快速成型技术的发展历史

快速成型技术的发展历史

一、国外RP技术的发展历史

从历史上看，很早以前就有“材料叠加”的制造设想，例如，1892年，J.E.Blanther在他的美国专利（#473 901）中，曾建议用分层制造法构成地形图。这种方法的原理是，将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上，然后按轮廓线切割蜡片，并将其粘结在一起，熨平表面，从而得到三维地形图。1902年，Carlo Baese在他的美国专利（#774 549）中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，这是现代第一种快速成型技术——“立体平板印刷术”（Stereo Lithogrphy）的初步设想。1940年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘结成三维地形图的方法。50年代之后，出现了几百个有关快速成型技术的专利，其中Paul L Dimatteo在他1976年的美国专利（#3932923）中，进一步明确地提出，先用轮廓跟踪器将三维物体转化成许多二维廓薄片（图1），然后用激光切割这些薄片成型，再用螺钉、销钉等将一系列薄片连接成三维物体，这些设想与现代另一种快速成型技术——“物体分层制造”（Laminated Object Manufacturing）的原理极为相似。

图1 Paul的分层成型法

上述早期的专利虽然提出了一些快速成型的原理，但还很不完整，更没有实现快速成型机械及其使用原材料的商品化。80年代末之后，快速成型技术有了根本性的发展，出现的专利更多，仅在1986～1998年期间注册的美国专利就有24个。这首先是Charles W Hull在他1986年的美国专利（#4 575 330）中，提出了一个用激光束照射液态光敏树脂，从而分层制作三维物体的现代快速成型机的方案。随后，美国的3D Systems公司据此专利，于1988年生产出了第一台现代快速成型机SLA-250（液态光敏树脂选择性固化成型机），开创了快速成型技术发展的新纪元。在伺候的10年中，涌现了10多种不同形式的快速成型技术和相应的快速成型机，如薄形材料选择性切割（LOM）、丝状材料选择性熔覆（FDM）和粉末材料选择性烧结（SLS）等，并且在工业、医疗及其他领域得到了广泛到的应用。1998年止，全世界已拥有快速成型机4259台，快速成型机制造公司约27个，用快速成型机进行对外服务的机构331个。

SLA快速成型法是目前世界上公认的众多快速成型方法中最为广泛使用的一种方法，它经过10多年的发展历程，不断地趋向成熟和发展，图2形象地表示了其发展历程，美国3D Systems公司高级研究人员Bryal Bedal和Hopnquyer 预言，基于光敏树脂的激光固化成型可以达到亚微米级的分辨率。由于该项技术是多学科的交叉和多项技术的高度集成，所以其整体性能的发展依赖于各种单元技术的发展，反之，单项技术的发展又不断地促进其整体技术的进步。SLA技术可分为硬件、软件、材料以及成型工艺四大组成部分。各部分的发展既相互促进，又相互制约。软硬件的发展相互依赖又相互促进，而材料的发展很大程度上又决定着成型的工艺。

图2 SLA技术发展历程图

多年来人们一直致力于以下几方面的研究：

（1）硬件部分包括激光束精确光斑的获得、激光束光点扫描精度及定位精度的获得与控制；高可靠性、高效率的树脂再涂层系统；树脂液面位置的精确控制。

（2）材料的各种性能的研究，如聚合反应及固化的速度、聚合反应过程中的收缩、固化后零件的机械性能等；粘度也是一项重要的性能指标，因为它是影

响涂层精度的关键因素，除此之外，还需要考虑特殊用途的需求，如用于融模铸造的树脂，要求发气量及残渣小；还有易储藏，无毒无味等要求。

（3）软件，主要是指树脂的预处理、整个成型过程的控制以及面向用户的易操作性。人们期望着这种技术发展到只要简单地一按“按钮”，就能将CAD电子模型转变为三维实体模型。

