司的客户实际上需要用指定的材料来验证他们的复杂零件。由于工厂已经加工了大量各种类型的材料，对于难加工材料需要何种形式的加工有很好的见解。

对于高温合金，工厂用高速钢或金刚石涂层刀具进行干式加工。塑料（包括聚醚酰亚胺Ultem与玻璃纤维G-10）有非常高的耐磨性，使得刀具寿命降低。对于这类材料工厂里使用硬质合金刀具。

五刃硬质合金立铣刀被用于陶瓷零件的粗、精加工。“有人推荐我们使用金刚石涂层刀具加工陶瓷，但根据我们的经验，加工陶瓷时金刚石更易于产生崩刃，”Alfoni先生说。“我宁愿用几把价值$25的硬质合金立铣刀来加工，而不用可能产生崩刃并使陶瓷零件报废的价值$125的金刚石立铣刀。”
当碰到很贵重的材料时，在工件装夹时Eastern Science公司有时使用成本较低的替代材料。例如，对于最近的一个用每英尺$550的聚三氟氯乙烯（PCTFE）加工的零件，公司使用较便宜的聚甲醛树脂Delrin来完成装夹。

提供更多

Eastern Science公司努力与客户的零件设计师保持紧密的关系。那样的话，通过设计上的改变来使得加工更容易。它还努力提供比客户需求更多的服务。例如，为了证明它的能力，工厂可能采取额外的步骤来提供比要求表面粗糙度好得多的零件。“我们注意到某特定客户的产品有更高表面粗糙度要求的趋势，而这样做能让我们有机会表达我们为承接他们下一步的任务做好了准备，” Alfoni先生说。

因为几乎任何一家工厂都能按规定加工零件，寻求外加工的公司希望找到能提供更高产品质量的工厂。正如Alfoni先生指出，“我们不是制造商 ；我们是一种服务。”基于这个理由，工厂也许会发现重新考虑对原型制造说“不”的策略是有帮助的。

靠加工一个原型来挣钱是困难的。尽管如此，只要具备承担任何原型项目的能力与愿望就使得这个公司以其他途径在原型制造上挣钱。

竞争的成功案例

来自“现代机械工厂”

现代机械工厂不单单靠好的设备来吸引与维护客户。通过做其他人不能或不愿做的任务，也能提供员工持续发展针对复杂形状与难加工材料新工艺的环境， 这个工厂提供给客户的不仅仅是加工。

Eastern Science公司承接所有类型与所有材料的原型项目。原型制造使工厂为争取生产任务创造条件，而且也可看作针对员工的一种持续的培训工具。

对于很多原型项目而言，原先为生产而购买的带B轴的CNC车削中心被发现能提供单独使用或与手动机床结合的柔性。

原型零件要比立刻车削镍合金有更多的内涵。

对于用贵重材料加工的零件，工厂可能首先使用较便宜的材料作装夹的验证。在每英尺成本超过$550的难加工尼龙棒料加工之前，这个零件首先用聚甲醛树脂 Delrin进行试验加工。

三十八、注塑模的快速原型制造RP

蒲玉兴 李长云

传统制造业的战略是规模效益第一，二十世纪八十年代提出价格和质量第一，九十年代以来，已发展为市场响应第一。在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。近年来，制造业市场的制造战略重点正在发生从成本与质量到时间与响应的重大转移。快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保障，快速响应制造已成为国际研究的热点，应运而生的快速成形/快速制模/快速制造技术为企业提高竞争力提供了一种先进的手段。该技术是基于材料累加成形的一种高新制造技术,被认为是20世纪制造领域的一次革命性突破，可制造注塑模、压铸模、冲压模等各类精密复杂模具，目前已广范应用于汽车、航空航天、船舶、家电、工业设计、医疗、建筑、工艺品制作以及儿童玩具等领域，并且随着这一技术本身的不断发展和完善，其应用范围将不断拓广。

在汽车、家电制造业中，模具成形零件占到了制造工时的50%～70%。模具制造是制约我国汽车、家电、轻工等行业发展的瓶颈和关键，随着快速成型软硬件设备与快速成型材料的不断发展和完善，快速原型件的强度和精度得到不断的提高，快速成型技术已经逐渐地深入到快速模具制造领域，基于快速成型方法制造各类简易经济快速模具已成为RP&M应用的热点问题。

一、模具快速制造

虽然快速成形技术问世时间不长,但由于它对制造业带来的巨大效益使得这一技术的应用日益广泛，特别是给模具的设计与制造带来了一次飞跃。快速原型技术可精确制作模具的型心和型腔，也可直接用于注射过程制作塑料样件，以便发现和纠正出现的错误。由于快速原型制造这一新技术的应用,使模具的设计与制造逐步趋向于数字化、快速化，使模具制造在缩短周期，降低成本的进程中，大大前进了一步。

快速制模技术大都是依据快速成型制作的实体模型即样模(母模)采用拷贝方式(如金属喷涂、电镀、复合材料浇注、精铸等)来快速制造模具主要工作零件(凸、凹模或模腔、模芯)的，其制造周期一般为传统的数控切削方法的1/5～1/10，而成本却仅为其1/3～1/5。

根据模具材料、生产成本、RP原型的材料、生产批量、模具的精度要求已开发出多种多样的工艺方法。目前的快速制模方法大致有间接制模法和直接制模法，基于RP快速制造模具的方法多为间接制模法。依据材质不同，间接制模法生产出来的模具有软模、桥模和硬模。软模(soft tooling)通常指的是硅橡胶模具。用SLA、FDM、LOM或SLS等技术制作的原型，再翻成硅橡胶模具后，向模中灌注双组份的聚氨酯，固化后即得到所需的零件。桥模(bridge tooling)通常指的是可直接进行注塑生产的环氧树脂模具。采用环氧树脂模具与传统注塑模具相比，成本只有传统方法的几分之一，生产周期也大大减少。模具寿命不及钢模，但比硅胶模高，可达1000～5000件，可满足中小批量生产的需要。硬模(hard tooling)通常指的就是钢质模具，即用间接方式制造金属模具和用快速成形直接加工金属模具。

快速制模技术制模周期短、工艺简单、易于推广、制模成本低、精度和寿命能满足某种特定的功能需要，综合经济效益良好，是一种快捷、方便、实用的模具制造技术，特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证以及多品种小批量生产。

企业间的竞争日益加剧，产品开发周期要求越来越短，为快速制模技术提供了发展机遇和发展空间。随着工业化生产的发展，快速制模技术越来越受到产品开发商和模具界广泛重视，对其研究正方兴未艾，新的技术成果不断涌现，呈现出生机勃勃的发展趋势，有着强大的生命力。

二、注塑模快速制造技术—金属喷涂制模法

1、金属喷涂制模法简介

金属喷涂制模法是将快速原型与热喷涂、快速凝固等方法相结合的间接制模法，其工艺是将熔融或半熔融的金属颗粒喷射到通过SLA、SLS或LOM方法制造的原型上，生成金属薄层，然后补强背衬并除去原型后得到模具产品。目前有两种形式，即雾化喷射法（快速凝固工艺RSP）、喷涂法。当模具要求的寿命在3000件以下时，一般采用以RP原型作母模，将低熔点的熔化金属（如锌铝合金）充分雾化后以一定的速度喷射到母模的表面，形成模具型腔表面，充填背衬复合材料，制作锌铝合金软模具。

金属喷涂制模法以样模为标准，模具型腔尺寸、几何精度完全取决于样模，型腔表面及其精细花纹一次同时形成，故制模速度快，制造周期短，模具寿命长，成本低，仅为数控法加工钢模的1/3-1/5。模具表面光洁度好，工艺简单，设备要求低，比较适合于注射成型模、压铸模、板料压延模的快速制造。

2、金属喷涂制模法工序

金属喷涂制模的工序大致可分为五个步骤：

（1） 模型准备

模型可由许多材料制成，包括塑料、石膏、橡胶、木材等。首先建立三维模型，然后对其进行分层切片，并由快速成型机制作出样模。模型准备中最重要的是清理模型表面和涂抹脱模剂。

（2） 金属喷涂模型

脱模剂干燥后，选择最佳的喷涂参数，即可开始在模具上喷涂金属，喷涂时应保证使喷枪连续运动，防止涂层过热变形，涂层厚度一般可控制在2～3mm。

（3） 制作模具框架

如果模具在工作中要受到内压力或模具必须安装在成型机上工作，模具必须有骨架结构且制成的骨架应带有填料。

（4） 浇注模具的填充材料

应使填充材料具有较高的热导率和较低的凝固收缩率以及较高的抗压强度和耐磨性能。一般选择的填充材料为环氧树脂与铝粉、铝颗粒等金属粉末的混合物。

（5） 脱模及模具型腔表面抛光处理

脱模后要把残留在金属涂层表面的脱模剂清洗干净，然后再根据不同的需要，对模具进行抛光等后期制作。

（6） 组装试模

3、喷涂设备与喷涂材料

金属电弧喷涂工作系统一般由喷涂电源、送丝机构、喷枪和压缩气体等系统组成。XDP-5型电弧喷涂设备工作稳定可靠，使用维护方便，能胜任繁重的喷涂工作，其基本参数为：

电源电压：380V
额定输入容量：12KVA
额定电流：300A
压缩空气使用压力：0.6Mpa
压缩空气消耗量：1.6～2m3/min
送丝速度：0～4.8 m/min

用于电弧喷涂制模的材料，在满足低熔点、低收缩率的情况下，应尽可能具有较好的力学性能和较致密的涂层组织。目前市场提供的电弧喷涂用丝材有铝、锌、铜、镍、不锈钢、铝青铜、巴氏合金、复合丝等许多品种。但高熔点金属，如钢、镍、铜等在喷涂时涂层收缩率、热应力、孔隙率都比较大，涂层易开裂、翘曲、剥落，所以目前只有低熔点的锌、铝丝材适合用于模具制造。

三、金属喷涂快速制造注塑模技术的应用范例与发展

金属喷涂方法制造的模具特别适于生产反应注塑成型工艺中的聚氨酯零部件的生产，广泛用于塑料加工中的反应注塑成型、吹塑成型、结构发泡以及其它一些注塑成型等工艺中，如汽车制造中可以用来生产驾驶盘、汽车仪表盘、座垫、头部靠垫、阻流板、汽车内饰顶蓬等，在轻工业中则可以用来制造聚氨酯鞋底等，金属喷涂快速模具较硅橡胶快速模具的寿命要长，可以应用在注塑机上进行小批量的制品生产。在应用注塑工艺时应考虑到低熔点合金金属喷涂型腔的性能以及模具的寿命极限。为防止模具过早损坏，注射压力不宜过高，但也必须保证制品能够成形的最小注射压力，否则会产生注不满的现象。其他具体的注射工艺参数见表1。

金属喷涂注塑模具的成功应用范例：

1. 花盆底座注塑模具

如果用传统的电火花加工的方法，其成本约在4000～5000元之间，制作时间约在一个月左右，而用电弧喷涂快速制模方法来制作，其费用约为1100元左右，工时为60h左右。这也正是电弧喷涂快速模具制造得到广泛重视的原因之一。

花盆底座注塑模具制作加工工序：机加工喷涂用底板→凹模型腔壳体喷涂前准备→喷涂凹模金属壳体→环氧树脂和铝粉配置与填充→环氧树脂固化→喷涂母模表面清理→喷涂凸模金属壳体→环氧树脂和铝粉配置与填充→环氧树脂固化→凸、凹模分离与模具表面清理→机加工模具零件→组装试模。

2. 滴灌用滴头快速模具

国家节水灌溉中心的滴灌用滴头快速模具是通过制作滴头RP模型，采用金属喷涂制模法制造锌铝合金软模具，注射成型1000件滴头产品，用于农业节水灌溉试验。国家节水灌溉中心以RP&M原型作母模来翻制滴灌用滴头模具，发挥了快速成型制造技术的优越性，快速地实现了新产品的试制，含RP原型，制作生产周期为仅为2周。

3、爱达荷注塑模具

美国爱达荷国家工程与环境试验中心采用快速凝固工艺即RSP技术实现了注塑模具的快速经济制造。该方法采用快速原型技术制作的样件作为母体样板，通过喷涂到母体样板的金属或合金熔滴的沉积制造模具。

工艺过程为：熔融的工具钢或其它合金被压入喷嘴，与高速流动的隋性气体相遇而形成直径约0.05mm的雾状熔滴，喷向并沉积到母体样板上，复制出母样的表面结构形状，借助脱模剂使沉积形成的钢制模具与母样分离，即可快速制出所需模具。

最近，西安交通大学机械工程学院先进制造技术研究所成功采用“电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造技术” 进行轿车新车型开发中大型冲压模具快速制造，该技术集成了快速原型、电弧喷涂和电刷镀等技术，采用电弧喷涂工艺在模具母模表面快速沉积一层致密的低熔点金属薄壳，从而制作出模具的型腔；在填充适当的背衬材料并脱模后，利用电刷镀技术在模具工作表面刷镀强化涂层，进而完成模具的快速制造。

利用该技术与设备，结合快速原型制造技术和高速数控加工技术，可以低成本高效率地进行大型、精密、复杂以及长寿命模具的快速制造。

采用电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造技术制造覆盖件模具，成本只有传统机械加工钢模具的1/10，制造周期为后者的1/4～1/5，经济效益十分可观，非常适合于新车型开发中的样车试制和小批量生产。该技术也可以用于注塑模具快速制造。

三十九、大型曲面类产品的快速制造技术研究

武殿梁 洪军 黄海量 丁玉成 卢秉恒

随着信息时代的到来和制造业全球化趋势的加剧，市场对产品的性能、价格和交货期的要求更加苛刻，产品的生命周期缩短、品种增多、批量变小。这些都要求制造企业能够快速开发出高质量的产品，以响应市场的需求、提高自身的竞争力。

大型复杂曲面类产品开发难度大、周期长并且质量难以保证，采用传统的开发手段已经不能适应市场激烈竞争的要求。作者所在的研究所采用全新的技术手段，仅用三个月即完成了总后某单位委托的1﹕1人体模型的模具和10套样件制作，由此也探索出了一种关于此类产品的快速开发模式。

1、大型曲面类产品快速制造的新技术

人体具有形状独特而复杂的自由曲面，难以直接描述，工业设计和详细设计时一般均不能直接建立CAD模型。通常是以模型（如石膏模型或粘土模型）或经手工修整后的样件为设计原型。

在我们的人体模型开发中，委托方提供了一个1:1的石膏模型，要求构造CAD模型，并对手、脚、髋等部位的形状进行修改；模型的主要部位壁厚为5mm，身高172cm，误差均要求小于±0.5mm，左右严格对称；另外要为模型添加各个关节：肩、髋、膝、踝、肘关节均有特定的要求，最终提供10套样件，要求样件能模仿真实人体的大部分动作姿势，如站、走、坐等。

在对开发任务进行深入、细致地分析以后，我们确定了三维反求——CAD模型重构——CAD再设计——快速原型制作——快速模具制造的技术路线。

1.1 三维反求及曲面重构

从实物样件获取产品数学模型技术相关的技术，已发展为CAD/CAM中一个相对独立的范畴，称反求工程（Reverse Engineering）。目前大多数有关反求工程的研究都集中在几何形状，即重建产品实物的CAD模型方面，又称“三维反求”。它是模型再设计、快速原型制作和快速模具制造等后续步骤的基础。

三维反求主要包括两个步骤：对象数字化（Object digilization）和曲面重构。

1.1.1 对象数字化

对象数字化是利用相关的测量设备，根据产品模型测量得到空间拓扑离散点数据。测量设备可分为接触式和非接触式；非接触式测量速度快，可相当密集地对产品表面进行测量，形成所谓的“点云”数据，方法主要有光栅投影、激光扫描、光学三角形、三维视觉法工业CT(Computed Tomography计算机断层摄像)和逐层切削照相测量，使用最广泛的是光学三角形法和光栅投影法。

光学三角形法测量的基本原理[1]是利用具有规则几何形状的测量光源投影到被测表面上，形成漫反射光带，并成像于空间某位置的图象传感器，根据三角形原理测出被测表面某位置的空间坐标。

本案例中需要测量的人体模型尺寸较大，不需要测量内腔尺寸，且整体形状精度要求高，如脚与腿的相对位置就不得有扭曲现象。考虑到这些特点，测量时采用了德国GOM公司的ATOS测量仪，它使用可见光带。测量速度与Krcon公司的激光测头类似，可以超过10000点/秒，测量范围为500mm～10m。

图1 人体模型的测量点

对于大尺寸模型，通常需要多次测量，然后将得到的不同部位数据拼合获得整个模型的全部数据点信息。ATOS配有XL数码相机，用于扫描预先设置的定位点。在这些定位点信息获得后，待测模型在随后测量过程中就可以自由地翻转，但需要保证模型各部分相对位置不变，即形状不能改变。随后的扫描是依次进行的，相邻两次测量必须有三个或三个以上的共同的定标点都被测量到，通过这些共同定标点就可以将数据拼合，最后用预先获得的总体形状信息将所有数据归一化。

