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1、第一章 快速成型技术概论,快速成形技术（RPT）Rapid Prototyping Technology,本章目标,了解快速成型技术的起源和发展历史掌握快速成型的技术特点了解快速成型技术的应用领域了解快速成型技术的发展趋势,1.1 快速成型技术简介,1.2 快速成型技术的应用领域,1.3 快速成型产业现状与趋势,1.1.1 技术背景,1.1.2 发展历史,1.1.3 技术原理,1.1.4 技术优势,1.1.5 技术局限,1.2.1 工业制造,1.2.2 文化创意,1.2.3 生物医疗,1.2.4 其他应用,1.3.1 国际：机遇与挑战并存,1.3.2 国内：后发优势明显,本章内容,快速成型技术
2、（Rapid Prototyping，简称RP），亦通常所说的3D打印技术。该技术诞生于20世纪80年代，不同于传统的通过去除材料来获得零件的方法,基于离散/堆积原理采用不同方法堆积材料最终完成零件的成形与制造的技术，它突破了传统的制造模式，是近20几年来全球制造业领域的一项重大技术成就。,1.1 快速成型技术简介,快速成型技术是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、电子束等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层的堆积和黏结，最终叠加出成型的实体产品。,传统的“材料去除法”加工过程,快速成型技术又称之为增材制造技术,是将之相对于传统的材料去
3、除加工工艺(如传统的车、钳、铣、刨、磨等机械加工工艺,以及锻造、铸造等材料塑性变形制造工艺)。,1.1 快速成型技术简介,快速成型(Rapid Prototyping),快速成形的“材料叠加法”加工过程,产品三维CAD模型,二维,粘接、熔结,1.1 快速成型技术简介,快速成形制造的基本过程,CAD建模 分层层面信息处理层面加工与粘接层层堆积 后处理,根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码,清理零件表面，去除辅助支撑结构,由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型,将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）,成形机制造一系列层片
4、并自动将它们联接起来，得到三维物理实体,1.1 快速成型技术简介,RP技术与传统加工方法的比较,去除成型与添加成型: 去除成型，运用分离的方法，把一部分材料有序的从基体上分离出去的成型方法。传统的机械加工方法，如车、铣、刨、磨、钻、电火花加工和激光线切割等都属于去除成型。 添加成型又称堆积成型，它是利用机械、物理、化学等方式通过按照一定轨迹有序的进行添加材料的方法，最终将所需的产品堆积成型。快速成型技术属于添加成型，它在成型工艺上突破了传统的成型方法，通过快速自动的成型系统与计算机三维数据模型有机的结合，无需任何附加的模具或机械加工，就能快速的制造出各种形状复杂原型或零件。,1.1 快速成型技
5、术简介,RP技术与传统加工方法的比较：,1.1 快速成型技术简介,与传统材料加工技术相比，RP技术具有的鲜明特点： （1）数字化制造，直接CAD模型驱动，如同使用打印机。 （2）高度柔性和适应性。可制造任意复杂形状的零件。 （3）快速。从CAD设计到零件加工完毕，只需几小时。 （4）才来类型丰富且利用率高。 （5）产品单价基本与复杂程度无关。 （6）应用领域广泛。,按照成型方法分类，目前业内常用的快速成型技术主要有以下几种：立体光固化技术（SLA）熔融沉积技术（FDM）选择性激光烧结技术（SLS）三维印刷工艺（3DP）分层实体制造技术（LOM）,1.1 快速成型技术简介,1.1.1 技术背景,