（4）制作工艺是光固化成型过程的关键技术，零件的精度及成型效率主要决定于制作的工艺。随着人们对光聚合机理、固化成型过程认识与研究的不断深入、零件精度也得到逐年提高（参见图3）。但是，这项技术毕竟是一项新的成型技术，而“快速”成型的要求又使得所用的树脂材料有别于传统的聚合物，加之聚合反应过程的不可控性以及材料物性的时间依赖性，所以，目前的绝大部分研究在很大程度上依赖于所用的材料和试验条件，对成型工艺的研究还没有通用的分析与计算模型，并且，实际应用中，经验还起到相当重要的作用。经过多年的研究及众多用户的使用经验，认为固化过程中树脂的收缩引起零件的变形是导致精度丧失的最主要原因，所以，人们一直在寻求最佳的制作工艺，以获得更高的零件精度。

图3 用户零件误差时间曲线

二、RP技术在我国的发展概论

RP技术自80年代末在我国开始研制以来，发展很快，可以概论如下：

1、1个明确的指导思想，1个重要的保证

开发创新与工程应用相结合的指导思想。从市场发展规律来看，因为RPM 技术成本低、质量高，特别是快速响应能力明显优于传统制造技术，故有比较强的市场竞争力；从RPM技术自身发展规律来看，它具有双重性：一是先进性，二是实用性。因此在我国从1991年RPM技术的研究开发启动时，就明确了开发创新和工程应用相结合的指导思想。

组织保证也是很重要的。在近10年的发展中，组织建设也在逐渐完善；①在国家自然科学基金委员会及科技部的大力扶植下有些单位已经形成了比较明显的优势，是我国RPM技术研究的主导单位；②1997年中国机械工程学会电加工分会成立了RPM技术专业委员会，积极推进这一学科的建设与发展；③在国家科技部的支持下，建立了5个生产力促进中心（西北、湖北、深圳、天津、宁波），它们都在发挥着将RPM技术转化为生产力的推广作用。

2、2个技术依托，2个产品方向

我国RPM技术的发展主要依托于2种技术：基于激光或其他光源成型的技术、挤压或喷射成型技术。2个产品方向：一是服务于高精度及高性能零部件制造的大型系统；二是自动化的桌面小型系统，主要用于制造概念原型等，出现了不同RPM工艺并举、大小RPM设备齐上的百家争鸣、百花齐放的局面，有效促进了我国RPM技术的迅速发展。

3、3个积极作用，3个发展阶段

3个积极作用是指启蒙作用、带头作用与推动作用：①1991年美国学者在中国的讲学，有效地起到了启蒙的作用；②随后，有些单位的科技工作者率先步入了这个行业，起到了很好的带头作用，如清华大学、华中理工大学、西安交通大学、北京隆源公司等；③科技部和国家自然科学基金委员会（简称“基金委”）的推动作用。基金委在国内发展RPM技术之初，就积极地、及时地安排了一些项目，当这些项目基本完成并取得了良好的效果以后，即部分应用基础研究完成之后，开始步入产业化或商品化阶段时，科技部又给予了重点支持，所以才有了今天RPM技术在我国得以迅速发展的局面。

RPM技术在我国的发展经历了3个阶段：第一个阶段是起步跟踪阶段（1992～1994年）。主要是消化、吸收国外的技术，特别是美国的先进技术。通过消化吸收，一些单位明确了主攻方向，即清华大学以LOM、FDM为主，西安交通大学主要是SLA、华中理工大学主要是LOM，北京隆源公司主要是SLS，至今已初见成效。

第二个阶段是发展创新阶段（1995～1997年）。主要体现在如下5个方面：①比较成熟地掌握了这4种主要RPM技术和设备的研发能力。②开发出具有我国

特色的一些装备，由样机向商品机迈进。值得指出的是，清华大学研发的水制冷成冰的快速成型系统和西安交通大学研制的紫外光快速成型系统，都是具有创意的。③成型材料陆续国产化。例如，清华大学开发了FDM用的蜡、ABS、尼龙等材料；西安交通大学开发了SLA用的国产光固化树脂；华中理工大学开发的LOM用纸、北京隆源公司开发的蜡粉以及尼龙粉等都已国产化。④在技术原理及参数优化等方面的研究也取得了比较明显的进步。如清华大学提出了关于制造维数的概念，西安交通大学提出了增材制造的理论以及华中理工大学和西安交通大学对反求工程的数据重构都进行了比较深入的研究。⑤西安交通大学完成了RE/RP/RT集成的快速成型制造集成系统的开发；清华大学根据功能梯度原理研制出多功能RPM设备等。这些成果不仅具有自己的知识产权，而且步入了国际先进行列。