1.1.2 曲面重构

三维反求中，曲面重构有如下特点:①曲面型面数据散乱，且曲面对象边界和形状复杂，因而一般不便直接运用常规的曲面构造方法；②曲面对象通常不是由一张曲面构成，而是由多张曲面经过延伸、过渡、裁剪等混合而成，因而要分片构造；③在反求中为了保证数字化的完整性，相邻次测量数据之间还有一定的重叠，这就导致“多视拼合的问题” [2]（multiple view combination）。目前主要有2种曲面重构方法：一是以B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造；二是以三角Bezier曲面为基础的曲面构造[3]。另外还有以多面体方式来描述曲面，三角面片（STL）模型最常用的一种。

大多数通用的CAD/CAM软件如Strim、 Unigraphics、Pro/Engineering、Cimatron等都提供反求模块，同时也有不少专门用来构造曲面的反求软件，如Delcam公司的CopyCAD、Imageware公司的Surface。专用的反求软件一般功能更强，主要体现在速度、适应性、可使用的曲面工具等方面。我们使用Delcam公司的系列产品中的专用反求模块CopyCAD进行人体模型的曲面重构，它针对不同的测量方法和不同的数据类型，提供了多种曲面构造方法，另外它可以直接利用点云构造STL模型，在STL模型基础上还可以进一步构造曲面模型，这样构造曲面也是分片进行的，不仅速度快，而且精度也高（依赖于构造STL模型时给定的误差）。

在CopyCAD中可以直接进入Delcam的另一模块PowerShape对所构造的曲面进行编辑和修改，我们重新构造了原模型的脚、手掌使之更接近于真实人体，另外还调整了肩、髋处的曲面，以便于后续的关节设计。重构后的人体曲面模型如图所示。

1.2 CAX及接口技术

CAX技术是CAD、CAE、CAPP、CAM等计算机辅助单元技术的总称，它是CIMS、敏捷制造、并行工程等先进制造模式的基础。

三维反求获得的曲面模型还不能直接用来进行功能设计，因为它是多张无厚度的曲面围成的，这些曲面间还可能有缝隙存在，故还需在CAX系统中作必要的处理，然后进行功能设计。

可用于CAD建模、装配检验、机构模拟的商业CAD/CAM软件很多，如PRO/E、UG、IDEAS、CATIA等等，当然各种软件还具有自己的特色，如PRO/E的完全特征化实体建模功能对于零件建模极为方便，但用于本案例的CAD设计时，通过IGES接口输入的曲面模型会被当作一个整体的外来特征，缝合、构造实体等都不容易进行。而在UG、IDEAS中输入IGES形式的曲面模型时，每片曲面都被完全转换为软件自身的曲面格式，后续处理要方便得多。我们使用UG进行模型的再设计，同时用PRO/E进行关节的各零件设计。

在UG中，按关节设计方案将曲面模型切成头、躯干、大臂、小臂、大腿、小腿、脚共11部分；对每一部分进行曲面加厚（5mm），使之成为实体零件，然后再为关节的装配设计安装接口；将PRO/E中设计好的关节零件调入，在UG的装配模块中将各关节零件安装于相应的实体零件上，构成人体模型的各组成部件；再将各部件组装成最终的人体CAD模型，将各可动部件转动到极限位置，进行干涉检查，检验零件的设计是否合理，此时可以随时返回建模模块修改各零件。委托方仅要求模型能够模仿真实人体的大部分运动姿态，并不要求模型运动，因此在装配中能正确地模仿各姿态以后，CAD设计就完成了。此时输出各零部件STL模型，供随后的快速成型使用。图3是模仿人体跑步时的一个姿态，图4是模仿人跳远时的一个姿态。如果有运动要求，还可以在UG的机构分析模块中定义关节处的各种运动副，定义各部件的运动函数，进行运动仿真。

图3人体CAD实体模型(跑姿) 图4人体CAD模型(跳姿, 线框显示)

在反求和CAD设计过程中需要使用各种不同的软件系统，因此软件之间的接口技术成为工作能否顺利进行的关键，甚至关系到工作的成败。

系统间接口分为专用接口和通用接口两类，前者是某软件系统为另一个特定的系统提供的转换接口，它效率高、出错率低，但仅能对一种系统起作用，而且往往作为单独的模块出售。另外，某一种系统一般不可能为其他所有系统都提供专用接口，因此在使用多个CAD/CAM系统系统工作时一般使用通用接口。

通用接口是一种作为中间数据交换格式的数据标准规范，目前常用的通用接口有IGES、SET、VDA、PDES和STEP等。应用最广泛的是IGES和STEP。几乎所有软件都提供IGES（初始图形交换规范）接口， 它可以满足绝大多数几何信息转换要求，但数据文件大、转换时间长，某些几何类型转换不稳定。我们将DELCAM的曲面模型通过IGES格式转换到UG和PRO/E中都曾发现有部分曲面丢失或破损现象，需要进行修复处理。

STEP是基于集成的产品信息模型，是真正面向CIMS的产品数据定义和交换标准，理论上可以转换产品的所有信息，可用于各种场合，目前仍在发展中。我们的DELCAM系统未提供STEP接口，故使用IEGS进行人体曲面模型转换，而PRO/E与UG之间的模型转换均使用STEP接口进行。

1.3 快速原型制作及快速模具制造

完成CAD模型以后，就可以应用快速成型设备直接制作出各零件原型，根据零件的材料和批量，利用原型制造各种类型模具。

1.3.1 快速成型（Rapid Prototyping）技术

快速成型是80年代发展起来的新的成型方法，它基于材料添加原理，直接、快速地完成CAD模型到实物模型的制作。目前主要应用的有4种工艺，即立体光固化法（SLA）、分层物体制造(LOM)、熔积成型法(FDM)和选择烧结法（SLS）。

应用RP技术可以由CAD模型直接成型，省去各类复杂的工装准备，大大缩短产品开发周期，降低开发成本，尤其对传统方法难以加工的复杂曲面模型，优点更为突出。对于人体模型或装饰件等产品来说，一般对整体形状精度要求高，而局部的要求不算高，使用RP技术是非常合适的，此处使用西安交通大学研制的LPS-600光固化快速成型机进行原型制造，其精度为±0.1mm，允许最大零件尺寸为600×600(mm2)。制作人体模型时，除躯干部分需要从胸部分开，需两次成型外，其余组件均可一次成型。

关节零件使用的材料不同，而且配合精度要求高，但结构比较简单、规则，因此采用机械加工。

1.3.2 快速模具制造

复杂曲面类产品以冲压件和注塑件居多，需要先制造模具。传统的模具制造方法费用高、周期长，特别是对于单件、小批量的生产问题更加突出。快速模具制造技术利用硅胶等材料覆模、金属喷涂、翻制石墨电极模具等方法直接由零件原型制造模具。

采用何种方法取决于零件的材料和批量，硅胶软模一般用于100件以内的注塑零件，金属喷涂模用于千件以内的注塑件或某些冲压件，翻制的石墨电极模具在专用的石墨电极成形机（如西安交通大学开发成功的GET-500型整体石墨电极成型机）上加工整体石墨电极，用于钢模的电火花加工。考虑到委托方仅需要10套塑料模型，使用硅胶模具较为合适。翻制硅胶模具时要考虑硅胶收缩和注塑材料的收缩，因而最初进行CAD模型设计时需考虑收缩的影响。图5为人体的快速原型及头部硅胶模的下半模。在硅胶模中注入可自凝固的液态注塑材料，凝固后得到各零件，将关节零件安装到相应的注塑件上组成模型的各部件，组装这些部件即得人体模型。

（a） 人体快速原型 （b）头部硅胶模（下半模）
图5 快速原型及头部硅胶模

2、大型曲面类产品制造模式探讨

大型复杂曲面类产品的开发体现了多学科的综合应用，上述新技术简化了此开发过程，缩短了开发周期和降低开发成本。但由于开发过程涉及到多种技术，需要应用多种软件和硬件，不但对参与开发人员提出更高的要求，同时工作模式对开发进程的影响更大，因此探讨此类产品开发的工作模式是很必要的。

根据上述人体模型的开发这个典型案例以及多次类似产品的开发，作者认为大型复杂曲面类产品开发的工作过程有如下特点：（1）对任务的分析、规划应更加细致、详尽，方案的确定对全过程影响更大。在此阶段要分析各种可得到的软、硬件工具，针对任务的特点选择合适的软件，并充分考虑系统间接口；（2）开发工作应当引入并行工程的思想，在开始就考虑到各开发阶段的诸多因素[4]，包括质量、成本、进度、用户需求和跨领域的协调工作，其中尤其注意不同开发阶段的衔接与协调。（3）产品的数据模型在全过程居于核心地位，开发过程伴随较大规模的数据流动和数据转换，因此应当尽量依托Internet/Intranet来实现文件快速传输、数据共享、模型管理以及开发人员之间的工作协同。（4）由于文件种类繁多、涉及的数据量庞大，因此必须建立合理有效的文档管理和维护机制，有条件的可应用PDM来管理产品数据。

鉴于上述特点，作者认为复杂曲面类产品开发可以采用图6所示的工作模式。该工作模式的特征是以产品数据模型为核心，依托Internet/Intranet，合理、灵活地使用各类软件工具和接口标准，并行、协调地完成开发工作。本案例中人体模型依照该模式进行开发，前后共用3个月，即按委托方的要求完成了开发工作。

图6 复杂曲面类产品快速开发工作模式框图

3、结束语

通过对大型复杂曲面类产品开发的新技术的总结和工作模式的探索，本文论述了大型复杂曲面类产品快速开发的技术要点，总结了此类产品开发过程的4大特点，并给出了以网络技术为支撑、并行思想为指导的工作模式。依照该模式可以快速、有效地进行大型、复杂曲面类产品开发。

参考文献：
[1] 刘阳，唐罗生等.快速逆向工程及其在产品开发中的应用.机械设计与制造.1999(1)：26～28.
[2] Li J X, etal. Projection of arbitrary point to parametric besizer surface and its application in complex surface NC measuring analysis . The Chinese Joural of Machine Engineering(English edited).1997.10(10)：3.
[3] Ke Yinglin, Li Fengwang. Stud on reverse design engineer of complex surfaces products. CIRP International Symposium - Advanced Design and Manufacture in the Global Manufacturing Era.August.HongKong,1997:21～22.
[4] 宋玉银.机械产品集成化并行设计方法及应用研究[博士论文]，清华大学，1997.10：2～3.

四十、经济型快速成形系统研究

华北工学院 张吉堂 沈兴全 王爱玲

RP技术被认为是近20年来制造技术的一项重大突破，可与60年代的NC技术相媲美，这一先进制造技术一出现，就受到工业先进国家的高度重视，并站在21世纪全球竞争的战略高度来关心和支持这一技术。我国90年代初也进入这一领域，目前一些单位接近或已开发出商品化的RP系统并开始少量销售。但RP技术的推广应用的一个很大的问题是其设备价格昂贵，许多企业特别是中小企业根本无力购买。针对这种情况，笔者提出了的经济型的RP系统的概念和原理，并探讨了其系统组成及应用特点。

1　基本原理

RP系统成套设备价格昂贵的根本原因是因为它是将机械工程、CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、激光技术及新材料技术集于一体的一种高新技术产品。怎样降低RP系统的价格呢？笔者提出了模块化与取代化相接合的原则，将复杂的RP系统“解耦”成功能相对独立的几个模块，然后分析哪些模块是RP系统特有的，是无法取代的，哪些模块是可以用其它相同或相似的功能模块，不作或少作修改来取代，而且取代后RP设备的成本会有明显的降低。RP系统从功能上可以分为4部分:造型设计模块、切片处理模块、成形控制模块及成形装置模块。4个模块哪些是无法取代的呢？很明显切片处理模块的功能是，将一个零件的CAD三维模型处理成二维平面数据，是RP技术特有的，是无法取代的。而造型设计模块对已据有CAD三维造型应用基础（软硬件、人才）的用户，只要输出成形机要求的文件格式就可以了，无需新的投资。对无工作站或高档微机、CAD造型软件及三维造型能力的用户，为了降低采用RP技术的投资费用，也可以借助其它单位，如高等院校、科研院所的人才、计算机软硬件优势，通过计算机网络，如局域网、广域网、甚至公用电话网，来实现远程通讯把数据传输到成形机里。而成形控制模块和成形装置模块能够被取代吗？下面就这一问题展开讨论。

RP技术是一种直接用CAD模型驱动快速制造复杂形状的三维零件的先进制造技术，而CNC加工技术是一种计算机数字控制技术，它们都是用数字化信号控制执行部件完成预定的零件成形过程。而LOM、SLA、FDM、SLS等快速成形工艺方法的材料处理维数都是N＝2，即将一个零件的CAD三维模型进行离散化（降维）处理成二维平面，再由二维平面堆积成一个物理的三维实体。根据N＝2的条件，为确保其实现的运动控制系统的维数M＝2.5。而CNC机床若材料处理维数N＝2，为确保其实现的运动控制系统的维数也是M＝2.5。若N＝3，其运动控制系统的维数M＝5（若用空间平面来拟合自由曲面时，M＝3）［1，2］，所以一般的连续切削控制CNC机床都有2.5轴以上的联动功能。这说明从信息处理和运动控制的角度来看，具有2.5轴以上联动功能的CNC机床数控系统（这里所指的数控系统包括数控装置、可编程控制器、主轴驱动及进给驱动装置等部分）可以完成LOM、SLA、FDM、SLS等成形工艺的成形控制过程。因此RP系统的成形控制模块可以用企业现有的具有2.5轴以上联动功能CNC机床的控制系统来取代。快速成形装置模块是指完成某种快速成形工艺成形运动的运动部件，显然CNC机床原有的运动部件如X－Y－Z运动单元，也可作为快速成形装置模块中的必要组成部分，但还需研制与机床原有的运动部件有机集成的专用部件，才能完成快速成形运动。

综上所述，我们提出的经济型RP系统是指，以用户现有的具有2.5轴以上联动功能的CNC数控机床为基础，以现有的工作站或高档微机和三维CAD造型软件作造型设计模块，只配置切片处理模块和快速成形装置模块中的必要部件，来完成产品成形过程的快速成形系统。

2　系统组成

经济型RP系统的核心是以用户现有的CNC机床系统来代替RP系统的很大一部分功能，以达到降低RP设备投资费用的目的。下面以经济型分层实体制造（LOM）系统为例来具体讨论这种经济型RP系统的组成特点。

2.1　机械系统

经济型RP系统的机械部分就是上面所说成形装置模块，它包括X－Y－Z运动单元（主轴箱、工作台）、原材料存储及送进机构、热压机构、激光切割机构或专用刀具切割机构等。X－Y－Z运动单元是CNC机床已有的，而原材料存储及送进机构、热压机构、激光切割机构或专用刀具切割机构等需要专门研制。RP技术自产生以来，其成形工艺方法已发展了分层实体制造、光固化成形、粉末烧结成形、熔积成形和气相沉积成形等10多种，而数控机床的品种也很多，研究分析RP技术，各种常见工艺方法和各种CNC机床的可能组合方式及各种组合方式，怎样尽可能地利用原机床的运动部件，以简化成形装置模块，降低经济型RP系统的投资费用，是研究开发经济型RP设备的关键技术之一。例如经济型LOM系统若在立式加工中心机床上开发，切割机构就要与主轴相固联，而原材料存储及送进机构、热压机构需安装在机床工作台上等。

2.2　控制系统

成形机的轮廓扫描借用了数控机床控制系统的软硬件资源，而原材料存储及送进机构、热压机构的运动控制需专门的软硬件来实现，且必须与CNC数控系统相互协调。

2.3　软件系统

软件系统包括几何建模和信息处理两部分。几何建模软件与一般的RP系统要求完全相同。对切片处理软件有两类:一是将CAD三维造型文件处理成STL文件格式，然后切片处理成快速成形设备所需的输入数据。二是直接从CAD文件中切出一系列层片轮廓数据，作为成形机的输入数据［3］。而经济型RP系统的成形控制模块是机床数控系统，机床数控系统能接受的文件格式是NC代码，因此我们只能采用CAD直接切片处理的方法，来产生准确的切片轮廓数据，以便自动编程用。另外，需要指出的是，自动编程及后置处理所生成的NC代码必须包含有，与控制原材料存储及送进机构、热压机构运动的，单板机相协调的控制信号，以满足机床数控装置与单板机协同工作的需要。

2.4　通讯系统

用微机作为三维CAD造型及自动编程模块，微机可直接通过R232C或R422口与机床及成形装置通讯;用工作站作为三维CAD造型及自动编程模块，可通过局域网实现与微机的通讯，再通过串行口实现与机床及成形装置的通讯，对有MAP接口的机床，可直接与工作站进行信息传输;当三维CAD造型及自动编程模块与数控机床、成形装置远距离相隔时，还可利用广域网、局域网及公用电话网通过调制解调的方式，来实现远程通讯。

3　经济型RP系统的特点与社会经济意义

经济型RP系统的特色与创新之处在于，本系统利用现有的2.5轴以上联动功能的数控机床作成形控制模块，而且尽可能地利用原机床的运动部件来构造成形装置模块，使控制精度大大超过现有的快速成形设备；利用CAD直接法去提取快速成形系统所需要的驱动数据作为快速成形系统的基础数据，并利用数控机床的编程语言作为控制语言;本系统可通过计算机网络如局域网、广域网、甚至公用电话网来实现远程通讯，这大大方便了许多不具备配套的数控机床、工作站或高档微机等设备和产品设计能力的用户，也为厂校、厂所联合创造了条件。

