快速成型技术研究发展现状及其应用前景

中 图分类 号 ： Ｈ１ Ｔ ６
前
言
快速成 型 （ａ ｉ ｐｏｏｙ ｉ Ｒ 技术 是在 计算机 技术 、 ｒｐｄ ｒｔｔｐ ｇ， Ｐ） ｎ 数控 技术 、 激光技术 和新 材料 的基础 上发 展起
来 的一种 先进 制造 技术 。它具 备 如下 特点 ： 型的 复制性 、 换性 高 ， 造工 艺与 制 造原 型 的几何 形状 无 原 互 制 关 ， 加 工 复 杂 曲面 时 更 显 优 越 ； 工 周 期 短 ， 本低 ， 本 与产 品复 杂 程 度 无 关 ． 般 制 造 费 用 降 低 在 加 成 成 一 ５ ， 工周期缩 短 ７ 以上 ； Ｏ 加 ０ 高度技 术集 成 ， 实现 了设 计制 造一 体化 ； 制造 原型 所用 的材 料不 限 ， 各种 金 属 和非金 属材料 均可 使用 ， 因而 ， 得到广 泛应用 速成 型 技术 自８ 快 ｏ年代 问世 以来 ， 在成 型 系统 、 材料 方面 有 了长 足的进步 ， 同时推 动了快 速制模 技术 （ａ ｉ ｔｏ ｎ ， Ｔ） ｒｐｄ ｏ ｌ ｇ Ｒ 和快 速制造技 术 （ａ ｉ ｍａ ｕａｔｒ ｇ Ｒ ｉ ｒｐ ｎ ｆ ｕｉ ， Ｍ） ｄ ｃ ｎ 的发 展 。近 年来 ， 技术在 工业造 型 、 该 制造 、 建筑 、 艺术 、 医学 、 空 、 天 、 航 航 考古 和影 视等 领域得 到迅速 良好
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第 １卷 第 ３ ； 期
２０ ０ １年 ９月
山
东
工
程
学
院
学
报
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ３ 】１．
ｓ 口ｔ ／ ０ ｅ ２ ０１
Ｊｕ ｎ ｌ ｆＳ ａ ｄ ｎ ｎ ｔ ｕｅ ０ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ｒ ａ ｏ ｈ ｎ ｏ ｇ Ｉ ｓｉ ｔ ｆＴｅｈ ｏｏ ｙ ｔ
应用。 ［
１ 快 速 成 型 技 术 的 国 内外 发展 现 状
快速成 型 技术 是 一种用 材 料逐 层或 逐点 堆积 出制件 的制 造方 法 分层 制造 三维物 体的思 想雏形 ， 早 最
出现在 制造技术 并不 发 达的 １ 世 纪 早在 １９ 年 ．ｌ ｔｅ ９ ８ ２ Ｂａ ｈｒ主张用分层 方法 制作 三维地 图模 型 。 ９年 ｎ １７ ９ 东 京大 学的 中川 成雄 教授 ， 利用 分层 技术制 造了金属 冲裁模 、 成型模 和注 塑模 。 光刻技术 的发 展对现代 Ｒ Ｐ
究。
ｓ 成 型 技术 的材料 主 要有 四大 系列 ： ｉａ公司 生产 的 Ｃｂ ｔｏ Ｉ 系列 、 ｕ ｏ ｔ 司的 Ｓ ＭＯＳ系 Ｉ Ａ Ｃｂ ｉａｏ １ Ｓ Ｄ Ｐｎ 公 Ｏ 列 、 ｅ ｅａ 司的 Ｓｅｅ ｃｌ Ｚｎｃ 公 ｔｒｏｏ 系列 和 ＲＰ Ｃ公 司（ 典 ） Ｒ Ｃ ｒ 瑞 的 Ｐ ｕｅ系列 。Ｃ ｂｗｏＳ ｉ ａ ｌＩ 系列 有 以下新 品种 ： 于 用 ｓ ｌ Ａ一３ ０ ５ ０的 Ｃｂ ｔｏ Ｉ ５ ０ 这种 树脂 可 以达 到较 高的成 型速 度和较 好的 防潮 性 能 ， ｉａｏ １ Ｓ 一５ １ ， 还有较 好 的成 型 精度 。 