快速成型技术的原理

快速成型技术的原理、工艺过程及技术特点

2008-08-13 11:08:05| 分类： 工程技术 | 标签： |字号大中小 订阅

快速成型技术的原理、工艺过程及技术特点：

快速成型属于离散／堆积成型。它从成型原理上提出一个全新的思维模式维模型，即将计算机上制作的零件三维模型，进行网格化处理并存储，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，由成型头在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维

坯件．然后进行坯件的后处理，形成零件。

快速成型的工艺过程具体如下：

l ）产品三维模型的构建。由于 RP 系统是由三维 CAD 模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD 该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E , I-DEAS , Solid Works , UG 等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、 CT 断层扫描，得到点云数据，然后利用反求

工程的方法来构造三维模型。

2 ）三维模型的近似处理。由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用 3 个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。 STL 文件有二进制码和 ASCll 码两种输出形式，二进制码输出形式所占的空间比 ASCII 码输出形式的文件所占用的空间小得多，但ASCII码输出形式可以阅读和检查。典型的CAD 软件都带有转换和输出 STL 3 ）三维模型的切片处理。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔一般取0.05mm~0.5mm， 常用 0.1mm 但成型时间也越长，效率就越低，反之则精度低，但效率高。

4 ）成型加工。根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息做扫描

运动，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层相粘结，最终得到原型产品。

5 ）成型零件的后处理。从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高

其强度。

快速成型特术具有以下几个重要特征：

l ）可以制造任意复杂的三维几何实体。由于采用离散／堆积成型的原理．它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加，可实现对任意复杂形状零件的加工。越是复杂的零件越能显示出 RP 技术的优越性此外， RP 技术特

别适合于复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件。

2 ）快速性。通过对一个 CAD 模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工信息。从几个小时到几十个小时就

可制造出零件，具有快速制造的突出特点。

3 ）高度柔性。无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程，快速制造工模具、原型或零件

4 ）快速成型技术实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目标．即材料的提取（气、液固相）过程与制造过程一体

化和设计（CAD ）与制造（ CAM ）一体化

5 ）与反求工程（ Reverse Engineering）、CAD 技术、网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品决速开发的有力工

具。

因此，快速成型技术在制造领域中起着越来越重要的作用，并将对制造业产生重要影响。

快速成型技术的分类：

快速成型技术根据成型方法可分为两类：基于激光及其他光源的成型技术（Laser Technology），例如：光固化成型（SLA ）、分层实体制造（LOM）、选域激光粉末烧结（SLS）、形状沉积成型（SDM）等；基于喷射的成型技术（Technoloy），例如：熔融沉积成型（FDM）、三维印刷（ 3DP ）、多相喷射沉积（ MJD ）。下面对其中比较成熟

的工艺作简单的介绍。

1、SLA（Stereolithogrphy Apparatus）工艺 SLA 工艺也称光造型或立体光刻，由Charles Hul 于 1984 年获美国专利。 1988 年美国 3D System公司推出商品化样机SLA-I，这是世界上第一台快速成型机。SLA 各型成型机机占据着RP 设备市场的较大份额。

SLA 技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合

反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。

SLA工作原理：液槽中盛满液态光固化树脂激光束在偏转镜作用下，能在液态表而上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度．聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后．未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新周化的

一层牢周地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。

SLA 方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法．也是技术上最为成熟的方法。 SLA 工艺成型的零件精度较高，加工精度一般可达到 0.1 mm ，原材料利用率近 100 ％。但这种方法也有白身的局限性，比如需要支撑、树脂收

缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。

2、LOM（Laminated Object Manufacturing，LOM）工艺LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造，由美国Helisys公司的Michael Feygin于 1986 年研制成功。LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接。用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。激光切割完成后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离。供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域。工作合上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚。再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有

截面粘接、切割完。最后，去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。

LOM 工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑

作用，所以 LOM 工艺无需加支撑。缺点是材料浪费严重，表面质量差。

3、SLS（Selective Laser Sintering）工艺 SLS工艺称为选域激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于 1989 年研制成功。 SLS工艺是利用粉末状材料成型的。将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面，并刮平，用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，

并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。

烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到零件。

SLS这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。

4、3DP (Three Dimension Printing）工艺三维印刷工艺是美国麻省理工学院E-manual Sachs等人研制的。已被美国的

Soligen公司以DSPC（Direct Shell Production Casting）名义商品化，用以制造铸造用的陶瓷壳体和型芯。 3DP 工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连结起来

