快速原型技术及其应用

自从1988年美国3D Systems公司推出第一台商品化快速原型设备SLA250以来的近20年间，快速原型技术在世界范围内得到了高度重视和迅速发展。
国内于20世纪90年代初在国家相关部委、地方政府与科技部门支持下，较快地启动了快速原型技术的研究与开发工作。刚开始时技术引进较多，1994年以来，我国已有20多家企业或机构从国外引进快速原型设备，加快了企业的新产品开发，取得了巨大的经济效益。同时，一些高等院校和研究机构积极开展快速原型技术研究，并取得较大的进展，在典型快速原型工艺的设备商品化、原型材料、控制软件、成型工艺及关键技术等多方面都取得了显著进展，综合技术水平和规模得到了国际同行业的广泛认可。同时，随着我国机械制造行业的复苏，尤其是国内快速原型制造设备质量的提高和销售价格的降低，该项技术在国内的应用近年来也得到了迅速发展，也涌现出来了以该项技术为核心的生产力促进中心等服务机构。
编者所在单位从1997年底开始开展快速原型技术的研究工作，购置了多种快速原型制造设备、反求设备、真空注型设备及UG、CATIA、SURFACER、DEFORM、DYNAFORM、MOLDFLOW、MARC等CAD/CAE/CAM软件，组建了以快速原型技术为核心的产品/模具快速设计与制造集成系统，近8年来，开展了大量的研究工作和广泛的对外服务工作，积累了许多有价值的研究成果和经验。同时，编者也相继开展了快速原型技术的研究生与本科生的教学工作，在传授该项技术过程中积累了较多的文献资料。
本书是据编者多年来从事快速原型技术研究与教学工作的积累编写而成的，内容包括快速原型工艺技术、快速原型设备与材料、快速原型的应用、快速原型工艺实施中的数据处理、基于快速原型的快速模具技术以及以快速原型技术为核心的产品/模具快速设计与制造集成系统等。在本书编写过程中，得到了所在单位同事和研究生们的大力支持，没有同事们多年来的鼎立协助，就没有本书体现出来的内容。
本书内容承蒙山东大学赵国群教授审阅，在此表示感谢。此外，中国矿业大学王延庆同志协助作者进行了本书第12章内容的整理。
由于时间仓促和水平有限，书中内容难免有不恰当之处，敬请读者批评指正。编者
2005年12月

本书完整介绍了目前典型的快速原型技术(包括光固化快速原型技术、叠层实体快速原型技术、选择性激光烧结快速原型技术、熔融沉积快速原型技术等)的原理与特点,以及各种快速原型技术在汽车、航空、电器、医疗等领域的广泛应用,详细阐述了快速原型设备系统、原型制作材料、快速原型工艺实施中的数据处理等知识,尤其重点介绍了基于快速原型的快速模具制造技术以及以快速原型技术为核心的产品/模具快速设计与制造集成系统等内容。
本书可供机械及模具制造领域的工程技术人员参考,也可作为高等院校机械类和材料加工类专业本科与研究生教学的教材和参考书。

