快速成型分析vs快速制造 3D打印

快速制造项目调研报告简介快速成型（rapid prototyping）是将零部件的三维模型由计算机处理分解成若干层平面数据，然后将塑料或金属粉末材料按数据形成一个平面现状，再通过层层累积叠加生产出所需模具、产品。

该技术被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。

汽车、电子产品、家电等行业新产品设计研发人员，广泛利用其免去开模直接制造特点，直接快速制作出精密产品模型，帮助其找出设计缺陷；也可作为样品展示尽早抢占市场。

快速成型技术可以保证比其他技术做更多反复的修改，确保更好地设计部件。

同时该技术也可运用于小批量产品的生产，宝马、现代等汽车公司已大量使用该技术生产汽车部件、治具、夹具，其制造周期比普通数控加工缩短30%—40%以上，成本却下降35%—70%。

随着技术的发展、材料的更新，该技术可直接生产出最终产品，有可能取代现有的产品生产制造工艺，形成目前类似SMT加工一样的成熟市场。

据人民网**年*月报导，国际权威部门预测，快速制造作为一个独立的生产技术，拥有1.3万亿美元的市场，市场前景非常广阔。

技术分析1.基本原理：快速成型制造技术又叫快速原型制造技术；是指由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。

不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。

但是，其基本原理都是一样的，那就是“分层制造，逐层叠加“。

形象地讲，快速成形系统就像是一台”立体打印机"。

快速成型的基本过程：首先设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型）按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的层片再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码最后由成形系统成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体2.该项目吸引客户的特点：环保、污染小等。

（需完善补充）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。

3.技术预测发展快速成型在表面精度、尺寸精度及综合力学性能等方面仍难满足需要高精度、高表面质量的耐久模具制造要求, 且受成本、尺寸规格限制。

低成本且适用于精细加工及多种材料成型的堆积和去除成形技术的集成, 将是提高快速成型的实用性、材料适应性和表面精度的有效方法。

快速制模法与高速铣削加工相比, 在表面精细的复杂形状和难以省去电火花加工工序的金属模具制造方面占有优势。

模具表面精细复杂花纹直接成型将是快速成型技术的未来发展方向。

1）开发性能好的快速成型材料，如成本低、易成型、变形小、强度高、耐久及无污染的成型材料。

目前，快速成型用材料在挤出、浇注、复形和成型性能方面无法与热塑性塑料和金属相比。

且易受成型工艺的影响，材料在成型过程中会产生缺陷。

因此，从RP技术的特点出发，结合各种应用要求，改进和发展全新的便宜RP材料，特别是一些特殊材料和复合材料，例如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料、其他方法难以制作的复合材料等。

已经成为快速成型系统进步的迫切要求。

2）提高RP系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。

目前，即使最快的快速成型机也难以完成诸如注塑和压铸成型的快速大批量生产。

在产品生产条件下，一个部件的制造周期仅需要2s～1min，但快速成型则需要数小时甚至几天。

因此，未来的快速成型机需要研究快速和多材料的制造系统，以便能够直接面向产品制造。

3）改善快速成型系统的可靠性、生产率和制作大件能力，优化设备结构，尤其是提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能实验提供基础。

