快速成型技术的多领域应用与发展

快速成型技术的多领域应用与发展

摘要：简要介绍了快速成型技术的基本原理、工艺方法和技术特点。阐述了快速成型技术在工业造型、制造、模具、医学、航天等多领域的应用，探讨了快速成型技术今后的发展趋势。关键词：快速成型技术原型快速制模应用快速成型技术RP(Rapid Protot-yping RP)是20世纪80年代末开始发展起来的一种基于逐层累加成型的新兴制作工艺,它是集多种先进科技于一体的能够迅速将设计思想转化为产品的现代先进制造技术。它为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。快速成型工艺是一个涉及CAD/CAM、逆向工程技术、分层制造技术、数据编程、材料编制、材料制备、工艺参数设置及后处理等环节的集成制造过程。通俗地说，快速成型技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。近十几年来，随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈。尤其是计算机技术的迅速普遍和

CAD/CAM技术的广泛应用，使得RP技术得到了异乎寻常的高速发展，表现出很强的生命力和广阔的应用前景。快速成型制造工艺PR技术是将传统的“去除”加工方法(由毛坯切去多余材料形成产品)改变为“增加”加工方法(将材料逐层累

积形成产品)，采用离散分层/堆积的原理，由CAD模型直接驱动，快速制作原型或三维实体零件的一种全新的制造技术。快速成型技术发展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展，目前，快速成型的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有四种基本类型: 光固化成型法(Stereo lithography Apparatus, SLA)、叠层实体制造法(Laminated Object Manufacturing, LOM)、选择性激光烧结法(Selective Laser Sintering, SLS) 和熔融沉积制造法(Fused Deposition Manufacturing, FDM)。

1、SLA工艺SLA工艺也称光造型或立体光刻，其工艺过程是以液态光敏树脂或丙稀酸树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹并照射到液槽中的液体树脂上而固化一层树脂，之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行新一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。该工艺的特点是精度高，生产零件强度和硬度好，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，缺点是清洗和养护等后处理工序较费时。

2、LOM工艺LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造，其工艺过程是由加热辊筒将薄形材料(如纸片，塑料薄膜，复合材料或金

属等)加热联结，待加热辊筒自动离开后，再由激光将薄形材料截切成层面要求形状(二维切片)，如此重复一层层叠加生成任意复杂形状的实体。该工艺的特点是工作可靠，模型支撑性好，有类似木质外观，可制作一些SLA法难以制作的大型零件及厚壁零件，且成本低，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、SLS工艺SLS工艺称为选择性激光烧结，其工艺过程是以金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成型材料，利用滚筒层层铺粉，激光器发出的光束在计算机控制下，对每层材料粉末进行扫描，使之熔化烧结成型，当一层粉末烧结完成后，滚筒上升一层，在烧结层上洒上新的一层粉末，供下一次烧结，直至完成零件的成型。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，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或装配模拟。

4、FDM工艺FDM工艺称为熔融沉积制造，其工艺过程是以热塑性成型材料丝为材料，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准确运动，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1/10s内迅速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该工

艺的特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需几个小时即可成型，且无污染。除了上述四种最为成熟的技术外，还有许多技术已经实用化，如三维喷涂粘结（Three Dimensional Printing and Gluing, 3DPG）、焊接成型（Welding Forming, WF）、光屏蔽工艺（Photo—masking, SGC）、直接壳法（Direct Shell Production Casting, DSPC）、直接烧结技术、数码累积成型、热致聚合、全息干涉制造、模型熔、弹道微粒制造光束干涉固化等。快速成型技术的特点快速成型技术自问世以来，在短短的十几年时间里发展迅猛，表现出极强的生命力，与传统加工方法相比具有诸多的优势，其特点主要表现为： 1、快速性从CAD设计到完成原型制作通常只需数小时至几十个小时，与传统加工方法相比，加工周期节约70%以上，对复杂零件尤其如此。2、低成本成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。 3、材料的广泛性快速成型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用，可以制造树脂类、塑料类、纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。 4、适应性强适应于加工各种形状的零件，制造工艺与零件的复杂程度无关，不受工具的限制，可实现自由制造（Free Form Fabrication），原型的复制性、互换性高；尤其在加工复杂曲面时，

更能体现出它的优越性，这是传统法无法比拟的。 5、高柔性采用非接触加工的方式，无需任何工夹具，即可快速成型出具有一定精度和强度、满足一定功能的原型和零件。若要修改零件，只需修改CAD模型即可，特别适合于单件小批量生产。6、高集成化RP技术是集计算机、CAD/CAM、数控、激光、材料和机械等于一体的先进制造技术，整个生产过程实现自动化、数字化，与CAD模型具有直接的关联，所见即所得，零件可随时修改，随时制造，实现设计制造一体化。快速成型技术的应用不断提高RP技术的应用水平是推动RP技术发展的重要方面。目前，快速成型技术已在工业造型、机械制造（汽车、摩托车）、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广泛应用。并且随着这一技术本身的发展,其应用将不断拓展。RP技术的实际应用主要集中在以下几个方面： 1、在新产品造型设计过程中的应用快速成型技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用RP技术能够快速、直接、精确地将设计思想模型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，而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。在新产品设计制造过程中，可用RP技术快速制出产品样品的实物模型，供设计者进行性能测试、直观评估和验证