的，而是通过喷头用粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉来上面。

用粘结剂粘接的零件强度较低，还须后处理。先烧掉粘结剂，然后在高温下渗人金属，使零件致密化，提高强度。 5 . FDM （Fused Depostion Modeling）工艺 熔融沉积制造（ FDM ）工艺由美国学者Scott Crump于 1988 年研制成功。 FDM 的材料一般是热塑性材料，如蜡、 ABS 、尼龙等。以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件

截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。

快速成型技术的应用领域：

目前RP技术的发展水平而言，在国内主要是应用于新产品（包括产品的更新换代）开发的设计验证和模拟样品的试制上，即完成从产品的概念设计（或改型设计）--造型设计--结构设计--基本功能评估--模拟样件试制这段开发过程。对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制，或进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视，甚

至将产品小批量组装先行投放市场，达到投石问路的目的。

快速成型的应用主要体现在以下几个方面：

（1）新产品开发过程中的设计验证与功能验证。RP技术可快速地将产品设计的CAD模型转换成物理实物模型，这样可以方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设计中的问题可及时修改。如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期长、费用高。如果不进行设计验证而直接投产，

则一旦存在设计失误，将会造成极大的损失。

（2）可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传，对有限空间的复杂系统，如汽车、卫星、导弹的可制造性和可装配性用RP方法进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度。对于难以确定的复杂零件，可以用RP，技术进行试生产以确定最佳的合理的工艺。此外，RP原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。比

如为客户提供产品样件，进行市场宣传等，快速成型技术已成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。

（3）单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。对于高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料直接快速成型，满足使用要求;对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得。该项应用对航空、（4）快速模具制造。通过各种转换技术将RP原型转换成各种快速模具，如低熔点合金模、硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件的生产，满足产品更新换代快、批量越来越小的发展趋势。快速成型应用的领域几乎包括了

制造领域的各个行业，在医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。

快速成型技术的主要应用各行业的应用状况如下：

◆汽车、摩托车：外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头试制。

◆家电：各种家电产品的外形与结构设计，装配试验与功能验证，市场宣传，模具制造。

◆通讯产品：产品外形与结构设计，装配试验，功能验证，模具制造。

◆航空、航天：特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，发动机的试制、装配试验。

◆轻工业：各种产品的设计、验证、装配，市场宣传，玩具、鞋类模具的快速制造。

◆医疗：医疗器械的设计、试产、试用，CT扫描信息的实物化，手术模拟，人体骨关节的配制。

◆国防：各种武器零部件的设计、装配、试制，特殊零件的直接制作，遥感信息的模型制作。

总之，快速成型技术的发展是近20年来制造领域的突破性进展，它不仅在制造原理上与传统方法迥然不同，更重要的是在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下，RP技术可以缩短产品开发周期，降低开发成本，提高企业的竞争

力。下面通过一些事例，说明该项技术在产品开发过程中起的作用。

1.设计验证：用于新产品外观设计玲证和结构设计验证，找出设计缺陷，完善产品设计。在现代产品设计中，设计手段日趋先进，计算机辅助设计使得产品设计快捷、直观，但由于软件和硬件的局限，设计人员仍无法直观地评价所设计产品的效果和结构的合理性以及生产工艺的可行性。快速成型技术为设计人员迅速得到产品样品，直观评判产品提供了先进的技术手段。我公司为某摩托车生产厂新型250摩托车制作的覆盖件样件，包括油箱、前后挡板、车座和侧盖等共13件。采用AFS成型技术，仅用12天就完成了全部制作。设计人员将样件装在车体上，经过认真评价和反复比较，对产品的外观做了重新修改，达到了理想状态。这一验证过程，使设计更趋完美，避免了盲目投产造成的浪费。

2．装配验证：制出样品实件，进行装配实验。天津某公司委托我方加工传真机外壳及电话。用户不仅要进行外观评价，而且要将传真机的内部部件装入样件中，进行装配实验和结构评价。该公司首先选择传统加工方法，分块加工，手工粘结，仅加工一套电话听筒就耗资肆仟元，耗时20天。预计制作传真机样品需2个月，费用为2?5万元。我公司用快速成型技术，仅用15天就将该产品一套共六件交给委托方。用户在装配实验中发现了7处装配干涉和结构不合理处。将前后两种方法相比，传真机BABS塑料组装样件传统加工方法工序繁多，手工拼接费时、费力，材料浪费大、加工周期长。对复杂的结构和曲面，加工粗糙，尺寸精度低，制作的实物模型与设计模型之间不能建立一一对应的关系，因而在

