| 一、现代成形学相关理论 n根据现代成形学的观点，从物质的组织方式上可把成形方式分为以下四类： ¨去除成形 ¨受迫成形 ¨堆积成形 ¨生长成形 现代成形学-去除成形 n运用分离的方法，把一部分材料有序地从基体上分离出去而成形的方法 n传统的车、铣、刨、磨、钻、电火花加工、激光切割等都属于去除成形。是目前最主要的成形方式 现代成形学-受迫成形 n利用材料的可成形性在特定的外界约束（边界约束或外力约束）下成形 n传统的锻压、铸造、粉末冶金等都属于受迫成形。多用于毛坯制造。但也有直接用于最终零件成形，精密铸造、精密锻造属净成形或近净成形现代成形学-堆积成形 n把材料（气、液、固相）有序地堆积起来的成形 n焊接、RP属于堆积成形（先离散再堆积），是近净成形工艺 现代成形学-生长成形 n利用材料的活性进行成形的方法 n自然界中的生物（植物、动物）个体发育均属于生长成形。这是最高层次的成形方法 ¨ 特例：CLONE 技术 n1997 年2 月，苏格兰科学家克隆了绵羊“ 多利” n 据称，2002 年12 月世界上第一个通过克隆技术孕育的婴儿降生 二、快速原型的基本概念 nAMT（Advanced Manufacturing Technology） 先进制造技术是以计算机技术为支柱，综合应用信息、材料、能源、环保等高新技术及现代管理技术与产品设计、加工、生产管理和产品销售等制造全过程的制造技术的总称 ¨CIMS、FMS、IMS、CE、LP等等 nRP（Rapid Prototyping） ¨快速原型（又称“快速成形”、“自由成形”等） ¨RP∈AMT，是先进制造技术领域的一朵“奇葩” 。它彻底地改变了“制造”的理念 1.“快速原型”的定义 nRP技术是由CAD模型直接驱动，快速制造任意复杂形状的 三维物理实体的技术 ¨一本书可以看成由若干页纸（二维薄片）组成的立方体（三维实体） ¨自然界的任何一个物体均由细小的原子、分子组成 nRP的原理 ¨“离散/堆积”的基本原理 n通过“离散”三维数字模型，获得材料堆积的路径、限制和方式 n依据“离散”所得的数据 “堆积”材料，制造三维实体 RP的基本原理 n离散/堆积原理 快速原型与快速制造 n快速制造着眼于产品制造的“快速”性 ¨高速切削（HSM） nRP 实现了CAD 与CAM 的无缝集成，极大地改善了由CAD 到CAM 过程中， CAPP 技术的瓶颈问题 ¨ 从RP 的众多的称谓来体会“RP的内涵” RP曾经的几种不同称谓
——从某个侧面反映“快速原型”的内涵 n无需专用的工装夹具、模具 ¨自由成形制造（FFF，Free Form Fabrication） ¨实体自由成形制造（SFF，Solid Free form Fabrication） n快速成形基本指导思想 ¨离散/堆积制造（DAM， Discretization Accumulation Manufacturing） n层作为堆积单元 ¨分层制造（LM，Layered Manufacturing） RP曾经的几种不同称谓
——从某个侧面反映“快速原形”的内涵 n材料堆积 ¨增材制造（MIM，Material Increase Manufacturing） nCAD直接驱动 ¨直接CAD制造（ DCM，Direct CAD Manufacturing ） n快速响应性 ¨即时制造（IM，Instant Manufacturing） 2.快速原型技术的特点 n高度柔性 ¨CAD模型直接驱动，真正的数字化制造 n高度集成 ¨计算机、CAD、激光、数控、材料等现代高新技术的高度集成 n快速性 ¨从CAD数字模型到物理原型或零件的生成，仅需数小时或数十个小时，是传统制造的1/3~1/5 n降维制造 ¨2.5维 3.RP的基本工艺过程 3.RP的基本工艺过程 三、RP技术的产生 n市场的需要 ¨产品个性化，刚性趋向柔性 ¨经济全球化，竞争日益激烈 nRP 技术是多学科、多种技术的交叉融合的结果 ¨ 计算机技术（CAD/CAM ） ¨ 数控技术 ¨ 材料技术 ¨ 激光技术 1.社会背景 n20世纪60年代——如何做的更多 n20世纪70年代——如何做的更便宜 n20世纪80年代——如何做的更好 n20世纪90年代——如何做的更快 n21世纪？ 1.社会背景 20世纪80年代，随着制造业全球化趋势的扩大，制造业的竞争日趋激烈，如何能适应市场需求，及时开发和生产适销对路的产品、满足市场需要，成为制造业的重要目标。因此，产品开发速度和制造技术的高度柔性日益成为市场竞争的焦点。 2.技术背景 20世纪80年代以来，计算机技术、传感技术、材料科学、CAD/CAM、CIMS、激光技术以及结构科学的飞速发展与交叉渗透，为快速原型技术（RPT）的发生和发展奠定了坚实的技术基础。 