RP基本原理及运用

Rapid Phototyping 中文译为快速成型、快速造型或快速造形，主要是指运用某些特殊设计。此种技术可以将设计与原型加以连结，也就是可以将设计者的概念在计算机中建立模型，并利用 RP机器以层层堆栈的方式迅速制作出原型。其原理如图所示。

RP制程的优点

1.任何……无论多复杂的形状都非常容易成形
2.任谁……因无机器各部动作干涉问题，对操作者无熟练要求
3.即刻……因无需准备工具夹具等，可迅即开始加工
4.自动……加工过程完全自动化，可完全无人运转
5.安静……无加工噪音，振动，无大量切屑
6.短期……可在短时间内制作模型，交货快，费用省

RP种类

自1987年美国3D Systems公司首先公开系统以来，各先进国家陆绩开发出各式各样的系统，大致可分成以下几大类：
1.液态制程(Liquid Process)
2.粉末制程(Power Process)
3.塑料挤出制程(Polymer Extrusion Process)
4.纸层积制程(Paper Lauination Process)
5.面曝光制程(Solid Ground Curing)
6.3-D印刷制程(3-Dimensional Printing)

1.液态制程(Liquid Process)

液态制程亦被称为光造形法(Stereo Lithography Apparatus)，系以紫外线光束照射光硬化树脂，使被照射之树脂固化逐层堆栈。而制造出产品原型。目前使用此原理之RP系统包括，最早公开上市之SLA系统(美国3DSystems公司)，日本的SOUP系统(CMET公司)及SCS系统(D-MEC公司)等10余种此类系统被开发并公开上市。截至目前该类系统占有RP市场的比例最高，以日本为例，前述三家公司之光造形系统即占有日本RP市场的70%以上。此类系统之加工原理如图所示。

优点：

(I)具有相当良好之表面质量，可以做为RTV模之母型
(2)原型实物可以很迅速、且轻易地修整到许多美术品模具母型所需之表面质量。
(3)材料收缩量很小，故成品之弯曲程度亦最低。
(4)公差范围在±0.1%范围以内，而且在X、Y轴之公差更低，在5”之成品公差可控制在±0.003"之内，而缩水率约在每英吋±0.001"。

最佳应用范围：

(1)以艺术用途为主要考虑之概念模型。
(2)以复杂度、精度为主要考虑之成品。
(3)需后续制程(如RTV模具)之母型。
(4)某些快速仿制之应用。

2.粉末制程(PowerProcess)

此类制程系以雷射光照射烧结粉末状塑性材料或金属粉末，使其结合而成型，铺设粉未系以滚筒左、右滚动方式达成在工作平台上铺上一层、一层均匀的粉末。此类系统主要有美国DTM公司的SLS系统及德国EOS公司之Stereos系统等，其原理如图所示

优点:

(1)可快速交货(依成品大小区分，一般约在2一4天)
(2)不需支撑。
(3)可直接制造出金属件，同应用于塑料射出成形之暂用模。
(4)可于表面涂布一层树脂增加成品强度。

应用范围:

(1)相当完美的概念模型且兼其部份功能性。
(2)当表面粗度不是首要考置时可广泛被用于铸造之母型。
(3)吹气成型模产品原型(如瓶子)。
(4)功能测试用产品原型(如流场测试)。

3.塑料挤出制程(Polymer Extrusion Process)

此类系统传以加热头(Heated Head)熔化线状之热塑性材料，并从加热头经内喷嘴均匀挤出，遂层堆积成型。主要的系统有美国sratasys公司的FDM系统。其加工原理如图所示。

优点:

(1)操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。
(2)时效及成本效益极佳。
(3)材料之重量与感觉与ABS相近。
(4)材料缩小率低(约在0．005一0．008之间)。

应用范围:

(1)小齿轮，尤其是具有小齿者。
(2)小功能件。
(3)薄壁小件。
(4)造模用缩小比例件。

4.纸层积制程(Paper Lauination Process)

