快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用(第3版)第一章 概論

第一章概論快速成型與快速模具制造技術(shù)

及其應(yīng)用主要簡(jiǎn)述RP技術(shù)的基本概念、基本原理、加工制造過程以及當(dāng)今的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)?？焖俪尚图夹g(shù)產(chǎn)生的背景—全球制造戰(zhàn)略的變遷全球制造業(yè)企業(yè)的整體發(fā)展戰(zhàn)略已經(jīng)從上世紀(jì)60年代“如何做的更多”、70年代“如何做的更便宜”、80年代“如何做的更好”發(fā)展到90年代的“如何做的更快”。第一章概論快速成型系統(tǒng)的組成快速成型系統(tǒng)是下面若干先進(jìn)技術(shù)集成的。（1）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)（2）計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)（3）計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)（4）激光（5）精密伺服驅(qū)動(dòng)（6）新材料第一章概論快速成型技術(shù)概念快速成型（也稱快速原型）制造技術(shù)(RapidPrototyping&Manufacturing，RP&M或RP)，是由CAD數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)的通過特定材料采用逐層累積方式制作三維物理模型的先進(jìn)制造技術(shù)。傳統(tǒng)打印機(jī)—2D產(chǎn)品造型產(chǎn)品原型快速成型快速成型技術(shù)—3D第一章概論

與傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上述用途的方法相比，其顯著優(yōu)勢(shì)是：制造周期大大縮短（由幾周、幾個(gè)月縮短為若干個(gè)小時(shí)），成本大大降低。尤其是衍生出來的后續(xù)的基于快速原型的快速模具制造技術(shù)進(jìn)一步發(fā)揮了快速成型制造技術(shù)的優(yōu)越性，可在短期內(nèi)迅速推出滿足用戶需求的一定批量的產(chǎn)品，大幅度降低了新產(chǎn)品開發(fā)研制的成本和投資風(fēng)險(xiǎn)，縮短了新產(chǎn)品研制和投放市場(chǎng)的周期，在小批量、多品種、改型快的現(xiàn)代制造模式下具有強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭?？焖僭偷膬?yōu)勢(shì)快速原型的用途

快速成型技術(shù)制作的原型（模型）可用于新產(chǎn)品的外觀評(píng)估、裝配檢驗(yàn)及功能檢驗(yàn)等，作為樣件可直接替代機(jī)加工或者其他成形工藝制造的單件或小批量的產(chǎn)品，也可用于硅橡膠模具的母?；蛉勰ｈT造的消失型等，從而批量地翻制塑料及金屬零件。第一章概論快速成型的制作過程CAD模型切片離散單層制作逐層累積由傳統(tǒng)的“去除”加工法—部分去除大于工件的毛坯上的材料來得到工件而改變?yōu)槿碌摹霸鲩L”加工法—用一層層的小毛坯逐步疊加成大工件，將復(fù)雜的三維加工分解成簡(jiǎn)單的二維加工的組合。降維制造或增材制造技術(shù)第一章概論快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的早期發(fā)展123快速成型技術(shù)的應(yīng)用4第一章概論快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)51892年，J.E.Blanther在其美國專利中曾建議用疊層的方法來制作地圖模型。該方法指出將地形圖的輪廓線壓印在一系列的蠟片上并沿輪廓線切割蠟片，然后堆疊系列蠟片產(chǎn)生三維地貌圖。1902年，CarloBaese在他的美國專利(#774549)中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，這是現(xiàn)代第一種快速成形技術(shù)—“立體平板印刷術(shù)”(StereoLithography)的初始設(shè)想。1940年，Perera提出了在硬紙板上切割輪廓線，然后將這些紙板粘結(jié)成三維地形圖的方法。1964年，E.E.Zang進(jìn)一步細(xì)化了該方法，建議用透明紙板，且每一塊均帶有詳細(xì)的地貌形態(tài)標(biāo)記，制作地貌圖?？焖俪尚图夹g(shù)的基本原理是基于離散的增長方式成型原型或制品。歷史上這種“增長”制造方式由來已久，其發(fā)展根源可以追朔到早期的地形學(xué)工藝領(lǐng)域。第1節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展1972年，K.Matsubara提出在上述方法中使用光固化材料，將光敏聚合樹脂涂覆到耐火顆粒上形成板層，光線有選擇地投射或掃射到這個(gè)板層，將規(guī)定的部分硬化，沒有掃描或沒有硬化的部分被某種溶劑溶化，用這種方法形成的薄板層隨后不斷地堆積在一起形成模型。1976年，P.L.DiMatteo進(jìn)一步明確地提出，這種堆積技術(shù)能夠用來制造用普通機(jī)加工設(shè)備難以加工的曲面，如螺旋槳、三維凸輪和型腔模具等。在具體實(shí)踐中，通過銑床加工成形沿高度標(biāo)識(shí)的金屬層片，然后通過粘接成疊層狀，采用螺栓和帶錐度的銷釘進(jìn)行連接加固，制作了型腔模，如圖所示。由DiMatteo制作的型腔模疊層模型第1節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展1977年，W.K.Swainson在他的美國專利中提出，通過選擇性的三維光敏聚合物體激光照射直接制造塑料模型工藝，同時(shí)Battelle實(shí)驗(yàn)室的R.E.Schwerzel也進(jìn)行了類似的工作。1979年，日本東京大學(xué)T.Nakagawa教授等開始用薄板技術(shù)制造出實(shí)用的工具，如落料模、成形模和注射模等。其中特別值得一提的是，T.Nakagawa教授提出了注射模中復(fù)雜冷卻通道的制作可以通過這種方式來得以實(shí)現(xiàn)。1981年，H.Kodama首先提出了一套功能感光聚合物快速成型系統(tǒng)，應(yīng)用了三種不同的方法制作疊層。第1節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展第1節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展第1節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展第1節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型系統(tǒng)的開發(fā)商（國外）美國在RP&M系統(tǒng)(設(shè)備)研制、生產(chǎn)、銷售方面占全球主導(dǎo)地位，生產(chǎn)RP&M設(shè)備系統(tǒng)的公司主要有：

3DSystems公司(光固化快速成型設(shè)備)

Stratasys公司(熔融沉積快速成型設(shè)備)

Helisys公司(疊層實(shí)體快速成型設(shè)備)

DTM公司（粉末激光燒結(jié)快速成型設(shè)備）歐洲和日本等國家也不甘落后，紛紛進(jìn)行RP&M技術(shù)、設(shè)備研制等方面的研究工作，如德國的EOS公司、以色列的Cubital公司以及日本的CMET公司等。第1節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)（國內(nèi)）我國從上世紀(jì)90年代初由清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校及其他科研院所在國家及地方政府資金支持下啟動(dòng)快速成型技術(shù)的研究工作。幾所高校及部分研究機(jī)構(gòu)在早期的快速成型設(shè)備及相應(yīng)的材料開發(fā)中各有側(cè)重，于90年代中后期陸續(xù)推出各自具有代表性的快速成型設(shè)備。應(yīng)用較多的為：陜西恒通智能機(jī)器有限公司（西安交通大學(xué)）：光固化快速成型設(shè)備（SLA）武漢濱湖機(jī)電有限公司（華中科技大學(xué)）：疊層實(shí)體快速成型設(shè)備（LOM）、