这种经济型的RP系统的研究与开发，国内外还未见过，国内外的研究机构或开发商一种是研究开发完整的快速成形系统，但它们的市场价格昂贵。另一种是研究开发概念制模机以降低其市场价格，目前国外已有商品化的设备，但这种概念制模机，以降低原型的制造精度为代价，来达到降低成本的目的，同时这些产品的工艺都是基于喷射成形，喷粘接剂和喷（挤）热塑性材料，这也使其使用范围受到很大的限制［4］。我们研究的经济型RP系统（以LOM系统为例）其市场售价估计是非经济型系统的5%，比概念制模机的成本也低得多，且其数控机床还可进行数控加工，提高了设备利用率。更为重要的是这种经济型RP系统的开发将降低RP技术的应用难度，将大大加快RP技术的推广，因为它在CAD造型及数控自动编程上与CNC机床的工作过程是完全相同的，而CNC机床在我国企业中的占有率和CNC技术的普及程度与RP技术相比要高得多。因此经济型RP技术的研究开发，非常适合我国的国情，为快速成形技术在我国制造企业的广泛应用开辟了新的途径。目前我们在山西省青年科学基金的资助下，正在进行经济型分层实体制造（LOM）系统的研究开发工作，已取得阶段性成果。

四十一、汽车刹车钳体精铸母模的激光快速成形加工(MEM工艺)  newmaker

1．背景

汽车工业中很多形状复杂的零部件均由精铸直接制得，如何高精度、高效率、低成本地制造这些精铸件的母模是汽车制造业中的一个重要问题。采用传统的木模工手工制作，对于曲面形状复杂的母模，不但效率低、精度低，难以满足生产需要。采用数控加工中心制作，则成本太高。因此，北京殷华激光快速成形及模具技术有限公司与江苏省常州华能精细铸造厂合作，采用快速成形技术中的熔融沉积制造工艺——MEM制造汽车复杂零部件精铸用母模，精铸部分由华能精细铸造厂完成。

2．工艺过程

首先根据汽车刹车钳体精铸母模的二维图纸，采用Pro-E三维实体建模软件，建立其三维实体CAD模型，然后再采用北京殷华激光快速成形及模具技术有限公司开发的Lark'98系统对CAD模型进行数据处理和工艺规划，最后采用MEM工艺制得汽车刹车钳体精铸母模。

3．设备及工艺参数

采用殷华公司生产的YHHP-1007型ABS丝在MEM-250-II上用MEM工艺制作。送丝速度为180mm/min，喷头行走速度35mm/s为，加热温度为275℃，由于该件较复杂，所以采用整体支撑。

图1 奥迪轿车刹车钳体精铸母模的MEM原型（正面）

图2 奥迪轿车刹车钳体精铸母模的MEM原型（背面）

四十二、汽车刹车钳体和支架精铸母模的激光快速成型加工(SSM)工艺  newmaker

1．背景

汽车工业中很多形状复杂的零部件均由精铸直接制得，如何高精度、高效率、低成本地制造这些精铸件的母模是汽车制造业中的一个重要问题。采用传统的木模工手工制作，对于曲面形状复杂的母模，不但效率低、精度低，难以满足生产需要。采用数控加工中心制作，则成本太高。因此，北京殷华激光快速成形及模具技术有限公司与江苏省常州华能精细铸造厂合作，采用快速成形技术中的分层实体制造工艺——SSM（Solid Slicing Manufacturing）制造汽车复杂零部件精铸用母模，精铸部分由华能精细铸造厂完成。

2．工艺过程

首先根据汽车刹车钳体和支架精铸母模的二维图纸，采用Pro-E三维实体建模软件，建立其三维实体CAD模型，然后再采用北京殷华激光快速成形及模具技术有限公司开发的Lark'98系统对CAD模型进行数据处理和工艺规划，最后采用SSM工艺制得汽车刹车钳体和支架精铸母模。

3．设备及工艺参数

汽车刹车钳体和支架精铸母模的RP原型采用M-RPMS-II型多功能快速成形机制作，轮廓扫描速度为300mm/s，网格直线速度为500mm/s，二氧化碳激光器功率为35W，随速度而有所变化，采用YHCP-1004涂覆纸，热压温度为90℃，纸和胶层的总厚度为0.1mm。

图1 奥迪轿车刹车钳体精铸母模的SSM原型

图2 奥迪轿车刹车钳体精铸

图3 奥迪轿车刹车钳体支架精铸母模的 SSM原型

图4 奥迪轿车刹车钳体支架精铸件

四十三、快速制模和快速制造的新进展

Newmaker

一、引言

模具是生产各种产品的重要工具。快速制模是以快速成形技术为基础的模具制造技术。快速成形技术是20世纪80年代后期发展起来的新兴技术。由于它对产品创新及其快速实现的推动作用很大，越来越受到人们的密切关注。

据不完全统计，到2002年为止，世界上大约有近百家公司和研究单位开发了不同的快速成形系统，在全球已安装了近万台快速成形设备，历年增长情况。
目前占主导地位的快速成形技术有4类：

(1)激光液态树脂固化(SLA)，约占24%；
(2)丝材熔融涂覆(FDM)，约占20%；
(3)选择性激光烧结(SLS)，约占9%；
(4)薄材叠层制作(LOM)，约占9%。

从快速成形应用地区分布看，大约45%的快速成形机安装在美国和加拿大，28%的快速成形机安装在亚太地区，而欧洲只占25%左右。

我国在高等院校和企业中大约已经安装150台左右不同类型的快速成形机，但是快速制模和快速制造的研究和应用尚处于起步阶段。

二、快速制模

快速制模技术，是将传统的制模方法与快速成形技术相结合，使模具制造周期短、成本低、经济效益好，在精度和使用寿命方面能满足生产要求。

快速制模有三类方法：母模制作、直接制模和间接制模。

用各种快速成形工艺制做的原型件都可以作为母模。利用不同的转换技术和方法，将母模复制成所需要的模具。

例如，对小批量新产品试制，用快速成形制作母模后，可以很方便地复制成硅胶摸，然后借助真空浇注工艺，可用硅胶模直接制造塑料零件。

再如，如果希望获得金属零件，则可通过硅胶模先真空浇注出熔模(易融塑料或蜡)，然后采用熔
模铸造，可制出一定数量的金属零件。

一辆摩托车的曲轴箱体试制过程(SLA母模→胶模→蜡模→失蜡铸造→铸铝件)此外，我国第一汽车集团采用LOM速成形工艺制作原型件，表面进行特殊耐磨外理后，直接代替木模铸造发动机气缸体也取得了非常良好的效果。采用LOM快速成形工艺制作的纸基模具如图3所示。

近年来，采用金属粉末选择性激光烧结(SLS)工艺直接制作模具获得越来越广泛的应用。它可在快速成形机上直接将金属粉末烧结成为模芯，而无需经过任何中间铸造工序，故称为直接制模。目前主要有两种不同的工艺方法：

(1) 将金属粉末(青铜和碳化镍，钢)用激光烧结成密度约75%的模具零件，再在真空箱中把环氧树脂渗入25%孔隙中，然后在160°C 烘箱中处理2小时，硬化后进行表面抛光。

(2) 将金属粉末(钢)与塑料粘结剂混合在一起集用激光烧结成密度约55%的模具零件(绿模)，再在真空炉中把青铜渗入45%的孔隙中，最后进行表面抛光。采用的这种工艺方法制成的冲压模(直径110mm)如图4所示，加工200个零件后磨损小于0.08mm。

随着新材料的不断出现，选择性激光烧结可以根据模具承受载荷和热传导的要求，烧结出由不同材料、不同组织结构组成的梯度模具。

间接制模还可用于制作电加工的电极，由快速成形工艺制作的原型件作为母模，通过表面金属化后，注入电极材料(铜或其他高导电材料)，然后将电极与母模分离，即可获得所需要的电极，再借助电加工工艺制造模具。

三、直接金属成形系统

近年来，国外正在大力研究使用快速成形的叠层制造原理直接生产金属模具和最终零件的系统，称为直接金属成形系统(Direct Metal System－DMS)。现在已出现了10余种不同的直接金属成形的新方法，其中大多数已经作为商品投放市场。直接金属成形系统就基本工作原理来看，可分为非熔融系统和熔融系统两大类，

尽管快速制造在生产率、零件尺寸、精度、表面粗糙度以及成本等问题还有待于进一步解决，但是其前景非常广阔，预计到2010年，直接金属成形系统将会有很大的发展，

四、非熔融金属粉末成形系统

非熔融直接金属粉末成形系统的基本原理是选择性激光烧结工艺(SLS)的进一步发展，把热塑料粘接剂改为金属粘接剂就称为直接金属激光烧结工艺(Direct Metal Laser Sintering－DMLS)，改为树脂粘接剂就称为直接金属三维打印工艺，直接金属激光烧结工艺(DMLS)是德国EOS公司(www.eos-gmbh.com)首先推出的，其代表机型为EOSINT M 250 Xtended。它可以从CAD文件直接制造注射摸模芯、压铸模和金属零件，材料采用新型钢基粉末DirectSteel 20。由于粉末的颗粒度很细，最小叠层厚度仅为20μm，因此，制成的模具或零件的精度很高，一般仅需进行简单而短暂的微粒喷丸处理，无需抛光就可以作为注射模。这种快速制模方法称为DirecTool，可在3天之内就提供形状复杂的注射模。

这种方法制造的模具如果采用抛光处理，可以达到近似镜面的表面质量，成为高质量的模具。此外，还可根据特殊要求，制造中间有冷却孔道的注射模，改善导热性能，缩短加工循环时间。

采用DirecTool制成的模具具有良好的机械性能，拉伸强度可达600N/mm2。实践表明，用于注射模模芯可制作1万～10万件塑料件，用于压铸模具，可制作500件以上铸铝合金零件 DMLS工艺还可以用于制造金属原型件、各种设备的金属备件和小批量最终零件。3D和DTM公司也先后推出类似的直接金属激光烧结工艺，只是商业名称不同而已。如3D公司的Laserform等。

直接金属三维打印是美国Extrude Hone集团Prometal公司(www.prometal-rt.com)推出的，它的原理与Z-Corp公司是基本一致的，主要区别在于采用金属粉末材料和树脂粘接剂。Prometal直接金属三维打印机的外观和制成的零件。

五、非熔融金属薄材成形系统

非熔融金属薄材成形系统的基本原理是从纸基薄材叠层制造工艺(LOM)的进一步发展而来的，它把纸基薄材改为铝板、钢板或塑料板，然后采取粘接、固化或焊接工艺将不同薄材叠层而制成三维零件。

最令人感兴趣的例子是德国Zimmermann公司(www.f-zimmermann. com)的叠层铣削中心(Layer Milling Center)，它创造性地将LOM快速成形技术与数控铣削加工的优点结合起来，推出一种新的快速制模方法。LMC叠层铣削中心是一个生产中心，内部结构的布局极其紧凑，主要由板材料库、板材的提升和输送装置、涂胶及化学处理装置和铣削加工区域4个部分组成，LMC叠层铣削中心的外观和内部结构。

为了叠层铣削成形的需要以及排屑方便，待加工板材不是安放在工作台上面，而是安放在工作台下面，铣头及刀具朝上，好像整台机床倒过来一样。叠层铣削成形过程的基本原理与纸基薄材叠层制造(LOM)一样的。不同之点首先在于材料的种类和厚度，从纸变为不同材料的板材 ；其次不是用激光切割加工，而是用传统铣削加工。

六、熔融直接金属成形系统
　
熔融系统的特点是金属在熔融状态下成形。选择性激光熔融工艺(Selective Laser Melting－SLM)与激光烧结工艺(SLS)的区别在于，它不依靠粘接剂而是直接用激光束将粉末颗粒熔融而制成陶瓷零件、钢模以及各种金属材料及其合金的最终零件。

采用选择性激光熔融工艺可以快速制造高精度形状复杂注射模模芯、冲压模、薄壁零件以及医学植入物等。

七、直接金属熔覆成形系统

直接金属熔覆成形(Direct Metal Deposition－DMD)也是采用激光束熔融金属粉末，其特点是粉末不是存放在粉箱中，而是通过12根管道送到漏斗式的供粉器中，粉末随着激光束一起，在熔融状态堆砌成零件，

美国POM公司(www.pom.net)推出的三维直接金属熔覆成形系统可以用于制造各种模具，其主要优点有：

(1) 模具的零件尺寸不受粉箱大小的限制；
(2) 可用于现有模具的改制和修理；
(3) 可用于模具的表面硬化处理；
(4)可制造复合材料的梯度模具，提高模具的机械性能和热性能。

三维直接金属熔覆成形系统可以制造出几何形状极其复杂的轻结构零件

八、结束语

模具是从铸造业开始的。传统的砂型铸造木模和失蜡铸造技术已经有几千年的历史，用于现在制造业的各种模具也历经几百年，而快速制模和快速制造的出现才十几年，正在处于发展阶段。

快速制模和快速制造的基础是快速成形技术，它是基本特点是把三维实体切成为薄片，在两维空间中加工材料，然后再叠加成为三维零件。未来的发展趋势是：

(1)研究开发新的成形方法。快速成形与数控机床和其他传统的加工方式相结合，包括新的叠层成形方法，以提高制件的性能和精度，扩展用于范围，降低生产成本。

(2)成形精度的提高。提高快速成形系统的速度、控制精度和可靠性、优化设备结构，选用性能价格比高、寿命长的元器件，使系统更简洁，操作更方便，可靠性更高，速度更快。

(3)数据处理速度和精度，研究开发用CAD原始数据直接切片方法，减少数据处理量以及由STL格式转换过程而产生的数据缺陷和轮廓失真。

(4)功能材料的直接快速成形，对功能材料进行改造或预处理，使之适合于快速成形技术的工艺要求。从快速成形的特点出发，结合各种应用要求，发展全新的快速成形材料，特别是复合材料，纳米材料、非均质材料等。

(5)目前快速成形技术主要是采用激光作为能源。新的成形能源的研究也是快速成形技术的一个重要方向，例如超声波、电子束等。

(6)快速制模和快速制造技术的研究。一方面研究开发快速成形制件的表面处理技术，提高表面质量和耐久性。另一方面研究开发与注塑技术、精密铸造技术相结合的新途径和新工艺，快速经济地制造金属模具、金属零件和塑料件。

四十四、我国快速原型技术的发展  newmaker

在铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模等的制造往往是靠机械加工的办法，有时还需要钳工进行修整，费时耗资，而且精度不高。特别是对于一些形状复杂的薄壁铸件，例如飞机发动机的叶片、船用螺旋浆，汽车、拖拉机的缸体、缸盖等，模具的制造更是一个老大难的问题。虽然一些大型企业的铸造厂也进口了一些数控机床、仿型铣等高级设备，但除了设备价格昂贵之外，模具加工的周期也很长，而且由于没有很好的软件系统支持，机床的编程也很困难。面对今天世界上经济市场的竞争，产品的更新换代日益加快，铸造模具加工的现状很难适应当前的形势。而快速成型制造技术的出现为解决这个问题提供了一条颇具前景的新路。

快速成形技术的产生

快速原型（Rapid Prototyping，RP）技术，又称快速成形技术，是当今世界上飞速发展的制造技术之一。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。

我国RP研究工作起步时期

快速原型是继60年代NC技术之后制造领域的又一重大突破，是先进制造技术群中的重要组成部分。它综合运用计算机辅助设计和制造技术、激光技术和材料科学技术，在没有传统模具和夹具的情况下，快速制造出任意复杂形状而又具有一定功能的三维实体模型或零件。快速原型与制造技术的推广应用将明显缩短新产品的上市时间，节约新产品开发和模具制造的费用。美国、日本及欧洲发达国家已将快速成形技术应用于航空、宇航、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型（雕刻）、建筑模型、机械行业等领域。

而我国RP研究工作起步于90年代初。刚开始时技术引进较多，1994年以来，我国已有20几家企业或机构从国外引进RP机器，加快了企业的新产品开发、取得了巨大的经济效益。但由于引进价格昂贵，如美国3Dsystem公司生产的SLA250系统售价20万美元，SLA500价格高达40万美元，加之材料也依靠进口，使生产成本过高，往往是国内企业无法承受的。

国内RP开始商品化并推广应用

为了解决中国制造业对RP的迫切需求，1991年以来，在中国政府资助和支持下，一些高等院校和研究机构积极开展RP研究，并取得较大的进展。

我国最早在快速成型技术方面开展工作的有清华大学、西安交通大学、华中理工大学和北京隆源自动成形系统有限公司。这些单位早期在开发系统设备方面各有侧重。1992年，清华大学引进了当时先进的SLA-250光固化成形设备，成立了激光快速成形中心,开展快速成形技术的研究。研制出世界上最大的LOM双扫描成形机，已提供给国内的汽车制造企业，研制成功的多功能快速造型系统MRPMS已打入国际市场，自主开发的大型挤压喷射成形RP设备SSM1600SSM成形尺寸已达1600× 800× 750mm3，也居世界之首。西安交通大学多年来一直致力于SLA的成型材料和设备的国产化，并因此获2000年度国家科技进步二等奖和教育部科技进步一等奖。华中理工大学从1991年开始，在政府的支持下开始进行RP技术研究，1994年开发成功LOM样机，到1997年就向市场推出商品化的LOM成型设备。目前，该单位已对LOM设备进行了系列化的开发，同时还成功地推出商品化的SLS设备。该校还利用复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和铸铁模块。研究成果已经商品化的还有北京隆源公司开发的AFS 300激光快速成形机（SLS），该公司的RP服务中心已为工业企业单位制作了许多精密铸模。