第三个阶段是初级的产业化阶段(1998年到今)。据不完全统计，国内现有RPM设备约100台，其中，国产设备50台左右。可以说，进入了产业化的初级阶段。1995年我们召开了第1届快速成型制造会议；1997年成立了专业委员会；1998年召开了国际研讨会；2000年召开了第2届快速成型制造会议。在此期间，还多次参加了快速成型制造全球联盟组织会议；全球联盟主席在他的演讲中承认中国的RPM技术发展速度之快是惊人的，发展力量是不可忽视的，我们有理由认为，我们广大科技工作者的努力，至今已为我国RPM技术的发展奠定了扎实的思想基础、组织基础、技术基础和物质基础，并正充满信心地迎接着我国RPM 技术新的大发展时期的到来。

三、国内RP发展动向

总体来说，近年来国内快速成型技术的水平有了质的提高，以清华大学为代

表，国内各RP研发、设备生产和技术服务单位在RP技术、市场和应用服务都有很大进步。

1、技术方面

国际上传统的所有RP工艺，如SLA、LOM、FDM、SLS等，在国内都有单位进行了成功的开发，多数关键部件都实现了国产化，比如FDM设备中的喷头，LOM设备中的激光器等：设备的稳定性、可靠性和造型精度、质量有了显著提高，成型材料性能也在不断进步。除此之外，许多单位还创新低开展了RP新工艺新设备的研究，比如清华大学开发的低温冰型快速制造工艺和无模砂型制造工艺，拓宽了RP领域，在世界上处于领先地位。

2、市场方面

几年来国内RP市场从起步已经逐步走向发展阶段。企业界对于快速成型的认识已经有了比较全面的了解，快速成型已经逐步成为一种通用的设计方法和制造方法。许多企业已有应用RP技术的设想或方案。从地区分布（大陆）来讲，南方地区的市场已经基本成熟，其特点是企业认识程度高，技术、设备需求比较大；华东地区由于外企比较集中，市场潜力非常大，将是继华南之后的新的市场中心。应用行业集中在首版制作领域，比如珠宝、家电、模具、玩具、汽车等新产品、工艺品开发、包装，以及外观要求较高的器件制作。

3、技术服务方面

相对于两年前的RP行业，国内新增了许多RP技术服务型企业。国内大部分企业购买RP设备的能力有限，但是单个小批量的RP原型件的需求又很大，在这种需求的刺激下，新增的RP技术服务公司购买国内外成熟的RP设备，从应用的

角度，将三维结构数据获得、反求、快速成型技术、制造等服务，目前集中在首版制造领域。这些企业在业务活动中，扩大了RP技术的宣传面，在RP应用的深度和宽度上都对市场有促进作用。

国内RP行业主要单位的情况如下：

①清华大学企业集团殷华激光快速成型与模具技术公司

该公司以清华大学的快速成型技术为依托，是我国率先进入快速成型技术领域的经济实体。总体来说在国内RP界处于领先地位。其先进性体现为：SSM分层实体制造技术的工艺及设备已经完全成熟，取得多项国家专利，设备各项指标已达到世界一流水平。

MEM熔融挤压成型工艺及设备水平处于国内领先水平，迅速接近世界一流水平。其中核心功能部件——喷头在解决流涎问题和响应性方面已经超过国际平均水平，产品市场前景好，MEM-300-Ⅱ型已出口泰国等国家，在国际上有重要影响。

把RP技术应用于生物科学及医学领域中，提出了生物制造工程体系，使用快速成型离散——堆积的思想来制造人体器官的细胞载体框架，在使用活性生物材料大断骨的细胞载体框架方面已经取得了一定的进步，产品已经植入兔子和狗进行数轮动物实验，实验结果表明降解效果较好。

