D打印即RP介绍

第一部分引言
RP（Rapid Prototyping）即快速原型技术，又RPM(Rapid prototyping Manufacturing )快速原型制造是20世纪80年代才兴起的一门新兴的技术，是21世纪制造业最具影响的技术之一。

随着计算机与网络技术的发展，信息高速公路加快了科技传播的速度，产品的生命周期越来越短，企业之间的竞争不再只是质量和成本上的竞争，而更重要的是产品上市时间的竞争。

因此，通过计算机仿真和快速原型增加产品的信息量，以便更快的完成设计及其制造过程，将产品设计和制造过程的时间周期尽量缩短，防止投产后发现问题造成不可挽回的损失。

快速成型技术是由CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状的三维实体的
技术总称。

简单的讲，快速原型制造技术就是快速制造新产品首版样件的技术，它可以在没有任何刀具、模具及工装夹具的情况下，快速直接的实现零件的单件生产。

该技术突破了制造业的传统模式，特别适合于新产品的开发、单件或少批量产品试制等。

它是机械工程、计算机CAD、电子技术、数控技术、激光技术、材料科学等多学科相互渗透与交叉的产物。

它可快速，准确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或零件，以便进行快速评估，修改及功能测试，从而大大缩短产品的研制周期，减少开发费用，加快新产品推向市场的进程。

自从美国3D公司在1987年推出世界上第一台商用快速原形制造设备以来，快速原形技术快速发展。

投入的研究经费大幅增加，技术成果丰硕。

原形化系统产品的销量高速增长。

在这方面美国，日本一直处于领先地位，我国在这方面起步较晚，但是奋起直追，开展研究并取得一定成果，国内也有些成熟的产品问世，他们正在各种生产领域上发挥着作用。

第二部分RP技术的介绍
2.1快速原型系统的工作原理和制造工艺
快速原型技术是一种逐层制造技术，它采用离散/堆积成型原理，其过程是：先得到所需零件的计算机三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，将原来的三维模型变成二维平面信息，即离散过程；再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码；在微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地连续加工出每个薄层，并使它们自动粘接而成型，从而制造出所需产品的实物样件或成品，这就是材料的堆积过程。

已知自由曲面CAD模型，如果使用传统的方法和数控机床进行加工，那么复杂的自由曲面，成本高，效率低。

近年来，快速原型即广泛的被运用于工业生产中。

各种快速原型技术的过程都包括CAD模型建立、生成STL文件格式、快速原型制作、模型分层切片和后置处理五个步骤，其制造过程如图1所示。

1）
以美国3DSYSTEMS,并形成垄断市场。

其工作原理如图2所示。

由激光器发出的紫外光,经光学系统汇集成一支细光束,该光束在计算机控制下,有选择的扫描液体光敏树脂表面,利用光敏树脂遇紫外光
凝固的机理,一层一层固化光敏树脂,每固化一层后,工作台下降一精确距离, 并按新一层表面几何信息使激光扫描器对液面进行扫描,使新一层树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上,如此反复,直至制作生成零件实体模型。

激光立体造型制造精度目前可达±0.1ｍｍ,主要用作为产品提供样品和实验
模型。

此外,日本的帝人制机开发的SOLIFORM可直接制作注射成型模具和真空注塑模具。

图2 激光固化树脂法的原理图
2）纸张叠层造型法。

纸张叠层造型法目前以HELISYS公司开发的LOM装置应用最广。

该装置采用专用滚筒纸,由加热辊筒使纸张加热联接,然后用激光将纸切断,待加热辊筒自动离开后,再由激光将纸张裁切成层面要求形状,如图3所示。

图3 纸张叠层造型法原理图
3）熔融造型法熔融造型法（FDM）。

以美国STRATASYS公司开发的产品FDM(FUSED DEPOSITION MODELLING)应用最为广泛。

工作时,直接由计算机控制喷头挤出热塑材料并按照层面几何信息逐层由下而上制作出实体模型。

ＦＤＭ技术的最大特点是速度快(一般模型仅需几小时即可成型)、无污染,在原型开发和精铸蜡模等方面得到广泛应用。

FDM生产可选成型材料种类较多，原材料费用低，因而的到广泛的应用。

但是FDM 也有其固有的缺点。

精度低，热融制造中很难控制精度，难以制造结构复杂的构件，且材料的制造是处于熔点附近，因而构件的强度小，也不适合
制造大型的制件，这些特点都限制了FDM的应用范围。