6、快速成型技术的产生，源于以下两个方面：,源于制造业市场的迫切需求；得益于现代科学技术的飞速发展。,制造业竞争剧烈，工业产品设计不同于其他设计，它是对三维、物质实体的设计，难以纸上谈兵，因此要有实际的三维实体模型，快速成型可以取代传统、手工模型的的制作，做到更加准确、快速直观。利用此技术，可以快速的制作出物理原型，进行修改，最短的时间投放市场，抢占市场。另一方面，由于互联网经济的发展，消费者的需求趋于主体化、个性化和多样化，这要求制造技术必须具备较强的灵活性，能以小批量甚至单件的规模进行生产，同时还不明显增加成本。 技术飞速发展：快速成型技术，原理并不复杂，但能够成熟的进行应用，得益于现代技术的
7、高速发展，涉及到一系列的技术：微电子技术、计算机技术、数控技术、激光技术、材料科学，这些技术的发展为快速成型技术提供所需的软硬件基础。,1.1.2 发展历史,1.萌芽期 1860年，法国艺术家Franois Willme申请到了多照相机实体雕塑（Photosculpture）。 该技术将24台照相机绕物体围城一个360度的圆并进行拍照，然后使用与切割机相连的比例绘图仪绘制物体轮廓。1892年，美国人J.E.Blanther的地貌成形（Topography）专利，原理是将地形图轮廓线印在一系列的蜡片上，然后按轮廓线切割蜡片，最后将其粘结在一起，熨平平面，就能得到三维地形图。,快速成型技术并非是一
8、项完全崭新的技术，其核心思想可以追溯到19世纪照相雕塑和地貌成形专利。但，受限于当时材料技术与计算技术等众多因素，这些早期的快速成型技术实践并没有得到广泛的商业化应用。现代意义上的快速成型技术研究始于20世纪70年代，直到80年代，该技术才得以变为现实。,2.奠基期,20世纪最后30年是现代快速成型技术的奠基期，期间，美国、日本、德国、法国的科研人员各自独立的提出了现代快速成型技术的基本概念，即叠加制造的方法产生三维实体的思想，现代成型的核心技术因而相继问世，为商业化应用奠定基础。,1984年，Charles W.Hull发明了光固化成型技术（Sterelithography，简称SLA）并取
9、得专利。该技术利用紫外激光，对液态树脂进行逐点扫描，使被扫描的树脂薄层产生聚合反应，由点逐渐形成线，最终形成零件的整体模型。,1988年，由Hull创立的3D Systems公司生产出世界上第一台现代快速成型机SLA-250，开创了快速成型技术发展的新纪元。除此之外，3D Systems还研发了著名的STL文件格式，该格式已逐渐成为CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准。由于对快速成型技术的开创性贡献，Hull被尊称为“3D打印之父”。,2.奠基期,1986年，分层实体制造成型技术（LOM）由Michael Feygin发明并申请专利，该技术使用薄片材料、激光与热熔胶来进行制件的层压成型。1
10、990年前后，Feygin组建的Helisys公司在美国国家科学基金会的赞助下，研发出第一台投入商用的快速成型机LOM-1015，成为快速成型技术商业化应用的先驱。,2.奠基期,1986年，选择性激光烧结成型技术（SLS）由美国得克萨斯州大学奥斯丁分校的Carl Dechard博士研发成功并获得专利，该技术利用高强度激光将粉末烧结，直至成型。1993年Dechard创立的DTM公司发布了第一台成功的商业SLS设备Sinter station2000。,SLS技术以用高强度的激光烧结粉末的方法来成型制件，潜力巨大，被公认为影响最深远的快速成型技术。,1989年，熔丝堆积成型（Fused Depo
11、sition Modeling，简称FDM）技术由的S.Scott Crump研发成功并申请专利，该技术利用高温，把材料熔化后再喷出重新凝固成型来制作物体。1992年，Crump成立的Stratasys公司开发了第一台商业机型3D-Modeler，成为桌面级快速成型机的鼻祖，目前国内常见的桌面级快速成型机都是基于该技术改进而来的。,1989年，麻省理工学院教授Emanual Saches申请了三维印刷（Three-Dimensional Printing，简称3DP）技术的专利，该技术使用黏结剂，将金属、陶瓷等粉末粘接为成型物体。1995年，麻省理工学院的毕业生Jim Bredt和Tim An