粉末激光燒結(jié)快速成型設(shè)備（SLS）等北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司：粉末激光燒結(jié)快速成型設(shè)備（SLS）上海聯(lián)泰科技有限公司：光固化快速成型設(shè)備（SLA）清華大學(xué)：疊層實(shí)體快速成型設(shè)備、熔融沉積快速成型設(shè)備此外，香港大學(xué)、香港中文大學(xué)、香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、中北大學(xué)等也開展了有關(guān)設(shè)備、材料和工藝的研究；香港快速原型科技中心、深圳生產(chǎn)力促進(jìn)中心、天津生產(chǎn)力促進(jìn)中心等為普及和推廣快速成型技術(shù)進(jìn)行了卓有成效的工作。第1節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的早期發(fā)展123快速成型技術(shù)的應(yīng)用4第一章概論快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)5快速成型過程快速成型技術(shù)的制造方式是基于離散堆積原理的累加式成型，從成型原理上提出了一種全新的思維模式，即將計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的零件三維模型，通過特定的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換并由專用軟件對(duì)其進(jìn)行分層處理，得到各層截面的二維輪廓信息，按照這些輪廓信息自動(dòng)生成加工路徑，在控制系統(tǒng)的控制下，選擇性地固化光敏樹脂或燒結(jié)粉狀材料或切割一層層的成型材料，形成各個(gè)截面輪廓薄片，并逐步順序疊加成三維實(shí)體，然后進(jìn)行實(shí)體的后處理，形成原型或零件，如圖所示?？焖俪尚碗x散和疊加過程第2節(jié)快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型主要工藝方法根據(jù)所使用的材料和建造技術(shù)的不同，目前應(yīng)用比較廣泛的方法有如下四種：光固化成型法（StereolithographyApparatus，SLA）采用光敏樹脂材料通過

激光照射逐層固化而成型疊層實(shí)體制造法（LaminatedObjectManufacturing，LOM）

采用紙材等薄層材料通過逐層粘結(jié)和激光切割而成型選擇性激光燒結(jié)法（SelectiveLaserSintering，SLS）采用粉狀材料通過激光選擇性燒結(jié)逐層固化而成型熔融沉積制造法（FusedDepositionManufacturing，F(xiàn)DM）

采用熔融材料加熱熔化擠壓噴射冷卻而成型第2節(jié)快速成型技術(shù)的主要方法及分類幾種典型RP技術(shù)的特點(diǎn)及用途幾種典型RP技術(shù)的特點(diǎn)及用途快速成型工藝方法分類快速原型技術(shù)從廣義上講可以分成兩類：材料累積和材料去除。但目前人們談及的快速成型制造方法通常指的是累積式的成型方法，而累積式的快速原型制造方法通常是依據(jù)原型使用的材料及其構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行分類的，如右圖所示。快速成型工藝方法的分類第2節(jié)快速成型技術(shù)的主要方法及分類兩種主要成型方式的比較快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的早期發(fā)展123快速成型技術(shù)的應(yīng)用4第一章概論快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)5快速原型技術(shù)的出現(xiàn)，開辟了不用刀具、模具而制作原型和各類零部件的新途徑，也改變了傳統(tǒng)的機(jī)械加工去除式的加工方式，而采用逐層累積式的加工方式，帶來了制造方式的變革。從理論上講，添加成形方式可以制造任意復(fù)雜形狀的零部件，材料利用率可達(dá)100％。和其他先進(jìn)制造技術(shù)相比，快速原型技術(shù)具有如下特點(diǎn)：快速成型技術(shù)特點(diǎn)◎自由成型制造◎制造過程快速◎添加式和數(shù)字化驅(qū)動(dòng)成型方式◎技術(shù)高度集成◎突出的經(jīng)濟(jì)效益◎廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域第3節(jié)快速成型技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性◎設(shè)計(jì)者受益快速成型技術(shù)的優(yōu)越性第3節(jié)快速成型技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性采用快速成型技術(shù)之后，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的最初階段，就能拿到實(shí)在的產(chǎn)品樣品，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)和優(yōu)化，并可在不同階段快速地修改、重做樣品，甚至做出試制用工模具及少量的產(chǎn)品。設(shè)計(jì)者無需多次反復(fù)思考、修改，即可盡快得到優(yōu)化結(jié)果，從而能顯著地縮短設(shè)計(jì)周期和降低成本?！蛑圃煺呤芤嬷圃煺咴诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段也能拿到實(shí)在的產(chǎn)品樣品，甚至試制用的工模具及少量產(chǎn)品，這使得他們能及早地對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出意見，做好原材料、標(biāo)準(zhǔn)件、外協(xié)加工件、加工工藝和批量生產(chǎn)用工模具等的準(zhǔn)備工作，最大限度地減少失誤和返工，大大節(jié)省工時(shí)、降低成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。RP技術(shù)主要適合于新產(chǎn)品開發(fā)，快速單件及小批量零件或產(chǎn)品的制造，具有復(fù)雜曲面形狀的零件制造、外形設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)、裝配檢驗(yàn)、訂貨等環(huán)節(jié)?！蛴脩羰芤婵焖俪尚图夹g(shù)的優(yōu)越性第3節(jié)快速成型技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性用戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段，也能見到產(chǎn)品樣品甚至少量產(chǎn)品，這使得用戶能及早、深刻地認(rèn)識(shí)產(chǎn)品，進(jìn)行必要的測(cè)試，并及時(shí)提出意見，從而可以在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，以最合理的價(jià)格得到性能最符合要求的產(chǎn)品。◎推銷者受益推銷者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段也能拿到實(shí)在的產(chǎn)品樣品甚至少量產(chǎn)品，這使得他們能據(jù)此及早、實(shí)在地向用戶宣傳和征求意見，以及進(jìn)行比較準(zhǔn)確的市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)，而不是僅憑抽象的產(chǎn)品描述或圖紙、樣本來推銷。所以，快速成型技術(shù)可顯著降低新產(chǎn)品的銷售風(fēng)險(xiǎn)和成本，大大縮短其投放市場(chǎng)的時(shí)間和提高競(jìng)爭(zhēng)能力?？焖俪尚图夹g(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的早期發(fā)展123快速成型技術(shù)的應(yīng)用4第一章概論快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)5第4節(jié)快速成型技術(shù)的應(yīng)用