装配实验中很难检查出设计错误。而自动成型法，高度自动化，一次成型，周期短，精度高，与设计模型之间具有一一

对应的关系，更适合样品组装件的生产和制造。

3．功能验证：我公司为某摩托车厂制作250型双缸摩托车汽缸头。这是一款新设计的发动机，用户需要10件样品进行发动机的模拟实验。该零件具有复杂的内部结构，传统机加工无法加工，只能呆用铸造成型。整个过程需经过开模、制芯、组模、浇铸、喷砂和机加等工序，与实际生产过程相同。其中仅开模一项就需三个月时间。这对于小批量的样品制作无论在时间上还是成木上都是难以接受的。我们采用选区激光烧结技术，以精铸熔模材料为成型材料，在快速成型机上仅用5天即加工出该零件的10件铸造熔模，再经熔模铸造工艺，10天后得到了铸造毛坯。经过必要的机加工，30

天即完成了此款发动机的试制。

4．快速铸造：在制造业特别是航空、航天、国防、汽车等重点行业，共基础的核心部件一般均为金属零件，而且相当多的金属零件是非对称性的、有不规则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件。这些零件的生产常采用铸造或解体加工的方法。在铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模的制造往往是用机加工的方法来完成的，有时还需要钳工进行修整，不仅周期长、耗资大，而且从模具设计到加工制造是一个多环节的复杂过程，咯有失误就会导致全部返工。特别是对一些形状复杂的铸件，如叶片、叶轮、发动机缸体、缸盖等，模具的制造是一个难度更大的问题，即使使用数控加工中心等昂贵的设备，在加工技术与工艺可行性方面仍有很大困难。可以设想，如果遇到此类零件的试制或小批量

生产，其制造周期、成本及风险是相当大的。

激光快速成型技术已被证明是解决小批量复杂零件制造的非常有效的手段。迄今为止，我们己通过激光快速成型成功地生产了包括叶铃、叶片、发动机转子、泵体、发动机缸体、缸盖等千余仕扫盘钻件 我们将快速成型与铸造工艺的结合称为快速铸造工艺。图5给出了快速铸造工艺与传统铸造工艺的比较。由于快速铸造过程无须开模具，因而大大节省了制造周期和费用。图6是采用快速铸造方法生产的燃气二动机S段，零件直径80Omm，高410m们，按传统金属铸件方法制造，模具制造周期约需半年，费用几十万。用快速铸造方法，快速成型铸造熔模7天(分6段组合)铸造10天，费用每件不超过2万(共6件)。用快速成型方法生产的新型坦克增压器的铸造熔模，我们用5天时间就完

成了37件蜡模的生产，使整个试制任务比原计划提前了3个月。

5．翻模成型：实际应用上，很多产品必须通过模具才能加工出来。用成型机先制作出产品样件再翻制模具，是一种既省时又节省费用的方法。发动机泵壳原型件产品用传统机加工方法很难加工，必须通过模具成型。据估算，开模时间要8个月，费用至少30万。如果产品设计有误，整套模具就全部报废。我们用快速成型法为该产品制作了塑料样件，作为模具母模用于翻制硅胶模。将该母模固定于铝标准模框中，浇入配好的硅橡胶，静置12?20打开模框，取出硅橡胶用刀沿预定分型线划开，将母模取出，用于浇铸泵壳蜡型的硅胶模即翻制成功。通过该模制出蜡型，经过涂壳、焙烧、失蜡、加压浇铸、喷砂，一件合格的泵壳铸件在短短的两个月内制造出来，经过必要的机加工，

即可装机运行，使整个试制周期比传统方法缩短了三分之二，费用节省了四分之三。

6．样品制作：制造产品替代品，用于展示新产品，进行市场宣传，如通讯、家电及建筑模型制作等。

7．工艺和材料验证：快速制作各种蜡模，用于精铸新工艺和新型材料的摸索、验证以及新产品制造所需辅助工具及部件的试验。近无余量精铸叶片的实验品。首先按不同收缩率用成型机一次制作几个叶片蜡模，然后涂壳、编号、失蜡铸造。将所得叶片铸件进行测量，反复几次即可确定不同材料无余量精铸收缩率，为批量生产奠定基础。如果用开模具的制作精铸用蜡模四个，编号涂壳，使用不同配比特殊合金，分别浇铸，对所得四件样品进行测试，分别加以比较分析，

即确定材料最佳配方。从制模到取得结果仅需一个月。

8．反求工程与快速成型：成型机成型的一件摩托车的前面板样件，面板上包含了一个前大灯和二个侧灯的外罩，它们与面板构成一个完整的曲面。这是一个用反向工程进行零件详细设计的典型实例。整个工艺过程是首先由模型工根据摩托车的整体形象要求用油泥制作概念模型，经评审满意后用三座标测量仪进行数值化，测量数据用Pro/E软件的Scantools模块进行整理并转换成曲面模型，再转换成实体模型并进"细节"计。糟加筋、孔和车孔的轮廓等结构，最后由成型机制作出样件模型，经过打磨和喷漆的处理后装在摩托车上进行外观、装配等检验，整个过程从完成三座标测量到得到样件仅用一周时间。此时得到的样件模型巴不同于最初的油泥模型，而成为与实际零件壁厚、尺寸一致，筋、孔等结构齐全的零件模型，这比油泥模型无疑是一个很大的进步。如果这时需对模型进行修改，只需在CAD系统上就可完