12、derson获得麻省理工大学的授权，改进了3DP技术，并成立了Z Corporation公司，成为彩色快速成型技术领域的先行者。,1984年至2000年，快速成型最核心的4大专利技术SLA、SLS、FDM、3DP相继问世3Dsystems、strategys、EOS等企业开启了快速成型商业化时代，行业由此步入初始发展期。,3.爆发期,“3D打印（3D Printing）”这一名词正式出现于1995年。1996年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation分别推出了Actua2100、Genisys、Z402等机型，第一次使用了“3D打印机”的名称，此后快速成型业内也逐
13、渐接受并使用这个名称，实现了从“快速成型”到“3D打印”的更名。与此同时，随着一系列突破性技术成果的问世，快速成型产业也进入了爆发式增长的阶段。,2005年，Z Corporation公司发布世界第一台使用3DP技术的彩色快速成型机Spectrum Z510，标志着快速成型技术买入彩色时代。,2007年，英国巴斯大学讲师Adrian Bowyer博士开发出世界首台可自我复制的快速成型设备“达尔文”。其是开源项目RepRap的成果，最大的特点是允许任何人使用并改造它，是快速成型设备研发的一个重要里程碑。2009年，首款基于RepRap开源技术的商业化成型机MakerBot推出。,2008年，以色
14、列的Object Geometries公司推出Connex500快速成型机，这是世界第一台可以同时使用多种原材料成型的快速成型设备，开创了混合材料成型的先河。由于混合材料成型理论上可以将多种材料组成的复杂产品一步制作到位，颠覆了传统的加工-组合模式，极大地提高了劳动生产率，因此已成为快速技术研发的热点领域，目前，业界已经能够制造出混合100种以上材料的快速成型机。,2010年，美国Organovo公司研制出全球首台生物材料快速成型机，该成型机能够用人体脂肪或骨髓制造出新的人体组织，使得用快速成型技术制造人体器官成为可能。同年，世界第一辆快速成型技术制造的汽车Urbee问世。,2011年，桌面级
15、快速成型设备收入增速首次超过工业级设备。同年，世界第一架使用快速成型技术制造的飞机由英国南安普顿大学工程师设计、制造并放飞，成为飞机设计行业的一项革命性成就。,2012年，4月，在快速成型产业迅猛发展的大背景下，英国著名经济学杂志经济学人推出了3D打印推动第三次工业革命的封面文章，认为3D打印技术将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”，2012年也因此被称为“3D打印技术的科普元年”。,纵观全球，欧美日等发达国家已将快速成型技术视为实现“再工业化”的重要契机。2012年，美国建立国家增材制造创新研究院（NAMII），将发展快速成型技术提升至国家战略高度； 欧盟及成员国致力于发展金
16、属快速成型技术，相关产业发展和技术均走在世界前列； 俄罗斯凭借在激光领域的技术优势，积极发展激光快速成型技术研究及应用； 日本则全力推进快速成型与制造业的深度融合，意图借助快速成型技术重塑制造业的国际竞争力。2013年以来，快速成型技术已进入爆发式增长阶段，新技术、新材料或者新型应用成果陆续发布。2013年5月，3D打印产业联盟正式成立。,1.1.3 技术原理,快速成型技术集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，能够自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的实物制件， 为产品原型制作、新设计校验等工作提供了一种高效的手段。 整个快速成型过
17、程可分为两大阶段：离散分解阶段与堆积结合阶段。具体过程如下：借助计算机辅助设计或实物逆向工程方法，采集相关原型或零件的几何形状、结构与材料的综合信息，从而获得目标原型的三维模型。对模型进行网格化处理，通过分层操作获取模型各层截面的二维轮廓信息，根据轮廓信息自动生成加工路径。将加工路径输出到快速成型设备，使成型头在成型系统的控制下，沿加工路径逐点、逐面进行材料的“三维堆砌”成型。对成型的制件进行必要的后处理，使其外观、强度和性能达到设计的要求。,快速成型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工思路去除大于制件的毛坯上的材料来得到制件，代之以全新的“增长”加工思路用一层层的小毛坯逐步叠加成大制件，将复杂的