此类系统系以薄片材料(纸为主)，经由雷射切割出每一层的形状，并加热粘合而成型，主要的系统有美国Helisys公司的LOM系统及日本Kira公司的Solid Centel系统等，其中Kira公司的系统可采用普通纸，且以特殊刀片切割形状，使用上更为方便且价格低廉，其加工原理如图所示。

优点:

(1)系统购置成本低。
(2)可在办公室环境下使用。
(3)时效佳。

应用范围:

(1)设计确认模型。
(2)翻砂铸造用母型。

5．面曝光制程(Solid Ground Curing)

以色列的Cubita(公司开发的此种系统称为SGC系统，系以紫外线照射每一层断面形状而产生光罩，再以紫外线透过光罩之透明区域，使其下之树脂固化，未固化(阴暗区域)之树脂需去除后补上一层蜡，经机械加工整平后，再重复上述步骤，遂层堆积成型，其成型原理如图所示。

优点:

(1)不需另增支撑。
(2)整层一次成型，时效佳。
(3)精度佳，约在0．1%左右。

应用范围:

(1)最适需要多件原型之场合。
(2)可用于需翻制模具之母型。
(3)部份功能性需求之产品开发原型。
(4)大型件。

6．3-D印刷制程(3-Dimensional Printing)

此种制程系以类似喷墨式打印机之方式，将陶瓷或金属粉末喷洒在一基板，再由一喷嘴喷出黏结剂加黏结，最后逐层堆积成型。此类系统主要有MIT所发展的3-D Printing系统及Sanders Prototype之3D Plotting等……，其加工原理如图所示。

优点:

(1)不须支撑者。
(2)工作环境可适用于办公室。
(3)时效佳。

应用范围:

(1)最适于设计确认。
(2)加工性之评估件。

RP应用实例

快速原型技术乃是将复杂的计算机3D实体(如手工具本体及零组件)经软件处理切成2D的切片﹐各切层积层推迭后﹐经快速原型机快速制造实体原型之技术﹔快速模具技术为利用快速原型对象快速制作对象暂用模具之技术。自从1988年第一台商用RP机器开发以来﹐快速原型与快速模具技术被广泛应用于各大产业(尤其是汽机车及3C产业)的产品开发流程中﹐主要原因是这些技术发展已渐成熟而且应用成效良好﹐符合快速开发制造的目的。

RP 应用实例

RP未来发展方向

RP系统正式开发上市后，短短数年间，各式各样的新系统，纷纷被开发上市、且发展呈相当多样化，更由于各种RP系统使用材料的不同、制程的不同、机体构造的不同……．等，导致各种RP系统各具特色。况且，使用者在选购RP系统时，亦有各种不同的用途及功能需求。因此，RP系统虽然各有优缺点，但却没有一套RP系统可以满足使用者的所有需求。一套RP系统对使用者是否适合，端视使用者的主要应用范围是否适合该套系统的功能特性而定。使用者在购买前应从多方面考虑 (使用材料特性、精度、生产速度、应用范围、成品强度等……)审核评估，才能找出最适合自己的系统。RP系统可趋向于二大类型式：

高价型RP系统：具高精度，但价格昂贵，适合高应用之RP系统，如EOS、SOUP、SLA等‥‥‥。

廉价型RP系统：精度较差但价格低廉，可置在办公之桌上型3D Printer，主要用来做设计确认辅助之用。

未来发展趋势可分为新的成型方式、材料配方的开发及制程上的改善。在材料的配方上，期望能更快速的制造出更精确、机械性质更坚硬且可以后加工的原型，以满足直接可以有功能性运用的原型制作，甚至医学用模型的医学用材料开发。在制程上，成形扫瞄路径的持续研究，期望以较少的层数及扫瞄路径（较快的速度），加速原型的制作及减少原型的变形。例如自动调适的层厚设定(Adaptive Slicing)已经开始被重视，藉由对成型轴方向低钭率轮廓的变化，采用厚层成形以在相同精度要求下，缩短制作时间；弹性层加工以精密的轮廓构建及弹性的内部充填，大幅节省原型制作的时间。

2211	2006-10-25 13:27
值得学习，谢谢！

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