此外，南京航天大学、上海交通大学、华北工学院等在该领域也做了许多工作。例如在基于快速成形技术的快速制造模具方面，上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统，为汽车行业制造了多种模具。目前，部分国产RP设备已接近或达到美国公司同类产品的水平，价格却便宜得多，材料的价格更加便宜。我国已初步形成了RP设备和材料的制造体系。近年来，在国家科学技术部的支持下，我国已经在深圳、天津、上海、西安、南京、重庆等地建立一批向企业提供快速成形技术的服务机构，并开始起到了积极的作用，推动了快速成形技术在我国的广泛应用，使我国RP技术的发展走上了专业化、市场化的轨道，为国民经济的发展做出了贡献。

快速成形技术是一种具有广泛应用前景的正在不断完善的高新技术。随着市场竞争的日趋激烈，该技术将会被越来越多的企业所采用，对企业的发展，发挥越来越重要的作用，并将给企业带来巨大的经济效益。同时，快速成形技术作为一门多学科交叉的专业技术，其本身的发展，也将推动相关技术、产业的发展。

四十五、快速模具制造技术的现状及其发展趋势  华中科技大学 张海鸥

摘 要：快速成形与制造(RP＆N)作为诞生仅十余年的先进制造技术，已成功地实现了快速原型制造，目前正向快速模具制造(RT)方向迅速发展。主要介绍了快速制模尤其是快速金属模具制造(RNT)技术的现状和发展趋势，比较和分析了模具快速制造的间接法和直接法的特点和问题，探讨了快速模具制造技术发展面临的关键问题及其应用前景。
关键词：快速成形与制造；快速制模；快速制造金属模具；间接法；直接法

O 引言

快速成形与制造(RPM：Rapid Prototvfolng & Manufacturing)是融激光、材料科学、信息与控制技术等为一体的分层——层积技术，堪称是20世纪后半期制造技术最重大的进展之一。RPM技术诞生10余年来已在汽车、家电、航空、医疗等行业中得到广泛应用。国外大型企业如通用、福特、法拉利、丰田、麦道、IBM、AT&T、Motorla等以及我国的一些著名企业，都积极在产品设计过程中采用这项技术，进行产品的有关设计检验、外观讦审、装配实验、动态分析、光弹应力分析、风洞实验等，成功地实现了面向市场的产品造型设计敏捷化。而随之兴起的快速制模尤其是快速制造金属模具(RMT：Rapid Metal Tooling)则是由新产品设计迅速形成高效、低成本、优质的批量生产并抢占市场的必由途径，是RPM技术进一步发展并取得更大经济效益所面临的关键课题，成为当前RPM技术研究的国际前沿。值此世纪之交，该技术被美国汽车工程杂志讦为全球15项重大技术之首，受到全球制造业的广泛关注。

1 快速制模技术的发展简况

随着多品种小批量时代的逐步来临和企业要求模具能保证新产品快速占领市场，开发快速经济模具越来越引起人们的重视，例如用环氧聚脂或其中混入金属、陶瓷、玻璃等增强材料制作的快速软模，可用于上百件注塑成形以及汽车覆盖件试制。其主要特点是制造工艺简单、生产周期短、价格便宜。但由于材料的导热性和机械性能不高，这种模具难以用于快频率的批量注塑成形以及金属拉延件批量成形。水泥、陶瓷制作的汽车覆盖件模具还有待进一步改善。相比之下，由于金属材料具有优良的综合性能，金属模具低成本快速制造成为RPN技术的努力目标。世界先进工业化国家的RPM技术在经历了模型与零件试制、快速软模制造阶段后，目前正向快速硬模即金属模具制造(RMT)方向发展，RMT已成为国际RPN技术应用研究开发的热点。

业已提出的众多RNT方法可分为由cAD数据及RP系统制作的快速原型或其他实物模型复制金属模具的间接法和根据CAD数据直接由RP系统制造金属模具的直接法两大类。下图表示主要的金属模具快速制造方法的基本工艺路线。直接法虽然受到关注，但由于尺寸范围及精度、表面质量、综合机械性能等方面存在问题，离实用化尚有相当差距，目前最成熟的RNT法是间接法。

2.1 间接制模法

在直接制模法尚不成熟的情况下，目前具有竞争力的RMT技术主要是粉末烧结、电铸、铸造和熔射等间接制模法。国内外这方面的研究非常活跃，有许多金属模具间接快速制造技术的研究及应用事例。如3D systems公司的基于SLA原型的粉末成形烧结+浸渗快速复制(Keltool)工艺、CEMCOM公司的镀镍+陶瓷复合(NCC，Nickel-Ceramic Composite)工艺、Idaho National Engineering and Environmental]Lab的快速凝固工艺(RSP，Paoid Solidification Process)和Soligen Tech．Inc．公司的基于DSCP金属薄壳成形系统的铸造工艺、Badger Pattern公司的锌合金喷涂+树脂·金属复合材料补强工艺和东京大学的RHST(Raopid Hard Soray Tooling)以及日产汽车公司的熔射快速制造金属模具法等。

Keltool方法的工艺路线是：由SLA方法生成快速原型十硅橡胶翻模得到模具的负型--填充金属粉末及粘结剂十放入高温炉膛内进行烧结、渗铜--得到最终模具。模具型腔经过热处理后表面硬度可以达到48~50HRC。用A6工具钢制造的模具能够生产数千件产品，但此法制模过程时间长，且工艺复杂。

NCC方法首先在SLA方法生成的快速原型上镀上一层厚约1—5mm的镍，然后在镍质镀层上用化学反应凝固陶瓷材料(CBC，Chermicallv Bonded Ceramic)作背衬补强，将原型分离后得到最终模具。这一方法具有与SLA工艺同等的精度，可用于注塑模制造，但要解决电镀工序时间长和需处理废液污染等问题。

RSP方法是用高速隋性气体将熔化的金属液体雾化，喷射在石蜡、塑料或陶瓷原型(通过SLA、SLS或LOM方法制造)上，生成一薄层金属，补强背衬并除去原型后得到模具。此法可制作注塑模具和冲压模具，但是为了提高制件的表面质量和机械性能需要进行时效处理，增加了制模时间。

Badaer Pattern公司、东京大学和日产汽车公司熔射制模法的基本工艺都是在原型表面形成熔射层，然后对熔射层进行补强并将熔射原型去除得到金属模具。但Bad,erPattern公司只能熔射低熔点锌合金，并采用树脂·金属复合材料对熔射层补强，致使模具的耐磨性和热传导性差，只能用于数百件注塑成形。东京大学开发的RHST方法则是以不锈钢或碳化钨合金等高融点材料为熔射材料，并以金属材料对熔射层背衬补强，从而极大地改善了熔射模具的耐久性，使其能用于表面光滑或带天然精细皮革纹饰塑料产品的大批量注塑成型以及金属薄板成形。日产汽车公司的熔射制模法也采用不锈钢作为熔射材料，并采用树脂·金属复合材料补强，已用于数万至二十多万件的轿车覆盖件成形，但与RHST法相比，该法不能用于表面带天然精细皮革纹饰耐久注塑模具的制造，使用范围受到限制。

在我国，关于金属模具间接快速制造技术的研究受到高度重视，清华大学、华中理工大学在铸造模方面取得了许多研究成果；上海交大用精密铸造法快速翻制出汽车轮胎等金属模具；西安交通大学采用树脂原型、研磨石墨电极、电火花加工出(日质模具；殷华公司及烟台机械工艺研究所与烟台泰利汽车快速模具公司合作采用电弧熔射锌合金制作出快速经济注塑模具。

上述各种间接法都具有快速经济的特点。但相比之下，铸造法和粉末烧结法尺寸变化大，制模精度不高。电铸复制精度虽高，但制模时间长、受电铸材料种类限制且需处理废液污染。熔射法具有模具材料种类和制模尺寸规格限制小、复制精度高等优点。东京大学和日产公司开发的高融点材料熔射制模法极大地改善了模具的耐久性，因此在汽车、摩托车、家电和建筑装饰等行业的模具尤其是目前市场急需的汽车内外饰件和覆盖件模具有广阔的应用前景。与直接法相Lk，间接法目前虽在实用化方面占有优势，但由于中间工序较多且受材料性质和制造环境温度的影响，导致精度控制难度大。因此，开发尺寸稳定性好的制模材料及少工序间接制模法、实现工作环境的安定化是提高精度的关键，同时必须加快开发短流程直接制造金属模具的方法。

2.2 直接制模法

直接法尤其是直接快速制造金属模具(DRMT：Direct Raoid Metal Tooling)方法在缩短制造周期、节能省资源、发挥材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大潜力，从而受到高度关注。目前的DRMT技术研究和应用的关键在于如何提高模具的表面精度和制造效率以及保证其综合性能质量，从而直接快速制造耐久、高精度和表面质量能满足工业化批量生产条件的金属模具。目前已出现的DRMT方法主要有：以激光为热源的选择性激光烧结法(SLS·Se—lective Laser Sintering)和激光生成法(LG·Laser Generating)；以等离子电弧等为热源的熔积法(PDM：Plasma Detmsition Method，或PPW：Plasma Powder Welding)；喷射成形的三维打印法(3DP：Three—Dimensional Printing)。

SLS选择性激光粉末烧结法的工艺大致为：先在基底上铺上一层粉末，用压辊压实后，按照由CAD数据得到的层面信息，用激光对薄层粉末有选择地烧结。然后将新的一层粉末通过铺粉装置铺在上面，进行新一层烧结。反复进行逐层烧结和层间烧结，最终将未被烧结的支撑部分去除就得到与CAD形体相对应的三维实体。LohnerA．等采用Texas大学的SLS工艺，用Ni—Cu粉末直接制造的模具，密度为理论值的80％，强度为100—200MPa，精度为0.1mm，平均粗糙度Ra为10—15um，可用于数百件注塑成形。目前较为成熟的有两种SLS工艺：一种是美国DTM公司的采用聚合物包覆金属粉末的Ravid Tool工艺；一种是德国EOS公司的在基体金属中混入低熔点金属的Direct Tool工艺。Ravid Tool工艺采用激光烧结包覆有粘结剂的钢粉，由计算机控制激光束的扫描路径，加热融化后的粘结剂将金属粉末粘结在一起(非冶金结合)，生成约有45％孔隙率的零件，干燥脱湿后，放入高温炉膛内进行烧结、渗铜，生成表面密实的零件，此时零件中的材料成分为65％的钢和35％的铜。经过打磨等后处理工序，得到最终的模具。Direct Tool通过烧结过程使低熔点金属向基体金属粉末中渗透来增大粉末间隙，产生尺寸膨胀来抵消烧结收缩，使最终的收缩率几乎为零。此外也有尝试制造为碳化物、钻混合的模具。由于SLS直接成形体相对密度低，要得到较高密度必须通过烧结、浸渗等后处理，这就增加了制模时间和成本，因此不能称之为完全的DRMT，同时由于未熔颗料的粘结，表面质量难以提高。

LG中有代表性的Sandia National Lab的LMF(Laser Metal Formina)工艺是在激光熔敷基础上开发的直接制模工艺，该工艺采用高功率激光器在基底或前一层金属上生成出一个移动的金属熔池，然后用喷枪将金属粉末喷入其中，使其熔化并与前一层金属实现紧密的冶金结合。在制造过程中，激光器不动，计算机控制基底的运动，直到生成最终的零件形状。制件密度为理论密度的90％，强度接近于铸件，机械性能较好，而且还可调整送粉组分实现组织结构优化。但由于残余热应力的影响和缺乏支撑材料，精度难以保证，只适用于简单几何形状的模具，而且与SLS过程类似，由于未熔颗粒的粘结，Ra只达到12μm。

3DP工艺类似喷墨打印机，铺粉装置将一层粉末铺在基底或前一层粉末上面，通过喷头在粉末上喷射固化结合剂，层层堆积形成三维实体，经过烧结、浸渗，得到最终的模具。Michaelss等采用MIT的3DP技术直接制造的模具密度相当于理论密度的60％，强度低于铸件，而且精度和表面粗糙度差。

等离子熔积法(PDM)具有使用材料范围广、能获得满密度金属零件的特点。起源于前德国Kruoo和Thvssen公司的埋弧焊接，能够实现大型或特大型容器的成形焊，其机械性能、组织优于铸锻组织，通过适当选择工艺参数可以减少残余应力和裂纹发生，提高堆焊高度。此外，薄钢板的LOM技术也可制造金属模具，但叠层间需焊接等紧固处理，且材料利用率低，薄板热变形也影响成形精度和粗糙度。

然而，上述方法都是基于堆积成形的原理，不可避免要产生侧表面阶梯效应，致使精度低、表面质量差，且存在综合力学性能不高等方面的问题，目前尚多用于金属零件的制造。值得注意的是，Stanford大学的AmonC.H等人最近开发出形状沉积制造(SDM)工艺，并研制出与CNC加工集成的装置。其工艺特点是利用焊接原理熔化焊材(丝状)，并借助热喷涂原理使超高温熔滴逐层沉积成形，实现层间冶金结合。但因焊接弧柱的不稳定、以及可控参数的协调性等问题，很容易出现翘曲和剥离。采用CNC对外轮廊和表面精整，在解决RPM技术中共有的、因逐层堆积产生的侧表面阶梯效应造成的精度和表面质量问题方面做了有益的尝试，但这种工艺目前尚局限于简单形状金属零件制造。

下表给出了几种快速制模方法的有关性能参数。从表中可以看出，间接制模法生产的模具表面质量和尺寸精度都较直接法高，制作大型模具时，间接法较直接法具有更大的优势，但现有RPMT技术尚不能直接快速制造能满足工业化批量生产要求的高精度、高性能、高表面质量的复杂形状金属模具。因此，要解决直接快速制造复杂形状金属模具的精度、表面质量和综合力学性能的问题，有必要探索新的直接快速精细制模方法。

3 展望

鉴于模具技术在制造业中所处的关键地位，快速制模尤其是快速制造金属模具技术的开发研究受到高度关注，概括该技术面临的关键问题和发展趋势有以下几个特点：

(1)快速软模及陶瓷等模具的使用范围受到限制，压铸、注塑、冲压等主导模具的金属模具快速制造是RPN技术努力的目标；

(2)以快速原型等各种原型和铸造、熔射等技术相结合的间接法与直接法相比实用化方面占优势，但因工序增加和受材料性质及制造环境的影响，致使精度控制难度大。开发尺寸稳性好的制模材料、减少制模工序、实现工作环境的安定化是提高间接法制模精度的关键；

(3)基于堆积成形原理的直接制模法在表面及尺寸精度、综合机械性能等方面尚难以满足高精度、高表面质量的耐久模具制造要求，且成本高、尺寸规格受限制。以低成本且适于精细加工及多种材料成形的堆积和去除成形技术集成，将是提高直接制模法的实用性、材料适应性和表面精度的有效方法；

(4)快速制模法适合我国国情，具有广阔的应用前景。与高速铣削加工相比，在表面带精细复杂形状和电火花加工难以省去的金属模具制造方面占有优势。要进一步提高快速制模技术的竞争力，必须开发加工数据生成较数控加工数据生成更容易，并能获得所需的尺寸及表面精度材料选择范围广的直接快速制模新方法。

四十六、快速成形技术在模具制造中的应用

蔡咏梅 张科 鞠俭

快速模具制造技术是降低产品开发成本，缩短开发周期的有效手段。本文介绍了基于快速成形技术的快速模具制造方法，着重研究了软模制造中硅胶模及电极制模的工作原理，并结合具体实例介绍其设计步骤、制作工艺及其中的一些关键性技术。

一、引言

近10年来，制造业市场环境发生了巨大的变化，迅速将产品推向市场已成为制造商把握市场先机的重要保障。因此，产品的快速开发技术将成为赢得21世纪制造业市场的关键。

快速成形技术(以下简称RPM)是一种集计算机辅助设计、精密机械、数控激光技术和材料学为一体的新兴技术，它采用离散堆积原理，将所设计物体的CAD模型转化成实物样件。由于RPM采用将三维形体转化为二维平面分层制造的原理，对物体构成复杂性不敏感，因此物体越复杂越能体现它的优越性。

以RPM为技术支撑的快速模具制造RT(Rapid Tooling)也正是为了缩短新产品开发周期，早日向市场推出适销对路的、按客户意图定制的多品种、小批量产品而发展起来的新型制造技术。由于产品开发与制造技术的进步，以及不断追求新颖、奇特、多变的市场消费导向，使得产品(尤其是消费品)的寿命周期越来越短已成为不争的事实。例如，汽车、家电、计算机等产品，采用快速模具制造技术制模，制作周期为传统模具制造的1/3～1/10，生产成本仅为1/3～1/5。所以，工业发达国家已将RPM/RT作为缩短产品开发时间及模具制作周期的重要研究课题和制造业核心技术之一，我国也已开始了快速制造业的研究与开发应用工作。

