快速成型技术的应用和发展

快速成型技术的应用和发展

张鹏飞

天津大学机械学院机械工程专业2011级硕士生

摘要: 概括地介绍了快速成型技术的起源，简要介绍快速成型技术(Rapid Photograph Manufacturing——RPM)的工作原理，描述了快速成型技术的发展现状；根据快速成型技术的特点，提出了快速成型技术在现阶段存在的问题及其以后在其它行业领域的发展前景。

关键词：快速成型、应用、特点、发展

0 前言

快速成型技术又称快速原型制造( 简称RPM)技术，诞生于20世纪80年代末期，是基于材料堆积法的一种高新制造工艺，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变成原形或零件，从而为新设计思想的校验提供了一种高效低成本的实现手段。快速成型技术是在计算机的控制下，基于离散、堆积的原理，采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成型与制造。现以广泛运用于家电、汽车、航空航天、船舶、工业设计、医疗、艺术、建筑等领，为这些领域的发展提供了强大的推动作用。域但快速成型毕竟是属于新兴的先进制造技术，其在拥有诸多优点的同时也不可避免的存在缺点。[1]

1快速成型技术的起源

1979年，东京大学的中川威雄教授利用分层技术制造了金属冲裁模、成型模和注塑模。20世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的AIanJ.Hebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美国UVP公司的Charles W. Hull (1982年)和日本的丸谷洋二(1983年)，各自独立地首次提出了RP的概念，即利用连续层的选区固化制作三维实体的新思想。Charles W.Hull在UVP的资助下，完成了第1个RP系统Stereo lithography Apparatus (SLA)，并于1986年获得专利，这是RP发展的一个里程碑。随后许多快速成型概念、技术及相应的成型机也相继出现。[2]

2快速成型技术的工作原理特点及

其应用现状

2.1.1快速成型技术的工作原理[3]

快速成型技术不是采用一般意义上的模具或刀具加工零件,而是采用了一种新型工具能源加工原理,即利用光、热、电等手段,通过固化、烧结、粘结、熔结、聚合作用或化学作用等方式,有选择地固化(或粘结) 液体(或固体) 材料,从而实现材料的转移与堆积,形成需要的原型零件。快速成型制造思想的初始思路来源于将三维实体截成一系列连续薄切片的逆过程,即首先对零件的三维CAD 实体模型进行分层处理,获得零件的二维截面数据信息,然后根据每一层的截面数据,采用上述方法生成与该层截面形状一致的薄片,反复进行这一过程,薄片逐层累加,直至“生长”出所需实体零件。产品CAD实体模型构建方法有两种，一是可通过概念设计，设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型）；二是可通过逆向工程，通过三维数字扫描仪对产品原型进行扫描，而后结合逆向工程对扫描数据进行处理。然后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。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。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。

常用的快速成型的方法有：

(1) 光固化立体造型(SLA)：以光敏树脂为原料，采用计算机控制下的紫外激光束以原型各分层截面轮廓为轨迹进行逐点扫描，使被扫描区内的树脂薄层产生光聚合反应后固化，从而形成

制件的一个薄层截面。一层固化完毕后，向下移

动工作台，在刚刚固化的工作表面布放一层新的光敏树脂以便进行循环扫描、固化。新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复堆积成整个原型。采用这种方法成型的零件有较高的精度且表面光洁, 但可用材料的范围较窄。

(2) 分层物件制造(LOM)： LOM 的层面信息通过每一层的轮廓来表示, 激光扫描器的动作由这些轮廓信息控制, 它采用的材料是具有厚度信息的片材。这种加工方法只需加工轮廓信息, 所以可以达到很高的加工速度,但材料的范围很窄, 每层厚度不可调整是最大缺点。

(3) 选择性激光烧结(SLS)：SLS 使用固体粉末材料, 该材料在激光的照射下, 能吸收能量, 发生熔融固化, 从而完成层信息的成型。这种方法适用的材料范围广(适用于聚合物、铸造用蜡、金属或陶瓷粉末), 特别是在金属和陶瓷材料的成型方面具有独特的优点。SLS 无材料浪费现象, 未烧结的粉末可重复使用。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉, 用金属粉或陶瓷粉进行粘结或烧结的工艺还正在实验阶段。

(4) 熔融沉积造型(FDM) ：采用热熔喷头，使半流动状态的材料流体按模型分层数据控制的路径挤压出来，并在指定的位置沉积、凝固成型，这样逐层沉积、凝固后形成整个原型。这种方法的能量传输和材料传输均不同于前面三种方法, 系统成本较低; 但由于喷头的运动是机械运动, 速度有一定限制，所以加工时间较长, 且其材料使用范围不广。

(5)三维打印（3DP）：先铺粉，利用喷嘴按指定路径将液态粘结剂喷在粉层上的特定区域，粘结后去除多余的材料便得到所需的原形或零件。这种方法适合成型结构复杂的零件。

各种方法间的比较如表1所示：

表1 各种成型方法的比较

表面精度表面质量复杂程度零件大小材料价格材料利用率常用材料制造成本生产率市场占有率设备费用SLA 较高优中等中小较贵接近100% 热固性光敏树脂等较高高70% 较贵LOM 较高较差中等中大较便宜较低纸、金属带、塑料带等低高75% 便宜SLS 较低中复杂中小较贵接近100% 塑料、金属、陶瓷粉末等较低中64% 便宜FDM 较低较差中等中小较贵接近100% 石蜡、塑料、低熔点金属较低低61% 较贵3DP 较低中复杂中小较贵接近100% 金属、塑料、陶瓷粉末低中10% 较贵

2.1.2快速成型技术的特点

（1）产品灵活性。RP技术采用离散/堆积成型的原理，将十分复杂的三维制造过程简化为二维制造过程的叠加，使复杂模型直接制造成为可能，越是复杂的零件越能体现RP技术的优越性；

（2）快速性。从CAD 设计到完成原型制作通常只需几个小时到几十个小时，加工周期短，可节约70%时间以上，能够适应现代竞争激烈的产品市场；

（3）低成本。与产品的复杂程度无关，节省了大量的开模时间，一般制作费用降低50%，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产；

（4）成型过程中信息过程和材料过程一体化，制作原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用，尤其适合成型材料为非均质并具有功能剃度或有孔隙要求的原形；

（5）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；

（6）使设计、交流和评估更加形象化，使新产品设计、样品制造、市场定货、生产准备、等工作能并行进行，支持同步（并行）工程的实施；

（7）具有高柔性，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并满足一定功能的原型和零件。

（8）高集成化，RP 技术是集计算机、CAD/CAM、数控、激光、材料和机械等一体化的先进制造技术，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，