快速成型技術(shù)自20年前出現(xiàn)以來，以其顯著的時(shí)間效益和經(jīng)濟(jì)效益得到制造業(yè)廣泛的關(guān)注，涌現(xiàn)出了多種快速成型技術(shù)方法和相應(yīng)的商品化設(shè)備，出現(xiàn)了專門從事商品化快速成型設(shè)備、快速成型與快速模具制造技術(shù)支持與服務(wù)的公司和機(jī)構(gòu)，極大地促進(jìn)了快速成型與快速模具制造技術(shù)的推廣與應(yīng)用，為機(jī)械行業(yè)、汽車行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)及相關(guān)的其它行業(yè)帶來了顯著的效益。 快速成型技術(shù)自1988年商品化設(shè)備推出之后，其設(shè)備銷售量逐年增加，圖10-1給出了在最初的10幾年間世界范圍內(nèi)RP系統(tǒng)的安裝統(tǒng)計(jì)情況，圖10-2給出的是各種主要RP系統(tǒng)截止到2001年底的安裝統(tǒng)計(jì)。從圖10-1每年設(shè)備數(shù)量遞增的梯度看，快速成型技術(shù)自出現(xiàn)之后，得到了廣泛認(rèn)可和迅速發(fā)展。據(jù)美國工程自動(dòng)化咨詢公司的RP市場(chǎng)2002年調(diào)查報(bào)告，該行業(yè)2002年的產(chǎn)值接近7億美元，如圖10-3所示。與CNC初期市場(chǎng)相比，RP行業(yè)的發(fā)展速度是相當(dāng)驚人的，1988～1997年度RP產(chǎn)值以53.6%的年平均速度增長，而在1970～1981年度，CNC市場(chǎng)的年平均增長率為22%，所以有人比喻RP技術(shù)對(duì)制造業(yè)的沖擊與貢獻(xiàn)可以與20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的數(shù)控（NC）技術(shù)相媲美。圖10-1RP系統(tǒng)年安裝統(tǒng)計(jì)第4節(jié)快速成型技術(shù)的應(yīng)用圖10-2各主要RP系統(tǒng)的安裝統(tǒng)計(jì)第4節(jié)快速成型技術(shù)的應(yīng)用圖10-3RP行業(yè)的年收益及增長第4節(jié)快速成型技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)依托于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和數(shù)控技術(shù)與裝備進(jìn)行了CAD/CAM的高度集成，顯著提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率和質(zhì)量。然而，從CAD到CAM一直以來都存在著一個(gè)縫隙，即產(chǎn)品的CAD總不能在CAM之前盡善盡美?？焖俪尚图夹g(shù)的出現(xiàn)，恰當(dāng)好處地彌補(bǔ)了產(chǎn)品CAD與CAM之間的這個(gè)縫隙。正因?yàn)槿绱?，RP模型的早期應(yīng)用主要集中在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的外觀評(píng)估、裝配與功能檢驗(yàn)方面，而且這幾方面的應(yīng)用至今仍然占據(jù)著較大的需求據(jù)2001年WohlersAssociatesInc.對(duì)14家RP系統(tǒng)制造商和43家RP服務(wù)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，對(duì)RP模型需求的目的如圖10-4所示。從圖10-4可見，設(shè)計(jì)可視化、裝配檢驗(yàn)與功能模型（Fit／Form／Function）占據(jù)著RP模型的主要需求，約占60％，而另一主要應(yīng)用領(lǐng)域就是快速模具母模的需求。第4節(jié)快速成型技術(shù)的應(yīng)用圖10-4

對(duì)RP模型需求的目的10.2快速成型技術(shù)的基本用途◎1.概念模型的可視化應(yīng)用使傳統(tǒng)的圖紙式設(shè)計(jì)走向現(xiàn)代化的三維概念設(shè)計(jì)。盡管目前造型軟件的功能十分強(qiáng)大，但設(shè)計(jì)出來的概念模型仍然停留在計(jì)算機(jī)屏幕上，概念模型的可視化是設(shè)計(jì)人員修改和完善設(shè)計(jì)十分渴求而又十分必要的。有人比較形象化地形容，快速成型系統(tǒng)相當(dāng)于一臺(tái)三維打印機(jī)，能夠迅速地將CAD概念設(shè)計(jì)的物理模型非常高精度地圖10-5概念設(shè)計(jì)可視化

“打印”出來。這樣，在概念設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者就有了初步設(shè)計(jì)的物理模型，借助于物理模型，設(shè)計(jì)者可以比較直觀地進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，大大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和可靠性。如設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行模型的合理分析和模型的觀感分析，根據(jù)原型或零件評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)正確與否并可加以改正，如圖10-5所示。

新產(chǎn)品的開發(fā)總是從外形設(shè)計(jì)開始的，外觀是否美觀和實(shí)用往往決定了該產(chǎn)品是否能夠被市場(chǎng)接受。傳統(tǒng)的加工方法中，二維工程視圖在設(shè)計(jì)加工和檢測(cè)方面起著重要作用。其做法是根據(jù)設(shè)計(jì)師的思想，先制作出效果圖及手工模型，經(jīng)決策層評(píng)審后再進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。但由于二維工程視圖或三維觀感圖不夠直觀，表達(dá)效果受到很大限制，而手工制作模型耗時(shí)又長，精度較差，修改也困難?？焖俪尚椭圃旒夹g(shù)能夠迅速地將設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思想變成三維實(shí)體模型，既可節(jié)省大量的時(shí)間，又能精確地體現(xiàn)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念，為產(chǎn)品評(píng)審決策工作提供直接、準(zhǔn)確的模型，減少了決策工作中的不正確因素?！?.概念模型的可視化應(yīng)用◎2.設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)利用快速成型制造技術(shù)制作出的樣件能夠使用戶非常直觀地了解尚未投入批量生產(chǎn)的產(chǎn)品外觀及其性能并能及時(shí)作出評(píng)價(jià)，使廠方能夠根據(jù)用戶的需求及時(shí)改進(jìn)產(chǎn)品，為產(chǎn)品的銷售創(chuàng)造有利條件并避免由于盲目生產(chǎn)可能造成的損失。同時(shí)，投標(biāo)方在工程投標(biāo)中采用樣品，可以直觀、全面地提供評(píng)價(jià)依據(jù)，使設(shè)計(jì)更加完善，為中標(biāo)創(chuàng)造有利條件。在產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)過程中，由于設(shè)計(jì)手段和其他方面的限制，每一項(xiàng)設(shè)計(jì)都可能存在著一些人為的設(shè)計(jì)缺陷。如果未能及早發(fā)現(xiàn)，就會(huì)影響后續(xù)工作，造成不必要的損失，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)的失敗。使用快速成型制造技術(shù)可以將這種人為的影響減少到最低限度。快速成型制造技術(shù)由于成型時(shí)間短、精度高，可以在設(shè)計(jì)的同時(shí)制造高精度的模型，使設(shè)計(jì)者能夠在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品的整體或局部進(jìn)行裝配和綜合評(píng)價(jià)，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的缺陷與不合理因素，改進(jìn)設(shè)計(jì)。10.2快速成型技術(shù)的基本用途

因此，快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用可把產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷消失在設(shè)計(jì)階段，最終提高產(chǎn)品整體的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

下圖給出的是某新型豪華客車用于外觀評(píng)估的經(jīng)過噴漆等處理的RP模型，該模型大小為實(shí)際尺寸的1/10。圖10-6

某新型豪華客車用于外觀評(píng)估的RP模型10.2快速成型技術(shù)的基本用途3.裝配校核

進(jìn)行裝配校核、干涉檢查等對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)，尤其是在有限空間內(nèi)的復(fù)雜、昂貴系統(tǒng)（如衛(wèi)星、導(dǎo)彈）的可制造性和可裝配性檢驗(yàn)尤為重要。如果一個(gè)產(chǎn)品的零件多而且復(fù)雜就需要做總體裝配校核。在投產(chǎn)之前，先用快速成型制造技術(shù)制作出全部零件原型，進(jìn)行試安裝，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和安裝工藝與裝配要求，若發(fā)現(xiàn)有缺陷，便可以迅速、方便地進(jìn)行糾正，使所有問題在投產(chǎn)之前得到解決。下圖為某發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸部件中氣缸蓋改進(jìn)設(shè)計(jì)后制作的用于裝配檢驗(yàn)的LOM模型。圖10-7