二、基于RPM的快速模具制造方法

模具是制造业必不可少的手段，其中用得最多的有铸模、注塑模、冲压模和锻模等。传统制作模具的方法是：对木材或金属毛坯进行车、铣、刨、钻、磨、电蚀等加工，得到所需模具的形状和尺寸。这种方法既费时又费钱，特别是汽车、摩托车和家电所需的一些大型模具，往往造价数十万元以上，制作周期长达数月甚至一年。而基于RPM技术的RT直接或间接制作模具，使模具的制造时间大大缩短而成本却大大降低。

1. 用快速成形机直接制作模具

由于一些快速成形机制作的工件有较好的机械强度和稳定性，因此快速成形件可直接用作模具。例如，KINERGY公司ZIPPY快速成形机的制件坚如硬木，可承受200℃高温，经表面处理(如喷涂清漆，高分子材料或金属)后可用作砂型铸造木模、低熔点合金铸造模、试制用注塑模以及熔模铸造的压型。当用作砂形铸造的木模时，它可用来重复制作50～100件砂型。作为蜡模的成型模时，它可用来重复注射100件以上的蜡模。用SLS快速成形机能选择性地融合包裹热塑性粘结剂的金属粉，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。

2.用快速成形件作母模，复制软模具(Soft tooling)

用快速成形件作母模，可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，构成软模具，或先浇注硅橡胶、环氧树脂模(即蜡模的压型)，再浇注蜡模。其中，蜡模可用于熔模铸造，而硅橡胶模、环氧树脂模等可用作试制用注塑模或低熔点合金铸造模。

3.用快速成形件作母模，复制硬模具(Iron tooling)

用快速成形件作母模，或据其复制的软模具，可浇注(或涂覆)石膏、陶瓷、金属基合成材料、金属，构成硬模具(如各种铸造模、注塑模、蜡模的压型、拉伸模)，从而批量生产塑料件或金属件。这种模具有良好的机械加工性能，可进行局部切削加工，以便获得更高的精度，或镶入嵌块、冷却系统、浇注系统等。用金属基合成材料浇注成的蜡模的压型，其模具寿命可达1000～10000件。

4. 用快速成形系统制作电脉冲机床用电极

用快速成型件作母体，通过喷镀或涂覆金属、粉末冶金、精密铸造、浇注石墨粉或特殊研磨，可制作金属电极或石墨电极。

三、基于RPM的快速模具制造的应用

1. 利用硅橡胶模(Silicon Rubber Mold)制作佛头、线圈

硅橡胶有很好的弹性和复制性能，用它来复制模具可不考虑拔模斜度，基本不会影响尺寸精度，而且这种材料有很好的切割性能，用薄片就可容易地将其切开且切面间非常贴合，因此用它来复制模具时可以先不分上下模，整体浇注出软模后，再沿预定的分模面将其切开，取出母模，即可得到上下两个软模。

(1)试验用设备和材料

所用的设备：SPS-600激光快速成形机、HVC-1真空注型机和恒温箱。所用的材料：日产KE-1310ST透明硅橡胶、日产CAT-1310固化剂(浇注时，KE-1310ST与CAT-1310以100：10混合)和PX215真空注型硬制聚氨脂树脂(异氰酸脂，多元醇1∶1混合)。

(2)制模工艺路线

使用 UG、Solid Edge 等软件进行三维实体造型，以STL文件格式保存；将文件输入快速成形机作出制件原型，处理后作为硅橡胶母模；组合模框后将硅橡胶和固化剂的混合物浇注于框中，通过真空脱泡、固化后剖切取出母样即得硅胶模；最后在真空注型机中浇注塑料样件。具体的制模流程如图1所示。

图1 制模工艺路线

(3)制作硅胶模具时的注意事项

对加成型硅橡胶而言，不要在室温下固化，而以40℃～60℃加温固化；分模面的选取一定要注意将外观面朝下，在内观面的合适位置上放置胶棒；如果零件有倒钩，可以在硅胶模上作45°切口，但注意不要割断；在一些树脂不易流满的死角处，一定要做气孔；对不容易进行分模的原型件，可以喷少许离型剂。

此外，对形状复杂(倒钩、斜面很多)，两半模无法满足脱模条件的情况，开模时可以将硅橡胶模具剖开成数块来处理。但要注意，在浇注塑料件的时候合模应精确，否则会因模具的错位或合模不紧而影响浇注品的精度。

(4)应用图例

图2和图3分别是我们制作的佛头和线圈模具的照片。

图2 佛头模具

图3 线圈模具

3. 利用电极(electroforming)快速制造精铸摆杆

注射模等多种模具的型腔常常用电脉冲加工机床(EDM)制作。它是利用导电材料(金属)在液体介质中放电时的电腐蚀现象来对金属材料(型腔)进行加工的，原理如4所示。

图4 电脉冲加工原理图

(1)精铸摆杆制作工艺流程

如图5所示，在此摆杆制作工艺中，电极的制作是关键。我们首先用快速成形机制作出母件，在其表面进行金属喷镀构成铜电极壳体，然后取出电极壳体，在电极壳体的背面注射环氧树脂，用电极固定座与电极壳体连接构成铜电极。这样，精铸摆杆电极就制作完成了。

图5 摆杆制作工艺流程

（2)注意事项

1)这种方法由于通过电极的电流较大会产生大量的热，如果散热不够好，镀层和母体易分离，导致电极镀层畸变、破裂，加剧损耗。为此，可在电极中设置相应的冷却道，或在靠近镀层处放入金属嵌块来改善导热。
2)在电脉冲加工过程中，电极与被加工表面之间的间隙应适中。过大，极间电压不能击穿极间介质，从而不能产生火花放电，过小，容易短路。
3)加工工件必须放在较高绝缘强度的液体介质中进行。通常采用泵和过滤器使工作液循环过滤。
4)精加工电极表面应尽可能光洁，以便减少模腔表面的后处理工作量。

(3)应用图例

如图6所示，从左向右依次为SLA快速原型件、上半形状电极及模具、下半形状电极及模具、蜡模。

图6 剪毛机摆杆

四、结束语

从上面的论述中可以看出，快速成型技术及以其为基础的快速制模技术在企业新产品开发中起着重要作用。它可以极大缩短新产品的开发周期，降低开发阶段的成本，避免开发风险。在21世纪，新产品的快速开发成为企业生存与发展命脉时，该项技术必将得到广泛应用与发展。

四十七、基于MCT运动控制器的快速成型机数控系统研究

清华大学 魏大忠 徐健 吴任东

摘要：数控系统的合理性和可靠性是保证机床加工精度和稳定性的前提，快速成形是一种基于离散/堆积成型的快速制造工艺，对数控系统体系结构和软件有着特殊的要求。剖析了快速成形的工艺特点，提出以国产新型MCT运动控制器为控制系统核心、工业控制机为系统支撑单元的双CPU开放式数控系统，并介绍了该数控系统的功能和硬件、软件实现方法。通过该数控系统在快速成形机上的应用证明，该系统满足了快速成形技术对数控系统的要求。

关键词：MCT；数控系统；快速成型机

1　前言

快速成型技术是当今制造业的一种全新敏捷制造技术，集激光、机械、CAD/CAM、CNC技术于一体，采用离散/堆积成型的快速制造工艺，使计算机中的几何模型直接转化为三维立体原型。这种技术克服了传统加工工艺的缺陷，为制造业的发展开创了新的道路。因此，快速成型技术在世界范围内发展相当迅速。

快速成形技术是一种离散/堆积的加工技术，其控制系统具有以下主要特点：

1)三维CAD模型及其数据处理，系统要具有大数据量STL(StereoLithography)文件网络传输、STL文件切片、STL文件剖分与拼接以及网格划分自适应等功能；

2)加工速度快，加工进给速度30m/min以上

3)STL文件切片得到的平面轮廓信息是由微小线段组成，要求控制系统具有高速高精度插补和轮廓控制。因此必须对快速成形控制系统的体系结构和软件设计加以分析和研究。

2　控制系统结构

模块开放式数控系统是当今数控系统的发展方向。多CPU开放式数控系统实现的主要途径是数控系统的PC化，PC化有三种途径：1)在PC机上添加数控模块；2)在数控系统上添加PC模块；3)以软件文件的形式来管理数控程序，其中把CNC模块插入PC机中是PC化的一种主要方式。由于快速成形数控系统涉及到复杂的三维切片处理、用户信息处理、数据加工友好的用户界面，要求主控机强大的处理能力。所以在研制快速成型数控系统的过程中，下位机采用了国产MCT运动控制器，上位机采用工控机这样的两级结构，并进行了模块化的硬件设计和基于ｗinｄoｗs环境下的多线程软件开发，研制的快速成型数控系统易扩展、速度快、运行可靠、容错能力强。

2.1　MCT系列运动控制器介绍

MCT系列运动控制器是深圳摩信科技有限公司的产品，控制器CPU采用美国TITMS320C 3140MHz DSP。它可以通过ISA或PCI标准总线或USＢ高速接口与主控机相连接，可以提供2～8轴的高速、高精度伺服控制，每轴的伺服刷新周期为10μs，主控机可以采用任何PC系列微机。

2.2　数控系统硬件结构和工作原理

由以上分析可知，快速成形机的数控系统是一个两极控制系统：第一级采用MCT8000F4四轴运动控制器，构成数控系统的控制中心，负责完成各运动轴的开闭环控制、隔离开关量输入/输出、模拟量输入/输出、高精度位置计数、温度控制接口，受管理级计算机传送的加工数据、并向管理级计算机反馈控制信息。第二级采用工业控制机(IPC)，负责整个CNC系统的集中管理，负责动态仿真、实时切片、键盘管理、信息处理、参数设置和显示，并向下一级发送数据和控制命令。

工控机上的CPU和MCT控制器上的的TITMS320C31DSP构成主从式双微处理器结构，两个微处理器各自实现相应的功能。数控系统的结构原理图如图1所示。

图1　数控系统结构原理图

Motion数控卡与一般数控卡的区别是下位机程序是开放的，数控系统软件分为下位机软件和上位机软件两部分，需要用户编制底层的下位机程序，下位机软件的主要功能是接受上位机的指令、插补运算、位置控制、速度控制、IO状态控制等实时任务，上位机软件应该具有如下几种功能：接受测高、测温等实时信息输入；加工过程的实时动态仿真；加工参数存储以及掉电保护；动态过程模拟对工作平台；材料处理单元的多种方式控制；接受标准的分层软件以及数控代码生成等数据处理功能；故障诊断、报警功能；与下位机实时数据通讯功能。用户可以根据自己具体的数控要求并结合Motion控制器的特点编写执行效率最优的数控程序。工作时，上位机首先将程序文件下载给下位机(MCT运动控制器)后，下位机自动开始运行。在下位机运行过程中，上位机不能修改下位机程序代码。

在这种上下位机通讯的控制模式下，数控系统的好坏与否的关键在于主机和下位机的数据通讯顺利进行。

MCT运动控制器与主机之间的通讯可以采取两种方式，一种是总线通讯方式，另一种是利用DPRAM进行数据通讯，总线通讯方式是指主机到指定的地址寻找MCT运动控制器，其中指定的地址由MCT上的跳线决定。通过DPRAM通讯是指上下位机在指定的内存单元去读取和更改程序数据。通过DPRAM可以实现在程序的运行过程中，实时读取控制器的运行状态和参数。由于通过DPRAM进行数据存取不需要经过通讯口发送命令和等待响应，所以所需的时间少的多，响应的速度也就快得多。Motion数控卡在地址60000H处有128Ｋ字的零等待状态SRAM，数控程序主要通过共享该内存而交换数据。具体来说，上位机通过共享内存传递数据，下位机程序读取共享内存的数据来执行运动。所以这个共享内存是分成两个区：程序区和数据区。程序区用来存放下位机程序，而数据区才是真正的共享内存，即数据交换区。它们之间的大小可以通过下位机程序产生.cmｄ文件自由分配。其中PRAM为程序区标示，SRAM0为数据区标示，org为起始地址，leg为内存长度。用户可以更改org和leg后面的数值来分配程序区和数据区。因此，基于Motion数控卡的控制软件结构就与大多数数控系统的结构有所不同。

/ Sectional locationin to memory /
MEMORY
{
ROM：org=0ｘ0len=0ｘ1000 / INTERNAL4KROM /
VECTORS：org=0ｘ808fcllen=0ｘ3f / VECTORSINSRAM /
RAM0：org=0ｘ809800len=0ｘ400 / RAMBlock0 /
RAM1：org=0ｘ809c00len=0ｘ3cl / RAMBLOCK1 /
PRAM：org=0ｘ61000len=0ｘ10000 / EXTERNALRAMforPROG /
SRAM0：org=0ｘ71000len=0ｘf000 / EXTERNALRAMforDATA /
SRAM1：org=0ｘ80000len=0ｘ80000 / StaticRAM1 /
}
/ SPECIFＹTHESECTIONSALLOCATIOnINTOMEMO RＹ /
图2　.cmｄ文件内存分配定义

3　软件结构

从上论述可知，上位机程序是通过共享内存与下位机程序交换数据，数控软件的结构如图3所示。

图3　MEM200-D控制软件结构图

3.1　数据通讯结构

要顺利高效的传递数据就要定义合理的数据传输的形式。Motion数控卡从地址6000H开始有128Ｋ零等待SRAM。由于下位机程序需要占用一部分内存，所以128Ｋ内存被分配成3块子内存(如图4)：程序区、数据区1和数据区2。将数据区分为两个区的目的是一个区作为加工数据使用时，另一个可以与上位机交换数据，提高效率。

图4　128ＫSRAM分配示意图

一般来说，MEM工艺的路径扫描形式有四种：轮廓、网格、支撑和空程。对于其他的数控系统比如PMAC数控系统或AT6400数控系统，可以把同一层数据(包括轮廓、网格、支撑、空程、速度设置、送丝以及其它工艺信息)生成一个统一的数据文件，把这个下载到数控系统，由数控系统编译和完成工艺动作。而对于Motion数控系统来说，上位机传递给数控系统的是数据，如果把它们混杂在一块是很难处理的。

为了解决这个问题，引入“完整路径”的概念。一条“完整路径”的概念就是Motion数控卡完成一个数据内存扫描的连续数据。它并不区分轮廓、网格、支撑和空程，而把它们统一处理成一条条的“路径”，每条路径通过双缓存的方式存储到数据区1和数据区2。

图5　上位机多线程控制框图

如图5，轮廓环P1-P2-P3-P4-P5-P6-P7-P8-P1、轮廓环P9-P10-P11-P12-P9、网格S1-S2-S3-S4-S5-S7-S9-S11、网格S6-S8和网格S10-S12-S13-S14分别为单独的一条“完整路径”。定义一条“完整路径”的方法是：对于轮廓，一个轮廓环是一条完整的路径；对于网格，连续扫描的网格是一条路径，当需要停止送丝，空程到一条网格时，即开始下一条完整路径；对于支撑，与网格相同。

一条“完整的路径”就是上位机程序的通讯数据包。MEM工艺的分层数据被处理成一条条“完整路径”，每条“完整路径”即通讯数据包，它们被上位机程序以双缓存的方式发送到数据1和数据2，下位机控制程序由于共享数据区1和数据区2，从而完成整个造型过程。

3.2　上位机软件的多线程控制方案

根据快速成形工艺的特点，上位机软件应该具有如下几种功能：接受测高、测温等实时信息输入；加工过程的实时动态仿真；加工参数存储以及掉电保护；动态过程模拟对工作平台；材料处理单元的多种方式控制；接受标准的分层软件以及数控代码生成等数据处理功能；故障诊断、报警功能；与下位机实时数据通讯功能等。将上位机的各种控制功能有序的组织起来，使其能够高效协调工作，是一个数控系统软件设计中的一个难点。本数控系统设计中，用到了ｗinｄoｗs的多线程技术。

线程是ｗindows操作系统的基本调度单元，可以将各控制模块置于独立的线程中。同时，各模块按照任务的紧迫程度，可以分成两大部分，一个是实时控制部分，比如实时监控模块，一个是非实时性控制部分，比如参数设定模块。对于实时控制的模块，放置在操作系统的内核中，作为内核线程运行，对于非实时的控制模块，放在操作系统子系统中，作为应用程序某一进程的一个线程来运行，这些模块的响应需要经过ｗinｄoｗs的消息排队，响应的速度会满一些，但是非实时的控制模块主要的起一些辅助的控制作用，所以仍能满足控制要求。

在上位机软件控制系统的各个模块开发好以后，按照各模块的控制要求的紧迫程度进行优先级的规划，然后开发一个基于系统定时器的模块，对整个系统的各个模块进行调度，从而实现整个系统的协调运行，上位机软件的多线程结构如图6所示。