成。当模型的外观和细部结构确定无误后，就可利用最后的模型数据进行模具设计和加工。

FDM技术描述

FDM技术是由Stratasys公司所设计与制造，可应用于一系列的系统中。这些系统为FDM Maxum，FDM Titan，Plus以及Dimension。FDM技术利用ABS，polycarbonate(PC)，polyphenylsulfone (PPSF)以及其它材料。这些热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝，由沉积在层层堆栈基础上的方式，从3D CAD资料直接建构原型。该技术通常

应用于塑型，装配，功能性测试以及概念设计。此外，FDM技术可以应用于打样与快速制造。

图1 FDM技术喷嘴示意图

FDM 术语

WaterWorks(水溶性支撑): 可以分解于碱性水溶剂的可溶解性支撑结构。

Break Away Support Structure (BASS) (易剥离性支撑): 水溶性支撑的前身，需要手动剥离工件表面的支撑。

Tip(喷嘴): 挤压成型用的喷嘴。喷嘴提供各种不同的孔径让使用者选择。

Road(线材):在喷嘴的单一路径中所挤压成型的材料。可由喷嘴尺寸与材料进几率控制。

物理属性

符合原型应用的物理需求，大概是选择快速原型技术的最重要因素。快速原型的物理属性将定义他的品质并决定赋予的

应用成败。

工程材料属性

当询问到重要性的排序，快速原型的使用者通常会声明材料属性是最重要的考虑。致力于工业需求，符合这些预期用来生产的材料的材料属性是很重要的。而这是FDM技术最重要的强项之一。当Stratasys公司制造用于FDM技术的所有

材料，每一项都是从商业上可用的热塑性树脂来生产。

ABS: 所有的FDM系列产品都提供ABS作为材料选项，而接近90%的FDM原型都是由这种材料制造。使用者报告说ABS的原型可以达到注塑ABS成型强度的80%。而其它属性，例如耐热性与抗化学性，也是近似或是相当于注塑成型

的工件，其耐热度为摄氏93.3度。这让ABS成为功能性测试应用的广泛使用材料。

Polycarbonate: 可以在Titan机型上使用的一种新式RP材料--polycarbonate –正在快速成长。增加强度的

polycarbonate比ABS材料生产的原型更经得起力量与负载。许多使用者相信该材料生产的原型可以达到注塑ABS成

型的强度特性，其耐热度为摄氏125度。

其它材料: FDM技术还有其它的专用材料。这些包含polyphenylsulfone、橡胶材质以及蜡材。橡胶材质是用来作类似橡胶特性的功能性原型。蜡材是特别设计来建立脱蜡铸造的样品。蜡材的属性让FDM的样品可以用来生产类似铸造厂中的传统蜡模。Polyphenylsulfone，一种应用于Titan机型的新工程材料，提供高耐热性与抗化学性以及强度与硬度，其

耐热度为摄氏207.2度。

图2 PPSF耐高温工程材料应用于咖啡壶设计

Stratasys宣布已经针对FDM快速原型系统Titan发表PPSF材料。在各种快速原型材料之中，PPSF (或是称为

polyphenylsulfone)有着最高的强韧性、耐热性、以及抗化学性。

航天工业、汽车工业以及医疗产品业的生产制造商是第一批期待使用这种PPSF材料的用户。航天业将会喜欢该材料的难燃属性；汽车制造业也非常想应用其抗化学性以及在400度以上还能持续运作的能力；而医疗产品制造商将对PPSF

材质的原型可以进行消毒的能力感到兴趣。

测试单位，Parker Hannifin安装了一个PPSF作的模型到汽车引擎中。该零件是一个名为crankcase vapor coalescer的过滤器，装在一组V8引擎并作40 小时的测试以决定过滤器媒介的效能。该零件收集的燃气包含有160燃料，油烟，以及其它燃烧的化学反应生成物。Parker Hannifin的Russ Jensen说，“该装配件并没有产生外漏，并且

其展现出与第一次装配时相同的强度与属性。我们相当满意它的表现。”

测试单位，MSOE (Milwaukee School of Engineering)的操作经理Sheku Kamara，同样地很满意该新材料。“当在玻璃熔融的450度时，在各种快速原型材料之中，PPSF材料还拥有着除了金属之外最高的操作温度以及坚硬度，”他说。“在

