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目录 1

第1章　产品研发-产品成型-快速产品研发 1

1.1　新要求-新工艺 1

1.1.1 改变产品研发的条件——影响成功的关键因素 1

1.1.2　产品研发的重要地位 3

1.1.3　成功的关键因素和竞争战略 4

1.1.4　关键因素——时间 5

1.2.1　产品研发的传统步骤 7

1.2　同步工程-并行工程 7

1.2.2　新产品研发策略的要求 8

1.2.3　同步工程的原理 9

1.3 模型 11

1.3.1　模型分类 11

1.3.2　模型对加快产品研发的影响 14

1.4　同步工程要素之一：通过快速原型法制造模型 16

1.4.1　快速原型制造模型作为定义数据库的保证 16

1.4.2　定义：快速原型-快速工（模）具制造-快速制造 17

1.4.3　关系到产品研发阶段的快速原型模型 21

2.1　快速原型工艺的基本原理 22

第2章　生产制造工艺的特征 22

2.2　层片信息产生 23

2.2.1　用三维数据记录几何结构 24

2.2.1.1　数据流 24

2.2.1.2　在计算机里使用三维CAD绘制三维实体模型 26

2.2.2　单层几何层片信息的产生 33

2.2.3　每一层片上几何层片信息的投影 36

2.3　实体层片模型的产生 38

2.3.1　液体材料光聚合作用的凝固——立体光刻工艺（SL） 39

2.3.2.1 粉末和颗粒的熔融和凝固——激光烧结（LS） 46

2.3.2　由固相生成的工艺 46

2.3.2.2　薄片切割——层合制造工艺（LLM） 50

2.3.2.3 固相之外的熔融和凝固——熔化的层片模型（FLM） 51

2.3.2.4　颗粒和黏结剂的粘接——三维印刷 52

2.3.3 由气相直接固化生成的工艺——激光化学气体沉淀（LCVD） 53

2.3.4　其他工艺 54

2.4　产品生产过程的分类 55

2.5　快速原理工艺理论上潜在价值的总结评估 55

第3章　工业快速原型系统 59

3.1　快速原型工艺流程 59

3.2　数据技术 61

3.3　原型机 65

3.3.1.1　机器独特的基本原理 66

3.3.1　光聚合-立体光刻（SL） 66

3.3.1.2　立体光刻成型（SLA）——3D Systems 72

3.3.1.3　STEREOS——EOS公司 80

3.3.1.4　立体光刻——Fockele＆Schwarze（F＆S） 83

3.3.1.5 固体基础的硬化——Cubital公司 85

3.3.1.6　微立体光刻——MicroTEC 89

3.3.1.7　立体光刻成型——Envision Technologies 91

3.3.1.8　立体光刻成型——PolyJet-Objet 93

3.3.2.1　机器特有的基本原理 95

3.3.2　激光烧结 95

3.3.2.2　选域激光烧结——3D Systems/DTM 98

3.3.2.3　激光烧结——EOS 105

3.3.2.4　选域激光熔融成型——Fockele ＆ Schwarze 110

3.3.2.5　激光造壳，概念激光器 112

3.3.3　层片叠合制造（LLM） 114

3.3.3.1　特殊设备的基本原理 114

3.3.3.2　层合实体制造（LOM）——Cubic Technologies/Helisys 118

3.3.3.3　快速原型系统——Kinergy 124

3.3.3.4　选域黏着及热压成型（SAHP）——Kirak 125

3.3.3.5　JP系统5——Schroff发展公司 127

3.3.3.6　层铣工艺（LMP）——Zimmermann 129

3.3.3.7　成层概念——Charlyrobot 131

3.3.3.8　分层实体制造（SOM）——ERATZ/MEC 133

3.3.4 挤出工艺 135

3.3.4.1　熔融沉积快速成型（FDM）——Stratasys 135

3.3.4.2　多相喷射固化（MJS）——ITP 141

3.3.4.3　三维绘图仪——Stratasys 143

3.3.4.4　建模系统——Solidscape/Sanders Protoype Inc 144

3.3.4.5　多孔喷射成型（MJM）——3D Systems 146

3.3.5　三维打印（3DP）工艺 148

3.3.5.1　快速原型系统——Z有限公司 148