图6　上位机多线程控制框图

4　结束语

快速成形机数控系统的合理性和可靠性直接影响快速成形的精度和稳定性。上述数控系统以通用工业控制机为支撑平台，采用功能强大的运动控制器MCT承担插补计算、位置控制、速度控制等实时任务，实践证明，以工控机为系统支撑单元，MCT运动控制器为控制系统核心的数控系统，满足了快速成型技术对控制系统的要求。

利用该数控系统制造的典型零件如图7所示。

图7　用制造的的典型零件原型

[参考文献]
[1]深圳市摩信科技有限公司.MCT8000F4/8100F4/8200F4系列运动控制器硬件使用手册.2001
[2]深圳市摩信科技有限公司.MCT8000F4/8100F4/8200F4系列运动控制器软件使用手册.2001

作者简介：魏大忠(1977-)，男，清华大学机械工程系博士研究生。       

四十八、快速成型切片数据的优化算法研究

中科院沈阳自动化所 赵吉宾 刘伟军 王越超

摘　要：为了能够顺利地进行STL模型切片轮廓数据的进一步处理，提出了对切片数据进行优化处理的算法。对由于STL模型的缺陷造成切片之后的轮廓信息数据有大量的冗余数据，提出了一种冗余数据的滤除算法；针对切片轮廓的不封闭，给出了有效的修正算法；同时给出了对切片轮廓的内外边界进行自动识别的算法。该算法高效简单，提高了后续的数据处理的效率和成型件的加工质量，改善了零件成型的加工性能。
关键词：快速成型制造；STL文件；数据优化

1　引　言快速成型技术(RapidPrototypingTechnology)是一种基于离散堆积成型思想的新型成形技术[1]，自80年代产生以来得到了迅速的发展。由于其具有生产的敏捷性、制造技术的高度集成化以及适合于制造几乎任何形状等的优点广泛应用于机械、电子、汽车、玩具、通讯、航空航天等领域。其基本制造原理为：将CAD模型在计算机内用切片软件沿Z方向切片离散，得到一系列具有一定厚度的薄片，然后激光束(或紫外光束)在计算机的控制下在二维的切片层面上固化或粘结某一区域，从而形成零件实体的一个层面，随后再同样固化下一个层面，如此反复，逐渐堆积便形成一个三维零件。快速成形技术根据制造工艺的不同可以分为：叠层实体制造(LOM)、选择形激光烧结(SLS)、光固化法(SL)、熔融沉积制造法(FDM)、三维立体印刷法(TDP)等。

STL文件是CAD实体数据模型经三角化网格化处理后的数据文件，是用许多空间三角形小平面逼近原CAD实体模型，因为STL文件格式简单而且不需要复杂的CAD系统支持，现在已经发展成为CAD系统与快速成型系统之间数据交换格式的不成文标准。尽管STL文件在快速成型领域有着极其广泛的应用，但是其缺点也是十分明显的，例如缺少三角面片之间的拓扑信息，而且还会有裂缝、间隙、面片重叠和法向量反转的错误[2]。由于STL文件所固有的缺陷，使得切片之后得到的轮廓信息有大量的冗余数据，甚至会产生轮廓线不封闭等错误。如果我们不对这些冗余数据和错误不加以处理，就很难进行以后光斑的半径补偿等以后数据处理，影响零件加工的稳定性和加工效率，甚至不能成型正确的零件形状。因此对截面轮廓数据进行优化处理就显得十分的必要。

2　切片轮廓数据的特性

STL文件用许多空间小三角形来表示零件的表面，对每一个空间小三角形面片用三角形的三个顶点的坐标及三角形面片的法向量来描述，法向量由零件的内部指向外部，三角形三个顶点的次序与法向量满足右手规则。

STL文件中每相邻的两个三角形只能有一条公共边。STL文件有两种格式，一种是ASCII格式，另一种是二进制格式。ASCII格式的STL文件具有可读性，但占用较大的空间，大约是二进制STL文件的五倍。

ASCII格式的STL文件结构如下：

solid ASCII　　　　　　　　　　　//ASCII为文件名
facet normal nx ny nz//三角形面片的法向量
　　outer loop
　　　　vertex V1xV1yV1z//顶点V1的坐标
　　　　vertex V2xV2yV2z//顶点V2的坐标
　　　　vertex V3xV3yV3z//顶点V3的坐标
　　end loop
end facet

在快速成型技术中，对模型的切片过程实际上就是一个平面和平面求交的过程，也就是由平行于XOY的一系列平行平面和组成模型的三角面片求交的过程。实际上这个过程也可以认为是直线和平面的求交，即组成三角形面片的三条边和平行于XOY平面的求交。在这个过程中，首先选取切片平面(z=zi)，然后在STL文件中搜索与这个Z平面相交的所有三角面片，记录下这样的一个个交点，假如STL文件没有错误的话，就会得到一系列Z值不相同的封闭的截面轮廓多边形。

STL切片之后的截面轮廓信息是指由一系列有序点集，顺序连接构成的多个折线。其中第i条折线的点集为：

Vi={v1，v2，…，vn}其中n为点数。

它们必须符合三条规则：

1这条折线应该是简单的封闭的，构成一个多边形。不应该存在自相交和不封闭的情况，自相交的情况很少出现，本文只对比较常见的轮廓不封闭给出了相应的算法。

2vn是足以描述这条折线的最少的点。其中不应该存在多余的数据点，本文对于冗余点的去除提出了一种有效的算法。

3切片之后得到多条封闭的折线形成的截面多边形组成实体区域的边界，必须对这些边界识别并进行方向性处理，其正向规定为：沿封闭折线前进时，区域总保持在左侧，如图1所示。

图1　轮廓区域边界的方向

3　轮廓信息错误的修正算法

3.1　错误的轮廓信息

由于CAD系统的计算精度以及网格化功能的漏洞等问题，会造成由CAD模型向STL模型转化时，在大曲率曲面的交界处会出现孔洞等缺陷，这些缺陷的存在会导致切片后截面轮廓的不封闭。在实际的切片过程中，首先对STL文件建立邻接关系的链表[3]，每一个小三角形面片都有三个邻接的三角形面片，当在某个层面切片时，先随机地找到要切的第一个三角形，然后寻找这个三角形的邻接三角形，找到的三角形如果在切片范围内，那么朝向这个方向进行切片，每切一个三角形都是通过他的邻接三角形进行下一个切片，直到回到第一个被切的三角形。如果STL文件有孔洞，那么在孔洞周边的小三角形就会只有两个甚至只有一个邻接三角形。在这种情况下，切片过程不会回到第一个被切的三角形，结果一条轮廓线被分成两段甚至几段。

如图2所示，在某个层面进行切片时，由于孔洞，造成的不封闭，程序中将其强制闭合的情况。

图2　不封闭截面轮廓的强制闭合

3.2　错误轮廓信息的修正算法

作者把切片得到的轮廓数据存放在循环链表中，如果同一截面有多个轮廓，它们每一个轮廓环用一个链表，尽管一条轮廓环可能由于错误被分成了几段。下面为链表的数据结构。

链表的头节点为：

struct Head
{
floatLayHeight；　　//该层轮廓的高度
boolInOrOut；//内外环标志，外环为0
boolHaveBug；//错误标志，轮廓有错为1
DataPoint*Pointer；//指针　
}

数据节点为：

struct DataPoint
{
floatXdata，Ydata；//数据点的x，y坐标
boolHaveGap；//断点标志
DataPoint*Pointer；//指针
}

在本文中，如果轮廓不封闭，在头节点置错误标志；在断开处，置数据节点的断点标志。如图3所示截面轮廓不闭合，同一轮廓被分成了两段轮廓线AB和AC，其轮廓信息数据都存放在同一个链表中，但是两段轮廓线的走向可能不相同。断开点之间的距离一般十分接近，所以可以比较容易地将断开点连接上。

图3　不封闭的截面轮廓及其修正

对于轮廓数据不封闭的修正算法具体步骤为：

(1)调入轮廓信息的链表，检查头节点的错误标志，如果该链表没有错，调入新的链表；如果链表有错，进入(2)。
(2)搜索链表各个节点的断点标志，找出所有断开点。
(3)计算各个断开点之间的距离，连接距离较近的断开点，并且修正各段轮廓线的方向。如图3(a)所示，一个有错的切片轮廓没有将其强制闭合的情况，图3(b)为修正后的结果。

4　轮廓信息冗余数据的滤除算法

4.1　轮廓信息冗余数据分析

由于STL文件格式本身的特点，使得切片之后得到的截面轮廓信息有大量的冗余数据，这些冗余数据的存在，不仅影响以后的信息处理，如光斑的半径补偿[4]；而且影响最后对零件的加工，如对一条直线多次进行插补，造成加工过程不稳定，效率低下。

STL文件的粗糙程度与产生STL时CAD系统指定的毗邻误差有关，当STL模型的毗邻误差较小时，用来近似零件表面的三角形面片数目较多，当STL模型的毗邻误差较大时，用来近似零件表面的三角形面片数目较少。轮廓信息就是用一系列平行于XOY平面的截平面去截交STL模型，得到的STL模型在某个平面上截面的内外轮廓环。在进行零件加工时，激光或者其他的光源在扫描截面实体部分时，为了使零件更加光滑，减小粗糙度，还要进行截面轮廓型的扫描。而当STL模型的精度较高时，切片得到的轮廓环会有大量的细碎线段。同时在同一条直线段上还会存在多个数据点，以及在同一个数据点上有多个重合点的存在。如图4所示，截交平面L1在切STL模型时在靠近顶点V1处，得到几段相当短小的线段；截交平面L2在切STL模型是刚好经过顶点V2，在得到的轮廓信息中就会存在几个坐标完全相同的数据；截交平面L3在切STL模型时，由于小三角面F1、F2和F3在同一个平面上，在得到的轮廓信息中，直线段T1T4，还会存在冗余顶点数据T2和T3。

图4　轮廓信息冗余数据的产生

在轮廓信息中的微小线段，在当前的快速成型系统的精度下，根本无法插补加工，可以去除这些数据；重合点和同一条直线段的多余点的数据，应该剔除。

4.2　算法原理

为了有效地去除冗余数据，本文中将轮廓信息中的直线段作为矢量处理，通过计算矢量积模的方法去除冗余数据。如图5所示，通过计算下式：

实际上是计算三角形APB的面积，如果下式：

|S|≤ ，( 为定义的误差范围)。(2)

成立，则可以去掉点A。

图5　冗余数据的去除方法

当满足公式(2)时，因为取值很小，所以|PA|、|PB和sin∠APB中至少有一个值很小，此时，A点为重合点或者PAB在同一条直线上，也有可能三角形PAB十分微小，以至于小于加工精度，可以将A点去除。

如果只使用上述算法中的公式(2)判断进行去除冗余数据时，如果遇到下面的情况时可能会产生错误。如图6a，b所示，ABCDE之间的距离相当近，首先计算三角形PAB的面积，满足公式(2)，删除点A。同样，随后BCD相继被删除，最后只剩下E点，以PE代替PABCDE，这样多次累计，可能造成较大的误差。

图6　多个重合点删除的情况

综合上面提到的情况作者提出了相应的算法，由于本文将轮廓信息数据存放在循环链表中，对于删除操作的执行效率较高。

Step1：判断三角形APB的面积是否满足公式(2)，如果满足，进入Step2，否则转向Step4
Step2：计算三角形APB的面积是否等于零，如果等于零，直接删除A点，转向Step4，否则进入Step3。
Step3：计算线段AB的长度，如果AB小于设定的值δ(即AB为微小线段)，再计算BC的长度，如果BC小于δ，继续计算接下来的线段的长度，直到E点，删除BCD点；如果AB小于δ，删除A点。
Step4：调入新的轮廓信息数据，转向Step1。
Step5：到达头节点，结束。

5　截面轮廓内外边界的自动识别

在STL模型切片之后，得到的是一系列截面轮廓多边形，在每一个截面上，可能有多个轮廓多边形，这些轮廓多边形可能是实体的内边界也可能是实体的外边界，有的可能含有多个外边界和内边界[5]，为了随后的数据处理能够顺利进行，必须将这些截面轮廓的内外边界进行识别，并使轮廓数据遵循外边界逆时针、内边界顺时针的规则。基于STL模型的切片轮廓边界所具有的特点，本文提出一种简单的内外边界识别算法。

定义。轮廓多边形的特征点是指在多边形的所有顶点中，x坐标值最大而y坐标值相对较小的那个顶点。

由定义可知，多边形的特征点可定时多边形的凸顶点，通过特征点可以判断轮廓多边形的走向。如图7所示，Vi为多边形的特征点，是凸顶点，可通过计算Vi点邻近的两条边的矢量积，来判断多边形为顺时针还是逆时针。

　　s=Vi-1Vi×ViVi+1(3)

如果s大于零，则该多边形为逆时针(如图7(a)所示)，如果s小于零，则该多边形为顺时针(如图7(b)所示)。

图7　轮廓多边形走向的判别方法

内外边界识别的详细算法描述如下：

Step1：搜索截面的所有轮廓多边形的x坐标的极大值点、极小值点和y坐标的极大值点、极小值点，这些点所在的多边形一定为外边界，并对这些多边形作外边界标志。

Step2：取余下未作标志的一个多边形，找到特征点，从该点起沿x轴正向作射线，求此射线与所有多边形的交点个数，若交点个数为奇数，则此多边形为内边界，并作内边界标志，若交点个数为偶数，则此多边形为外边界，并作外边界标志；

Step3：判断是否还有未作边界标志的多边形，若有，则转Step2。

Step4：查找轮廓多边形的特征点，根据公式(2)判断多边形的走向，如果为内边界，则将多边形走向改为顺时针，如为外边界将其改为逆时针。

Step5：直到所有多边形判别完毕，自动识别结束。

算法首先要找出轮廓极限点与各多边形的特征点，然后利用其位置的特殊性识别出一些内外边界，当然，该识别算法的时间复杂度与截面轮廓中多边形的个数和边数有关。该算法是一个通用的算法，适合于截面轮廓含有一个或多个内外边界的情况。

6　结　论

(1)本文所述截面轮廓的错误修正算法，对于截面轮廓不封闭的情况，能够较好的进行修正。
(2)通过对截面轮廓信息冗余数据的滤除，提高了后续的数据处理的速度，在不失掉加工精度的情况下，提高加工的稳定性和效率。
(3)通过利用截面的轮廓极限点和各多边形的特征点快速地识别出实体截面轮廓的内外边界，为快速成形技术中激光光斑半径的实时自动补偿提供了必要的前提条件。本文的算法已经应用到紫外光固化快速成型系统中，实践证明，效果较为理想。

附中文参考文献：

3蔡小康.智能化的快速成形切片算法[J].中国机械工程，1997，8(5)：49-51.
4刘　斌，肖跃加，韩　明.LOM技术中激光光斑半径的自动补偿算法[J].华中理工大学学报，1996，24(10)：26-29.
5刘　斌，肖跃加等.实体截面轮廓内外边界的自动识别算法[J].华中理工大学学报，1996，24(10)：23-25.