4）开发快速成型的高性能RPM软件。

提高数据处理速度和精度，研究开发利用CAD 原始数据直接切片的方法，减少由STL格式转换和切片处理过程所产生精度损失。

5）开发新的成型能源。

目前，大多数快速成型机都是激光作为能源，而激光系统（包括激光器、冷却器、外光路等）的价格及维护不仅费用昂贵，而且存在传输效率较低。

我国西安交通大学自主开发的以紫外光代替激光的快速成型机，不仅性能可与激光成型机相媲美，而且降低了成本。

新成型能源方面的研究也是RP技术今后的一个重要发展方向。

6）快速成型方法和工艺的改进和创新。

直接金属成型技术将会成为今后研究与应用的又一个热点。

7）进行快速成型技术与CAD、CAE、RT、CAPP、CAM 以及高精度自动测量、逆向工程的集成研究。

集成化也是RP技术今后的一个重要发展方向。

如开发RP技术与快速制模工艺相综合的集成制造系统，可扩大RP技术的制造能力、降低生产成本、提高生产效率。

8）提高网络化服务的研究力度，实现远程控制。

随着Internet的迅速发展，用户可通过因特网将制品的CAD数据传给制造商，制造商可根据要求快速为用户制造各种制品。

更进一步发展成用户通过因特网直接进入制造商的主页，从而利用RP技术实现远程制造。

此外，通过网络，科研机构可以更好地为企业提供技术支持，有关单位可以方便地进行技术整合等。

市场分析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、直观评估和验证分析。

在进行新产品市场调研时，用快速成型技术制造出样品的替代品，在潜在的用户中进行调研和宣传，了解用户的意见和需求量，从而快速经济地验证设计人员的设计思想、产品结构的合理性、可制造性，找出设计缺陷，并进行反复修改、制造，完善产品设计。

以依托于西安交通大学的西北RPM应用服务中心为例，他们运用RPM技术为TCL公司设计了多款新型手机样品。

从工业造型设计到样品全过程仅用了七天的时间，如用传统设计制造技术是无法实现的。

2、在机械制造领域的应用由于RP技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，多用于制造单件、小批量金属零件。

有些特殊复杂制件只需单件或少于50件的小批量，这样的产品通过制模再生产，成本高，周期长。

一般可用RP技术直接进行成型，成本低，周期短。

如某单位需试制发动机涡轮二个，采用传统工艺方法，制模具再生产需4个月。

北京隆源自动成型系统有限公司采用快速成型、失蜡铸造方法仅用了两天时间就完成了用于失蜡铸造的蜡型。

3、快速模具制造传统的模具生产时间长，成本高。

将快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，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。

快速模具制造是RP技术最具潜力的应用领域，其产业化规模和经济效益是不可估量的。

快速成型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，直接制模是指采用RP技术直接堆积制造出模具，在RP技术诸方法中能够直接制作金属模具的是选择性激光烧结法(SLS法)，用这种方法制造的钢铜合金注射模，寿命可达5万件以上，但此法在烧结过程中材料发生较大收缩且不易控制，故难以快速得到高精度的模具。

此外，用LOM法也可用于直接制造模具（如纸质成型模具、压铸模具、低熔点合金模具等）；但用此法生产的模具寿命短，只适用于单间小批生产。

目前，基于RP技术快速制造模具的方法多为间接制模。

间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具。

依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具(Soft Tooling)和硬质模具(Hard Tooling)两大类。

软质模具是用硅橡胶、环氧树脂、低熔点合金、锌合金、铝等软质材料制作的模具。

由于其制造成本低和制作周期短,因而在新产品开发过程中作为产品功能检测和投入市场试运行以及国防、航空等领域的单件、小批量产品的生产方面受到高度重视，尤其适合于批量小、品种多、改型快的现代制造模式。

软质模具生产制品的数量一般为50～5000件，对于上万件乃至几十万件的产品，仍然需要传统的钢质模具,硬质模具指的就是钢质模具，利用RP原型制作钢质模具的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。

4、在医学领域的应用近几年来，人们对RP技术在医学领域的应用研究较多。

人是自然界最高级的动物，人体的骨骼和内部器官具有极其复杂的内部组织结构。

要真实地复制人体内部的器官构造，反映病变特征，快速成型几乎是唯一的方法。

以医学影像数据为基础，利用RP技术制作人体器官模型有极大的应用价值，医疗专家组利用可视模型，进行模拟手术，对特殊病变部分进行修补(颅骨损伤、耳损伤等)。

外科医生已利用CT与MRI所得数据，用RP技术制造模型，以便策划头颅和面部手术。

他们还用RP技术制成模型进行复杂手术练习，为牙齿、骨移植等手术设计样板。

还有利用RP技术帮助发展新的医疗装置。

目前，国内外有许多单位在研究基于快速成型技术的人工骨成型。

如：西安交通大学研制了气压式熔融沉积造型系统成型可溶解的骨微管结构，并浇注到骨水泥中，融化后形成具有一定孔隙率的人工骨。

以美国Dayton大学为首的研究小组采用具有生物相容性的羟基磷灰石/玻璃薄膜材料，使用LOM快速成型工艺制造人工骨。

美国Michigan大学采用光固化(SLA)技术将羟基磷灰石与紫外光固化的丙烯酸树脂混合制造人工骨。