3. RP技术发展历史 n1892年，Blanther[美]在他的专利（＃473 901）中建议用分层制造法制作三维地形图 n1902年，Carlo Baese[美]在他的专利(#774 549) 中提出用光敏聚合物制造塑料件的原理 n1940年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后粘结成三维地图的方法 n20世纪50年代后，出现了几百个有关快速成型技术的专利¡ 3. RP技术发展历史 nZang(1964)、Meyer(1970)和Gaskin(1973)等又提出了一系列轮廓片形成三维地形模型的新方法 n1976年，Paul 在他的美国专利（＃932923）中进一步明确提出，先用轮廓跟踪器将三维物体转化成许多二维轮廓薄片，然后用激光切割使薄片成形，再用螺钉、销钉将一系列薄片连接成三维物体。这是对RP原理最早的完整解释 3. RP技术发展历史 n1979年，日本东京大学的Nakagawa（中川威雄）教授开始采用分层制造技术制作实际的模具，如落料模、压力机成型模和注塑模等 n20世纪80年代末，快速成型技术有了根本性的发展，仅在1986－1998年期间注册的美国专利就有274个。其中最著明的是Charles W.Hull在1986年申请的专利（＃4575330）提出用激光照射液态光敏树脂，从而分层制造三维物体的现代快速成型机的方案 3. RP技术发展历史 n1988年，Charles W. Hull与其合作者生产出了世界上第一台快速成形机¡ª¡ªSLA-1 (液态光敏树脂选择性固化成型机），并卖给3个客户Bater Healthare , Pratt and Whitney和Eastman Kodak ，著名的3D Systems公司成立，开创了快速原型技术工业应用的新纪元 ¨Pratt and Whitney¡ª¡ª普惠，世界三大航空发动机制造商之一 n此后涌现了几十种快速原型工艺及其商业化设备 ¨LOM、FDM、SLS、3DP等等 3. RP技术发展历史 n我国自1991年开始进行有关快速成型技术的研究，很快开发了自主知识产权的SLA、LOM、FDM、SLS四种快速成形设备 ¨SLA工艺——西安交通大学、清华大学 ¨LOM工艺——清华大学、华中科技大学 ¨FDM工艺——清华大学 ¨SLS工艺——华中科技大学、北京隆源公司等 四、快速成形技术的应用领域 n 新产品的设计与开发 n 快速 工/ 模具制造 n 试验分析模型 n 生物医学和组织工程 n 与美学有关的各工程 领域 1.新产品的设计与开发 nRP原型可直接用于模拟性能测试、模拟装配实验和生产可行性评估 n采用RPT进行新产品开发，可减少产品开发成本30~70%，减少开发时间50%。 ¨1994年，Pratt and Whitney公司生产了2000件RP铸件，成本在60~70万美元，传统方法则需700万美元；同时，节省时间70~90% 4.生物医学应用 骨缺损修复 5.与美学有关的各工程 领域 nRPT对一切有美学需求的设计，如轿车、桥梁、雕塑等是一种重要工具，它可以将设计者的构思迅速表达成三维实体，便于设计修改和在创作。此外，RPT在文物、艺术品复制或复原等方面具有相当的优势和应用前景。 MEM工艺制作的工艺品 分层实体造型（SSM） MEM工艺制作的人脸 6.RP与RE（Reverse Engineering） RE-反求(逆向)工程 重构空调外壳3D模型 五、发展现状 n快速原型技术已渡过技术热情期，步入初成熟期的RP发展，RPM行业向新方向发展 ¨1997年世界装机为3289台 ¨2003年底全世界已有近11000多台快速成形系统投入使用 ¨2005年，快速原型设备材料生产商全球的年销售额己超过10亿美元 n美国 ¨3D Systems：Thermojet ¨Stratasys： Prodigy FDM Titan ¨Z-Corp：Z400，Z406 ¨美国密歇根大学：POM ¨MTS System Corp： LAM ¨Michigen的Solidica, Inc. 铝型 五、快速成型技术存在的问题 n制件精度 ¨ 数学误差 nSTL 转换、降维制造、材料的尺寸变化 ¨ 材料引起的误差 n 收缩、挠曲 n有限的材料种类 ¨ 还不能直接制造金属零件 n有限的制件力学性能 六、RP发展方向 nRP从原型制造向零件制造方向发展 ¨Hull 提出的概念是将RP 作为一种复杂原型的成形方法出现，服务于设计领域、测试、装配等方面—— 间接制造手段 ¨ 随着人们对离散/ 堆积制造思想理解的深入和技术手段的进步，个性化小批量生产的进一步发展，人们已看到RP 作为生产功能零件，直接金属零件的巨大潜能 n金属材料的快速成型 ¨ 金属目前仍然是工业和国际上的主要材料，其成形问题是科学和工业界最关注的问题之一 |