②北京隆源自动成型系统有限公司

该公司围绕SLS激光选择烧结技术，实现了AFS系列激光选区烧结成型机长期的稳步开发，该系列产品有AFS-320、AFS-320MZ、AFS-320MZ/Q5、

AFS-320YS等型号。设备性能稳定，成型质量好，精度较高，是国内SLS工艺的代表。

③西安交通大学先进制造技术研究所

该单位以西安交通大学快速成型技术方面的科研为依托进行产业化工作，取得了一定成绩，集中在基于光固化的快速成型工艺方面，技术方面除了风云变幻的激光扫描固化之外，还使用了紫外光扫描固化，产品主要有LPS600、LPS350、LPS250等型号的LPS系列激光快速成型机和CPS350、CPS250等紫外光快速成型机。水平达到国外同类产品水平。

④武汉滨湖机电技术产业有限公司

选择国产或进口激光器。该公司由武汉市科委和华中科技大学共同组建，依托华中科技大学的科研力量，主要从事LOM、SLS两种工艺的设备开发。其代表产品为基于LOM工艺的HRP系列薄材叠层快速成型系统，小型系统可由用户选择国产或进口激光器。设备已比较成熟，总体水平有很大提高，但样品中激光切割路径上有火柴头状过烧情况，反映出激光功率匹配技术方面还需要提高。

⑤南京大地水刀有限公司

该公司刚刚进入RP领域，从事FDM熔融堆积快速成型设备的生产，成型材料为蜡，有成型机DRP-260，整体水平处于起步阶段，产品成型材料仅限于蜡，尺寸小，精度不高。

国内RP领域各主要单位的具体情况如表1所示

四、我国RP发展存在的问题和发展建议

1、我国RP发展中存在的问题

（1）设备整体已经达到国外同类机型的水平，但是部分企业仅仅关注设备本身的开发与销售，在成型材料方面的研发工作不够重视，以到成型材料方面跟国外有相当差距。

（2）国内企业出于经济利益，低水平重复开发其他公司已经成熟的产品，造成不必要的资源浪费，在一定程度上扰乱了市场，降低了国产设备水平。

（3）国内企业研发的技术得不到有效保护。不但在国内企业间存在不正当竞争行为，部分国外企业也在窃取我国专利技术，生产的产品又返销大陆。

（4）部分国外公司代理商严重损害我国用户利益。表现为：

——部分代理商在广告宣传中肆意贬低国产设备的质量，进行不正当竞争。

——国外设备的售后服务费用高，且不及时。如上海大众、新大洲等公司的国外成型机都在等待修理，极大地影响了生产。

——国外设备运行成本昂贵，主要是成型材料价格居高不下。一些用户购买设备后，无法取得利润，回收成本。

2、我国RP行业发展建议

（1）尽快建立我国RP工艺和设备的行业或国家标准体系。国内RP技术的发展已经可以实现标准化的水平，完备的技术标准体系是我国RP水平的反映，能促进我国RP技术的发展。

（2）建立RP行业的市场监督体制。今后应做到达到国家RP工艺和设备技术标准的设备才能准许进入国内市场进行小时。规范企业在市场上的行为，保护

国内的RP用户的正当权益，促进市场健康发展。

（3）对进口RP设备在国内的销售进行限制。国外RP设备到目前为止尚被列入国内未掌握的高新技术，享受免税待遇。但是：

——目前我国国内RP设备已经全面达到国外同类机型的水平，尽管使用了同样的离散-堆积成型思想，但是在工艺方法和设备制造商都是自主开发完成，有自己的创新。

——国产设备已经形成了自己的销售市场和服务市场，设备销售逐年上升。

——我国已经独立掌握了该项高新技术且已产业化，设备的许多关键部件已经实现了国产化。

——国产设备不但在国内市场上由于良好的质量、低廉的价格和运行成本、迅速、高质量的售后服务受到了国内企业的好评，还出口法国、韩国、印度等国家，在国际上占有一席之地。

——国外设备销售到国内以后，运行费用很高，售后服务价格高昂，且不及时。

出于以上原因，国外RP设备目前享受的高新技术免税待遇，和它在国内市场上的低价销售，不但损害了我国RP研发、生产单位的利益，而且国内用户的利益也得不到保证。应该建议国家有关部门对此进行调研，取消国外RP设备在市场上的高新技术免税待遇，保护国内RP企业和国内市场。