四十九、基于RP的快速制造技术

西安交通大学 卢秉恒 唐一平 王平

摘要 本文介绍了基于快速原型制造的集成制造系统，介绍了系统的几个主要技术组成部分，即快速原型、快速模具制造、快速反求工程及基于INTERNET网的RP远程制造服务。文章介绍了RP/RT技术在国内外的发展现状、经济效益及对增强企业产品开发能力的重要作用。
关键词 快速成型 快速模具制造 反求工程 远程制造

科技的进步、信息时代的到来、人们消费的个性化，导致市场的快速多变。只有具备对市场迅速响应能力的企业，才能生存发展。快速原型（Rapid Prototyping）快速模具（Rapid Tooling）快速反求工程（Reverse Engineering）在信息互联网（Internet）支持下，便形成一套快速响应制造的系统技术，可以给企业带来一种加快产品开发，迅速响应市场的能力。

集成RP&M的技术构成如下：

1. 快速原型制造(RP)

在计算机控制下,CAD数据驱动制作出来的模型比图纸和计算机屏幕提供了一个信息更丰富、更直观的实体。国际统计资料表明，RP原型中1/3被用来作为可视化的手段，用于评估设计、协助设计模具，沟通设计者与制造商及工程投标，1/3被用来进行试装配和性能试验，如空气动力学试验、光弹应力分析等，1/4以上用于协助完成模具制造。

原型制造的另一个重要应用领域是医疗。它用于制作教学或手术参考的模型，或帮助制造假肢，用于外科修复。

速原型制造技术按成型材料及技术不同，主要发展了光固化法（SL），粉末烧结法（SLS），熔堆法（FDM），层迭法（LOM），三维打印法（3DP），逐层固化法（SGC）等。截止96年，全世界已安装了望200多台成型机，97年的销售超过了1000台，预计98年将又有1500台成型机投入工作。目前，SL成型机的总销售量为最大，约占50%。FDM机的销售比例有所上升，概念机异军突起，呈现了高速上升的趋势。概念机主要以价位低为特征（一般5-9万美元/台），其生成原型的强度、精度均较差，主要用于验证设计概念、培训人才，大有成为CAD的一个终端机的趋势。

我国华中理工大学、隆源公司、清华大学、西安交通大学已分别开发出LOM、SLS、FDM及SL成型机。西安交通大学今年下半年将推出普及型成型机，相应于国外的概念机,售价在30万元以内,使用成本将降为SL机的1/10。

2. 快速模具制造技术（RT）

这一技术是用高新制造技术改造传统技术的成功范例。它包括用硅橡胶、金属粉环氧树脂粉、低熔点合金等方法将RP原型准确复制成模具，这些简易模具的寿命是50-1000件，适宜产品试制阶段。

对制造长寿命的钢制模具，一个成熟的工艺是RP原型® 三维砂轮研磨 整体石墨电极

电火花钢模。这一工艺的特点在于RP原型及振动研磨法，它避开了CNC加工，节约了CNC编程及加工时间。一个中等大小，较为复杂的电极一般4-8小时即可完成，复形精度也较高。这一工艺对制造注塑模、锻模、压铸模等型腔模均较适合。

运用RP/RT技术比传统的数控加工制造模具，周期缩短为1/3-1/10，费用降低为1/3-1/5。由于RT的显著经济效益，近年来，工业界对RT的研究开发投入了日益增多的人力和资金，因而，RT的收益也获得了巨大的增长。据SME统计，四年来，RT服务的收益年增长率均高于RP系统销售，如96年比95年增长62.7%,而RP设备销售额的增长为42.6%。

建立以RP/RT设备为主导的服务机构，为大批中小企业服务，已成为非常看好的行业。迄今为止，全球已建立了近300家服务机构。96年底，其总收入达2.864亿美元，占RP&M行业收入的58.2%。

RP/RT服务机构在开创阶段，往往规模很小，仅一台RP系统、一台CAD工作站、不到10名职工，以RP原型制作为主。近年来，由于服务机构的良好效益，服务机构规模日益扩大，出现了一批具有相当规模的RP/RT企业。如日本的ARRK创业网络公司，有15个店面。日本Compression公司有8个店面、240名员工、16套RP系统、36台CNC加工中心、15台注塑机、65台工作站。美国一家有雇员210名、28台RP设备（20台SL机、6台SLS机、2台FDM机）、16台CNC加工中心、5台电火花机床、12台注塑机。服务机构的业务范围扩展到硅橡胶软模、蜡芯、铸件、电极及各类模具。大部分服务机构还保持在20人左右的规模。

深圳殷华公司，固定资产投资1000多万元，建立了以SLA机、石墨电极成型机、硅橡胶成型机为主的服务中心，已开始有良好效益。

目前国内已有设计及成套提供RP&M服务中心所需要的设备、材料和技术的能力，将大大节约投资和运行费用，因而将使服务中心获得更良好的效益。

3. 快速精铸（Quick Casting）

由RP方法可以提供蜡芯原型（FDM法、SLS法）或几乎可完全气化的光敏树脂原型，故可用失蜡铸造或消失法铸造，铸出精密铸件。用陶瓷型铸造工艺，可铸出粗糙度达6.4m 的精密铸件。也可以直接用RP工艺制造出压制蜡芯的树脂模具，以经济地铸造出小批量铸件。为了减少消失法铸造产生过多的气体，RP原型可制成中空结构，中空部分还可以加以蜂窝状支撑，以增强RP原型刚度。由于RP原型可以很容易附加上冷却管道等结构，由RP原型甚至可以直接作为注塑模，制造出少量塑料件，以供产品开发阶段使用。

RP与QC相结合，就为产品开发期的金属件需求提供了一个快速响应技术。尤其对航天、航空、兵器等领域,复杂形状零件非常适用。

4. 快速反求工程（Rapid Reverse Engineering）

尽管已经出现了许多成功的三维CAD商用软件，如UG、Pro/E、I-Deas、 Solid Works等，但运用这些软件建立一个复杂的零件模型，还是相当费时的工作。有时工程界提供的往往是实物，需要由实物制造模具或在它的基础上作出设计上的改进。快速检测及三维CAD重构技术提供了由实物直接获得CAD模型的途径。检测的方法一种是CMM（三座标测量机）方法，CMM法检测精度高，但较慢，有时还必须事先知道曲面形状，以编制CNC检测程序。一种是激光扫描法，它采用光刀法或振镜法实现每个截面的扫描，用CCD传感器摄像，获得密集的数据。这种方法的精度稍差，目前可达0.05mm。另一缺点是有光学上的死点，对零件的内表面无能为力。第三种方法是层切法。这是RP生长成型的逆过程。它用充填剂将零件内外封装起来，用铣刀一层层铣出截面来，CCD摄象获得截层数据，精度可达到0.02mm，可以满足工程所需的精度要求。有了测量数据，还需要三维重构软件来建立CAD模型。三维重构软件的功能是精化海量数据，找出曲面的交界点及特征点，使数据与CAD软件合理匹配。最后通过调用CAD软件，自动获得CAD模型。目前，国内西安交通大学在开发此项技术。

用这一技术输入复杂零件的设计信息比人工利用CAD软件输入要快得多，一般较复杂的中小零件，几个小时即可完成，而CAD软件人工输入往往要数天才能完成，同时也大大降低了对人员的技术水平要求。

5. RP的远程制造服务

信息技术的发展缩短了用户与制造商之间的距离，同时也改变了制造业的面貌。利用INTERNET网的远程设计，远程制造服务形成了敏捷制造系统（AM）。由于RP制造只需要CAD的STL格式数据，这是目前商用CAD软件都具备的，而不涉及到数控加工的CAM/CAPP编程问题，所以可以非常方便地提供RP远程制造服务。为此，西安交通大学受全国机械制造工艺协会快速成型制造分会之托，已建立了中国RP&M网络站点，为我国RP制造商，RP技术应用服务中心，科研院所及广大用户提供信息服务，这使我国RP&M技术的发展和应用推广开始就有一个高的起点，有一个高技术的环境。同时，信息网可以使我国有限的制造资源得到充分发挥，使用户的需求得到最快的响应。中国RP&M信息网络中心将在沟通用户与RP应用服务中心方面发挥积极作用。

6. 集成的快速响应制造系统

CAD、RP、RT、RRE、QC诸技术集成，可以形成一个闭环的集成的快速制造系统。

与传统的机械加工方法相比，该系统在以下几个环节上大大缩短了工期，提高了质量：

1．CAD® RP的数据转换是自动的不依赖加工设备，没有传统加工的CAPP、CAM编程环节,节约了工期,降低了对人员的技术要求。

2．RRE形成一个快速建造CAD模型的系统，比人工输入零件住处节约了许多时间。

3．闭环制造，可以在CAD中修改模型，以补偿各工艺环节无法避免的误差，也可以用CAE软件预测误差，在CAD中预选补偿。

闭环制造的另一优越性是可以通过CAE测量和预修正，达到一次制造成功，避免设计® 试制® 修改多次反复造成的时间和财力的浪费。

7. 应用实例

西安交通大学利用自行开发的LPS-600激光快速成型机、石墨电极成形机及快速模具制造技术，为工业界开展了服务。以下提供几个案例，供参考。

1) 显示器偏转线圈隔离器

彩虹彩管厂在开发电视机新品种时,需要一种新型隔离器。因为零件特别复杂，必须用模具才可制造，需花费数十万元、数月时间，但在新产品开发阶段，这一投资是有风险的。

采用RP技术制作，由CAD设计数据，仅用10个小时就完成了原型制作。在另一种型号的隔离器的仿制中采用了CT测量截面数据，用CAD重构，构造了线圈密贴的曲面，CAD软件平台是Pro-E。

2) 汽车空调器叶轮与支架

某汽车空调器厂设计了新型空调器，支架是用于固定电机的，上面有固定叶片。叶轮是动叶片，装配于电机轴上。用LPS-600A制作，两个件共用了24小时。用RP原型直接装配上电机，即装在汽车上试车。经试验觉得风力不够，将叶片数由8个增加到12个，24小时又制作出一副新的支架及叶轮，交付试车，大大缩短了新产品开发周期。

3) 洁具艺术把手

艺术家提供了洁具表面艺术雕花造型，为了形成投标用样品，先用CAD设计了内型功能结构，用RP制作出内型原型，采用了硅橡胶方法复制出模具。用硅橡胶模浇注树脂样品，经电镀后，完成了投标用样品，以此获得了数十万美元的定货。

4) 多媒体彩电罩壳

新型25寸彩电其外型作了较大改变，但内部安装尺寸必须满足已有电视器件的配合要求，用Pro-E软件完成了设计，在LPS-600A机器上对前壳制作了RP原型，耗时79小时。由于经过RP样件的试作，大大减少了模具的风险。这种罩壳的多媒体电视已经面市。

5) 人像注塑模

对艺术家的石膏造型，采用硅橡胶软模过渡，使造型得到完整复制，然后用硅橡胶模具制作三维砂轮，在西安交通大学开发的石墨电极成形机GET-500上利用振动研磨法研磨出整体石墨电极，用电火花加工出钢模型腔。比传统制造电极方法大大节约了时间和费用，同时艺术家的思想得到了充分的保留。

我国制造业面临着巨大的挑战，企业是否具备迅速响应市场的能力已成为生死存亡的关键。只有具备快速产品开发能力，才能抓住市场机遇，才能通过快速的循环不断改善质量，占领市场。统计数据表明，最早上市的几家公司，往往占据市场80%以上份额。以往衡量制造技术的三大要素：质量、成本、生产率，已被新的T（时间）、Q（质量）、C（价格）、S（服务）所代替，响应时间已成为第一要素。我国机电产品在世界市场上缺乏竞争能力，主要是缺少名牌产品及企业新产品开发能力薄弱。目前国际机电产品的开发周期一般为3-6个月,产品技术寿命一般为2年,而我国机电产品开发周期一般为2年.名牌产品的形成有多种因素，但主要是质量、功能，而高性能、优质的名牌产品往往要经历多次的设计、研制、评价改进、市场多次反复循环，每一循环都涉及到新的零件制造及模具制造。模具制造是制约我国汽车、家电、轻工等行业发展的瓶颈和关键。我国每年需进口模具达8亿美元，主要是复杂、精密模具。而RP&M可以大大节约这方面的时间和费用，对我国企业提高竞争能力有关键性的作用。因此，RP&M技术在今后制造业世界竞争中将起到越来越重要的作用。

五十、基于RP技术的快速模具制造

蒲玉兴 刘劲松

快速原型技术(Rapid Prototyping，简称RP)于1988年诞生于美国，迅速扩展到欧洲和日本，并于九十年代初期引进我国。快速原型技术(RP)是采用材料累加思想，快速制造产品原型的新型综合技术，已广泛应用于机械、汽车、电器、航天航空、军工等几乎所有的工业领域，开创了模具快速制造的新时代，发展前景广阔。

一、快速成形—先进的现代制造技术

传统的切削加工是不断地去除毛坯上的多余材料而得到制件，而RP技术是采用基于材料累积制造的思想，把三维立体看成是无数平行的、具有不同形状的层面的叠加，能快速制造出产晶原型。快速原型制造技术(RP)将计算机辅助设计(CAD)、辅助制造(CAM)、计算机辅助控制(CHC)、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓，激光选择性的切割一层层的纸(或固化一层层的液态树脂、烧结一层层的粉末材料或热喷头选择快速地熔覆一层层的塑料或选择性地向粉末材料喷射一层层粘结剂等)，形成各截面轮廓并逐步叠加成三维产品。目前，它已成为现代制造业的支柱技术，是实现并行工程、集成制造技术和技术开发的必不可少的手段之一。

用于快速原型制造的材料有：液态光敏树脂、粉末材料、热塑性材料和薄片材料等。快速原型制造按成形材料及技术的不同，发展了立体光刻造型法(SL)、粉末烧结法(SIS)、熔化凝结法(FDM)、薄层材料制造法(LOM)、三维印刷法(3DP)、逐层固化法(SGC)。

与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：

(1)可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。
(2)属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。　
(3)无振动、噪声和切削废料。
(4)可实现夜间完全自动化生产。
(5)加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。

二、RP技术在我国的发展

国内RP研究起步是在1991年左右，北京隆源快速成形公司、清华大学、西安交通大学、南京航空航天大学、华中理工大学、上海交通大学、华北工学院等单位在成型理论、工艺、设备、材料、软件开发等方面做了大量的研究工作。有些单位已开发出商品化、能做出复杂原型的RP系统。在基于快速成形技术的快速制造模具方面：上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统，为汽车行业制造了多种模具；隆源公司的ＲＰ服务中心也为企业制作了多种精密铸模；华中理工大学研究出了一种复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和铸铁模块。此外，国内的家电行业在快速成形系统的应用上，也走在了国内前列。如广东的美的、华宝、科龙、江苏的春兰、小天鹅、青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。正在深圳、天津等地建立一批向企业提供快速成型技术的服务机构。

三、快速原型技术在模具制造中的应用

3.1　快速制模铸造

将需铸零件的CAD模型转换为快速模壳制造，按模壳每层截面的几何形状生成陶瓷模壳然后按快速熔模铸造方法即可快速制造金属零件。此外，可将快速原型技术制作生成的样件作为铸造模具的原模，实现零件的快速铸造，其过程为：零件CAD三维设计→计算流体动力学分析(CFD)→LOM模型制造→熔模铸造金属零件。

3.2　快速模具制造

传统的模具制造方法周期长、成本高，一套简单的塑料注塑模具其价值也在10万元以上。设计上的任何失误反映到模具上都会造成不可挽回的损失。快速原型技术可精确制作模具的型心和型腔，也可直接用于注射过程制作塑料样件，以便发现和纠正出现的错误。

美国爱达荷国家工程与环境试验中心采用快速凝固工艺即RSP技术实现了注塑模具的快速经济制造。该方法采用快速原型技术制作的样件作为母体样板，通过喷涂到母体样板的金属或合金熔滴的沉积制造模具。其工艺过程为：熔融的工具钢或其它合金被压入喷嘴，与高速流动的隋性气体相遇而形成直径约0.05mm的雾状熔滴，喷向并沉积到母体样板上，复制出母样的表面结构形状，借助脱模剂使沉积形成的钢制母样使用的材料取决于喷涂其上的合金材料。对于喷涂工具钢来说，可选用陶瓷材料，类似材料还有铝氧粉和氧化锆可供选择。该方法制作精度高(喷涂工具钢时最小表面涂层可达0.038mm，制造精度可达±0.025mm～±0.05mm)、时间短(普通模具一周之内即可成型)、造价低(一般为传统模具制造费用的1/2～1/10)。

3.3　快速铸造模具

以聚碳酸脂为材料，用SLS快速制出母型，并在母体表面制出陶瓷壳型，焙烧后用铝或工具钢在壳内进行铸造，即得到模具的型心和型腔。该方法制作周期不超过4周，制造的模具可生产250000个塑料制品。

3.4基于RP法的快速模具制造实例与效果

1.汽车刹车钳体精铸母模的激光快速成型加工

汽车工业中很多形状复杂的零部件均由精铸直接制得，如何高精度、高效率、低成也制造这些精铸件的母模是汽车制造业中的一个重要问题，采用传统的木模工手工制作，对于面形状复杂的母模，不但效率低、精度低，难以满足生产需要。采用数控加工中心制作，则成本太高。

采用快速成型技术中的熔融沉积制造工艺制造汽车复杂零部精铸用模，成本低，效率高能够满足生产需要。

工艺过程：首先根据汽车刹车钳体精铸母模的二维图纸，采用Pro-E三维实体建模软件，建立其三维实体CAD模型，然后再采用Lark'98系统对CAD模型进行数据处理和工艺规划，最后采用FDM工艺制得汽车刹车钳体精铸母模。

1995年8月，采用FDM工艺制造了奥迪轿车刹车钳体精铸母模的RP原型，整体支撑效果很理想，一个完整的包围盒起了很好的保温作用。原型尺寸精度高、尺寸稳定不变形、表面光洁度好、线条流畅，其精度完全达到并超过了精铸母模质量验收标准，并铸出了金属制件，取得了明显的阶段性成果，有力地支持了高级轿车国产作。

2.采用RP／RT技术制作大型汽车覆盖件模具

传统的大型汽车模具制造方法是首先通过铸造获得型坯，然后通过机加工的方法对型坯进行加工来保证模具的尺寸，传统的模具加工方法的缺点为：制造周期长，成本高，降低模具开发的周期和成本成为急待解决的问题。

快速模具制造(RT工艺)是一种新型的工艺，RT工艺方法之一是通过快速原型制造(RP工艺)获得原型，通过无焙烧陶瓷型技术将原型转换为陶瓷型，再进行精密铸造获得尺寸精度较高、表面光洁度良好的铸件，经抛光处理后即得到所制造的模具。

清华大学激光快速成型中心与一汽集团，一汽模具技术有限公司合作采用RP／RT技术制作大型汽车覆盖件模具，制作步骤如下：

(1)用Pro／E造型软件做出CAD模型

应用MARC非线性有限元分析软件对铸件的凝固过程的尺寸精度进行有限元分析，修改CAD模型。

(2)LOM工艺制造模具凸凹模工作部分的原型，在殷华公司M-RPMS—II型设备上，应用LOM分层实体制造工艺，采用YHCP-1004涂敷纸，完成模具凸凹模的原型制作，其余部分由砂型制造。

