快速成形技术

什么是迅速成形技术

迅速成形技术(Rapid Prototyping；RP)又称迅速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被觉得是差不多20年来制造领域的一个巨大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、迅速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，进而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面给予了一种高效低成本的达到手段。即，迅速成形技术就是利用三维CAD的报告，通过迅速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。

迅速成形技术的特点

(1) 制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可运用；

(2) 原型的复制性、互换性高；

(3) 制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；

(4) 加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用减弱50%，加工周期节约70%以上；

(5) 高度技术集成，可达到了设计制造一体化；

RP技术造成背景

(1)伴随世界市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益形成首要冲突。在该种情形下，自主迅速产品开发(迅速设计和迅速工模具)的能力(周期和成本)形成制造业世界竞争的实力基础。

(2)制造业为满足日益改变的用户需求，要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增长产品的成本。所以，产品的开发速度和制造技术的柔性就十分核心。

(3)从技术发展角度看，计算机科学、CAD技术、材料科学、激光技术的成长和普及为新的制造技术的造成奠定了技术物质基础。

RP技术基本原理

迅速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采取不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。从成形角度看，零件可看为“点”或“面”的再加上。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。从制造角度看，它依据CAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激光束或其余方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。

RP技术的类型

近十几年来，伴随世界市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈。特别是计算机技术的快速广泛和CAD/CAM技术的普遍应用，致使RP技术得到了异乎平常的高速发展，表现出很强的生命力和广阔的应用前景。迅速成形技术发展迄今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了快速发展。当前，迅速成形的工艺方法已有几十种之多，其中首要工艺有四种基本类型：光固化成型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法和熔融沉积制造法。

1.光固化成形

SLA(Stereo lithography Apparatus)工艺也称光造型、立体光刻及立体印刷，其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束追踪层状截面轨迹，并照射到液槽中的液体树脂，而使这一层树脂固化，之后升降台下滑一层高度，已成型的方面上又布满一层树脂，然后再执行新一层的扫描，新固化的一层稳固地粘在前一层上，这样重复直到整个零件制造完毕，得到1个三维实体模型。该工艺的特点是：原型件精度高，零件力度和硬度好，可制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑，树脂缩减会致使精度下滑，此外光固化树脂有适当的毒性而不符合绿色制造发展趋势等。

2.分层实体制造

LOM(Laminated Object Manufacturing)工艺或称为叠层实体制造，其工艺原理是依据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所得到的层片粘接成三维实体。其工艺过程是：首先铺上一层箔材，然后用CO，激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎以便于移除。当本层完成后，再铺上一层箔材，用滚子碾压并加热，以固化黏结剂，使新铺上的一层稳固地粘接在已成形体上，再切割该层的轮廓，这样反复直到加工完毕，最后移除切碎部分以得到完整的零件。该工艺的特点是工作牢靠，模型支撑性好，成本低，效率高。缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。

3.选择性激光烧结

SLS(Selective Laser Sintering)工艺，常采取的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成形材料。其工艺过程是：先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控制下用激光束有选择地执行烧结(零件的空心部分不烧结，仍为粉末材料)，被烧结部分便固化在一起组成零件的实心部分。一层完成后再执行下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后，移除多余的粉末，便得到烧结成的零件。该工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。造型精度高，原型力度高，所以可用样件执行功能试验或装配模拟。

4.熔融沉积成形

FDM(Fused Deposition Manufacturing)工艺又称为熔丝沉积制造，其工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓精准运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时期内快速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向往上运动一微小距离执行下一层材料的建造。如此逐层由底见顶地堆积成一个实体模型或零件。该工艺的特点是运用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型，且无污染。

除了上述4种最为熟悉的技术外，仍有很多技术也已经实用化，如三维打印技术、光屏蔽工艺、直接壳法、直接烧结技术、全息干涉制造等。

RP技术的应用

持续提升RP技术的应用水平是助推RP技术发展的重要方面。当前，迅速成型技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了普遍应用。而且伴随这一技术自身的成长，其应用领域将持续拓展。RP技术的事实应用首要汇聚在下方几个方面：

(1)在新产品造型设计过程中的应用迅速成形技术为工业产品的设计开发人士建立了一种崭新的产品开发模式。运用RP技术能够迅速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型(样件)，这不仅缩短了开发周期，而且减弱了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。

(2)在机械制造领域的应用受于RP技术本身的特点，致使其在机械制造领域内，得到大量的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，受于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用RP技术直接执行成型，成本低，周期短。

(3)迅速模具制造传统的模具生产时间长，成本高。将迅速成型技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提升生产率，是处理模具设计与制造薄弱环节的有效渠道。迅速成形技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采取RP技术直接堆积制造出模具，间接制模是先制出迅速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具。

(4)在医学领域的应用近几年来，民众对RP技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像报告为基础，利用RP技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。

(5)在文化艺术领域的应用在文化艺术领域，迅速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。

(6)在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中，空气活力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性，采取RP技术，依据CAD模型，由RP设备自动完成实体模型，能够很好的保证模型质量。

(7)在家电行业的应用当前，迅速成形系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用，使很多家电企业走在了国内前列。如：广东的美的、华宝、科龙；江苏的春兰、小天鹅；青岛的海尔等，都先后采取迅速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。迅速成形技术的应用很普遍，可以相信，伴随迅速成形制造技术的持续成熟和完善，它将令在逐渐增多的领域得到推广和应用。

迅速成型技术的成长方向

从当前RP技术的研究和应用现况来说，迅速成型技术的更深一步研究和开发工作首要有下方几个方面：

(1)开发性能好的迅速成型材料，如成本低、易成形、变形小、力度高、耐久及无污染的成形材料。

(2)提升RP系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。

(3)改观迅速成形系统的牢靠性，提升其生产率和制作大件能力，优化设备结构，特别是提升成形件的精度、表面质量、力学和物理性能，为更深一步执行模具加工和功能实验供应基础。

(4)开发迅速成形的高性能RPM软件。提升报告处理速度和精度，研究开发利用CAD原始报告直接切片的方法，降低由STL格式转换和切片处理过程所造成精度损失。

(5)开发新的成形能源。

(6)迅速成形方法和工艺的改进和创新。直接金属成形技术将令形成今后研究与应用的又—个热点。

(7)执行迅速成形技术与CAD、CAE、RT、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的集成研究。

(8)提升网络化服务的研究强度，达到远程控制。