18、三维加工分解成简单的二维加工的组合。,1.1.4 技术优势,1. 无人化制造,2. 高效率制造,3. 个性化制造,4. 不限复杂度制造,1.1.4 技术优势,1. 无人化制造,2. 高效率制造,快速成型是一种完全自动的制造技术。操作者只需在成型之处向快速成型设备输入一些基本的工艺参数，之后就无需干预，成型完成后，设备会自动停止并展示结果；如果成型过程中出现故障，设备也会自动停止，同时发出警示并保留当前数据，实现了真正无人智能化制造。,快速成型集设计与制造为一体，实现了产品开发的快速闭环反馈，大大提高了开发效率。使用STL数据格式，快速成型系统几乎可以和所有的CAD造型系统无缝衔接，计算机根据三
19、维模型的数据就可直接向快速成型设备下达指令，设备根据指令完成模具、原型或零件的加工，整个过程通常只需要几小时到几十小时，而如果使用传统的制模技术，至少需要几个月时间。,1.1.4 技术优势,3. 个性化制造,4. 不限复杂度制造,快速成型无需专用的夹具或工具，具有极高的柔性，这是快速成型技术最重要的特征之一。快速成型系统也是真正的数字化制造系统，只需修改三维模型，或是适当调整加工参数，就可以完成不同类型零件的加工制作。因此，特别适合个性化、小批量的定制生活中应用。,快速成型技术采用的是分层制造方式，即对于任何的三维实体，都可以先将其离散为一系列层片，然后在叠加成型，大大简化了加工过程 ，因此，
20、理论上快速成型技术可以轻松制造具有任意复杂形状及结构的零件，加工中空结构时也不需要考虑刀具干涉问题。,1.1.5 技术局限,1. 制造成本过高,2. 材料受限,3. 制件精度与性能较差,4. 知识产权风险与道德困局,1.2 快速成型技术的应用领域,工业制造,新产品设计与评估,模具快速制造,工业零部件直接制造,文化创意,艺术品设计,文物仿制与修复,个性化定制,生物医疗,病理模型制造,医疗器械制造,移植器官制造,其他应用,房屋建筑,精密仪器生产,新材料研发,服装设计,食品加工,1.3 快速成型产业现状与趋势,1. 产业体系日趋成熟,全球快速成型产业格局已基本形成，据权威机构Wohlers Asso
21、ciates的报告统计：2015年全球快速成型设备市场保有量格局中，欧、美国家占有率67.9%。其中北美国家占有率39.7%，欧洲国家占有率28.2%，均呈现下降趋势；亚洲国家占有率为27.5%，呈现小幅上升趋势。美国设备保有量占有率仍居榜首，为37.8%，相比2014年下降0.3个百分点；德国设备保有量占有率达居其次，为9.6%。,1.3.1 国际：机遇与挑战并存,2. 专业/工业级设备潜力巨大,近年来，随着技术的进步与市场竞争的加剧，概念型快速成型设备的代表桌面级快速成型机仍然受到资本的持续青睐，成为拉动全球快速成型设备销量的主要因素，相比之下，工业级快速成型设备则略显惨淡，根据大数据公司
22、CONTEXT的数据， 2016年上半年全球桌面快速成型设备销量同比增加15%，工业级快速成型设备却减少了15%。但是，尽管桌面级快速成型机在销量增速上占据显著优势，在销售额方面却大为逊色。,3. 金属与生物快速成型成热点,根据CONTEXT发布的数据，2015年全球金属快速成型设备销量增长了35%，2016年上半年同比增长17%，成为快速成型工业级市场逆势上涨的一朵奇葩。而在2016年，在工业级/专业级快速成型设备销量比2015年下滑的同时，销售额却实现了增长，这几乎完全归功于具有更高价格的金属快速成型设备销量的增长。,生物快速成型技术是业界的另一个研发热点，医学模型、组织工程、细胞打印等技
