配置快速成型（3D打印）的重大意义

21世纪是以知识经济和信息社会为特征的时代，制造业面临信息社会中瞬息万变的市场对产品要求的严峻挑战。在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。直接从计算机模型产生三维物体的快速成形技术，是由现代设计和现代制造技术迅速发展的需求应运而生的，它涉及机械工程、自动控制、激光、计算机、材料等多个学科，近年来，该技术迅速在工业造型、制造、建筑、艺术、医学、通讯、航空、航天、考古和影视等领域得到良好的应用。快速成形/快速制模/快速制造技术为企业提高竞争力提供了一种先进的手段。

快速成型技术的出现为制造企业满足个性化的需求和产品的快速推出提供了可能性，由于快速成型技术不采用传统的加工机床和工具模具，零件自由成型，只要通过计算机作出零件的三维模型，就能在工作台上实现零件的制造，如果产品设计有改动，只需在计算机中修改模型，不需要重新设计工装夹具，很快制造出实体零件，大大缩短了产品的制作时间和投放市场的时间，几个星期甚至几天内就可交出样品，为传统工艺的10~30%，成本降为20~35%。

中电38所是面向通讯科技的产品研发单位，围绕产品创新设计各阶段设计支撑技术，建立与完善以工业设计、结构设计、分折仿真、模具设计、快速成型的协同技术体系、技术服务体系。快速成型项目能为工业创意设计成果向制造业转化提供不可或缺的重要保证；能为产品的开发设计提供有力的技术支持。

二、快速成型制造技术应用

   快速成型技术(RapidPrototyping，简称RP)，又称3D打印、增材制造，是20世纪80年代中后期发展起来的新型数字制造工艺技术。RP技术的加工原理是基于离散堆积成形思想，由CAD模型直接驱动，把零件的三维数字模型进行离散化，然后按照数字积分的思路进行逐层加工，以快速完成任意复杂形状三维实体零件的制作加工。快速成型的加工过程可分为前期的数据处理（离散）和之后的物理实现（堆积）两个阶段（图1）：在离散过程中，将零件的三维CAD模型沿一定方向分解得到一系列的截面数据，在此基础上获得控制成型头的运动轨迹；在堆积过程中，成型头在运动轨迹的控制下，逐层加工出零件的每一个截面，如此反复进行层层截面的堆积连接，最终获得加工零件。

与传统的切削加工去除成型的减法原理不同，这种基于离散的增长方式成型技术是以加法的方式来获得产品，可直接从CAD 文件快速地制作产品物理原型（样件），用以验证产品外观造型、零件装配关系或进行功能试验，从而提供了一种可测量、可触摸的直观手段，改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品的开发周期。快速成型技术是继数控技术（NC）之后制造业的又一次重大革命。