用于裝配檢驗(yàn)的氣缸蓋LOM模型10.2快速成型技術(shù)的基本用途4.性能和功能測(cè)試

快速原型除了可以進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和裝配校核外，還可以直接用于性能和功能參數(shù)試驗(yàn)與相應(yīng)的研究，如機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、流動(dòng)分析、應(yīng)力分析、流體和空氣動(dòng)力學(xué)分析等。采用快速成型制造技術(shù)可嚴(yán)格地按照設(shè)計(jì)將模型迅速地制造出來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)各種復(fù)雜的空間曲面更體現(xiàn)快速成型制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。如風(fēng)扇、風(fēng)轂等設(shè)計(jì)的功能檢測(cè)和性能參數(shù)確定，可獲得最佳扇葉曲面、最低噪音的結(jié)構(gòu)。如果用傳統(tǒng)的方法制造原型，這種測(cè)試與比較幾乎是不可能的。圖10-8

用于運(yùn)動(dòng)功能測(cè)試的凸輪模型

右圖給出的是為檢驗(yàn)凸輪設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)某機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)而制作的用于傳動(dòng)功能檢測(cè)的LOM模型。通過裝機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)檢測(cè)，根據(jù)反饋的信息進(jìn)行了數(shù)次改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終獲得了能夠完全滿足運(yùn)動(dòng)要求的凸輪結(jié)構(gòu)。

10.2快速成型技術(shù)的基本用途

采用SLS工藝快速制造內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管模型，如圖10-9所示，可以直接與相關(guān)零部件安裝，進(jìn)行功能驗(yàn)證，快速檢測(cè)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行效果以評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，然后進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)以達(dá)到內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。圖10-9

采用SLS工藝制作的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管模型

總體來說，通過快速制造出物理原型，可以盡早地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，縮短設(shè)計(jì)反饋的周期，方便而又快速地進(jìn)行多次反復(fù)設(shè)計(jì)，大大提高了產(chǎn)品開發(fā)的成功率，開發(fā)成本大大降低，總體的開發(fā)時(shí)間也大大縮短。10.2快速成型技術(shù)的基本用途5.快速模具的母模

快速原型的另一大類應(yīng)用就是作為翻制快速經(jīng)濟(jì)模具的母模，如硅橡膠模具、聚氨酯模具、金屬噴涂膜具、環(huán)氧樹脂模具等軟質(zhì)模具進(jìn)行單件小批量的試制以及澆注石膏、陶瓷、金屬基合成材料、金屬等硬質(zhì)模具進(jìn)行塑料件或金屬制件的批量生產(chǎn)。快速原型用作快速模具的母模是快速成型制造技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的延伸和另一亮點(diǎn)。下圖給出的是采用LOM原型翻制硅橡膠模具并進(jìn)行產(chǎn)品快速制作的例子。圖10-10

LOM原型做母模翻制的硅膠模具及產(chǎn)品10.2快速成型技術(shù)的基本用途

環(huán)氧樹脂模具因?yàn)槌杀镜土抑萍?shù)量較硅橡膠模具大而適合于小批量產(chǎn)品的試制。環(huán)氧樹脂模具的制作同樣需要RP模型做母模，通過樹脂材料及添加材料澆注而成，模具的壽命可以達(dá)到數(shù)百件，模具的表面質(zhì)量主要取決于原型母模的表面質(zhì)量，尺寸精度可以達(dá)到±0.1mm。圖10-11給出的是環(huán)氧樹脂模具制作產(chǎn)品的例子。圖10-11環(huán)氧樹脂模具及產(chǎn)品10.2快速成型技術(shù)的基本用途6.直接制作快速模具

采用快速成型技術(shù)可以直接制作不同用途的模具。采用SLS法可直接燒結(jié)金屬模具和陶瓷模具，用作注塑、壓鑄、擠塑等塑料成型模及鈑金成形模。DTM公司用RapidTool?專利技術(shù)，在SLS系統(tǒng)Sinterstation2000上將Rapidsteel粉末（鋼質(zhì)微粒外包裹一層聚酯）進(jìn)行激光燒結(jié)得到模具后放在聚合物的溶液中浸泡一定時(shí)間，然后放入加熱爐中加熱使聚合物蒸發(fā)，接著進(jìn)行滲銅，出爐后打磨并嵌入模架內(nèi)即可。圖10-12給出了采用上述工藝制作的高爾夫球頭的模具及產(chǎn)品。圖10-12采用SLS工藝制作高爾夫球頭模具及產(chǎn)品10.2快速成型技術(shù)的基本用途

快速成型自出現(xiàn)之后，在眾多領(lǐng)域都得到了較為廣泛的應(yīng)用。據(jù)2001年WohlersAssociatesInc.對(duì)14家RP系統(tǒng)制造商和43家RP服務(wù)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，對(duì)RP模型需求的行業(yè)如圖10-13所示。從圖10-13可以看出，日用消費(fèi)品和汽車兩大行業(yè)對(duì)RP的需求占整體需求50％以上，而醫(yī)療行業(yè)的需求增長迅速，其它的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、宇航和軍事領(lǐng)域?qū)P的需求也占有一定的比例。圖10-13對(duì)RP模型需求的行業(yè)10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域1.汽車行業(yè) 快速成型技術(shù)應(yīng)用效益較為顯著的行業(yè)為汽車制造業(yè)，世界上幾乎所有著名的汽車生產(chǎn)商都較早地引入快速成型技術(shù)輔助其新車型的開發(fā)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和時(shí)間效益?，F(xiàn)代汽車生產(chǎn)的特點(diǎn)就是產(chǎn)品的多型號(hào)、短周期。為了滿足不同的生產(chǎn)需求，就需要不斷地改型。雖然現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)不斷完善，可以完成各種動(dòng)力、強(qiáng)度、剛度分析，但研究開發(fā)中仍需要做成實(shí)物已驗(yàn)證其外觀形象、工裝可安裝性和可拆卸性。對(duì)于形狀、結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的零件，可以采用快速成型技術(shù)制作零件原型以驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思想，并利用零件原型做功能性和裝配性檢驗(yàn)。右圖為采用光固化快速成型及技術(shù)制造的汽車水箱面罩原型。10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中需要進(jìn)行流動(dòng)分析實(shí)驗(yàn)。將透明的模型安裝在一簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，中間循環(huán)某種液體，在液體內(nèi)加一些細(xì)小粒子或細(xì)氣泡以顯示液體在流道內(nèi)的流動(dòng)情況。該技術(shù)已成功的用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)（氣缸蓋、機(jī)體水箱）、進(jìn)排氣管等的研究。問題的關(guān)鍵是透明模型的制造，用傳統(tǒng)方法時(shí)間長，花費(fèi)大且不精確，而用SLA技術(shù)結(jié)合CAD造型僅僅需要4~5周的時(shí)間且花費(fèi)只為之前的三分之一，制作出的透明模型能完全符合機(jī)體水箱和氣缸蓋的CAD數(shù)據(jù)要求，模型表面質(zhì)量也能滿足要求。