(3)凸凹模工作部分的原型采用M-RPMS-Ⅱ型多功能快速成型机制作，轮廓扫描速度为300mm／s，网格直线速度为500mm／s，二氧化碳激光器功率为35W，采用YHCP-1004涂覆纸，热压温度为90℃，纸和胶层的总厚度为0.1-1mm。

(4)利用无焙烧陶瓷转换技术将模具的凸、凹模原型转换为陶瓷型，陶瓷型凝固时间为8-10分钟，表面粗糙度Ra0.8-3.2。

(5)采用陶瓷型精密铸造与消失模铸造技术相结合的方法制造凸、凹模(包括工作部分和其他部分)。

(6)对铸造得到的模具进行简单的抛光、打磨，获得所需的模具。

北京殷华激光成型及模具有限公司采用RP／RT技术完成了大型汽车覆盖件模具的凸凹模制作，这是一个试验用板料冲压模具，它的成功开辟了一条大型覆盖件模具制造的新路。

四、结语

快速原型技术是20世纪80年代中期发展起来的高新技术，RPM的主要技术特征是成型的快捷性。运用RPM技术能自动、快速、精确地将设计思想转变成一定功能的产品原型或直接制造零件，这对缩短产品开发周期、减少产品开发费用，提高企业竞争力有重要作用。

五十一、快速原型制造技术的发展和应用  李开佛

发展概况

十几年前兴起的快速原型制造（RP，Rapid Prototyping）技术，与传统的去除型加工不同，乃是一种基于离散/堆积原理的“生长型”加工，也称为分层叠加成形。所谓离散/堆积原理，是指在计算机的管理与控制下，先将CAD模型离散成一层层截面轮廓信息，然後在RP成形设备上依次制造出各个片层并逐层粘结成一体，从而堆积出三维实体制件。显而易见，RP是在零件CAD模型的驱动下快速制造出任意复杂形状实体的技术。它不需要传统的多坐标数控机床、刀具和夹具，一般只需传统加工方法30%~50%的工时和20%~35%的成本，就能把体现设计思想的CAD模型转化为物理实体，从而可以有效地缩短开发周期，提高企业的竞争力。

不过，RP工艺极大地依赖于材料本身的特性，所处理的材料既要首先能够满足离散/堆积成形的特殊要求，又要能进行後处理和成形後具有必要功能，因此RP工艺所擅长处理的材料目前只限于树脂、蜡、某些工程塑料和纸等几类，与制造领域广泛使用的金属等高强度材料尚有距离，故以往多用于产品开发过程制造物理原型件，也就是说RP最初是作为复杂形状构件原型的成形方法出现的，故称之为“快速原型制造”。

图1　用RP技术制作的原型件（图为吸尘器件）

如果进一步细分，物理原型件（图1）又可分为概念原型和功能原型两类。概念原型主要是展示制品的立体形态和结构，供人多角度观察和用手触摸，比计算机上的虚拟原型具有更强的真实感。它不仅有助于激发设计者的创新火花，还能促进设计部门与其它部门和客户进行深入交流。功能原型则不仅要给人提供视觉和触觉反馈，而且还可以进行装配检查（现在有的概念原型也有此要求）以及承受传热、流体力学等性能实验。

事实上，RP技术并没有仅仅停留在制作原型上，经过十几年的发展，国外相继推出了一些直接成形金属材料的RP系统，并开始实际用于快速制作金属模具乃至金属零件。与此同时，RP技术也已能快速制作在实际产品中使用的功能性塑料（比如聚碳酸脂）零件。由此可见，RP技术已经具有了制造最终产品的功能，从而表明它的内涵正从快速原型制造向快速制造（RM，Rapid Manufacturing）方向发展。

以母模为基础来制造各种模具，速度快、成本低，但母模特别是形状复杂的母模获取不易，而RP技术很易将体现设计构思的CAD模型变为非金属材料的母模，为快速制模（RT，Rapid Tooling）技术注入了新的活力，RP与RT的结合（RP+RT）是快速原型技术应用领域最重要的扩展。除此之外，人们也正将RP技术应用于微纳米制造领域。

RP技术不只在制造业的应用方兴未艾，在生物医学领域的应用也充满生机。不仅根据CT扫描或MRI磁共振数据快速制作的人体器官实体模型可以帮助医生进行诊断和确定治疗方案，而且借助RP技术制作的人体假肢还能与结合部位实现最大程度的吻合。近几年国内外更是热衷于研究将生物材料快速成形为人工器官的课题，其中人工骨的研究已取得可喜的成果。例如中国清华大学采用喷射方法，将生物材料在低温环境下堆积成形，制成多孔大段人工骨的细胞载体框架，经动物实验证明该框架能有效降解。有专家甚至说，虽然RP技术最初出现在制造行业，但它最激动人心的应用将是在生物医学领域。

最近几年，RP设备的拥有量快速增长。据Wohlers Associates, Inc发布的全球RP设备拥有量数据：1999年为5449台、2000年为6755台、2001年略多于8000台（在2001年的拥有量中，美国占42.8%、日本占18.7%、德国占9.3%、中国占4.7%名列世界第四）、2002年为9000多台，2003年的拥有量数据虽然尚未获得，但估计有可能接近或达到11,000台，最近四年全球RP设备的拥有量增加了约一倍。另一方面，与因特网结合的专业化RP服务机构正蓬勃发展，通过网络为客户进行离线或交互式在线服务，深受中小企业的欢迎，其业务量不断增加。所有这些，都表明RP技术正进入加速发展阶段，其应用将越来越普及。

RP的工作流程及主要工艺方法

图2　RP工作流程示意

如图2所示，RP的工作流程大致分为三个阶段：


前处理。这个阶段除通过造型软件或反求工程构造三维CAD模型外，通常还需对三维模型进行近似处理。常用的近似处理方法是用一系列的小三角形平面来逼近自由曲面，生成所谓STL格式文件。目前正研究开发与使用不经近似处理直接对三维CAD模型切片的软件，以消除由于STL格式的转换过程而产生的数据缺陷和轮廓失真。


在RP设备上快速成形。首先用配置在RP设备上的切片软件沿成形制件的高度方向每隔一定距离（多为0.1mm）从CAD模型上依次截取平面轮廓信息，随後RP设备上的激光头或喷射头在数控装置的控制下按截面轮廓信息相对于X-Y平面工作台运动，进行选择性激光扫描（实现固化、切割或烧结）或者进行选择性喷射（喷射热熔材料或粘结剂），以物理或化学方法逐层成形并相互粘结（每成形一层工作台便下移一个切片厚度），这样一层层堆积便构成三维实体制件。


後处理。为改善制件的性能，往往需要进行後处理，比如在纸质制件的表面涂覆一层金属、陶瓷或高分子材料，以提高制件表面的机械强度、耐磨性和防潮性等。

RP的成形工艺方法据报道有几十种之多，但大体可以分为如图2所示的基于激光和基于喷射的两大类，现简介其中几种常用的工艺方法：

激光立体造型（SLA，Stereolithgraphy Apparatus）。它是用紫外激光按切片软件截取的层面轮廓信息对液态光敏树脂逐点扫描，被扫描区的液态树脂发生聚合反应形成一薄层的固态实体。一层固化完毕後工作台下移一个切片厚度再固化新的一层树脂，并层层相互粘结堆积出一个三维固体制件。SLA法成形精度较高，制件结构清晰且表面光滑，但韧性较差，设备投资较多，更适合制作结构复杂和精细的制件。其中光固化树脂材料是研究热点之一，DMS Somos能提供成形件强度很高的新型光固化树脂。

分层实体制造（LOM，Laminated Object Manufacturing）。它常以单面涂有热溶胶的纸为原料，激光按切片软件截取的分层轮廓信息切割工作台上的纸，成形一层平面轮廓（轮廓以外部分也用激光切成网格状以便制件成形後清除）。当一层平面轮廓成形後工作台便下降一个纸厚，其後新送到工作台的一层纸通过热压装置与下一层已成形的纸粘合在一起，再次进行激光切割，如此反覆便叠加出三维实体制件。这种方法成形速度较快也较经济，但精度特别是细微结构精度不高，比较适合成形实体制件。现正将LOM工艺扩展用于金属箔材和陶瓷箔材。

图3　选择性激光烧结（SLS）工作情况示意

选择性激光烧结（SLS，Selective Laser Sintering）。如图3所示，它是控制红外激光按分层轮廓信息以一定速度和能量密度对已均匀地铺在加工平面上的粉末（塑料、蜡、覆膜陶瓷或金属及其复合物粉末）材料进行扫描，激光扫描所到之处粉末被烧结成固体片层（未扫描到的地方仍是可对後一层进行支撑的松散粉末）。其後，确定加工平面高度的成形活塞下移一个片层厚度，而供粉活塞则相应上移，铺粉滚筒再次将加工平面上的粉末铺平，激光再烧结出新一层轮廓并粘结于前一层上，如此反覆便堆积出三维实体制件。

SLS是当今RP直接成形金属零件和模具的主要方法，其中较为成熟的工艺有美国DTM公司的Rapid Tool和德国EOS公司的Direct Tool。Rapid Tool工艺是烧结包覆有粘结剂的钢粉，粉末被激光扫描到的地方包覆的粘结剂受热融化将钢粉粘结在一起形成片层，随後再形成新的固体片层并一层层叠加成形出约有45%孔隙率的制件，最後放入真空炉中使青铜渗入45%的孔隙中而制成结构密实的金属零件或模具。Direct Tool工艺所烧结的是内中混入了低熔点金属的基体金属（钢等）粉末，烧结过程中低熔点金属向基体金属粉末中渗透使其间隙增大，所产生的体积膨胀恰好等于基体金属粉末烧结时的收缩，使最终收缩率几乎为零，从而解决了金属粉末烧结凝固收缩难题。

熔融沉积成形（FDM，Fused Deposition Modeling）。它是将热熔性丝材（ABS丝等）由供丝机构送至喷头，并在喷头中被加热至临界半流动状态，而喷头则按截面轮廓信息移动，喷头在移动过程中所喷出的半流动材料沉积固化为一个薄层。其後工作台下降一个切片厚度再沉积固化出另一新的薄层，如此一层层成形且相互粘结便堆积出三维实体制件。FDM设备价格较低，成形件韧性也较好，适合制作薄壁壳体原型件。如用性能更好的PC和PPSF代替ABS，可制作最终塑料产品。

基于喷射的RP技术，除了FDM外，常用的还有用喷头选择性喷射粘结剂使粉末材料粘结成形的三维打印（3DP或TDP），或者让喷头选择性喷洒热塑性材料的喷墨式等多种类型。基于喷射的RP工艺装备，目前常采用多喷嘴阵列扫描手段，这样不仅可提高成形效率，而且可以用不同的喷嘴喷出不同的颜色甚至不同的材料，从而有可能制作出由多种材料构成的复杂器件。此外，基于喷射的RP工艺装备，价格相对便宜，噪声低、污染小，很适合放在办公室内使用，甚至可以做成与微机相连的桌面系统，近期市场上也推出了以制造概念原型为目标的、基于喷射的RP设备，比如美国Z-Corp推出的采用3DP工艺的Z400单色机和Z406彩色机。

当今的RP设备除了按工艺方法分类外，也可按制作目标进行分类。除上述以制作原型特别是概念原型件为目标的概念型RP设备外，还正在发展以生产最终功能零件（模具）为目标的生产型RP设备。此外，尚有专门应用于生物医学领域的专用型RP设备。

基于RP的快速制模技术

模具是现代工业生产最重要的工艺装备，而且模具形状复杂又属单件生产，最好能借助RP技术由模具（零件反型）的CAD模型直接制作金属模具，但其工艺目前尚不十分成熟。因此当前更多的还是以RP制作的非金属原型件为母模，结合传统的制造方法来间接快速制作模具。

图4　以RP技术为基础快速制作的模具（图为高尔夫球头模具）

用RP技术直接制作金属模具是当前研究开发的热点，现仅介绍其中两类工艺：


金属粉末烧结成形。这就是用SLS法将金属粉末直接烧结成模具，比较成熟的工艺仍是上文所说的DTM公司的Rapid Tool和EOS公司的Direct Tool。德国EOS公司在Direct Tool工艺的基础上推出所谓直接金属激光烧结（DMLS，Direct Metal Laser Sintering）系统，所使用的材料为新型钢基粉末，这种粉末的颗粒很细，烧结的叠层厚度可小至20µm，因而烧结出的制件精度和表面质量都较好，制件密度为钢的95%~99%，现已实际用于制造注塑模和压铸模等模具，经过短时间的微粒喷丸处理便可使用。如果模具精度要求很高，可在烧结成形後再进行高速精铣。


金属薄（箔）材叠层成形。这是LOM法的进一步发展，其材料不是纸而是金属（钢、铝等）薄材。它是用激光切割或高速铣削的方法制造出层面轮廓，再经由焊接或粘结叠加为三维金属制件，比如日本先用激光将两面涂敷低熔点合金之0.2mm厚度的薄钢板切割成层面轮廓，再逐层互焊成为钢模具。金属薄材毕竟厚度不会太小，台阶效应明显，如材料为薄膜便可使成形精度得到改进。一种缩写为CAM-LEM的RP工艺，就是用粘结剂粘结金属或陶瓷薄膜，再用激光切割轮廓或分割块，制出的半成品还需放在炉中烧结，使其达到理论密度的99%，同时引起18%的收缩。

基于RP技术的间接快速制模法，可以根据所要求模具寿命的不同，结合不同的传统制造方法来实现。对于寿命要求不超过500件的模具，可使用以RP原型作母模、再浇注液态环氧树脂与其它材料（如金属粉）的复合物而快速制成的环氧树脂模。若是仅仅生产20件~50件的注塑模，还可以使用由硅胶铸模法（以RP原型件为母模）制作的硅橡胶模具。

对于寿命要求在几百件至几千件（上限为3000件~5000件）的模具，则常使用由金属喷涂法或电铸法制成的金属模壳。金属喷涂法是在RP原型上喷涂低熔点金属或合金（如用电弧喷涂Zn-Al伪合金），待沉积到一定厚度形成金属薄壳後，再背衬别的材料并去掉原型便得到所需的型腔模具。电铸法与此类似，不过它不是用喷涂而是用电化学方法通过电解液将金属（镍、铜）沉积到RP原型上形成金属壳，所制成的模具寿命比金属喷涂法更长，但其成形速度慢，且非金属原型表面尚需经过导电预处理才能电铸。

对于寿命要求为成千上万件（3000件以上）的硬质模具，主要是钢模具，常用RP技术快速制作石墨电极或铜电极，再通过电火花加工法制造出钢模具。比如以RP原型件作母模，翻制由环氧树脂与碳化硅混合物构成整体研磨模（研磨轮），再在专用的研磨机上研磨出整体石墨电极。

实践表明，RP技术与精密铸造相结合，是快速生产单件小批金属零件的有效方法。最常见的是RP技术与熔模精铸相结合，即用RP制作的原型件作母模，或者由原型件翻制的软质模具所生产的蜡模作母模，再借助传统的熔模铸造工艺来生产金属零件。此外，以覆膜砂为原料，用SLS法按模具（零件反型）CAD模型也可直接烧结出铸造用的砂型型壳，再通过铸造工艺生产出结构复杂的金属零件。

结语

正如上文所说，由于RP技术独特和高度柔性的制造原理及其在产品开发过程中所起的作用，已越来越受到制造厂商和科技界人士的重视。其应用也正从原型制造向最终产品制造方向发展，特别是RP与RT技术的结合，已取得较明显的成果。但是，RP技术本身目前的发展水平，也还存在一些局限性。比如：

成形精度不高。影响RP成形精度的因素很多，它既包括前处理（数据格式转换）与後处理（含与环境和时间相关的制件尺寸变化）所引起的误差，更因为成形过程自身伴随着材料的相变和温度变化，是一个复杂的热力学过程，其尺寸控制远比机械加工困难，所以目前RP技术所能达到的最佳尺寸精度大概在±0.1mm左右。而且成形速度与成形精度之间还存在矛盾，为提高成形精度而减少切片层厚会降低成形效率。由于精度不够，目前RP技术尚难于制造精度较高的最终产品，一般只能作为一种准净成形（Near Net Shape）技术。

处理工艺成熟的材料范围有限。前文已经提到，目前比较成熟的RP工艺所处理的材料大概只限于树脂、蜡、某些工程塑料和纸等几种。用这些材料制成的零件，即使经过後处理也大多不能作为真正的机械零件使用。而以金属材料作为RP的处理对象来直接生产金属零件和模具的工艺尚不十分成熟，如何提高直接金属成形件的尺寸精度、表面质量和机械性能并降低成本，尚有许多工作要做。

设备投资大、材料费用高。RP工艺的研发成本高，这种研发成本必定转移到相应的工艺装备上去，加之RP设备属小批生产，因而其价格居高不下，即使是相对便宜的概念型RP设备，其价格也不太低（五、六万美元）。此外，RP工艺对材料有特殊要求，其专用成形材料价格相对偏高。设备和材料的价格也影响了RP技术的普及应用。

尽管现阶段RP所擅长处理的材料、成形精度与速度、价格等方面还存在一些问题，但随着其理论研究和实际应用不断向纵深发展，这些问题将得到不同程度的解决。可以预期，未来的RP技术将会更加充满活力。