1.快速成型技术的工艺特点和应用方向
RP采用逐层材料累加法加工实体模型，也称为增材制造(MaterialIncressManufacturing,MIM)或分层制造技术(LayeredManufacturing Technonogy，LMT)，这种特殊的加工方式决定了它具有以下与传统加工方法完全迥然的技术特性：
1）高度韧性：可以制造任意复杂形状的三维实体。加工过程无需进行刀具、模具或工装夹具等生产准备，对于不同的零件模型，只需重新输入CAD数据，或调整设置不同的工艺参数即可，其单件生产成本几乎与产品的复杂程度和产品批量无关。
2）CAD/CAM高度一体化：RP技术由CAD模型直接驱动，不同的零件生产无需考虑专用工具和工装的设计使用，可避免中间繁琐的CAPP瓶颈，制作过程完全数字化，真正实现了CAD/CAM之间的无缝衔接。
3）成型全过程的快速性：从CAD设计到原型零件制成，一般只需几个小时至几十个小时，即可得到高精度和高还原性的产品，远远超出了传统加工得到产品的速度。
4）高度自动化： 工艺过程全自动，加工过程无需人员干预，零件加载后，设备可作无人值守工作。
从上世纪80年代以来，RP技术发展迅速，广泛应用于汽车、航空航天、医学、轻工等诸多方面，其运用方向主要有三个方面（图2）：
1. 模型（Models）：RP技术成功地解决了三维造型“看得见，摸不着”的问题，其最大特点是能以最快的速度将设计思想转变为具有一定结构功能的产品原型，使设计模型从“看得见”(三维数模)到“摸得着”(实体模型)。因此RP技术一个主要的作用是还原设计思想，快速获得概念产品，侧重于外观的还原和展示效果，通常用于新产品的销售演示和市场推广，测试市场反应，从而提高新产品开发的市场反应速度，降低开发风险。
2. 原型（Prototype）：利用RP技术得到的快速原型，可以对产品的可装配性及可制造性两方面进行充分评估。由于RP技术的CAD/CAM的高度一体性，它不仅可以快速的还原产品外观，也同样能够快速制得产品零件和结构部件，对于开发结构复杂的新产品(如汽车、飞机、卫星、导弹等),可事先验证零件的可制造性、零件之间的相互关系以及部件的可装配性。对产品进行结构、装配的验证和分析，对产品设计进行快速评估、测试，缩短产品开发的研制周期，减少开发费用，提高参与市场竞争的能力。
此外，产品原型的快速获得，以此为基础还能对后期的产品模具设计、生产工艺、装配流程，甚至是批生产工夹具的设计等后续制造进程进行校核和测评，避免进入批生产流程之后由于设计缺陷可能导致的生产问题和巨大损失，从而能以最快的速度、最低的成本和最好的品质将产品投入市场。事实上，如果研发/生产体系结合得当，快速成型技术将成为实现并行工程和敏捷制造一个非常有效的技术手段。
3. 单元制造/ 小批量直接生产（Parts）：使用间接制模的方法，结合各种转换技术将RP原型转换成各种快速模具，如硅胶模技术、RIM技术、消失模铸造等，可便捷的实现单件或小批量产品生产，满足产品更新换代快、批量小的发展趋势。

2.快速成型技术在航空航天领域的应用

航空航天产品具有形状复杂、批量小、零件规格差异大、可靠性要求高等特点，它产品的定型是一个复杂而精密的过程，往往需要多次的设计、测试和改进，耗资大、耗时长，RP技术以其灵活多样的工艺方法和技术优势，使其在现代航空航天产品的研制与开发中具有独特的应用前景。在各类已经商业化运用的快速成型工艺中，熔融沉积成型技术FDM（Fused Deposition Modeling）技术应用最为成熟，是工业领域中应用最广、最主流的RP技术。

案例1.FORTUS系统 成功案例飞机起落架设计

起落架是航空器下部用于起飞降落或地面（或水面）滑行时支撑航空器并用于地面（或水面）移动的附件装置。

目前大部份飞机都是采用前三点式起落架，起落架有一组鼻轮和两组主轮支撑整个飞机，飞机重心位于主轮之前。前三点式起落架比后三点式起落架最大的优点是前者能使飞机处于水平或接近水平的状态，当飞机在地面时不会影响飞行员的视野，喷射发动机所排出的高温废气不会因为飞机不是处于水平状态而直接喷向跑道铺面，对跑道的负面影响较少。起落架是惟一一个支撑整架飞机的部件，因此它是飞机不可分缺的一部份；没有它，飞机便不能移动。当飞机起飞后，可以视飞机性能而收回起落架。

任务挑战:缩短机构设计验证时间

1.比例飞机机种繁多，需要频繁地进行不同款式机种的起落架设计。

2.需要实体验证飞机起落架机构设计，包含放出与回收的动作。

3.面对市场竞争，客户需要更快速的工具来完成验证。

4.希望使用材料强度好的快速原型成品，满足少量多样及耐候的需求。

5.需要快速设计各种理论的机构进行反复测试。

解决方案:FORTUS系统工程材料快速原型制造系统。

设计师指出FORTUS系统 工程材料快速原型制造系统优势：

1. 机构组件所使用的FORTUS系统 ABS 工程材料，具有高强韧性、耐候不变形的特性，

非常适合进行少量生产制作，工件可以组装测试机构使用。

2. 对于设计人员而言，与传统CNC 相比，不需要任何加工经验与技术，即可再

计算机旁快速输出各种机构设计组件，不受加工程序限制。

3. 大幅缩短设计变更时间，上午设计变更完成，下午就能进行测试。

配置快速成型（3D打印）的重大意义

21世纪是以知识经济和信息社会为特征的时代，制造业面临信息社会中瞬息万变的市场对产品要求的严峻挑战。在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。直接从计算机模型产生三维物体的快速成形技术，是由现代设计和现代制造技术迅速发展的需求应运而生的，它涉及机械工程、自动控制、激光、计算机、材料等多个学科，近年来，该技术迅速在工业造型、制造、建筑、艺术、医学、通讯、航空、航天、考古和影视等领域得到良好的应用。快速成形/快速制模/快速制造技术为企业提高竞争力提供了一种先进的手段。