右圖所示為用于冷卻系統(tǒng)流動(dòng)分析的氣缸蓋模型。為了進(jìn)行分析，該氣缸蓋模型裝在了曲軸箱上，并配備了必要的輔助零件。圖中的藍(lán)色液體高亮顯示了腔體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)分析結(jié)果不合格時(shí)，可以將模型拆卸，對(duì)模型零件進(jìn)行修改之后重裝模型，進(jìn)行另一輪的流動(dòng)分析，直至各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求為止。10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

光固化成型技術(shù)在汽車行業(yè)除了上述用途外，還可以與逆向工程技術(shù)、快速模具制造技術(shù)相結(jié)合，用于汽車車身設(shè)計(jì)、前后保險(xiǎn)桿總成試制、內(nèi)飾門板等結(jié)構(gòu)樣件/功能樣件試制、賽車零件制作等等。下圖為基于SLA原型，采用Keltool工藝快速制作的某賽車零件的模具及產(chǎn)品。10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

位于德國Regensburg的寶馬公司為了提高生產(chǎn)率和工人的舒適度以及工藝的可重復(fù)性，其裝配部門采用FDM工藝提高其手持裝配裝置的人體工程學(xué)效果。根據(jù)使用工人的反饋信息和要求，改善其手持舒適度，減輕重量并提高其平衡性，例如，某一款安裝用手持裝置采用內(nèi)部薄筋結(jié)構(gòu)替代原有的實(shí)心結(jié)構(gòu)，其重量降低了1.3Kg。其設(shè)計(jì)者說，1.3Kg的重量看似不多，但是，工人每班需要成百上千次的使用它，對(duì)減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度的效果是十分顯著的。圖10-15為該裝配部門采用Stratasys公司的FortusFDM系統(tǒng)制作的裝配工具，該工具用于固定寶馬車徽。(a)寶馬車徽(b)原機(jī)械加工的裝配工具(c)FDM制作的裝配工具圖10-15寶馬公司采用FDM工藝替代機(jī)加工制作裝配工具10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

德國Regensburg的寶馬公司裝配部門給出了采用FDM技術(shù)替代傳統(tǒng)CNC技術(shù)制作此裝配用工具的成本和時(shí)間的對(duì)比，如表10-1所示。

日本豐田公司采用FDM工藝制作轎車右側(cè)鏡支架和四個(gè)門把手的母模，通過快速模具技術(shù)制作產(chǎn)品而取代傳統(tǒng)的CNC制模方式，使得2000Avalon車型的制造成本顯著降低，右側(cè)鏡支架模具成本降低20萬美元，四個(gè)門把手模具成本降低30萬美元。

在整個(gè)新式2000Avalon汽車的改進(jìn)設(shè)計(jì)制造中，F(xiàn)DM為這一計(jì)劃節(jié)約的資金超過200萬美元。10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

韓國現(xiàn)代汽車公司采用了美國Stratasys公司的FDM快速成型系統(tǒng)，用于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力評(píng)估和功能測(cè)試。FDM系統(tǒng)在起亞的Spectra車型設(shè)計(jì)上得到了成功的應(yīng)用，現(xiàn)代汽車公司自動(dòng)技術(shù)部的首席工程師TaeSunByun說：空間的精確和穩(wěn)定對(duì)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)來說是至關(guān)重要的，采用ABS工程塑料的FDMMaxum系統(tǒng)滿足了兩者的要求，在1382mm的長度上，其最大誤差只有0.75mm。現(xiàn)代公司計(jì)劃再安裝第二套R(shí)P快速成型系統(tǒng)，并仍將選擇FDMMaxum，該系統(tǒng)完美地符合我們的設(shè)計(jì)要求，并能在30個(gè)月內(nèi)收回成本。圖10-16韓國現(xiàn)代汽車公司采用FDM工藝制作的某車型的儀表盤10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域2.航空領(lǐng)域

航空領(lǐng)域需求的許多零部件通常都是單件或小批量，采用傳統(tǒng)制造工藝，成本高，周期長。借助快速成型技術(shù)制作模型進(jìn)行試驗(yàn)及直接或間接利用快速成型技術(shù)制作產(chǎn)品，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和時(shí)間效益。通過快速熔模鑄造、快速翻砂鑄造等輔助技術(shù)進(jìn)行特殊復(fù)雜零件的單件、小批量生產(chǎn)，如渦輪、葉片、葉輪等，并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的試制和試驗(yàn)，如圖10-17a所示為SLA技術(shù)制作的葉輪模型。圖10-17b給出了基于SLA技術(shù)采用精密熔模鑄造方法制造的某發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件。圖10-17快速成型在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

(a)(b)10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

利用光固化成型技術(shù)制作的導(dǎo)彈全尺寸模型，在模型表面表進(jìn)行相應(yīng)噴涂后，清晰展示了導(dǎo)彈外觀、結(jié)構(gòu)和戰(zhàn)斗原理，其展示和講解效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單純的電腦圖紙模擬方式，可在未正式量產(chǎn)之前對(duì)其可制造性和可裝配性進(jìn)行檢驗(yàn)，如圖10-17c為SLA制作的導(dǎo)彈模型。某一航空領(lǐng)域公司的無人駕駛飛行器上一款電驅(qū)動(dòng)四馬達(dá)垂直起落架，通過CAD設(shè)計(jì)之后，采用3DSystems公司的sProSLS設(shè)備使用DuraFormEX黑色材料，進(jìn)行其制作，如圖10-17d所示。(c)(d)圖10-17快速成型在航空領(lǐng)域的應(yīng)用10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

在航空領(lǐng)域借助快速成型技術(shù)取代采用模具方式方法進(jìn)行單件制作的優(yōu)勢(shì)，一方面節(jié)省了模具制作的成本和時(shí)間，另一方面優(yōu)化后復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制作也容易實(shí)現(xiàn)。據(jù)某一為航空領(lǐng)域提供零部件公司統(tǒng)計(jì)，采用快速成型技術(shù)使得零部件本身制作成本降低50%~80%，制造時(shí)間減少60%~90%，零部件重量降低10%~50%，模具制作時(shí)間和成本降低90%~100%。10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域3.電器行業(yè)

隨著消費(fèi)水平的提高及消費(fèi)者追求個(gè)性化生活方式的日益增長，制造業(yè)中對(duì)電器產(chǎn)品的更新?lián)Q代日新月異。不斷改進(jìn)的外觀設(shè)計(jì)以及因?yàn)楣δ芨淖兌鴰淼慕Y(jié)構(gòu)改變，都使得電器產(chǎn)品外殼零部件的快速制作具有廣泛的市場(chǎng)需求。在若干快速成型工藝方法中，光固化原型的樹脂品質(zhì)是最適合于電器塑料外殼的功能要求的，因此，光固化快速成型在電器行業(yè)中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。下圖模型的樹脂材料是DSM公司的SOMOS11120，其性能與塑料件極為相近，可以進(jìn)行鉆孔和攻絲等操作，以滿足電器產(chǎn)品樣件的裝配要求。圖10-18電器產(chǎn)品外殼件原型10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域4.玩具等其他行業(yè)