第1章概论1
11引言1
12快速原型技术的早期发展2
13快速原型技术市场及学术领域5
14快速原型技术的主要方法及分类6
15快速原型技术的特点及优越性7
151快速原型技术的特点7
152快速原型技术的优越性8
16快速原型技术的发展趋势9
第2章光固化快速原型技术13
21光固化快速原型工艺的基本原理和特点13
211光固化快速原型工艺的基本原理13
212光固化快速原型技术的特点14
22光固化快速原型的工艺过程15
221前处理15
222光固化成型16
223后处理18
23光固化快速原型的激光扫描方法18
24光固化快速原型的支撑结构20
25光固化快速原型的收缩变形21
26光固化快速原型的精度及控制22
27光固化快速原型的制作时间27
28光固化快速原型的应用30
第3章叠层实体快速原型技术32
31叠层实体快速原型工艺的基本原理和特点32
311叠层实体快速原型工艺的基本原理32
312叠层实体快速原型技术的特点33
32叠层实体快速原型的工艺过程34
321叠层实体制造工艺的前处理过程34
322叠层实体制造工艺的分层叠加过程35
323叠层实体制造工艺的后处理过程36
33提高叠层实体快速原型制作质量的措施37
331叠层实体原型制作误差分析37
332提高叠层实体原型制作精度的措施39
34叠层实体制造工艺后置处理中的表面涂覆40
35新型叠层实体快速原型工艺方法42
36叠层实体快速原型的应用44
第4章选择性激光烧结快速原型技术47
41选择性激光烧结工艺的基本原理47
42选择性激光烧结工艺的特点48
43选择性激光烧结工艺49
431高分子粉末材料烧结工艺49
432金属零件间接烧结工艺50
433金属零件直接烧结工艺52
434陶瓷粉末烧结工艺53
44高分子粉末烧结件的后处理54
45选择性激光烧结工艺参数55
46选择性激光烧结工艺的应用56
第5章熔融沉积快速原型技术58
51熔融沉积工艺的基本原理58
52熔融沉积工艺的特点59
53熔融沉积工艺成型过程影响因素分析60
54气压式熔融沉积快速成型系统62
55熔融沉积快速原型技术的应用实例63
第6章其他快速原型工艺66
61三维喷涂粘接工艺66
611三维喷涂粘接工艺的原理66
612三维喷涂粘接工艺的特点66
613三维喷涂粘接技术在陶瓷中的应用67
62光掩膜法69
621光掩膜法的工艺流程69
622光掩膜法的工艺特点70
63弹道微粒制造71
64数码累积成型71
65快速原型工艺方法的选择72
第7章快速原型制造设备74
71光固化快速原型制造设备74
72叠层实体快速原型制造设备78
73选择性激光烧结快速原型制造设备80
74熔融沉积快速原型制造设备82
75三维喷涂粘接设备84
第8章快速原型材料86
81光固化快速原型材料86
82叠层实体快速原型材料89
83熔融沉积快速原型材料89
84选择性激光烧结快速原型材料91
第9章快速原型制造技术的应用93
91引言93
92在产品设计中的应用94
93快速模具的母模96
94在铸造领域的应用97
941熔模铸造98
942直接模壳铸造98
95在医学领域的应用100
第10章快速原型工艺中的数据处理105
101CAD三维模型的构建方法105
1011概念设计105
1012反求工程106
102STL数据文件及处理108
1021STL文件的格式108
1022STL文件的精度111
1023STL文件的纠错处理112
1024STL文件的输出115
1025分割与拼接处理软件119
103三维模型的切片处理及切片软件125
1031切片方法126
1032切片算法128
1033切片软件Magics128
104医学数据与三维CAD转换软件Mimics134
1041Mimics软件简介134
1042Mimics软件应用实例135
第11章基于快速原型的软模快速制造技术139
111快速模具的分类及基本工艺流程139
112硅橡胶模具快速制造技术141
1121硅橡胶模具的特点141
1122基于快速原型的硅橡胶模具制作工艺141
1123硅胶模制作的若干问题143
1124经济型硅胶模制作的一种工艺方法145
1125硅胶模模具的应用146
113电弧喷涂快速模具制造技术147
1131电弧喷涂快速制模工艺147
1132电弧喷涂制模关键技术及工艺参数控制156
1133电弧喷涂模具的注塑应用159
114环氧树脂模具快速制造技术161
1141环氧树脂模具制作工艺162
1142环氧树脂配方163
115纤维增强聚合物压制模164
第12章基于快速原型的金属钢质硬模快速制造技术167
121KeltoolTM法快速制模技术167
1211KeltoolTM法基本原理及工艺流程167
1212KeltoolTM法的工艺特点168
1213KeltoolTM法应用169
122RapidToolTM法快速制模技术169
1221RapidToolTM工艺原理及流程170
1222RapidToolTM工艺特点170
1223RapidToolTM工艺制模材料及设备171
1224RapidToolTM工艺应用172
123DirectToolTM法快速制模技术172
1231DirectToolTM工艺原理及流程172
1232DirectToolTM工艺制模设备172
1233DirectToolTM工艺材料172
124激光近成型技术175
1241激光近成型技术基本原理175
1242激光近成型技术特点175
1243激光近成型技术制模设备及应用176
125ExpressToolTM法快速制模技术177
1251ExpressToolTM法制模工艺流程及相关技术问题177
1252ExpressToolTM法制模工艺特点及应用179
126其他快速制模技术180
1261电铸镍壳陶瓷背衬模（NCC Tooling）180
1262气相沉积镍壳背衬模制造工艺181
1263熔模铸造金属模制造工艺183
1264直接金属三维打印制模技术183
第13章基于快速原型技术的产品快速设计与制造系统185
131基本功能及结构185
132系统软硬件资源186
133产品快速设计与制造系统的构建187
134产品快速设计与制造系统的应用188
1341产品快速设计与制造实例188
1342产品结构优化设计实例192
参考文献194