快速成型技术的出现为制造企业满足个性化的需求和产品的快速推出提供了可能性，由于快速成型技术不采用传统的加工机床和工具模具，零件自由成型，只要通过计算机作出零件的三维模型，就能在工作台上实现零件的制造，如果产品设计有改动，只需在计算机中修改模型，不需要重新设计工装夹具，很快制造出实体零件，大大缩短了产品的制作时间和投放市场的时间，几个星期甚至几天内就可交出样品，为传统工艺的10~30%，成本降为20~35%。

中电38所是面向通讯科技的产品研发单位，围绕产品创新设计各阶段设计支撑技术，建立与完善以工业设计、结构设计、分折仿真、模具设计、快速成型的协同技术体系、技术服务体系。快速成型项目能为工业创意设计成果向制造业转化提供不可或缺的重要保证；能为产品的开发设计提供有力的技术支持。

二、快速成型制造技术应用

   快速成型技术(RapidPrototyping，简称RP)，又称3D打印、增材制造，是20世纪80年代中后期发展起来的新型数字制造工艺技术。RP技术的加工原理是基于离散堆积成形思想，由CAD模型直接驱动，把零件的三维数字模型进行离散化，然后按照数字积分的思路进行逐层加工，以快速完成任意复杂形状三维实体零件的制作加工。快速成型的加工过程可分为前期的数据处理（离散）和之后的物理实现（堆积）两个阶段（图1）：在离散过程中，将零件的三维CAD模型沿一定方向分解得到一系列的截面数据，在此基础上获得控制成型头的运动轨迹；在堆积过程中，成型头在运动轨迹的控制下，逐层加工出零件的每一个截面，如此反复进行层层截面的堆积连接，最终获得加工零件。

与传统的切削加工去除成型的减法原理不同，这种基于离散的增长方式成型技术是以加法的方式来获得产品，可直接从CAD 文件快速地制作产品物理原型（样件），用以验证产品外观造型、零件装配关系或进行功能试验，从而提供了一种可测量、可触摸的直观手段，改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品的开发周期。快速成型技术是继数控技术（NC）之后制造业的又一次重大革命。