3.3.5.2　快速模具制造系统——ExtrudeHone 151

3.3.5.3　直接壳法产品铸造（DSPC）——Soligen 153

3.3.6　激光生成 155

3.3.6.1　激光工程净成型（LENS）——Optomec 156

3.3.7　传统原型工艺和混合工艺 158

3.3.7.1　传统工艺：高速切削（HSC） 159

3.3.7.2　混合工艺：受控金属堆积（CMB） 160

3.3.7.3　快速原型工艺与传统工艺的比较 162

3.3.8　快速原型工艺评价概述 163

3.3.8.1　模型精度 164

3.3.8.2　表面 166

3.3.8.3　基准测试和用户反馈 168

3.3.8.4　功能原型设备的比较评价：成型室、精度、成型时间 169

3.3.8.5　按模型类别分类原型机 170

3.3.8.6　发展目标 172

3.4　后续工艺 173

3.4.1　目标材料塑料 173

3.4.2　目标材料金属 175

4.1　金属模具制造的主要方法 182

第4章　快速模具 182

4.2　基于塑料快速原型模型的金属模具 184

4.2.1　快速原型模型的精密铸造 184

4.2.2　立体光刻模型浇铸 184

4.2.2.1　立体光刻的直接应用 184

4.2.2.2　立体光刻的间接应用 185

4.3　基于塑料快速原型工艺的金属模具 188

4.4　基于金属快速原型工艺的金属模具 189

4.4.1　多组分金属粉末激光烧结 189

4.4.2　单组分金属粉末激光烧结 190

4.4.3　激光加工 191

4.5 小结和展望 192

第5章　应用 194

5.1　快速原型在工业品开发中的应用 194

5.1.1　例：泵壳 194

5.1.2　例：办公室灯具 195

5.1.3　例：组合灯座 198

5.1.4　例：挖掘机臂模型 198

5.1.5　例：LCD投影仪 201

5.1.6　例：花瓶的毛细管底 202

5.1.7　例：咖啡壶外壳制造 203

5.1.8　例：四缸发动机的歧管入口 204

5.2　工业产品开发的快速工具制造 204

5.2.1　例：涡轮泵壳 204

5.2.2　例：双片式电接线盒 206

5.2.3　例：注射成型的车前灯调光臂 208

5.2.4　例：精密铸造模型的永久模具 209

5.3　供计算方法评价用的快速原型制造 210

5.3.1　计算方法中使用的模型——通用型 210

5.3.2　例：卡车引擎凸轮杆的光弹性应力分析 212

5.3.3　例：轿车轮缘稳定性的热弹性应力分析 213

5.4　用于医学的快速原型 215

5.4.1　解剖模拟模型 215

5.4.2　泰勒（特制的）移植件 217

5.4.3　医学模型的特性 217

5.4.4　例：用于重构截骨的解剖模型 219

5.4.5　例：钛金属移植物用于对头盖骨缺陷的填补 220

5.5　快速原型在艺术、考古和建筑中的应用 223

5.5.1　艺术与设计方面的模型制作 223

5.5.2　艺术案例：计算机设计雕塑，Georg Glückman 223

5.5.3　设计案例：开瓶器 224

5.5.4　考古案例：Teje皇后的头像 225

5.5.5　建筑学上的模型构建 226

5.5.6　建筑学案例：1992年世界博览会的德国展览馆 226

5.5.7　建筑案例：建房设计计划 227

第6章　经济方面的形势 228

6.1　战略方面的形势 228

6.2　操作方面 231

6.2.1　建立优化的快速原型工艺过程 231

6.2.2　确定快速原型工艺的费用 232

6.3　服务 235

6.4　自制还是购买 236

第7章　快速原型工艺的发展 237

7.1　材料研发选择方向 237

7.1.1　应用：精密铸造 237

7.1.2　应用：系列原料的模拟 238

7.2　工艺研发的选择趋势 239

7.2.1　各种单组分原料的激光烧结 239

7.2.2　粉末床激光烧结——粉末的选域激光再熔融（SLPR） 239

7.2.2.1　工艺原理 239

7.2.2.2　质量特性 240

7.2.2.3　应用举例 242

7.2.3　激光生成 243

7.2.3.1　工艺流程原理 243

7.2.3.2　质量特性 246

7.2.3.3　应用举例 248

附录 251

A1　Siegwart和Singer的经济模型 251

A2　快速原型系统和材料的特性及技术数据 254

A3　缩写 281

参考文献 282