從事模型制造的美國RapidModels&Prototypes公司采用FDM工藝為生產(chǎn)廠商LaramieToys制作了玩具水槍模型，如圖10-19所示。借助FDM工藝制作該玩具水槍模型，通過將多個(gè)零件一體制作，減少了傳統(tǒng)制作方式制作模型的部件數(shù)量，避免了焊接與螺紋連接等組裝環(huán)節(jié)，顯著提高了模型制作的效率。圖10-19采用FDM工藝制作玩具水槍10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

快速成型技術(shù)在雕塑藝術(shù)品創(chuàng)作的可視化展示中得到了非常好的應(yīng)用效果。許多離奇的雕塑藝術(shù)品的創(chuàng)作靈感來源于海洋生物的形貌、有機(jī)化學(xué)的晶體結(jié)構(gòu)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生長圖形、數(shù)學(xué)計(jì)算演變的結(jié)構(gòu)等。

圖10-20示意的為基于某種螺旋環(huán)面生物的基本形貌而創(chuàng)作的叫做“棘皮動(dòng)物”的雕塑。圖10-20快速成型在雕塑藝術(shù)的應(yīng)用10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域圖10-21基于細(xì)胞生長的有機(jī)體結(jié)構(gòu)模型

(a)原始模型(b)著色模型圖10-21為一種基于細(xì)胞生長算法構(gòu)造的有機(jī)體結(jié)構(gòu)圖的雕塑模型。10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域圖10-22基于細(xì)胞生長的有機(jī)體結(jié)構(gòu)模型圖10-22示意的雕塑形式來源于一本關(guān)于立體有機(jī)化學(xué)書籍中對(duì)某種網(wǎng)格的描述。后來該晶體結(jié)構(gòu)被普及傳播而被稱做K4晶體。這個(gè)結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向上的投影存在著巨大不同，需要通過實(shí)體模型輔助才可看清其復(fù)雜的構(gòu)造。10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

當(dāng)前國際上制鞋業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，而美國WolverineWorldWide公司無論在國際還是美國國內(nèi)市場(chǎng)都一直保持著旺盛的銷售勢(shì)頭，該公司鞋類產(chǎn)品的款式一直保持著快速的更新，時(shí)時(shí)能夠?yàn)轭櫩吞峁└哔|(zhì)量的產(chǎn)品，而使用PowerSHAPE軟件和Helysis公司的LOM快速成型加工技術(shù)是WolverineWorldWide公司成功的關(guān)鍵。Wolverine的設(shè)計(jì)師們首先設(shè)計(jì)鞋底和鞋跟的模型或圖形，從不同角度用各種材料產(chǎn)生三維光照模型顯示，這種高質(zhì)的圖像顯示使得在開發(fā)過程中能及早地排除任何看起來不好的裝飾和設(shè)計(jì)，如圖10-23a所示。圖10-23WolverineWorldWide公司鞋類產(chǎn)品開發(fā)a)b)c)10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

即使前期的設(shè)計(jì)已經(jīng)排除了許多不理想的地方，但是投入加工之前Wolverine公司仍然需要有實(shí)物模型。實(shí)物模型的制作便由疊層快速成型設(shè)備來完成。鞋底和鞋跟的LOM模型非常精巧，但其外觀是木質(zhì)的，為了使模型看起來更真實(shí)，可在LOM表面噴涂產(chǎn)生不同材質(zhì)效果，如圖10-23b所示。LOM模型可用來決定設(shè)計(jì)是否可行，如果可行，則計(jì)算機(jī)將使用鏡向?qū)ΨQ操作生成另一只鞋底模型而相應(yīng)產(chǎn)生LOM模型。將兩LOM模型用金屬噴涂，然后用充滿環(huán)氧樹脂的鋁增強(qiáng)該金屬涂層。去除LOM模型后，即可得到鞋底和鞋跟的型腔。

每一種鞋底配上適當(dāng)?shù)男婧笊a(chǎn)若干雙樣品（如圖10-23c所示），放到主要的零售店展示，以收集顧客的意見。根據(jù)顧客所反饋的意見，計(jì)算機(jī)能快速地修改模型，根據(jù)需要，可再產(chǎn)生相應(yīng)的LOM模型和式樣。圖10-23WolverineWorldWide公司鞋類產(chǎn)品開發(fā)a)b)c)10.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

RP技術(shù)出現(xiàn)以來，除了在新產(chǎn)品開發(fā)階段具有較為廣泛的需求外，一直在鑄造領(lǐng)域有著比較活躍的應(yīng)用。在典型鑄造工藝如熔模鑄造等中為單件或小批量鑄造產(chǎn)品的制造帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 在鑄造生產(chǎn)中，模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模等的制造往往是采用機(jī)加工方法，有時(shí)還需要鉗工進(jìn)行修整，費(fèi)時(shí)耗資，而且精度不高。特別是對(duì)于一些形狀復(fù)雜的鑄件，例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、船用螺旋槳、汽車、拖拉機(jī)的缸體、缸蓋等，模具的制造更是一個(gè)巨大的難題。雖然一些大型企業(yè)的鑄造廠也備有一些數(shù)控機(jī)床、仿型銑等高級(jí)設(shè)備，但除了設(shè)備價(jià)格昂貴外，模具加工的周期也很長，而且由于沒有很好的軟件系統(tǒng)支持，機(jī)床的編程也很困難?？焖俪尚图夹g(shù)的出現(xiàn)，為鑄造的鑄模生產(chǎn)提供了速度更快、精度更高、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的保障。10.4快速成型技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用1.熔模鑄造

熔模鑄造也稱為失蠟鑄造，是一種可以由幾乎所有的合金材料進(jìn)行凈形制造金屬制件的精密鑄造工藝，尤其適合于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的薄壁件的制造。快速成型技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為熔模精密鑄造消失型的制作提供了速度更快、精度更高、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的保障。尤其是3DSystems公司開發(fā)的QuickCast工藝，更加突出了RP技術(shù)在熔模鑄造領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)越性。熔模鑄造的工藝過程如下：

(1)澆注法制作熔模鑄造的消失型－蠟?zāi)?，如右圖所示。(2)將蠟質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)澆注系統(tǒng)（澆口和澆道）和蠟型組裝，如右圖所示。10.4快速成型技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用

(3)將組裝后的蠟型與澆注系統(tǒng)浸入到陶瓷漿中，反復(fù)掛砂和干燥形成6～8mm的硬殼，如右圖所示。(4)向硬型殼中通入熱水或蒸汽，使蠟型熔化并排出，得到空型殼，如右圖所示。

(5)硬型殼高溫焙燒，進(jìn)一步除去殘留的蠟，得到可進(jìn)行澆注熔化金屬的高強(qiáng)度陶瓷硬型殼，如左圖所示。10.4快速成型技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用(6)將陶瓷硬型殼預(yù)熱至一定溫度后，注入熔化金屬，如右圖所示。