粘着剂测试期间，PPSF原型零件遭受于温度从14度到392度的考验且依然保持完整。”

颜色

包含最常用到的白色，ABS提供六种材料颜色。色彩的选项包含蓝色，黄色，红色，绿色与黑色。医学等级的ABSi 提

供针对于半透明的应用，例如汽车车灯的透明红色或是黄色。

图3、4 彩色模型装配件

属性稳定度

不像SLA以及PolyJet的树脂，FDM材料的材料属性不会随着时间与环境曝晒而改变。就像是注塑成型的副本，这些

材料几乎在任何环境下都会保持他们的强度，硬度以及色彩。

精准性

快速原型的尺寸精度取决于许多因素，而其结果可能会因为每个工件或是不同日期而有些微小变化。需要考虑的事情必须包含已知的条件，例如量测的时间范围，工件的拚约盎肪车钠厣埂axum，Titan以及Prodigy Plus精准度资料详见附表一。精度测试工件如图5、6所示，在每一台机器中均用层厚0.18 mm所建构以形成目前的精准性资料。

图5 图标的工件试用来比较精准性

图6 所示的测试工件是用来做尺寸精度及运作时间分析。该工件是由FDM Titan在层厚0.18mm时所制作的。

MAXUM TITAN PRODIGY

理论尺寸 实际尺寸 百分比 理论尺寸 百分比 理论尺寸 百分比

A 76.2 76.2 0.00 76.2 0.00 76.1 0.17

B 25.4 25.5 0.30 25.5 0.40 25.6 0.60

C 152.4 152.4 0.00 152.3 0.08 152.4 0.00

D 2.54 2.51 1.00 2.54 0.00 2.54 0.00

E 76.2 76.15 0.07 76.07 0.17 76.12 0.10

F 101.6 101.57 0.02 101.42 0.18 101.50 0.10

G 25.4 25.48 0.30 25.50 0.40 25.55 0.60

H1 12.7 12.62 0.60 12.65 0.40 12.55 1.20

H2 12.7 12.62 0.60 12.67 0.20 12.55 1.20

I 12.7 12.67 0.20 12.7 0.00 12.62 0.60

J 6.35 6.43 1.20 6.55 3.05 6.48 2.00

K 12.7 12.67 0.20 12.78 0.60 12.78 0.60

表1为Maxum、Titan以及Prodigy Plus的尺寸精度资料。所有的测试零件均用层厚0.18mm所建构。(单位：mm)

工件建构

一般而言，FDM技术所提供的准确性通常相等或是优于SLA技术以及PolyJet技术，且确定优于SLS技术。然而，由于精准性是取决于许多的因素，所以矛盾的结果便会发生在个别的原型上。FDM技术的精准性受到较少的变量影响。用SLA，SLS以及PolyJet技术，尺寸精准性会受影响的因素有机器的校正，操作的技巧，工件的成型方向与位置，材

料的年限以及收缩率。

Z轴

这并非一定都会这样，Z轴可能是被证明准确性最小的。除了先前所讨论的变化之外，原型的高度可能由于层厚整数误差而改变。对所有的RP系统而言都是这样的。任何特征的表面顶端或是底端无法对齐成为一层时，在软件中的切层算法会将尺寸整数化到最接近的层厚数。在最坏的情形下，一端的表面往下整数化而另一端向上，对于典型的FDM参数，这可能会产生的误差至少为0.127mm。

稳定性

尺寸的稳定性是FDM原型的关键优势，如同SLS技术，时间与环境的曝晒都不会改变工件的尺寸或其他的特征。一但

原型从FDM系统分离，当它达到室内温度后，尺寸是固定不变的。如果温度度数变化，用SLA 或是PolyJet技术则不

是这样的情形。

图7 大型工件的尺寸稳定

成本预估

机型：Stratasys FDM Maxum

材料费：(按每年用量100KG计算)

100kg*36%=36kg(应用省料加工办法)

36kg*2400元/千克=86400元

喷嘴更换费：

每年需更换1次,两个喷嘴,单价150美元,折合人民币约1239元

150*8.26*2=2478元

基板费用:每年需20张,总计232美元,折合人民币共1916元

综合预估每年使用成本为90794元(人工费及电费未计)

EOS /3D SYSTEM

材料费:(按每年用量100KG计算)

100kg*1000元/千克=100000元

由于SLS是粉末烧结的成型原理,故无法应用省料加工技术。

而SLA需要一缸料（200KG以上）作为“底料”，使用过程中再添加新料。

100KG*2400元/KG=240000元，国产材料500-800元/KG，但材料性能与进口材料相比较差很多。

激光器更换费用：

每个激光器保用时间为5000小时,按每月25天,每天工作16小时计算

每年需更换一次,每次更换费用为20000美圆,折合人民币计165400元

平均每年费用165400圆

氮气消耗费用

氮气消耗量2天/瓶,每瓶单价200圆

每天100圆成本,每年需30000圆(每月25天*12个月)