23、术正逐渐获得医学界的认可。2017年，美国肯塔基州的Advanced Solutions公司开发出一种新型生物快速成型机BioAssemblyBot，这款机器操作一个六轴机器人臂，目标是实现可移植人体器官的直接成型。,4. 新材料不断涌现,快速成型材料一直是制约快速成型技术产业化的重要因素，开发性能更好、价格更低的成型材料的需求日益迫切。 智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及上述材料的复合材料等必将不断涌现。未来，快速成型材料的种类、形态将得到进一步拓展，价格会继续下降，而精度、强度、稳定性、安全性也会更加有保障。,5. 新技术层出不穷,研发更快更好的快速成型技术一直是业界的努力方向
24、，近年来，在主流的SLA、LOM、SLS、FDM与3DP工艺日渐完善的同时，新技术也在加速涌现。,2015年4月初，美国Carbon 3D公司展示了一种革命性的快速成型技术连续液界面制造（CLIP）技术。,2016年5月17日，惠普也推出了基于其开发的多射流熔融（Multi-Jet Fusion，简称MJF）技术的快速成型机HP Jet Fusion 3D 3200和HP Jet Fusion 3D 4200。,6.数据处理技术持续优化,目前对快速成型数据处理技术的优化主要包括两个方面，一是开发快速成形的高性能RPM软件，提高数据处理速度和精度；二是开发直接使用CAD原始数据切片的方法，如基于
25、特征的模型直接切片法、曲面分层法等，减少在STL格式转换和切片处理中所产生的精度损失，改善快速成型产品的精度和表面质量。,7. 设备性能不断改进,快速成型设备自身的性能瓶颈是制约快速成型产业化的另一个重要因素，因此，有必要大力改善现有快速成型制作机的制作精度、可靠性和制作能力，提高生产效率，缩短制作周期，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成型件的表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能试验提供平台。,8. 与云计算和物联网相结合,研究人员正致力于提高快速成型网络化服务的研究力度，实现对成型设备的远程控制，用户只需通过网络将产品图纸各部件的分别发送到不同的快
26、速成型设备上，无人值守的快速成型设备就能将产品所有组件一次成型，轻松实现智能化、远程化、分布式制造，省去了物流环节，节约了时间和人工成本。未来，与云计算、智能制造及物联网的紧密结合将会是快速成型技术研发的热点领域，而其开拓出的云制造时代将会彻底改变人类的生产和生活方式。,1.3.2国内：后发优势明显,1. 政策扶持力度加大,2. 自主科研成果丰硕,3. 市场前景广阔,4. 快速成型企业不断涌现,5. 差距和问题,本章小结快速成型技术（Rapid Prototyping，简称RP），亦通常所说的3D打印技术。其诞生于20世纪80年代，是基于材料堆积法的一种革命性的新型制造技术。快速成型技术的发展
27、历史经历了三个时期：萌芽期、奠基期和爆发期。快速成型技术集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一体，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零件，从而为原型生产、零件制造、新设计思想校验等工作提供了一种高效的实现手段。快速成型技术具有高效率、无人化、个性化、不限复杂程度等显著优势，但同时也存在制造成本高、材料受限、质量不稳定与知识产权风险等方面的局限。快速成型技术在工业制造、文化创意、医学科研乃至建筑工程和食品加工等领域有着广泛的应用。,本章小结国际上，快速成型主要有以下几方面的发展趋势：产业体系日趋成熟、专业/工业级设备潜力巨大、金属与生物快速成型技术成热点、新材料和新技术不断涌现、数据处理技术和设备性能不断改进、与云计算和物联网相结合。自20世纪90年代以来，我国快速成型技术研发领域已取得相当的成就，目前已基本形成清华大学颜永年团队、北京航空航天大学王华明团队、西安交通大学卢秉恒团队、华中科技大学史玉升研究团队和西北工业大学黄卫东团队等五大骨干科研力量。在政策的大力扶持下，国内快速成型的市场前景十分广阔，但同时亦存在缺乏成熟商业模式及龙头企业、技术创新相对较少、材料产业相对较弱、设备价格贵且质量差、专业人才严重短缺等瓶颈，阻碍了快速成型技术的进一步推广。,