(7)冷卻后，除去陶瓷殼，得到工件和澆注系統(tǒng)，再除去澆注系統(tǒng)，便得到了金屬制件，如右圖所示。10.4快速成型技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用

在應(yīng)用較廣泛的四種快速成型工藝中，光固化原型與粉末燒結(jié)快速原型可以用作熔模鑄造的消失型。圖10-25a為SLA技術(shù)制作的用來生產(chǎn)氧化鋁基陶瓷芯的模具，該氧化鋁陶瓷芯是在鑄造生產(chǎn)燃?xì)鉁u輪葉片時(shí)用作熔模的，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，包含制作渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道的結(jié)構(gòu)，且精度要求高，對(duì)表面質(zhì)量的要求也很高。制作時(shí)，當(dāng)澆注到模具內(nèi)的液體凝固后，經(jīng)過加熱分解便可去除SLA原型，得到氧化鋁基陶瓷芯。圖10-25b是用SLA技術(shù)制作的用來生產(chǎn)消失模的模具嵌件，該消失模用來生產(chǎn)標(biāo)致汽車發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱的撥叉。圖10-25SLA原型在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例a)b)10.4快速成型技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用

將SLS激光快速成型技術(shù)與精密鑄造工藝結(jié)合起來，特別適宜具有復(fù)雜形狀的金屬功能零件整體制造。在新產(chǎn)品試制和零件的單件小批量生產(chǎn)中，不需復(fù)雜工裝及模具，可大大提高制造速度，并降低制造成本。圖10-26給出了若干基于SLS原型由熔模鑄造方法制作的產(chǎn)品。圖10-26基于SLS原型由快速無模具鑄造方法制作的產(chǎn)品10.4快速成型技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用

美國Sundstrand公司用快速成型件作母模，進(jìn)行了大量的熔模鑄造，取得了明顯的效益，如下表所示。由表中的數(shù)據(jù)可見，采用快速成型技術(shù)后節(jié)省工時(shí)43％~70％，節(jié)省成本64％~94％。10.4快速成型技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用2.砂型鑄造

砂型鑄造的木模一直以來依靠傳統(tǒng)的手工制作，其周期長，精度低?？焖俪尚图夹g(shù)的出現(xiàn)為快速高精度制作砂型鑄造的木模提供了良好的手段，尤其是基于CAD設(shè)計(jì)的復(fù)雜形狀的木模制作，快速成型技術(shù)更顯示了其突出的優(yōu)越性。圖10-27為鑄鐵手柄的CAD模型和LOM原型。圖10-28給出的同樣是砂型鑄造的產(chǎn)品和通過快速原型技術(shù)制作的木模。圖10-28砂型鑄造產(chǎn)品及木模圖10-27鑄鐵手柄的CAD模型和LOM原型

a)CAD模型b)LOM原型

10.4快速成型技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用3.石膏型鑄造

在石膏型鑄造過程中，快速成型件仍然是可消失模型，然后由此得到石膏模進(jìn)而得到所需要的金屬零件。石膏型鑄造的第一步是用快速成型件制作可消失模，然后再將快速成型消失模埋在石膏漿體中得到石膏模，再將石膏模放進(jìn)培燒爐內(nèi)培燒。這樣將快速成型消失模通過高溫分解，最終完全消失干凈，同時(shí)石膏模干燥硬化，這個(gè)過程一般要兩天左右。最后在專門的真空澆鑄設(shè)備內(nèi)將熔溶的金屬鋁合金注入石膏模，冷卻后，破碎石膏模就得到金屬件了。圖10-29所示為使用石膏型鑄造得到的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管系列產(chǎn)品。圖10-29采用石膏型鑄造的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管10.4快速成型技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用4.直接模殼鑄造

美國麻省理工大學(xué)開發(fā)了一項(xiàng)基于立體噴墨印刷技術(shù)的直接模殼制造(DirectShellProductionCasting—DSPC)的鑄造技術(shù)。這一技術(shù)隨后授權(quán)于SoligenInc.公司用于金屬鑄造。DSPC首先利用CAD軟件定義所需的型腔，通過加入鑄造圓角、消除可待后處理時(shí)通過機(jī)加工生成的小孔等結(jié)構(gòu)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)和修飾，然后根據(jù)鑄造工藝所需的型腔個(gè)數(shù)生成多型腔的鑄模。10.4快速成型技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用DSPC的工藝過程：首先在成型機(jī)的工作臺(tái)上覆蓋一層化鋁粉，如右圖(a)所示。然后將微細(xì)的硅膠沿著工件的外廓噴射在這層粉末上，如右圖(b)所示。a)b)硅膠將氧化鋁粉固定在當(dāng)前層上，并為下一層的氧化鋁粉提供粘著層；每一層完成后，工作臺(tái)就下降一個(gè)層的高度，使下一層的粉末繼續(xù)敷料和粘固；未粘固在模型上的粉末就堆積在模型的周圍和空腔內(nèi)，起著支撐的作用，直至完成所有的疊層，如右圖（c）所示c)10.4快速成型技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用DSPC的工藝過程（續(xù)）：整個(gè)模型完成后，型腔內(nèi)所充填的粉末必須去除，獲得需要的模殼，如圖10-30d所示；然后利用此模殼，進(jìn)行金屬制件的鑄造，如圖10-30e所示。該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是模殼材料廣泛，結(jié)構(gòu)可較為復(fù)雜且制作快捷，與熔模鑄造工藝相比，節(jié)省了制造蠟?zāi)Ｄ＞吆拖災(zāi)１旧淼某杀?；缺點(diǎn)是模殼型腔表面比較粗糙，且模殼尺寸受3DP快速成型設(shè)備工作空間限制而較小。圖10-30基于3DP快速成型技術(shù)的直接模殼鑄造工藝流程e)d)10.4快速成型技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)代RP技術(shù)在20世紀(jì)80年代末期一經(jīng)出現(xiàn)，很多制造行業(yè)即對(duì)其表現(xiàn)出濃厚的興趣。最早采用RP技術(shù)的是航空、汽車和醫(yī)學(xué)工業(yè)。雖然醫(yī)學(xué)應(yīng)用仍然只占10%的RP市場(chǎng)，但醫(yī)學(xué)又對(duì)RP的應(yīng)用提出了更高的要求。RP已經(jīng)運(yùn)用于種植體原型、監(jiān)視系統(tǒng)和很多其它醫(yī)療設(shè)備原型的制作。運(yùn)用生理數(shù)據(jù)采用SLA、LOM、SLS、FDM等技術(shù)快速制作物理模型，對(duì)想不通過開刀就可觀看病人骨結(jié)構(gòu)的研究人員、種植體設(shè)計(jì)師和外科醫(yī)生等能夠提供非常有益的幫助。這些技術(shù)在很多?？迫顼B外科、神經(jīng)外科、口腔外科、整形外科和頭頸外科等得到了廣泛應(yīng)用，幫助外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃。10.5快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用1.設(shè)計(jì)和制作可植入假體