4）热可塑造型法（SLS）。

以DTM公司开发的选择性激光烧结即
SLS(SELECTIVE LASER SINTERING)应用较多。

该方法是用ＣＯ2激光熔融烧结树脂粉末的方式制作样件。

工作时,由ＣＯ2激光器发出的光束在计算机控制下,根据几何形体各层横截面的几何信息对材料粉末进行扫描,激光扫描处粉
末熔化并凝固在一起。

然后,铺上一层新粉末,再用激光扫描烧结,如此反复,
直至制成所需样件。

如图3所示。

2.2快速原型制造的优点
快速原型技术的加工特点快速原型技术突破了“毛坯→切削→加工品”传统的零件加工模式,开创了不用刀具制作零件的先河,是一种利用的薄层叠加
的加工方法。

与传统的切削加工方法相比,快速原型加工至少具有以下优点:
1)可迅速制造出具有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，这些利用传统工艺很难加工的,从而大大降低了新产品的开发成本和开发周期。

在时间尤其重要的今天，它可以为企业节省大量的研发时间。

2)它属于非接触加工,不需要切削加工所必需的刀具和夹具,无刀具磨损
和切削力影响。

只需要一套特定的设备，工序简单，没有传统加工的烦琐的工序。

传统的加工中每一个工序都需要机床等复杂加工设备，且加工过程复杂，对操作人员的技术要求很高。

3)无振动、噪声和切削废料。

可以为企业节省宝贵的试制原料，简化生产。

传统的制造中由于多是机械制造，噪音较大。

且加工时边角料多。

造成资源的浪费。

4)可实现完全自动化生产。

操作可以由电脑控制，无需人的过多干预。

真正实现了自动化。

5)加工效率高,能快速制作出产品实体模型及模具。

精度高，生产的产品质量好。

快速原型技术在产品开发中的关键作用和重要意义是很明显的，它不受复杂形状的限制，可迅速地将示于计算机屏幕上的设计变为进一步评估的实物。

根据原型，可对设计的正确性、造型的合理性、可装配性和干涉性，进行具体的检验。

通过原型的检验可使开发产品中的风险减到最底的限度。

第三部分RP技术的应用
快速原型制造的技术实现快速模具制造是目前颇受制造部门关注的一个技术。

在模具的研制过程中样件的设计和加工是重要环节之一。

与数控加工相比，快速原型制造技术可以更快更方便的制造出各种复杂的原型。

将快速原型制作的样件用于模具制造，一般可使模具制造的成本和周期减少一半，显著提高生产效率。

间接用快速原型样件实现快速模具制造的方法一般有硅胶模、环氧树脂模、金属冷喷涂等。

由于锻造方法常用来制造形状很复杂的零件，所以快速原型与传统的锻造方法相结合，可解决传统铸造加工困难的瓶颈问题。

近年来快速原型已经应用的非常广泛，除上述与传统的模具制造相结合实现复杂零件的快速制造外，还广泛应用于医疗、汽车制造等领域。

快速原型技术对模具制造业的影响非同凡响，所以到目前为止快速原型技术主要还是应用于加工、制造领域。

但随着医疗技术的发展，快速原型技术也大量的应用于手术的术前论证，大大提高了手术的成功率，特别是各种骨科手术。

3.1 快速原型制造在模具制造中的应用
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。

快速原型制造将需铸零件的CAD模型转换为STL文件,在用纸张叠层制造机按模壳每层截面的几何形状生成纸张模壳，然后按模具铸造方法即可快速制造金属零件。

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。

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。

如图4所示。

图4 采用ＲＰ技术的产品开发流程图
可以利用快速原形技术快速的将零部件从设计转向实际模拟图形而不必必须经过生产。

可以用CAD制图软件设计出零件的三维图，也可以用三维扫描仪由实物直接扫描出实物的数据然后进行修改。