恒温恒湿房间费用

建房费用：200000圆

维护费用：100圆/天

SLS综合预估每年使用成本为331900圆(人工费及电费未计)

SLA综合预估每年使用成本为431900圆(人工费及电费未计)

综合评比:

~FDM通过软件控制,可以采用省料加工技术,可降低64%材料消耗,并可提高2.5倍加工速度

~根据我厂提供的数据加工的样件,精度为0.127mm,是各个厂家中最高的.

~综合使用成本预估,FDM为82982元/年,使用成本较低

后处理输出

许多RP件都需要手工完成工件的光滑性。例如，SLA需要从工件表面手动移除支撑结构，且工件表面需要一些手工打

磨。这表示工件的精准性不再只是受到系统精度的作用。它现在是受到后处理技师的技术等级所控制。

对于塑型，装配以及功能性原型，多数的使用者发现FDM工件的表面精度是可以接受的。那么，当结合了水溶性支撑

以及易剥离支撑，表示FDM原型的精准性不会受到手工的改变。当然，如果需要翻硅胶模用或是喷漆用的表面精度，FDM工件将需要后处理，如同其它的技术一样。既然这样，工件后处理技师的技艺在可以做到的原型精度上扮演了一

个关键的角色。

图8 模型可烤漆 图9 模型可以真空电镀

表面完工精度

受到使用者与Stratasys公司双方的公认，FDM技术最明显的限制就是表面完工精度。由于是半熔融状态塑料挤制成型表面完工精度比SLA与PolyJet还要粗糙，而与SLS不相上下。当由较小的线材宽度与较薄的层厚来改进表面完工精度时，仍然可以在顶端，底面，以及侧墙看出经过挤压喷嘴的等高线轮廓与建构层厚。表2所列的为Maxum与Titan

的表面完工精度。为了改善表面完工精度，Maxum与Titan现在都提供0.127 mm层厚。

使用者发现工件的成型方向，可以满足考虑表面完工精度需求。这些要求较高完工精度的表面通常以垂直方向成型。较不重要的表面通常以水平方向成型，就像是底端或是顶端的表面。如同其它技术，二次加工(后处理输出)可以用来使之相同。然而，ABS与polycarbonate材料的硬度让打磨耗费人力。使用者通常使用溶剂或用是粘结剂完成或是预备用打磨。商业上可用的这些介质包含有熔接，ABS快干胶，Acetone 以及two-part epoxies。要符合足够的精度，FDM技术与竞争对手的产品都可以提供翻硅胶模用或是喷漆用的表面。这关键的差异是要花费多少时间才能达到要求的结果。Maxum Ra(μin) Titan Ra(μin)

顶面未处理表面已处理表面

550275 475150

侧面未处理表面已处理表面

450200 425175

底面未处理表面已处理表面

550125 575100

表2：Maxum和Titan的表面精度资料。所有的测试零件均用层厚0.18mm所建构。

特征定义

尽管高阶的FDM系统可以生产较小的特征，大多数FDM原型的最小特征尺寸受限于两倍线材宽度。没有使用者的介入FDM技术使用的”closed path”选项会限制最小特征尺寸为两倍挤压成型喷组的宽度。对于一般喷嘴与建造参数而言，最小特征尺寸范围从0.4到 0.6 mm。尽管大于SLA与PolyJet的最小特征尺寸，但是该范围是与这些技术的可用最小特

征尺寸相同。

尽管SLA技术可以建造小到0.08 (Viper si2机种)或0.25 mm (所有机种)，以及PolyJet技术可以建造小到0.04mm，几乎很少原型会用到这些极小值的优势来作最小的细节。考虑到材料属性，通常发现SLA技术与PolyJet技术的原型常用最小特征尺寸为0.5mm。FDM技术的最小特征尺寸相等于或是优于SLS技术的0.6到 0.8 mm。由于材料属性相似于

注塑成型的ABS或是polycarbonate，FDM技术可以给予功能性特征尺寸在0.4到 0.6 mm范围中。

环境抵抗力

FDM原型提供的材料性质相似于热塑性材料。这包含了环境的与化学的曝晒。对ABS材料而言，使用者可以实验他们的原型在93度的温度下以及包含石油，汽油以及甚至某些酸类等的化学媒介。一关键的考虑为水气的曝晒，包括浸没与湿气。SLA技术与PolyJet技术使用的光敏树脂对于潮湿水气敏感且会受到伤害。暴晒在水中或是湿气中不只会影响原型的机械属性，也会影响尺寸精度。当光敏树脂的原型吸收了水气之后，他们将会开始软化并且变的有点易于弯曲。而且，工件会有翘曲或是膨胀的倾向，这会严重影响尺寸的精度。FDM技术的原型，以及SLS技术的原型，都不受湿