ｉａ ｏ ｌＬ ５ １ Ｃｂ［ ｏＳ － ２ ０主要用 于要 求防热 、 ｔ 防湿 的环 境 ， 如水 下作业 条 件 Ｓ ＯＭＯＳ系列也 有新 品种 Ｓ Ｏ ＭＯＳ １ ０ 该材 料 的性 能类似 于聚 乙烯 和 聚丙烯 ， ８ ， ２ 特别适合 于 制作功 能零 件 ， 也有很 好 的防潮 、 防水性 能 。 西 安交通大 学推 出 了 Ｌ Ｓ和 Ｃ Ｓ系列 ｓ 成型机 和相应 的 光敏树脂 ， Ｐ Ｐ Ｉ Ａ ２ ２ 分层 实体 制造 （ ０ ． Ｌ Ｍ） 目前研 究 Ｌ ＯＭ 工 艺的 有 Ｈｅ ｓｓ 司、 中科 技 大 学 、 ｌｙ 公 ｉ 华 清华 大 学 、 ｒ 公 司、 ｐｒ 司 和 Ｋｉ ｒ ｙ公 Ｋｉ ａ Ｓ ａｘ公 ｎｇ ｅ 司。 ｌｙ 公 司 １ ９ Ｈｅｓ ｓ ｉ ９ ２年推 出 Ｉ ． 一１ １ （ ＯＭ 。 ５ 台面 ３ ０ ｍ×２０ ８ｒ ａ ５ｍｍ×３ ０ ５ ｍｍ） 机型后 ， １ ９ 于 ９ ６年 又推 出台面 达 ８５ １ ｍｍ×５ ０ ｍ×５ ８ ５ｒ ａ ０ ｍｍ 的 Ｉ Ｍ 一２ ３ Ｈ 机 型 ， 型时 间比原来缩 短 了 ３ 。Ｈｅｓ ｓ 司除原 有 的 Ｏ ００ 成 ０ ｌｙ 公 ｉ Ｉ Ｈ、 Ｐ Ｐ Ｉ Ｓ和 Ｌ Ｆ三个 系列 纸材 品种以外 ， Ｐ 还开 发 了塑料和 复合材 料 品种 。日本 Ｋｉ 公 司的 Ｐ ｒ ａ Ｉ Ｔ—Ａ ４机 型采用 了一种超硬 质 刀切 割和选择性 粘 接 的方法 。 清华 大学 推出 了 Ｓ Ｍ 系列成 型机及 成 型材 料 华 中科 Ｓ 技大学推 出 的 Ｈ ＲＰ系 列成型 机和成 型 材料 ， 具有 较高 的性 能价格 比。
建了Ｄ ＴＭ 公 司 ， １ ９ 于 ２年 开 发 了基 于 Ｓ ９ Ｉ Ｓ的 商 业 成 型 机 （ ｉｔｒｔｔ ｎ Ｓｎｅｓａｉ ）。Ｓ ｏｔ ｒ ｍｐ在 １ ８ ｏ ｃｔＣ ｕ ９ ８年 提 出
收文 日期 ： ｏ １ ６ ０ ２ ０ —０ — ５
作 者 简彳 ： 思 Ｉ ６ － ） 男 （ ） 山衷 冠 县 人 ． 东 工程 学 院 机 械 学 院 教 授 ｔ 要从 事 材 料 加 工 工程 和 先 进 制 造 技 术 研 究 ｒ杨 ９２ 一 投 ， 山 主
２ 快 速 成 型 技 术 的基 本成 型原 理
快 速成 型技术 的成 型方 法多 达十 余种 ． 目前 应用 较 多的有 立体 光 固化 （ Ｉ 、 Ｓ Ａ） 分层 实体 制造 （ ＯＭ） Ｉ 、 选 择性 激光 烧结 （ Ｉ ） 熔 积成 型（ Ｄ 等 ，这些工 艺方 法都是 在 材料 累加 成 型的原 理基 础上 ， Ｓ 、 Ｓ Ｆ Ｍ） 结合 材 料 的物理 化学 特性和 先进 的工 艺方法 而形成 的， 它与其他 学科 的发 展密切 相关 。
技术 的出现起 到 了催 化作 用 。 ２ Ｏ世 纪 ７ Ｏ年 代 末 到 ８ Ｏ年 代 初期 ， 国 ３ 公 司 的 Ａ ａ Ｊ Ｈ ｂ ｒ（９ ８年 ） 日本 的小玉 秀男 （ ９ ０ 美 Ｍ ｌｎ ． ｅ ｅｔ１ ７ 、 １８ 年 ） 美 国 Ｕｖ 、 Ｐ公 司 的 Ｃ ａｌ Ｗ． ｕｌ１ ８ ｈ ｒ ｓ Ｈ ｌ ９ Ｂ年 ） 日本 的丸谷 洋 二 （ ９ ３年 ） 在不 同 的地点 各 自独立 地 ｅ （ 和 １８ ， 提 出了 Ｒ Ｐ的概 念 ， 即利 用连 续层 的选 区固化产 生 三维实 体的新 思想 。 ｈ ｒ ｓ Ｈｕ 在 ＵＶ Ｃ ａｌ Ｗ． ｌ ｅ ｌ Ｐ的继续 支持 下 ， 成 了一 个能 自动建 造零件 的 称之 为 ｓｅ ｉ ｏ ｒｐ ｙ ｐ ｒｔｓ Ｓ 的完整 系统 ｓ 完 ｔｍＩｈ ｇａ ｈ Ａｐ ａａｕ （Ｉ Ｉ Ａ） Ｉ Ａ一１ １ ８ ，９ ６年 该 系统 获得专 利 ， 这是 ＲＰ发展 的一个 里程碑 。 