1.快速成型技术的工艺特点和应用方向
RP采用逐层材料累加法加工实体模型，也称为增材制造(MaterialIncressManufacturing,MIM)或分层制造技术(LayeredManufacturing Technonogy，LMT)，这种特殊的加工方式决定了它具有以下与传统加工方法完全迥然的技术特性：
1）高度韧性：可以制造任意复杂形状的三维实体。加工过程无需进行刀具、模具或工装夹具等生产准备，对于不同的零件模型，只需重新输入CAD数据，或调整设置不同的工艺参数即可，其单件生产成本几乎与产品的复杂程度和产品批量无关。
2）CAD/CAM高度一体化：RP技术由CAD模型直接驱动，不同的零件生产无需考虑专用工具和工装的设计使用，可避免中间繁琐的CAPP瓶颈，制作过程完全数字化，真正实现了CAD/CAM之间的无缝衔接。
3）成型全过程的快速性：从CAD设计到原型零件制成，一般只需几个小时至几十个小时，即可得到高精度和高还原性的产品，远远超出了传统加工得到产品的速度。
4）高度自动化： 工艺过程全自动，加工过程无需人员干预，零件加载后，设备可作无人值守工作。
从上世纪80年代以来，RP技术发展迅速，广泛应用于汽车、航空航天、医学、轻工等诸多方面，其运用方向主要有三个方面（图2）：
1. 模型（Models）：RP技术成功地解决了三维造型“看得见，摸不着”的问题，其最大特点是能以最快的速度将设计思想转变为具有一定结构功能的产品原型，使设计模型从“看得见”(三维数模)到“摸得着”(实体模型)。因此RP技术一个主要的作用是还原设计思想，快速获得概念产品，侧重于外观的还原和展示效果，通常用于新产品的销售演示和市场推广，测试市场反应，从而提高新产品开发的市场反应速度，降低开发风险。
2. 原型（Prototype）：利用RP技术得到的快速原型，可以对产品的可装配性及可制造性两方面进行充分评估。由于RP技术的CAD/CAM的高度一体性，它不仅可以快速的还原产品外观，也同样能够快速制得产品零件和结构部件，对于开发结构复杂的新产品(如汽车、飞机、卫星、导弹等),可事先验证零件的可制造性、零件之间的相互关系以及部件的可装配性。对产品进行结构、装配的验证和分析，对产品设计进行快速评估、测试，缩短产品开发的研制周期，减少开发费用，提高参与市场竞争的能力。
此外，产品原型的快速获得，以此为基础还能对后期的产品模具设计、生产工艺、装配流程，甚至是批生产工夹具的设计等后续制造进程进行校核和测评，避免进入批生产流程之后由于设计缺陷可能导致的生产问题和巨大损失，从而能以最快的速度、最低的成本和最好的品质将产品投入市场。事实上，如果研发/生产体系结合得当，快速成型技术将成为实现并行工程和敏捷制造一个非常有效的技术手段。
3. 单元制造/ 小批量直接生产（Parts）：使用间接制模的方法，结合各种转换技术将RP原型转换成各种快速模具，如硅胶模技术、RIM技术、消失模铸造等，可便捷的实现单件或小批量产品生产，满足产品更新换代快、批量小的发展趋势。

2.快速成型技术在航空航天领域的应用

航空航天产品具有形状复杂、批量小、零件规格差异大、可靠性要求高等特点，它产品的定型是一个复杂而精密的过程，往往需要多次的设计、测试和改进，耗资大、耗时长，RP技术以其灵活多样的工艺方法和技术优势，使其在现代航空航天产品的研制与开发中具有独特的应用前景。在各类已经商业化运用的快速成型工艺中，熔融沉积成型技术FDM（Fused Deposition Modeling）技术应用最为成熟，是工业领域中应用最广、最主流的RP技术。

案例1.FORTUS系统 成功案例飞机起落架设计

起落架是航空器下部用于起飞降落或地面（或水面）滑行时支撑航空器并用于地面（或水面）移动的附件装置。

目前大部份飞机都是采用前三点式起落架，起落架有一组鼻轮和两组主轮支撑整个飞机，飞机重心位于主轮之前。前三点式起落架比后三点式起落架最大的优点是前者能使飞机处于水平或接近水平的状态，当飞机在地面时不会影响飞行员的视野，喷射发动机所排出的高温废气不会因为飞机不是处于水平状态而直接喷向跑道铺面，对跑道的负面影响较少。起落架是惟一一个支撑整架飞机的部件，因此它是飞机不可分缺的一部份；没有它，飞机便不能移动。当飞机起飞后，可以视飞机性能而收回起落架。

任务挑战:缩短机构设计验证时间

1.比例飞机机种繁多，需要频繁地进行不同款式机种的起落架设计。

2.需要实体验证飞机起落架机构设计，包含放出与回收的动作。

3.面对市场竞争，客户需要更快速的工具来完成验证。

4.希望使用材料强度好的快速原型成品，满足少量多样及耐候的需求。

5.需要快速设计各种理论的机构进行反复测试。

解决方案:FORTUS系统工程材料快速原型制造系统。

设计师指出FORTUS系统 工程材料快速原型制造系统优势：

1. 机构组件所使用的FORTUS系统 ABS 工程材料，具有高强韧性、耐候不变形的特性，

非常适合进行少量生产制作，工件可以组装测试机构使用。

2. 对于设计人员而言，与传统CNC 相比，不需要任何加工经验与技术，即可再

计算机旁快速输出各种机构设计组件，不受加工程序限制。

3. 大幅缩短设计变更时间，上午设计变更完成，下午就能进行测试。