气影响，所以他们可以保持原有的机械属性以及尺寸精度。

机械加工

FDM原型可以进行铣床加工，钻孔，研磨，车床加工等。为了补偿表面精度不足并加强特征细节，当有特殊的品质需

求时，使用者通常会进行二次加工来提升原型的细节。

图10 原型上可进行加工处理，如锁螺丝

操作上的考虑

在考虑原型的物理属性之后，注意力应该转移至操作的参数上。下列领域可以影响到原型在预期应用上的使用。

工件尺寸

不像某些快速原型技术，广告中FDM技术的建造范围就是最大的工件尺寸。在家族系列产品中，FDM技术提供了广泛的建造范围。Maxum，最超大型，所提供的工件尺寸可达600 x 500 x 600 mm。这样的建造范围与最大型的SLA系统相同。Titan，则提供最大的工件尺寸为406 x 355 x 406 mm。这样的建造范围稍微大于SLS Sinterstations系统。Plus，办公室桌上型，拥有的建造范围为203 x 203 x 305 mm，该尺寸稍微大于PolyJet系统以及最小型的SLA当使用具竞争性的技术时，快速原型超过建造范围的部分通常分段建构然后作粘结。使用商业上可用ABS快干胶，FDM工件的粘和强度可以满足功能性测试的应用。此外，FDM工件可以使用超音波熔接，这种选项无法使用在SLA以及

PolyJet，因为他们不是使用热塑性材料。

支撑结构

在FDM技术中，需要支撑结构来形成基底以制作工件并支撑任何超过悬挂的特征。在工件的接口，支撑材料的坚固堆层已经放下。在这坚固堆层下，线材为0.5mm且在间隔为3.8mm下沉积。FDM技术提供两种类型的支撑--易于剥离支撑结构(BASS)以及水溶性支撑结构(WaterWorks)。BASS支撑是由手工将支撑从工件表面剥离以移除。当他们不想损

坏工件表面，考虑的是必须要容易进入与接近细小特征。

水溶性支撑(WaterWorks)是使用水溶性材料，可分解于碱性水溶剂的解决方案。不像是易于剥离支撑(BASS)，该支撑可以任意坐落于工件深处地嵌壁式的区域，或是接触于细小特征，因为机械式的移除方式是可以不加考虑的。此外，水溶性支撑可以保护细小特征。在其它的快速原型技术中，他们要如何移除支撑而不造成特征损坏，是一项极大挑战。 一体成型的装配件

随着水溶性支撑的出现，FDM技术提供了一项独特的解决方案--建构可运转的一体成型装配件。因为水溶性支撑可以进行分解，一个多件的装配件可以在一次机械运转中建构完成。当多件的装配件可以在SLS或是PolyJet中实行时，要小心地考虑到残留在原件之间的材料。举例来说，如图3所示的FDM技术的脑型齿轮组，可以不用手工劳动就能完成并用一些时间就能将水溶性支撑进行分解。用SLS技术制作这样相同的工件，可能需要一个小时以上的手工劳动来清除齿轮与轴柄之件的粉末。有了水溶性支撑，整个装配件的CAD资料可以当作一个工件处理。同样地，也不需要手工劳动

或是时间进行工件的装配。

图11 脑型齿轮利用水溶性支撑以一体成型的方式建构而不用考虑手动移除支撑

运行时间

运行时间在FDM技术制程中明显地取决于不同的因素。这样提供所有工件在所有的制作时间比较表是不可能的。一般来说，FDM技术的运行时间比起SLA技术与SLS技术是需要略久一些的时间，而跟PolyJet表3表示运行时间的是针对于图1所作的精准性测试工件进行纪录。所有工件采用0.25 mm层厚所建构。

FDM系统 时数

Maxum 2.2

Titan 2.7

Prodigy Plus 4.2

表3表示运行时间

FDM技术的运行时间是由工件的材料容积以及支撑结构来定义。不像SLA，SLS 或是 PolyJet，Z轴高度都不影响时间。工件的材料总额与材料沉积率都是决定FDM技术运行时间的重要因素。材料沉积率是喷嘴尺寸，线材宽度以及层厚的作用。较小的层厚与喷嘴将会增进特征细节与表面完工精度，而建造时间会增加。额外的考虑是FDM技术的运行时间不因材料不同而有变化。而对于SLA技术与SLS技术，运行时间是取决于材料种类并且会有20%以上的变化。为了减少运行时间，FDM系统提供了”稀疏填充”(轻量化技术)的选项。线材的间隔为3.8 mm且在每一层会交替线材的方向，所以材料的总额与建构时间都会减少。