同年 ， ｈ ｒ ｓ ． ｌ和 ＵＶＰ的股东 们一起 建立 了 ３ ｙ— Ｃ ａｌ Ｗ Ｈｕ ｅ ｌ ＤＳ ｓ ｔＮ公 司 ， ｅ 随后许 多关 于快 速成 型的概 念和 技术 在 ３ Ｓ ｓ ｍ 公 司 中发展 成熟 。与此 同时 ， 它 的成 型原 Ｄ ｙｔ ｅ 其 理及 相应 的成型机 也相 继开 发成功 。 ９ ４年 Ｍｉ ａｌ ｅｇｎ提 出 了分层 实体制 造 （ ａ ｎ ｔｄＯｂｅｔ ｎ １８ ｃ ｅＦ ｙ ｉ ｈ Ｉ ｍｉａ ｅ ｊ Ｍａ — ｃ
２ １ 立 体 光 固化 （ Ｉ ． Ｓ Ａ）
该方法 是 目前 世界 上 研究最深 入 、 术最 成熟 、 用最广 泛 的一种 快速 成型方 法 。 目前 ， 技 应 研究 ｓ 方 Ｉ Ａ
法 的有 ３ ｙｔ 公 司、 ０ ＤＳ ｓ ｍ ｅ Ｅ ｓ公 司 、 ＆ｓ公 司 、 ＭＥ Ｆ Ｃ Ｔ公 司 、 － ＭＥ Ｄ－ Ｃ公 司 、 ｉｎＳ ｉｉ 司、 ｔｕ Ｚ ｓｎ Ｔｅ ｉ ｅｋ 公 ｊ Ｍｉ ｉ ｏ ｅ ｓ 公 司、 西安交 通大学 等 。美 国 ３ ｙｔ 公 司的 ｓ 技 术在 国际市场 上 占的 比例 最大 ， ＤＳｓｍ ｅ Ｉ Ａ 其设 备 自 １ ８ ９ ８年 推 出 ｓ Ｉ Ａ一２ ０机 型 以后口 ， 于 １ ９ ５ ］又 ７年 推出 ｓ ９ Ｉ Ａ一２ ０ ５ ＨＲ、 Ｉ Ｓ Ａ一３ ０ 、 Ｌ ５ ０ ｓ Ａ一５ ０ ０ ０三种 机 型 ， 技术 在 上有 了长足进 步 。其 中 ，ｒ ｓ Ａ一３ ０ ５ ０和 ｓ Ｉ Ａ一５ ０ ０ ０使用 半导 体激励 的 固体 激 光器 ， 扫描 速度 分别 达 到 ２ ． ５ ｍ／ 和 ５ ｓ 成型层 厚最 小可 达 ０ ０ ｒｍ。此外 ， ４ ｓ ｍ／ ， ．５ ａ 还采用 了一 种称 之为 Ｚ ｐ ｙ ｒ ｅｏｔ ｇｓｓｅ 的新技 ｅ ｈ ｅ ｅ ａｉ ｙｔｍ ｒ ｎ 术， 该技 术是 在 每一 成 型层 上 ， 一 种真 空 吸附 式刮 板 在该层 上 涂 一层 ０ ０ ～０ ］ 用 ． ５ ． ｍｍ 的待 固化 树脂 ， 使 成 型时 间平 均缩短 了 ２ ％。该公 司于 ｌ ９ Ｏ ９年推 出 的 ｓ ９ Ｉ Ａ一７ ０ ０ ０机 型与 ｓ Ａ一５ ０ ｌ ０ ０机 型相 比 ， 成型体 积 虽 然 大致 相 同 ， 其 扫描 速度 却 达 ９ ５ ｍ／ ， 均成 型 速 度提 高 了 ４倍 ， 型层 厚 最小 可 达 ０ ０ ５ 但 ． ２ ｓ平 成 ． ２ ｍｍ， 精 度提高 了 １ 。 倍 国内外 研究者 在 ｓ 技术 的成 形机理 、 制制 件 变形 、 高制 件精 度等方 面进 行 了大 量研 Ｉ Ａ 控 提
要 成 型 方 法 ， 对 其 优 缺 点 进 行 了 比较 ， 重 介 绍 了 快速 成 型技 术 在 新 产 品 开 发 过 程 中 和 模 具 并 着
制 造 过 程 中 的 应 用 ， 示 了其 发 展 应 用 前 景 。 展
关 键词
快 速成 型技术 ，先进 制造 技术 ， 速制 模 快 文献标 识码 ： Ａ
ｕａｔｒ ｇ Ｉ ｆｅｕｉ ， ｎ ＯＭ） 的方 法 ， 于 １８ 组 建 Ｈｅｓｓ 司 ，９０年 前 后 开 发 了第 一 台商 业 机 型 Ｉ Ｍ 一 并 ９５年 ｌｙ 公 ［ １９ ０