快速成型用于種植體設(shè)計(jì)已經(jīng)有很長一段時(shí)間了，工程師利用CAD軟件可以很快地設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品，而RP設(shè)備的快速性允許設(shè)計(jì)師在很短的時(shí)間內(nèi)多次驗(yàn)證并修改其設(shè)計(jì)，這樣就在設(shè)計(jì)過程中節(jié)約了時(shí)間和成本。運(yùn)用RP技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)特定病人的CT或MRI數(shù)據(jù)而不是標(biāo)準(zhǔn)的解剖學(xué)幾何數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)并制作種植體，如圖所示。這樣極大地減少了種植體設(shè)計(jì)的出錯(cuò)空間，并且這種適合每個(gè)病人解剖結(jié)構(gòu)的種植體確實(shí)能設(shè)計(jì)一個(gè)更好的手術(shù)結(jié)對(duì)病人的麻醉時(shí)間，還能減少整個(gè)手術(shù)的費(fèi)用。圖10-31從CT數(shù)據(jù)到骨骼3D數(shù)值模型圖10-32應(yīng)用RP模型設(shè)計(jì)植入體10.5快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用基于RP制造的植入體具有相當(dāng)準(zhǔn)確的適配度，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠提高美觀度、縮短手術(shù)時(shí)間、減少術(shù)后并發(fā)癥等。具體制作的過程為：（1）來源于CT的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL數(shù)據(jù)；（2）利用RP技術(shù)制作缺損部位原型；（3）采用硬質(zhì)石膏、硅橡膠等材料和相關(guān)方法翻模；（4）制作熔模并進(jìn)行熔模鑄造制作假體。10.5快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用2.外科手術(shù)規(guī)劃

復(fù)雜外科手術(shù)往往需要在三維模型上進(jìn)行演練以確保手術(shù)的成功。快速成型技術(shù)可滿足這種要求。由于有了解剖模型，醫(yī)生可以有效地與病人溝通，借助于病人自己的解剖模型，醫(yī)生可以指出關(guān)鍵的區(qū)域，從而增加病人的理解。模型增加了病人對(duì)治療的理解，這比晦澀的二維X光照片要好理解得多。模型也能讓醫(yī)生對(duì)病人以前的手術(shù)經(jīng)歷一目了然。此外，模型還能讓醫(yī)生在手術(shù)之前對(duì)著模型進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，如圖10-33所示。僅時(shí)間節(jié)省這一項(xiàng)就使得模型制作在很多復(fù)雜手術(shù)中顯得非常重要和必要。圖10-33RP模型輔助復(fù)雜手術(shù)規(guī)劃10.5快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用3.頜面修復(fù)

目前，美國、澳大利亞、新加坡、日本以及歐洲等許多國家對(duì)快速原型在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用非常重視。美國在牙科手術(shù)、面部矯正手術(shù)方面，新加坡在面部矯正手術(shù)方面，澳大利亞在頭顱和面部修復(fù)手術(shù)方面，德國和法國等在頭顱和頜骨修復(fù)手術(shù)方面，都依靠快速原型技術(shù)，取得了明顯的效果。國內(nèi)的醫(yī)療領(lǐng)域目前也在嘗試對(duì)快速原型技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究，但是，成功的案例還十分少見。10.5快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用基于CT技術(shù)和快速成型技術(shù)的人體頜面部缺損修復(fù)手術(shù)，是快速原型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里比較有價(jià)值的臨床應(yīng)用。對(duì)患者頭部進(jìn)行螺旋CT掃描，得到最小間距的二維CT數(shù)據(jù)。通過設(shè)定骨骼的灰度閾值，提取CT圖像中的骨骼輪廓，得到患者病變區(qū)域的頭顱模型，如圖10-34所示。圖像中左側(cè)因腫瘤病變進(jìn)行了切除。手術(shù)的目的就是通過切取病人體內(nèi)的腿骨修復(fù)左側(cè)下頜的缺損。在數(shù)據(jù)處理時(shí)還進(jìn)行了右側(cè)下頜骨的提取并鏡像，用于制作快速原型以輔助手術(shù)。圖10-34

患者病變區(qū)域的頭顱骨模型10.5快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

將上述處理完畢的數(shù)據(jù)文件，按要求的格式輸入到快速原型系統(tǒng)進(jìn)行加工制作。下圖為具有缺損的患者頭顱骨SLA模型、患者小腿骨SLA模型及患者左側(cè)完好的下頜骨模型的鏡像頜骨SLA模型圖10-35頜面缺損的局部頭蓋骨、下頜骨及小腿骨SLA模型10.5快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

頜面修復(fù)手術(shù)的方案：

以對(duì)應(yīng)缺損部位的正常部位的鏡像體為參考模型，對(duì)從腿部切下的小腿骨進(jìn)行分割拼湊到缺損部位，然后，用金屬植入體進(jìn)行相應(yīng)的固定和定位。具體步驟如下：將頜面部缺損的局部頭蓋骨原型和對(duì)應(yīng)缺損部位的正常部位的鏡像體拼合到一起，如圖10-36(a)所示，觀察結(jié)合部位上下牙齒咬合的程度，如果咬合程度好，就可以定型作為手術(shù)規(guī)劃和演練的目標(biāo)實(shí)體。②將成型鈦板支架固定在吻合好的下頜模型上，定型后采用螺釘固定，如圖10-36(b)所示。a)b)圖10-36借助快速成型技術(shù)輔助頜骨修復(fù)手術(shù)10.5快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用③將小腿腓骨SLA模型進(jìn)行切割拼湊處理，使切割骨的形狀與鈦板形狀吻合，測(cè)量每一段小腿腓骨模型的長度并標(biāo)記對(duì)應(yīng)于整體腓骨的位置，作為手術(shù)過程的依據(jù)，如圖10-36(c)所示。④按照上述手術(shù)規(guī)劃和方案，實(shí)施下頜骨修復(fù)手術(shù)，如圖10-36(d)所示。圖10-36借助快速成型技術(shù)輔助頜骨修復(fù)手術(shù)d)c)10.5快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用4.義耳制作

全耳廓缺損在臨床上是一種較為常見的疾病。外耳缺失不僅影響美觀，而且聽力也大受影響。全耳缺損的修復(fù)方法一般有2種：手術(shù)和義耳。手術(shù)再造耳的外形不夠理想，且存在費(fèi)用高，危險(xiǎn)大，周期長，效果不滿意等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CT圖像處理和三維重構(gòu)技術(shù)的迅速發(fā)展，伴隨著快速成型技術(shù)的成熟，兩者結(jié)合為義耳的制作提供了一種新工藝。在頜面修復(fù)領(lǐng)域，義耳贗復(fù)體形態(tài)制作一直存在仿真程度不高的問題?；卺t(yī)學(xué)CT三維重構(gòu)技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到義耳及義耳注型模具的三維模型，采用快速成型技術(shù)進(jìn)行義耳注型模具的快速制作。同時(shí)對(duì)澆注的硅橡膠材料進(jìn)行配色，再利用快速成型制作的義耳注型模具，進(jìn)行義耳贗復(fù)體的真空注型，便可得到幾何形狀仿真度比較滿意的義耳贗復(fù)體。10.5快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

基于螺旋CT圖像的義耳模型構(gòu)建的過程如下圖所示。掃描患者正常一側(cè)的耳朵，將CT數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成DICOM格式，如圖a；使用專用的三維重建軟件將患者