既然FDM技术的运行时间都不受Z轴高度影响，除了任何额外支撑材料之外，工件的成型方向可以为了最佳的品质而不造成时间损失。在其它每一项技术之中，通常时间与品质两者不可兼得，当以Z轴为最低的成型方向时可以减少建构

时间，但是特征的品质较差。

还有需要考虑的是FDM技术不需要显著的时间去暖机到运行温度或是去让完成的工件冷却。在SLS或SLA技术制程中，系统每运行一次的预先暖机与输出冷却都需要增加2到4个小时。并且在SLA技术制程中，制作出来的原形件需要用酒精或丙酮清洗掉表面的液体树脂，然后放到紫外光固化箱中进行二次固化。在SLS技术制程中，制作出来的原形

件需要“清粉”、浸蜡处理。以上这些费时、费力的后处理过程FDM都不需要。

设备使用环境

快速成型设备最好能放置于电脑设计室内以便于工作，要求设备无烟尘、无震动和噪音并且材料安全无毒。而光敏树脂（SLA）液态原材料有毒，需特别小心处理，并且需配置抽风系统，以抽除建模过程中产生之毒烟；而粉末材料（SLS需配备抽风系统、吸尘设备、防尘箱及氮气发生系统；纸张（LOM）只有美国Stratasys公司的FDM快速成型机只需要在一般办公室环境下操作。

应用范围

概念模型

许多FDM技术的使用者把该技术当作设计的周边。就本身而言，为了在制程早期就能审核与确认设计概念，该技术已经变得另一种与CAD系统连结并驱动的工具。由于这样的应用，FDM技术都是作为概念模型工具以清楚地传达日益精致与复杂的设计。当FDM技术无法从概念模型中提供预期的速度，它提供了结合概念模型与视觉应用的优势。这些强处包含精准性，材料属性，色彩以及免用手动工件后处理。尽管材料强度与硬度并非概念模型的关键，但是它通常值得关注，因为脆弱的模型通常在最不适当的时机破裂。FDM技术的模型也应用于销售与行销，包含内部与外部。对内，FDM技术的原型是用来给销售团队，管理阶层以及其它员工在开始制造之前看一眼产品长相。对外，原型是用来在产

品作商品化之前引起预期客户的兴奋与兴趣。

塑型，装配以及功能性模型

对许多技术而言，快速原型的应用在塑型，装配以及功能性分析方面时需要作某些方面的牺牲。尽管SLA技术与PolyJet技术提供较好的细节，精准度与表面加工精度，但是他们无法提供必要的强度与硬度。同样地，SLS技术提供强度而牺牲精准性与细节。对于FDM技术，使用ABS与 polycarbonate以进行注塑成型塑料工件的功能性分析。尽管未经后处理的工件也许没有生产成品一般的表面精度，但是仍有许多不受此妨碍的应用。再者，表面加工精度相对于其它因素例如尺寸稳定性，耐热性与抗化学性而言，通常是比较次要的。

图12 FDM原型组装测试

修整样品

快速原型可以用来作为建立模具的样品。不像其它快速原型技术，FDM技术可以成功地用来制作样品。然而，必须考虑表面加工精度与工件后处理到可以作为母模所需时间。脱蜡铸造是样品的额外用途，样品必须能在他们自己所建立陶砂壳模之中燃烧消耗掉。FDM技术制程所建构的蜡模与ABS模都被证实适合应用在陶砂壳模之中燃烧消耗的标准铸造

流程。

快速制造(少量多样)

快速原型激起对于短期制造的兴趣，对于少到只有一个单位的订单都很合算。这样的应用需要工件在许多领域都符合功能性规格。在FDM技术的精准性与材料属性都是可用之际，它是少数致力于该应用的技术之一。当尚未经过最后加工修饰的FDM工件可能受限使用于可视化，装饰的应用，但不受妨碍它去作为内部组件，或是那些不需要艺术吸引力的用途。对于快速制造的应用，运行时间将会成为一项重要的考虑。然而，就像几位使用者的证明，为数不多的工件运行

时间是明显地少于生产模具与成品所需要的总时间。

总结

获得快速原型技术的强处与弱势信息是做出睿智抉择的第一步。尽管目前的信息十分完整，也不可能包含各种应用的需

求。所以下一步是评估应用的必要需求以及持续从其它来源处取得信息。要记得，没有任何技术可以适合各种处境。必

须选择最合适的工具以满足手边的工作。